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国家973计划课题“低温余热品味提升与能量储存”简介(下)
发稿时间:2014-04-21         作者:许闽 淮秀兰 蔡军          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  一、主要研究内容及相关进展

  围绕上期介绍的研究目标和关键科学问题,本项目的主要研究内容包括:1.新型化学热泵热化学反应物系筛选,筛选适合于不同低温热源温度的新型化学热泵反应物系,并对其主副反应选择性及生成焓等物理化学特性开展深入研究;2.多组分多相体系化学反应机理与能质传递过程特性,系统研究反应器内吸放热化学反应动力学、耦合化学反应的能质转换与传递过程特性及影响因素,深刻揭示多组分多相体系化学反应机理、化学反应与能质转换和传递的协同机制;3.先进高效循环系统构建及其优化与控制,构建适合于低品位能源特点的新一代化学热泵循环系统,进行热力学分析,揭示各部件参数对系统动态特性的影响规律。采用高效强化传热传质理论对反应器内能质转换与传递过程进行有效强化与控制,得出系统优化设计、控制及运行的整体解决方案;4.系统能量利用率与经济性综合评价理论,基于热经济学理论,对化学热泵能量利用效率与经济性等进行评价分析,确定适合于低品位能源特点的化学热泵能量利用评价标准,发展综合评价理论。采用实验与理论相结合的方法,在反应层面、部件层面和系统层面进行了研究,目前取得主要进展如下:

  在化学反应层面,围绕化学热泵反应物系及高效循环系统构建的核心科学问题,广泛调研各种不同类型化学热泵以及具有不同吸、放热反应温度的反应物系,针对有机气液化学热泵存在的主要问题及本项目涉及的温度范围,筛选出适用于低温余热温度特点的气液化学热泵反应物系,并将异丙醇/丙酮/氢气体系作为主要研究对象,为今后的研究工作指明了具体方向;开展了放热反应器内高温丙酮加氢反应机理及动力学研究,采用密度泛函理论计算揭示了反应路径和主要副产物的产生机理,指出了丙酮的烯醇异构是副产物产生的源头。实验考察了不同操作条件对反应转化率和选择性的影响规律,首次分析得到了反应机理步骤及动力学方程,综合理论和实验研究指出了铂铜合金催化剂可以有效减少丙酮高温加氢反应副产物的生成;搭建了化学热泵吸热反应实验测试平台,进行了异丙醇液相催化脱氢反应动力学实验研究,获得75至82℃内的动力学表达式,本工作为后续化学热泵系统的实验和理论研究奠定了基础;

  在部件层面,搭建了异丙醇液相脱氢反应精馏实验平台,实验证明了反应精馏可以大大提高异丙醇脱氢反应转化率,并研究了各操作参数对反应精馏系统分离效率和异丙醇脱氢转化率的影响;研究了放热反应器内颗粒填充空隙体积内热质传递对反应转化率和选择性的影响,分析了催化剂的具体结构、尺寸及布置方式和导热系数等参数对气固两相温度场的影响,研究了颗粒内扩散对反应选择性的影响,分析了颗粒直径、颗粒内孔径分布和孔隙率等参数的影响,并对催化剂颗粒参数进行了优化;将分形理论与Lattice-Boltzmann方法相结合,建立了复杂孔隙体系反应器内耦合化学反应的多组分热质传递数理模型,对化学反应动力学特性、化学反应与能质转换和传递的耦合效应进行了详细模拟分析;

  在系统层面,综合应用热力学第一定律和第二定律,首次提出火积效率表达式并对化学热泵系统性能进行分析;采用基于遗传算法的多参数优化方法对系统参数进行优化,揭示了各参数对化学热泵系统性能的影响规律及各部件间的耦合与协同,提出火积效率是最适用于化学热泵系统性能评价的新标准;建立了化学热泵系统单位制热成本计算模型,对其经济性进行了初步探索分析;对包含反应精馏过程的化学热泵系统进行了热力学分析和计算,分析了各部件运行参数对化学热泵系统整体性能的影响,最终提出了包含反应精馏和温度递减的串联放热反应器的化学热泵系统,可以有效提高系统热效率,为系统实验设计提供了理论基础。

  二、下阶段重点工作

  在以上研究进展的基础上,下阶段的研究工作计划由以下几个方面展开:

  1.发展化学热泵系统能量利用率与经济性综合评价理论。

  建立可靠的化学热泵系统数学模型,探索揭示部件参数对热力学效率和热经济性的影响规律,确定适合于低品位能源特点的化学热泵能量利用评价标准,通过详细的理论和实验解析,构建统一的化学热泵系统能量利用衡量标准,建立完善的化学热泵系统经济性与可靠性评价体系。

  2.包含储氢功能的化学热泵系统热力学分析及优化。

   建立包含储氢功能的化学热泵系统数学模型,详细分析储氢部件中储氢材料、释氢温度、压力等对系统热力学效率的影响规律,揭示系统各部件操作条件对包含储氢功能的化学热泵系统热力学效率的影响规律,探索获得各部件的最优操作参数,为化学热泵的设计提供指导。

  3.化学热泵高效循环系统实验样机搭建及实验。 

    在以上研究的基础上,搭建异丙醇/丙酮/氢气化学热泵系统实验样机,进行热力学分析,揭示各部件参数对系统动态特性的影响规律,并进行优化,建成国内首个异丙醇/丙酮/氢气化学热泵系统实验平台,为化学热泵的发展及工业应用提供理论指导和技术支撑。

  三、项目阶段性成果

  截至目前,围绕该项目,已发表学术论文52篇,其中国际期刊24篇,国际会议8篇。授权国家发明专利6项,申请国家发明专利9项。部分成果获省部级自然科学一等奖1项。共培养博士研究生8名,硕士研究生3名,博士后1名,1人次获“中国科学院院长优秀奖”,1人次获“吴仲华优秀学生奖”,1人次获“国家奖学金”,1人次获“中国科学院工程热物理研究所青年学者奖”,2名助理研究员晋升为副研究员;5名博士毕业受聘为助理研究员。

 
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