Lämmönvarastointitekniikka: tehosta lämpöenergian kokonaisvaltaista hyödyntämistä

Tällä hetkellä monissa energiankäyttöjärjestelmissä on ristiriita energian kysynnän ja tarjonnan välillä, mikä johtaa kohtuuttomaan energiankäyttöön ja suuriin jätemääriin. Energiatehokkuus, kuten aurinkoenergia ja teollisuuden hukkalämpö, ​​on alhainen, mikä ei ainoastaan ​​tuhlaa resursseja, vaan aiheuttaa myös merkittävää lämpösaastetta ilmakehään.

Tästä syystä energian muuntamisen ja käytön parantamisesta on tullut keskeinen kysymys, joka maiden on priorisoitava kestävän kehityksen strategioiden toteuttamiseksi, ja lämmönvarausteknologian kehittäminen lämpöenergian kokonaisvaltaiseen ja tehokkaaseen käyttöön on ensiarvoisen tärkeää.

Resursseja saatavilla runsaasti

Aurinkoenergia on uusiutuvien energialähteiden joukossa tärkein perusenergianlähde. Se on" ehtymätön ja ehtymätön" ja on laajalti levinnyt ja saasteeton. Se on taloudellista puhdasta energiaa. Aurinko voi vapauttaa energiaa 391×1021 kW sekunnissa. Vaikka maan pinnalle säteilevä energia on vain yksi 2,2 miljardisosa siitä, se vastaa 80 000 kertaa maailman':n sähköntuotantoa. kotimaani on suhteellisen rikas aurinkoenergian maa. Yli kahdessa kolmasosassa maasta vuotuinen auringonsäteily on yli 6 GJ·m2 ja vuotuinen auringonpaistetunti yli 2 200 tuntia. Maapallon':n pinnan vuosittain vastaanottama auringon säteilyenergia kotimaassani on noin 50 × 1019 kJ, mikä vastaa 170 miljardia tonnia tavallista hiiltä. Tällaiset runsaat aurinkoenergiavarat tarjoavat myös hyvät olosuhteet kotimaani':lle aurinkovoimantuotannon kehittämiselle ja hyödyntämiselle. Teollisuuden hukkalämpö tulee pääasiassa teollisuudenaloista, kuten metallurgiasta, rakennusmateriaaleista ja kemikaaleista. Vuoden 2010 tilastot osoittivat, että teollisuuden hukkalämpöresurssien osuus polttoaineen kokonaislämmöstä oli jopa 67 %, josta talteenottoaste oli 60 %. Kotimaassani hukkalämpöresurssien kokonaiskäyttöaste on kuitenkin alhainen, ja suurten rauta- ja teräsyritysten hukkalämmön käyttöaste on noin 30 %. ~50 %.

Teollisuuden hukkalämpöresurssien käyttöasteessa kotimaassani on paljon parantamisen varaa. Otetaan esimerkkinä metallurginen teollisuus. Vuonna 2010 kotimaani raakaterästuotanto oli 627 miljoonaa tonnia. Tuotetun savukaasun sisältämä energia vastasi 30 miljoonaa tonnia standardihiiltä ja tuotetun teräskuonan määrä oli noin 280 miljoonaa tonnia ja sisällä oleva lämpöenergia 10 miljoonaa tonnia standardihiiltä. . Tällä hetkellä kotimaisten rauta- ja teräsyritysten savukaasujen hukkalämmön käyttöaste on noin 30 % ja rauta- ja teräskuonan hukkalämmön käyttöaste on lähes nolla. Jos savukaasujen hukkalämmön hyötykäyttöaste voidaan nostaa 90 prosenttiin ja teräskuonan hukkalämmön käyttöaste nostaa 60 prosenttiin, voidaan säästää 21,6 miljoonaa tonnia standardihiiltä vuodessa, CO2-päästöjen vähennys noin 50 miljoonaa. tonnia, ja sähköä voidaan tuottaa 3,3 miljardia kWh.

Voidaan nähdä, että hukkalämmön talteenotto on maani':n energiastrategian suuri vaatimus, jolla on mittaamattomia taloudellisia etuja, ja sillä on suuri merkitys maani':n taloudelliselle kehitykselle, sosiaaliselle kehitykselle. ja kansallinen energiavarmuus. Olipa kyseessä aurinkoenergia tai teollisuuden hukkalämpöresurssit, on kuitenkin ajoittaisia ​​ja epävakaita ongelmia, jotka haittaavat vakavasti vastaavien teknologioiden edistämistä ja soveltamista.

Kiireellinen tarve keskipitkän ja korkean lämpötilan piilevää lämmön varastointitekniikkaa varten

Lämmönvarastointitekniikan käyttö voi lieventää lämpöenergian tarjonnan ja kysynnän välistä ristiriitaa ajallisesti, intensiteetin ja tilan suhteen ja on tärkeä keino lämpöenergiajärjestelmien optimoinnissa. Lämmönvarastointi sisältää pääasiassa kolme muotoa: järkevä lämmönvarastointi, piilevä lämmönvarastointi ja kemiallisen reaktion lämmön varastointi.

Kemiallisen reaktion lämmön varastointi on vielä kokeellisessa tutkimusvaiheessa monimutkaisen järjestelmän, teknisen vaikeuden ja huonon käytettävyyden vuoksi; vaikka järkevää lämmönvarastointitekniikkaa on käytetty laajalti, lämmön varastointi johtuu alhaisesta lämmönvarastointitiheydestä lämmönvarastointimateriaalien tilavuusyksikköä kohti. Suuri materiaalimäärä tekee suuren kapasiteetin lämmönvarastointijärjestelmästä tilaa vievän, prosessiltaan monimutkaisen ja kalliin. .

Piilevä lämmön varastointi tarkoittaa lämmön varastoimiseen ja vapauttamiseen varastoivan materiaalin faasimuutosprosessin vapauttamaa tai absorboimaa piilevää lämpöä. Verrattuna järkevään lämmönvarastointitekniikkaan, piilevän lämmön varastoinnin etuna on suuri lämmönvarastointitiheys tilavuusyksikköä kohti, ja sillä on suurempi energian imeytyminen ja vapautuminen faasimuutoslämpötila-alueella, ja varastointi- ja vapautumislämpötila-alue on kapea, mikä on hyödyllistä. ladata ja vapauttaa Lämpöprosessin lämpötila on vakaa.

Energian muunnostehokkuuden parantamiseksi ja kustannusten alentamiseksi aurinkolämmön hyödyntämisteknologia on siirtymässä korkeampaan käyttölämpötiloihin. Lämpövoimantuotannon käyttölämpötila on ylittänyt 600°C ja myös suuren teollisuuden hukkalämmön lämpötila on erittäin korkea (esimerkiksi muuntimen savukaasujen lämpötila on noin 1600°C).

Näiden kaikkien on kiireesti tutkittava ja kehitettävä keski- ja korkean lämpötilan piileviä lämmönvarastointitekniikoita. Vaikka monet tutkijat kotimaassa ja ulkomailla ovat tehneet pitkään eri tasoisia tutkimuksia, kuten materiaaleja ja prosesseja, ei toistaiseksi ole olemassa kypsää, vakaasti toimivaa keski- ja korkean lämpötilan piilevää lämmönvarastojärjestelmää.

Monien kotimaisten ja ulkomaisten tutkimusyksiköiden tämän alan monien vuosien syvällisen tutkimuksen jälkeen sekä kotimaisen ja ulkomaisen teknologian kehityksen nykytilanteen ja suuntausten jälkeen uskotaan, että keski- ja korkean lämpötilan piilevä lämmönvarastointitekniikka kohtaa pääasiassa seuraavat ratkaisemattomia ongelmia.

Ensinnäkin puuttuu keski- ja korkean lämpötilan piileviä lämmönvarastointimateriaaleja, joilla on kattavat ominaisuudet, kuten korkea lämmönvarastointitiheys ja vahva lämmönjohtavuus. Piilevän lämmön varastointitekniikan perusta on faasimuutosmateriaalit. Tällä hetkellä parafiinivahaan ja hydratoituun suolaan perustuvien matalan lämpötilan lämmönvarastointimateriaalien (& lt;100°C) tutkimus on ollut laajaa, ja sitä on sovellettu myös rakentamisen ja vaatetuksen alalla. Keski- ja korkean lämpötilan lämmönvarastointimateriaaleja, erityisesti korkean lämpötilan faasimuutoslämmönvarastointiaineita, joiden sulamispiste>600°C, kuitenkin edelleen puuttuu.

Toiseksi keski- ja korkean lämpötilan faasimuutoslämmön varastointimateriaalit ovat pääasiassa epäorgaanisia suoloja ja seoksia. Yhtäältä ehdokasmateriaalien valinta edellyttää syvällistä ymmärrystä materiaalin faasimuutosprosessin termodynamiikasta ja kineettisistä mekanismeista. Toisaalta on tarpeen paljastaa mikrorakenteen vaikutus materiaalien lämpöominaisuuksiin kahdesta näkökulmasta: tehostettu lämmönsiirto ja tehokas lämmön varastointi.

Lisäksi neste-kiinteä faasimuutosmateriaalien kapselointi ja lämpöominaisuuksien heikkeneminen huoltoprosessin aikana ovat myös välttämättömiä sisältöjä keski- ja korkean lämpötilan faasimuutosmateriaalien tutkimuksessa. Tämä on usein pullonkaulaongelma tällaisten materiaalien tutkimuksessa ja kehittämisessä. Tehokkaita lämmönvarausmateriaaleja kehitetään

Monet tutkijat kotimaassa ja ulkomailla ovat tutkineet metalleja lämpöä varastoivina materiaaleina. Vuonna 1980 Birchenall et ai. mittasi ja analysoi maapallolla runsaiden Al-, Cu-, Mg-, Si- ja Zn-seosten lämpöfysikaalisia ominaisuuksia ja havaitsi, että faasimuutoslämpötila on alueella 780-850 K ja runsaasti Si:tä. Tai Al-seoksilla on korkein lämmönvarastointitiheys, ja sitten alumiini- ja piipohjaisten seosten faasimuutoslämmönvarastointimateriaaleja on tutkittu laajasti.

Epäorgaanisilla suolamateriaaleilla on laaja valikoima lähteitä, suuret faasimuutosentalpiaarvot ja kohtuulliset hinnat, ja ne soveltuvat erityisen hyvin käytettäväksi keski- ja korkean lämpötilan faasimuutoslämmön varastointimateriaaleina. Tutkijat tutkivat sulan suolan lämpöfysikaalisia ominaisuuksia, joiden lämpötila on korkeampi kuin 450 ℃, ja laajensivat epäorgaanisen eutektisen suolan käyttöä lämpötila-alueella 220 ℃ - 290 ℃ aurinkolämpövoiman tuotantoon ja läpäisivät testejä, kuten differentiaali skannaava kalorimetria. Menetelmällä mitattiin sulan suolan lämpöfysikaaliset ominaisuudet.

Lisäksi monien sulan suolajärjestelmien tilavuuden muutosnopeus ennen ja jälkeen faasimuutoksen ylittää 10 %. Suurempi tilavuuden muutosnopeus lisää onteloita sulan suolan faasinmuutosmateriaalijärjestelmässä, vaikuttaa lämmön varastointi-/vapautumisnopeuteen ja lisää lämmön varastointia. Järjestelmälaitteiston suunnittelun vaikeus vähentää lämmön varastoinnin tehokkuutta. Tästä syystä tutkijat ovat tutkineet sulan suolan faasinmuutoslämmönvarastointimateriaalien yhteensopivuutta ruostumattoman teräksen kanssa, ja tulokset osoittavat, että ruostumattomalla teräksellä on hyvä korroosionestovaikutus useimpiin sulaviin suoloihin.

Samanaikaisesti kolmen alumiinipohjaisen metalliseoksen faasimuutosmateriaalien syklin suorituskyky ja yhteensopivuus säiliöiden kanssa; fluoridisulaiden suolojen yhteensopivuus koboltti-, nikkeli- ja tulenkestävien metallielementtien seosterästen kanssa; litiumhydroksidin yhteensopivuus rakenteellisten seosmateriaalien kanssa Muilta osin tutkijat ovat myös tehneet tutkimusta.

Vaikka keski- ja korkean lämpötilan faasimuutoslämmön varastointimateriaalien tutkimuksessa on saavutettu joitakin tuloksia, metallien ja seosten faasimuutosmateriaalien kustannukset ovat korkeat ja lämmönvarastointitiheys massayksikköä kohden rajoitettu. Lisäksi metalliseosten faasimuutosmateriaalien kemiallinen aktiivisuus on vahvempi faasimuutoksen jälkeen. , Voimakas korkean lämpötilan korroosio rajoittaa suuresti sen laajaa käyttöä keski- ja korkean lämpötilan lämmönvarastoinnin alalla.

Faasimuutoslämmön varastointimateriaalina sulalla suolalla on suuri faasimuutosentalpia, korkea lämmönvarastointitiheys ja kohtuullinen hinta. Sillä on suuri kehityspotentiaali keski- ja korkean lämpötilan lämmönvarastointisovelluksissa. Sulalla suolalla on kuitenkin huono lämmönjohtavuus ja sillä on vakavia korkean lämpötilan korroosio-ongelmia metalliseoksen faasimuutosmateriaalien kanssa, mikä on edelleen ongelma, joka rajoittaa sen mittakaavakäyttöä.

Siksi korkean suorituskyvyn lämmönvarausmateriaalien ja niiden valmistusmenetelmien kehittäminen on väistämätön trendi keski- ja korkean lämpötilan lämmönvarastointimateriaalien tutkimuksessa ja väistämätön tapa kehittää lämmönvarastointiteknologiaa.

Aurinkoenergian hajaantuminen, teollisuuden hukkalämpö, ​​suuri energiakanta ja uusiutuvan energian ajoittainen luonne edellyttävät kaikki keski- ja korkean lämpötilan faasimuutoslämmön varastointitekniikkaa.

Suuren mittakaavan lämmönvarastointiteknologian tutkimus käsittää materiaalitieteen, kemiantekniikan, konepajatekniikan, lämmön- ja massasiirron sekä monivaihevirtauksen risteyksen.

Suorituskykyisten keski- ja korkean lämpötilan faasimuutoslämmön varastointimateriaalien kehittäminen on erittäin tärkeää keski- ja korkean lämpötilan lämmönvarastoinnin alalla, erityisesti aurinkolämpövoiman tuotannossa, teollisuuden hukkalämmön talteenotossa ja muilla aloilla.