傳熱增強型化學蓄熱裝置及應用該蓄熱裝置的蓄熱系統的製造方法
2023-05-17 04:46:07
本發明涉及的是一種蓄熱領域的技術，具體是一種傳熱增強型化學蓄熱裝置及應用該蓄熱裝置的蓄熱系統。
背景技術：
大多數可再生能源和餘熱資源均存在周期性波動，供給和需求難以匹配，限制了可再生能源的發展。蓄熱技術應用於可再生能源和餘熱資源中，可以避免熱源的波動，保持供需平衡。在諸多蓄熱方式中，化學蓄熱具有儲能密度大、可工作溫度範圍廣的優點。在化學蓄熱技術中通常採用粉末狀蓄熱材料以及間壁式傳熱技術，但是粉末狀蓄熱材料易凝聚、固化，導致材料內部的傳熱性能較差。實際應用中需要通過各種手段強化材料內部的傳熱，此外傳熱介質與反應床之間也存在較大的溫差，熱效率不高。經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN103542752A，公開(公告)日2014.01.29，公開了一種化學蓄熱裝置。該裝置設有化學蓄熱材料收納部，在蓄熱材料收納部的內部至少設有一個用於加熱化學蓄熱材料的導熱部，以便高效地加熱化學蓄熱材料，並利用驅動部使蓄熱材料收納部旋轉來攪拌化學蓄熱材料，防止化學蓄熱材料凝聚、固化。但是該發明蓄熱材料內部、蓄熱材料和傳熱流體間存在較大的溫差，蓄放熱功率的提高受到限制。中國專利文獻號CN101644548A，公開(公告)日2010.02.10，公開了一種高溫化學蓄熱元件及基於高溫化學蓄熱元件的蓄熱器，該蓄熱器以CaO/Ca(OH)2作為蓄熱材料填充在螺旋形翅片間實現化學蓄熱。但是該發明加工過程複雜，單位體積蓄熱材料需要大量金屬材質換熱面，熱效率不高。
技術實現要素：
本發明針對現有技術存在的上述不足，提出了一種傳熱增強型化學蓄熱裝置及應用該蓄熱裝置的蓄熱系統，通過直接接觸式傳熱，傳熱介質作為反應介質直接與固體反應物接觸進行可逆反應，解決了粉末狀蓄熱材料內部傳熱性能差，以及傳熱介質在蓄放熱反應前後存在較大的溫差，熱效率不高的問題。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明涉及一種傳熱增強型化學蓄熱裝置，包括：若干個蓄熱單元及與蓄熱單元的氣體入口端和氣體出口端分別相連的第一氣體緩衝罐和第二氣體緩衝罐；所述的蓄熱單元包括：布風板、不鏽鋼絲網、蓄熱介質和支架，其中：蓄熱介質由不鏽鋼絲網包裹固定，不鏽鋼絲網通過支架固定在蓄熱單元內部，氣體入口端和蓄熱介質之間設置有布風板。所述的蓄熱介質為金屬氫氧化物、金屬氧化物或金屬碳酸鹽等化學蓄熱材料。優選地，所述的金屬氫氧化物為Mg(OH)2或Ca(OH)2。優選地，所述的金屬氧化物為Mn2O3或Co3O4。優選地，所述的金屬碳酸鹽為CaCO3。本發明涉及應用上述蓄熱裝置的蓄熱系統，包括：太陽能集熱裝置、傳熱增強型化學蓄熱裝置、蒸汽換熱器、循環泵、水蒸氣補充裝置和水蒸氣冷卻裝置，其中：太陽能集熱裝置、傳熱增強型化學蓄熱裝置、蒸汽換熱器和循環泵依次串聯連接，水蒸氣補充裝置和水蒸氣冷卻裝置的輸入端和輸出端分別與循環泵、太陽能集熱裝置相連。技術效果與現有技術相比，本發明中傳熱介質與蓄熱材料持續直接接觸，反應床層內溫度均勻，保證了蓄熱單元中出口氣體的溫度能夠處於反應平衡溫度，熱效率高，且通過改變系統中水蒸氣分壓可以控制蓄放熱反應的進行。附圖說明圖1為本發明中蓄熱裝置結構示意圖；圖2為本發明中蓄熱單元結構示意圖，其中：(a)為剖視圖，(b)為B-B視圖，(c)為A-A視圖；圖3為本發明中蓄熱系統結構示意圖；圖4為蓄熱介質Mg(OH)2分解為MgO的反應比例及反應焓圖；圖5為Mg(OH)2/MgO材料的反應循環穩定性；圖6為蓄熱單元的放熱過程示意圖；圖中：第一氣體緩衝罐1、蓄熱單元2、氣體入口端21、布風板22、不鏽鋼絲網23、蓄熱介質24、支架25、氣體出口端26、第二氣體緩衝罐3、太陽能集熱裝置4、蒸汽換熱器5、循環泵6、水蒸氣補充裝置7、水蒸氣冷卻裝置8、傳熱增強型化學蓄熱裝置9。具體實施方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例涉及一種傳熱增強型化學蓄熱裝置9，包括：蓄熱單元2及與蓄熱單元2的氣體入口端21和氣體出口端26分別相連的第一氣體緩衝罐1、第二氣體緩衝罐3；如圖2所示，所述的蓄熱單元2包括：布風板22、不鏽鋼絲網23、蓄熱介質24和支架25，其中：蓄熱介質24由不鏽鋼絲網23包裹固定，不鏽鋼絲網23通過支架25固定在蓄熱單元2內部，氣體入口端21和蓄熱介質24之間設置有布風板22。所述的蓄熱介質24優選為Mg(OH)2，為阿拉丁化學試劑有限公司生產的純度95％的化學純Mg(OH)2。所述的布風板22固定於支架25上並設置有均勻分布的布風孔，保證氣體均勻流入，與蓄熱介質24進行充分反應。所述的不鏽鋼絲網23通過卡箍和螺紋結構緊固在支架25上。所述的第一氣體緩衝罐1和第二氣體緩衝罐3提供反應所需保護氣和反應氣體，同時保證進、出口氣體壓力穩定，有利於多個蓄熱單元2並聯運行；所述的蓄熱單元2與第一氣體緩衝罐1、第二氣體緩衝罐3之間均設有開閉閥門，便於根據太陽輻射的強度和時間控制蓄熱，提高蓄放熱效率。如圖3所示，本實施例涉及應用上述蓄熱裝置的蓄熱系統，包括：太陽能集熱裝置4、傳熱增強型化學蓄熱裝置9、蒸汽換熱器5、循環泵6、水蒸氣補充裝置7和水蒸氣冷卻裝置8，其中：太陽能集熱裝置4、傳熱增強型化學蓄熱裝置9、蒸汽換熱器5和循環泵6依次串聯連接形成迴路，水蒸氣補充裝置7和水蒸氣冷卻裝置8的輸入端和輸出端分別與循環泵6、太陽能集熱裝置4相連形成水蒸氣補充支路和水蒸氣冷卻支路。所述的蒸汽換熱器5是用高溫水蒸氣的熱量過熱蒸汽，用於汽輪機發電。所述的水蒸氣補充支路和水蒸氣冷卻支路用於提供混合氣體的流動動力和控制水蒸氣分壓。本實施例涉及的蓄熱系統的工作原理為：蓄熱：白晝、晴天時，太陽能集熱裝置4加熱混合氣體至400℃以上，混合氣體與蓄熱介質24反應，溫度降至反應平衡溫度350℃，混合氣體的熱量一部分儲存於蓄熱單元2內，另一部分熱量儲存在產生的水蒸氣中隨著混合氣體帶走，氣體溫度穩定在350℃；混合氣體經過蒸汽換熱器5過熱蒸汽用於發電，經過循環泵6，進入水蒸氣冷卻支路，將蓄熱單元2中產生的水蒸氣冷卻，控制迴路中水蒸氣的分壓，使蓄熱平衡溫度穩定在350℃；放熱：夜間或陰天時，太陽能集熱裝置4出來的低於300℃的混合氣體與蓄熱介質24反應，將儲存在蓄熱單元2內的化學能轉化為熱能釋放出來，混合氣體溫度提高到反應平衡溫度350℃；混合氣體經過蒸汽換熱器5過熱蒸汽用於發電，經過循環泵6，進入水蒸氣補充支路，補充蓄熱單元2中吸收的水蒸氣，控制迴路中的水蒸氣分壓，使放熱平衡溫度穩定在350℃。如圖4所示，本實施例所使用的Mg(OH)2在保護氣為氮氣的環境下分解溫度為350℃，計算得到的反應焓為80.1kJ/mol。如圖5所示，本實施例所用的Mg(OH)2/MgO材料循環反應25次並沒有出現明顯的轉化效率下降問題，表面材料可長期循環使用而不改變系統效果。如圖6所示，為蓄熱單元2在放熱過程中，當控制氣體入口端溫度為90℃，水蒸氣壓力為47.4kPa時，氣體出口端溫度隨時間變化的情況；若控制氣體入口端溫度為160-170℃，水蒸氣壓力為1Mpa，則氣體出口端溫度在350℃左右，該溫度與蓄熱單元2內反應達到的最高溫度一致，從而能夠提高傳熱效率和放熱功率；而在相似條件下工作的常規間壁式換熱反應器，蓄熱材料的導熱係數較小，僅為0.1-0.4W·m-1·K-1，因此傳熱流體的氣體出口端與反應器內部會存在較大的溫差，傳熱流體的出口溫度會遠低於160℃，且將存儲的熱量完全釋放出去所需的時間也遠大於3小時。本實例中，蓄熱介質24除了使用Mg(OH)2以外，也可使用Ca(OH)2固態蓄熱材料，攜帶水蒸氣的保護氣作為傳熱及反應氣體，反應溫度在405℃左右；使用Mn2O3固態蓄熱材料，攜帶氧氣的保護氣作為傳熱及反應氣體，反應溫度在430℃左右；更高溫區則可使用Co3O4固態蓄熱材料，攜帶氧氣的保護氣作為傳熱及反應氣體，反應溫度在900℃左右；使用CaCO3固態蓄熱材料，攜帶CO2的保護氣作為傳熱及反應氣體，反應溫度在850℃左右。