原位中子断层扫描揭示热化学储热填充床脱水与再水合过程的传质传热机制

本研究通过原位中子断层扫描技术，首次实现了对K2CO3热化学储热材料填充床脱水与水合过程的动态三维观测。研究人员结合CFD模拟揭示了床层结构、流动分布与反应动力学的耦合机制，发现低孔隙率有序填充会因热损失导致脱水速率降低，而壁面通道效应显著影响水合反应空间均匀性。该研究为高能量密度储热系统的优化设计提供了关键实验依据。

　　

随着可再生能源占比不断提升，解决其间歇性问题的储能技术成为关键瓶颈。在众多储能方式中，热化学储热材料（Thermochemical Materials, TCMs）因其高能量密度和近乎零损耗的特性备受关注，尤其盐类水合物通过可逆水合反应实现能量存储与释放，在建筑供暖领域具有巨大应用潜力。荷兰的供暖能耗占终端能源消费超50%（2019年数据），且热电池相比电化学电池更具资源和成本效益。然而该类系统的实际应用仍面临核心挑战：如何提升储热单元的功率输出和反应效率？这需要从材料本身特性（反应动力学）、宏观结构（填充床配置）和运行条件三个层面协同优化。

为深入探究填充床尺度下热质传递与反应进程的耦合机制，荷兰埃因霍温理工大学研究团队在保罗谢勒研究所成功实施了国际首例针对脱水与水合过程的原位中子断层扫描（neutron tomography）研究，成果发表于《Journal of Energy Storage》。该工作通过非侵入式成像技术动态捕捉了K₂CO₃片剂填充床的反应进程，结合计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟揭示了床层结构与流体运动的相互作用规律。

本研究主要采用以下方法：首先通过冷中子成像技术获取时间分辨的三维衰减数据，利用黄金比例采集方案（golden ratio scheme）实现高时空分辨率重建；其次采用开放式束流调制（open beam modulation）进行强度校正，并通过图像分割技术提取单个片剂反应前沿；第三基于重构床层几何结构进行CFD流动模拟，分析壁面通道效应（wall channeling）和速度场分布；最后通过床层高度追踪和孔隙率计算评估膨胀效应和结构稳定性。实验使用4克K₂CO₃片剂（含<5%石墨粘结剂，尺寸?6×3mm）构建孔隙率0.39的随机填充床，脱水阶段采用75°C、5L/min干空气流，水合阶段采用22%RH、1L/min湿空气流。

研究结果揭示多个重要现象：

（1）脱水过程中发现显著的热损失效应：非绝热反应器壁面附近片剂因温度不足难以完全脱水，结构化填充床（孔隙率0.28）因片剂-壁面接触面积增加导致热损失加剧，脱水速率较随机填充床降低约40%。Zehner-Schlünder模型计算表明有效导热系数随孔隙率降低而增加，证实接触传热是主要热损失途径。

（2）流动分布呈现强烈不均匀性：CFD模拟显示49-58%气流集中于床层外围区域，形成显著壁面通道效应。这种流动不均匀性导致边缘片剂水合速率高于中心区域，且片剂朝向与流场方向的相对位置会影响反应前沿的对称性发展。

（3）片剂尺度反应机制转变：水合初期呈现反应控制特征（线性增长期），75分钟后转为扩散控制（指数衰减期）。靠近入口的片剂（如样本A）因接触高浓度水蒸气快速完成水合，而中心区域片剂（样本B）呈现明显的径向反应前沿。部分接触高速气流的片剂表现出非对称水合模式。

（4）床层膨胀特性：床层高度增加与水分吸收呈非线性关系，相对高度增长快于中子衰减增长，研究者推测与efflorescence（盐析现象）导致的物质迁移有关。值得注意的是床层孔隙率在0.38-0.39间保持稳定，表明膨胀主要通过高度增加实现而非孔隙压缩。

（5）片剂集群效应：紧密堆积的片剂集群内部出现水合抑制现象，证实局部形态对反应动力学的显著影响。

该研究通过创新性应用中子断层扫描技术，首次实现了填充床反应器内多尺度（床层-片剂）反应过程的动态可视化。研究发现不仅证实了壁面通道效应和热损失对反应均匀性的关键影响，还揭示了片剂取向、集群分布等形态学因素与流动场的复杂相互作用。特别重要的是，研究证实K₂CO₃填充床在水合过程中能保持孔隙率稳定，这一特性对维持系统运行时的压降稳定性具有重要意义。所建立的原位成像与CFD耦合分析方法为未来储热材料优化设计提供了新范式，对推进高能量密度热电池的实际应用具有重要指导价值。