水合盐复合材料热化学储热性能强化机理及与多尺度传热传质的关联规律

Thermochemical heat storage using salt hydrates is a very promising long-term heat storage technology with high energy density. The involved transient multi-scale heat and mass transfer processes in porous structure play an important role on the storage performance. This project aims to carry out investigations on the heat storage reactors containing magnesium chloride-porous matrix composites. Several techniques such as micro-structure design and characterization, performance test of the adsorption and desorption processes, numerical simulation of the multi-scale heat and mass transfer processes coupled with multi-step thermochemical reactions will be used, and both the composite materials and the reactor will be studied. On one hand, the effect of micro-structure and morphology of composite materials on the heat and mass transfer and the reaction kinetics will be studied. Special attention will be paid on the analysis of the failure mechanism of the composite materials and its relation to the heat and mass transfer processes. On the other hand, the thermal behavior of the heat storage reactor during multiple charging and discharging thermal cycles will be investigated, and the performance enhancement techniques of the reactor will be analyzed. The aim of this project is to reveal the performance enhancement mechanism and its relevance to the heat and mass transfer processes, so that micro-structure design methods of the composite materials with better heat and mass transfer performance and reaction performance can be provided, and better parameter optimization and output stability control for the heat storage reactor can be established. The outputs from this project will provide a theoretical basis for future R&Ds of the thermochemical heat storage reactors containing salt hydrate-porous matrix composites.

使用水蒸气作为吸附工质的水合盐热化学吸附储热运行时涉及与多步热化学反应耦合的多孔、多尺度、非稳态传热传质过程。本项目以水合盐复合材料热化学吸附跨季节储热技术为研究对象，针对其当前面临的基础问题，从储热材料和反应器两个层面开展实验和数值研究。一方面研究水合盐复合材料多尺度传热传质机理和热化学动力特性，重点分析材料微结构对传热传质及热化学动力性能的影响规律，提出提高储热材料稳定性的调控机制和微结构调控方法；另一方面，研究连续吸附/脱附热循环条件下反应器内多尺度传热传质规律和性能演变规律，揭示反应器热流参数调控原理及稳定参数输出机制。在此基础上建立反应器内与热化学吸附/脱附反应耦合的多尺度热质动态输运物理模型，深入揭示反应器内多尺度传热传质规律及与热化学动力性能的耦合作用机制，为开发设计高效率、高可靠性的水合盐吸附跨季节储热材料及反应器并制定优化调控运行策略奠定理论基础。

跨季节储热技术是实现清洁供暖及减少碳排放的重要方式，是太阳能采暖/热水技术的重要发展方向。水合盐热化学吸附的跨季节储热技术有着广泛的应用前景，但该技术尚不成熟，特别是微孔材料内部及热化学储热器件内部的传热传质过程还未有深刻剖析。基于此，本项目一方面从水合盐微尺度结构出发探究了其结构属性对热化学反应动力性能及内部传热传质机理的影响规律。另一方面从反应器层面揭示了水合盐化学储热过程的充/放热性能和效率特性、及连续吸附/脱附热循环过程的性能演变规律。在探究水合盐微尺度结构对传热传质影响规律方面，首先制备了硫酸镁-沸石复合材料、氯化镁-沸石复合材料、氯化锶-膨胀蛭石复合储热材料，研究了复合储热材料在相对湿度、温度等不同工况下微结构的演变规律及水合状态，获得了复合储热材料的吸脱附反应性能，并采用Doyle和Coats Redfern方法建立了反应动力学模型。针对制备的硫酸镁-沸石、氯化镁-沸石、氯化锶-膨胀蛭石等复合储热材料，研究了循环储释热过程的吸脱附性能，并表征了循环过程的孔隙分布、水合状态等微结构演变，分析了失稳失效的发生机理和相对湿度等运行条件的影响规律，以及微结构演变对于传热传质过程的影响。在反应器尺度上，搭建了反应器充放热性能测试平台，针对使用硫酸镁-沸石、氯化锶-膨胀蛭石等复合储热材料的反应器进行了实验测试，获得了反应器不同位置、不同工作条件下的充放热性能和效率特性，以及连续热循环过程的性能演变。开发了基于非热平衡和压力驱动的反应器数值模型，并研究了反应器的吸脱附过程、空气和水合盐之间的瞬时传热传质及储热效率。本项目已发表论文22篇，获授权发明专利2项。培养博士研究生3名，毕业硕士研究生3名。以本项目成果作为重要支撑，负责人作为第一完成人获得了2022年度河北省自然科学二等奖。本项目的实施为水合盐跨季节储热技术研发提供了基础理论和关键技术支撑。