CN106950246B - 一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置及方法。装置包括反应器、数据采集器、蒸汽发生器、冷水槽、冷凝瓶、气体缓冲罐及真空泵。蒸汽发生器的蒸汽出口与反应水蒸汽入口相连，反应腔上部安装有第二压力表，反应床下安装的质量传感器用于实时监测反应过程中反应床的质量变化，并用数据采集器进行数据的采集。反应水蒸汽出口和蒸汽发生器的分别与冷凝瓶相连；冷凝瓶浸没于冷水槽中的冷水中，冷凝瓶与真空泵间连接气体缓冲罐和气体干燥塔，通过真空泵B对冷凝瓶抽真空，实现蒸汽发生器和反应腔内水蒸汽的输出及冷凝。本发明可有效地通过控制反应压力、反应温度对比来研究储能材料的反应条件及反应动力学特性，操作简单，易于控制。

Description

一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置及方法
技术领域
本发明属于热化学储能介质性能测试技术领域，特别涉及一种用于测试固态的热化学储能介质，并且可改变反应推动力(水蒸汽压力)的热化学储能反应实验装置及方法。
背景技术
热化学储能是通过可逆的热化学反应、储能介质在材料和结构上的转变来实现热量的储存和释放。对于热化学储能，其储能密度高、易于长期无热损储存、适合长距离运输，并且能够有效地解决太阳热能的转换、储存、传输与高温热再生。热化学储能技术可以从根本上弥补太阳能低密度、间歇性和不稳定性等缺陷，实现太阳热能一天24h连续供给，特别适用于发电厂峰谷负荷的调节，并于尖峰发电时释放热量，推动汽轮机发电。
利用Ca(OH)2/CaO+H2O体系的脱水-水合反应储存高温热能的研究非常引人注目。Ca(OH)2/CaO+H2O热化学储能体系既可通过Ca(OH)2的分解吸热反应以化学能形式来储存工业废热、太阳能热和地热等，也可通过CaO的水合放热反应来释放不同温度水平的热量。LUZ公司采用Ca(OH)2/CaO+H2O体系，设计了一种净热容量为925MW·h的储能系统，能够使80MW的太阳能热电站在白天8小时完成蓄热、正午前后4小时满负荷发电。日本学者Kanamori M.[1]对用于谷峰电力热储存过程的Ca(OH)2/CaO+H2O体系进行研究，结果表明，热再生量是等体积下水的潜热的4倍。英国Nottingham Trent大学建筑与环境系的DarkwaK.[2-5]研究小组对采用Ca(OH)2/CaO+H2O体系对汽车冷起动时发动机的预热进行了研究，从理论和实验方面证明了Ca(OH)2/CaO+H2O体系用于汽车冷起动时发动机预热的可行性。
目前，对固态储能介质(如Ca(OH)2/CaO+H2O体系或Mg(OH)2/MgO+H2O体系)的研究主要涉及储能系统的概念设计、储能反应器结构设计、热能储/释速率、输热功率和系统的热效率的实验和模拟方面。对于Ca(OH)2/CaO+H2O体系的进一步研究，要通过对可逆反应过程中伴随反应物物质流所发生的能量转换-储存-热再生效应的大量实验和数值模拟，阐明非平衡态下储能系统的动态特性、Ca(OH)2/CaO+H2O体系循环的衰减性、储能体系与载热介质的高效换热等特征，揭示影响储能循环衰减性的因素及程度、储能体系与载热介质的换热关系、能量储/释循环及能量转换过程规律等。要实现上述过程，必须通过实验获得该固态储能介质的反应动力学特性、反应循环性能等基础数据，建立非平衡态下吸热反应和放热反应特性模型等，为高温高密度储能技术的发展与应用提供新的理论依据。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景中的不足之处，设计了一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置及方法，将高温热能通过热化学反应转化成化学能进行储存，在需要供热的时候及时释放热量，以此来对储能介质进行操作条件、动力学特性等的实验分析。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置，其包括：蒸汽供应单元、反应单元和蒸汽冷凝单元；其中，蒸汽供应单元主要包括：蒸汽发生器、电加热丝、温度计和第一压力表，通过电加热丝提供热量，产生反应所需的水蒸汽，用温度计和第一压力表分别测量所产生的饱和水蒸汽的温度和压力；反应单元主要包括：反应器、反应床、数据采集器、质量传感器、反应腔、反应水蒸汽出口、反应水蒸汽入口、热电偶测温点、高温电加热丝和第二压力表，作为热化学储能实验的反应主体，并用第二压力表监测反应过程的水蒸汽压力，用数据采集器采集反应过程中反应物质量变化数据和各测温点的温度数据；蒸汽冷凝单元主要包括：冷水槽、冷凝瓶、气体干燥塔、气体缓冲罐和真空泵，用于及时冷凝排出的水蒸汽；蒸汽发生器与反应器蒸汽入口连接，数据采集器同时与反应腔内的质量传感器和热电偶测温点处的热电偶连接，用于采集在反应过程中通过质量传感器和热电偶测温点所获得的质量数据和温度变化数据；反应水蒸汽出口连接到冷凝瓶；蒸汽发生器连接到冷凝瓶；冷凝瓶浸没于冷水槽内的冷水中；冷凝瓶顶端出口连接气体缓冲罐，再通过第五截止阀连接到气体干燥塔底部入口，气体干燥塔顶端出口与真空泵相连。
进一步地，蒸汽发生器通过第一截止阀与反应器蒸汽入口连接，为释能过程提供反应所需的不同压力及温度下的水蒸汽，并由第一截止阀进行水蒸汽压力的控制，实现蒸汽供应单元与反应单元的连接；反应水蒸汽出口通过第三截止阀连接到冷凝瓶，实现反应单元蒸汽与蒸汽冷凝单元的连接；蒸汽发生器通过第二截止阀连接到冷凝瓶，实现蒸汽供应单元与蒸汽冷凝单元的连接。
进一步地，气体缓冲罐上方设有第三压力表，用于监测缓冲罐内的真空度。
进一步地，所述的蒸汽发生器通过调节电加热丝的热输出功率获得不同温度和压力下的饱和水蒸汽；当蒸汽发生器内蒸汽压力过大时，通过调节第二截止阀释放部分水蒸汽至冷凝瓶进行冷凝，以降低蒸汽发生器内的水蒸汽压力；打开截止阀，将产生的合适温度和压力下的水蒸汽通过反应水蒸汽入口输送到反应腔内部，并通过调节第一截止阀的开度来控制反应腔内的水蒸汽压力。
进一步地，所述的反应腔是由耐高温且耐压的金属材料制成，能承受0.2～0.8MPa的水蒸汽压力；反应腔由上、下两部分构成，用法兰和螺栓进行密封连接；反应水蒸汽入口和第二压力表位于反应腔的顶端，通过第二压力表监测反应腔内的水蒸汽压力；反应水蒸汽出口位于反应腔侧面上端，外部输出管线通过第三截止阀V3与冷凝瓶相连。
进一步地，所述的反应床采用直径为60～80mm、高度为60～100mm、壁厚为1～2mm的圆柱形不锈钢管制成，反应床内部填充有氢氧化钙或其他用于测试的固体化学储能材料；反应床外壁缠绕有高温电加热丝，用于加热反应床内的反应物，并可通过调节其功率进行加热温度的控制；反应床内部设置有多个热电偶测温点，分别分布于反应床的中轴线和中部径向线上，用于监测反应过程中反应床内部温度场的变化。
进一步地，所述的反应腔内部最底端固定有支撑架，支撑架上面放置有所述质量传感器，质量传感器上面放有陶瓷绝热垫，并将反应床置于陶瓷绝热垫上；陶瓷绝热垫用于阻隔反应床向质量传感器的热量传递，防止质量传感器表面温度过高而被灼毁；质量传感器用于监测反应过程中反应床质量的变化，从而能推算反应速率及反应分数的变化。
进一步地，所述的冷凝瓶浸没于冷水槽内的冷水中，用于将输入的水蒸汽冷凝为液态水；冷凝瓶的一端与蒸汽发生器的第二截止阀和反应水蒸汽出口相连，另一端与气体缓冲罐相连；冷凝瓶的两个接入管口均位于顶部，以有效防止冷凝水回流。
进一步地，所述的真空泵与气体缓冲罐之间通过气体干燥塔相连，使真空泵吸入的气体彻底干燥，防止水蒸汽的摄入影响真空泵的使用寿命。
利用所述的一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置的方法，包括：脱水储能过程是，通过高温电加热丝对反应床进行加热，使反应床内的金属氢氧化物吸热分解为金属氧化物和水蒸汽，水蒸汽由反应水蒸汽出口排出至冷凝瓶进行冷凝，实现水和金属氧化物的分离储存；水合释能过程是，蒸汽发生器提供反应所需的水蒸汽，从反应水蒸汽入口通入反应腔，水蒸汽与反应床内部的金属氧化物充分接触发生水合放热反应，实现化学能向热能的转换及释放；质量传感器和热电偶测温点分别用于反应过程中反应物质量和温度变化数据的测量，并用数据采集器进行数据的采集。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和技术效果：
1、反应在封闭空间内进行，可在同一装置内实现脱水-水合过程的循环操作；可以在纯水蒸汽压力下进行实验操作，减少副反应的发生。
2、脱水温度和反应蒸汽压力均可调节，可以通过改变压力、温度等不同的条件参数对储能材料的循环特性、动力学特性进行分析研究。，、
3、采用质量传感器和热电偶等数字监测仪，并用数据采集器进行数据的采集及处理，提高数据的精确度及可信度。
附图说明
图1是本发明热化学储能实验装置的系统配置图。
图2是本发明储能反应器构造图示及轴向各测温点位置。
图3是本发明反应床内部热电偶测温点径向分布图。
图4是本发明储能材料测试实验流程图。
附图中：1-反应器；2-反应床；3-数据采集器；4-电加热丝；5-蒸汽发生器；6-温度计；7-冷水槽；8-冷凝瓶；9-气体干燥塔；10-质量传感器；11-反应腔；12-反应水蒸汽出口；13-反应水蒸汽入口；14-气体缓冲罐；15-热电偶测温点；16-高温电加热丝；17-陶瓷绝热垫；18-支撑架；压力表(P1～P3)；-截止阀(V1～V5)；B-真空泵。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的结构和具体工作过程作详细描述，但本发明的实施和保护不限于此。
如图1，一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置，包括：反应器1、反应床2、数据采集器3、电加热丝4、蒸汽发生器5、温度计6、冷水槽7、冷凝瓶8、气体干燥塔9、质量传感器10、反应腔11、反应水蒸汽出口12、反应水蒸汽入口13、气体缓冲罐14、真空泵B。蒸汽发生器5通过第一截止阀V1与反应器1蒸汽入口13连接，为释能过程提供反应所需的不同压力及温度下的水蒸汽，并由第一截止阀V1进行水蒸汽压力的控制。数据采集器3与反应腔11内的质量传感器10和热电偶测温点15处的热电偶连接，用于实验数据的采集；反应水蒸汽出口12通过第三截止阀V3连接到冷凝瓶8，蒸汽发生器5通过第二截止阀V2连接到冷凝瓶8，冷凝瓶8浸没于冷水槽7内的冷水中；冷凝瓶8顶端出口连接气体缓冲罐14，再通过第五截止阀V5连接到气体干燥塔9底部入口，气体干燥塔9顶端出口与真空泵B相连；气体缓冲罐14上方的压力表P3用于监测缓冲罐4内的真空度。
如图2所示，反应器1的反应腔11是由耐高温且耐高压的金属材料制成，用于承受较高的反应水蒸汽压力；反应腔11分上下两部分，用法兰和螺栓进行密封衔接；水蒸汽入口13和第二压力表P2位于反应腔11的顶端，通过第二压力表P2监测反应腔11内的水蒸汽压力；反应水蒸汽出口12位于侧面上端，外部通过第三截止阀V3与冷凝瓶8相连。反应床2采用直径为60mm、高度为70mm、壁厚为1mm的圆柱形不锈钢管制成，反应床2内部填充有氢氧化钙等储能材料；反应床2外壁周围缠绕有高温电加热丝16，用于加热反应床2内的反应物，并可通过调节其功率进行加热温度的控制。
如图2～3示，反应床2内部设有a1～a4、b1～b4、c1～c5共13个热电偶测温点15，用于监测反应过程中反应床2内部温度场的变化。反应腔11内部最底端固定有支撑架18，支撑架18上面放置有质量传感器10，质量传感器10上面放有陶瓷绝热垫17，并将反应床2置于陶瓷绝热垫17上；陶瓷绝热垫17用于阻隔反应床2向质量传感器10热量的传递，防止质量传感器10表面灼毁；质量传感器10用于监测反应过程中反应床2质量的变化，并由此推算反应速率及反应分数的变化。
方案实施所需部分实验仪器设备及参数见表1。
表1
序号 名称 规格 单位 数量
1 真空泵 2XZ-1(220V) 台 1
2 压力表 YZ-60，-0.1～1.0MPa 只 2
3 真空表 YZ-60，-0.1～0MPa 只 1
4 温度计 精度：0.1℃ 支 1
5 K型热电偶 0～800℃ 个 13
6 数据采集与转换装置 台 1
7 手提式PC机 SAMSUNG R70 台 1
8 冷水槽 700mm×600mm×500mm 个 1
9 气体干燥塔 500mL 个 1
如图4是测试固态储能介质的热化学储能反应的实验流程图，具体实验操作方法如下所述。
热化学脱水储能过程及方法：关闭截止阀(V1、V2)，打开截止阀(V3、V4、V5)和真空泵B，抽除装置中的空气；然后，关闭截止阀(V3、V4)，在气体缓冲罐(14)内达到一定真空度后，关闭第五截止阀V5和真空泵B；打开质量传感器10、测温点15处的所有热电偶和数据采集器3，开始进行数据的采集；打开高温电加热丝16加热开关，对反应床2进行加热，当测温点处的温度到达指定脱水温度值后，通过调节高温电加热丝16的加热功率保持测温点a1～a4处的温度基本恒定；打开第四截止阀V4，使冷凝瓶8产生一定的真空度，打开第三截止阀V3，排出反应器1内脱水反应产生的水蒸汽并在冷凝瓶8内进行冷凝，实现热能向化学能的转换及脱水产物氧化物与水的分离；当质量传感器10的读数不再发生变化时，视为反应结束，切断电源并关闭所有截止阀。
热化学水合释能过程及方法：关闭第一截止阀V1，打开截止阀(V2、V3、V4、V5)和真空泵B，抽除所有装置中的空气；然后，关闭截止阀(V2、V3、V4)，在气体缓冲罐14内达到一定真空度后，关闭第五截止阀V5和真空泵B。接通电加热丝4的电源开关，对蒸汽发生装置中的水进行加热，待温度计6和第一压力表P1达到指定数值时，通过调节电加热丝4的输出功率使蒸汽发生器5产生的水蒸汽温度和压力保持恒定；当蒸汽发生器5内部蒸汽压力过大时，亦可通过调节第二截止阀V2排出适量水蒸汽，使蒸汽发生器5内压力恒定。打开质量传感器10、测温点15处的所有热电偶和数据采集器3，开始进行数据的采集；打开高温电加热丝16的电源开关，对反应床2进行加热，当各测温点处的温度到达相同的水合反应初始温度值后，停止加热；调节第一截止阀V1，将水蒸汽通入到反应器1，使反应腔11内的水蒸汽压力达到恒定水合压力，开始水合放热反应，实现化学能向热能的转换；若反应腔11内水蒸汽压力偏小，可通过增加第一截止阀V1的开度进行蒸汽的补充；若反应腔11内水蒸汽压力偏大，可通过减小第一截止阀V1的开度以减少蒸汽的输入或增加第三截止阀V3的开度以排出适量的蒸汽来进行反应腔11内水蒸汽压力的调节。打开第四截止阀V4，使冷凝瓶8产生一定的真空度，反应器1或蒸汽发生器排出的水蒸汽在冷凝瓶8内进行冷凝。当质量传感器10的读数和各测温点热电偶的读数均不再发生变化时，视为反应结束，切断电源并关闭所有截止阀。
如上所述,便可较好地实现本发明,上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，均为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置，其特征在于，包括：蒸汽供应单元、反应单元和蒸汽冷凝单元；其中，蒸汽供应单元主要包括：蒸汽发生器(5)、电加热丝(4)、温度计(6)和第一压力表(P1)，通过电加热丝(4)提供热量，产生反应所需的水蒸汽，用温度计(6)和第一压力表(P1)分别测量所产生的饱和水蒸汽的温度和压力；反应单元主要包括：反应器(1)、反应床(2)、数据采集器(3)、质量传感器(10)、反应腔(11)、反应水蒸汽出口(12)、反应水蒸汽入口(13)、热电偶测温点(15)、高温电加热丝(16)和第二压力表(P2)，作为热化学储能实验的反应主体，并用第二压力表(P2)监测反应过程的水蒸汽压力，用数据采集器(3)采集反应过程中反应物质量变化数据和各测温点的温度数据；蒸汽冷凝单元主要包括：冷水槽(7)、冷凝瓶(8)、气体干燥塔(9)、气体缓冲罐(14)和真空泵(B)，用于及时冷凝排出的水蒸汽；蒸汽发生器(5)与反应器(1)蒸汽入口(13)连接，数据采集器(3)同时与反应腔(11)内的质量传感器(10)和热电偶测温点(15)处的热电偶连接，用于采集在反应过程中通过质量传感器(10)和热电偶测温点(15)所获得的质量数据和温度变化数据；反应水蒸汽出口(12)连接到冷凝瓶(8)；蒸汽发生器(5)连接到冷凝瓶(8)；冷凝瓶(8)浸没于冷水槽(7)内的冷水中；冷凝瓶(8)顶端出口连接气体缓冲罐(14)，再通过第五截止阀(V5)连接到气体干燥塔(9)底部入口，气体干燥塔(9)顶端出口与真空泵(B)相连；蒸汽发生器(5)通过第一截止阀与反应器(1)蒸汽入口(13)连接，为释能过程提供反应所需的不同压力及温度下的水蒸汽，并由第一截止阀进行水蒸汽压力的控制，实现蒸汽供应单元与反应单元的连接；反应水蒸汽出口(12)通过第三截止阀连接到冷凝瓶(8)，实现反应单元蒸汽与蒸汽冷凝单元的连接；蒸汽发生器(5)通过第二截止阀连接到冷凝瓶(8)，实现蒸汽供应单元与蒸汽冷凝单元的连接；气体缓冲罐(14)上方设有第三压力表(P3)，用于监测气体缓冲罐(14)内的真空度。
2.根据权利要求1所述的一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置，其特征在于，所述的蒸汽发生器(5)通过调节电加热丝(4)的热输出功率获得不同温度和压力下的饱和水蒸汽；当蒸汽发生器(5)内蒸汽压力过大时，通过调节第二截止阀释放部分水蒸汽至冷凝瓶(8)进行冷凝，以降低蒸汽发生器(5)内的水蒸汽压力；打开截止阀，将产生的合适温度和压力下的水蒸汽通过反应水蒸汽入口(13)输送到反应腔(11)内部，并通过调节第一截止阀的开度来控制反应腔(11)内的水蒸汽压力。
3.根据权利要求1所述的一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置，其特征在于，所述的反应腔(11)是由耐高温且耐压的金属材料制成，能承受0.2～0.8MPa的水蒸汽压力；反应腔(11)由上、下两部分构成，用法兰和螺栓进行密封连接；反应水蒸汽入口(13)和第二压力表位于反应腔(11)的顶端，通过第二压力表监测反应腔(11)内的水蒸汽压力；反应水蒸汽出口(12)位于反应腔(11)侧面上端，外部输出管线通过第三截止阀与冷凝瓶(8)相连。
4.根据权利要求1所述的一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置，其特征在于，所述的反应床(2)采用直径为60～80mm、高度为60～100mm、壁厚为1～2mm的圆柱形不锈钢管制成，反应床(2)内部填充有氢氧化钙或其他用于测试的固体化学储能材料；反应床(2)外壁缠绕有高温电加热丝(16)，用于加热反应床(2)内的反应物，并可通过调节其功率进行加热温度的控制；反应床(2)内部设置有多个热电偶测温点(15)，分别分布于反应床(2)的中轴线和中部径向线上，用于监测反应过程中反应床(2)内部温度场的变化。
5.根据权利要求1所述的一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置，其特征在于，所述的反应腔(11)内部最底端固定有支撑架(18)，支撑架(18)上面放置有所述质量传感器(10)，质量传感器(10)上面放有陶瓷绝热垫(17)，并将反应床(2)置于陶瓷绝热垫(17)上；陶瓷绝热垫(17)用于阻隔反应床(2)向质量传感器(10)的热量传递，防止质量传感器(10)表面温度过高而被灼毁；质量传感器(10)用于监测反应过程中反应床(2)质量的变化，从而能推算反应速率及反应分数的变化。
6.根据权利要求1所述的一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置，其特征在于，所述的冷凝瓶(8)浸没于冷水槽(7)内的冷水中，用于将输入的水蒸汽冷凝为液态水；冷凝瓶(8)的一端与蒸汽发生器(5)的第二截止阀和反应水蒸汽出口(12)相连，另一端与气体缓冲罐(14)相连；冷凝瓶(8)的两个接入管口均位于顶部，以有效防止冷凝水回流。
7.根据权利要求1所述的一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置，其特征在于，所述的真空泵与气体缓冲罐(14)之间通过气体干燥塔(9)相连，使真空泵吸入的气体彻底干燥，防止水蒸汽的摄入影响真空泵的使用寿命。
8.利用权利要求1所述的一种固态储能介质的热化学储能反应实验装置的方法，其特征在于，脱水储能过程是，通过高温电加热丝(16)对反应床(2)进行加热，使反应床(2)内的金属氢氧化物吸热分解为金属氧化物和水蒸汽，水蒸汽由反应水蒸汽出口(12)排出至冷凝瓶(8)进行冷凝，实现水和金属氧化物的分离储存；水合释能过程是，蒸汽发生器(5)提供反应所需的水蒸汽，从反应水蒸汽入口(13)通入反应腔(11)，水蒸汽与反应床(2)内部的金属氧化物充分接触发生水合放热反应，实现化学能向热能的转换及释放；质量传感器(10)和热电偶测温点(15)分别用于反应过程中反应物质量和温度变化数据的测量，并用数据采集器(3)进行数据的采集。
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