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Abstract

本发明公开了一种用于水合盐化学储能的反应器，包括绝热容器、用于包裹水合盐的柱体、换热管、翅片、水合盐和管道；绝热容器内设有柱体，柱体的中心处设有换热管；在换热管与柱体之间均匀的设有若干个翅片，翅片的一端与换热管的外壁相连接，翅片的另一端与柱体的内壁相连接；在换热管与柱体之间填充有水合盐；绝热容器的上端盖上设置有两个管道；本发明用于水合盐化学储能的反应器可以很好的使反应盐与蒸汽进行反应，不仅能够使反应更快、更彻底，显著提高反应过程中的传热传质效果，还能有效避免水合盐过度吸水液化而造成的不可逆损失，从而提高储能材料的循环使用次数，延长其寿命；另外还避免了液化的水合盐对反应器的腐蚀作用。

Description

一种用于水合盐化学储能的反应器
技术领域
本发明涉及热化学储能技术领域，特别是一种用于水合盐化学储能的反应器。
背景技术
能源是人类活动的物质基础，能源的不断开发与利用促进了人类文明的发展。随着能源危机问题的日愈严重，人类逐渐重视节能减排工作。为了更合理地利用能量，需对能量进行存储。相比于显热蓄热和潜热蓄热，化学蓄热储能密度更大，热损失微乎其微，可实现跨季节性的使用。较其他类型的化学蓄热方式，水合盐的分解反应，操作要求及成本相对更低，原理简单，运用到实际工程中安全性和可行性高，循环效果也较好。虽然总体来说，国内外关于热化学储能的研究尚且不多，技术也不够成熟，尤其水合盐的脱水及吸附储能方面，国内几乎没有相关研究，但从长远来看，利用水合盐的化学反应进行能量的存储与供给的方法将凭借其储能密度大、操作要求较低、绿色无污染等优势逐步投入使用。
水合盐化学储能原理是基于晶体盐对水蒸气的吸附与脱附过程伴随着热量的释放或吸收，因此可将此部分能量进行存储和利用。储能材料脱附与吸附的化学反应方程式为：
研究表明，MgSO4·7H2O、Al2(SO4)3·18H2O、MgCl2·6H2O、CaCl2·6H2O、LaCl3·7H2O以及SrBr2·6H2O等水合盐均具有较高的储能密度，是极具应用前景的储能材料。然而在水合盐的使用过程中也存在一些问题，例如在吸热脱附过程中，由于水合盐的导热系数很小，传热效果较差，导致反应过程缓慢，温度分布不均匀。在对水蒸气的吸附放热过程中，堆积的晶体盐使得水蒸气难以穿透盐床，导致靠近水蒸气入口的盐层过度吸水发生团聚甚至液化，不仅不利于反应的进行，降低了反应的循环次数，液化的水合盐还会对反应器产生腐蚀作用。而远离蒸汽进口的盐层则难以充分吸附水分，使反应的放热量大大降低。
由此可见，克服上述问题，提高吸附与脱附反应过程的传热传质效果，充分进行能量的存储和释放是十分必要的。经对现有技术的文献及专利检索发现，多数相关研究中是利用不同类型的分子筛为基体与水合盐进行复合，制备成复合材料以提高传热传质效果。例如在文献“ZONDAG H A,ESSEN V M V,BLEIJENDAAL L P J,et al.Application ofMgCl2·6H2O for thermochemical seasonal solar heat storage；proceedings of theInternational Renewable Energy Storage Conference,F,2010[C].”中，研究人员将MgCl2堆积在圆柱容器内进行水蒸气的吸附放热反应实验，发现一段时间过后，蒸汽入口处的水合盐过度吸水发生团聚现象，阻碍实验进一步进行。最终只能以沸石分子筛作为基体，将其与MgCl2制备成复合材料进行实验，这样虽改善了传热传质的效果，但储能密度却大大降低了。发明专利申请公开号为CN105571208A，名称为：“吸附床结构”的专利，提出一种用于制冷的吸附床结构，包括套设在一起的金属管和金属网管,二者同轴设置，其间填充吸附剂，用于吸附在金属网管中流动的制冷剂。该装置通过单元管实现外部介质和制冷剂之间的换热，吸附剂填充密度较大。但本质上仍是将吸附剂简单地堆积起来，依旧存在传热传质效果不佳、吸附不均匀等问题。专利申请号为CN200310111220.3，专利名称为“一种改进的固体吸附床”的专利，主要包括外壳,设置于外壳中的传热板,紧贴于传热板的吸附剂,与传热板相连的冷、热源通道,经过吸附剂并在外壳上具有进、出口的传质通道等。其中的吸附剂为含碳纳米管的吸附剂材料,采用这种吸附剂的固体吸附床传热传质性能显著提高，避免使用肋片从而简化了装置结构。但该吸附剂价格昂贵，应用到实际工程中可行性不高，因而无法大规模推广使用。专利申请号为CN103148602A，名称为“太阳能热发电站用固体颗粒堆积床式空气吸热器”的专利，在石英玻璃管束内填充耐高温的固体颗粒，并由太阳能加热管束内的颗粒床。环境中的冷空气经空气压缩机压缩后成为冷压缩空气，将其通入石英管束内与高温固体颗粒换热成为热压缩空气，最后再将热压缩空气送入透平机械做功。该发明中的石英玻璃管束内堆积的为耐高温的固体颗粒，该模型也是把颗粒堆积在一起，故不适用于水合盐作为储能材料进行能量存储。且该发明涉及一整套大型设备，结构复杂，成本极大，难以投入实际运行。专利申请号为CN105241087A，名称为“分体式单罐固体堆积床储热系统”的专利，提出将储热罐由上到下分为N个单元(N>3)，每个单元内填充不同的储热材料。采用分体式设计,增加了固体材料种类选择和堆积方式等选择的灵活性,可充分利用斜温层储热的特性。由于斜温层区域内部储热介质和流体的温度呈阶梯分布,使得储热材料与换热流体换热时的温度品质有较好的匹配，并能较好地避免应力问题，且装置采用了保温措施，能够降低热损失，增大了储能总量。然而该装置虽然采用分体式设计，但每个单元层中储能材料仍然是简单地堆积起来，传热传质问题依旧未得到很好的改善，且装置仅适用于显热储能，无法用于水合盐热化学储能,装置体积大而储能密度小。
发明内容
为改善水合盐热化学储能反应过程中的传热传质效果，避免水合盐过度吸水液化以及腐蚀反应容器等问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便的用于水合盐化学储能的反应器。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种用于水合盐化学储能的反应器，其特征在于，包括绝热容器、用于包裹水合盐的柱体、换热管、翅片、水合盐和管道；所述绝热容器内设置有柱体，柱体的中心处设置有换热管；所述换热管的顶端依次穿过柱体的顶端、绝热容器的上端盖，换热管的底端依次穿过柱体的底端、绝热容器的下端盖；在换热管与柱体之间均匀的设置有若干个翅片，翅片的一端与换热管的外壁相连接，翅片的另一端与柱体的内壁相连接；在换热管与柱体之间填充有水合盐，柱体采用泡沫金属板制成；所述绝热容器的上端盖上设置有两个管道。
优选地，所述绝热容器的横截面呈环形状，柱体位于绝热容器的中心处。
优选地，所述柱体呈圆柱状。
优选地，所述翅片呈矩形状，翅片位于柱体的径向上。
优选地，所述翅片的数量为8个。
优选地，所述绝热容器的上端盖和下端盖呈弧形状。
优选地，所述绝热容器的上端盖为可拆卸顶盖。
优选地，所述柱体的顶端为可拆卸顶盖。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明用于水合盐化学储能的反应器将水合盐隔离成多个反应单元，水蒸气可轻松地渗透进水合盐床层的各个部分，大大提高了反应转化率，进而可提升装置的储能密度。
(2)本发明用于水合盐化学储能的反应器将水合盐用翅片分隔为多个独立的单元，可使每个单元的水合盐均匀吸热或放热，避免了水合盐局部过度吸水液化或受热融化，另一部分却未能进行充分反应的现象；也进而提高储能材料的循环使用次数，延长其寿命，并且不会造成液化或融化的水合盐对反应床的腐蚀作用。
(3)本发明用于水合盐化学储能的反应器反应所需或产生的水蒸气可沿着轴向和径向同时流进或流出，加快了化学反应动力学过程，强化了传热传质效果。
(4)本发明用于水合盐化学储能的反应器由于该反应器特有的结构，单位面积或体积换热量大，在翅片的作用下，传热效果明显提升，大大提高了吸附和脱附反应速率，经数值计算发现，在同等规模情况下，其综合换热系数是一般常用换热器的2倍以上，大大提高了装置的性能。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明用于水合盐化学储能的反应器的结构示意图。
图2为本发明用于水合盐化学储能的反应器中绝热容器的结构示意图。
图3为本发明用于水合盐化学储能的反应器的爆炸图。
图4为本发明用于水合盐化学储能的反应器的俯视图。
具体实施方式
实施例1：
如图1至图4所示，一种用于水合盐化学储能的反应器，包括绝热容器1、用于包裹水合盐的柱体2、换热管3、翅片4、水合盐5和管道6；所述绝热容器1的横截面呈环形状，绝热容器1内中心处设置有柱体2；所述柱体2呈圆柱状，柱体2的中心处设置有换热管3，柱体2采用泡沫金属板制成，金属泡沫板具有许多细孔结构，既能防止水合盐5滑落又可使反应蒸汽有效传递，水蒸气可同时在径向和轴向与水合盐进行传热传质反应并且可以避免传统堆积床部分水合盐过度吸水液化，另一部分却无法充分吸附蒸汽等一系列问题；所述换热管3的顶端依次穿过柱体2的顶端、绝热容器1的上端盖7，换热管3的底端依次穿过柱体2的底端、绝热容器1的下端盖8；在换热管3与柱体2之间均匀的设置有6个或8个翅片4，翅片4的一端与换热管3的外壁相连接，翅片4的另一端与柱体2的内壁相连接；所述翅片4呈矩形状，翅片4位于柱体2的径向上；由于换热管3与柱体2被翅片4均分为六等份或八等份，每个单元内水合盐的堆积量较少，因此可与水蒸气充分进行吸附和脱附反应；另外由于换热翅片4的作用，水合盐5与换热管3之间热量传递将特别充分，大大提高了热量交换的效率；在换热管3与柱体2之间填充有水合盐5，即用翅片4将换热管3与柱体2之间分隔为多个独立的单元，每个单元内填充有水合盐5；所述绝热容器1的上端盖7上设置有两个管道6，用以传递反应产生或反应所需的水蒸气；所述绝热容器1的上端盖7和下端盖8呈弧形状；所述绝热容器1的上端盖7为可拆卸顶盖，所述柱体2的顶端为可拆卸顶盖，以便填充和取出水合盐5。
本发明用于水合盐化学储能的反应器的工作原理：
一、储能过程：经工业废热或太阳能加热的热流体从换热管3进口流入，加热换热管3周围的水合盐5，并且由于翅片4的作用，水合盐5可快速充分吸收热量，水合盐5受热发生脱附反应，产生的水蒸气沿着盐床周围(径向)和上下两端(轴向)穿过多孔的泡沫金属板2，最终沿着绝热容器1中上端盖7上的蒸汽管道6流出；反应过程持续进行直至水合盐5中的脱附反应结束，以此完成储能阶段，此阶段是热能向化学势能转化的过程。
二、释能过程：由外界蒸发提供的水蒸气从绝热容器1中上端盖7上的蒸汽管道6流进，蒸汽沿着轴向及径向迅速穿过泡沫金属板2与脱附后的颗粒盐5进行水合反应，并且由于翅片4的作用，反应热快速充分地传递给了换热管3，同时低温流体从换热管3的一端流进，吸收反应盐水合过程中放出的热量，被加热后的流体最后从另一端流出，将热量提供给用户。
综上所述，本发明用于水合盐化学储能的反应器可以很好的使反应盐与蒸汽进行反应，不仅能够使反应更快、更彻底，显著提高反应过程中的传热传质效果，还能有效避免水合盐过度吸水液化而造成的不可逆损失，从而提高储能材料的循环使用次数，延长其寿命；另外还避免了液化的水合盐对反应器的腐蚀作用。

Claims (8)

1.一种用于水合盐化学储能的反应器，其特征在于，包括绝热容器(1)、用于包裹水合盐的柱体(2)、换热管(3)、翅片(4)、水合盐(5)和管道(6)；所述绝热容器(1)内设置有柱体(2)，柱体(2)的中心处设置有换热管(3)；所述换热管(3)的顶端依次穿过柱体(2)的顶端、绝热容器(1)的上端盖(7)，换热管(3)的底端依次穿过柱体(2)的底端、绝热容器(1)的下端盖(8)；在换热管(3)与柱体(2)之间均匀的设置有若干个翅片(4)，翅片(4)的一端与换热管(3)的外壁相连接，翅片(4)的另一端与柱体(2)的内壁相连接；在换热管(3)与柱体(2)之间填充有水合盐(5)；柱体(2)采用泡沫金属板制成；所述绝热容器(1)的上端盖(7)上设置有两个管道(6)。
2.根据权利要求1所述的用于水合盐化学储能的反应器，其特征在于，所述绝热容器(1)的横截面呈环形状，柱体(2)位于绝热容器(1)的中心处。
3.根据权利要求1所述的用于水合盐化学储能的反应器，其特征在于，所述柱体(2)呈圆柱状。
4.根据权利要求1所述的用于水合盐化学储能的反应器，其特征在于，所述翅片(4)呈矩形状，翅片(4)位于柱体(2)的径向上。
5.根据权利要求1所述的用于水合盐化学储能的反应器，其特征在于，所述翅片(4)的数量为8个。
6.根据权利要求1所述的用于水合盐化学储能的反应器，其特征在于，所述绝热容器(1)的上端盖(7)和下端盖(8)呈弧形状。
7.根据权利要求1所述的用于水合盐化学储能的反应器，其特征在于，所述绝热容器(1)的上端盖(7)为可拆卸顶盖。
8.根据权利要求1所述的用于水合盐化学储能的反应器，其特征在于，所述柱体(2)的顶端为可拆卸顶盖。
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