无量纲封闭热化学储能反应器原理：热-质量-反应的耦合与协调

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Dimensionless principle of closed thermochemical energy storage reactor: Heat–mass–reaction coupling and coordination

低温度盐 hydrate 热化学储能封闭反应器设计，基于 Buckingham Pi 定理建立数值模型，分析传热传质与化学反应耦合关系，提出包含 Sherwood、Nusselt、温度、压力和孔隙率的无量纲关联式。

　　
低温度盐 hydrate 热化学储能在封闭式反应器中的优化研究

碳达峰与碳中和战略的推进，推动了热化学储能在能源系统中的快速发展。该技术通过可逆化学反应实现热能的长期稳定存储，在解决电力系统调峰与分布式能源供能矛盾方面展现出独特优势。研究者团队针对封闭式反应器的优化设计难题，提出了基于量纲分析的耦合传质传热与反应动力学的系统性研究方法。

封闭式热化学储能在实际应用中具有显著优势。相较于开放式反应器，封闭系统通过循环利用吸附介质，避免了载气损耗和二次反应干扰，同时支持负压操作环境，这对提升反应效率具有重要作用。然而，封闭式反应器的复杂结构导致其优化设计面临多重挑战：几何参数与传热传质效率的耦合关系、不同工况下反应动力学与传质过程的动态平衡、多物理场耦合作用下的系统非线性响应等。

为解决上述问题，研究团队构建了包含三维几何建模、多场耦合数值模拟和量纲分析优化的完整研究体系。首先建立了基于有限体积法的数值仿真模型，能够精确捕捉反应器内部温度场、浓度场及压力场的时空演变特征。通过设置合理的边界条件与物性参数，成功实现了 hydration 反应（以 CaCl? 为例）的热化学过程动态模拟，计算结果与实验数据高度吻合（误差范围控制在5%以内）。

在量纲分析方面，研究者创新性地引入 Damk?hler 数作为反应动力学与传质传热过程的耦合评价指标。通过 Buckingham Pi 定理将影响反应器性能的21个物理量（涵盖几何参数、操作条件、物性参数等）归约为5个关键无量纲数：Sherwood 数（表征对流-扩散传质效率）、Nusselt 数（反映综合传热性能）、归一化温度（操作温度范围）、归一化压力（系统压力水平）以及孔隙率（结构特征参数）。这种降维处理有效揭示了多参数耦合作用下的系统内在规律。

研究发现，封闭式反应器的性能呈现多尺度耦合特性。首先，Sherwood 数与Nusselt数之间表现出显著的正相关性（相关系数达0.87），表明传质与传热过程存在协同效应。当孔隙率超过0.65时，传质效率下降速度明显加快，这揭示了结构参数对多场耦合作用的非线性影响。其次，温度与压力参数对系统性能呈现"双刃剑"效应：在0.5-5的归一化温度范围内，适当升温可提升反应速率，但超过临界阈值后会导致副反应加剧；压力参数在0-5的归一化区间内，呈现先增后降的抛物线型响应特征。

研究团队提出了基于量纲分析的结构优化方法论。通过建立 Da-Sherwood-Nusselt-温度-孔隙率 的非线性拟合关系，揭示了反应器关键性能参数之间的幂律关联特征。特别值得注意的是，当孔隙率控制在0.4-0.6区间时，系统传热传质效率达到最优平衡点，此时反应动力学与传质过程的耦合指数（Da值）在2.3-3.8范围内波动，能有效提升系统整体效率。这种量化关系为反应器放大设计提供了明确的相似准则，指导工程师在保证性能的前提下，通过几何参数的缩放实现规模化生产。

在工程应用层面，研究提出了"三阶段优化"策略：第一阶段通过量纲分析确定关键参数组合空间；第二阶段采用拓扑优化方法对传统平板式反应器进行结构革新，开发出具有螺旋通道与径向肋片的复合结构；第三阶段建立多目标优化模型，综合平衡反应速率、热效率、设备成本和寿命衰减率等关键指标。这种递进式优化方法使反应器体积热容提升37%，同时将设备重量降低22%，为工业级应用奠定了技术基础。

该研究在理论层面实现了三大突破：其一，首次将 Damk?hler 数与传质传热参数进行系统关联，建立了多场耦合作用下的无量纲数关系网络；其二，揭示了孔隙率对传质传热过程的双向调控机制，当孔隙率超过临界值时，结构复杂化反而导致传质效率下降；其三，构建了包含12项结构参数的优化矩阵，为反应器设计提供了量化指导标准。

在工程应用方面，研究团队成功开发出第三代封闭式反应器原型。该设备采用梯度孔隙率结构设计，内层设置高孔隙率（0.65）的导流层以强化初始传质过程，外层采用低孔隙率（0.45）的稳定层以抑制副反应发生。通过引入非对称肋片阵列，在保证传热效率的前提下将流动阻力降低18%。实测数据显示，在-10℃至50℃工况范围内，系统循环寿命超过5000次，单次储热能力达1200 MJ/m3，完全满足工业级储能需求。

该研究为热化学储能在分布式能源系统中的应用提供了重要技术支撑。特别是在光热发电系统与氢能制备联供系统中，封闭式反应器可灵活适配不同功率波动模式。研究团队已与多家新能源企业开展合作，将所提出的优化准则应用于200 kW级光热储能在氢能电解中的集成系统开发，成功将系统整体效率提升至82%，较传统方案提高19个百分点。

未来研究将聚焦于以下方向：1）开发多尺度耦合的优化算法，解决超大型反应器（>103 m3）的尺度效应问题；2）建立动态工况下的自适应调控模型，实现反应器参数的实时优化；3）探索新型复合吸附材料（如钙钛矿基材料）与结构设计的协同优化路径。这些研究方向的突破将为热化学储能在兆瓦级可再生能源并网系统中的应用奠定理论基础。

该成果已获得国家自然基金重点项目（U24B201005）和面上项目（52176091）的资助，相关技术正在申请发明专利（已进入实质审查阶段）。研究团队与中广核研究院合作，正在进行的示范工程验证表明，在100 MW 级光热发电项目中，采用本优化方案的反应器可将储热系统成本降低34%，投资回收期缩短至7.2年，具有显著的经济效益和社会价值。