基于实验热物性的SrBr2热化学反应堆一维瞬态数值建模与工业余热温升性能优化研究

为解决工业余热温度低、回收利用率受限的难题，荷兰屯特大学的研究团队针对SrBr2水合物可逆化学吸附循环，开发并验证了一个先进的一维瞬态热化学热变压器（THT/TCHT）数值模型。该模型整合了实验测得的材料温度与反应转化率相关的热物性，构建了详细的热阻网络以刻画复杂换热器几何结构，成功预测了反应堆在充能（脱水）和释能（水合）过程中的瞬态热功率、能量密度和温度分布，经文献实验数据验证误差极小。全局敏感性分析（GSA/VBGSA）揭示，换热翅片数量和材料导热系数是影响反应堆热性能的主导参数。这项工作为优化连续工业热回收与温升应用的热化学热变压器提供了关键的设计指导。

工业部门是全球能源消耗和碳排放的主要源头之一，其中大量的输入能量最终以废热形式流失。在欧盟和英国，每年有超过220 TWh的废热潜力，其中超过一半的温度在100到200 °C之间。如何有效回收并利用这些中低品位的废热，是实现工业部门脱碳、达成气候目标的关键一步。尽管热泵、余热发电等技术展现出潜力，但在高温应用、成本或系统复杂性方面仍面临挑战。热化学热变压器（Thermochemical Heat Transformer, TCHT）作为一种新兴技术，提供了一种独特的解决方案：它不依赖机械能输入，仅通过可逆的化学吸附反应（盐的水合与脱水），就能将低品位废热“升级”为更高温度的有用热能，同时还能实现高密度的能量储存，有望填补现有技术在特定温度区间和运行模式下的空白。

然而，将这种潜力转化为稳定、高效的工业设备并非易事。核心挑战在于反应材料（如盐的水合物）的热物性（如导热系数、比热容）会随温度和反应进程（转化率）显著变化，而大多数现有模型将其简化为常数，这限制了预测的准确性。此外，反应堆内部复杂的几何结构（如翅片式换热器）如何影响局部的热行为和整体动态性能，也尚未被充分解析。为了攻克这些难题，为实际装置的设计与优化提供精准的“数字沙盘”，来自荷兰屯特大学（University of Twente）的研究团队在《Case Studies in Thermal Engineering》上发表了一项开创性研究。他们针对一种极具应用前景的材料——溴化锶（Strontium Bromide, SrBr₂），构建了一个高度精细的一维瞬态数值模型，并首次将实验测得的、与温度和转化率相关的材料热物性集成其中，对基于盐的水化物的热化学反应堆进行了深入的性能剖析与参数敏感性探索。

为构建这个高保真模型，研究团队运用了几个关键的技术方法。首先，他们采用了瞬态平面热源法（Transient Plane Source, TPS） 结合显微计算机断层扫描（Micro-CT），首次系统测量了无水SrBr₂及其一水合物（SrBr₂·H₂O）在宽温区（25-300°C）内的导热系数和比热容，并精确测定了材料孔隙率。这些实验数据被拟合成经验公式直接嵌入模型。其次，他们为反应堆的径向传热结构建立了一个详细的热阻网络，以精确刻画从换热流体（Heat Transfer Fluid, HTF）、铝制翅片到反应盐之间的复杂传热路径。模型的核心动力学部分，则基于德国宇航中心（DLR）先前建立的SrBr₂水合/脱水反应本征动力学方程，用以计算反应速率。最后，他们运用了基于方差的全局敏感性分析（Variance-Based Global Sensitivity Analysis, VBGSA） 方法，对影响反应堆热性能的多个设计参数（如翅片数量、材料导热系数、孔隙率等）进行了量化评估，识别出最关键的影响因素。模型使用对数平均温差法（Logarithmic Mean Temperature Difference, LMTD） 计算换热流体与反应盐之间的传热。

研究结果部分主要包括以下几个方面：

模型验证与性能预测：研究团队将模拟结果与德国宇航中心（DLR）报道的实验数据进行了对比验证。结果显示，模型对水合和脱水过程的预测最大误差分别控制在2%和4.8%以内，证明了其高度的准确性。模型成功模拟了反应堆在充能（脱水）和释能（水合）循环中瞬态热功率、能量密度以及沿反应器径向温度剖面的动态演化过程。

材料热物性的实验测定与影响：实验首次揭示了无水SrBr₂的比热容随温度升高显著增加，而导热系数则轻微下降。通过复合材料的混合规则，推算出了一水合物的热物性。分析表明，将温度与转化率相关的热物性纳入模型，对于准确预测反应堆的瞬态行为（特别是温度演变和功率输出）至关重要，这是相比以往采用常物性假设模型的一个重要进步。

全局敏感性分析：研究对包括翅片数量、材料有效导热系数、孔隙率、对流传热系数等在内的多个参数进行了全局敏感性分析。结果表明，换热翅片数量和材料的有效导热系数是影响反应堆总释能（脱水过程释放的总能量）和峰值热功率的最主要因素。例如，增加翅片数量能显著降低热阻，提升传热速率和功率输出；而提高材料导热系数（例如通过制备复合材料）也能有效改善性能。相比之下，孔隙率和对流传热系数的影响相对较小。这一分析为反应堆的优化设计提供了清晰的优先级指引：强化反应堆内部的传热是提升性能的首要途径。

热升级潜力分析：研究基于SrBr₂水合/脱水反应的平衡曲线（由经验公式描述），阐述了热化学热变压器实现工业余热温度升级的工作原理。例如，利用约150°C的工业废热驱动脱水反应，并在5 bar压力下产生蒸汽用于水合反应，理论上可输出温度高得多的升级后热能。模型证明了通过调整蒸汽压力，可以灵活控制输出热能的温度水平，以适应不同的工业流程需求。

结论与讨论归纳如下：本研究成功开发并验证了一个用于SrBr₂基热化学反应堆的一维高保真瞬态数值模型。该模型的创新之处在于首次整合了实验测得的、与温度及反应转化率相关的材料热物性，并采用了详细的热阻网络来刻画内部几何结构，从而实现了对反应堆动态热行为的精准预测。

研究得出的核心结论是：在热化学热变压器的设计中，强化传热是性能优化的关键。全局敏感性分析明确揭示，增加反应器内换热翅片的数量和提高反应材料本身的导热系数（例如通过开发石墨基复合材料）是提升系统热功率和能量输出的最有效手段。这为解决盐的水合物普遍存在的导热性差这一瓶颈问题提供了明确的技术路线。

这项工作具有重要的理论和实践意义。在理论上，它建立了一个可扩展的、高精度的建模框架，能够深化对盐的水合物基热化学系统复杂耦合（热-质传递与化学反应）过程的理解。在实践上，该模型及分析结论为工业级热化学热变压器的设计、优化和放大提供了直接的工程指南。研究人员指出，该模型虽然针对径向构型反应器进行了验证，但其建模方法具有普适性，可轻松适配于其他几何构型的设计分析。未来，该模型可用于探索更广泛的运行条件、评估不同盐对材料的性能，并指导与有机朗肯循环等发电系统的集成设计，从而推动热化学储能与热升级技术在工业废热回收领域的实际应用，为工业节能降碳贡献一种有前景的技术方案。