Varmelagringsteknologi: forbedre effektiviteten til omfattende utnyttelse av varmeenergi

I dag er det i mange energiutnyttelsessystemer en motsetning mellom energitilbud og etterspørsel, noe som resulterer i urimelig energiutnyttelse og store mengder avfall. Energieffektivitet som solenergi og industriell spillvarme er lav, noe som ikke bare sløser med ressurser, men også forårsaker ikke-ubetydelig termisk forurensning til det atmosfæriske miljøet.

Av denne grunn har forbedring av energikonvertering og energiutnyttelse blitt et stort tema som land må prioritere for å implementere bærekraftige utviklingsstrategier, og utvikling av varmelagringsteknologi for omfattende og effektiv bruk av varmeenergi er av største betydning.

Rikelige ressurser tilgjengelig

Solenergi er den viktigste grunnleggende energikilden blant fornybare energikilder. Det er"uuttømmelig og uuttømmelig" og er vidt distribuert og fri for forurensning. Det er en økonomisk ren energi. Solen kan frigjøre energi på 391×1021 kW per sekund. Selv om energien som utstråles til jordoverflaten er bare en-2,2 milliarderdel av den, tilsvarer det 80 000 ganger verdens's kraftproduksjon. landet mitt er et relativt rikt land på solenergi. Mer enn to tredjedeler av landet har en årlig solinnstråling på mer enn 6 GJ·m2 og årlige soltimer på mer enn 2200 timer. Den årlige solstrålingsenergien som mottas av jordens overflate i mitt land er omtrent 50×1019 kJ, som tilsvarer 170 milliarder tonn standard kull. Slike rikelige solenergiressurser gir også gode forhold for mitt lands's utvikling og utnyttelse av solenergiproduksjon. Industriell spillvarme kommer hovedsakelig fra industrier som metallurgi, byggematerialer og kjemikalier. Statistikk i 2010 viste at industrielle spillvarmeressurser utgjorde opptil 67 % av den totale brenselvarmen, hvorav gjenvinningsgraden nådde 60 %. Imidlertid er den totale utnyttelsesgraden av spillvarmeressurser i mitt land lav, og spillvarmeutnyttelsesgraden til store jern- og stålbedrifter er omtrent 30 %. ~50 %.

Det er mye rom for forbedring i utnyttelsesgraden av industrielle spillvarmeressurser i mitt land. Ta metallurgisk industri som et eksempel. I 2010 var mitt lands produksjon av råstål 627 millioner tonn. Energien i den produserte røykgassen tilsvarte 30 millioner tonn standardkull, og mengden produsert stålslagg var omtrent 280 millioner tonn, og den inneholdte termiske energien tilsvarte 10 millioner tonn standardkull. . For tiden er utnyttelsesgraden av røykgassspillvarme i innenlandske jern- og stålbedrifter omtrent 30%, og utnyttelsesgraden for jern- og stålslaggspillvarme er nesten null. Dersom spillvarmeutnyttelsesgraden for røykgass kan økes til 90 % og utnyttelsesgraden for stålslaggspillvarme kan økes til 60 %, kan 21,6 millioner tonn standardkull spares hvert år, CO2-utslippsreduksjon på ca. 50 millioner tonn, og 3,3 milliarder kWh kraftproduksjon kan genereres.

Det kan sees at spillvarmegjenvinning er et stort krav i mitt lands's energistrategi, med umålelige økonomiske fordeler, og er av stor betydning for mitt lands's økonomiske utvikling, sosiale fremskritt , og nasjonal energisikkerhet. Uansett om det er solenergi eller industrielle spillvarmeressurser, er det problemer med intermitterende og ustabilitet, som alvorlig hindrer promotering og anvendelse av relaterte teknologier.

Presserende behov for middels og høy temperatur latent varmelagringsteknologi

Bruk av varmelagringsteknologi kan dempe motsetningen mellom termisk energiforsyning og etterspørsel når det gjelder tid, intensitet og plass, og er et viktig virkemiddel for optimalisert drift av termiske energisystemer. Varmelagring omfatter i hovedsak tre former: fornuftig varmelagring, latent varmelagring og kjemisk reaksjonsvarmelagring.

Kjemisk reaksjonsvarmelagring er fortsatt i det eksperimentelle forskningsstadiet på grunn av dets komplekse system, tekniske vanskeligheter og dårlige operasjoner; Selv om fornuftig varmelagringsteknologi har vært mye brukt, er varmelagring forårsaket av lav varmelagringstetthet per volumenhet varmelagringsmaterialer. Den store mengden materialer gjør varmelagringssystemet med stor kapasitet klumpete, komplisert i prosessen og høye kostnader .

Latent varmelagring er å bruke den latente varmen som frigjøres eller absorberes av faseendringsprosessen til varmelagringsmaterialet for å lagre og frigjøre varme. Sammenlignet med fornuftig varmelagringsteknologi har latent varmelagring fordelen med stor varmelagringstetthet per volumenhet, og har større energiabsorpsjon og frigjøring innenfor faseovergangstemperaturområdet, og lagrings- og frigjøringstemperaturområdet er smalt, noe som er fordelaktig. å lade og frigjøre Temperaturen i den termiske prosessen er stabil.

For å forbedre energikonverteringseffektiviteten og redusere kostnadene, beveger solvarmeutnyttelsesteknologi seg mot høyere driftstemperaturer. Driftstemperaturen for termisk kraftproduksjon har oversteget 600°C, og temperaturen på en stor mengde industriell spillvarme er også svært høy (for eksempel er omformerens røykgasstemperatur 1600°C. ca.).

Disse trenger alle et presserende behov for forskning og utvikling av middels og høy temperatur latent varmelagringsteknologi. Selv om mange forskere i inn- og utland har utført forskning fra forskjellige nivåer som materialer og prosesser i lang tid, er det så langt ikke noe modent middels og høy temperatur latent varmelagringssystem som fungerer stabilt.

Etter mange år med dyptgående forskning på dette feltet av mange innenlandske og utenlandske forskningsenheter, kombinert med dagens status og trender innen innenlandsk og utenlandsk teknologiutvikling, antas det at middels og høy temperatur latent varmelagringsteknologi hovedsakelig står overfor følgende utestående problemer.

For det første er det mangel på middels og høy temperatur latente varmelagringsmaterialer med omfattende egenskaper som høy varmelagringstetthet og sterk varmeledningsevne. Grunnlaget for teknologi for latent varmelagring er faseendringsmaterialer. For tiden har forskning på lavtemperatur varmelagringsmaterialer (& lt;100°C) basert på parafinvoks og hydrert salt vært omfattende, og det har også blitt brukt innen konstruksjon og klær. Imidlertid mangler middels og høy temperatur varmelagringsmaterialer, spesielt høytemperatur faseendring varmelagringsmaterialer med et smeltepunkt>600°C, fortsatt.

For det andre er middels og høy temperatur faseendringsvarmelagringsmaterialer hovedsakelig uorganiske salter og legeringer. På den ene siden krever utvelgelsen av kandidatmaterialer en inngående forståelse av termodynamikken og kinetiske mekanismer i faseovergangsprosessen til materialet. På den annen side er det nødvendig å avsløre påvirkningen av mikrostruktur på de termiske egenskapene til materialer fra to aspekter: forbedret varmeoverføring og effektiv varmelagring.

I tillegg er innkapslingen av væske-faste faseendringsmaterialer og forfallet av termiske egenskaper under serviceprosessen også uunnværlige innhold i forskningen av faseendringsmaterialer med middels og høy temperatur. Dette er ofte et flaskehalsproblem i forskning og utvikling av slike materialer. Høyytelses varmelagringsmaterialer skal utvikles

Mange forskere i inn- og utland har studert metaller som varmelagringsmaterialer. I 1980, Birchenall et al. målte og analyserte de termofysiske egenskapene til binære og ternære legeringer sammensatt av Al, Cu, Mg, Si og Zn, som er rikelig på jorden, og fant at faseovergangstemperaturen er i området 780–850 K og rik på Si. Eller Al-legeringer har den høyeste varmelagringstettheten, og deretter har aluminium og silisiumbaserte legeringsfaseforandringsmaterialer blitt grundig studert.

Uorganiske saltmaterialer har et bredt spekter av kilder, store faseendringsentalpiverdier og moderate priser, og er spesielt egnet for bruk som middels og høy temperatur faseendringsvarmelagringsmaterialer. Forskerne studerte de termofysiske egenskapene til smeltet salt med en temperatur høyere enn 450 ℃, og utvidet bruken av uorganisk eutektisk salt med et temperaturområde på 220 ℃ til 290 ℃ til feltet for solenergiproduksjon, og besto tester som differensial skanning av kalorimetri. Metode, de termofysiske egenskapene til smeltet salt ble målt.

I tillegg overskrider volumendringshastigheten til mange smeltede saltsystemer før og etter faseendringen 10 %. Den større volumendringshastigheten øker hulrommene i det smeltede saltfaseforandringsmaterialsystemet, påvirker varmelagrings-/frigjøringshastigheten og øker varmelagringen. Designvanskeligheten til systemutstyret reduserer varmelagringseffektiviteten. Av denne grunn har forskere studert kompatibiliteten til varmelagringsmaterialer med smeltet saltfaseforandring med rustfritt stål, og resultatene viser at rustfritt stål har en god anti-korrosjonseffekt på de fleste smeltede salter.

Samtidig endrer syklusytelsen til ternære aluminiumsbaserte legeringsmaterialer og kompatibilitet med beholdere; kompatibiliteten til fluoridsmeltede salter med kobolt, nikkel og ildfast metallelementlegert stål; kompatibiliteten til litiumhydroksid med strukturelle legeringsmaterialer I andre aspekter har forskere også utført forskning.

Selv om noen resultater har blitt oppnådd i forskningen på middels og høy temperatur faseendringsvarmelagringsmaterialer, er kostnadene for metall- og legeringsfaseforandringsmaterialer høye, og varmelagringstettheten per masseenhet er begrenset. I tillegg er den kjemiske aktiviteten til faseendringsmaterialer av metallegering sterkere etter faseendring. , Alvorlig høytemperaturkorrosjon begrenser i stor grad dens brede anvendelse innen varmelagring ved middels og høy temperatur.

Som et faseendringsvarmelagringsmateriale har smeltet salt en stor faseendringsentalpi, høy varmelagringstetthet og moderat pris. Den har et stort utviklingspotensial innen varmelagringsapplikasjoner med middels og høy temperatur. Imidlertid har smeltet salt dårlig termisk ledningsevne og har alvorlige høytemperaturkorrosjonsproblemer med metallegeringsfaseforandringsmaterialer, noe som fortsatt er et problem som begrenser bruken av skalaen.

Derfor er utviklingen av høyytelses varmelagringsmaterialer og deres tilberedningsmetoder en uunngåelig trend i forskningen på middels og høy temperatur varmelagringsmaterialer og en uunngåelig måte for utvikling av varmelagringsteknologi.

Spredningen av solenergi, industriell spillvarme, stort energispenn og den intermitterende naturen til fornybar energi krever alle middels og høy temperatur faseendring varmelagringsteknologi.

Forskningen av storskala varmelagringsteknologi involverer skjæringspunktet mellom materialvitenskap, kjemiteknikk, maskinteknikk, varme- og masseoverføring og flerfasestrømning.

Utviklingen av høyytelses varmelagringsmaterialer med middels og høy temperatur faseendring er av stor betydning for feltet for middels og høy temperatur varmelagring, spesielt solenergiproduksjon, industriell spillvarmegjenvinning og andre felt.