储热多孔介质热化学反应和孔隙/宏观尺度气固两相耦合热质传递机理

With the advantages of high heat storage density and long term, gas-solid thermochemical reaction is a potential thermal storage technique, in which there is a type problem of reactive transport in porous medium. In this project, we will conduct the experimental and theoretical research on thermochemical storage of metallic oxide / metallic hydroxide from the four aspects of chemical kinetics, porous structure, pore-scale transport and reactor. The new kinetics model will be explored, and the fractal characterization and reconstruction will be performed for the porous materials of thermal storage. Reactive transport and gas-solid two-phase coupling process in thermochemical storage will be explored from the pore-scale and macro-scale perspectives. We will develop theoretical model of gas-solid two-phase coupling reactive transport, and establish macro model of thermochemical storage with effects of the local thermal non-equilibrium and the change of pore. Further contrastive analysis will be performed between the information of pore-scale and macro-scale. Through the relevant researches, we aim to revealing the microscopic reaction mechanism for thermochemical storage, ascertaining the evolving law of pores, establishing the reconstruction algorithm of thermochemical porous medium, making explicit the coupling reaction mechanism between gas and solid, and uncovering the dominant mechanisms of heat and mass transfer in thermochemical storage process. The heat and mass transfer performance of reactor will be obtained, and the correlation between macroscopic performance and pore structure will be developed. This project research will provide theoretical guidance and technical support for promoting thermal energy density and lowering the cost of thermochemical storage technique, and designing the compact heat storage reactor.

气固热化学反应储热密度高、储热周期长，是很有潜力的储热技术，存在典型的多孔介质反应传输问题。本项目在热动力学、多孔结构、孔隙传输、反应器等四个层次开展金属氧化物/金属氢氧化物的热化学储热实验与理论研究，结合储热材料结构扫描、量热分析、反应器测试等实验手段，研究新的热动力学模型，开展储热多孔介质的分形表征和重构，从孔隙和宏观角度探索热化学储热反应输运及气固两相耦合过程，开发孔隙内气固两相耦合反应的理论模型，建立考虑局部非热平衡、孔隙变化的宏观热化学储热模型，进而开展孔隙和宏观信息的对比分析。通过相关研究，揭示储热微观反应机理，探索孔隙演变规律，确立储热多孔介质重构算法，明确孔隙内气固两相耦合反应机制，揭示化学储热过程的主要传热传质机理，获得储热反应器的传热传质性能，探索宏观性能与孔隙结构的关联性，为提升化学储能密度、降低化学储热成本、实现储热反应器的紧凑化设计提供理论指导和技术支持。

热化学储热具有储能密度高、热损耗低、放热过程迅速、可移动储热/供热等特点，是极具应用潜力的高效储热技术。本项目从微观动力学、介观结构、宏观模型、材料、反应器、实验系统等方面对热化学储热技术开展深入研究。微观动力学方面，以微观储热机理为切入点，通过吸附能、态密度、电子转移数量、热力学性能等不同角度进行计算分析，从微观上探究了如何氢氧化镁分解的机理。介观方面，完成孔隙结构重构，建立了三种带有不同颗粒结构的气固热化学储热反应器数值模型；对热化学储热多孔结构内的流动、传热和传质过程进行数值模拟，采用反弹格式、零梯度格式、外推格式等方法处理边界条件，得到了空间内的速度、气体浓度、固体吸附量、温度等物理量的分布情况和演化过程。宏观模拟方面，基于钙基储能材料设计了一套多层热化学储能反应器，据此进行了化学反应、传热传质等多物理场的数值模拟。首先针对所设计反应器进行了物理和数学模型的构建，并根据实际工况设定边界条件和初始条件，通过瞬态求解器求解得到放热/取热过程的数据，最后针对反应器内温度场、速度场、压力场、转化率以及取热温度和速度进行了详细表征和分析。通过数值计算研究了热化学储热和储氢的耦合应用技术，得到了一些有意义的储热/放热、储氢/放氢参考数据。实验方面，通过掺杂/表面改性，制备了高能能稳定的热化学储热材料，进行热物性、光谱吸收特性和微观结构的表征，另外搭建了以金属氧化物为反应材料的热化学储热实验台，装载MgO/Mg(OH)2热化学储热材料，初步进行了不同水合初始温度、不同蒸汽流量、不同孔隙分布和不同分解温度下的热化学储热/放热过程。整体研究为热化学储热技术的发展探索提供了丰富的数据参考，无论在数值研究的数学模型构建、反应器结构设计、材料制备改性、系统实验台搭建、工程化应用及推广还是储热技术与其他产业的交叉结合，都提供了有意义的参考。