CN110975783A - 一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置 - Google Patents

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Abstract

一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，包括圆柱反应器，其顶部设置有出气口，圆柱反应器侧壁设有光学窗口，光学窗口与二次反射镜相连；旋转轴从圆柱反应器中心贯穿，圆柱反应器内设有旋转催化反应装置，旋转催化反应装置下方设有气流导板，气流导板下方设有锥形圆台多空介质，锥形圆台多空介质下方且圆柱反应器底部设有进气口；太阳能资源充足时，由进气口通入水蒸气和甲烷气体，反应气体流经锥形圆台多空介质充分混合，混合气体在旋转催化反应装置的反应翅片和右旋螺旋面表面与催化剂进行反应，同时旋转轴带动反应翅片和右旋螺旋面表面逆时针转动，反应产物由出气管排出；本发明具有结构合理、高效节能及实用性强的优点，有很高的可推广性。

Description

一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能热化学反应器，尤其涉及一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置。
背景技术
太阳能是清洁能源和可再生能源，大规模开发利用太阳能可以降低化石燃料消耗、降低温室气体和燃烧污染物排放。目前太阳能发电的形式可以分为太阳能热发电和太阳能光伏发电，太阳能利用过程中容易受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。太阳能热化学储能技术为太阳能的存储提供了有效途径，将聚焦的太阳能通过化学反应的方式储存在反应产物的化学键中去，有利于解决太阳能在时间和空间的不连续性问题。
反应器是太阳能热化学储能技术的核心装置，目前反应器可以分为直接辐射型和非直接辐射型两种。非直接辐射型将聚焦的太阳能被管道壁面吸收，然后将热量传递给管内反应物，或者利用多孔介质材料吸收太阳能，然后反应混合气体流经多孔介质材料内部，实现太阳能的储能。非直接辐射通过需要管道或多空介质材料吸收大量的太阳能，然后通入反应器气体实现化学反应过程，中间的传热环节降低了反应的温度和效率。直接式辐射型通过直接吸收太阳能来实现化学反应，催化剂和反应气体一起运动，吸热能力偏低、反应器性能偏低。无论是直接辐射型还是非直接辐射型太阳能热化学反应器阳光热流密度在反应器内部呈现高度的非均匀分布，严重影响化学反应效率以及储能效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，能够提高反应器内阳光热流密度均匀性和反应的热效率和可靠性，同时保障反应器内连续、稳定储存太阳能，催化反应效率及热转换效率显著提高，具有结构合理、高效节能及实用性强的优点，有很高的可推广性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，包括圆柱反应器9，所述圆柱反应器9顶部设置有出气口8，圆柱反应器9侧壁设置有光学窗口4，光学窗口4与二次反射镜5相连接；旋转轴3从所述圆柱反应器9中心贯穿，圆柱反应器9内，旋转轴3外周中段设置有旋转催化反应装置2；旋转催化反应装置2下方，圆柱反应器9内侧壁设置有圆环状气流导板7，气流导板7下方设置有锥形圆台多空介质6，锥形圆台多空介质6下方，圆柱反应器9底部设置有进气口1。
所述旋转催化反应装置2表面设置有温度传感器及右旋螺旋面2-1，反应翅片2-2均匀分布在右旋螺旋面2-1上。
所述反应翅片2-2以螺旋角度30°-45°，螺距8cm-15cm，反应翅片间隔4cm-8cm均匀分布在右旋螺旋面2-1上。
所述右旋螺旋面2-1和反应翅片2-2表面附着催化剂。
所述催化剂包括但不限于氧化锰和镍金属。
所述旋转催化反应装置2在预设程序的外部控制系统控制下，由外部减速电机带动旋转轴3旋转，进而带动旋转催化反应装置2在圆柱反应器9内缓慢旋转。
所述旋转催化反应装置2的旋转速度根据温度传感器检测温度传至外部控制系统数据转换后，控制旋转催化反应装置2在转速10r/min-30r/min的范围内进行调节，当温度高于900℃时加速转动，当温度低于800℃时降低转速。
所述光学窗口4由石英玻璃密封。
所述二次反射镜5为旋转抛物面。
所述圆柱反应器9的外表面设置有保温绝热层。
本发明的有益效果是：
1.反应气体流经锥形圆台多空介质6充分混合，流经过程中气体速度降低，有利于提高催化反应的效率。
2.沿着反应翅片2-2和右旋螺旋面2-1流动，反应翅片2-2对反应气体具有导流作用，反应气体混合强度增加，增加了反应气体与催化剂接触时间和反应时间，有利于提高圆柱反应器9的整体热转换效率。
3.旋转催化反应装置2工作时缓慢旋转，提高了右旋螺旋面2-1和反应翅片2-2对太阳辐射能量的均匀吸收，提高了圆柱反应器9的空间热利用率。
4.二次反射镜5和光学窗口4降低了圆柱反应器9的辐射、对流和反射热损失，提高了圆柱反应器9的吸热效率。
综上所述，本发明可以提高反应的热效率和可靠性，具有结构合理、高效节能及实用性强的优点，有很高的可推广性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明旋转催化反应装置示意图。
1、进气口；2、旋转催化反应装置；2-1、右旋螺旋面；2-2、反应翅片；3、旋转轴；4、、光学窗口；5、二次反射镜；6、锥形圆台多空介质；7、导流挡板；8、出气管；9、圆柱反应器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的结构原理和工作原理进行清楚、完整的描述。
参见图1，一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，包括圆柱反应器9，圆柱反应器9顶部设置有出气口8，圆柱反应器9侧壁设置有光学窗口4，光学窗口4与二次反射镜5相连接；旋转轴3从所述圆柱反应器9中心贯穿，圆柱反应器9内，旋转轴3外周中段设置有旋转催化反应装置2；旋转催化反应装置2下方，圆柱反应器9内侧壁设置有圆环状气流导板7，气流导板7下方设置有锥形圆台多空介质6，保证反应气体在圆柱反应器9腔内均匀混合，锥形圆台多空介质6下方，圆柱反应器9底部设置有进气口1。
参见图2，所述旋转催化反应装置2表面设置有温度传感器及右旋螺旋面2-1，反应翅片2-2均匀分布在右旋螺旋面2-1上。
所述反应翅片2-2以螺旋角度30°-45°，螺距8cm-15cm，反应翅片间隔4cm-8cm均匀分布在右旋螺旋面2-1上。
所述右旋螺旋面2-1和反应翅片2-2表面附着催化剂。
所述催化剂包括但不限于氧化锰和镍金属。
所述光学窗口4由石英玻璃密封。
所述旋转催化反应装置2在预设程序的外部控制系统控制下，由外部减速电机带动旋转轴3旋转，进而带动旋转催化反应装置2在圆柱反应器9内缓慢旋转。
所述旋转催化反应装置2的旋转速度根据温度传感器检测温度传至外部控制系统数据转换后，控制旋转催化反应装置2在转速10r/min-30r/min的范围内进行调节，当温度高于900℃时加速转动，当温度低于800℃时降低转速。
所述二次反射镜5为旋转抛物面，用于反射从圆柱反应器9逃逸的太阳能，提高圆柱反应器9的吸热效率。
所述圆柱反应器9外表面设置有保温绝热层，通过管道和工质泵与外部储热腔体闭合连接，以提高储热容量。
所述出气口8和进气口1均设置有阀门，控制圆柱反应器9内气体进出。
本发明的工作原理为：
参见图1、图2，白天太阳能资源充足时段，旋转导流结构太阳能热化学反应器装置处于工作模式，由进气口1通入水蒸气、甲烷气体或其他反应气体，反应气体流经锥形圆台多空介质6充分混合，混合气体在旋转催化反应装置2的反应翅片2-2和右旋螺旋面2-1表面与催化剂进行反应，同时旋转轴3带动反应翅片2-2和右旋螺旋面2-1表面逆时针转动，反应产物由出气管8排出。
反应气体经过锥形圆台多空介质6充分混合后，由导流挡板7流向旋转催化反应装置2，经过旋转的反应翅片2-2作用形成螺旋气流，反应气体与反应翅片2-2和右旋螺旋面2-1表面的催化剂进行表面反应。
为了保证旋转催化反应装置2的反应翅片2-2和右旋螺旋面2-1表面阳光热流密度均匀分布，旋转催化反应装置2随着旋转轴3缓慢匀速转动。
另外，螺旋反应气流在上升的过程中，反应气体逐渐发散，相互间交叉混合，混合强度逐渐增加，增加了反应气体在圆柱反应器2内的停驻时间，有利于提高系统的整体热转换效率。
显然，以上具体实施方式中实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述具体实施方式对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，包括圆柱反应器(9)，其特征在于：所述圆柱反应器(9)顶部设置有出气口(8)，圆柱反应器(9)侧壁设置有光学窗口(4)，光学窗口(4)与二次反射镜(5)相连接；旋转轴(3)从所述圆柱反应器(9)中心贯穿，圆柱反应器(9)内，旋转轴(3)外周中段设置有旋转催化反应装置(2)；旋转催化反应装置(2)下方，圆柱反应器(9)内侧壁设置有圆环状气流导板(7)，气流导板(7)下方设置有锥形圆台多空介质(6)，锥形圆台多空介质(6)下方，圆柱反应器(9)底部设置有进气口(1)。
2.根据权利要求1所述的一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，其特征在于：所述旋转催化反应装置(2)表面设置有右旋螺旋面(2-1)，反应翅片(2-2)均匀分布在右旋螺旋面(2-1)上。
3.根据权利要求2所述的一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，其特征在于：所述反应翅片(2-2)以螺旋角度30°-45°，螺距8cm-15cm，反应翅片(2-2)间隔4cm-8cm均匀分布在右旋螺旋面(2-1)上。
4.根据权利要求2或3所述的一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，其特征在于：所述右旋螺旋面(2-1)和反应翅片(2-2)表面附着催化剂。
5.根据权利要求4所述的一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，其特征在于：所述催化剂包括但不限于氧化锰和镍金属。
6.根据权利要求1所述的一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，其特征在于：所述旋转催化反应装置(2)在预设程序的外部控制系统控制下，由外部减速电机带动旋转轴(3)旋转，进而带动旋转催化反应装置(2)在圆柱反应器(9)内缓慢旋转。
7.根据权利要求6所述的一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，其特征在于：所述旋转催化反应装置(2)的旋转速度根据温度传感器检测温度传至外部控制系统数据转换后，控制旋转催化反应装置(2)在转速10r/min-30r/min的范围内进行调节，当温度高于900℃时加速转动，当温度低于800℃时降低转速。
8.根据权利要求1所述的一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，其特征在于：所述光学窗口(4)由石英玻璃密封。
9.根据权利要求1所述的一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，其特征在于：所述二次反射镜(5)为旋转抛物面。
10.根据权利要求1所述的一种旋转导流结构太阳能热化学反应装置，其特征在于：所述圆柱反应器(9)的外表面设置保温绝热层。
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