H 2 O/LiBr吸附式热POWER-SONIC蓄电池非稳态动态模型的概念验证及优化储能密度的通用方法论
2026-06-12 17:11:40 点击： 次
本研讨提出了一种专门开发的非稳态动态模型，旨在解决 sorption thermal battery 传统建模中的局限性。该模型引入了有效 specific heat capacity 的概念，以在单一框架下表征显热和潜热传递，并且经过将蒸汽域视为热力学活跃区域，清晰考虑了蒸汽质量、压力和能量的瞬态演化，这与假定瞬时气液平衡且疏忽蒸汽动力学的传统准稳态模型不同。因为过冷溶液区与饱满溶液区之间存在剧烈过渡，sorption thermal battery 面临着独特的建模应战。所提出的模型建立了一个作为腔室体积和 hot water 流速函数的蒸汽-液体平衡时间尺度，为准稳态模型的适用性供给了边界。运用 1 kW 原型进行的试验验证表明其与仿真结果高度符合，完成了 188 kWh/m 的 energy storage density。这项作业不仅填补了瞬态建模中的关键空白，还提出了一种依据无量纲时间常数和气液平衡动力学来优化能量存储密度的通用办法。这为……的精确设计与操控奠定了根底。吸附与吸收（总称）
导言
修建占全球电力耗费的55%、二氧化碳排放的36%以及总动力耗费的40%[1]。零能耗修建经过降低动力需求并在现场生产动力，已成为一种可继续的解决方案。为了完成动力自给自足，储能体系对于平衡可再生动力供应与动力需求随时间的改变至关重要[2]。在各种热能存储（TES）技能中，吸附式热电池（STB）因其理论热损失几乎为零且具有极高的能量存储密度（ESD）而备受重视[3]。该体系经过化学反应充放热能来运转，使其成为集成到修建中的一项极具远景的技能[4]（如图1所示）。
多项研讨报导了STB技能的显着发展。Choi等[5]针对四种修建类型的夜间制冷优化了STB，完成了207.73 kWh/m³的ESD。Weber等[6]开发了一种运用NaOH/H₂O的长期储热STB原型，需求最低120 °C的热源温度，其完成的ESD是热水显热储能的六倍。Zhang等[7]试验研讨了用于制冷使用的LiBr/H₂O STB，需求80 °C的热源，并报告了42 kWh/m³的ESD。Ding等[8]提出了一种选用LiBr/H₂O的双效STB，充电温度高达160 °C。他们的数值剖析估量该体系在制冷使用中的ESD为86.91 kWh/m³。相同，Ibrahim等[9]对集成吸收式冷水机组的太阳能驱动LiBr/H₂O吸收储能罐进行了数值剖析，考虑了天气改变因素，并报告了用于制冷的119.6 kWh/m³的ESD。Wu等[10]经过数值办法研讨了运用H₂O/[DMIM][DMP]的STB以防止LiBr结晶，完成了199.2 kWh/m³的ESD。这些研讨表明，STB的性能可显着优于传统的显热或潜热TES体系。表1总结了与其他已宣布作业的对比结果。
虽然具有使用远景，STBs的建模在很大程度上依赖于运用对数均匀温差（LMTD）办法且疏忽蒸汽动力学的准稳态办法。这些办法假定比热容稳定、瞬时气液平衡（VLE），以及蒸汽质量和热容量可疏忽不计。然而，在带有下落液膜产生器的STBs中，这些假定变得越来越无效，因为因为蒸汽产生，换热器（HX）上部区域的过冷溶液与饱满溶液之间的比热容会产生剧烈改变。因而，LMTD办法可能无法准确近似此类体系中的温差。此外，从前的准稳态模型一般将蒸汽视为被动的、处于热力学平衡状况的相，这限制了对实际体系中压力演变和瞬态动力学的准确剖析。在最近的STB非稳态模型中，腔室内的蒸汽压力一般运用两个腔室（例如冷凝器和产生器）的稳态质量和能量平衡方程来确认[11]。随后，假定HX外表的制冷剂和溶液性质为饱满状况[12]。然后使用这些性质来确认下一个时间步长中制冷剂和溶液储罐的状况。这种被称为准稳态的办法与真实的非稳态剖析不同，后者运用非稳态方程来确认蒸汽压力。从前的准稳态模型...
当蒸汽质量显着时，上述假定便不再建立。Giannetti等人[16]对吸附循环中部分潮湿的水平管上的降膜HX进行了剖析，以计算沿管壁的温度散布。Zinet等人[17]选用会集参数体系办法为单效吸收式制冷机开发了一个动态模型，考虑了到达稳态所需的响应时间。他们的模型选用了依据Nusselt理论的简化物理办法来以会集方法描述LiBr溶液薄膜，其间溶液薄膜的饱满温度由其浓度和腔室压力决定。然而，他们的办法存在若干局限性。例如，沿降膜HX的溶液物性空间散布仍不清晰，导致难以区别过冷溶液区和饱满区。在STBs中，进入产生器换热器（GHX）的溶液一般是过冷的，并且会产生一个显着的转变，即开端产生蒸汽。如从前研讨[[16], [17], [18]]所示，这会导致沿GHX的物性不均匀，并使整个外表均处于饱满状况的假定失效。此外，从前的研讨一般假定冷凝器中的蒸汽别离与冷凝器和产生器中的液态水或溶液处于热平衡状况[[19], [20], [21]]。依据这一假定，“
在本研讨中，咱们开发了一种专门针对STBs的非稳态动态模型，克服了传统准稳态模型的局限性。该模型引入了一种新型有效比热容（如图S3所示，ESI†），以区别过冷溶液区与饱满区，从而完成了沿GHX对显热和潜热传递进程的连续表征。此外，蒸汽域被处理为一个会集但热力学活跃的区域，允许动态追踪蒸汽压力和焓值，同时考虑其与溶液之间的非平衡条件（Section S1，ESI†）。假定蒸汽移动速度足够快，使其在蒸汽侧的压力和温度保持均匀。这一假定在具有紧凑腔室几许结构和适度蒸汽流速的吸收体系动态建模中被广泛选用，在这种情况下，蒸汽压力的平衡速度远快于液相中的传热和传质进程，因而蒸汽侧的压力梯度可以疏忽不计[24,25]。虽然蒸汽压力与溶液处于平衡状况，但即便在界面处，蒸汽温度也可能与溶液温度存在差异。因为HX初始排管中存在过冷溶液，该模型提醒了与LMTD办法相比在温度散布上的显着误差。这些误差凸显了均匀温差方面的显着差异，提醒了其局限性。