低品位热能利用及储热技术的研究

低品位热能利用及储热技术的研究

李强

淄博市淄川区供热保障服务中心 邮编255100

摘 要：造成能源效率低下的主要原因之一是缺乏低成本高效益的低品位热量利用技术。余/废热是一种重要的潜在资源，迄今尚未完全开发。本文综述了几种适用于余热利用的技术，特别是低品位热能的利用技术，主要包括: （一)化学热泵（二）热能储存，包括显能和潜能蓄热及其相应介质，以提高低品位热能系能源效率，这两种方法都可以提高低品位热能的利用效率。

关键词：化学热泵；蓄热技术；低品位热

1化学热泵技术

化学热泵由冷凝器、蒸发器和反应器（带有发电机)或(吸附器/吸收器）组成，通过可逆反应用于提质和储存热能，特别是低品位的提质和储能。Wongsuwan和Fadhel等人指出，化学热泵既可以利用气液吸收过程也可以利用固气吸附过程。吸附化学热泵可进一步分为化学吸附化学热泵或物理吸附化学热泵。化学吸附是吸附技术的一个重要组成部分，是由暴露表面发生的化学反应驱动的。吸附剂之间的强相互作用由离子键、共价键引起的。相反，物理 关于化学热泵的基本原理、分类、工作模式和经济分析的科学文献，已经证实化学热泵是一种可持续的技术，可以在热需求期回收低品位热量（包括地热能）和供应能源。化学热泵技术可以作为一种独立的技术，也可以集成到联合热电(CHP)系统中，形成第三代制冷、加热和发电(CCHP)联合系统。第三代联合系统的研究主要集中在吸收循 环上，而不是吸附循环。

1.1气固吸附循环

  吸附循环可分为多床循环和热波循环。多床循环是两个或多个吸附循环的组合。多床循环由于它更灵活的热源温度，其温度在313 K到368 K变动，具有更广泛的应用潜力。Ma等人研究了适用于吸附循环的两百多种活性盐。这些盐的共同特征包括：（1）导热系数低导致吸附和解吸时间较长，因此需要更大的设备（如吸附柱）才能达到所需的反应时间（2）传质速率取决于通过吸附颗粒和通过吸附床的吸附剂的吸附性能。温度和吸附浓度的分布受床层孔隙率的影响；（3）孔隙率的增加降低了热导率和传质阻力，但同时也增加了吸附周期。实践中需要具有热稳定性、高导热性、高吸附容量和低成本的吸附剂。另一方面，具有高潜热的无腐蚀性、无毒、热稳定性和化学稳定性的气体是我们所需要的优良的吸附质。表1中给出了一些吸附剂-吸附质工质对的吸附热。

1.2气液吸收循环

  与吸附技术相比，吸收热泵技术得到了进一步的发展，更适合低品位的热利用[46]。水溴化锂（H2OLiBr）和氨水(NH3-H2O)吸收循环是最常用的循环，已经在商业上应用了很多年。水溴化锂循环以水为吸收剂，氨水循环以氨为吸收剂。

在一个吸收循环中有三个流体管道：分别用于富集吸收液，弱吸收液和纯制冷剂流体。 Reay阐明了蒸发器、发电机、冷凝器和吸收器平常的工作温度。Heppenstall进一步详细地介绍了吸收循环的工作原理。在商业上可以利用的H2O- LiBr系统通常单个系统的COP为0.7-1.2生效，以达到双重效果。单级的NH3-H2O系统COP为0.3-0.6。吸收系统的效率和应用温度的范围由级数（蒸发吸收器)和效应(发生器或解吸器)决定。然而，H2O-LiBr和NH3-H2O两个循环相互关联，并且存在一些问题。例如前者价格较贵，对某些材料具有腐蚀性，并且可能由于真空的操作条件造成损失，而后者具有轻微的毒性，因为发电机中的氨气与氨水的分离不完全，所以需要整流器有效地从氨蒸气中去除残余水蒸气。此外还有利用盐的吸收系统，例如，H2O- LiBr系统由于其饱和阈值而更容易结晶，阻碍了吸收系统的效率。通过对结晶的可能原因进行审查因此，系统中的金属腐蚀并开始产生不凝气，尤其是在高温工作下。这些气体的存在降低了系统的容量和COP。吸收液越来越浓，一度超饱和并引发结晶。如果冷凝器中的吸收液突然冷却到温度低于正常工作的温度，那么离开吸收器的稀释吸收液的温度也会下降。因此，换热器中浓缩吸收液的温度将达到比结晶点更低的温度。发电机过热也会导致吸收液的超饱和和结晶。如果机器在满负荷运行时由于停电或其他原因突然停止，机器中高度浓缩的吸收液将不可避免地冷却到环境温度并结晶。

2热能储存

热能储存技术是一种很重要的储能技术，因为它的应用可以提高能源系统的性能。热能储存的应用在三代CHP，已经有了较好的发展，即加热和冷却以及空间加热等等。通过提高储能介质的性能，可以进一步提高总能源系统的性能。本节讨论两种形式的热能储存：显热储存和相变材料(PCMs)潜热储存，以及每个存储系统中使用的介质。

2.1显热储存

  当能量通过没有发生相变的加热或冷却介质而储存或提取时，称为显热储存。显热储存系统设计简单，体积较大，不能在恒温下储存或输送能量。 通常的显热储存介质可以是液体，例如，热水、有机液体、熔融盐和液态金属或固体，例如，金属，矿物和陶瓷。介质的选择取决于几个因素：（1）应用的温度范围（2）热容的值p.Cp其中p是材料的密度，单位为kg.m-3，Cp是比热容，单位为kJ/（kg.K)（3）体积的要求导致传输和应用环境受限（4）

成本与显热储存介质相关的一个常见设想是热分层，也称为温度有序分层。在水中，热分层以不同密度层的形式表现出来。 这是由于上层密度小但较热的水与底部密度大但较冷的水之间浮力的差距。展示了一个热分层储罐。

2.2相变材料的潜热储存

  相变材料(PCMs)的潜热储存是很有吸引力的，因为它通过冻结/熔化提供了由于材料相变而产生的高能量密度储热。 对PCMs的研究是由Telkes和Raymond首创的。许多研究者已提出和总结出PCM可以是有机也可以是无机的。相对于显热储热系统，对于给定能量PCM的潜储存需要较小的重量和体积，并能够在恒定或几乎恒定的温度下储存热量。

3.结论

本文总结了提高化工泵传热效率和减少间歇的一些有前景的技术和工艺。同时热能储存介质也是非常重要的，因为它的应用可以提高能源系统的性能。 这类系统分为两类：显热储存和潜热储存。前者的存储通常更大，但更简单，而后者的存储可能具有更高的能量密度，但受其导热性能差的限制。 除了与上述每一项热技术相关的必要改进外，这些技术的整合也将是一个重要的重点。 将诸如PCMS和太阳能池等热能储存与热力学循环相结合。 因为在第三代热泵系统中存在冷却和制冷的需求，吸收和吸附循环也应集成到CHP中。丹麦已经使用NH3-H2O系统将深层地热热能用于区域供暖。 高效利用低品位热量至关重要，因此要优先考虑来自加工工业、地热、太阳能和运输业的所有低品位热源。

参考文献

[1]储热技术研究进展与趋势[J]. 汪翔,陈海生,徐玉杰,王亮,胡珊.  科学通报. 2017(15)

[2]储热技术研究进展与展望[J]. 姜竹,邹博杨,丛琳,谢春萍,李传,谯耕,赵彦琦,聂彬剑,张童童,葛志伟,马鸿坤,金翼,李永亮,丁玉龙.  储能科学与技术. 2022(09)

[3]熔盐储热技术的应用现状[J]. 林俊光,仇秋玲,罗海华,赵申轶,张艳梅.  上海电气技术. 2021(02)

[4]化学储热技术的研究现状及进展[J]. 闫霆,王文欢,王程遥.  化工进展. 2018(12)

[5]固体储热技术研究进展[J]. 刘冠杰,韩立鹏,王永鹏,江建忠.  应用能源技术. 2018(03)