CN208382956U - 一种螺旋板式热化学高温储释能反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高温热能存储技术领域，公开了一种螺旋板式热化学高温储释能反应装置，包括壳体，所述壳体的上端设有水蒸气出口，所述壳体的底部设有排水口，所述壳体的下端设有水蒸气入口，所述壳体内部设有栅栏板和反应器，所述反应器包括第一螺旋通道和第二螺旋通道，此第一螺旋通道和第二螺旋通道并列卷绕并贴紧，所述第一螺旋通道的入口端与入口管的一端连接，此入口管的另一端穿出第二壳体的侧壁，所述第一螺旋通道的出口端与出口管的一端连接，此出口管的另一端穿出第二壳体的侧壁，其有益效果在于：本实用新型中具有两个较长的螺旋通道，流体在流体螺旋通道中可以进行均匀的加热和冷却，且其结构紧凑极大得提高了热利用率。

Description

一种螺旋板式热化学高温储释能反应装置

技术领域

本实用新型涉及高温热能存储技术领域，具体涉及一种螺旋板式热化学高温储释能反应装置。

背景技术

在当今世界范围内，化石能源的燃烧会产生大量的温室气体和其他有毒有害气体及粉尘，带来了一系列的环境污染问题。因此，可再生清洁能源的开发与利用受到了人们的关注。太阳能是一种分布广泛、清洁环保的能源，高效利用太阳能可以缓解当今能源问题和环境污染问题，优化能源结构。

聚集式高温太阳热能电站将太阳能转化为电能。然而，太阳能具有间歇性、难以持续供应等特点，因此提高热能存储技术是大规模发展太阳能热力发电的关键。

目前，热能存储方式主要包括有：显热储能、潜热储能和热化学储能三种方式。

显热储能是指通过储能介质温度的变化来实现热量的储存。显热储能成本低、技术成熟，但也存在长时间储存时热损失大、储能密度低、所需储能装置庞大等缺点，因而不适用于大规模热力发电。潜热储能又称相变储能，主要是通过储能材料发生相变时吸收或释放热量来进行热量的存储与释放。潜热储能密度比显热较大，储能系统体积比显热较小，但潜热储能存在热导率小、储能温度低、热损失大、储能周期有限等不足。

热化学储能通过可逆化学反应，利用反应过程中的反应焓进行储能，是一种高效的储能手段。与其他储能方式相比，热化学储能具有的储能密度大(100～500kW·h/m3)、能在环境温度下实现长期无热损储存、适合长距离运输等优点特性，为太阳热能的高温高效转换、储存及传输提供了一种极具发展前景的方法。热化学储能能够克服太阳能的间歇性，实现热量的持续供给，特别适用于电厂峰谷负荷调节，并于尖峰发电时释放出热能，推动汽轮机发电。

理论上说，任何存在吸热/放热的可逆化学反应都可以用于热能存储。但目前研究的较为合适的热化学储能反应体系主要有：金属氢化物的热分解、氧化物和过氧化物的分解、氢氧化钙/氧化钙的转换等反应体系。为了使热化学储能系统更高效地运行，除了储能材料的选择至关重要，对储能反应器的设计也是亟待解决的关键技术。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种实现高温热能与化学能相互转化，并将产生的高品质热能用于各项工业的螺旋板式储释能反应装置。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：一种螺旋板式热化学高温储释能反应装置，包括壳体，所述壳体的上端设有水蒸气出口，所述壳体的底部设有排水口，所述壳体的侧壁下端设有水蒸气入口，所述壳体内部设有栅栏板和反应器，此反应器通过栅栏板安装于水蒸气出口和水蒸气入口之间，所述反应器包括第一螺旋通道和第二螺旋通道，此第一螺旋通道和第二螺旋通道并列卷绕并贴紧，所述第一螺旋通道中装载有流体，所述第二螺旋通道中填充反应介质，所述第一螺旋通道的入口端与入口管的一端连接，此入口管的另一端穿出第二壳体的侧壁，所述第一螺旋通道的出口端与出口管的一端连接，此出口管的另一端穿出第二壳体的侧壁，所述水蒸气入口和水蒸气出口之间通过第二螺旋通道连通，其中所述反应介质为第一反应介质或第二反应介质，储能过程：第一反应介质吸热分解成第二反应介质和水蒸气，释能过程：第二反应介质与水蒸气反应生成第一反应介质并放出热量，所述第一反应介质为掺杂膨化石墨的氢氧化钙或氢氧化镁，所述第二反应介质为与第一反应介质相对应的掺杂了膨化石墨的氧化钙或氧化镁。

进一步地，所述第一螺旋通道包括第一卷绕层和呈半圆柱状的第一芯层，所述第一卷绕层的内端和第一芯层连接，所述第二螺旋通道包括第二卷绕层和呈半圆柱状的第二芯层，所述第二卷绕层的内端和第二芯层连接；所述第一芯层的矩形侧壁与第二芯层的矩形侧壁贴紧，所述第一卷绕层和第二卷绕层并列卷绕贴紧；所述入口管的一端与第一卷绕层的外端连接，所述出口管的一端与第一芯层的顶端连接。

进一步地，所述第二卷绕层和第二芯层的内腔中均设有不锈钢制成的蜂窝结构。

进一步地，所述第一卷绕层的内腔中设有均匀分布的定距柱。

进一步地，所述壳体包括第一壳体、第二壳体和第三壳体，所述第一壳体通过第一法兰与第二壳体的上端连接，所述第三壳体通过第二法兰与第二壳体的下端连接，所述反应器位于第二壳体的内腔中，所述水蒸气出口安装于第一壳体的顶端，所述排水口安装于第三壳体的底部，所述水蒸气入口安装于第三壳体的侧壁下端。

进一步地，所述第三壳体的内腔中安装有气体分配板，且所述气体分配板安装于水蒸气入口的上方，所述气体分配板上具有三个以上的气孔，所述气孔在气体分配板上均匀分布。

进一步地，所述栅栏板包括连接杆和连接板，所述连接杆安装在连接板的两侧，所述连接杆通过第二法兰与第二壳体的侧壁连接，所述连接板为网状结构，所述反应器安装于连接板上。

进一步地，所述壳体外部被保温层包裹，所述第三壳体的底部安装立式支座。

进一步地，所述反应器的当量直径(DN)为700～800mm，所述入口管、出口管的公称直径(dn)为65～100mm，所述反应器的承压能力PN≤1.6MPa，其中第一螺旋通道、第二螺旋通道的宽度(b)为6～14mm，不锈钢板的厚度(Φ)为2～3mm，不锈钢板的高度(H)为500～800mm。

进一步地，所述第一螺旋通道、第二螺旋通道均采用不锈钢材质的螺旋板，

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点：

1、可控度高、热传递效果好，流体在第一螺旋通道中可以进行均匀的加热和冷却，能够精确地控制第一螺旋通道出口管中流体的温度。储能时，被加热的热流体流入第一螺旋通道中，将自身热量传递给第二螺旋通道中的第一反应介质，使得第一反应介质吸热发生分解反应生成第二反应介质和水蒸气，释能时，第二螺旋通道中的第二反应介质和水蒸气反应生产氢氧化钙和大量的热产生第一介质并发出大量的热，大量的热通过壁面的热传递作用，对第一螺旋通道中的流体加热，用于供暖或发电。通过对第一螺旋通道出口管中流体温度变化的测量，反馈于对流体流速进行适当的调节，从而实现对反应过程中反应速率的控制，以及对热量交换的速率和热利用效率的控制。

2、设计合理，热利用率高，该反应装置的双螺旋通道结构使其与其他反应器相比，在同等的体积条件下具有更大的传热面积，同时双螺旋通道结构紧凑又使得该装置的外表面积较小，与外部环境对流热损失少，极大得提高了热利用率。

3、结构简单、操作方便，该反应装置易于拆卸和组装，壳体采用分体设计，分成第一壳体、第二壳体、第三壳体，其中，第一壳体、第二壳体、第三壳体之间通过法兰连接，法兰相连处有橡胶垫圈密封，拆卸和组装简单方便，可以模块化组合该反应装置，以适应不同功率的供暖和热力发电需要。

4、绿色环保、污染小，可充分利用太阳能，以氢氧化钙/氧化钙(或氢氧化镁/氧化镁)为储能介质，在第二螺旋通道中发生可逆反应：

实现太阳能以化学能的形式长久、稳定储存，且不产生副反应，储能过程中：第一反应介质受热分解生成第二反应介质和水蒸气，产生的水蒸气可透过蜂窝状不锈钢网从水蒸气出口排出，实现水蒸气和反应产物氧化钙的气固分离。当需要热能时，第二反应介质和水蒸气发生水合反应放出大量的热量来提供高品位热能。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中反应器的俯视图；

图3是图2沿A-A向的剖面结构示意图；

图4是本实用新型中第一螺旋通道内部的结构示意图；

图5是本实用新型中栅栏板的结构示意图；

图6是本实用新型中气体分配板的结构示意图；

图中，1、第一壳体；2、第二壳体；3、第三壳体；4、水蒸气出口；5、反应器；6、排水口；7、水蒸气入口；8、栅栏板；9、第一螺旋通道；10、第二螺旋通道；11、入口管；12、出口管；13、蜂窝状不锈钢网；14、端盖；15、定距柱；16、气体分配板；17、气孔；18、连接杆；19、连接板；20、保温层；21、立式支座；22、第一法兰；23、第二法兰；24、第一芯层；25、第一卷绕层；26、第二芯层；27、第二卷绕层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1-3(图1中的反应器与图3均为图2沿A-A向的剖面结构示意图，图1的反应器中省略了定距柱和蜂窝状不锈钢网，图3中省略了第一螺旋通道中的定距柱)所示的一种螺旋板式热化学高温储释能反应装置，包括壳体，所述壳体的上端设有水蒸气出口4，所述壳体的底部设有排水口6，所述壳体的侧壁下端设有水蒸气入口7，所述壳体内部设有栅栏板8和反应器5，此反应器5通过栅栏板8安装于水蒸气出口4和水蒸气入口7之间，所述反应器5包括第一螺旋通道9和第二螺旋通道10，此第一螺旋通道9和第二螺旋通道10并列卷绕并贴紧，所述第一螺旋通道9中装载有流体，所述第二螺旋通道10中填充反应介质，所述第一螺旋通道9的入口端与入口管11的一端连接，此入口管11的另一端穿出第二壳体2的侧壁，所述第一螺旋通道9的出口端与出口管12的一端连接，此出口管12的另一端穿出第二壳体2的侧壁，所述水蒸气入口7和水蒸气出口4通过第二螺旋通道10连通。其中所述反应介质为第一反应介质或第二反应介质，储能过程：第一反应介质吸热分解成第二反应介质和水蒸气，释能过程：第二反应介质与水蒸气反应生成第一反应介质和热量，所述第一反应介质为掺杂膨化石墨的氢氧化钙或氢氧化镁，所述第二反应介质为与第一反应介质相对应的掺杂了膨化石墨的氧化钙或氧化镁，在反应介质中掺杂膨化石墨是为了提高反应介质的蓬松度，有利于反应的进行，为了防止反应介质从第二螺旋通道10中脱落并且预防反应介质发生结块，在反应介质的外部包裹蜂窝状不锈钢网13，第一螺旋通道9中的流体为重油，流体从入口管11流入第一螺旋通道9中并从出口管12排出第一螺旋通道9，第一螺旋通道9和第二螺旋通道10相互贴近有利于二者之间热量的传递，提高了热交换效率。

如图2-3所示，(图3是图2沿A-A向的剖面结构示意图，图3中省略了第一螺旋通道9中的定距柱15)所述第一螺旋9通道包括第一卷绕层25和呈半圆柱状的第一芯层24，所述第一卷绕层25的内端和第一芯层24连接，所述第二螺旋通道10包括第二卷绕层27和呈半圆柱状的第二芯层26，所述第二卷绕层27和第二芯层26连接；所述第一芯层24的矩形侧壁与第二芯层26的矩形侧壁贴紧，所述第一卷绕层25的内端和第二卷绕层27并列卷绕贴紧；所述入口管11的一端与第一卷绕层25的外端连接，所述出口管12的一端与第一芯层24的顶端连接，这样设置的目的是为了使流体能克服重力向上流动与第二螺旋通道10中发生的化学反应进行充分的热交换，第一芯层24与第二芯层26并列紧贴，第一卷绕层25与第二卷绕层27并列卷绕紧贴，是为了加快导热速度，提高热量的利用率。

如图3所示(图3是图2沿A-A向的剖面结构示意图，图3中省略了第一螺旋通道9中的定距柱15)，所述第二卷绕层27和第二芯层26的内腔中设有不锈钢制成的蜂窝结构，蜂窝结构为蜂窝状不锈钢网13，并且预防反应介质结块。此蜂窝状不锈钢网13包裹在反应介质的外部，防止反应介质从第二螺旋通道10中脱落，并防止反应介质结块。

如图4所示，第一卷绕层25的内腔中设有均匀分布的定距柱15，在第一卷绕层25相邻的内腔中定距柱15呈间隔设置。第一螺旋通道9为密封结构，其出口端安装端盖14，端盖14与出口管12连通，第一卷绕层25的内腔中还安转定距柱15，定距柱15的宽度与第一卷绕层25的内腔内径相等，定距柱15的高度小于螺旋通道的高度，定距柱15使得第一螺旋通道9中的流体在流动时产生湍流，提高传热效率，而且定距柱15在第一螺旋通道9中起到支撑的作用，不但可以增加钢板的刚度还防止内腔的宽度变形。

如图1所示，所述壳体包括第一壳体1、第二壳体2和第三壳体3，所述第一壳体1通过第一法兰22与第二壳体2的上端连接，所述第三壳体3通过第二法兰23与第二壳体2的下端连接，所述反应器5位于第二壳体2的内腔中，所述水蒸气出口4安装于第一壳体1的顶端，所述排水口6安装于第三壳体3的底部，所述水蒸气入口7安装于第三壳体3的侧壁下端。第一壳体1、第二壳体2、第三壳体3的内腔相互连通，是为了水蒸气能够在壳体中流通以及当水蒸气遇冷凝结成液态水时方便排出，从而保证反应器5中的化学反应顺利进行。第一螺旋通道9将第二螺旋通道10包裹在内，这是为了在反应过程中提高热传递效率，降低热损失，第一螺旋通道9采用密封结构，防止其内部的流体泄露，第二螺旋通道10的上下两个截面开口，是为了方便水蒸气的进出以及排出水蒸气冷凝产生的水，栅栏板8为透气结构，在保证水蒸气可以顺利通过的同时，还对反应器5起到支撑作用。以氢氧化钙/氧化钙反应体系为例：反应器5中发生可逆反应： 其中，氢氧化钙受热分解成氧化钙和水蒸气为储能反应，氧化钙和水蒸气反应生成氢氧化钙和大量的热为释能反应。储能反应过程为：入口管11中流入被太阳能加热的热流体，热流体从入口管11流入第一螺旋通道9并从出口管12流出第一螺旋通道9而且通过第一螺旋通道9将热量传递给第二螺旋通道10中的氢氧化钙，从而驱动氢氧化钙的分解反应，生成氧化钙和水蒸气，实现热能向化学能的转换，其中，氧化钙停留在第二螺旋通道10中，水蒸气通过第一壳体1的水蒸气出口4排出；释能反应过程为：入口管11中流入待加热的冷流体，通过水蒸气入口7向第三壳体3输入蒸汽发生器加热产生的水蒸气，水蒸气根据动力学原理从第三壳体3流入第二壳体2，通过栅栏板8进入到第二螺旋通道10中，从而驱动第二螺旋通道10中的水合反应，氧化钙与水蒸气发生放热反应，生成氢氧化钙并放出大量的热，通过热传导效应，水合反应生成的热量将第一螺旋通道9的冷流体加热成热流体，热流体通过出口管12排出第二壳体2，用于供暖、发电或其它高温工业场合，当壳体中的水蒸气遇冷凝结成水珠时，根据重力作用从第三壳体3底部的排水口6排出。

如图1、图6所示，所述第三壳体3的内腔中安装有气体分配板16，且所述气体分配板16安装于水蒸气入口7与反应器5之间，所述气体分配板16上具有三个以上的气孔17，所述气孔17在气体分配板16上均匀分布，如图6所示，气孔17在气体分配板16上呈等边三角形分布使得穿过气体分配板16的水蒸气均匀地进入第二螺旋通道10中。

如图5所示，所述栅栏板8包括连接杆18和连接板19，所述连接杆18安装在连接板19的两侧，所述连接杆18通过第二法兰23与第二壳体2的侧壁连接，所述连接板19为不锈钢制成的网状结构，连接板19上均有开孔，开孔的大小由不锈钢网的目数决定，连接板19也可以由多个不锈钢网堆叠而成，连接板与第二螺旋通道10的内腔相匹配，水蒸气透过连接板进入到第二螺旋通道的内腔中。栅栏板8采用钢制结构制成，连接板19为圆形不锈钢网，不但有效的防止反应介质从第二螺旋通道10中脱落，还保证了水蒸气的顺利通过，水蒸气可以通过连接板19上的不锈钢网进入到第二螺旋通道10的内腔中，而且其钢制结构还可以起到支撑反应器5的作用，反应器与连接板通过螺栓固定连接。

如图1所示，所述壳体外部包裹保温层20，保温层20可以减少壳体与外界的热交换，提高热量的利用率，所述壳体的底部安装立式支座21，立式支座21用于支撑壳体，增加壳体的稳固性。

所述第一螺旋通道9中的流体为重油。

所述第一壳体1与第二壳体2之间通过第一法兰22连接，所述第二壳体2与第三壳体3之间通过第二法兰23连接，各区域间采用法兰连接，保证了本装置的拆卸和组装，法兰连接处还安装橡胶垫圈，保证壳体内部的密封性，在实际使用中可以通过模块化组装本反应装置，以适应不同功率的供暖或热力发电需要。

本装置的具体工作方式为(以氢氧化钙/氧化钙体系为例)：

储能过程：采用太阳热对流体进行加热，高温传热流体从入口管11流入到第一螺旋通道9内，通过第一螺旋通道9的内壁对第二螺旋通道10进行加热，第二螺旋通道10中的氢氧化钙受热发生分解反应，生成氧化钙和水蒸气，实现热能向化学能的转换，并以氧化钙的形式进行储能。产生的水蒸气穿过第二螺旋通道10从水蒸气出口排出，实现气固两相的分离。

释能过程：从水蒸气入口7向壳体内通入水蒸气，水蒸气经过气体分配板16进行蒸汽的分配。上升的水蒸气通过栅栏板8与第二螺旋通道10中的氧化钙接触发生水合放热反应。低温冷流体从入口管11流入到第一螺旋通道9内，吸收水合过程发出的大量热能后，从出口管12排出，得到的高温热流体可以用于供暖、发电或者其它高温工业场合。

其中不锈钢材质第一螺旋通道9与第二螺旋通道10并列紧贴环绕设置，可以提高导热速率，减少热量损失，使吸热、放热反应快速进行。

本方案实施所需部分设备材料安装参数详见下表：

本方案实施后，既充分利用太阳能资源，实现太阳能的合理开发与利用，又降低了能源消耗成本，提高社会经济效益，满足“节能降耗和环保减排”的要求。本方案直接对接一台150KW的大型供暖设备集中供热的接口，就可以带动5000m²的集中供暖，在保证高热效率的同时，节能高达70％以上，平均每月每平米的耗电量在5～8度左右。根据系统的储能和释能循环过程，按照每年的太阳热储能总量可供汽轮机持续工作100天计算，相对于目前我国的100W的火力发电来说，可以有效减少CO₂排放约20000吨/年。

上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例，并不能对本实用新型进行限定，其他的任何未背离本实用新型的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺旋板式热化学高温储释能反应装置，包括壳体，所述壳体的上端设有水蒸气出口，所述壳体的底部设有排水口，所述壳体的侧壁下端设有水蒸气入口，其特征在于，所述壳体内部设有栅栏板和反应器，此反应器通过栅栏板安装于水蒸气出口和水蒸气入口之间，所述反应器包括第一螺旋通道和第二螺旋通道，此第一螺旋通道和第二螺旋通道并列卷绕并贴紧，所述第一螺旋通道中装载有流体，所述第二螺旋通道中填充反应介质，所述第一螺旋通道的入口端与入口管的一端连接，此入口管的另一端穿出第二壳体的侧壁，所述第一螺旋通道的出口端与出口管的一端连接，此出口管的另一端穿出第二壳体的侧壁，所述水蒸气入口和水蒸气出口之间通过第二螺旋通道连通。

2.根据权利要求1所述的螺旋板式热化学高温储释能反应装置，其特征在于：所述第一螺旋通道包括第一卷绕层和呈半圆柱状的第一芯层，所述第一卷绕层的内端和第一芯层连接，所述第二螺旋通道包括第二卷绕层和呈半圆柱状的第二芯层，所述第二卷绕层的内端和第二芯层连接；所述第一芯层的矩形侧壁与第二芯层的矩形侧壁贴紧，所述第一卷绕层和第二卷绕层并列卷绕贴紧；所述入口管的一端与第一卷绕层的外端连接，所述出口管的一端与第一芯层的顶端连接。

3.根据权利要求2所述的螺旋板式热化学高温储释能反应装置，其特征在于：所述第二卷绕层和第二芯层的内腔中均设有不锈钢制成的蜂窝结构。

4.根据权利要求2所述的螺旋板式热化学高温储释能反应装置，其特征在于：所述第一卷绕层的内腔中设有均匀分布的定距柱。

5.根据权利要求1所述的螺旋板式热化学高温储释能反应装置，其特征在于：所述壳体包括第一壳体、第二壳体和第三壳体，所述第一壳体通过第一法兰与第二壳体的上端连接，所述第三壳体通过第二法兰与第二壳体的下端连接，所述反应器位于第二壳体的内腔中，所述水蒸气出口安装于第一壳体的顶端，所述排水口安装于第三壳体的底部，所述水蒸气入口安装于第三壳体的侧壁下端。

6.根据权利要求5所述的螺旋板式热化学高温储释能反应装置，其特征在于：所述第三壳体的内腔中安装有气体分配板，且所述气体分配板安装于水蒸气入口的上方，所述气体分配板上具有三个以上的气孔，所述气孔在气体分配板上均匀分布。

7.根据权利要求1-6任一项所述的螺旋板式热化学高温储释能反应装置，其特征在于：所述栅栏板包括连接杆和连接板，所述连接杆安装在连接板的两侧，所述连接杆通过第二法兰与第二壳体的侧壁连接，所述连接板为网状结构，所述反应器安装于连接板上。

8.根据权利要求5所述的螺旋板式热化学高温储释能反应装置，其特征在于：所述壳体外部被保温层包裹，所述第三壳体的底部安装立式支座。

9.根据权利要求1-4任一项所述的螺旋板式热化学高温储释能反应装置，其特征在于：所述反应器的当量直径(DN)为700～800mm，所述入口管、出口管的公称直径(dn)为65～100mm，所述反应器的承压能力PN≤1.6MPa，其中第一螺旋通道、第二螺旋通道的宽度(b)为6～14mm，不锈钢板的厚度(Φ)为2～3mm，不锈钢板的高度(H)为500～800mm。

10.根据权利要求9所述的螺旋板式热化学高温储释能反应装置，其特征在于：所述第一螺旋通道、第二螺旋通道均为不锈钢制成的螺旋板。