研究背景

热能储存(TES)被认为是克服可再生能源供应和能源需求之间的时间不匹配所造成的限制的关键技术。在TES技术的三个主要类别中，热化学能量储存(TCS)具有最大的潜力。TCS的基本原理是利用可逆反应来储存和回收热能。为了达到这一目的，已经探索了多种类型的反应，包括吸附反应、气—固反应和化学反应。然而，热化学能量存储潜力的充分开发仍然受到几个技术限制的阻碍，例如反应床中较差的传热和传质。

为此，英国伯明翰大学的丁玉龙教授通过改善材料与部件的相互作用来研究封闭式TCS系统的优越性能。将封闭式TCS系统中用于最佳组合传热传质的高导电材料（HCM）插入物，为解决上述问题提供了一个新颖方案。

相关成果以“Combined enhancement of thermal and chemical performance of closed thermochemical energy storage system by optimized tree-like heat exchanger structures”为题发表在国际期刊《Applied Energy》(IF=9.7)上。

研究内容

通过提出、研究和优化使用由高导热材料制成的分支翅片来解决在固—气反应床中强化传热和传质的需要。考察了封闭系统运行中的两种反应堆配置，并通过基于高保真有限元预测的替代模型得出了最佳翅片设计。结果表明，与文献基准相比，使用优化的分支翅片可将释放的能量增加高达+9.1%。然而，在反应床的情况下，热量和质量的传递主要沿着相同的主导方向发生，翅片分叉也可能阻碍反应物的传递，导致热性能降低，特别是在能量释放过程的最后阶段。因此，对于需要运行较长放电时间的反应堆，最佳分叉数量较小。相反，在反应床的情况下，这种趋势不存在，其中传热和传质主要沿区域和相互正交的方向发生。在这种情况下，可以采用典型的传热最大化设计准则，表明传质对最佳翅片结构的影响可以忽略不计。

主要数据

图一 TCS封闭系统的基本示意图

图二 分析中考虑的贮存模块示意图: (a) ADS反应器的俯视图；(b) RDS反应堆的俯视图；(c) ADS反应堆的轴向视图；(d) RDS反应堆的轴向视图。黄色区域表示两种反应器配置的性能最大化所采用的代表性区域。

图三 (a) ADS反应堆和(b) RDS反应堆代表装置的参数化几何参数，绿色区域表示计算区域。

图四 TCS系统的热力学约束和所选工作对的平衡压力曲线。

图五 研究中采用的计算网格用于:(a) ADS反应堆(b) RDS反应堆。

图六 响应面图对分叉角:(a) 功率输出峰值；(b) 10小时后反应的进展；(c) 20小时后的反应进程

图七 优化设计和基准设计的总体性能历史比较:(a) 平均反应进度；(b) 平均蒸汽压力；(c) 平均TCM温度

原文链接

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0306261922001040