CN112473586A - 一种热化学储热反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热化学储热反应器，其包括：柱状的壳体；多数量的托盘，间隔分布在壳体中，将壳体分隔为多个用于容纳热化学储能材料的容纳仓；取热管道，依次穿过各容纳仓；壳体的一个端板开设有蒸汽入口，另一端板开设有蒸汽出口；各托盘上开设有多数量的供混合蒸汽通过的通孔；自蒸汽入口至蒸汽出口，各容纳仓中的热化学储能材料的孔隙率依次降低；容纳仓内部设置有多个呈放射状排列的肋片，将容纳仓划分为多个扇形区域；肋片的内端与取热管道的外壁面连接。采用孔隙结构梯度分布以及设置肋片强化传热的方式，优化转化率提升导热性能，解决了现有技术中热能存储/释放的反应器堆积、混合蒸汽扩散不均、温度分布不均、转化率存在较大差异、导热性能差等问题。

Description

一种热化学储热反应器

技术领域

本发明涉及热能储存设备技术领域，具体涉及一种热化学储热反应器。

背景技术

绿色能源的开发利用是解决目前能源危机的一种有效途径，在替代传统能源、改善污染排放、拓宽能源利用范围具有重要的意义。传统能源造成的温室效应及空气污染在一定程度上阻碍了以化石能源为基础能源可持续性发展，但随着经济建设的高速发展，能源的需求与消耗又将不断增加，这造成了能源利用与需求的匹配性矛盾，所以，以太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能等为代表的绿色能源在近几年成为研究的热点。太阳能作为一种可以应用于制冷和蓄热等领域的可再生清洁能源，受到日益的重视。为进一步提高能源系统的利用效率，提高用户端的匹配特性，显热、潜热、热化学等储能方式被广泛应用，因其储能温度范围和储能密度不同，被应用于不同的场合。

热化学储能技术作为一种高效储热方式，储能密度是显热、潜热等储能方式的数倍，相同储能量下可以大大减小储热系统/设备的空间体积，其储能过程具有热损耗低、放热过程迅速、可移动储热/供热等特点，所以受到大量学者的研究应用。但由于反应器结构复杂、工况参数实际测试存在一定难度，所以目前实际热化学储热反应器的设计还处于一种不成熟的阶段。一般的热化学储热反应器为整体筒状或者槽式，直接将材料填充进反应容器内，由于反应本身的局限性及材料自身重力造成的堆积，储热/取热过程存在较多缺陷，严重影响着反应过程的顺利，从而限制了热化学储热技术的进一步发展。除此以外，总结现有反应器，主要存在以下普遍的问题：

(1)反应器结构不合理，将储能材料统统一并放入储热空间内，造成材料的挤压堆积，不利于反应物气相的扩散渗透；

(2)由于反应不同步，造成反应器内温度分布不均，不利于反应器反应过程及取热过程的连续进行。

(3)材料自身重力造成的过渡堆积挤压，反应物反应不充分，各部分转化率差异性较大；

(4)由于材料导热性能较差，反应器内热传递过程效率较低，不利于热量的传递取用。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种热化学储热反应器，通过采用孔隙结构梯度分布以及设置肋片强化传热的方式，优化转化率提升导热性能，解决了现有技术中热能存储/释放的反应器堆积、混合蒸汽扩散不均、温度分布不均、转化率存在较大差异、导热性能差等问题。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种热化学储热反应器，其包括：

柱状的壳体，

多数量的托盘，间隔分布在所述壳体中，将所述壳体沿轴向分隔为多个用于容纳热化学储能材料的容纳仓；

管状的取热管道，依次穿过各所述容纳仓；

所述壳体的一个端板开设有蒸汽入口，另一端板开设有蒸汽出口；各所述托盘上开设有多数量的供混合蒸汽通过的通孔；自所述蒸汽入口至所述蒸汽出口，各所述容纳仓中的热化学储能材料的孔隙率依次降低；

所述容纳仓内部设置有多个呈放射状排列的肋片，将所述容纳仓划分为多个扇形区域；所述肋片的内端与所述取热管道的外壁面连接。

本发明的进一步改进在于：所述热化学储能材料包括多孔基体以及附着在基体上且具有热化学储能特性的基质。

本发明的进一步改进在于：所述热化学储能材料的基质包括钙基复合储热材料、镁基复合储热材料。

本发明的进一步改进在于：由所述蒸汽入口通入的混合蒸汽为水蒸气和惰性气体的混合物。

本发明的进一步改进在于：所述壳体的外表面设置有隔热层。

本发明的进一步改进在于：对于相邻的两个容纳仓，一个容纳仓中的某个扇形区域与另一容纳仓中的至少两个扇形区域通过所述托盘的通孔连通。

本发明的进一步改进在于：所述托盘呈环形，中部为供所述取热管道通过的环形孔，各所述通孔环绕该环形孔分布；所述通孔覆盖有金属网。

本发明的进一步改进在于：

所述肋片的外端与所述壳体的内壁面连接；

或者，所述肋片的外端与所述壳体的内壁面之间设置有空隙。

本发明的优点是：

(1)本发明中梯度孔隙多肋片热化学储热反应器在蒸汽进入后，由于每层储热材料孔隙不同，所以蒸汽扩散过程较为均匀，各层压降平衡稳定。

(2)由于肋片的强化传热效果明显，所以可以把储热材料产生的热量及时取走，有利于反应平衡由氧化物向氢氧化物转化，从而提高整体反应转化速率。

(3)本发明中梯度孔隙的热化学储热装置可以根据不同蓄热量需求灵活定制，由于提高每个反应层的转化率提高，取热传热速率提高，所以整体蓄放热效率高。

附图说明

图1为热化学储热反应器的立体视图；

图2为热化学储热反应器隐去壳体后的示意图；

图3为热化学储热反应器的在一个实施例中的剖面示意图；

图4为热化学储热反应器的在另一实施例中的剖面示意图；

图5为通入蒸汽20min后热化学储热反应器中各部位的转化率；

图6为本实施例的热化学储热反应器与不带肋片的反应器典型坐标点的温度随时间变化的对比曲线。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1至3所示，本发明的实施例包括一种热化学储热反应器，其包括：柱状的壳体10，其内部设置有圆柱形的空腔。多数量的托盘20设置在壳体10的内部。托盘20呈圆形，与外径与空腔的内径相适配，各托盘20沿壳体10的轴线方向间隔分布，将托盘20分隔为多个用于容纳热化学储能材料的容纳仓11。

壳体10的一个端板开设有蒸汽入口12，另一端板开设有蒸汽出口13；各所述托盘20上开设有多数量的供混合蒸汽通过的通孔21。蒸汽入口12至所述蒸汽出口，各所述容纳仓11中的热化学储能材料的孔隙率依次降低。使用过程中，混合蒸汽通过蒸汽入口12导入壳体10，混合蒸汽通过各托盘的通孔21依次通过各容纳仓11，最终从蒸汽出口13排出壳体10内部，在此过程中混合蒸汽中的水分与热化学储能材料，使得热化学储能材料放出热量。本实施例中，托盘20采用金属材料制成。

至少一根取热管道30自蒸汽入口12所在的端面通入壳体10的内部，依次穿过各所述容纳仓11后，由蒸汽出口13所在的端面导出壳体10。取热管道30内设置有流动的液体取热流体，用于吸收热化学储能材料与混合蒸汽反应后放出的热量。使用过程中，取热流体在取热管道30中单向流动，其流动方向可与混合蒸汽的流动方向逆流或顺流。

在一些具体实施例中，导入的混合蒸汽包括水蒸气和按照比例混入的惰性气体。此处的惰性气体指的是不与热化学储能材料反应的气体，例如氮气。氮气不参与反应，但同混合蒸汽一样在反应器中扩散。

每个容纳仓11内部设置有多个呈放射状排列的肋片14，将容纳仓11划分为多个扇形区域15；肋片14的内端与取热管道30的外壁面连接。为了便于传导量，肋片14以及取热管道30均采用金属材料制作，肋片14和取热管道30的外表面需要防腐蚀处理。在各容纳仓11中，肋片14可沿径向延伸，也可按照螺旋状延伸。

放射状分布的肋片14深入各容纳仓11的热化学储能材料中，可增强导热效果，使得容纳仓11中的热量快速传导至取热管道30。此外，将容纳仓11分隔为多个扇形区域15还可起到对混合蒸汽的导流效果，使得反应更加均匀。为了实现这一作用，在一些实施例中，对于相邻的两个容纳仓11，一个容纳仓11中的任意一个扇形区域15与另一容纳仓11中的至少两个扇形区域15通过托盘20的通孔21连通。采用这种方式，每个扇形区域15的混合蒸汽来自上一级的两个扇形区域15中，并且该扇形区域15的混合蒸汽通往两个扇形区域15。采用这种方式，可使得混合蒸汽的可以均匀地流过各扇区，避免局部阻力过大导致混合蒸汽流通的死角，提高了热化学储能材料的利用率。

由于混合蒸汽的先后经过各容纳仓11，混合蒸汽流过各容纳仓11时水蒸气的含量是不同的，为了使得反应更加均匀，容纳仓11的中的热化学储能材料的孔隙率依次降低，这使得热化学储能材料在壳体10中的孔隙率呈梯度分布。对于热化学储能材料孔隙率较低的容纳仓11，得热化学储能材料反应更快/慢，混合蒸汽的流通阻力更高/低，热化学储能材料孔隙率较高的容纳仓11的情况与之相反，孔隙率呈梯度分布使得靠近入口处孔隙率大，蒸汽扩散通畅，可以很容易进入下一层，减小过程中的压降，保持原有的扩散压差，有效减小蒸汽通行阻力。

在一些实施例中，热化学储能材料包括多孔基体以及附着在基体上且具有热化学储能特性的基质。热化学储能材料的基质包括钙基复合储热材料、镁基复合储热材料，其他与水反应放热的物质也可作为基质。热化学储能材料的孔隙率主要由多孔基体的孔隙率进行决定，因此根据需求调配基体以及所需孔隙率的基体，从而得到相应孔隙率的热化学储能材料。

取热管道30可仅采用一条管道，也可采用多条集束设置在管道。在一个具体实施例中，仅采用一条管道作为取热管道30，该取热管道30沿着壳体10的轴线方向设置。

在一些实施例中，如图3所示，肋片14的外端与所述壳体10的内壁面连接。在另一些实施例中，肋片14的外端与所述壳体10的内壁面之间设置有空隙，如图4所示。

为了防止热辐射造成的能量损失，在壳体10的外表面设置有隔热层。

当取热管道30仅为一条，且经过壳体10的轴线时，托盘20呈环形。托盘20的中部为供所述取热管道30通过的环形孔，多个通孔21环绕该环形孔分布。防止热化学储能材料通过通孔21渗漏，通孔21覆盖有金属网，以实现隔离的目的。

每个托盘20上通孔的数量至少为相邻的一个容纳仓中肋片14的数目的两倍，以使得每个扇形区域15至少具有两个通孔21，以便与次级容纳仓11中的两个扇形区域15连通。

蒸汽入口12一般为环形成组的圆孔，为了使吹入的混合蒸汽在储热材料中均匀扩散，蒸汽入口12的数目为多个，且均匀分布。

在一个具体实施例中，壳体10的顶部端面设置有十二个蒸汽入口12，其底部端面设置有六个蒸汽出口13。各托盘20上设置有十二通孔21。壳体10内部通过三个托盘20分各成四个容纳仓11。每个容纳仓11通过四个肋片14分隔为四个扇形区域15。相邻两个容纳仓11中肋片14交错分布，使得前级容纳仓11中的任意一个扇形区域15与次级容纳仓11中的两个扇形区域15连通。

在该实施例中，自蒸汽入口12至蒸汽出口13，各容纳仓11中的热化学储能材料的孔隙率依次为：0.8,0.6,0.4,0.2。

在该实施例中，为了防止实验时氧化镁粉末被空气中二氧化碳/水分子影响，初始条件下需将反应器内部抽为真空状态。

在该实施例中，混合蒸汽的初始压力定义为2×10⁵Pa，即两个大气压。

在该实施例中，混合蒸汽的质量流量为630g/h，其中水蒸气和氮气的混合比例为1:2,亦即水蒸气质量流量为210g/h，氮气质量流量为420g/h。

本实施例的热化学储热反应系统工作时，首先向取热管道30中通入取热流体，使取热过程通畅，预备取热，然后将混合蒸汽发生器管路调节至所设计的质量流量，打开混合蒸汽通行阀门，将混合蒸汽通过压力的形式注入反应器中。

实例中，取热流体是按照自上而下进行取热，而反应器(壳体)内混合蒸汽是自下而上通入扩散，放热/取热为逆行过程。

实例中，通过上述设定，由于初始反应器内空间为真空状态，当水蒸气注入的一瞬间，混合蒸汽迅速反应器内各位置渗透，但浓度较低，发生轻度的水合反应，放出部分热量。随后，由于反应器内的最底层孔隙率为0.8的氧化镁与大量水蒸气发生水合反应，放热最快，转化速率也最快，首先完成放热/取热过程，转化率达到100％。此时孔隙率为0.2、孔隙率为0.4、孔隙率为0.6的各层容纳仓11也发生部分水合反应，但整体来看，越接近蒸汽入口段，反应程度越高，放出过程越早，转化过程也越快。反应过程中，反应器内转化状况如图5所示，可以看到20min左右第一层容纳仓11内材料转化率达到98％，转化状况正逐层向孔隙率为0.2、孔隙率为0.4、孔隙率为0.6的各层推进，由于中间取热单元的存在，材料水合放出的热量被取热流体逐渐连续带走，促使放热反应的平衡方程进一步向右推进，所以靠近取热管道的转化率较高，外侧绝热壁面的转化率相对较低，可见中间取热单元的设计对提高反应过程的转化速率有明显的促进意义。

然而，即便实例中反应过程如此，由于材料本身导热系数较低，各层内远离取热管道的热量积聚，使整体转化速度还是较低，导致反应时间拉长。为了解决这个问题，特在反应器内设置多组径向肋片，以强化反应器内热量的传递过程，结构图如图1、2所示。我们对此进行了有无肋片的数值过程对比，通过图6可以看到，无肋片的情况下，平衡放热过程持续至16-17min左右，并在25min时降至402℃，而加装肋片以后，平衡状态持续时间降至10min左右，也就是10min左右该点即放热完毕，并在25min时温度降至360℃左右。数据对比发现，加装/不加装肋片效果明显，加装肋片以后，强化传热效果明显。除此以外在图5中可以看到，靠近金属托盘的位置材料的转化进度较快，转化速率也有了较为明显的提高，说明金属托盘除了可以具有隔离材料、承载重量的功能之外，还可以作为反应器内一种强化传热的结构存在。

以上说明，梯度孔隙下多肋片强化传热的热化学储热反应器设计可以有效地针对整个反应器内的转化状况进行优化，加装肋片之后，平衡放热过程变短，温降迅速，起到了较为明显的强化传热效果

以上的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热化学储热反应器，其特征在于包括：

柱状的壳体(10)；

多数量的托盘(20)，间隔分布在所述壳体(10)中，将所述壳体(10)沿轴向分隔为多个用于容纳热化学储能材料的容纳仓(11)；

管状的取热管道(30)，依次穿过各所述容纳仓(11)；

所述壳体(10)的一个端板开设有蒸汽入口(12)，另一端板开设有蒸汽出口(13)；各所述托盘(20)上开设有多数量的供混合蒸汽通过的通孔(21)；自所述蒸汽入口(12)至所述蒸汽出口，各所述容纳仓(11)中的热化学储能材料的孔隙率依次降低；

所述容纳仓(11)内部设置有多个呈放射状排列的肋片(14)，将所述容纳仓(11)划分为多个扇形区域(15)；所述肋片(14)的内端与所述取热管道(30)的外壁面连接。

2.根据权利要求1所述的一种热化学储热反应器，其特征在于：所述热化学储能材料包括多孔基体以及附着在基体上且具有热化学储能特性的基质。

3.根据权利要求1所述的一种热化学储热反应器，其特征在于：所述热化学储能材料的基质包括钙基复合储热材料、镁基复合储热材料。

4.根据权利要求1所述的一种热化学储热反应器，其特征在于：由所述蒸汽入口通入的混合蒸汽为水蒸气和惰性气体的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种热化学储热反应器，其特征在于：所述壳体(10)的外表面设置有隔热层。

6.根据权利要求1所述的一种热化学储热反应器，其特征在于：对于相邻的两个容纳仓(11)，一个容纳仓(11)中的某个扇形区域(15)与另一容纳仓(11)中的至少两个扇形区域(15)通过所述托盘(20)的通孔(21)连通。

7.根据权利要求1所述的一种热化学储热反应器，其特征在于：所述托盘(20)呈环形，中部为供所述取热管道(30)通过的环形孔，各所述通孔(21)环绕该环形孔分布；所述通孔(21)覆盖有金属网。

8.根据权利要求1所述的一种热化学储热反应器，其特征在于：

所述肋片(14)的外端与所述壳体(10)的内壁面连接；

或者，所述肋片(14)的外端与所述壳体(10)的内壁面之间设置有空隙。

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