CN109870059A - 一种具有金属泡沫通道的快速反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有金属泡沫通道的快速反应系统，涉及热化学储能反应设备领域，包括：反应单元和蒸汽收集单元，其中，反应单元为圆筒结构，包括侧壁、盘状结构、条状结构、第一端和第二端；盘状结构与条状结构构成金属泡沫通道；第一端为底面密封端，第二端为具有2个通孔的密封盖；反应单元与蒸汽收集单元通过蒸汽管路相连接。本发明的优势在于：本发明的反应系统优化了内部结构，使用了金属泡沫通道，可以从轴向和径向同时促进反应单元内部的传热，加快了反应速度；金属泡沫通道是多孔结构，能够为脱水反应产生的蒸汽提供快速排出通道，从而降低反应单元压力，推动反应平衡向着脱水反应方向移动，促进反应进行，加快反应速度。

Description

一种具有金属泡沫通道的快速反应系统
技术领域
本发明涉及热化学储能反应设备技术领域，尤其涉及一种具有金属泡沫通道的快速反应系统。
背景技术
热化学储能方法利用可逆的热化学反应，通过反应进行的不同方向实现储能和供能。热化学储能方式比传统的显式/潜式储热方式储能密度高，长期储能热损失低，便于远距离运输，可对太阳能、工业余热等加以利用，有较好的应用前景。
Ca(OH)2/CaO反应体系的反应式如下：
基于以上可逆反应，在一定温度和压力条件下，Ca(OH)2在反应单元内被加热分解，发生脱水反应并吸热储能，同时生成水蒸汽和CaO；反应生成的水蒸汽排出反应单元后，可通过冷凝收集，生成的CaO密封储存，即可实现能量的存储；当需要能量时，将适量的水加热至水蒸汽状态，通入CaO，即发生水合反应并放出热量。以上即为一个完整的储热及放热循环过程。通过此循环，可以不断地进行储热与放热，适应储能和供能的需要。
针对以上反应循环过程，目前研究中的反应单元均存在反应速度慢，储能周期长的问题。导致这一问题的原因是一方面是反应本身特性的限制，另一方面，反应物Ca(OH)2是导热性能较差的粉末状固体，进一步限制了反应过程中的热量传导，且反应物颗粒较小，粒径通常在微米级别，颗粒之间的孔隙较小，不利于反应产生的蒸汽流出，进而使得反应速度变慢。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种具有金属泡沫通道的快速反应系统，优化传统反应单元内部结构，促进了脱水储能反应过程中的换热和流动，从而使反应更快进行。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有金属泡沫通道的快速反应系统，优化传统反应单元内部结构，促进了脱水储能反应过程中的换热和流动，从而加快反应速度。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有金属泡沫通道的快速反应系统，包括：
反应单元和蒸汽收集单元，
其中，所述反应单元为圆筒结构，包括侧壁、盘状结构、条状结构、第一端和第二端；所述盘状结构与所述条状结构构成金属泡沫通道；所述第一端为底面密封端，所述第二端为具有2个通孔的密封盖；
所述反应单元与蒸汽收集单元通过蒸汽管路相连接。
本发明还提供了一种具有金属泡沫通道的快速反应系统在储能-供能反应体系中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明实施例的反应系统优化了传统反应单元内部结构，使用了金属泡沫通道，可以从轴向和径向同时促进反应单元内部的加热，加快了反应速度；
(2)本发明实施例选用的金属泡沫通道是多孔结构，能够为脱水反应产生的蒸汽提供快速排出通道，从而降低反应单元压力，推动反应平衡向着脱水反应方向移动，促进反应进行，加快反应速度；
(3)本发明实施例基于Ca(OH)2/CaO这一热化学反应体系设计储能反应单元并进行优化，其反应物廉价易得，安全无毒，易于存储，且储能密度较高，温度较低，长期储能热损失小，适于长距离输运。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的具有金属泡沫通道的快速反应系统示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的反应单元示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的金属泡沫通道示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图1至图3介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明揭示了一种具有金属泡沫通道的快速反应系统，包括：
反应单元和蒸汽收集单元，
其中，所述反应单元为圆筒结构，包括侧壁、盘状结构、条状结构、第一端和第二端；所述盘状结构与所述条状结构构成金属泡沫通道；所述第一端为底面密封端，所述第二端为具有2个通孔的密封盖；
所述反应单元与蒸汽收集单元通过蒸汽管路相连接。
一方面，本实施例的反应系统优化了传统反应单元内部结构，使用了金属泡沫通道，可以从轴向和径向同时促进反应单元内部的加热，加快了反应速度。
另一方面，金属泡沫通道是多孔结构，能够为脱水反应产生的蒸汽提供快速排出通道，从而降低反应单元压力，推动反应平衡向着脱水反应方向移动，促进反应进行。
在一个较佳的实施例中，所述第二端的一个通孔连接蒸汽管路，以便反应单元内储能-供能反应生成的水蒸汽通过蒸汽管路排至蒸汽收集单元。
在一个较佳的实施例中，所述第二端的另一个通孔连接压力表以监测反应单元内的压力，防止压力过大造成危险。
在一个较佳的实施例中，所述侧壁，第一端和第二端均采用不锈钢材质，所述侧壁和第一端的厚度设计均根据反应单元内所要进行的储能-供能反应所产生的压力来具体设计。
在一个较佳的实施例中，所述盘状结构和条状结构的尺寸根据反应单元的尺寸具体设计，其孔隙率和孔径根据反应单元内所要进行的储能-供能反应来具体设计。
在一个较佳的实施例中，所述盘状结构和条状结构的材质选取为高导热系数的金属，包括但不限于铜、铝、铁以及不锈钢。
在一个较佳的实施例中，所述盘状结构垂直反应单元轴向分布，所述条状结构沿着反应单元的轴向分布，以便为反应物提供充足的反应空间。
在一个较佳的实施例中，所述侧壁外设置有陶瓷加热片，为反应单元内的化学反应提供热源。
在一个较佳的实施例中，陶瓷加热片外部再包裹设置硅酸铝陶瓷纤维，对反应单元进行保温隔热，以减少热量的损失
如图1本发明的一个较佳实施例的具有金属泡沫通道的快速反应系统示意图所示，包括：反应单元1和蒸汽收集单元2，其中，反应单元1包括金属泡沫通道5，反应单元1与蒸汽收集单元2通过蒸汽管路3相连接。
在一种较佳的实施方式中，反应单元1外壁设置有陶瓷加热片6，以为反应单元1中的化学反应提供热源。陶瓷加热片6外接控温箱8，以控制对反应单元1中的化学反应的加热温度，使反应朝着需要的方向进行。
在一种较佳的实施方式中，陶瓷加热片6以及反应单元1外部布置有硅酸铝陶瓷纤维7作为保温层，对反应单元进行保温隔热，以减少热量损失，促进反应的进行。
在一种较佳的实施方式中，蒸汽管路3上设置有一针型截止阀4，以控制蒸汽进出，并起到密封作用。如本实施例中以Ca(OH)2/CaO反应体系为例，在前期加热阶段，关闭针型截止阀4防止空气进入反应单元，避免CO2与Ca(OH)2发生副反应，降低储能密度。当反应物被加热至平衡温度以上时，储能反应开始进行，则有水蒸气产生，此时打开针型截止阀4，将水蒸气通过蒸汽管路3排到蒸汽收集单元2经冷凝收集。
在一种较佳的实施方式中，蒸汽收集单元2下设置电子天平10，通过测量蒸汽收集单元2质量变化，判断反应进行的程度，随着反应的进行当蒸汽收集单元2质量不再变化，即可判断反应结束。
如图2本发明的一个较佳实施例的反应单元示意图所示，其中，反应单元1为圆筒结构，包括侧壁51、盘状结构52、条状结构53、第一端54和第二端55，其中，盘状结构52和条状结构53构成金属泡沫通道；第一端54为底面密封端，第二端55为具有2个通孔的密封盖，其中一个通孔用以连接针型截止阀和连接蒸汽管路3，另一个通孔用以连接压力表9以监测反应单元内的压力，防止压力过大造成危险。
在一种较佳的实施方式中，盘状结构52与条状结构53均由金属泡沫切割组合而成。
在一种较佳的实施方式中，金属泡沫通道5由高导热系数的金属制成，包括但不限于铜、铁、铝和不锈钢。
如图3本发明的一个较佳实施例的金属泡沫通道示意图所示，盘状结构52垂直反应单元1的轴向分布，每个盘状结构52中心开孔，其孔径与条状结构53的外径相同，条状结构53贯穿盘状结构52中心开孔以连接相邻盘状结构52。
在一种较佳的实施方式中，靠近第二端55的盘状结构52插接一段条状结构53，该条状结构53与填装的反应物表面平齐，靠近但不接触第二端55。
金属泡沫通道5与侧壁51以及第一端54形成的空腔内均可填充反应物，为化学反应的进行提供空间。
本发明还提供了一种具有金属泡沫通道的快速反应系统在储能-供能反应体系中的应用。
本发明的具有金属泡沫通道的快速反应系统不仅适用于如Ca(OH)2/CaO这一类固体反应物脱水，生成另一种固体产物和气态产物的反应体系，并能有效加快脱水反应速度；同样地，本发明实施例的反应体系还适用并能加快下列储能-供能反应体系的反应速度，如：金属氢氧化物如Mg(OH)2/MgO在一定温度、压力下发生反应生成金属氧化物和水蒸气的反应体系；金属过氧化物如BaO2/BaO、Co3O4/CoO、Mn2O3/MnO在一定温度、压力下发生反应生成金属氧化物和氧气的反应体系；碳酸盐如CaCO3/CaO、BaCO3/BaO在一定温度、压力下反应生成金属氧化物和CO2的反应体系；金属氢化物如MgH2/Mg在一定温度和压力下反应生成金属和氢气的反应体系；水和盐如MgSO4·7H2O、Na2S·5H2O在一定温度和压力下反应生成盐和水蒸气的反应体系。
本发明的实施例以Ca(OH)2/CaO反应体系为例，在具有铜金属泡沫通道和未加金属泡沫通道情况下，测算反应体系完成脱水储能反应的时间发现，未加铜金属泡沫通道情况下完成脱水储能反应用时13000s；具有金属泡沫通道后：完成脱水储能反应用时6000s，即具有金属泡沫通道情况下完成脱水储能反应用时比未具有金属泡沫通道减少了约53.85％，极大地提高了反应速度。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有金属泡沫通道的快速反应系统，所述系统包括：
反应单元和蒸汽收集单元，
其中，所述反应单元为圆筒结构，包括侧壁、盘状结构、条状结构、第一端和第二端；所述盘状结构与所述条状结构构成金属泡沫通道；所述第一端为底面密封端，所述第二端为具有2个通孔的密封盖；
所述反应单元与蒸汽收集单元通过蒸汽管路相连接。
2.如权利要求1所述的系统，其中，优选的，所述第二端的一个通孔连接蒸汽管路，另一个通孔连接压力表。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述盘状结构垂直反应单元轴向分布，每个盘状结构中心开孔，其孔径与所述条状结构的外径相同。
4.如权利要求1或3所述的系统，其中，所述条状结构贯穿所述盘状结构中心开孔以连接相邻盘状结构。
5.如权利要求1所述的系统，其中，靠近第二端的盘状结构插接一段条状结构，所述条状结构靠近第二端。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述盘状结构和所述条状结构由金属泡沫切割组合而成。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述金属泡沫由高导热系数的金属制成。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述反应单元外壁设置有陶瓷加热片，以为反应单元中的化学反应提供热源。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述陶瓷加热片连接控温箱，以控制加热温度，所述陶瓷加热片外部布置有硅酸铝陶瓷纤维进行保温隔热，以减少热量损失。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的具有金属泡沫通道的快速反应系统在热化学储能-供能反应体系中的应用。
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