吸湿剂固液汽三相储能/制冷/制热的循环机理研究

The fast economy development in recent decades and the predictable future keeps driving air conditioning vastly employed, which causes electricity shortage accordingly. Energy storage of industrial waste heat or solar energy for cooling and heating has been proved to be an effective way to alleviate the energy consumption pressure theoretically, whilst the low energy storage density and the low Coefficient of Performance of the thermally driven cooling system prevent the methodology from being widely applied. This project investigates the three-phase energy storage/cooling/heating technology, with the coexistence of hydrate crystalline solid, salt solution, refrigerant vapor, adsorption process and absorption process, etc., using the hygroscopic agent -water consisting of LiCl and expanded graphite. The three-phase energy storage system can achieve an energy storage density of 2350kJ/kg for cooling and heating by utilizing two sources of energy: the potential energy of concentration difference due to the salt solution, and the potential energy of chemical crystallization. The resulting cycled moisture absorption can be significantly enhanced; thus the system performance can be improved. This project aims to discover the innate properties and rules of the three-phase system of energy storage/cooling/heating. We will focus on the following aspects: studying the adsorption/absorption/regeneration characteristics of the hygroscopic agent-water and its mechanism for energy storage/cooling/heating; analyzing the relationships between the physical parameters of the absorbent, the heat and mass transfer factors and the system's coefficient of performance; investigating the thermal-dynamics characteristics of the system, etc. This project can help to effectively increase the energy storage efficiency and the coefficient of performance of the thermally driven cooling system. We believe the results of this project can also shade light on the design of highly effective systems utilizing low-grade heat in the future.

空调耗电量不断攀升，在空调季节常会发生用电短缺问题，利用工业余热或太阳能进行储能/制冷/制热，是缓解该问题的有效方法。然而，传统储能密度相对较低、热驱动制冷系统综合效率较低，制约了该技术推广应用。本项目以吸湿剂氯化锂/膨胀石墨-水为研究对象，研究三相（水合物结晶固体、吸湿盐溶液、制冷剂蒸汽共存，吸附/吸收共存）储能/制冷/制热技术。三相储能系统可利用较大的吸湿盐溶液浓度差势能与结晶热化学势能进行储能和制冷/制热，其储能密度可提高到2350kJ/kg。三相循环的吸湿量显著提高,从而可提高系统制冷制热性能。本项目旨在揭示三相储能/制冷/制热系统的基本机理。研究内容包括：复合吸湿盐吸湿和再生特性，以及其储能/制冷/制热的循环机理；吸湿剂物理参数、传热传质因素与系统性能系数的关系等。本项目为有效提高热驱动制冷系统储能效率、系统性能系数，以及以后研制高效低品位热能的综合热利用系统提供理论基础。

太阳能和工业余热非常丰富，但其有一个共同缺点就是它们的间隙性和不稳定性问题，这导致了供热方和用热方的不匹配，而储能技术则是解决这一问题的关键。传统储能技术为显热储能、潜热储能以及热化学储能。显热储能的储能密度较小，潜热储能往往有相分离现象、导热率低、过冷度大等问题。在此背景下，本项目提出基于物理和热化学反应的三相储能技术。该技术可以有效地提高储能密度，同时，此技术的储能周期长，且热损失小。本项目首先配置和分析了三相吸附剂，测试了此复合吸附剂的孔洞分布情况以及比表面积，研究了吸附平衡特性和非平衡特性，得出了复合吸附剂的导热系数与密度的关系。接着，本项目还研究了吸湿剂与制冷剂接触时的各种相互作用的关系，揭示了三相储能机理，即三相储能包括三个过程，即稀溶液和浓溶液之间的吸收/解吸过程；浓溶液和结晶水合物之间的潮解/结晶过程；结晶水合物热化学反应的吸水/脱水过程，通过这三个过程的储能，储能密度可以有效提高。最后，本项目分析和搭建了三相储能/制冷/制热循环系统，分析了三相充能和释能的运行特性和性能优化。本项目的研究结果显示，复合吸附剂在三相其导热系数随密度增加而上升，其范围为2-2.83W/(m.K)。三相储能密度随温度有两个明显的跃升，这和吸湿盐的结晶/潮解过程以及热化学反应吸水/脱水过程刚好吻合。当解吸温度、吸附床温度以及蒸发温度分别为85 oC、40 oC和15 oC时，其储热密度为1.2kW.h/kgsalt，储能效率为93%，三相储热和显热占总储能的比例分别为57%和43%。三相储热密度比单纯吸收储热密度提高160%。在三相单级热源品位提升循环中，热源温度可以从55oC提升到105oC。在本项目的资助下，研究人员发表SCI期刊论文13篇，多篇论文在顶级期刊上发表，其中包括《Progress in Energy and Combustion Science》、《Energy》、《International Journal of Heat and Mass Transfer》等期刊。发表会议论文4篇，申请国家发明专利5项。项目组成员参加了10余人次的国内外会议，并在会议上宣读研究论文。共培养博士生4名，均已毕业，其中有3名为硕博连读。综上所述，本项目通过理论和实验，研究了高效吸附剂、三相储能/制冷/制热循环、三相储能机理，为高效利用低品位的太阳能和工业废热做了有益探索。