低品位熱能驅(qū)動的熱化學吸附變溫器冷熱復合儲能研究

馬良，王如竹，李廷賢

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

低品位熱能驅(qū)動的熱化學吸附變溫器冷熱復合儲能研究

馬良*，王如竹**，李廷賢

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

本文介紹了一種基于熱化學吸附變溫器原理的冷熱復合儲能技術(shù)，在此基礎(chǔ)上采用熱化學吸附工質(zhì)對NaBr-NH3搭建了低品位熱能驅(qū)動的熱化學吸附儲能實驗測試系統(tǒng)，對其變溫吸附儲熱和吸附儲冷性能進行了理論及實驗研究。研究結(jié)果表明：變溫吸附儲熱模式時，在變溫 15℃的工況下儲熱密度為258kJ/kg；吸附儲冷模式時，在制冷溫度7℃的工況下儲冷密度可達525kJ/kg，COP為0.3，SCP可達175W/kg，實驗數(shù)據(jù)分析表明熱化學吸附變溫器在低品位熱能高效回收利用和能量儲存方面具有很好的發(fā)展?jié)摿Γ赏瑫r實現(xiàn)熱量和冷量的復合儲存。

熱化學吸附 儲能 能量提升 變溫器

0 前言

能源和環(huán)境問題是目前的熱點話題，隨著人們對節(jié)能和環(huán)保的日益重視，低品位熱能利用技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，但是低品位熱能作為替代能源的發(fā)展仍舊面臨著諸多阻礙，例如實際使用中低品位熱能因溫度較低通常較難被直接利用，且能量供給與能量需求有時會出現(xiàn)時間上不匹配的矛盾，而儲能技術(shù)則是解決這種不匹配問題的重要途徑。現(xiàn)有儲能技術(shù)可分為顯熱儲能，相變潛熱儲能和化學儲能三種方式[1]。顯熱儲能技術(shù)裝置簡單，成本較低，但能量儲存密度較低，而且輸出溫度波動過大；潛熱儲能能量儲存密度較高，儲熱、釋熱過程近似等溫，但過冷和析出問題一直未能良好的解決；化學儲能能量儲存密度大，工質(zhì)數(shù)量眾多，可根據(jù)不同的工況進行選擇，具有良好的發(fā)展前景。

目前，對于吸附式系統(tǒng)，吸附式制冷已經(jīng)得到了廣泛的認識和應(yīng)用，但是對于吸附系統(tǒng)的儲能和熱泵應(yīng)用研究較少。應(yīng)用吸附式系統(tǒng)進行儲能的原理是采用低品位熱能為驅(qū)動力，利用固－氣可逆化學反應(yīng)過程中熱能與吸附勢能相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)能量儲存的技術(shù)，擁有儲存過程無熱能損失的優(yōu)點[2]。在此基礎(chǔ)之上，可利用化學吸附鹽的溫度與壓力變化的反應(yīng)特性構(gòu)建一種熱化學變溫吸附技術(shù)，在實現(xiàn)熱量儲存的同時，可實現(xiàn)制冷工況或者將熱量釋放時的輸出溫度提升的比原儲存時輸入溫度更高的熱泵工況，將儲能與低品位熱能高效利用結(jié)合在一起，為低品位熱源的能量的利用提供了一種新的思路。

1 系統(tǒng)介紹與搭建

1.1 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)能量應(yīng)用的方式不同可將系統(tǒng)分為變溫吸附儲熱工況和吸附儲冷工況，利用吸附系統(tǒng)間歇運作的特性，當熱能供應(yīng)充足時讓吸附反應(yīng)器解吸實現(xiàn)儲能，當需要使用熱量或者冷量的時候再使循環(huán)繼續(xù)，達到了儲能的目的。

圖1 熱化學變溫吸附儲能系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)組成如圖1所示，高溫熱源提供使吸附反應(yīng)器解吸的儲熱熱量，而低溫熱源提供變溫吸附儲熱循環(huán)（熱泵工況）下使儲液器內(nèi)液態(tài)制冷劑溫度升高的變溫熱量。冷卻塔帶走儲能時氣態(tài)制冷劑液化的放熱量，最終釋放的吸附熱提供給熱用戶。

變溫吸附儲熱循環(huán)原理如圖2所示，

A-B：高溫熱源加熱吸附反應(yīng)器，吸附反應(yīng)器內(nèi)吸附鹽解吸出氣態(tài)制冷劑，制冷劑被冷卻后液化進入儲液器被儲存；

B-C：液態(tài)制冷劑在儲液器被低溫熱源加熱到C點，實現(xiàn)變溫；

C-D：當需要熱量時連接儲液器與反應(yīng)器，高壓氣態(tài)制冷劑進入反應(yīng)器，被吸附鹽所吸附產(chǎn)生吸附熱，通過循環(huán)介質(zhì)釋放出能量；

D-A：回收或者向環(huán)境放出顯熱熱量，完成變溫循環(huán)。

圖2 熱化學變溫吸附儲熱循環(huán)示意圖

圖3 熱化學吸附儲冷循環(huán)示意圖

吸附儲冷工況循環(huán)原理如圖3所示，

A-B：熱源對反應(yīng)器輸入熱量，吸附反應(yīng)器內(nèi)壓力升高達到冷凝壓力。

B-C：到冷凝壓力后，連接反應(yīng)器與儲液器，吸附反應(yīng)器內(nèi)吸附鹽解吸出氣態(tài)制冷劑，經(jīng)冷卻液化進入儲液器被儲存；

C-D：反應(yīng)器在冷卻水作用下降溫，同時壓力下降到蒸發(fā)壓力；

D-A：當需要冷量時連接儲液器與反應(yīng)器，儲液器內(nèi)液態(tài)制冷劑蒸發(fā)相變進行制冷，氣態(tài)制冷劑進入反應(yīng)器被吸附鹽所吸附，吸附熱被冷卻水帶走。

圖4 試驗臺結(jié)構(gòu)及實物圖

1.2熱化學吸附儲能實驗系統(tǒng)

試驗臺搭建中，為了取得更好的冷卻和制冷效果，在儲液器之上設(shè)置一個冷凝器，冷凝器采用板翅式換熱器，主要用于儲能過程中循環(huán)工質(zhì)的冷卻液化；儲液器內(nèi)部設(shè)有換熱盤管，可用外界低溫熱源通過水環(huán)路進行加熱，主要用于加熱液態(tài)制冷劑實現(xiàn)變溫過程以及蒸發(fā)相變制冷。實驗系統(tǒng)主要由反應(yīng)器，冷凝器，儲液器幾部分構(gòu)成，通過氨路管道相連，系統(tǒng)與外界熱源，冷卻塔和冷熱用戶使用水路進行換熱循環(huán)。實驗系統(tǒng)使用Pt100鉑電阻測量溫度,精度約為±0.2℃。

吸附工質(zhì)對是吸附系統(tǒng)的關(guān)鍵因素[3]，本文以熱化學吸附儲能工質(zhì)對 NaBr-NH3為例[4]對儲能技術(shù)進行分析，故對于本系統(tǒng)而言，反應(yīng)方程式為：

反應(yīng)器填裝的復合吸附鹽由NaBr吸附鹽和膨脹石墨采用浸漬法[5]混合、烘干后制得, 填裝在碳鋼翅片管翅片的縫隙之間，使用細孔鐵絲網(wǎng)包裹固定。反應(yīng)器兩端使用碳鋼堵頭焊接密封使并聯(lián)翅片管的油路并聯(lián)成為一個整體。膨脹石墨在 700℃環(huán)境中烘制12～15min，吸附鹽與膨脹石墨以3:1的質(zhì)量比例進行混合，以改善吸附鹽的傳熱性能。

圖5 翅片管實物

圖6 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及實物圖

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 變溫吸附儲熱性能研究

2.1.1 儲熱工況熱力循環(huán)分析

本文對儲能循環(huán)主要從儲能能力和升溫能力兩個方面進行分析。

儲能量計算[6]方式：

儲能效率：儲存的理論效率為輸出熱量和輸入熱量的比值。循環(huán)中，輸出熱量就是吸附反應(yīng)熱，而輸入熱量包括高溫熱源加熱反應(yīng)器所提供的反應(yīng)熱和低溫熱源加熱儲液器的變溫加熱量兩部分。因此熱泵工況儲能效率計算公式為：

圖7 熱化學變溫吸附儲熱Clapeyron圖

熱泵工況的理論變溫性能可通過Clapeyron圖[7]計算得到，設(shè)定環(huán)境溫度 Tc=20℃，儲液器變溫到Te=40℃，可根據(jù)NH3的溫度-壓力曲線得到對應(yīng)溫度下的壓力，然后根據(jù)吸附鹽反應(yīng)平衡線得到反應(yīng)器對應(yīng)壓力下的溫度Toutput=58℃，Tinput= 43℃，反應(yīng)器輸入溫度與輸出溫度的升溫幅度為15℃。系統(tǒng)循環(huán)流程為：反應(yīng)器中的復合吸附劑被加熱到43℃向儲液器解吸出氣態(tài)氨，氣態(tài)氨被冷卻水冷卻成為20℃的液態(tài)氨后儲存在儲液器內(nèi)；儲液器內(nèi)液態(tài)氨被低溫熱源加熱到40℃后，連接儲液器與反應(yīng)器，儲液器內(nèi)的液氨蒸發(fā)成為氣態(tài)氨進入反應(yīng)器內(nèi)被吸附，產(chǎn)生反應(yīng)熱提供給熱用戶。

2.1.2 儲熱特性實驗研究

當儲存能量時，設(shè)計反應(yīng)器內(nèi)部溫度為43℃，按照反應(yīng)器傳熱溫差6℃計算，使用流量為0.33kg/s的循環(huán)水加熱反應(yīng)器，環(huán)境溫度23℃，此時反應(yīng)器內(nèi)的氨向儲液器解吸儲存，得到數(shù)據(jù)如圖8。

可看到，儲熱過程中，反應(yīng)器平均進出口溫差1.7℃，反應(yīng)器解吸耗熱量為1357kJ。

釋放能量時，儲液器內(nèi)部設(shè)計溫度為 58℃,傳熱溫差6℃計算，使用52℃循環(huán)水冷卻反應(yīng)器，氣態(tài)氨進入反應(yīng)器被吸附釋放出反應(yīng)熱,得到數(shù)據(jù)如圖9。

可看到，當連接儲液器和反應(yīng)器時，由于制冷劑的蒸發(fā)相變，儲液器進出口溫差達到 2.5℃，此時從反應(yīng)器輸出的溫度明顯高于向反應(yīng)器輸入的溫度，二者平均溫差為 1.7℃，從而實現(xiàn)了低品位熱能的能量品位提升，釋能功率可達到1.2kW，變溫釋放熱量為 1242kJ，填充復合吸附劑質(zhì)量為5.26kg，計算得到儲熱密度為 258kJ/kg，低溫熱源輸入的變溫加熱量為1693kJ，故儲能效率為40.7%，這是由于試驗系統(tǒng)顯熱過大所致，熱容對于吸附系統(tǒng)的影響非常明顯[8]，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后儲能效率將會有明顯的提高。

2.2 吸附儲冷性能研究

2.2.1 儲冷工況熱力循環(huán)分析

現(xiàn)在對于吸附式制冷的研究較多，評價方式主要來源于COP和SCP，吸附式制冷循環(huán)COP的計算方式為：

圖8 儲能試驗過程進變化曲線

SCP的計算方式為：

2.2.2 儲冷特性實驗研究

當冷凝溫度為23 ℃, 解吸溫度為70℃，蒸發(fā)溫度為7℃時，實驗結(jié)果如圖10。

儲冷過程中，反應(yīng)器平均進出口溫差 5.4℃，反應(yīng)器解吸耗熱量為9199kJ。

當釋放冷量時，設(shè)計制冷溫度為7℃,反應(yīng)器解吸溫度為自然環(huán)境溫度22℃，使用冷卻水冷卻反應(yīng)器，儲液器內(nèi)部儲存的液態(tài)氨相變蒸發(fā)進入反應(yīng)器被吸附釋放出反應(yīng)熱,得到數(shù)據(jù)如圖11。

圖9 釋能試驗過程變化曲線

圖10 儲冷過程變化曲線

圖11 釋冷過程變化曲線

可以看到，釋放冷量時儲液器進出口平均溫差0.8℃，制冷量為2758kJ，根據(jù)實驗結(jié)果可計算出制冷循環(huán)下COP為0.3，SCP為175W/kg，填充復合吸附劑質(zhì)量為5.26kg，所以儲冷密度為525kJ/kg。

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于熱化學吸附變溫器原理的冷熱復合儲能技術(shù)，并以工質(zhì)對 NaBr-NH3為例搭建了熱化學吸附儲能實驗測試系統(tǒng)，對其變溫吸附儲熱和吸附儲冷性能進行了實驗研究。結(jié)果表明：采用熱化學吸附變溫器可有效實現(xiàn)低品位熱能的高效儲存和能量品位提升，在變溫吸附儲熱模式下，在升溫15℃的工況時的儲熱密度為258kJ/kg；吸附儲冷模式時，在制冷溫度 7℃的工況時儲冷密度可達525kJ/kg，COP為0.3, SCP為175W/kg。實驗數(shù)據(jù)分析表明熱化學吸附變溫器在低品位熱能高效回收利用和能量儲存方面具有很好的發(fā)展?jié)摿?，可同時實現(xiàn)熱量和冷量的復合儲存。對于吸附系統(tǒng)來說，金屬熱容對效率有較大影響，經(jīng)過合理的優(yōu)化之后，儲能效率將會得到進一步提升。

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Study on the Combined Cold and Heat Energy Storage of Thermochemical Sorption Heat Transformer Powered By Low-Grade Thermal Energy

Ma Liang*, Wang Ruzhu**, Li Tingxian
(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

A combined cold and heat energy storage of thermochemical sorption heat transformer technology was introduced. And based on that, an experimental facility was organized based on NaBr-NH3working pair. The performance of the system was studied to confirm the effect of the technology. The experiment result is: In the heat pump condition, when temperature was lifted 15℃, the heat storage capacity is 258kJ/kg. In refrigeration condition, the refrigeration storage capacity can arrive 525kJ/kg, the COP can arrive 0.3 and SCP can reach 175W/kg. The research results showed that: Thermochemical sorption heat transformer has great potential in high efficient utilization and storage of low-grade energy. While at the same time, the technology can also realize the of cold and heat energy storage.

thermochemical sorption; energy storage; energy upgrade; heat transformer

*第一作者：馬良（1987年-），男，上海交通大學制冷與低溫工程研究所，碩士研究生，主要從事太陽能儲能方面研究。E-mail: maliang830@gmail.com，Tel: +86-18801947681。

**導師：王如竹，男，上海交通大學制冷與低溫工程研究所，教授，主要從事太陽能熱利用以及吸附式制冷等方面的研究。E-mail: rzwang@sjtu.edu.cn

國家自然科學基金（No.50906053 ）