CN111486735A - 实现能量品位提升的耐高压可控热化学储放热系统 - Google Patents

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Abstract

一种实现能量品位提升的耐高压可控热化学储放热系统，包括：气体发生储存单元、散热冷却单元、气体温度缓冲单元、储放热单元、换热流体单元和数据采集及控制单元，其中：气体发生储存单元分别与散热冷却单元和气体温度缓冲单元连接，储放热单元的进口端与气体温度缓冲单元连接，储放热单元的出口端分别与散热冷却单元和换热流体单元连接，数据采集及控制单元采集系统的温度、压力和气体流量数据以进行实时监控工况运行并调控相连的控制器。本发明可以实现热化学系统的放热温度大于储热温度以进行能量品位的提升，同时能够对放热温度进行调控，采用同种热化学储热材料在不同的需求温度下进行放热，满足了用户对于不同放热温度的需求。

Description

实现能量品位提升的耐高压可控热化学储放热系统
技术领域
本发明涉及的是一种热化学储热领域的技术，具体是一种实现能量品位提升的耐高压可控热化学储放热系统。
背景技术
传统意义上的热化学储热技术是在常压下进行，对于热化学储热反应而言，只有反应温度大于平衡温度储热过程才能发生，同时反应温度小于平衡温度时放热反应才能发生。因而传统的热化学储热装置及系统造成储热温度大于放热温度，这势必会造成能量品位的降低，影响了能量利用效率。现有的热化学储热系统大多运行条件基本为常压或小于0.1Mpa，放热温度较为单一固定，限制了热化学储放热系统的工业化推广应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种实现能量品位提升的耐高压可控热化学储放热系统，提高能量利用效率满足不同用户对于热化学储放热系统不同放热温度的需求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种实现能量品位提升的耐高压可控热化学储放热系统，包括：气体发生储存单元、散热冷却单元、气体温度缓冲单元、储放热单元、换热流体单元和数据采集及控制单元，其中：气体发生储存单元分别与散热冷却单元和气体温度缓冲单元连接，储放热单元的进口端与气体温度缓冲单元连接，储放热单元的出口端分别与散热冷却单元和换热流体单元连接，数据采集及控制单元采集系统的温度、压力和气体流量数据以进行实时监控工况运行并调控相连的控制器。
所述的储放热单元包括：储放热反应器、真空泵、压力变送器和安全阀，其中：真空泵、压力变送器和安全阀分别与储热反应器连接，压力变送器与数据采集及控制单元连接以传输压力数据。
所述的储放热反应器包括：壳体、气体扩散装置、加热管路和储热介质，其中：气体扩散装置设置于壳体内，加热管路设置于壳体外并与数据采集及控制单元连接以采集温度数据，储热介质与气体扩散装置相接触。
所述的气体扩散装置包括：焊接在壳体上的带孔钢板以及四根带有孔隙的钢管和钢丝网，其中：钢板上均匀分布若干圆形孔，四根钢管等距分布且截面位于同一圆周上，钢丝网设置于钢管外。气体先通过管路进入装置，然后通过带孔钢板进行扩散分流，其次分别进入四根钢管进行扩散。
所述的气体温度缓冲单元包括：相互连接的散热冷却段和螺旋管式预热段，其中：散热冷却段通过气体流量控制器与气体发生储存单元连接以防止温度超过气体流量控制器的上限，螺旋管式预热段与储放热单元连接以保证在有限空间内加热气体达到系统设定温度，螺旋管式预热段与数据采集及控制单元连接以采集温度数据，并进行预热段温度的控制。
所述的换热流体单元包括：热源、循环泵和能源输出端，其中：热源和循环泵均与加热管路连接，能源输出端设置于热源和循环泵之间。
技术效果
本发明整体解决了现有热化学储热系统造成能量品位降低的问题，以及现有热化学储热系统输出放热温度单一的问题；与现有技术相比，本发明的使用可以实现7％以上能量品位的提升；同时本发明能够对输出放热温度进行调控，可以在采用同种热化学储热材料的运行工况下在不同的需求温度下进行放热，满足了用户对于不同输出放热温度的需求，促进了热化学储放热系统的工业化推广应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为气体扩散装置的示意图；
图中：a为主视图；b为钢管的结构示意图；c为俯视图；
图3为现有技术与本发明储放热温度对比示意图；
图中：a为现有技术的储放热温度；b为本发明的储放热温度；
图4为本发明以掺杂硝酸钠的氧化镁-碳酸镁复合材料为储热材料的系统输出放热温度测试图；
图5为本发明以掺杂硝酸钠的氧化镁-碳酸镁复合材料为储热材料的系统初始储热温度；
图6为本发明以掺杂硝酸钠的氧化镁-碳酸镁复合材料为储热材料的系统高压下输出放热温度
图中：气体发生储存单元1、气体温度缓冲单元2、散热冷却段3、螺旋管式预热段4、阀门5、第一气体流量控制器6、温度计7、安全阀8、压力变送器9、真空泵10、储放热反应器11、循环泵12、热源13、加热管路14、能源输出端15、数据采集及控制单元16、散热冷却单元17、第二气体流量控制器18、储热介质19、气体扩散装置20、换热流体单元21、储放热单元22、增压泵23、钢管24。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种实现能量品位提升的耐高压可控热化学储放热系统，包括：气体发生储存单元1、散热冷却单元17、气体温度缓冲单元2、储放热单元22、换热流体单元21和数据采集及控制单元16，其中：气体发生储存单元1分别通过气体流量控制器与散热冷却单元17和气体温度缓冲单元2连接，储放热单元22的进口端与气体温度缓冲单元2连接，储放热单元22的出口端分别与散热冷却单元17和换热流体单元21连接，数据采集及控制单元16分别与气体流量控制器、气体温度缓冲单元2和储放热单元22连接以采集系统的温度、压力和气体流量数据以进行实时监控工况运行并调控相连的控制器。
所述的气体发生储存单元1与第二气体发生流量控制器之间设有增压泵23。
所述的储放热单元22包括：储放热反应器11、真空泵10、压力变送器9和安全阀8，其中：真空泵10、压力变送器9和安全阀8分别与储热反应器11连接，散热冷却单元17和气体温度缓冲单元2通过阀门5与储热反应器连接，压力变送器9与数据采集及控制单元16连接以采集压力数据，储热反应器11通过压力变送器9与数据采集和控制单元16相连，从而可以对反应器内压力进行调控。
所述的储放热反应器11包括：壳体、加热管路14、储热介质19和气体扩散装置20，其中：气体扩散装置20设置于壳体内，加热管路14设置于壳体外并与数据采集及控制单元16连接以采集温度数据，储热介质19与气体扩散装置20接触。
如图2所示，本实施例气体扩散装置20包括：焊接在壳体上的带孔钢板以及四根带有孔隙的钢管24和钢丝网，其中：钢板上均匀分布若干圆形孔，四根钢管24等距分布且截面位于同一圆周上，不锈钢丝网包裹在钢管24外，储热介质填充在储热反应器壳体内与气体扩散装置20所接触，反应气体先通过管路进入装置，然后通过带孔钢板进行扩散分流，其次分别进入四根钢管进行扩散。
所述的储热介质19为掺杂硝酸钠的氧化镁-碳酸镁复合材料，该复合材料的制备方法为氧化镁与硝酸钠以10：1的摩尔比配比后采用球磨机进行物理混合，球磨时间为60h。
所述的储放热反应器11采用耐腐蚀耐高压材料。
所述的安全阀8用于防止爆炸。
所述的真空泵10在系统运行前抽真空以防止材料被污染并减轻气体进入的阻隔力。
所述的气体温度缓冲单元2包括：相互连接的散热冷却段3和螺旋管式预热段4，其中：散热冷却段3通过气体流量控制器与气体发生储存单元1连接以防止温度超过气体流量控制器的上限，螺旋管式预热段4与储放热单元22连接以保证在有限空间内加热气体达到系统设定温度，螺旋管式预热段4与数据采集及控制单元16连接以采集温度数据。
所述的螺旋管式预热段4与储热反应器之间设有温度计7以监测反应气体的进气温度。
所述的换热流体单元21包括：热源13、循环泵12和能源输出端15，其中：热源13和循环泵12均与加热管路14连接，能源输出端15设置于热源13和循环泵12之间。
所述的热源13为太阳能、工业余热或电能加热，本实施例采用太阳能集热装置。
本装置通过以下方式实现储热和放热：白昼或晴天时，太阳能集热装置加热换热流体至390℃，然后经过加热管路14加热掺杂硝酸钠的氧化镁-碳酸镁复合材料，使其分解，分解产生的二氧化碳经过阀门5、散热冷却单元17、第二气体流量控制器18以及增压泵23进入气体发生储存单元1，完成储热过程；夜间或阴天时，反应所需气体从气体发生储存单元1经过第一气体流量控制器6、气体温度缓冲单元2、阀门5和温度计7进入到储放热反应器11内部，与掺杂硝酸钠的氧化镁-碳酸镁复合材料进行化合反应以进行放热，放热温度可以通过反应气体压力来进行调控，产生的热量传递给换热流体，被加热的换热流体经过能源输出端15进行换热，热量被消耗，完成放热过程。
如图3所示，现有技术反应温度大于平衡温度储热过程才能发生，反应温度小于平衡温度时放热反应才能发生，造成能量品位的降低，影响了能量利用效率，而本实施例实现输出放热温度大于储热温度，从而实现能量品位提升。
本实施例中，储热介质19除了使用掺杂硝酸钠的氧化镁-碳酸镁复合材料以外，也可以使用碳酸钙或者氢氧化钙、氢氧化镁等，根据储热介质19的不同对气体发生储存单元1进行相应的调整。
本实施例使用掺杂硝酸钠的氧化镁-碳酸镁复合材料作为储热材料，经过具体实际实验，能够得到的实验数据如图4所示，显示出在本系统中采用同一材料可在多个输出温度条件下进行放热，因而热量用户可以根据需求对放热温度进行自主调控。
如图5所示，本实施例的系统储热初始温度约为375℃，如图6所示，本系统在2.3Mpa压力下输出放热温度可达500℃，因而使用本发明的系统进行储热，可实现7.65％的能量品位提升，提高了能量利用效率。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种实现能量品位提升的耐高压可控热化学储放热系统，其特征在于，包括：气体发生储存单元、散热冷却单元、气体温度缓冲单元、储放热单元、换热流体单元和数据采集及控制单元，其中：气体发生储存单元分别与散热冷却单元和气体温度缓冲单元连接，储放热单元的进口端与气体温度缓冲单元连接、出口端分别与散热冷却单元和换热流体单元连接以实现在高压固定床条件下进行正常高效的储放热反应和对储热介质放热温度的调控，数据采集及控制单元采集系统的温度、压力和气体流量数据以进行实时监控工况运行并调控相连的控制器；
所述的储放热单元包括：储放热反应器、真空泵、压力变送器和安全阀，其中：真空泵、压力变送器和安全阀分别与储热反应器连接，压力变送器与数据采集及控制单元连接以传输压力数据；
所述的储放热反应器包括：壳体、气体扩散装置、加热管路和储热介质，其中：气体扩散装置设置于壳体内，加热管路设置于壳体外并与数据采集及控制单元连接以采集温度数据，并对温度进行控制，储热介质与气体扩散装置相接触；
所述的气体扩散装置包括：焊接在壳体上的带孔钢板以及四根带有孔隙的钢管和钢丝网，其中：钢板上均匀分布若干圆形孔，四根钢管等距分布且截面位于同一圆周上，钢丝网设置于钢管外。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的气体温度缓冲单元包括：相互连接的散热冷却段和螺旋管式预热段，其中：散热冷却段通过气体流量控制器与气体发生储存单元连接以防止温度超过气体流量控制器的上限，螺旋管式预热段与储放热单元连接以保证在有限空间内加热气体达到系统设定温度，螺旋管式预热段与数据采集及控制单元连接以采集温度数据，并对温度进行控制。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的换热流体单元包括：热源、循环泵和能源输出端，其中：热源和循环泵均与加热管路连接，能源输出端设置于热源和循环泵之间。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的热源为太阳能、工业余热或电能加热。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的储热介质为掺杂硝酸钠的氧化镁-碳酸镁复合材料，具体通过将氧化镁与硝酸钠以10：1的摩尔比配比后充分混合得到。
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