热化学储热反应器内水合盐物性调控及传热传质优化研究进展

罗伊默，芮金金，徐 薇，彭晋卿，折晓会，李念平，丁玉龙

（1湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082；2石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 050043；3英国伯明翰大学化工学院，英国伯明翰 B15 2TT）

气候变化是全球面临的重大挑战之一，应对气候变化《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向。近期，多国竞相公布了碳中和目标时间表。2020 年9 月底，中国向世界承诺2060 年实现碳中和。这一目标的实现对能源技术与政策领域都是巨大挑战，须从能源系统顶层设计角度出发，不断提高新能源的占比。新能源发电受自然环境影响太大，能量输出具有间歇性和波动性，这也是导致弃风弃光现象发生的重要原因。将储能技术与新能源深度融合，能有效促进新能源并网与就地消纳，缓解新能源产能与需求侧负荷在时间和空间上的不匹配。

目前，热量储存主要分为显热、潜热和热化学储热三种方式[1]。相比其他储热方式，热化学储热具有材料储热密度高、热损失小、储存时间长等优点。根据储热原理和材料的不同，热化学储热可分为纯化学、纯物理吸附/吸收、化学吸附/吸收储热三大类[2]。作为最常见的热化学储热材料，水合盐具有脱水温度低、热损失小、价格低、生产方法简单、安全性高等优点。水合盐储热属于化学吸附储热，其基本原理如图1 所示：在太阳能充足的时段，向水合盐反应器中通入干燥空气并使用太阳能加热，水含量高的水合盐吸热脱水，将水分传递给干燥空气；当需要供热时，向水合盐反应器中通入湿空气，水含量低的水合盐吸收湿空气中的水蒸气，释放热量用于供热。水合盐解吸和吸附化学反应式可表示为

图1 水合盐热化学储热原理Fig.1 Schematic diagram of thermochemical heat storage with salt hydrates

水合盐的储热密度大于1 GJ/m3，4～8 m3的储热体积便可满足一户的平均热能需求，具有大规模应用潜力[3]。然而，水合盐储热过程涉及化学反应动力学、传热传质及流体力学等多物理场问题，测量仪器不适合于这类体系，因而不易开展系统性研究。目前有关水合盐热化学储热的研究尚不多，相关技术不成熟，离实际应用还有一段距离。反应器作为水合盐热化学储热的关键部件，其性能直接影响储热效果，目前主要存在以下问题：①反应器内水合盐物性和微观结构变化引起的运行不稳定；②反应器内部传热传质速率低、热功率低、储热/放热时间过长。因此，通过调控反应器内水合盐物性和优化传热传质过程，开发热稳定性好、快速储/放热的热化学反应器对水合盐热化学储热技术应用推广意义重大。本文从材料物性调控和反应器内传热传质优化两个方面，对水合盐热化学储热反应器的研究进展进行了调研(图2)，并对该技术目前存在的主要问题进行了深入分析，指出了未来研究的工作重点，对下一步研究工作的开展具有指导意义。

图2 文章框架Fig.2 Article framework

1 反应器内水合盐物性调控

为使水合盐更有效地应用于储热，研究者们致力于研发高性能水合盐热化学储热材料。水合盐的水化过程被称为潮解，指固体盐从纯干燥状态到潮解相对湿度(DRH)这一饱和状态的一级相变过程。以DRH 为参考指标，可将水合盐水化反应的产物分为两类：当反应相对湿度(RH)低于DRH 时，产物是具有更多结晶水分子的高分子固体水合物；而当RH高于DRH时，水化反应的产物则是饱和盐溶液。可采用以下方程式描述两种反应及产物的区别

利用水化反应进行蓄热主要采用吸湿盐，如氯化镁(MgCl2)、硫化钠(Na2S)、溴化锶(SrBr2)和硫酸镁(MgSO4)。由于盐溶液具有流动性，易从反应器中泄漏，对床体产生腐蚀，因此要避免盐溶液的产生。LiCl 和LiBr 的潮解相对湿度较低，常压下30 ℃时分别为11.3%和6.3%，反应过程中易形成溶液，因而不适合用做水合盐储热材料。常用水合盐储热材料性能见表1[3-6]。

来自荷兰能源研究中心的Zondag等[7]在测试了多种热化学材料之后提出MgCl2是最具潜力的季节性储热材料。他们还设计了几种MgCl2吸附储热反应器用于住宅建筑储存太阳能，并建立一系列实验室规模的开式反应器。在充能温度130 ℃时，储热密度可达139 kW·h/m3。但MgCl2具有以下缺点：①DRH值偏低，在30 ℃只有32.4%，吸水过多会影响传热传质效率；②脱水反应要求温度达到100 ℃以上，对热源要求较高；③在温度约150 ℃时会分解产生有害气体HCl[8]。N’Tsoukpoe等[9]开展了系统性低温水合盐储热材料的多步骤筛选工作：第一步从材料的安全性和可操作性出发，从125种盐中筛选出了45种；第二步在限制脱水温度和吸水温度的条件下，采用热重分析法测试材料的可逆性，从45种盐中再筛选出17种；最后，从实用角度出发，以体积能量密度、净体积能量密度、理论热效率和价格等作为评估指标， 确定SrBr2·6H2O、 LaCl3·7H2O 和MgSO4·6H2O这3种材料最具储热潜力。近期，展佳等[10]选取3种水合盐进行了热重-差示扫描量热测试，发现对于在相变点以脱结晶水为主的无机水合盐相变储热材料，摩尔潜热并非都随着结晶水数目的增加而增大，这显然与N’Tsoukpoe等[9]得出的结论相矛盾。Fopah-Lele等[11]对SrBr2在低温储热和建筑中的应用进行了详细的调研，指出SrBr2在作为储热材料时最主要的缺点是成本问题。Trausel 等[3]认为SrBr2不仅价格高，储热密度也一般。Al-Abbasi等[12]采用数值模拟方法比较了3种水合盐的储热性能，包括MgSO4·7H2O、CuSO4·5H2O和CaSO4·2H2O。结果表明，CuSO4·5H2O的储热效率(定义为储热量与供热量的比值)最高，化学反应启动时间最短。作者还指出增加热通量能有效提高储热效率，而N’Tsoukpoe等[9]则认为需控制热通量防止固体水合盐熔融。Linnow等[13]通过水蒸气吸附测量和原位拉曼显微镜研究了不同气候条件下MgSO4·7H2O 和Na2SO4·10H2O 的水合反应动力学。研究表明，在较低DRH下，水合反应以固相进行，而超过DRH则发生直通溶解机制，显著加快水化反应。Mehrabadi等[14]考察了Al2(SO4)3·18H2O、MgSO4·7H2O、CaCl2·6H2O、MgCl2·6H2O和SrCl2·6H2O五种盐的能量密度，结果显示SrCl2·6H2O 的体积储能密度最高(2.4 GJ/m3)，Al2(SO4)3·18H2O 的体积储能密度最低(1.6 GJ/m3)；SrCl2·6H2O的DRH(71%)较高，在典型寒冷天气环境下可直接输入环境空气获取储存的热量。Lin等[15]详细总结了CaCl2、MgCl2、LiCl 等氯化物和MgSO4、CuSO4、Al2(SO4)3等硫酸盐以及其他水合盐材料的物理化学性质，有助于用户根据需求和设计目标选择合适的材料。前文有关单组分水合盐的调研结果表明每种水合盐都有其自身的优缺点，选材时既要满足储/放热要求，又要结合应用背景、效果及成本等综合考虑。

表1 常用水合盐储热材料储热性能[3-6]Table 1 Heat storage properties of common salt hydrates[3-6]

水合盐经过数次循环易潮解、膨胀和聚集，阻止水蒸气在材料中扩散，从而降低储热密度、功率和循环稳定性，甚至导致反应难以继续。因此，优化材料本身对热化学储热十分关键。研究者一般采用了以下两种方案对水合盐进行物性调控：①将不同水合盐混合；②将水合盐注入高热导率的多孔载体。近期，郝茂森等[16]对水合盐热化学储热材料的研究进展进行了综述，指出可以主要从水合盐复合材料的传热传质强化和二元水合盐成分优化两方面来优化制备具有高储热密度和快速放热能力的水合盐热化学储热材料。

1.1 多元水合盐

Rammelberg 等[6]研究指出单一组分水合盐(如MgCl2、CaCl2和MgSO4)的连续循环稳定性较差，而将盐混合可以大大改善循环稳定性、质量和焓的平衡性能以及动力性能，其中MgCl2和CaCl2混合物在所有运行工况下都表现出良好的循环性能。MgSO4水热稳定性较高，在较高的温度和水蒸气压力下不会分解，但其水化反应速度低、传质性能差。Posern等[17]选择在MgSO4中掺杂MgCl2，可适当降低MgSO4的潮解相对湿度、增加冷凝量，从而提高热释放量。研究表明，20% MgSO4和80% MgCl2的混合物在温度30 ℃、相对湿度85%的状态下测量吸附热为1590 kJ/kg，可应用于太阳能储热。同时作者指出在未来的循环吸附和脱附研究中，还需根据热交换器或者储热装置的实际工作条件，确定最大含盐量和盐的最佳混合配比。当前纯多元水合盐的相关研究很少，大部分研究将多元水合盐注入了多孔载体中形成复合材料，下文会进行详细介绍。表1列出了以上研究中多元水合盐的储热性能。

1.2 多孔载体复合水合盐

随着材料学的发展，多孔载体越来越广泛应用于水合盐储热材料的制备中，包括传统天然多孔载体、人工合成多孔载体、新型的金属有机框架多孔载体。将水合盐固定在多孔载体中可有效解决水合盐在热化学反应过程中的结块问题，改善纯水合盐的吸附和储热性能，从而提高其循环稳定性。常见的多孔载体复合水合盐制备方法包括熔融渗透、溶胶凝胶等，如图3所示。

图3 多孔载体复合水合盐制备方法Fig.3 Preparation method of composite salt hydrates with porous materials

1.2.1 传统天然/人工合成多孔载体

常用的多孔载体包括天然无机/有机多孔材料和人工合成多孔材料，具有较大的比表面积和丰富的孔结构，包括石墨、蛭石、硅胶和凹凸棒土等。Aristov 等[18]和Levitskij 等[19]的研究表明将水合盐注入高热导率的载体中形成复合材料，储热密度可达到与金属氢化物或结晶水合物相同的水平，在30～150 ℃的温度条件下储热密度为390～780 kW·h/m3。Gareth 等[20]利用浸渍法，将4 种类型的沸石(Na-X型、丝光沸石、Na-Y 型、H-Y 型)浸渍于质量分数为5%～15%的MgCl2溶液中，制备了一系列沸石-MgCl2复合吸附储热材料，并对材料进行TG-DSC分析，结果表明Na-Y 型沸石和H-Y 型沸石浸渍于质量分数15%的MgCl2溶液所获得的复合材料具有最高的吸附热，分别可达到1173 J/g 和970 J/g。Yu等[21]将硅胶浸渍于LiCl溶液制备了LiCl/硅胶复合吸附储热材料。实验结果表明，随着硅胶基体中LiCl含量的增加，复合材料的储能密度显著提高，其中利用质量分数30%的LiCl溶液中所制备的复合材料，LiCl 的质量分数为35.1%，当脱附温度为80 ℃时，该复合材料的理论储热密度可达163.6 kW·h/m³。为克服CaCl2及其水合物的低熔点、循环稳定性差等缺点，Korhammer 等[22]将KCl 和CaCl2混合并注入天然膨胀石墨或活性炭泡沫介质中。结果发现，2KCl/1CaCl2的吸水率最高，1KCl/2CaCl2混合物的储能效果更好。Ejeian 等[23]在活性炭纤维(ACF)-LiCl复合材料中进一步添加MgSO4，在环境温度下每个MgSO4分子可吸附多达7个水分子，并通过实验证实了该ACF-LiCl-MgSO4复合材料在中等相对湿度下吸附密度可提高30%。苗琪等[24]和翁立奎等[25]在2020 年发表的文章里详细的阐述了有关传统多孔载体复合水合盐的研究进展。表2总结了几种具有较高储热密度的传统多孔载体复合水合盐吸附材料的储热性能[26-34]。

1.2.2 新型金属有机框架多孔载体

金属有机框架材料(MOF)是由金属离子与有机配体通过配位键组装形成的化合物(图4)。与传统多孔载体相比，具有超大的比表面积(>3000 m2/g)和高孔隙率(>60%)，在气体储存、药物释放、多相催化、离子液体复合材料、吸水材料等方面具有应用潜力[35-37]。MOF具备骨架拓扑结构，孔隙形状和大小可调，可对其内表面特性进行设计，是多孔衍生相变材料的理想载体。MOF 的常用制备方法如图5所示。

最初，研究者用MOF 做相变材料的载体。2016 年Luan 等[38]首次研制了一种低温储热用硬脂酸-金属有机框架(MOF)复合相变材料。结果表明一步法合成的MIL-101-NH2具有最优的热性能，其中硬脂酸的质量分数最高可达70%，是当时有机酸衍生相变材料中具有最高加载率和最高相变焓的合成材料。此外，此复合材料经过50次循环后依然保持良好的热稳定性。在此研究基础上，Feng等[39]采用分子模拟方法预测了复杂有限空间中材料的熔化温度和相变焓，并进一步分析了回转半径、反应能和原子-原子径向分布函数，目的是揭示主-客体材料间的相互作用机制，特别是引入官能团后对加载和结晶行为的约束效应。2020 年，Atinafu 等[40]设计了一款基于三维多孔MOF和聚乙二醇(PEG)的稳定复合相变材料，封装率和浸渍比分别达到93.4%和92.2%，相变焓高达159.8 kJ/kg，且在经历100次热循环之后仍具有极好的热稳定性。2020 年，Chen等[41]总结了基于MOF复合相变材料在储热方面的最新研究进展。文章指出MOF作为相变材料的骨架优劣并存，其中MOF因孔径较小(<2 nm)会产生纳米限制效应，导致相变材料的加载量低，从而降低相变材料潜热，因此需要通过增大MOF 的孔径来提高材料的性能。

表2 多孔载体复合水合盐吸附材料储热性能Table 2 Heat storage performance of composite salt hydrates with porous materials

图4 金属有机框架材料(MOF)结构Fig.4 Structure of metal organic framework material(MOF)

图5 常用MOF合成方法专利生成时间表Fig.5 Patent generation schedule of common MOF synthetic methods

直到2016 年，MOF才作为水合盐载体得到应用。Permyakova 等[42-43]首次尝试使用MOF 作为骨架材料用于制备季节储热用复合水合盐材料。文中研究了6 种MOF 材料，其中MIL-100(Fe)/CaCl2和MIL-101(Cr)/CaCl2具有最大盐加载率，能量密度分别为310 kW·h/m3和485 W·h/kg，比现有最好的复合材料/物理吸附剂的性能都要优越。此外，材料在吸附-解吸附循环中能量密度损耗少，且经过长达18 个月之后材料仍具有很高的化学稳定性。2019年，D’Ans等[44]将SrBr2封装在MIL-101(Cr)介孔MOF 材料中，在水蒸气分压很低的情况下，也能获得很高的储热密度。作者认为这是因为一方面盐的加载量较高，另一方面加载在MOF 中改变了SrBr2的水吸附等温线。相比硅胶基体，使用介孔和两亲稳健型MOF 可实现更高的盐加载率和负载提升，因此是一种极具潜力的载体。Shi 等[45]通过引入不同的亲水基团(—SO3H、—NH2)或疏水基团(—CH3、—F)对MIL-101(Cr)进行了改性，并成功合成了一系列含盐量(质量分数)在43.3%～46.7%的MOFs/CaCl2复合材料。研究结果表明，在引入亲水基团改性后合成的MOFs/CaCl2复合材料具有最高的吸水能力，其中MIL-101(Cr)-SO3H/CaCl2在30 ℃、32%RH 的条件下吸水量可达0.60 g/g，并且表现出高达1274 J/g的热能储存密度。表2给出了以上工作中基于金属有机框架的多孔载体复合水合盐的物性。总之，有关MOF 作为水合盐载体的研究还不多，技术尚不成熟。

2 反应器内水合盐-湿空气传热传质优化研究

2.1 水合盐-湿空气传热传质机理

反应性固体多孔填料床是最合适的水合/脱水反应设备，并已广泛应用于热化学储热系统中。图6描绘了多孔填料床反应器内的传热过程及热阻构成，其内部有效传热系数由湿空气热导率、固体水合盐热导率、孔隙热导率、温度以及固体水合盐粒径等共同决定[46]。水合盐反应器内的传热效果一般较差，一方面是因为固体水合盐和湿空气的自身热导率低，另一方面是因为吸附剂颗粒之间的孔隙所造成的接触热阻大。当反应器内安装换热盘管时，还会因为吸附剂颗粒与壁面的热阻使得换热效果更差。

图6 多孔反应器传热过程及热阻构成[46]Fig.6 Heat transfer process and thermal resistance composition of a porous reactor[46]

在水合盐热化学反应器中，能量储存/释放环节通过水合盐脱水/吸水实现，因此湿空气在高密度盐床中的传质效率对反应器的运行影响很大。水合盐吸附水蒸气的吸附机理取决于吸附剂具备一级孔隙度(微孔)还是双级孔隙度(微孔和大孔)[47-48]。大孔是初级颗粒(晶体或微粒)团聚形成的团聚物间的水蒸气运输通道，而微孔则提供了初级颗粒内吸附水蒸气的能力[49-50]。图7 展示了双级孔隙度吸附剂的吸附机理[45]。水合盐热化学吸附通常会有团聚行为发生，因此一般具备双级孔隙度。所述水蒸气扩散通过水合盐吸附剂的颗粒表面，然后在初级颗粒团聚物之间的大孔隙中扩散[47,51]，先到达初级颗粒表面，然后扩散到颗粒内部的微孔中。对于水合盐热化学反应而言，还需考虑另外一种运输现象，即水在晶格中传输并形成/打破化学键的过程。研究发现部分水合盐的脱水过程中已观察到晶格的重排[52]，而晶体厚度会影响水蒸气在其中的输送阻力。可见，水合盐反应器内的传热传质过程相对较复杂。

图7 双级孔隙度吸附剂的吸附过程[46]Fig.7 Adsorption process of adsorbent with double levels of porosity[46]

2.2 反应器内传热传质数学模型

研究者们通常使用多物理场模拟软件COMSOL对反应器内的反应和热质传递开展研究。如图8 所示，本文以文献[53]的反应器为例，对反应器的数学模型进行简单介绍。为简化模型，采用了以下假设条件：①水合盐反应床为固定多孔层，孔隙度在空间上均匀不变；②各筛孔反应床中水合盐质量相同，忽略筛孔对反应的影响；③气体中水蒸气含量较低，可视为理想气体；④多孔盐床中固体和气体间处于局部热平衡状态，忽略热辐射；⑤反应器中气体流速遵循达西定律，假定反应焓恒定。基于以上假设条件，可建立数学模型，包括控制方程和边界条件。

2.2.1 反应动力学方程

根据文献[53]，影响水合盐吸附/脱附反应的三大因素主要为：反应温度(主要影响阿仑尼乌斯系数项)、压力和水合盐的转化率。因此，用下式描述反应速率

图8 反应器物理模型Fig.8 Physical model of reactor

式中，Rkin为与温度相关的动力学因子；pv和peq为水蒸气的局部分压和平衡压；Af为考虑动力学效应的指前阿伦尼乌斯因子，通过特定反应体系的实验进行测量；Ea为阿仑尼乌斯活化能；X为给定时间内水合盐的转化率。

当以足够高的传质和化学反应速率达到平衡状态时，可用Clausius-Clapeyron方程来表示平衡压力和温度的关系[54]

式中，pref、∆Hr、∆Sr、Teq和R分别代表参考压力、反应焓、反应熵、平衡温度和通用气体常数。

2.2.2 质量守恒和质量输运

为了描述水合盐可逆热化学反应的质量平衡，本文选择储热(脱水)过程来解释反应机理。固体水合盐和水蒸气的连续性方程可分别表示如下

式中，ε为盐层的孔隙率；Dg为多孔盐层中的水蒸气扩散系数；ρs、ρv分别为水合盐和蒸汽密度；u为蒸汽速度矢量；Sw为质量源，可采用下式计算

式中，z为反应的化学计量数；Mv/Ms为水蒸汽分子质量与固体盐分子质量之比。

采用布林克曼-福奇海默(Brinkman-Forchheimer)扩展达西模型描述多孔盐层中湿空气的流动情况

式中，ρm为湿空气密度；u为速度；pv为水蒸气压力矢量；I为单位张量；μ为动力黏度；k为多孔水合盐的渗透率；μm为湿空气黏度；g为重力加速度；上标T代表湍流。

2.2.3 能量守恒方程

反应热通过热化学储热介质中的传导和对流进行传递。假设多孔盐层中固体和气体之间处于局部热平衡状态，能量平衡方程可以表示为

式中，eff 代表假定条件下固体和气体之间换热的综合参数，可采用以下模型计算

式中，λeff为反应床的有效热导率；λs和λv分别为固体盐和蒸汽的热导率；cp、cp,v分别为固体盐比热容和水蒸气比热容；q̇是水合作用下的能量源项。

2.2.4 初始和边界条件

为了清楚地描述示意图中的初始条件和边界条件，对图8(a)进行了编号，编号和条件一一对应。温度和压力是时间和位置的函数，如T=T(t,x,y,z)和p=p(t,x,y,z)。反应器内任何位置的初始温度、压力、转化程度、气体速度和蒸汽浓度被假定是均匀的，如图8(a)标号①所示

式中，c为水蒸气的浓度。

在入口处，湿空气的温度、速度和水蒸气分压是恒定的［图8(a)标号②］

在壳体壁面应用了非滑移边界条件［图8(a)标号③］。因此，作用在反应器壁上的速度和质量传递可以写成

式中，N为蒸汽摩尔通量。

压力为外部环境压力，出口［图8(a)标号④］温度梯度为0

通过出口边界的质量流量被认为是由对流控制的，因此由于扩散而穿过该边界的任意质量流量为零［图8(a)标号⑤］

通过以上方程和参数，便可开展水合盐反应器内的传热传质研究。

2.3 反应器内传热传质实验研究及性能优化

有关水合盐反应器传热传质性能优化的研究起步较晚。2008 年，Mauran 等[55]开发了一款名为SOLUX的水合盐热化学反应器样机，供热和供冷量分别可达60 kW·h和40 kW·h，但其平均供热/供冷功率较低，只有2.5～4 kW。作者认为功率低是由反应层和热交换层之间低导热率造成的。Michel等[56]通过实验研究分析了各参数对传质和反应过程的影响，并通过模拟得到反应器的理论热功率为1.93～2.88 W/kg-salt。此外，该团队[57]设计了一款较SOLUX 规模更大的样机，实测储热容量达到105 kW，热功率为0.75～2 W/kg-salt，证实了水合盐用于季节性供暖的可行性。Michel等[58]研究还发现随着反应的进行，反应床的密度和渗透性都发生了显著的变化，建议设计时将这些因素考虑其中。2013 年，Liu 等[59]搭建了一种开放式吸附储热实验装置，实现了低再生温度储热(80～100 ℃)。在CaCl2质量分数为22.4%的情况下，当再生温度为80 ℃时，送入温度为25 ℃流量为3.0 m3/h的空气，经过432 min后，空气被加热到大于40 ℃。该装置体积蓄热密度为272 MJ/m3，放热过程中的热量提取性能系数为65%。Chen等[60]建立了一种新模型用于探索提高水合盐储热的传热传质效果的方法。作者以筛板多孔床反应器为对象，研究了几何参数对反应器性能的影响以及操作条件对MgCl2·6H2O在脱水储热阶段的热分解的影响，从而优化了反应器结构尺寸以及操作方法。Li 等[53]在上述工作基础上，进一步研究了吸水放热过程，指出吸水的平均水化热功率高于脱水热功率，而体积热功率则正好相反。

Lass-Seyoum等[61]开发了一种闭式吸收式储热设备。实验测试了装置使用不同材料时的吸附特性，识别核实材料及考虑储热密度和能量输出时对应的温度和压力范围。开发的装置比普通换热器的热功率高60%，通过提高流量和吸附剂热导率的方法增加了储热密度，并将以上概念应用到750 L的大装置中，取得了不错的效果。近期，Hawwash等[62]还专门针对反应器的结构设计对脱水过程的影响进行了分析。文中研究了两种不同结构的反应器，即圆柱体和具有不同空气进出口面积比的截锥体。结果表明降低反应器空气进出口面积比将会增加压降并减少储热(脱水)时间，从而影响储热量；反应器外形的设计可使热量储存增加25.5%，而脱水时间最大会有3倍的差距。

有关水合盐反应器内传热传质研究十分有限，特别是微纳尺度的机理研究。由于传热传质效率对储热密度和充放速度影响很大，因此充分掌握反应器内水合盐与水蒸气的微纳尺度传热传质机理十分重要。

3 总结和展望

水合盐热化学储热技术具有高材料储热密度、储存时热损失几乎为零、适合长期季节性储热的优点，是实现清洁供热的有效方法之一。作为水合盐热化学储热的关键部件，反应器的性能直接影响系统的效率和可靠性。目前反应器因材料配方和结构设计不合理，导致循环稳定性和热功率低，制约了该技术的进一步发展和推广应用，包括：①水合盐材料的寿命偏低，循环运行过程中难以保证材料的稳定性；②反应器内传热传质效率偏低，导致热功率低，无法满足正常使用需求。因此本文从材料物性调控和反应器内传热传质优化两个方面开展了调研，得到如下结论。

（1）已证实将水合盐注入高热导率的多孔载体中能有效提高材料的寿命，但随着新材料的出现，载体材料的选择、材料配比及复合材料的制备方法还有待探索，这一点对水合反应的循环稳定性尤为重要。

（2）目前有关反应器的传热传质研究局限于宏观尺度的模拟和实验观察，缺乏水合盐与水蒸气微纳尺度的传热传质机理研究，不利于揭露宏观现象背后的本质从而优化反应条件。

（3）反应器结构设计对其性能具有较大影响，而目前这方面的研究尚不足。结合反应器的实验和模拟研究，改进内部结构、优化反应和传热传质速率也是未来主要的研究方向之一。

可见，现阶段水合盐热化学储热距离实际应用还有一定差距，但随着新型复合材料和新型反应器的研发，水合盐热化学储热技术极有希望走向实际应用。