Tehnologija skladištenja topline: poboljšati učinkovitost sveobuhvatnog korištenja toplinske energije

Trenutačno u mnogim sustavima korištenja energije postoji kontradikcija između neusklađenosti ponude i potražnje energije, što rezultira nerazumnim korištenjem energije i velikom količinom otpada. Energetska učinkovitost poput sunčeve energije i industrijske otpadne topline je niska, što ne samo da troši resurse, već uzrokuje i nezanemarivo toplinsko onečišćenje atmosferskog okoliša.

Zbog toga je poboljšanje pretvorbe i iskorištenja energije postalo glavno pitanje kojemu zemlje moraju dati prioritet za provedbu strategija održivog razvoja, a razvoj tehnologije skladištenja topline za sveobuhvatno i učinkovito korištenje toplinske energije je od iznimne važnosti.

Obilni resursi dostupni

Sunčeva 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 milijarditi dio, to je ekvivalentno 80 000 puta više od svjetske proizvodnje električne energije'. 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 2200 h. Godišnja sunčeva energija zračenja koju prima Zemljina's površina u mojoj zemlji iznosi oko 50×1019 kJ, što je ekvivalentno 170 milijardi tona standardnog ugljena. Takvi bogati izvori solarne energije također pružaju dobre uvjete za razvoj i korištenje proizvodnje solarne energije u mojoj zemlji' Industrijska otpadna toplina uglavnom dolazi iz industrija kao što su metalurgija, građevinski materijali i kemikalije. Statistički podaci u 2010. godini pokazali su da su industrijski otpadni toplinski resursi činili do 67% ukupne topline goriva, od čega je stopa iskorištenja dosegla 60%. Međutim, ukupna stopa iskorištenja resursa otpadne topline u mojoj zemlji je niska, a stopa iskorištenja otpadne topline velikih poduzeća željeza i čelika je oko 30%. ~50%.

Postoji mnogo prostora za poboljšanje stope iskorištenja industrijskih otpadnih toplinskih resursa u mojoj zemlji. Uzmimo za primjer metaluršku industriju. U 2010. godini proizvodnja sirovog čelika u mojoj zemlji iznosila je 627 milijuna tona. Energija sadržana u proizvedenom dimnom plinu bila je ekvivalentna 30 milijuna tona standardnog ugljena, a količina proizvedene čelične troske iznosila je približno 280 milijuna tona, a sadržana toplinska energija bila je ekvivalentna 10 milijuna tona standardnog ugljena. . Trenutno je stopa iskorištenja otpadne topline dimnih plinova u domaćim poduzećima željeza i čelika oko 30%, a stopa iskorištenja otpadne topline željeza i čelične troske gotovo je nula. Ako se stopa iskorištenja otpadne topline dimnog plina može povećati na 90%, a stopa iskorištenja otpadne topline čelične troske može se povećati na 60%, godišnje se može uštedjeti 21,6 milijuna tona standardnog ugljena, smanjenje emisije CO2 za oko 50 milijuna 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' s 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 toplinskim resursima, postoje problemi isprekidanosti i nestabilnosti, koji ozbiljno ometaju promicanje i primjenu srodnih tehnologija.

Hitna potreba za tehnologijom skladištenja latentne topline srednje i visoke temperature

Korištenje tehnologije skladištenja topline može ublažiti proturječje između ponude i potražnje toplinske energije u smislu vremena, intenziteta i prostora, te je važno sredstvo za optimiziran rad sustava toplinske energije. Skladištenje topline uglavnom uključuje tri oblika: osjetljivo pohranjivanje topline, skladištenje latentne topline i pohranu topline kemijske reakcije.

Skladištenje topline kemijske reakcije još je u fazi eksperimentalnog istraživanja zbog složenog sustava, tehničke poteškoće i loše operativnosti; iako je razumna tehnologija skladištenja topline široko korištena, pohranjivanje topline uzrokovano je malom gustoćom pohrane topline po jedinici volumena materijala za pohranu topline Velika količina materijala čini sustav za pohranu topline velikog kapaciteta glomaznim, kompliciranim u procesu i visokim troškovima .

Latentno skladištenje topline je korištenje latentne topline oslobođene ili apsorbirane procesom promjene faze materijala za pohranu topline za pohranu i oslobađanje topline. U usporedbi s razumnom tehnologijom skladištenja topline, latentno skladištenje topline ima prednost velike gustoće pohrane topline po jedinici volumena i ima veću apsorpciju i oslobađanje energije unutar temperaturnog raspona faznog prijelaza, a raspon temperature skladištenja i otpuštanja je uski, što je korisno za punjenje i otpuštanje Temperatura toplinskog procesa je stabilna.

Kako bi se poboljšala učinkovitost pretvorbe energije i smanjili troškovi, tehnologija korištenja solarne topline kreće se prema višim radnim temperaturama. Radna temperatura proizvodnje toplinske energije premašila je 600°C, a temperatura velike količine industrijske otpadne topline također je vrlo visoka (npr. temperatura dimnih plinova pretvarača je oko 1600°C).

Sve to hitno treba istražiti i razviti tehnologije latentne topline srednje i visoke temperature. Iako su mnogi znanstvenici u zemlji i inozemstvu dugo vremena provodili istraživanja s različitih razina kao što su materijali i procesi, još uvijek ne postoji zreli srednje i visokotemperaturni sustav latentne topline koji radi stabilno.

Nakon dugogodišnjeg dubinskog istraživanja u ovom području od strane brojnih domaćih i stranih istraživačkih jedinica, u kombinaciji s trenutnim stanjem i trendovima razvoja domaće i strane tehnologije, smatra se da se tehnologija srednje i visoke temperature latentne topline uglavnom suočava sa sljedećim: izvanredni problemi.

Prvo, postoji nedostatak materijala za pohranu latentne topline srednje i visoke temperature sa sveobuhvatnim svojstvima kao što su visoka gustoća pohrane topline i jaka toplinska vodljivost. Temelj tehnologije skladištenja latentne topline su materijali s promjenom faze. Trenutno su opsežna istraživanja materijala za pohranu topline pri niskim temperaturama (& lt;100°C) na bazi parafinskog voska i hidratizirane soli, a također su primijenjena u građevinarstvu i odjeći. Međutim, materijali za pohranu topline srednje i visoke temperature, posebno materijali za pohranu topline visoke temperature s faznom promjenom s točkom taljenja> 600°C, još uvijek nedostaju.

Drugo, materijali za pohranu topline srednje i visoke temperature s faznom promjenom uglavnom su anorganske soli i legure. S jedne strane, odabir materijala kandidata zahtijeva dubinsko razumijevanje termodinamike i kinetičkih mehanizama procesa faznog prijelaza materijala. S druge strane, potrebno je otkriti utjecaj mikrostrukture na toplinska svojstva materijala s dva aspekta: pojačanog prijenosa topline i učinkovitog pohranjivanja topline.

Osim toga, inkapsulacija materijala za promjenu faze tekućina-kruta i opadanje toplinskih svojstava tijekom procesa rada također su nezamjenjivi sadržaji u istraživanju materijala za promjenu faze srednje i visoke temperature. To je često problem uskog grla u istraživanju i razvoju takvih materijala. Treba razviti materijale za pohranu topline visokih performansi

Mnogi znanstvenici u zemlji i inozemstvu proučavali su metale kao materijale za pohranu topline. Godine 1980. Birchenall i sur. 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 gustoću pohranjivanja topline, a zatim su materijali za pohranu topline na bazi aluminija i silicija na bazi silicija opsežno proučavani.

Anorganski solni materijali imaju širok raspon izvora, velike vrijednosti entalpije faze promjene i umjerene cijene, a posebno su prikladni za upotrebu kao materijali za skladištenje topline srednje i visoke temperature. 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, te prošli testove kao što su diferencijalna skenirajuća kalorimetrija. Metodom su izmjerena termofizička svojstva rastaljene soli.

Osim toga, stopa promjene volumena mnogih sustava rastaljene soli prije i nakon promjene faze prelazi 10%. Veća brzina promjene volumena povećava praznine u sustavu materijala za promjenu faze rastaljene soli, utječe na brzinu pohranjivanja/otpuštanja topline i povećava pohranu topline. Teškoća dizajna opreme sustava smanjuje učinkovitost skladištenja topline. 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 rastaljenih soli.

Istodobno, performanse ciklusa trostrukih materijala za promjenu faze od legure na bazi aluminija i kompatibilnost sa spremnicima; kompatibilnost rastaljenih soli fluorida s legiranim čelicima kobalta, nikla i vatrostalnih metalnih elemenata; kompatibilnost litijevog hidroksida sa strukturnim legiranim materijalima U drugim aspektima, znanstvenici su također proveli 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 gustoća pohrane topline po jedinici mase ograničena. Osim toga, kemijska aktivnost materijala za promjenu faze od metalnih legura je jača nakon promjene faze. , Teška korozija pri visokim temperaturama uvelike ograničava njegovu široku primjenu u području srednje i visoke temperature pohranjivanja topline.

Kao materijal za pohranu topline s promjenom faze, rastaljena sol ima veliku entalpiju promjene faze, veliku gustoću pohranjivanja topline i umjerenu cijenu. Ima veliki razvojni potencijal u području aplikacija za skladištenje topline srednje i visoke temperature. Međutim, rastaljena sol ima lošu toplinsku vodljivost i ima ozbiljne probleme s korozijom na visokim temperaturama s materijalima za promjenu faze od metalnih legura, što je još uvijek problem koji ograničava njezinu primjenu.

Stoga je razvoj visokoučinkovitih materijala za pohranu topline i metoda njihove pripreme neizbježan trend u istraživanju srednje i visokotemperaturnih materijala za pohranu topline i nezaobilazan put razvoja tehnologije akumulacije topline.

Raspršivanje sunčeve energije, industrijska otpadna toplina, veliki raspon energije i povremena priroda obnovljive energije zahtijevaju tehnologiju skladištenja topline srednje i visoke temperature s faznom promjenom.

Istraživanje velike tehnologije skladištenja topline uključuje križanje znanosti o materijalima, kemijskog inženjerstva, strojarstva, prijenosa topline i mase i višefaznog strujanja.

Razvoj visokoučinkovitih materijala za pohranu topline srednje i visoke temperature s faznom promjenom je od velikog značaja za područje srednjeg i visokotemperaturnog pohranjivanja topline, posebno za proizvodnju solarne toplinske energije, povrat industrijske otpadne topline i druga područja.