CN111151200B - 一种基于透光透气聚热反应室的太阳能腔式反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于透光透气聚热反应室的太阳能腔式反应器，包括壳体、石英透光板、环形护盖和透光透气聚热反应室；所述壳体的顶部敞口，其底部中心处形成有用于输出生成物混合气的出口通道，其周面上形成有用于均匀注入反应物混合气的入口通道；所述石英透光板的形状大小与环形护盖内部的形状大小相适应，所述环形护盖套在石英透光板的外部并与壳体的顶部通过螺纹密封连接，由壳体、环形护盖和石英透光板构成一个密闭的腔体，所述石英透光板作为腔体的透光窗口；所述透光透气聚热反应室设于腔体内部，并位于入口通道和出口通道之间。本发明能够有效解决现有太阳能热化学反应器使用过程中太阳辐射利用效率低、热损失大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能的技术领域，尤其是指一种基于透光透气聚热反应室的太阳能腔式反应器。
背景技术
就目前世界能源消耗而言，占主体地位的仍旧是化石能源。伴随世界经济的发展，能源的需求量也在持续上升，石油、煤炭和天然气等不可再生石化能源面临着枯竭的危险，能源短缺可能对世界经济的未来发展提出挑战性的课题。与此同时，化石能源的消耗产生严重的环境污染在日益加深发展可再生能源及其利用技术已成为缓解化石能源枯竭和环境恶化的重要途径之一。
太阳能是一种巨大的、无污染的、安全的能源，然而到达地球表面的太阳辐射能量密度却很低，而且随气候、地理、昼夜、季节而变化。有些供热装置要求温度和热量稳定，有些则恰恰要在太阳辐射弱的时候供热。太阳能的供应与人类对能源的需求在时间和空间上存在很大差异，为从根本上弥补其不能稳定供应的缺陷，使其从辅助能源最终变为种使用方便可靠的主要能源，储能问题的解决是关建的一环。
储能形式一般可分为显热储能、潜热储能和化学反应储能三类。其中化学储能为缓解能源危机、减少环境污染物排放量、提高能源利用率和热系统可用率提供了一条新途径。化学储能是通过热能—化学能—热能这一能量转换利用概念，来解决因时间或地点上供热与用热不匹配和不均匀性所导致的能源利用率低的问题，可最大限度地利用加热过程中的热能或余热，提高整个系统的热效率，并可在常温下长期无热损储存。
相比较而言，化学反应储能具有以下明显优点：
①贮能密度很高；
②正、逆反应可以在高温(500～1000℃)下进行从而可得到高品质的能量，满足特定的要求；
③温度与速率在热能储(释)过程中均可控制；
④可以通过催化剂或将产物分离等方式，在常温下长期贮存分解物并实现其远距离运输。
太阳能热化学反应过程的关键之一是热化学反应器，而提高太阳能转换效率是热化学反应的瓶颈问题。体积式反应器是目前典型的太阳能热化学反应器结构，由于这类反应器工作时一般置于聚焦太阳光焦面处，聚焦太阳光直接照射到催化剂上为化学反应提供热量，催化剂床层热损失较大，因此需要对热化学反应器内部结构进行改进，以实现反应器内化学反应的高效发生与太阳能的高效转化利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于透光透气聚热反应室的太阳能腔式反应器，能够有效解决现有太阳能热化学反应器使用过程中太阳辐射利用效率低、热损失大的问题。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于透光透气聚热反应室的太阳能腔式反应器，包括壳体、石英透光板、环形护盖和透光透气聚热反应室；所述壳体的顶部敞口，其底部中心处形成有用于输出生成物混合气的出口通道，其周面上形成有用于均匀注入反应物混合气的入口通道；所述石英透光板的形状大小与环形护盖内部的形状大小相适应，所述环形护盖套在石英透光板的外部并与壳体的顶部通过螺纹密封连接，由壳体、环形护盖和石英透光板构成一个密闭的腔体，所述石英透光板作为腔体的透光窗口，所述透光窗口的大小与聚焦太阳能的光斑大小相一致；所述透光透气聚热反应室设于腔体内部，并位于入口通道和出口通道之间；反应物混合气通过入口通道均匀进入腔体内部，进而通过透光透气聚热反应室顶部的小孔进入透光透气聚热反应室内进行催化反应，反应后的生成物混合气由透光透气聚热反应室底部的小孔均匀流出并通过出口通道输出，通过石英透光板和透光透气聚热反应室，提高高温热化学反应的反应效率和太阳辐射的利用效率。
进一步，所述透光透气聚热反应室由石英盖、石英反应皿和催化剂颗粒堆积层组成，所述石英盖具有透光性，其上均布有多个用于透气的小孔，其表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层，所述石英反应皿的底部均布有多个用于透气的小孔，其表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层，所述催化剂颗粒堆积层置于石英反应皿的内部，所述石英盖扣装在石英反应皿的顶部，通过石英盖和石英透光板使太阳辐射能够完全进入催化床层实现催化床层加热，并通过石英盖和石英反应皿的低反射率涂层减小辐射损失，从而使透光透气聚热反应室内形成温室效应，进而使透光透气聚热反应室内的温度升高，以促进催化反应和热化学储能。
进一步，所述壳体整体呈半球形结构。
进一步，所述入口通道包括入口端、环形流道和均流口端，所述入口端设于壳体的外周面上，并靠近壳体的顶部敞口处，所述环形流道设于壳体的外周面和内周面之间，并与入口端相连通，所述均流口端有多个，并沿壳体的周向均布在壳体的内周面上，该多个均流口端均与环形流道相连通；反应物混合气由入口端进入环形流道，并通过多个均流口端均匀流入反应器内部。
进一步，所述壳体和环形护盖之间设有密封垫圈。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明通过设置由石英盖、石英反应皿和催化剂颗粒堆积层组成的透光透气聚热反应室，由于石英盖和石英反应皿的表面均镀有低发射率涂层，能够有效减少反应中的热损失，另外通过在石英盖和石英反应皿的表面均布大量小孔，使反应室具有良好的透气性，增大了气体与催化剂接触的均匀性，从而获得更好的催化效果，生成物混合气产率更高，同时利于反应后的生成物混合气流出反应室。
2、本发明通过石英透光板和透光透气聚热反应室使太阳辐射能够完全进入催化床层，提高了催化床层的温度，并通过石英盖和石英反应皿的低反射率涂层减小辐射损失，从而使透光透气聚热反应室内形成温室效应，使透光透气聚热反应室内的温度升高，最终提高了催化反应效率和太阳能利用效率。
3、本发明的石英透光板和透光透气聚热反应室都具有高透光性，根据吸热保温原理，大大降低了到达催化床层太阳辐射的能量损失，有利于高温热化学反应的发生，提高化学反应的反应效率和太阳辐射的利用效率。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的爆炸图。
图3为使用本发明对反应物混合气为：1:1的甲烷和二氧化碳进行化学反应的热化学储能效率和总储能效率的实验结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图2所示，本实施例所述的基于透光透气聚热反应室的太阳能腔式反应器，包括壳体1、石英透光板2、环形护盖3和透光透气聚热反应室；所述壳体1的顶部敞口，其底部中心处形成有用于输出生成物混合气的出口通道101，其周面上形成有用于均匀注入反应物混合气的入口通道，所述入口通道包括入口端102、环形流道103和均流口端104，所述入口端102设于壳体1的外周面上，并靠近壳体1的顶部敞口处，所述环形流道103设于壳体1的外周面和内周面之间，并与入口端102相连通，所述均流口端104有多个，并沿壳体1的周向均布在壳体1的内周面上，该多个均流口端104均与环形流道103相连通，均流口端的口径为5mm；所述石英透光板2的形状大小与环形护盖3内部的形状大小相适应，所述环形护盖3套在石英透光板2的外部并与壳体1的顶部通过螺纹密封连接，由壳体1、环形护盖3和石英透光板2构成一个密闭的腔体，所述石英透光板2作为腔体的透光窗口，所述透光窗口的大小与聚焦太阳能的光斑大小相一致，所述壳体1和环形护盖3之间设有密封垫圈5，保证整个反应器腔体内部密封性；所述透光透气聚热反应室设于腔体内部，并位于入口通道和出口通道101之间，由石英盖401、石英反应皿402和催化剂颗粒堆积层403组成，所述石英盖401具有透光性，其上均布有多个直径为1mm用于透气的小孔，其表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层，所述石英反应皿402的底部均布有多个直径为1mm用于透气的的小孔，其表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层，所述催化剂颗粒堆积层403置于石英反应皿402的内部，所述石英盖401扣装在石英反应皿402的顶部，通过石英盖和石英透光板使太阳辐射能够完全进入催化床层实现催化床层加热，并通过石英盖401和石英反应皿402的低反射率涂层减小辐射损失，从而使透光透气聚热反应室内形成温室效应，以促进催化反应和热化学储能；反应物混合气由入口端102进入环形流道103，并通过多个均流口端104均匀流入反应器内部，进而通过透光透气聚热反应室顶部的小孔进入透光透气聚热反应室内进行催化反应，反应后的生成物混合气由透光透气聚热反应室底部的小孔均匀流出并通过出口通道101输出，通过石英透光板2和透光透气聚热反应室，提高高温热化学反应的反应效率和太阳辐射的利用效率。
本实施例以反应物混合气为1:1的甲烷CH4和二氧化碳CO2为例，其流量为F＝6-18L/min，聚光热流密度为qc＝117kW/m2，具体工作过程为：由入口端102进入环形流道103，并通过多个均流口端104均匀流入反应器内部，进而通过透光透气聚热反应室顶部的小孔进入透光透气聚热反应室内与催化剂在反应室内进行催化重整反应，反应后的合成气体由透光透气聚热反应室底部的小孔均匀流出并通过出口通道101输出，整个化学反应的热化学储能效率和总储能效率的实验结果如图3所示，其中，ηch为热化学储能效率，ηtotal为总储能效率；由于石英反应皿与石英盖上面均匀设置多个小孔，增大了气体与催化剂接触的均匀性，从而获得更好的催化效果，合成气产率更高，同时石英透光板和透光透气聚热反应室具有高透光性，根据吸热保温原理，大大降低了到达催化剂床层太阳辐射的能量损失，提高了催化剂床层的温度，进而提高了催化反应效率和太阳能利用效率。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于透光透气聚热反应室的太阳能腔式反应器，其特征在于：包括壳体、石英透光板、环形护盖和透光透气聚热反应室；所述壳体的顶部敞口，其底部中心处形成有用于输出生成物混合气的出口通道，其周面上形成有用于均匀注入反应物混合气的入口通道；所述石英透光板的形状大小与环形护盖内部的形状大小相适应，所述环形护盖套在石英透光板的外部并与壳体的顶部通过螺纹密封连接，由壳体、环形护盖和石英透光板构成一个密闭的腔体，所述石英透光板作为腔体的透光窗口，所述透光窗口的大小与聚焦太阳能的光斑大小相一致；所述透光透气聚热反应室设于腔体内部，并位于入口通道和出口通道之间；反应物混合气通过入口通道均匀进入腔体内部，进而通过透光透气聚热反应室顶部的小孔进入透光透气聚热反应室内进行催化反应，反应后的生成物混合气由透光透气聚热反应室底部的小孔均匀流出并通过出口通道输出，通过石英透光板和透光透气聚热反应室，提高高温热化学反应的反应效率和太阳辐射的利用效率；所述透光透气聚热反应室由石英盖、石英反应皿和催化剂颗粒堆积层组成，所述石英盖具有透光性，其上均布有多个直径为1mm的用于透气的小孔，其表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层，所述石英反应皿的底部均布有多个直径为1mm的用于透气的小孔，其表面镀有用于减少热损失的低反射率涂层，所述催化剂颗粒堆积层置于石英反应皿的内部，所述石英盖扣装在石英反应皿的顶部，通过石英盖和石英透光板使太阳辐射能够完全进入催化床层实现催化床层加热，并通过石英盖和石英反应皿的低反射率涂层减小辐射损失，从而使透光透气聚热反应室内形成温室效应，进而使透光透气聚热反应室内的温度升高，以促进催化反应和热化学储能；所述壳体整体呈半球形结构；所述入口通道包括入口端、环形流道和均流口端，所述入口端设于壳体的外周面上，并靠近壳体的顶部敞口处，所述环形流道设于壳体的外周面和内周面之间，并与入口端相连通，所述均流口端有多个，并沿壳体的周向均布在壳体的内周面上，该多个均流口端均与环形流道相连通；反应物混合气由入口端进入环形流道，并通过多个均流口端均匀流入反应器内部；所述壳体和环形护盖之间设有密封垫圈。
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