CN105651091A - 传热增强型化学蓄热装置及应用该蓄热装置的蓄热系统 - Google Patents

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Abstract

一种蓄热技术领域的传热增强型化学蓄热装置，包括：若干蓄热单元及与蓄热单元的气体入口端和出口分别相连的第一气体缓冲罐、第二气体缓冲罐；所述的蓄热单元包括：布风板、不锈钢丝网、蓄热介质和支架，其中：蓄热介质由不锈钢丝网包裹固定，不锈钢丝网通过支架固定在蓄热单元内部，气体入口端和蓄热介质之间设置有布风板。本发明能够解决粉末状蓄热材料内部传热性能差，以及传热介质与反应床之间也存在较大的温差，热效率不高的问题。

Description

传热增强型化学蓄热装置及应用该蓄热装置的蓄热系统
技术领域
本发明涉及的是一种蓄热领域的技术，具体是一种传热增强型化学蓄热装置及应用该蓄热装置的蓄热系统。
背景技术
大多数可再生能源和余热资源均存在周期性波动，供给和需求难以匹配，限制了可再生能源的发展。蓄热技术应用于可再生能源和余热资源中，可以避免热源的波动，保持供需平衡。在诸多蓄热方式中，化学蓄热具有储能密度大、可工作温度范围广的优点。
在化学蓄热技术中通常采用粉末状蓄热材料以及间壁式传热技术，但是粉末状蓄热材料易凝聚、固化，导致材料内部的传热性能较差。实际应用中需要通过各种手段强化材料内部的传热，此外传热介质与反应床之间也存在较大的温差，热效率不高。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103542752A，公开(公告)日2014.01.29，公开了一种化学蓄热装置。该装置设有化学蓄热材料收纳部，在蓄热材料收纳部的内部至少设有一个用于加热化学蓄热材料的导热部，以便高效地加热化学蓄热材料，并利用驱动部使蓄热材料收纳部旋转来搅拌化学蓄热材料，防止化学蓄热材料凝聚、固化。但是该发明蓄热材料内部、蓄热材料和传热流体间存在较大的温差，蓄放热功率的提高受到限制。
中国专利文献号CN101644548A，公开(公告)日2010.02.10，公开了一种高温化学蓄热元件及基于高温化学蓄热元件的蓄热器，该蓄热器以CaO/Ca(OH)2作为蓄热材料填充在螺旋形翅片间实现化学蓄热。但是该发明加工过程复杂，单位体积蓄热材料需要大量金属材质换热面，热效率不高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种传热增强型化学蓄热装置及应用该蓄热装置的蓄热系统，通过直接接触式传热，传热介质作为反应介质直接与固体反应物接触进行可逆反应，解决了粉末状蓄热材料内部传热性能差，以及传热介质在蓄放热反应前后存在较大的温差，热效率不高的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，
本发明涉及一种传热增强型化学蓄热装置，包括：若干个蓄热单元及与蓄热单元的气体入口端和气体出口端分别相连的第一气体缓冲罐和第二气体缓冲罐；
所述的蓄热单元包括：布风板、不锈钢丝网、蓄热介质和支架，其中：蓄热介质由不锈钢丝网包裹固定，不锈钢丝网通过支架固定在蓄热单元内部，气体入口端和蓄热介质之间设置有布风板。
所述的蓄热介质为金属氢氧化物、金属氧化物或金属碳酸盐等化学蓄热材料。
优选地，所述的金属氢氧化物为Mg(OH)2或Ca(OH)2。
优选地，所述的金属氧化物为Mn2O3或Co3O4。
优选地，所述的金属碳酸盐为CaCO3。
本发明涉及应用上述蓄热装置的蓄热系统，包括：太阳能集热装置、传热增强型化学蓄热装置、蒸汽换热器、循环泵、水蒸气补充装置和水蒸气冷却装置，其中：太阳能集热装置、传热增强型化学蓄热装置、蒸汽换热器和循环泵依次串联连接，水蒸气补充装置和水蒸气冷却装置的输入端和输出端分别与循环泵、太阳能集热装置相连。
技术效果
与现有技术相比，本发明中传热介质与蓄热材料持续直接接触，反应床层内温度均匀，保证了蓄热单元中出口气体的温度能够处于反应平衡温度，热效率高，且通过改变系统中水蒸气分压可以控制蓄放热反应的进行。
附图说明
图1为本发明中蓄热装置结构示意图；
图2为本发明中蓄热单元结构示意图，其中：(a)为剖视图，(b)为B-B视图，(c)为A-A视图；
图3为本发明中蓄热系统结构示意图；
图4为蓄热介质Mg(OH)2分解为MgO的反应比例及反应焓图；
图5为Mg(OH)2/MgO材料的反应循环稳定性；
图6为蓄热单元的放热过程示意图；
图中：第一气体缓冲罐1、蓄热单元2、气体入口端21、布风板22、不锈钢丝网23、蓄热介质24、支架25、气体出口端26、第二气体缓冲罐3、太阳能集热装置4、蒸汽换热器5、循环泵6、水蒸气补充装置7、水蒸气冷却装置8、传热增强型化学蓄热装置9。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种传热增强型化学蓄热装置9，包括：蓄热单元2及与蓄热单元2的气体入口端21和气体出口端26分别相连的第一气体缓冲罐1、第二气体缓冲罐3；
如图2所示，所述的蓄热单元2包括：布风板22、不锈钢丝网23、蓄热介质24和支架25，其中：蓄热介质24由不锈钢丝网23包裹固定，不锈钢丝网23通过支架25固定在蓄热单元2内部，气体入口端21和蓄热介质24之间设置有布风板22。
所述的蓄热介质24优选为Mg(OH)2，为阿拉丁化学试剂有限公司生产的纯度95％的化学纯Mg(OH)2。
所述的布风板22固定于支架25上并设置有均匀分布的布风孔，保证气体均匀流入，与蓄热介质24进行充分反应。
所述的不锈钢丝网23通过卡箍和螺纹结构紧固在支架25上。
所述的第一气体缓冲罐1和第二气体缓冲罐3提供反应所需保护气和反应气体，同时保证进、出口气体压力稳定，有利于多个蓄热单元2并联运行；所述的蓄热单元2与第一气体缓冲罐1、第二气体缓冲罐3之间均设有开闭阀门，便于根据太阳辐射的强度和时间控制蓄热，提高蓄放热效率。
如图3所示，本实施例涉及应用上述蓄热装置的蓄热系统，包括：太阳能集热装置4、传热增强型化学蓄热装置9、蒸汽换热器5、循环泵6、水蒸气补充装置7和水蒸气冷却装置8，其中：太阳能集热装置4、传热增强型化学蓄热装置9、蒸汽换热器5和循环泵6依次串联连接形成回路，水蒸气补充装置7和水蒸气冷却装置8的输入端和输出端分别与循环泵6、太阳能集热装置4相连形成水蒸气补充支路和水蒸气冷却支路。
所述的蒸汽换热器5是用高温水蒸气的热量过热蒸汽，用于汽轮机发电。
所述的水蒸气补充支路和水蒸气冷却支路用于提供混合气体的流动动力和控制水蒸气分压。
本实施例涉及的蓄热系统的工作原理为：
蓄热：白昼、晴天时，太阳能集热装置4加热混合气体至400℃以上，混合气体与蓄热介质24反应，温度降至反应平衡温度350℃，混合气体的热量一部分储存于蓄热单元2内，另一部分热量储存在产生的水蒸气中随着混合气体带走，气体温度稳定在350℃；混合气体经过蒸汽换热器5过热蒸汽用于发电，经过循环泵6，进入水蒸气冷却支路，将蓄热单元2中产生的水蒸气冷却，控制回路中水蒸气的分压，使蓄热平衡温度稳定在350℃；
放热：夜间或阴天时，太阳能集热装置4出来的低于300℃的混合气体与蓄热介质24反应，将储存在蓄热单元2内的化学能转化为热能释放出来，混合气体温度提高到反应平衡温度350℃；混合气体经过蒸汽换热器5过热蒸汽用于发电，经过循环泵6，进入水蒸气补充支路，补充蓄热单元2中吸收的水蒸气，控制回路中的水蒸气分压，使放热平衡温度稳定在350℃。
如图4所示，本实施例所使用的Mg(OH)2在保护气为氮气的环境下分解温度为350℃，计算得到的反应焓为80.1kJ/mol。
如图5所示，本实施例所用的Mg(OH)2/MgO材料循环反应25次并没有出现明显的转化效率下降问题，表面材料可长期循环使用而不改变系统效果。
如图6所示，为蓄热单元2在放热过程中，当控制气体入口端温度为90℃，水蒸气压力为47.4kPa时，气体出口端温度随时间变化的情况；若控制气体入口端温度为160-170℃，水蒸气压力为1Mpa，则气体出口端温度在350℃左右，该温度与蓄热单元2内反应达到的最高温度一致，从而能够提高传热效率和放热功率；而在相似条件下工作的常规间壁式换热反应器，蓄热材料的导热系数较小，仅为0.1-0.4W·m-1·K-1，因此传热流体的气体出口端与反应器内部会存在较大的温差，传热流体的出口温度会远低于160℃，且将存储的热量完全释放出去所需的时间也远大于3小时。
本实例中，蓄热介质24除了使用Mg(OH)2以外，也可使用Ca(OH)2固态蓄热材料，携带水蒸气的保护气作为传热及反应气体，反应温度在405℃左右；使用Mn2O3固态蓄热材料，携带氧气的保护气作为传热及反应气体，反应温度在430℃左右；更高温区则可使用Co3O4固态蓄热材料，携带氧气的保护气作为传热及反应气体，反应温度在900℃左右；使用CaCO3固态蓄热材料，携带CO2的保护气作为传热及反应气体，反应温度在850℃左右。

Claims (4)

1.一种传热增强型化学蓄热装置，其特征在于，包括：若干蓄热单元及与蓄热单元的气体入口端和出口分别相连的第一气体缓冲罐和第二气体缓冲罐；
所述的蓄热单元包括：布风板、不锈钢丝网、蓄热介质和支架，其中：蓄热介质由不锈钢丝网包裹固定，不锈钢丝网通过支架固定在蓄热单元内部，气体入口端和蓄热介质之间设置有布风板。
2.根据权利要求1所述的传热增强型化学蓄热装置，其特征是，所述的布风板固定于支架上并设置有均匀分布的布风孔。
3.根据权利要求1所述的传热增强型化学蓄热装置，其特征是，所述的蓄热介质为Mg(OH)2、Ca(OH)2、Mn2O3、Co3O4或CaCO3。
4.一种设置有上述任一权利要求所述蓄热装置的蓄热系统，其特征在于，包括：太阳能集热装置、传热增强型化学蓄热装置、蒸汽换热器、循环泵、水蒸气补充装置和水蒸气冷却装置，其中：太阳能集热装置、传热增强型化学蓄热装置、蒸汽换热器和循环泵依次串联连接构成回路，水蒸气补充装置和水蒸气冷却装置的输入端和输出端分别与循环泵、太阳能集热装置相连形成水蒸气补充支路和水蒸气冷却支路。
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