Технологія зберігання тепла: підвищення ефективності комплексного використання теплової енергії

В даний час у багатьох системах утилізації енергії існує суперечність між попитом і постачанням енергії, що призводить до нерозумного використання енергії та великої кількості відходів. Енергоефективність, така як сонячна енергія та промислове відпрацьоване тепло, низька, що не тільки витрачає ресурси, а й спричиняє непереважне теплове забруднення атмосферного середовища.

З цієї причини покращення перетворення та використання енергії стало основним питанням, яке країни повинні приділяти пріоритетам для реалізації стратегій сталого розвитку, а розвиток технології зберігання тепла для комплексного та ефективного використання теплової енергії має першорядне значення.

Доступні багаті ресурси

Сонячна енергія є найважливішим основним джерелом енергії серед відновлюваних джерел енергії. Це [ГГ] quot;невичерпний і невичерпний [ГГ] quot; і широко розповсюджений і не забруднений. Це економічна чиста енергія. Сонце може виділяти енергію 391×1021 кВт в секунду. Навіть якщо енергія, що випромінюється на поверхні Землі, становить лише одну 2,2 мільярдної її частини, це еквівалентно у 80 000 разів більше, ніж у світі' моя країна відносно багата на сонячну енергію. Понад дві третини країни мають річну сонячну радіацію понад 6 ГДж·м2 і річну кількість сонячних годин понад 2200 год. Річна сонячна енергія, яку отримує земна'поверхня в моїй країні, становить приблизно 50×1019 кДж, що еквівалентно 170 мільярдам тонн стандартного вугілля. Такі багаті ресурси сонячної енергії також створюють хороші умови для розвитку та використання сонячної енергії в моїй країні' Тепло промислових відходів в основному надходить з таких галузей, як металургія, будівельні матеріали та хімічна промисловість. Статистика 2010 року показала, що теплові ресурси промислових відходів становили до 67% загальної теплоти палива, з яких коефіцієнт утилізації досягав 60%. Проте загальний коефіцієнт використання відхідного тепла в моїй країні низький, а коефіцієнт використання відхідного тепла великими металургійними підприємствами становить близько 30%. ~50%.

У моїй країні є багато можливостей для покращення рівня використання теплових ресурсів промислових відходів. Візьмемо для прикладу металургійну промисловість. У 2010 році виробництво сталі в моїй країні становило 627 мільйонів тонн. Енергія, що міститься в отриманому димовому газі, була еквівалентна 30 мільйонам тонн стандартного вугілля, а кількість виробленого сталевого шлаку становила приблизно 280 мільйонів тонн, а теплова енергія, що міститься, була еквівалентна 10 мільйонам тонн стандартного вугілля. . Нині коефіцієнт використання відхідного тепла димових газів на побутових металургійних підприємствах становить близько 30%, а коефіцієнт утилізації відхідного тепла чавуну та сталеплавильного шлаку майже дорівнює нулю. Якщо коефіцієнт використання відхідного тепла димового газу можна збільшити до 90%, а коефіцієнт використання відхідного тепла сталевого шлаку можна збільшити до 60%, щороку можна заощадити 21,6 мільйона тонн стандартного вугілля, скорочення викидів CO2 приблизно на 50 мільйонів тонн, і може бути вироблено 3,3 млрд кВт-год електроенергії.

Можна побачити, що рекуперація відпрацьованого тепла є основною потребою енергетичної стратегії моєї країни' з незмірними економічними вигодами і має велике значення для економічного розвитку, соціального прогресу моєї країни' , та національна енергетична безпека. Однак, незалежно від того, чи це сонячна енергія, чи промислові відпрацьовані теплові ресурси, існують проблеми періодичного характеру та нестабільності, які серйозно заважають просуванню та застосуванню супутніх технологій.

Гостра потреба в технології зберігання прихованого тепла середньої та високої температури

Використання технології зберігання тепла може пом’якшити протиріччя між попитом і пропозицією теплової енергії з точки зору часу, інтенсивності та простору, і є важливим засобом для оптимізації роботи теплових енергетичних систем. Зберігання тепла в основному включає три форми: розумне зберігання тепла, зберігання прихованого тепла та зберігання тепла хімічної реакції.

Теплоакумулятор хімічних реакцій все ще знаходиться на стадії експериментальних досліджень через його складну систему, технічну складність і погану працездатність; хоча розумна технологія зберігання тепла широко використовується, зберігання тепла викликано низькою щільністю зберігання тепла на одиницю об’єму теплоакумулюючих матеріалів Велика кількість матеріалів робить систему зберігання тепла великої ємності громіздкою, складною в процесі та високою вартістю .

Зберігання прихованого тепла полягає у використанні прихованого тепла, що виділяється або поглинається в процесі фазової зміни матеріалу теплоакумулятора для зберігання та виділення тепла. У порівнянні з розумною технологією зберігання тепла, зберігання прихованого тепла має перевагу у великій щільності накопичення тепла на одиницю об’єму та має більше поглинання та виділення енергії в діапазоні температур фазового переходу, а діапазон температур зберігання та виділення є вузьким, що є вигідним. заряджати і випускати Температура теплового процесу стабільна.

Щоб підвищити ефективність перетворення енергії та знизити витрати, технологія використання сонячної теплової енергії рухається до більш високих робочих температур. Робоча температура виробництва теплової електроенергії перевищила 600°C, а температура великої кількості відпрацьованого промислового тепла також дуже висока (наприклад, температура димових газів конвертора становить 1600°C. про).

Усе це потребує термінового дослідження та розробки середньо- та високотемпературних технологій зберігання латентного тепла. Хоча багато вчених у країні та за кордоном проводили дослідження на різних рівнях, таких як матеріали та процеси, протягом тривалого часу, досі не існує зрілої середньо- та високотемпературної системи зберігання прихованого тепла, яка б працювала стабільно.

Після багатьох років глибоких досліджень у цій галузі багатьма вітчизняними та зарубіжними дослідницькими підрозділами, у поєднанні з сучасним станом та тенденціями розвитку вітчизняних та зарубіжних технологій, вважається, що середньо- та високотемпературна технологія зберігання прихованого тепла в основному стикається з наступним: невирішені проблеми.

По-перше, не вистачає середніх і високотемпературних матеріалів для зберігання латентного тепла з такими комплексними властивостями, як висока щільність зберігання тепла і сильна теплопровідність. Основою технології зберігання прихованого тепла є матеріали фазового зміни. В даний час дослідження низькотемпературних теплоакумулюючих матеріалів (& lt;100°C) на основі парафіну та гідратованої солі були широкими, і вони також знайшли застосування в галузі будівництва та одягу. Однак середніх і високотемпературних теплоакумулюючих матеріалів, особливо високотемпературних теплоакумулюючих матеріалів із зміною фази з температурою плавлення>600°C, все ще бракує.

По-друге, теплоакумулюючими матеріалами для середньо- та високотемпературної зміни фази є переважно неорганічні солі та сплави. З одного боку, вибір матеріалів-кандидатів вимагає глибокого розуміння термодинаміки та кінетичних механізмів процесу фазового переходу матеріалу. З іншого боку, необхідно розкрити вплив мікроструктури на теплові властивості матеріалів з двох аспектів: посиленого теплообміну та ефективного зберігання тепла.

Крім того, інкапсуляція матеріалів із зміною фаз рідина-тверда та погіршення теплових властивостей під час процесу обслуговування також є незамінним вмістом у дослідженні середньо- та високотемпературних матеріалів фазового зміни. Це часто є вузьким місцем у дослідженні та розробці таких матеріалів. Буде розроблено високоефективні матеріали для зберігання тепла

Багато вчених у країні та за кордоном вивчали метали як матеріали для зберігання тепла. У 1980 році Birchenall et al. виміряли та проаналізували теплофізичні властивості бінарних і потрійних сплавів, що складаються з Al, Cu, Mg, Si і Zn, які є у великій кількості на землі, і виявили, що температура фазового переходу знаходиться в діапазоні 780～850 K і багата Si. Або сплави Al мають найвищу щільність теплоакумуляції, а потім були детально вивчені матеріали для зберігання тепла на основі алюмінію та кремнію.

Матеріали неорганічної солі мають широкий спектр джерел, великі значення ентальпії фазового зміни та помірні ціни, і вони особливо підходять для використання як середньо- та високотемпературні матеріали для зберігання тепла з фазовими змінами. Дослідники вивчили теплофізичні властивості розплавленої солі з температурою вище 450 ℃ і розширили застосування неорганічної евтектичної солі з діапазоном температур від 220 ℃ до 290 ℃ до області виробництва сонячної теплової енергії, а також пройшли тести, такі як диференціальні випробування. скануюча калориметрія. Методом вимірювали теплофізичні властивості розплаву солі.

Крім того, швидкість зміни об’єму багатьох систем розплавлених солей до і після фазової зміни перевищує 10%. Більша швидкість зміни об’єму збільшує порожнечі в системі матеріалу зміни фази розплавленої солі, впливає на швидкість зберігання/виділення тепла та збільшує накопичення тепла. Складність конструкції системного обладнання знижує ефективність накопичення тепла. З цієї причини дослідники вивчили сумісність матеріалів для накопичення тепла із зміною фази розплавленої солі з нержавіючої сталлю, і результати показують, що нержавіюча сталь має хороший антикорозійний ефект на більшість розплавлених солей.

У той же час, продуктивність циклу потрійного алюмінієвого сплаву фазових змінних матеріалів і сумісність з контейнерами; сумісність фторидних розплавлених солей з легованими сталями кобальту, нікелю та тугоплавких металевих елементів; сумісність гідроксиду літію з матеріалами конструкційного сплаву В інших аспектах вчені також проводили дослідження.

Хоча деякі результати були досягнуті в дослідженні матеріалів для зберігання тепла середньої та високої температури з фазовою зміною, вартість матеріалів із фазовими змінами з металу та сплаву висока, а щільність зберігання тепла на одиницю маси обмежена. Крім того, хімічна активність матеріалів із фазовою зміною металевих сплавів сильніше після фазової зміни. , Сильна високотемпературна корозія значно обмежує її широке застосування в області середньо- та високотемпературного зберігання тепла.

Як матеріал для зберігання тепла із зміною фази, розплавлена ​​сіль має велику ентальпію фазового зміни, високу щільність зберігання тепла та помірну ціну. Він має великий потенціал розвитку в області середньо- та високотемпературного зберігання тепла. Однак розплавлена ​​сіль має погану теплопровідність і має серйозні проблеми високотемпературної корозії з матеріалами з фазовою зміною металевих сплавів, що все ще є проблемою, яка обмежує її масштабне застосування.

Тому розробка високоефективних теплоакумулюючих матеріалів та методів їх приготування є неминучим напрямком у дослідженні середньо- та високотемпературних теплоакумулюючих матеріалів і неминучим шляхом розвитку технології теплоакумуляції.

Розподіл сонячної енергії, промислове відпрацьоване тепло, великий енергетичний діапазон та непостійний характер відновлюваної енергії – все це вимагає технології зберігання тепла із зміною фази середньої та високої температури.

Дослідження великомасштабної технології зберігання тепла передбачає перетин матеріалознавства, хімії, машинобудування, тепломасообміну та багатофазного потоку.

Розробка високоефективних матеріалів для зберігання тепла середньої та високої температури із зміною фаз має велике значення для середньо- та високотемпературного зберігання тепла, особливо для виробництва сонячної теплової енергії, утилізації відходів промислового виробництва та інших галузей.