CN117663872A - 一种热化学储能器、换热系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热储能设备技术领域，具体涉及一种热化学储能器、换热系统及使用方法。一种热化学储能器，包括：密封壳，包括贯通设置的壳体、第一封头和第二封头，第一壳体和第二壳体分别与壳体两端固定连接，以形成容纳空间，第一封头和第二封头分别设有通孔；气体支管，设于所述壳体的壳壁上，所述气体支管与壳体贯通设置，气体支管适于充入反应气体；反应板，设于容纳空间内，反应板的至少一侧设有反应槽，反应槽内适于容纳热化学储能材料，所述反应板内设有换热流道，换热流道分别与第一封头和第二封头的通孔贯通设置。本发明解决热化学储热反应器多采用材料支架填充入反应器内部，不利于反应物气相的扩散渗透，传递给流体的效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及热储能设备技术领域，具体涉及一种热化学储能器、换热系统及使用方法。
背景技术
目前人类最主要的常规热能来源是化石燃料的燃烧。作为人类生存和发展的重要物质基础，煤炭、石油、天然气等化石能源的利用伴随着人类文明的进步及社会经济的发展。然而由于化石能源的不可再生性及消耗量的剧增，目前其在逐渐走向枯竭。为了寻求更稳定的能源来源摆脱化石能源的局限性，新能源成为新的发展方向。绿色能源(太阳能、风能、海洋能、地热能)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。其中，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，并根据储能温度范围和储能密度的不同应用于不同的场合。
热化学储能技术作为一种高效储热方式，具有储能密度高、工作温度范围广、存储时间长、可移动储热/供热等特点，在废热回收等领域已广泛应用，且能显著提升热能品质。但热化学储能系统充放热过程中对传热效果的要求较高，整体筒状或者槽式等一般结构的热化学储热反应器，多采用材料直接填充入反应器内的方式，这就使得固体储能材料受自身重力影响堆积程度密集，不利于反应物气相的扩散渗透，传递给流体的效率较低，反应器内部整体传热性能不好加剧了整个装置温度分布不平衡的问题，削弱反应性能。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的热化学储热反应器多采用材料支架填充入反应器内部，不利于反应物气相的扩散渗透，传递给流体的效率低的问题，从而提供一种热化学储能器、换热系统及使用方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种热化学储能器，包括：
密封壳，所述密封壳包括贯通设置的壳体、第一封头和第二封头，所述第一壳体和第二壳体分别与壳体两端固定连接，以形成容纳空间，所述第一封头和第二封头分别设有通孔；
气体支管，设于所述壳体的壳壁上，所述气体支管与壳体贯通设置，所述气体支管适于充入反应气体；
反应板，设于所述容纳空间内，所述反应板的至少一侧设有反应槽，所述反应槽内适于容纳热化学储能材料，所述反应板内设有换热流道，所述换热流道分别与第一封头和第二封头的通孔贯通设置。
可选地，所述反应板的两侧分别设有反应槽，两侧的反应槽之间设有扰流柱，所述扰流柱设于换热流道内。
可选地，所述反应板的长度方向与壳体的长度方向一致，所述壳体为筒状。
可选地，所述反应板沿长度方向的两端分别设有缓冲罐，所述缓冲罐与换热流道间通过流体支管连通，所述缓冲罐背离流体支管的一端设有连接管，所述连接管与通孔连通。
可选地，同侧的相邻所述反应槽间设有支撑板，所述热化学储能材料的表面还覆盖有透气网层。
可选地，还包括电加热棒，所述电加热棒埋设于反应槽内。
一种换热系统，包括上述的热化学储能器。
可选地，还包括真空泵、蒸汽发生器、流体泵、换热器、冷却器、进液管路和出液管路，所述密封壳的两端分别与进液管路和出液管路连通，所述气体支管连接有气体主管，所述真空泵、冷却器和蒸汽发生器分别通过管路与气体主管连通。
一种换热系统的使用方法，先通过气体支管对壳体内的容纳空间抽真空，再通过气体支管向壳体内通入反应气体，反应气体与热化学储能材料发生反应，换热流体经第一封头的通孔进入流体，流体经流道换热后再在第二封头的通孔流出，或，流体经第二封头的通孔进入，流体经换热流道换热后再在第一封头的通孔流出。
可选地，包括以下步骤：
1)放热模式，将反应槽内填满CaO颗粒，打开筒体外的加热带将壳体预热至预设温度，打开真空泵及真空泵所在管路上的电磁阀，通过气体支管将壳体内进行抽真空，关闭真空泵及真空泵所在管路上的电磁阀，打开蒸汽发生器及蒸汽发生器所在管路上的电磁阀，蒸汽发生器产生水蒸气通过气体支路进入壳体内，由于壳体内真空度的存在，饱和水蒸气通过透气网层与CaO颗粒发生水合反应，这一过程中生成Ca(OH)2并释放大量热量，热量同时进入换热流道，换热流体由动力泵提供动力经进液管路进入换热流道内，在换热流道内被反应释放出的热量加热后形成热流，经缓冲罐汇集后到达出液管路，从而完成热量快速置换；
2)吸热模式，打开真空泵及真空泵所在管路上的电磁阀，通过气体支管将壳体内进行抽真空，关闭真空泵及真空泵所在管路上的电磁阀，打开电加热棒对反应槽内的Ca(OH)2进行加热，生成的水蒸气透过透气网层进入壳体内，再通过气体支管进入冷却器，Ca(OH)2经吸热生成CaO颗粒，以完成能量的存储。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的热化学储能器，包括：密封壳，包括贯通设置的壳体、第一封头和第二封头，第一封头和第二封头分别与壳体两端固定连接以形成容纳空间，第一封头和第二封头分别设有通孔；气体支管，设于壳体的壳壁上，气体支管与壳体贯通设置，气体支管适于充入反应气体；反应板，设于容纳空间内，反应板至少一侧设有反应槽，反应槽内适于容纳热化学储能材料，反应板内设有换热流道，换热流道分别与第一封头和第二封头的通孔贯通设置。先通过气体支管对壳体内的容纳空间抽真空，再通过气体支管向壳体内通入反应气体，使反应气体充满整个容纳空间，反应气体与热化学储能材料发生反应，换热流体经第一封头的通孔进入流体，流体经流道换热后再在第二封头的通孔流出，或，流体经第二封头的通孔进入，流体经换热流道换热后再在第一封头的通孔流出。通过在反应槽内容纳热化学储能材料，通过气体与热化学储能材料发生反应，使气体遍布于整个壳体内，实现反应槽内的放热或吸热，使流经换热流道后升温或降温，由于气体与热化学储能材料反应充分，使得热量在壳体内快速、充分交换，保证了壳体内温度的平衡性，还可提高反应的速率。
2.本发明提供的热化学储能器，反应板的两侧分别设有反应槽，两侧的反应槽间设有扰流柱，扰流柱设于换热流道内，两侧设置反应槽可以提升反应的效率。扰流柱的设置，一方面增强反应板内部换热流道的强度、另一方面增强换热流道内流体与反应槽的换热能力。
3.本发明提供的热化学储能器，反应板的长度方向与壳体的长度方向一致，壳体为筒状，以沿壳体长度方向布置反应板，使反应板的反应槽尽可能地与空气接触。
4.本发明提供的热化学储能器，反应板沿长度方向的两端分别设有缓冲罐，缓冲罐与换热流道间通过流体支管连通，缓冲罐背离流体支管的一端设有连接管，所述连接管与通孔连通。通过连接管与封头进行连接，使流体经连接管到底缓冲罐，再由缓冲罐经流体支管进入换热流道内。
5.本发明提供的热化学储能器，同侧的相邻反应槽间设有支撑板，热化学储能材料的表面还覆盖有透气网层。支撑板以提升反应板整体的结构强度，透气网层可以阻止热化学储能材料流出，还可使气体分子穿过以与热化学储能材料发生反应。
6.本发明提供的热化学储能器，还包括电加热棒，电加热棒埋设于反应槽内，当需要吸热时，加热电加热棒，电加热棒为热化学储能材料提供热量，以实现吸热。
7.本发明提供的换热系统，包括上述的热化学储能器，还包括真空泵、蒸汽发生器、流体泵、换热器、冷却器、进液管路和出液管路，密封壳的两端分别与进液管路和出液管路连通，气体支管连接有气体主管，真空泵、冷却器和蒸汽发生器分别通过管路与气体主管连通，以形成换热系统，实现吸热和放热的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施方式中提供的热化学储能器的示意图；
图2为本发明的实施方式中提供的反应板的示意图；
图3为本发明的实施方式中提供的反应板的主视图；
图4为本发明的实施方式中提供的热化学储能器的一种截面示意图；
图5为本发明的实施方式中提供的热化学储能器的另一种截面示意图；
图6为本发明的实施方式中提供的换热系统的示意图。
附图标记说明：1、壳体；2、透气网层；3、反应槽；4、支撑板；5、换热流道；6、连接管；7、缓冲罐；8、气体支管；9、扰流柱；10、第一封头；11、电加热棒；12、第二封头；13、流体泵；14、流量计；15、预热器；16、密封壳；17、换热器；18、水箱；19、冷却器；20、真空泵；21、流体支管；22、进液管路；23、出液管路；24、气体主管；25、蒸汽发生器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1－6所示的热化学储能器的一种具体实施方法，包括：密封壳16、设于密封壳16内的反应板、以及设于密封壳16的壳壁上的气体支管8。
如图1所示，密封壳16包括贯通设置的壳体1、第一封头10和第二封头12，其中，第一封头10和第二封头12分别与壳体1的两端通过螺栓固定连接，第一封头10和第二封头12分别设有通孔。如图1所示，壳体1为圆形，由壳体1、第一封头10和第二封头12组成密封的容纳空间。其中，壳体1外包裹有保温棉和加热带、壳体1内设有温度计。
如图1所示，密封壳16的壳体1的侧壁上设有三根气体支管8，且每一气体支管8分别与壳体1贯通设置。
如图2、图3、图4所示，反应板设于密封壳16内，反应板的长度方向与壳体1的长度方向一致，即，反应板沿壳体1的长度方向布置，反应板的两侧分别设有一个反应槽3，两个反应槽3间为换热流道5，换热流道5内设有若干个横截面为圆形的扰流柱9，扰流柱9以连接两个换热流道5，且反应槽3的长度方向与壳体1的长度方向一致。如图2、图3所示，反应板沿长度方向的两端分别设有缓冲罐7，缓冲罐7与换热流道5间通过流体支管21连通，缓冲罐7背离流体支管21的一端设有连接管6，连接管6与通孔连通。需要注意的是，如图3所示，反应板的一个连接管6长度大于另一个连接管6，原因在于，较短连接管6为钢管，较短连接管6与封头固定连接，较长连接管6为金属软管，金属软管长度有富余，在拆除过程中便于进行抽拉，待封头与壳体1分离后，由于金属软管分离而使封头和壳体1存在间隙，便于将金属软管与封头进行分离。如图2、图3、图4所示，反应板的同一侧的相邻的反应槽3间设有支撑板4，反应槽3内容纳有热化学储能材料，且热化学储能材料的表面还覆盖有透气网层2，需要注意的是，反应槽3在必要时要做防腐处理。具体的，热化学储能材料为CaO颗粒。此外，每一侧的反应槽3内还埋设有电加热棒11。
一种换热系统，包括上述的热化学储能器，还包括真空泵20、蒸汽发生器25、流体泵13、换热器17、冷却器19、进液管路22和出液管路23，其中，密封壳16的两端分别与进液管路22和出液管路23连通，气体支管8连接有气体主管24。如图6所示，进液管路22朝向热化学储能器的方向依次设有流体泵13、流量计14、预热器15，出液管路23上设有换热器17。如图6所示，真空泵20、冷却器19和蒸汽发生器25分别通过管路与气体主管24连通，且真空泵20、冷却器19和蒸汽发生器25的管路上分别设有电磁阀，其中，冷却器19还连接有水箱18。
为实现自动控制，还包括控制器，控制器分别与真空泵20、流体泵13、冷却器19、温度计、蒸汽发生器25、电磁阀等线路连接。
一种换热系统的使用方法，包括以下步骤：
1)放热模式，将反应槽3内填满CaO颗粒，打开筒体外的加热带将壳体1预热至预设温度，打开真空泵20及真空泵20所在管路上的电磁阀，通过气体支管8将壳体1内进行抽真空，关闭真空泵20及真空泵20所在管路上的电磁阀，打开蒸汽发生器25及蒸汽发生器25所在管路上的电磁阀，蒸汽发生器25产生水蒸气通过气体支路进入壳体1内，水蒸气充满整个壳体1，由于壳体1内真空度的存在，饱和水蒸气通过透气网层2与CaO颗粒发生水合反应，这一过程中生成Ca(OH)2并释放大量热量，热量同时进入换热流道5，换热流体由动力泵提供动力经进液管路22进入换热流道5内，在换热流道5内被反应释放出的热量加热后形成热流，经缓冲罐7汇集后到达出液管路23，从而完成热量快速置换；
2)吸热模式，打开真空泵20及真空泵20所在管路上的电磁阀，通过气体支管8将壳体1内进行抽真空，关闭真空泵20及真空泵20所在管路上的电磁阀，打开电加热棒11对反应槽3内的Ca(OH)2进行加热，生成的水蒸气透过透气网层2进入壳体1内，再通过气体支管8进入冷却器19，Ca(OH)2经吸热生成CaO颗粒，以完成能量的存储。
作为一种替代的实施方式，壳体1还可为矩形等其它形状。
作为一种替代的实施方式，扰流柱9的横截面还可为矩形等其它形状。
作为一种替代的实施方式，吸热模式时，还可不通过电加热棒11进行加热，而是通入余热流体形式，由换热流道5进入温度较高的余热流体，使Ca(OH)2经吸热生成CaO颗粒，余热流体的来源可为高温烟道排气、废水废气余热等。
作为一种替代的实施方式，如图5所示，壳体1内的可采用多块反应板排列形式，以增加储热容量，板与板件留有一定缝隙，保证反应气体与热化学储能材料反应。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种热化学储能器，其特征在于，包括：
密封壳(16)，所述密封壳(16)包括贯通设置的壳体(1)、第一封头(10)和第二封头(12)，所述第一壳体(1)和第二壳体(1)分别与壳体(1)两端固定连接，以形成容纳空间，所述第一封头(10)和第二封头(12)分别设有通孔；
气体支管(8)，设于所述壳体(1)的壳壁上，所述气体支管(8)与壳体(1)贯通设置，所述气体支管(8)适于充入反应气体；
反应板，设于所述容纳空间内，所述反应板的至少一侧设有反应槽(3)，所述反应槽(3)内适于容纳热化学储能材料，所述反应板内设有换热流道(5)，所述换热流道(5)分别与第一封头(10)和第二封头(12)的通孔贯通设置。
2.根据权利要求1所述的热化学储能器，其特征在于，所述反应板的两侧分别设有反应槽(3)，两侧的反应槽(3)之间设有扰流柱(9)，所述扰流柱(9)设于换热流道(5)内。
3.根据权利要求1所述的热化学储能器，其特征在于，所述反应板的长度方向与壳体(1)的长度方向一致，所述壳体(1)为筒状。
4.根据权利要求2所述的热化学储能器，其特征在于，所述反应板沿长度方向的两端分别设有缓冲罐(7)，所述缓冲罐(7)与换热流道(5)间通过流体支管(21)连通，所述缓冲罐(7)背离流体支管(21)的一端设有连接管(6)，所述连接管(6)与通孔连通。
5.根据权利要求4所述的热化学储能器，其特征在于，同侧的相邻所述反应槽(3)间设有支撑板(4)，所述热化学储能材料的表面还覆盖有透气网层(2)。
6.根据权利要求5所述的热化学储能器，其特征在于，还包括电加热棒(11)，所述电加热棒(11)埋设于反应槽(3)内。
7.一种换热系统，其特征在于，包括权利要求1－6任一项所述的热化学储能器。
8.根据权利要求7所述的换热系统，其特征在于，还包括真空泵(20)、蒸汽发生器(25)、流体泵(13)、换热器(17)、冷却器(19)、进液管路(22)和出液管路(23)，所述密封壳(16)的两端分别与进液管路(22)和出液管路(23)连通，所述气体支管(8)连接有气体主管(24)，所述真空泵(20)、冷却器(19)和蒸汽发生器(25)器分别通过管路与气体主管(24)连通。
9.一种换热系统的使用方法，用于使用权利要求7所述的换热系统，其特征在于，先通过气体支管(8)对壳体(1)内的容纳空间抽真空，再通过气体支管(8)向壳体(1)内通入反应气体，反应气体与热化学储能材料发生反应，换热流体经第一封头(10)的通孔进入流体，流体经流道换热后再在第二封头(12)的通孔流出，或，流体经第二封头(12)的通孔进入，流体经换热流道(5)换热后再在第一封头(10)的通孔流出。
10.根据权利要求9所述的换热系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)放热模式，将反应槽(3)内填满CaO颗粒，打开筒体外的加热带将壳体(1)预热至预设温度，打开真空泵(20)及真空泵(20)所在管路上的电磁阀，通过气体支管(8)将壳体(1)内进行抽真空，关闭真空泵(20)及真空泵(20)所在管路上的电磁阀，打开蒸汽发生器(25)及蒸汽发生器(25)所在管路上的电磁阀，蒸汽发生器(25)产生水蒸气通过气体支路进入壳体(1)内，由于壳体(1)内真空度的存在，饱和水蒸气通过透气网层(2)与CaO颗粒发生水合反应，这一过程中生成Ca(OH)2并释放大量热量，热量同时进入换热流道(5)，换热流体由动力泵提供动力经进液管路(22)进入换热流道(5)内，在换热流道(5)内被反应释放出的热量加热后形成热流，经缓冲罐(7)汇集后到达出液管路(23)，从而完成热量快速置换；
2)吸热模式，打开真空泵(20)及真空泵(20)所在管路上的电磁阀，通过气体支管(8)将壳体(1)内进行抽真空，关闭真空泵(20)及真空泵(20)所在管路上的电磁阀，打开电加热棒(11)对反应槽(3)内的Ca(OH)2进行加热，生成的水蒸气透过透气网层(2)进入壳体(1)内，再通过气体支管(8)进入冷却器(19)，Ca(OH)2经吸热生成CaO颗粒，以完成能量的存储。
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