Tehnologija skladištenja toplote: poboljšati efikasnost sveobuhvatnog korišćenja toplotne energije

Trenutno, u mnogim sistemima korištenja energije, postoji kontradikcija između neusklađenosti ponude i potražnje energije, što rezultira nerazumnim korištenjem energije i velikom količinom otpada. Energetska efikasnost kao što je solarna energija i industrijska otpadna toplota je niska, što ne samo da troši resurse, već i uzrokuje nezanemarivo toplotno zagađenje atmosferskog okruženja.

Iz tog razloga, poboljšanje konverzije i iskorišćenja energije postalo je glavno pitanje koje zemlje moraju dati prioritet za implementaciju strategija održivog razvoja, a razvoj tehnologije skladištenja toplote za sveobuhvatno i efikasno korišćenje toplotne energije je od najveće važnosti.

Na raspolaganju su obilni resursi

Solarna energija je najvažniji osnovni izvor energije među obnovljivim izvorima energije. To je"neiscrpno i neiscrpno" i široko je rasprostranjen i bez zagađenja. To je ekonomična čista energija. Sunce može osloboditi energiju od 391×1021 kW u sekundi. Čak i ako energija koja se zrači na površinu Zemlje iznosi samo jedan-2,2 milijarde, to je ekvivalentno 80.000 puta većoj proizvodnji energije u svijetu'. moja zemlja je relativno bogata zemlja solarnom energijom. Više od dvije trećine zemlje ima godišnje sunčevo zračenje više od 6 GJ·m2 i godišnje sunčane sate više od 2.200 h. Godišnja sunčeva energija zračenja koju prima Zemljina' površina u mojoj zemlji je oko 50×1019 kJ, što je ekvivalentno 170 milijardi tona standardnog uglja. Ovako bogati resursi solarne energije takođe pružaju dobre uslove za razvoj i korišćenje solarne energije u mojoj zemlji'. Industrijska otpadna toplota uglavnom dolazi iz industrija kao što su metalurgija, građevinski materijali i hemikalije. Statistički podaci u 2010. godini pokazali su da su industrijski otpadni toplotni resursi činili do 67% ukupne toplote goriva, od čega je stopa povrata dostigla 60%. Međutim, ukupna stopa iskorištenja resursa otpadne topline u mojoj zemlji je niska, a stopa iskorištenja otpadne topline u velikim preduzećima željeza i čelika je oko 30%. ~50%.

Postoji mnogo prostora za poboljšanje stope iskorišćenja industrijskih otpadnih toplotnih resursa u mojoj zemlji. Uzmimo za primjer metaluršku industriju. U 2010. godini, proizvodnja sirovog čelika u mojoj zemlji iznosila je 627 miliona tona. Energija sadržana u proizvedenom dimnom gasu bila je ekvivalentna 30 miliona tona standardnog uglja, a količina proizvedene čelične troske je bila približno 280 miliona tona, a sadržana toplotna energija bila je ekvivalentna 10 miliona tona standardnog uglja. . Trenutno je stopa iskorišćenja otpadne toplote dimnih gasova u domaćim preduzećima željeza i čelika oko 30%, a stopa iskorišćenja otpadne toplote od gvožđa i čelične troske je skoro nula. Ako se stopa iskorišćenja otpadne toplote dimnih gasova može povećati na 90%, a stopa iskorišćenja otpadne toplote čelične šljake može se povećati na 60%, godišnje se može uštedeti 21,6 miliona tona standardnog uglja, smanjenje emisije CO2 za oko 50 miliona tona, a može se proizvesti 3,3 milijarde kWh električne energije.

Može se vidjeti da je povrat otpadne topline glavni zahtjev energetske strategije moje zemlje' sa nemjerljivim ekonomskim koristima i od velikog je značaja za ekonomski razvoj, društveni napredak moje zemlje' i nacionalna energetska sigurnost. Međutim, bilo da se radi o solarnoj energiji ili industrijskim otpadnim toplotnim resursima, postoje problemi isprekidanosti i nestabilnosti, koji ozbiljno ometaju promociju i primjenu srodnih tehnologija.

Hitna potreba za tehnologijom skladištenja latentne topline srednje i visoke temperature

Upotreba tehnologije skladištenja topline može ublažiti kontradikciju između ponude i potražnje za toplinskom energijom u smislu vremena, intenziteta i prostora, te je važno sredstvo za optimiziran rad termoenergetskih sistema. Skladištenje topline uglavnom uključuje tri oblika: osjetljivo pohranjivanje topline, skladištenje latentne topline i skladištenje topline kemijske reakcije.

Akumulacija toplote hemijske reakcije je još uvek u fazi eksperimentalnog istraživanja zbog svog složenog sistema, tehničke poteškoće i loše operativnosti; iako se razumna tehnologija skladištenja toplote široko koristi, skladištenje toplote je uzrokovano malom gustinom skladištenja toplote po jedinici zapremine materijala za skladištenje toplote Velika količina materijala čini sistem za skladištenje toplote velikog kapaciteta glomaznim, komplikovanim u procesu i visokim troškovima .

Skladištenje latentne topline je korištenje latentne topline koja se oslobađa ili apsorbira procesom promjene faze materijala za skladištenje topline za skladištenje i oslobađanje topline. U poređenju sa senzibilnom tehnologijom skladištenja toplote, latentno skladištenje toplote ima prednost velike gustine skladištenja toplote po jedinici zapremine i ima veću apsorpciju i oslobađanje energije unutar temperaturnog raspona faznog prelaza, a temperaturni raspon skladištenja i otpuštanja je uski, što je korisno. za punjenje i oslobađanje Temperatura termičkog procesa je stabilna.

Kako bi se poboljšala efikasnost konverzije energije i smanjili troškovi, tehnologija korištenja solarne topline kreće se prema višim radnim temperaturama. Radna temperatura proizvodnje toplotne energije je premašila 600°C, a temperatura velike količine industrijske otpadne toplote je takođe veoma visoka (npr. temperatura dimnih gasova pretvarača je oko 1600°C).

Sve ovo hitno treba istražiti i razviti tehnologije skladištenja latentne topline srednje i visoke temperature. Iako su mnogi naučnici u zemlji i inostranstvu dugo vremena provodili istraživanja na različitim nivoima kao što su materijali i procesi, do sada još uvijek ne postoji zreli sistem za skladištenje latentne topline srednje i visoke temperature koji stabilno radi.

Nakon dugogodišnjeg dubinskog istraživanja u ovoj oblasti od strane mnogih domaćih i stranih istraživačkih jedinica, u kombinaciji sa trenutnim stanjem i trendovima razvoja domaće i strane tehnologije, smatra se da se tehnologija skladištenja latentne topline srednje i visoke temperature uglavnom suočava sa sljedećim: nerešeni problemi.

Prvo, postoji nedostatak materijala za skladištenje latentne toplote srednje i visoke temperature sa sveobuhvatnim svojstvima kao što su velika gustina skladištenja toplote i jaka toplotna provodljivost. Temelj tehnologije skladištenja latentne topline su materijali s promjenom faze. Trenutno su opsežna istraživanja materijala za skladištenje toplote na niskim temperaturama (& lt;100°C) na bazi parafinskog voska i hidratizovane soli, a takođe su primenjena u oblasti građevinarstva i odeće. Međutim, materijali za skladištenje toplote srednje i visoke temperature, posebno materijali za skladištenje toplote na visokoj temperaturi sa faznom promenom sa tačkom topljenja> 600°C, još uvek nedostaju.

Drugo, materijali za skladištenje topline za srednje i visoke temperature s promjenom faze su uglavnom anorganske soli i legure. S jedne strane, odabir materijala kandidata zahtijeva dubinsko razumijevanje termodinamike i kinetičkih mehanizama procesa fazne tranzicije materijala. S druge strane, potrebno je otkriti utjecaj mikrostrukture na toplinska svojstva materijala sa dva aspekta: poboljšanog prijenosa topline i efikasnog skladištenja topline.

Osim toga, inkapsulacija materijala za promjenu faze tekućina-čvrsta i opadanje toplinskih svojstava tokom procesa servisiranja također su nezamjenjivi sadržaji u istraživanju materijala za promjenu faze srednje i visoke temperature. Ovo je često problem uskog grla u istraživanju i razvoju takvih materijala. Treba razviti materijale za skladištenje toplote visokih performansi

Mnogi naučnici u zemlji i inostranstvu proučavali su metale kao materijale za skladištenje toplote. Godine 1980. Birchenall et al. izmjerili i analizirali termofizička svojstva binarnih i ternarnih legura sastavljenih od Al, Cu, Mg, Si i Zn, kojih ima u izobilju na zemlji, i utvrdili da je temperatura faznog prijelaza u rasponu od 780～850 K i bogata Si. Ili Al legure imaju najveću gustinu akumulacije toplote, a zatim su materijali za skladištenje toplote na bazi aluminijuma i legura na bazi silicijuma opsežno proučavani.

Neorganski solni materijali imaju širok raspon izvora, velike vrijednosti entalpije promjene faze i umjerene cijene, a posebno su pogodni za upotrebu kao materijali za skladištenje topline sa srednjom i visokom temperaturom. Istraživači su proučavali termofizička svojstva rastaljene soli s temperaturom većom od 450 ℃ i proširili primjenu anorganske eutektičke soli s temperaturnim rasponom od 220 ℃ do 290 ℃ na područje proizvodnje solarne toplinske energije i prošli testove kao što su diferencijalna skenirajuća kalorimetrija. Metodom su mjerena termofizička svojstva rastaljene soli.

Osim toga, stopa promjene volumena mnogih sistema rastopljene soli prije i nakon promjene faze prelazi 10%. Veća brzina promjene volumena povećava praznine u sistemu materijala za promjenu faze rastaljene soli, utiče na brzinu skladištenja/otpuštanja topline i povećava skladištenje topline. Teškoća dizajna sistemske opreme smanjuje efikasnost skladištenja toplote. Iz tog razloga, istraživači su proučavali kompatibilnost materijala za pohranu topline s promjenom faze rastaljene soli s nehrđajućim čelikom, a rezultati pokazuju da nehrđajući čelik ima dobar antikorozivni učinak na većinu rastopljenih soli.

Istovremeno, performanse ciklusa trojnih materijala od legure na bazi aluminijuma za promenu faze i kompatibilnost sa kontejnerima; kompatibilnost rastopljenih soli fluorida sa legiranim čelicima kobalta, nikla i vatrostalnih metalnih elemenata; kompatibilnost litijum hidroksida sa strukturnim legiranim materijalima U drugim aspektima, naučnici su takođe sproveli istraživanja.

Iako su postignuti neki rezultati u istraživanju materijala za pohranu topline srednje i visoke temperature s faznom promjenom, cijena materijala za promjenu faze od metala i legura je visoka, a gustina skladištenja topline po jedinici mase je ograničena. Pored toga, hemijska aktivnost materijala za promenu faze od legure metala je jača nakon promene faze. , Teška korozija na visokim temperaturama uvelike ograničava njegovu široku primjenu u području srednje i visoke temperature skladištenja topline.

Kao materijal za skladištenje toplote sa promenom faze, rastopljena so ima veliku entalpiju promene faze, visoku gustinu skladištenja toplote i umerenu cenu. Ima veliki razvojni potencijal u oblasti aplikacija za skladištenje toplote na srednjim i visokim temperaturama. Međutim, rastaljena so ima lošu toplotnu provodljivost i ima ozbiljne probleme sa korozijom na visokim temperaturama sa materijalima za promenu faze metalnih legura, što je još uvek problem koji ograničava njenu primenu.

Stoga je razvoj materijala za skladištenje topline visokih performansi i metoda njihove pripreme neizbježan trend u istraživanju materijala za skladištenje topline srednje i visoke temperature i nezaobilazan put razvoja tehnologije akumulacije topline.

Disperzija sunčeve energije, otpadna industrijska toplota, veliki raspon energije i povremena priroda obnovljive energije zahtevaju tehnologiju skladištenja toplote sa promenom faze srednje i visoke temperature.

Istraživanje tehnologije skladištenja topline velikih razmjera uključuje ukrštanje nauke o materijalima, hemijskog inženjerstva, mašinstva, prenosa toplote i mase i višefaznog strujanja.

Razvoj visokoučinkovitih materijala za skladištenje topline srednje i visoke temperature s promjenom faze je od velikog značaja za područje srednjeg i visokotemperaturnog skladištenja topline, posebno za proizvodnju solarne toplinske energije, povrat industrijske otpadne topline i druga polja.