熱化學儲熱
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熱化學儲熱的視頻教程
熱化學儲熱的實例教程
作者：莫雅超 閆君 趙長穎
單位：上海交通大學工程熱物理研究所
引用：莫雅超,閆君,趙長穎.CaO/Ca(OH)2核殼結構顆粒的制備及其儲熱性能[J].儲能科學與技術,2022,11(12):3828-3835.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0400
摘 要 熱化學儲熱具有儲熱密度高，可實現跨季節儲熱的優點。在中高溫儲熱領域，氧化鈣/氫氧化鈣儲熱系統目前仍存在儲熱材料易結塊、難以流態化等問題。本文通過在氫氧化鈣顆粒外包覆一層燒結的碳化硅陶瓷殼的方法，制備了一種可用于氧化鈣/氫氧化鈣儲熱系統的具有核殼結構的儲熱顆粒。研究表明，該核殼結構顆粒殼體和芯體的內部孔隙呈現出不同的孔徑分布，殼體的孔徑大于內部芯體的孔徑，因此殼體的包裹對于內部氫氧化鈣的儲放熱反應進程影響較小，相對于純氫氧化鈣，核殼結構顆粒在反應速率和力學性能方面也有所提升。表征結果顯示，顆粒的殼體化學性質較為穩定，不會與氫氧化鈣發生反應導致儲熱密度的降低。此外，該核殼結構顆粒具有較好的循環穩定性，在空氣氛圍下，對所制備顆粒進行了25次儲放熱循環，發現該顆粒儲熱密度的下降在20%以內且未發生開裂和破碎。顆粒儲熱密度的下降是由于氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應生成了碳酸鈣，經過高溫煅燒除去碳酸鈣后，顆粒的儲熱密度可恢復至初始儲熱密度的96.7%。綜上，本工作制備儲熱顆粒對熱化學儲熱技術的實際應用具有重要意義。
關鍵詞 熱化學儲熱；氫氧化鈣；造粒
隨著“雙碳”目標的提出，我國能源結構面臨從化石能源為主向清潔能源為主的轉型。目前，太陽能、風能等清潔能源由于波動性較大，短時間內難以成為能源結構的主體。
展開 常用的熱力循環包括布雷頓循環、跨臨界循環和（有機）朗肯循環等，而常見的儲熱技術，如顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學儲熱均可用于相應的儲熱/冷裝置。本研究對比了布雷頓循環和跨臨界CO2循環卡諾電池在采用顯熱儲熱材料時的熱力學和經濟性指標，得到了熱經濟性最優的系統配置；為提升系統儲能密度，進一步建立了基于布雷頓循環和相變填充床的卡諾電池系統模型，研究了壓縮機壓比、填充床孔隙率、壓縮機與膨脹機等熵效率、系統流速等因素對卡諾電池系統往返效率、功率密度等性能參數的影響，得到了卡諾電池系統內部不可逆損失的分布規律；基于有機朗肯循環卡諾電池可在余熱資源豐富的條件下實現電能超高效存儲的特性（即理論往返效率超過100%），討論了其在300 MW熱電廠調峰過程中的適用性，發現耦合有機朗肯循環卡諾電池的熱電廠可成功滿足94%的用電峰值負荷；提出了基于雙罐儲冷裝置的有機朗肯循環卡諾電池， 評估了儲冷介質流量、儲冷溫度、蒸發溫度、夾點溫度等關鍵設計參數對往返效率、平準化存儲成本等系統性能參數的影響；建立了梯級相變單元的熱力學與經濟性模型，討論了相變單元純儲電模式和熱電/冷電聯供模式對熱力學性能與經濟性指標的影響，奠定了將卡諾電池由純儲電系統拓展為可同時提供電能、不同品位冷能和熱能的智慧能源管理系統的基礎。該研究成果對各類型的卡諾電池進行了較為系統的探討。
圖6 卡諾電池系統的熱力學特性研究：(a) 布雷頓循環卡諾電池；(b) 有機朗肯循環卡諾電池
總結與展望
作為大規模儲熱與熱機械儲能技術的重要組成部分，相變儲熱和卡諾電池已受到學術界、產業界和政府部門的廣泛關注，相變儲熱和卡諾電池的研究與開發工作在機理、材料、裝置和系統等層面也取得了長足的進步。
展開 基于HT-MH與熱化學儲能系統（TCSS）如Mg（OH）2/MgO+H2O的組合，一種新型絕熱儲氫反應器可以成為解決方案。在這項工作中，對先前發表的氫吸收數值模擬進行了擴展解吸過程。建立了氫釋放的二維模型的性能貯存反應器強烈依賴于所涉及反應的熱力學平衡，且取決于反應動力學。在132分鐘內可能發生脫氫，該時間在氫化時間。為了加強脫氫過程，可以針對用于MgO水合過程中的較高溫度。氫氣可以在恒壓下提供，也可以恒定質量流量。
鋼的表面化學熱處理將金屬工件放入含有某種活性原子的化學介質中，通過加熱使介質中的原子擴散滲入工件一定深度的表層，改變其化學成分和組織并獲得與心部不同性能的熱處理工藝叫做化學熱處理。和表面淬火不同，化學熱處理后的工件表面不僅有組織的變化，而且也有化學成分的變化。可以說，鋼的化學熱處理即是改變鋼的表層化學成分和性能的一種熱處理工藝。
化
學熱處理后的鋼件表面可以獲得比表面淬火所具有的更高的硬度、耐磨性和疲勞強度；
心部在具有良好的塑性和韌性的同時，還可獲得較高的強度。
通過適當的化學熱處理還可使鋼件表層具有減摩、耐腐蝕等特殊性能。
滲層的組織類型有固溶體、化合物。
（一）化學熱處理種類
化學熱處理種類很多，根據滲入元素的不同，可分為滲碳、滲氮（氮化）、碳、氮共滲、多元共滲、滲硼、滲金屬（如鋁）等等。
化學熱處理方法：
氣體法：應用最廣
液體法：熔融液體，熱浸鋅
固體法：粉末、膏劑，滲硼
等離子法：低真空中輝光放電產生的離子轟擊表面
化學熱處理三個基本過程：
①介質的分解：形成活性原子；
②表面吸收和溶解：形成固溶體或化合物；
③原子擴散：形成一定的擴散層。
（二）鋼的滲碳
將低碳鋼件放入滲碳介質中，在900～950℃加熱保溫，使活性碳原子滲入鋼件表面并獲得高碳滲層的工藝方法叫做滲碳。齒輪、凸輪、活塞、軸類等許多重要的機器零件經過滲碳及隨后的淬火并低溫回火后，可以獲
得很高的表面硬度、耐磨性以及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韌性。因此，滲碳可使同一材料制作的機器零件兼有高碳鋼
和低碳鋼的性能。從而使這些零件既能承受磨損和較高的表面接觸應力，同時又能承受彎曲應力及沖擊負荷的作用。
展開 來源 | Nature Communications
01
背景介紹
相變材料(PCMs)是一系列具有優異能量存儲能力的材料，能夠在接近恒定的溫度下存儲/釋放大量潛熱，使其在熱管理技術創新中發揮不可或缺的作用。同時在應對環境污染和能源危機方面具有相當大的潛力。目前，有機固液PCMs(如石蠟、脂肪酸)因其穩定的理化性質、低腐蝕性和天然成本優勢而備受關注。然而，這種傳統的PCM存在泄漏問題，不理想的機械柔軟性和韌性，不能滿足復雜環境下柔性電子產品熱管理應用中的戳、彎曲、扭曲和拉伸要求。為了解決基于PCMs的電子產品的上述問題并提高其廣泛的適用性，通過在PCMs內部引入具有特征結構的適當載體來提高靈活性以適應苛刻的安裝條件是面臨的長期挑戰。
02
成果掠影
近期，上海交通大學李廷賢團隊和西南交通大學袁艷平團隊針對解決可穿戴式柔性熱管理相比材料的泄露和剛性問題取得最新進展。該團隊將具有高相變焓和低成本的(PW）作為儲能介質固定在苯乙烯-乙烯丁烯-苯乙烯烯烴嵌段共聚物（SEBS-OBC）形成的三維交聯網絡中。通過加上過氧化物誘導的化學交聯效應，可以高效批量和快速制造PW@OBC-SEBS復合材料(即這里的F-FSPCMs)。由于OBC-SEBS對脆性和彈性改善的獨特相互作用，F-FSPCMs的柔韌性得到了顯著增強，斷裂應變從23%增加到560%。此外，作為概念驗證，設計了一個集成的便攜式F-FSPCMs模塊，并在重復循環過程中實現了恒溫效果(39-42°C，持續43分鐘)，從而證明了可穿戴熱管理的獨立式溫度控制能力，有利于提高個人熱舒適性。
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來源 | Nature Communications
01
背景介紹
相變材料(PCMs)是一系列具有優異能量存儲能力的材料，能夠在接近恒定的溫度下存儲/釋放大量潛熱，使其在熱管理技術創新中發揮不可或缺的作用。同時在應對環境污染和能源危機方面具有相當大的潛力。目前，有機固液PCMs(如石蠟、脂肪酸)因其穩定的理化性質、低腐蝕性和天然成本優勢而備受關注
熱固材料黏度模型(化學流變模型) (Viscosity Model for Thermosets - (Chemorheology Model))
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當鏈結作用發生時，熱固性材料的分子量會越來越大。因此，黏度也會相對的增加。當我們加熱一個熱固性材料時可以觀察到一個典型的U型曲線。剛開始時會因為熱固性材料本身的熱膨脹而使黏度下降
常用的熱力循環包括布雷頓循環、跨臨界循環和（有機）朗肯循環等，而常見的儲熱技術，如顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學儲熱均可用于相應的儲熱/冷裝置。
熱能儲存技術分為顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學儲熱。其中，熱化學儲熱具有儲熱密度大，可實現跨季節儲熱等優勢，應用前景十分廣闊。熱化學儲熱通過可逆反應實現熱能的儲存和釋放。
鋼的表面化學熱處理將金屬工件放入含有某種活性原子的化學介質中，通過加熱使介質中的原子擴散滲入工件一定深度的表層，改變其化學成分和組織并獲得與心部不同性能的熱處理工藝叫做化學熱處理。和表面淬火不同，化學熱處理后的工件表面不僅有組織的變化，而且也有化學成分的變化。可以說，鋼的化學熱處理即是改變鋼的表層化學成分和性能的一種熱處理工藝。
化
學熱處理后的鋼件表面可以獲得比表面淬火所具有的更高的硬度
儲熱技術可分為顯熱儲熱、相變 儲熱和熱化學儲熱三類。目前，顯熱儲熱技術成熟度最高、價格較低、應用較為 廣泛；潛熱儲熱是研究熱點；而熱化學儲熱尚未成熟。其中，熔融鹽為常用的中 高溫顯熱儲熱介質，具備較寬的液體溫度范圍，儲熱溫差大、儲熱密度高，適合 大規模中高溫儲熱項目。
隨著氫作為可再生能源的儲存和載體變得越來越重要，有一個對靈活高效的存儲技術的需求與日俱增。然而，現有的技術，如液化或壓縮技術，通常需要大量的氫來降低熱值。高溫金屬氫化物（HT-MHs），如鎂氫化物，是一種很有前景的替代品。由于高運行溫度，其應用具有挑戰性。基于HT-MH與熱化學儲能系統（TCSS）如Mg（OH）2/MgO+H2O的組合，一種新型絕熱儲氫反應器可以成為解決方案。在這項工作中，對先前發表的氫吸收數值模擬進行了擴展解吸過程
【科研摘要】
相變材料（PCM）已被廣泛用作熱能存儲系統。然而，傳統的PCM只能通過溫度觸發來存儲熱能，這極大地限制了其在熱能捕獲應用中的通用性。最近，中科院大連化學物理研究所劉健和史全研究員團隊提出了一種多響應熱能捕獲和存儲系統，該系統包括摻鐵碳氣凝膠作為支撐基質和二十烷作為PCM。相關論文Thedesign of phase change materials
