阅读说明：本技术 一种高效的闭式热化学吸附储热测试系统 (Efficient closed thermochemical adsorption heat storage testing system ) 是由 张雪龄 张琦 王燕令 王菲菲 雷旭东 赵萧涵 高子华 陈俊豪 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高效的闭式热化学吸附储热测试系统,包括具有高效换热效果的反应器,还包括蒸发/冷凝器、真空泵、高温恒温器、低温恒温器,两个恒温器可以通过阀门的开启和关闭控制热化学吸附储热过程的吸附、解吸、储存各个阶段反应器和蒸发/冷凝器的升温、降温,完成热化学充热和释热的高效测试,本申请的重点是利用换热结构的矩形网状箱体中蛇形盘管和储热材料来实现储能和释热的过程。本发明的有益效果是,结构设计简单,可视操作,制作成本低,测试高效便捷,安全性能好。(The invention discloses an efficient closed thermochemical adsorption heat storage testing system which comprises a reactor with an efficient heat exchange effect, an evaporator/condenser, a vacuum pump, a high-temperature thermostat and a low-temperature thermostat, wherein the two thermostats can control the adsorption, desorption and storage of the thermochemical adsorption heat storage process through the opening and closing of valves, and the temperature rise and the temperature fall of the reactor and the evaporator/condenser at each stage to finish the efficient testing of thermochemical heat charging and releasing. The invention has the advantages of simple structural design, visual operation, low manufacturing cost, high efficiency and convenience in test and good safety performance.)

一种高效的闭式热化学吸附储热测试系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，特别是一种高效的闭式热化学吸附储 热测试系统。

背景技术

能源的储存研究是能源安全与可持续发展的战略性课题，其中热 能的储存和利用与民生息息相关。随着经济的发展和人口的增加，居 民对建筑的舒适度要求越来越高，能耗也随之增加。统计数据显示， 我国建筑能耗占社会总能耗的30％左右，其中制冷采暖和生活热水的能 耗占总建筑能耗的20-30％。对于我国北方城镇仅供暖能耗就占总能耗的36％。热能储存技术可以将暂时不用或多余的热能通过一定的介质储 存起来，在需要时再加以释放利用。相比机械能和电能的储存,热能储 存技术有成本低、容量大、适用于绿色建筑和太阳能集热器等优点。

开发与应用高效储热技术不但可以解决余热利用问题，减少电力 和化石能源的消耗，还可以减轻环境的热污染。并能有效解决能源供 应在时间、空间和强度上的不匹配的问题，热化学储热是通过可逆的 化学反应，通过热能与化学能的相互转换进行能量的储存与释放，其 原理如下所示：

储存太阳能可以白天储存，夜晚使用；或者进行跨季度储存，夏 季储存，冬季使用。热化学储能系统工作原理主要有充热、储热、释 热三个阶段。充热阶段，无机盐水合物吸收热量，水蒸气从水合物中 脱除；储热阶段，将脱水后的无机物密封保存；释热阶段无机盐吸收 水蒸气，释放储存的热量。由于过程是可逆的热化学反应，储存和释 放的化学热量大，该储热技术具有储热密度高，约为传统显热储存技 术和相变潜热技术法的10-20倍、储热损耗小、可长期储存、放热过 程温度波动小、可重复使用等优点，因而越来越受到重视具有广泛的 应用前景。

为了保证储热材料的实验和测试效果，需要相应的测试设备，然 而，现有的储热测试设备结构设计比较复杂，制作成本高，并且对于 同时完成充热、储热、释热三个阶段操作过程繁琐，无法快速准确的 完成测试项目。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种高效的闭式热化 学吸附储热测试系统。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种高效的闭式热化学吸附 储热测试系统，包括高温恒温器、低温恒温器和蒸发/冷凝器，所述低 温恒温器的出口通过管路与蒸发/冷凝器内冷凝管流体入口连接，所述 蒸发/冷凝器内冷凝管流体出口通过管路与低温恒温器的入口连接，所 述高温恒温器的出口通过管路与蒸发/冷凝器内冷凝管流体入口连接， 所述蒸发/冷凝器内冷凝管流体出口通过管路与高温恒温器的入口连 接，

所述低温恒温器出口与蒸发/冷凝器内冷凝管流体入口连接的管 路上安装阀门E，所述蒸发/冷凝器内冷凝管流体出口与低温恒温器入 口连接的管路上安装阀门F，所述高温恒温器出口与蒸发/冷凝器内冷 凝管流体入口连接的管路上安装阀门C，所述蒸发/冷凝器内冷凝管流 体出口与高温恒温器入口连接的管路上安装阀门D；

还包括反应器，所述反应器包括保温箱体，所述保温箱体上设置 可视窗口，所述保温箱体上设有反应器流体出口和反应器流体入口， 所述保温箱体内固定安装若干换热结构，若干所述换热结构按照从前 到后的顺序排列在保温箱体内，所述换热结构是由矩形网状箱体、安 装在网状箱体内的蛇形盘管以及填充在矩形网状箱体和蛇形盘管之间 的储热材料共同构成的；所述保温箱体内位于最前面的换热结构，其 内部的蛇形盘管一端与反应器流体出口连接；所述保温箱体内位于最 后面的换热结构，其内部的蛇形盘管一端与反应器流体入口连接；所 述保温箱体内相邻的两个换热结构，其内部的蛇形盘管通过盘管接头 连接；

所述高温恒温器和低温恒温器的出口均通过管路与反应器流体入 口连接，所述高温恒温器和低温恒温器的入口均通过管路与反应器流 体出口连接，所述保温箱体内腔通过蒸汽管道与蒸发/冷凝器内腔连 接，所述蒸汽管道上安装真空泵和真空阀；

所述高温恒温器的出口与反应器流体入口连接的管路上安装阀门 A，所述高温恒温器入口与反应器流体出口连接的管路上安装阀门B， 所述低温恒温器出口与反应器流体入口连接的管路上安装阀门G，所述 低温恒温器入口口与反应器流体出口连接的管路上安装阀门H。

所述储热材料是由多孔材料与吸水性无机盐复合而成的吸附储热 材料。

所述多孔材料为膨胀石墨、活性炭或硅胶中的一种或者多种复合。

所述吸水性无机盐选择强吸水性无机盐和中等吸水性无机盐的复 配，复配组合方式包括LaCl₃/LiCl、LaCl₃/CaCl₂、MgSO₄/LiCl或 MgSO₄/CaCl₂。

所述保温箱体内若干换热结构的数量为三个，相邻两个换热结构 之间的距离为20-30mm。

所述换热结构中蛇形盘管的两端端口伸出矩形网状箱体，伸出矩 形网状箱体的蛇形盘管端口与盘管接口、反应器流体出口或者反应器 流体入口连接。

所述矩形网状箱体与保温箱体内表面之间保持10-20mm的间距。

所述蒸发/冷凝器的蒸汽入口处安装热电偶，所述蒸发/冷凝器的 冷凝管流体出口和冷凝管流体入口处均安装热电偶，所述蒸发/冷凝器 上还安装检测器内部气压的压力传感器；所述反应器流体出口和反应 器流体入口处均安装热电偶，所述保温箱体上还安装有检测其内部温 度的热电偶和检测其内部压力的压力传感器，所述热电偶和压力传感 器均与数据采集仪连接并向数据采集仪传输信号。

所述低温恒温器和高温恒温器的出口处均安装液体流量计，所述 液体流量计与数据采集仪连接并向数据采集仪传输信号。

所述数据采集仪与电脑连接。

有益效果

利用本发明的技术方案制作的高效的闭式热化学吸附储热测试系 统，其优势如下：

(1)储热设备简单易：只安装了高温恒温器和低温恒温器两个温 控装置，通过阀门和管路的开启闭合控制了反应器和蒸发/冷凝器的加 热和冷却的过程，完成热量的充注、储存和释放的过程；

(2)方便对储热工质的能效测试：通过闭式循环和各个温度传感 器，以及蒸发/冷凝器的液位测试线，可以方便精准的测试储热材料的 充热量和释热量，储热密度等性能参数；

(3)反应器的结构简单，既能固定储热材料防止脱落，又能极大 增大换热面积，换热效果好；

(4)结构稳定性好：热化学吸附储热无运动部件，采用固气吸附， 结构简单稳定，抗震性能较好；

(5)安全性更高：储热材料为无机盐/多孔材料，气体吸收质为 水蒸汽，两种均对环境无毒无害；

(6)适用范围广：农村房屋面积大，楼层低，屋顶可以作为收集 太阳能的场所，太阳能板还可以对房间起到保暖作用；低温余热可以 适用于各类型的工厂进行厂房宿舍的供暖/热水需求；

(7)制造成本经济：储热材料为无机盐/多孔材料，来源广，价 格低廉，且储热材料可以循环使用，满足大部分普通家庭的经济情况；

(8)运行能耗低：热化学吸附储热装置可以利用太阳能或低温余 热作为热源，符合我国提倡的节能减排要求。

附图说明

图1是本发明所述高效的闭式热化学吸附储热测试系统的结构示 意图；

图2是本发明所述高效的闭式热化学吸附储热测试系统去掉热电 偶、液体流量计、数据采集仪和电脑后的结构示意图

图3本发明所述换热结构的主视图；

图4是本发明所述换热结构的右视图；

图5是本发明所述换热结构的俯视图；

图6是本发明所述蛇形盘管布置在矩形网状箱体内的结构示意图； 图中，1、高温恒温器；2、低温恒温器；3、蒸发/冷凝器；4、冷凝管 流体入口；5、冷凝管流体出口；6、阀门E；7、阀门F；8、阀门C；9、 阀门D；10、反应器；11、保温箱体；12、反应器流体出口；13、反应 器流体入口；14、矩形网状箱体；15、蛇形盘管；16、储热材料；17、 蒸汽管道；18、真空泵；19、真空阀；20、阀门A；21、阀门B；22、 阀门G；23、阀门H；24、数据采集仪；25、电脑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-6所示，本申请的 创造点在于，整个装置由反应器、蒸发/冷凝器，冷热源系统等组成。 其中核心部件为反应器中的换热结构，它是一种模块化储热结构，外 形呈长方体，***包裹防漏网，里面填充储热材料，为了方便对储热 材料进行加热，在反应器内布置蛇形盘管式换热器，以增加热交换面 积，减少热转换过程的热阻。

整个装置为闭式热化学吸附储热系统，可以有效利用太阳能进行 跨季度储热或者短期储热，以及对工业余热的储热；采用无机盐为储 热材料，为了增强稳定性和防止团聚，可以添加多孔介质材料。本次 设计的闭式热化学吸附储热测试系统，可以完整的完成充热、储热、 释热三个过程，对各个阶段所吸收或释放的热量进行精确的测量，可 以对不同的储热材料的储热性能进行系统分析测试。

在具体实施过程中，所述低温恒温器的出口通过管路与蒸发/冷凝 器内冷凝管流体入口4连接，所述蒸发/冷凝器内冷凝管流体出口5通 过管路与低温恒温器的入口连接，所述高温恒温器的出口通过管路与 蒸发/冷凝器内冷凝管流体入口连接，所述蒸发/冷凝器内冷凝管流体 出口通过管路与高温恒温器的入口连接，

所述低温恒温器出口与蒸发/冷凝器内冷凝管流体入口连接的管 路上安装阀门E6，所述蒸发/冷凝器内冷凝管流体出口与低温恒温器 入口连接的管路上安装阀门F 7，所述高温恒温器出口与蒸发/冷凝器 内冷凝管流体入口连接的管路上安装阀门C 8，所述蒸发/冷凝器内冷 凝管流体出口与高温恒温器入口连接的管路上安装阀门D 9；

还包括反应器10，所述反应器包括保温箱体11，所述保温箱体上 设置可视窗口，所述保温箱体上设有反应器流体出口12和反应器流体 入口13，所述保温箱体内固定安装若干换热结构，若干所述换热结构 按照从前到后的顺序排列在保温箱体内，所述换热结构是由矩形网状 箱体14、安装在网状箱体内的蛇形盘管15以及填充在矩形网状箱体和 蛇形盘管之间的储热材料16共同构成的；所述保温箱体内位于最前面 的换热结构，其内部的蛇形盘管一端与反应器流体出口连接；所述保 温箱体内位于最后面的换热结构，其内部的蛇形盘管一端与反应器流 体入口连接；所述保温箱体内相邻的两个换热结构，其内部的蛇形盘 管通过盘管接头连接；

所述高温恒温器和低温恒温器的出口均通过管路与反应器流体入 口连接，所述高温恒温器和低温恒温器的入口均通过管路与反应器流 体出口连接，所述保温箱体内腔通过蒸汽管道17与蒸发/冷凝器内腔 连接，所述蒸汽管道上安装真空泵18和真空阀19；

所述高温恒温器的出口与反应器流体入口连接的管路上安装阀门 A 20，所述高温恒温器入口与反应器流体出口连接的管路上安装阀门B 21，所述低温恒温器出口与反应器流体入口连接的管路上安装阀门G 22，所述低温恒温器入口口与反应器流体出口连接的管路上安装阀门H 23。

本技术方案采用的电子器件包括：

计算机：可选用台式机；

数据采集仪：可选用现有的具有采集压力信号和温度信号功能的 数据采集仪器；

热电偶、压力传感器、液体流量计：均可选用现有产品，本申请 对于上述部件并没有特殊需求；

真空泵和真空阀：能够满足蒸汽管输送和保持真空环境需求即可， 本申请使用的真空泵和真空阀均是采购现有产品；

在本技术方案实施的过程中，本领域人员需要将本案中所有电气 件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择 合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下 述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连 接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在 对电气控制做说明。

在本技术方案中，反应器，如图2、3、4所示，由三层六面体矩 形网状箱组成，包裹防漏网，箱内安装蛇形盘管，方便热流体进出， 网状箱顶部可以打开，方便往里填充储热材料，热流体通过蛇形盘管 与储热材料进行热交换。三层箱体是独立式设计，层间有25mm的空隙， 方便气体进入和排出，三层箱体通过盘管的接头相连。反应器内的蛇 形盘管采用铜管，管内走换热流体，管外和网状箱中填充储热材料， 箱体***是防漏网设计，防止装载的储热材料泄露，又能很好的通入 气体；充热时铜管内热流体与储热材料进行换热，储热材料吸热后水 分从储热材料内解吸出来，干燥的储热材料通过密封储存热量；释热 时水蒸气进入反应器内被干燥储热材料吸附，发生化合反应释放热量， 铜管内的流体与储热材料进行热质交换，将热量输出。

反应器内的储热材料吸热时释放的水蒸气，在可视化带刻度的蒸 发/冷凝器内进行凝结；储热时将反应器与蒸发/冷凝器之间的管道的 阀门关闭，进行无损储热；释热时蒸发/冷凝器为反应器提供水蒸气进 行化合反应，释放热量。

高温恒温器是加热装置，用于在储热工序中，向储热装置内的储 热材料供给储存的热量；以及对蒸发/冷凝器内水蒸气的形成提供热 量。

低温恒温器是冷却装置，用于充热阶段对蒸发/冷凝器进行降温， 冷却从反应器内蒸发出的水蒸气，方便进行脱水量的测定；以及在储 热阶段对反应器进行降温，缩短冷却时间；在释热阶段对反应器进行 降温，加快反应的进行。

在本申请的技术方案中，反应器内部布置蛇形铜管，铜管内走高 温恒温器提供的高温热流体，管外周填充储热材料，如图2所示，固 化吸附剂填满两管之间的空间，相应的传质距离为吸附剂厚度的一半。 反应器采用防漏网进行储热材料的装载，既可以防止固化储热材料由 于震动受损或者碰撞造成颗粒脱落，又可以对材料进行固定；并且可 以保证水蒸气的顺畅流通，增大储热材料和水蒸气的接触面积。

在反应器的蒸汽出口端上设置真空泵，在储热阶段和释热阶段为 反应器提供真空度，加快水的蒸发；在真空泵与蒸发/冷凝器之间设置 真空阀门，阀门可以阻断反应器与蒸发/冷凝器之间的热质交换，有利 于无损储热。

在反应器的进出口流体管路上各安装1个热电偶，可以检测在充 热阶段和释热阶段反应器内吸热和释热引起的流体温度变化；在反应 器内部安装1个热电偶，可以观测反应器2内水蒸气对热化学反应的 影响产生的释热过程温度变化，以及储存热过程的温度变化；蒸发/冷 凝器内安装热电偶，测量由蒸发/冷凝器进入反应器进行化合反应的水 蒸气的温度，以及测量反应器释热时进入蒸发/冷凝器的水蒸气温度； 蒸发/冷凝器的流体进口和出口安装热电偶，观测冷却和加热蒸发/冷 凝器内物质所消耗的流体热量/冷量，而造成的温度变化。在反应器和 蒸发/冷凝器内各安装压力传感器，观测反应器和蒸发/冷凝器在充热、 储热、释热和冷却四个时期的压力变化。在高温恒温器和低温恒温器 的出口管道上安装液体流量计，测量加热/冷却流体的流量。

所述的吸附剂选用多孔材料与吸水性无机盐，两者进行复合所得 的复合吸附储热材料。所述的多孔材料为膨胀石墨，活性炭或硅胶等 材料中的一种或者多种复合；吸水性无机盐选择强吸水性无机盐和中 等吸水性无机盐的复配，采用LaCl₃/LiCl，LaCl₃/CaCl₂，MgSO₄/LiCl 和MgSO₄/CaCl₂，与多孔材料进行复合。

本申请的工作原理介绍如下：

该系统的工作过程包括三个阶段：

(1)充热过程：将阀门A、B、E、F和真空阀打开，其余C、D、G、 H阀门关闭；高温恒温器内的热流体通过阀门A，B加热反应器，无机 盐水合物被加热解吸，脱附产生的水分子离开反应器，此过程伴随着 热量的输入，吸收的热量储存在干燥吸附剂内，通过反应器进出口流 体管路上的温度传感器和流量测试仪测试充入的热量；吸附储热材料 解吸出的水蒸气进入可视化的蒸发/冷凝器，由于低温恒温器经过阀门 E、F冷却蒸发/冷凝器，将水蒸气凝结为液体，测试液面变化高度(测 量精度为1mm的高度)；直到充热结束，将阀门A、B、E、F和真空阀 门关闭；

(2)储热过程：阀门C、D打开，其余阀门均关闭，低温恒温器 加速冷却反应器，至常温后关闭阀门C、D；打开真空泵，给反应器抽 空真，进行热量的无损储存；

(3)释热过程：打开阀门C、D，打开阀门G、H和真空阀，其余 阀门关闭；高温恒温器经过阀门C、D对蒸发/冷凝器里的水进行加热， 在低压下快速蒸发出水蒸气；储热材料与蒸发/冷凝器内释放出的水蒸 气发生吸附反应，此过程伴随着热量的释放，低温恒温器经过阀门G、 H对反应器进行冷却，通过反应器流体进出口管路上的热电偶，测量进 出口液体的温升，结合流量计计算释放的热量，直到释热结束。

作为优选方案，更进一步的是，所述储热材料是由多孔材料与吸 水性无机盐复合而成的吸附储热材料。

作为优选方案，更进一步的是，所述多孔材料为膨胀石墨、活性 炭或硅胶中的一种或者多种复合。

作为优选方案，更进一步的是，所述吸水性无机盐选择强吸水性 无机盐和中等吸水性无机盐的复配，复配组合方式包括LaCl₃/LiCl、 LaCl₃/CaCl₂、MgSO₄/LiCl或MgSO₄/CaCl₂。

作为优选方案，更进一步的是，所述保温箱体内若干换热结构的 数量为三个，相邻两个换热结构之间的距离为20-30mm，优选25mm。

作为优选方案，更进一步的是，所述换热结构中蛇形盘管的两端 端口伸出矩形网状箱体，伸出矩形网状箱体的蛇形盘管端口与盘管接 口、反应器流体出口或者反应器流体入口连接。

作为优选方案，更进一步的是，所述矩形网状箱体与保温箱体内 表面之间保持10-20mm的间距，所述矩形网状箱体与保温箱体的上下 表面保持20mm的距离，与保温箱体的侧表面保持10mm的距离。

作为优选方案，更进一步的是，所述蒸发/冷凝器的蒸汽入口处安 装热电偶，所述蒸发/冷凝器的冷凝管流体出口和冷凝管流体入口处均 安装热电偶，所述蒸发/冷凝器上还安装检测器内部气压的压力传感 器；所述反应器流体出口和反应器流体入口处均安装热电偶，所述保 温箱体上还安装有检测其内部温度的热电偶和检测其内部压力的压力 传感器，所述热电偶和压力传感器均与数据采集仪连接并向数据采集 仪24传输信号。

作为优选方案，更进一步的是，所述低温恒温器和高温恒温器的 出口处均安装液体流量计，所述液体流量计与数据采集仪连接并向数 据采集仪传输信号。

作为优选方案，更进一步的是，所述数据采集仪与电脑25连接。

实施例2

可以将高温恒温器换为工业余热，低温恒温器换为需要被加热的 生活用水或市政供暖的水，进行跨季节热能储存；此时，在充热阶段 可以不启用低温恒温器，在储热阶段和释热阶段均可以不启用高温恒 温器。

废热利用主要是发电，但低温废热(350℃以下)发电的技术相对 落后。我国低温废热占废热总量的约60％多，本热化学吸附储热系统利 用低温废热以短期储热模式运行。在低品位废热供应时段进行充热过 程，在用户或市政有供暖/热水需求的时段运行释热模式。该系统实现 了对工业余热的高效利用。其他与实施例1相同。

实施例3

将高温恒温器换为太阳能集热器作为热源，低温恒温器换为需要 被加热的生活用水，进行跨季节热能储存；此时，在充热阶段可以不 启用低温恒温器，在储热阶段和释热阶段均可以不启用高温恒温器。

使用跨季节储热技术，蓄存春、夏、秋季充足的太阳热能用于冬 季采暖/热水，是最大化的使用太阳能来提高建筑节能效益、实现减排 目标的重要方式，正在成为太阳能采暖/热水技术的重要发展方向。夏 季太阳能集热器易于达到的较高的温度范围内，储热材料能充分吸热， 生成易于分离的两种产物——水和无机盐，实现太阳辐射热的存储。 在冬季较低的温度条件下，储热反应的分离的两种产物能充分进行化 合反应，实现储热材料的循环重生，并在此过程中释放热量，用于建 筑供暖/热水。其他与实施例1相同。

实施例4

将高温恒温器换为太阳能集热器作为热源，低温恒温器换为需要 被加热的生活用水，白天储热夜晚释热；此时在充热阶段可以不启用 低温恒温器，储热阶段由于时间短暂，可以忽略；释热阶段可以不启 用高温恒温器。

例如西藏和新疆地区，春、夏、秋日照充足，昼夜温差大是它们 气候的特点，普遍温差在12℃左右，沙漠戈壁地区的日温差能达到 20-25℃。白天挥汗如雨，晚上要盖棉被，一天之内经历寒暑变化。本 发明为闭式热化学储热系统，水和无机盐均为循环使用的物质，能够 很好地利用该地区的气候类型，白天进行解吸反应进行太阳能的充热， 晚上进行化合反应释放热量。其他与实施例1相同。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅 仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定 要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺 序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非 排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设 备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是 还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多 限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包 括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术 领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发 明的原理，属于本发明的保护范围之内。