CN111288828A - 一种热化学储能反应装置和储能方法及其应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热化学储能反应装置，由重油运输管道、水蒸气运输管道、换热管、水蒸气输出管道、重油输出管道依次向外设置；重油运输管道与水蒸气运输管道的末端均封闭，换热翅片板为中空结构，换热翅片板的首端穿过水蒸气运输管道与重油运输管道相连通，末端贯穿水蒸气输出管道与重油输出管道相连通，换热管与水蒸气运输管道的管壁上具有通孔，用于水蒸气的流过，换热管内填充满CaO/Ca(OH)₂颗粒，并作为CaO/Ca(OH)₂分解与合成反应的场所。本反应装置将Ca(OH)₂的分解与合成集中于一个容器内，具有反应速率可控制、传热面积大等优点，同时中空式翅片板的结构提高了换热效率，降低了热损失，主要应用于将太阳能转化为热化学能并加以储存和利用的场合。

Description

一种热化学储能反应装置和储能方法及其应用系统

技术领域

本发明涉及热化学储能技术领域，尤其涉及一种热化学储能反应装置和储能方法及其应用系统。

背景技术

众所周知，我国现在经济水平不断提高，为全球第二大经济体，第一大能源消费体，对能源的需求日益增加。在世界范围内，化石能源仍然是主要供给能源。但是，化石能源是不可再生能源，同时化石能源的利用会释放出大量的二氧化碳造成温室效应，也会导致一系列次生问题，比如雾霾。因此，充分开发和利用可再生能源，并逐步取代化石能源等不可再生能源，就显得尤为迫切。目前具有开发潜力并且初具规模的可再生能源有：太阳能、风能、水能、地热能等。其中，太阳能开发潜力大、不受地域性影响，并且取之不尽、用之不竭，不会对环境造成任何污染，是一种十分有开发前景、利用空间大的可再生能源。但是，太阳能利用具有间断式供热的特点，不能使传统的太阳能中、高温热利用系统连续工作。因此，热化学能的高效不间断转换与储存就成为了太阳能热利用系统连续运行的一项关键技术。

开发和利用太阳能是目前能源革命领域所面临的重大机遇和挑战，其中太阳能中、高温热利用系统对生态环境改善具有极大的积极推进作用。太阳能热能储存是太阳能中、高温热利用系统中十分重要的一环，热能储存方式主要有三种：显热储热、潜热储热、热化学储热。王智辉等记录在《热化学蓄热系统研究进展[J].新能源进展，2015,3(4):290～298》总结表明：显热储热方式简单，但储热量小、不能恒定温度放热；相变储热虽比显热储热蓄热密度高，且可恒定温度放热，但蓄热介质常存在易过冷、相分离、导热系数小等问题。热化学储能与前两种储热方式相比，吴娟等记录在《热化学储能的研究现状与发展前景[J].现代化工，2014,34(9):17～23》总结出四种优势：①储能密度高于显热储热或相变储热；②储热介质为固体，可常温下保存；③热化学储能中的反应体系，例如Ca(OH)₂/CaO/H₂O体系，正向、逆向反应均在高温条件下进行，便于得到高品位热能。④储热介质价格便宜且易获得，对人体无毒，反应较为安全。太阳能多层套管板式热化学储能反应装置将热能的转化与利用集中于一个容器内，减小了反应场所所占面积，同时利用阀门来调节蒸气压高低，可达到控制反应速率的目的。换热翅片板的合理设计又能增加换热效率，中心发散式的结构布置提高了换热面积，使系统的效率得到较大提高，具有一定的商业应用前景。

固定床反应器是一种发展比较完善的多相变反应器，其优点有：1、反应物损耗小。2、返混小，反应物充分有效接触。因此许多的专家学者都在这一方面做了不少的研究。

总之，综合考虑上述各类储热方式，选择热化学储能系统进行储能，同时选择固定床反应器结构作为反应的场所，提高了反应器的换热效率，可以促进太阳能中、高温热利用系统在生产中的进一步应用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供了一种热化学储能反应装置和储能方法及其应用系统，可有效地吸收热化学能，高效进行热交换，减少热损失，控制反应速率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种热化学储能反应装置，由内层套管部分、换热翅片板和外层套管部分组成，所述内层套管部分包括重油运输管道与水蒸气运输管道，所述外层套管部分包括重油输出管道、水蒸气输出管道及换热管，所述重油运输管道、水蒸气运输管道、换热管、水蒸气输出管道、重油输出管道依次向外设置；

所述重油运输管道与水蒸气运输管道的末端均封闭，所述换热翅片板为中空结构，换热翅片板的首端穿过水蒸气运输管道与重油运输管道相连通，末端贯穿水蒸气输出管道与重油输出管道相连通，所述换热管与水蒸气运输管道的管壁上具有通孔，用于水蒸气的流过，所述换热管内填充满CaO/Ca(OH)₂颗粒，并作为CaO/Ca(OH)₂分解与合成反应的场所。

进一步的，所述换热管的管道内侧与水蒸气运输管道的管道外侧均附着不锈钢孔网。

进一步的，所述重油输出管道与水蒸气输出管道之间还用支撑柱相互固定。

进一步的，换热翅片板两侧布有多个翅片，换热翅片板采用中空结构，多个翅片的宽度从换热翅片板的首端到末段逐片依次递减。

一种热化学储能反应装置的储能方法，采用上述的热化学储能反应装置，其可以进行储能过程和释能过程；

其储能过程为，高温重油由重油运输管道进入热化学储能反应装置后，流入换热翅片板的内部空间,在热翅片板上将热量传递给换热管内的Ca(OH)₂，Ca(OH)₂受热分解为CaO和水蒸气，水蒸气流经换热管上的通孔后进入水蒸气输出管道排出反应装置，将高温重油内的热能以化学能的形式储存在CaO内；

其释能过程为，水蒸气由水蒸气运输管道流入，通过水蒸气运输管道上的通孔进入换热管内，与CaO接触发生水合放热反应，生成Ca(OH)₂并放出大量的热量，同时低温重油从重油运输管道流入，进入到换热翅片板的内部空间，反应产生的高温热能通过换热翅片板将热能传递给板内的低温重油，低温重油变成高温重油后流入重油输出管道，再流出热化学储能反应装置，将CaO中的化学能变成储存在重油中的高温热能。

一种热化学储能反应装置应用系统，包括热化学储能反应装置、储能回路、释能回路和水循环回路，所述热化学储能反应装置采用上述的热化学储能反应装置；

所述储能回路包括集热器和第一低温储油罐，第一低温储油罐、集热器、热化学储能反应装置的进油端、热化学储能反应装置的出油端、第一低温储油罐之间形成闭环连接；

所述释能回路包括热交换装置和第二低温储油罐，第二低温储油罐、热化学储能反应装置的进油端、热化学储能反应装置的出油端、热交换装置、第二低温储油罐之间形成闭环连接；

所述水循环回路包括冷凝器、储水罐和加热器，热化学储能反应装置的出水端、冷凝器、储水罐、加热器、热化学储能反应装置的进水端、热化学储能反应装置的出水端之间形成闭环连接。

进一步的，所述集热器的四周设置有定日镜。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、换热翅片板采用中空、对称、发散式结构，有效提高Ca(OH)₂分解与合成反应的换热面积和效率，翅片与换热板之间的铜焊连接降低了换热热阻。

2、多层套管式的设计有效减小了反应场所面积，使得反应装置结构更为紧凑。

3、采用密封筒体结构可为反应提供一个密闭的空间，排除外界因素对反应的干扰，也有效地减少热化学储能过程中的热损失，提高反应器的吸热效率。

4、通过控制水蒸气的流量可有效地控制反应速率，通过控制重油的流量可提高热交换程度，减少热损失。

5、管壁上布满通孔的设计可极大地提高反应物的接触面积，也便于水蒸气的排出。

6、不锈钢丝孔网的设计一方面可用于防止Ca(OH)₂/CaO颗粒堵塞通孔，避免水蒸气无法流通，同时也将Ca(OH)₂/CaO颗粒完全限定在换热管内，控制了反应体系的容积。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明应用于太阳能中、高温热利用系统流程图。

图2是本发明一种实施方式的热化学储能反应装置的整体俯视截面图。

图3是本发明一种实施方式的热化学储能反应装置的整体侧视截面图。

图4是本发明一种实施方式的所述换热翅片板的主视图。

图5是本发明一种实施方式的所述换热翅片板的俯视图。

图6是本发明一种实施方式的所述水蒸气运输管道的主视图局部放大图。

图7是本发明一种实施方式的所述换热管的主视图局部放大图。

附图中：1-重油输出管道；2-水蒸气输出管道；3-换热管；4-换热翅片板；5-支撑柱；6-水蒸气运输管道；7-重油运输管道；l₁-重油运输管道长度；l₂-水蒸气运输管道长度；l₃-换热板长度；l₄-换热管长度；l₅-水蒸气输出管道长度；l₆-重油输出管道长度；l₇-支撑柱长度；l-换热板有效换热长度；δ₁-重油运输管道壁厚；δ₂-水蒸气运输管道壁厚；δ₃-翅片厚度；δ₅-换热板壁厚；δ₆-换热管壁厚；δ₇-水蒸气输出管道壁厚；δ₈-重油输出管道壁厚；δ₉-支撑柱壁厚；b₁-翅片宽度；b₂-换热板与重油运输管道相连通一侧宽度；b₃-换热板与重油输出管道相连通一侧宽度；d₁-重油运输管道外径；d₂-水蒸气运输管道通孔外径；d₃-水蒸气运输管道外径；d₄-换热管外径；d₅-水蒸气输出管道外径；d₆-重油输出管道外径；d₇-支撑柱外径；d₈-换热管通孔外径；h₁-翅片高度；h₂-换热板高度；100-热化学储能反应装置；101-第一低温储油罐；102-集热器；103-定日镜；104-第二低温储油罐；105-热交换装置；106-冷凝器；107-储水罐；108-加热器；201、202、203、204、205、206-阀门；301、302、303、304、305、306、307、308-加压泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

以应用于农产品干燥的太阳能中、高温热利用系统中的本发明为例，对其结构及工作流程进行如下说明：

如图2、图3所示，本发明热化学储能反应装置包括内层套管部分、换热翅片板4、外层套管部分。内层套管部分包括重油运输管道7与水蒸气运输管道6。换热翅片板4主要用于重油所蕴含的高温热能的传递以及CaO与H₂O反应所放出大量热能的传递。外层套管部分包括重油输出管道1、水蒸气输出管道2及换热管3。支撑部分包括支撑柱5，主要用于支撑固定重油输出管道1和水蒸气输出管道2。

如图3、图6、图7所示，一种实施结构的热化学储能反应装置，整体长度为2300mm；重油运输管道7长度l₁为1900mm，外径d₁为160mm，壁厚δ₁为9mm；水蒸气运输管道6长度l₂为2000mm，外径d₃为220mm，壁厚δ₂为9mm，管壁上的通孔直径d₂为4mm，孔与孔之间竖直间距为15mm，水平间距为6mm；水蒸气输出管道2长度l₅为2300mm，外径d₅为1100mm，壁厚δ₇为10mm，在上端不锈钢圆形封板距离中心点600mm处钻孔，孔的外径为50mm，并与蒸汽冷凝器所在管道相连接；换热管3长度l₄为2000mm，外径d₄为1000mm，壁厚δ₆为10mm，管道上有通孔，通孔直径d₈为4mm，孔与孔之间竖直间距为15mm，水平间距为6mm；换热管3内壁与水蒸气运输管道6外壁均附着有不锈钢孔网，孔网长宽与管道相匹配，完全包裹，网孔之间间隔不大于0.5mm。重油输出管道1长度l₆为2300mm，外径d₆为1200mm，壁厚δ₈为10mm，在管道侧面顶部处开两个对称孔，孔的直径为50mm，均连接外部重油管道。支撑柱共8根，分两层，每层4根，对称固定在重油输出管道1与水蒸气运输管道2之间，每层柱子中心距离反应装置中心为800mm，采用不锈钢结构，长度l₇为50mm，外径d₇为20mm，壁厚δ₉为10mm，起固定作用，增加外层套管的结构稳定性。

如图4、图5所示，换热翅片板4采用中空结构，板内中空，其上安装有24块翅片41，翅片41能够大幅度的增加换热翅片板4与CaO/Ca(OH)₂的接触面积，增强热传递速率，翅片41左右对称，每块翅片41高度h₁为1800mm，第一块翅片41宽度b₁为15mm，第十二块翅片41宽度为90mm，以每块递增7.5mm的形式增加宽度，翅片41厚度δ₃为4mm，换热板高度h₂为1800mm，长度l₃为950mm，有效换热长度l为770mm，壁厚δ₅为1mm。换热翅片板4一端贯穿水蒸气运输管道6与重油运输管道7相连通，开口宽度b₂为12mm，另一端贯穿水蒸气输出管道2与重油运输管道1相连通，开口宽度b₃为8mm。

如图1所示，举例一种上述热化学储能反应装置100用于农产品干燥、空气加热等场合下的太阳能中、高温热利用系统的工作流程为：

1、白天时，只打开阀门201、202和204，第一低温重油罐101中的重油通过阀门201，被加压泵301运输至集热器102中，经过定日镜103加热变为高温重油。高温重油随后被加压泵302加压并流经阀门202到达热化学储能反应装置100下部；

2、高温重油从热化学储能反应装置100下部进入后，流经重油运输管道7及与其相贯通的换热翅片板4，将高温热能传递给换热管3内的Ca(OH)₂颗粒，Ca(OH)₂颗粒受热升温分解为水蒸气与CaO，水蒸气通过换热管3上的通孔流入水蒸气运输管道2中，并在加压泵304的作用下，由上部排至蒸汽冷凝器106冷却为液态水，流入储水罐107内储存。换热后的低温重油则由换热翅片板4流经重油输出管道1后经阀门204、加压泵303作用返回第一低温储油罐101中；

3、当需要利用所储存的热化学能时，例如夜间空气加热或者白天进行农产品干燥作业时，只打开阀门203、205和206，第二低温储油罐104中的低温重油在加压泵306的作用下，流经阀门203进入热化学储能反应装置100下部；

4、低温重油通过重油运输管道7流入换热翅片板4的中空部分，同时储水罐中水流经阀门206，经过电加热器108变成水蒸气，并在加压泵305的作用下从热化学储能反应装置100下部进入水蒸气运输管道6，并流过水蒸气运输管道6上的通孔与换热管3内的CaO充分接触，生成Ca(OH)₂颗粒并放出大量的热能，热能被传递给换热翅片板4内的低温重油，低温重油变成高温重油，并且流经热化学储能反应装置100上部、阀门205，在加压泵308的作用下，进入热交换装置105，高温重油中的热量被用于中、高温热利用，如农产品干燥、空气加热等，之后变成低温重油再次回到第二低温储油罐104中被储存起来。

上述方案实施所需部分设备材料详见下表：

实施效果分析：

本热化学储能反应装置在实际工程中应用于太阳能中、高温热利用系统，该反应装置的应用，可提高太阳能及热化学能的利用效率，延长热利用系统的工作时间。以一台目前价值十万元的燃煤装置为例，干燥800千克梅子，需耗煤900千克；干燥1吨农副产品，需耗费1吨煤；若干燥烟叶则需耗煤2.5吨。若采用太阳能干燥，则不需要耗费任何煤炭，而且两种干燥装置成本相当。由此可知，本发明应用于太阳能中、高温热利用系统农产品干燥不仅具有良好的经济效益，而且可减少污染，有利于我国的可持续发展。

如上所述，便可较好地实现本发明在实际生产中的应用。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，即凡依本发明的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。

Claims (7)

1.一种热化学储能反应装置，其特征在于：由内层套管部分、换热翅片板和外层套管部分组成，所述内层套管部分包括重油运输管道与水蒸气运输管道，所述外层套管部分包括重油输出管道、水蒸气输出管道及换热管，所述重油运输管道、水蒸气运输管道、换热管、水蒸气输出管道、重油输出管道依次向外设置；

所述重油运输管道与水蒸气运输管道的末端均封闭，所述换热翅片板为中空结构，换热翅片板的首端穿过水蒸气运输管道与重油运输管道相连通，末端贯穿水蒸气输出管道与重油输出管道相连通，所述换热管与水蒸气运输管道的管壁上具有通孔，用于水蒸气的流过，所述换热管内填充满CaO/Ca(OH)₂颗粒，并作为CaO/Ca(OH)₂分解与合成反应的场所。

2.根据权利要求1所述的一种热化学储能反应装置，其特征在于：所述换热管的管道内侧与水蒸气运输管道的管道外侧均附着不锈钢孔网。

3.根据权利要求1所述的一种热化学储能反应装置，其特征在于：所述重油输出管道与水蒸气输出管道之间还用支撑柱相互固定。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种热化学储能反应装置，其特征在于：换热翅片板两侧布有多个翅片，换热翅片板采用中空结构，多个翅片的宽度从换热翅片板的首端到末段逐片依次递减。

5.一种热化学储能反应装置的储能方法，其特征在于：采用权利要求1-4任一的热化学储能反应装置，其可以进行储能过程和释能过程；

其储能过程为，高温重油由重油运输管道进入热化学储能反应装置后，流入换热翅片板的内部空间,在热翅片板上将热量传递给换热管内的Ca(OH)₂，Ca(OH)₂受热分解为CaO和水蒸气，水蒸气流经换热管上的通孔后进入水蒸气输出管道排出反应装置，将高温重油内的热能以化学能的形式储存在CaO内；

其释能过程为，水蒸气由水蒸气运输管道流入，通过水蒸气运输管道上的通孔进入换热管内，与CaO接触发生水合放热反应，生成Ca(OH)₂并放出大量的热量，同时低温重油从重油运输管道流入，进入到换热翅片板的内部空间，反应产生的高温热能通过换热翅片板将热能传递给板内的低温重油，低温重油变成高温重油后流入重油输出管道，再流出热化学储能反应装置，将CaO中的化学能以化学能变成储存在重油中的高温热能。

6.一种热化学储能反应装置应用系统，其特征在于：包括热化学储能反应装置、储能回路、释能回路和水循环回路，所述热化学储能反应装置采用权利要求1-4任一的热化学储能反应装置；

所述储能回路包括集热器和第一低温储油罐，第一低温储油罐、集热器、热化学储能反应装置的进油端、热化学储能反应装置的出油端、第一低温储油罐之间形成闭环连接；

所述释能回路包括热交换装置和第二低温储油罐，第二低温储油罐、热化学储能反应装置的进油端、热化学储能反应装置的出油端、热交换装置、第二低温储油罐之间形成闭环连接；

所述水循环回路包括冷凝器、储水罐和加热器，热化学储能反应装置的出水端、冷凝器、储水罐、加热器、热化学储能反应装置的进水端、热化学储能反应装置的出水端之间形成闭环连接。

7.根据权利要求6所述的一种热化学储能反应装置应用系统，其特征在于：所述集热器的四周设置有定日镜。

Images