Varmelagringsteknologi: forbedre effektiviteten af ​​omfattende udnyttelse af varmeenergi

På nuværende tidspunkt er der i mange energiudnyttelsessystemer en modsætning mellem energiudbud og efterspørgsel, hvilket resulterer i en urimelig energiudnyttelse og en stor mængde spild. Energieffektiviteten såsom solenergi og industriel spildvarme er lav, hvilket ikke kun spilder ressourcer, men også forårsager ikke-ubetydelig termisk forurening til det atmosfæriske miljø.

Af denne grund er forbedring af energiomsætning og -udnyttelse blevet et stort emne, som landene skal prioritere for at implementere bæredygtige udviklingsstrategier, og udviklingen af ​​varmelagringsteknologi til omfattende og effektiv brug af varmeenergi er af afgørende betydning.

Rigelige ressourcer til rådighed

Solenergi er den vigtigste grundlæggende energikilde blandt vedvarende energikilder. Det er"uudtømmeligt og uudtømmeligt" og er vidt udbredt og forureningsfri. Det er en økonomisk ren energi. Solen kan frigive energi på 391×1021 kW i sekundet. Selvom den energi, der udstråles til jordens overflade, kun er en-2,2 milliardtedel af den, svarer det til 80.000 gange verdens's elproduktion. mit land er et relativt rigt land på solenergi. Mere end to tredjedele af landet har en årlig solindstråling på mere end 6 GJ·m2 og årlige solskinstimer på mere end 2.200 timer. Den årlige solstrålingsenergi, der modtages af jordens overflade i mit land, er omkring 50×1019 kJ, hvilket svarer til 170 milliarder tons standardkul. Sådanne rigelige solenergiressourcer giver også gode betingelser for mit lands's udvikling og udnyttelse af solenergiproduktion. Industriel spildvarme kommer hovedsageligt fra industrier som metallurgi, byggematerialer og kemikalier. Statistikker i 2010 viste, at industrielle spildvarmeressourcer tegnede sig for op til 67 % af den samlede brændselsvarme, hvoraf genvindingsgraden nåede 60 %. Imidlertid er den samlede udnyttelsesgrad af spildvarmeressourcer i mit land lav, og spildvarmeudnyttelsesgraden for store jern- og stålvirksomheder er omkring 30 %. ~50 %.

Der er meget plads til forbedring af udnyttelsesgraden af ​​industrielle spildvarmeressourcer i mit land. Tag den metallurgiske industri som et eksempel. I 2010 var mit lands råstålproduktion 627 millioner tons. Energien indeholdt i den producerede røggas svarede til 30 millioner tons standardkul, og mængden af ​​produceret stålslagge var cirka 280 millioner tons, og den indeholdte termiske energi svarede til 10 millioner tons standardkul. . På nuværende tidspunkt er udnyttelsesgraden af ​​røggasspildvarme i husholdningsjern- og stålvirksomheder omkring 30%, og udnyttelsesgraden af ​​jern- og stålslaggespildvarme er næsten nul. Hvis spildvarmeudnyttelsesgraden for røggas kan øges til 90% og udnyttelsesgraden af ​​stålslaggespildvarme kan øges til 60%, kan der spares 21,6 millioner tons standardkul hvert år, CO2-emissionsreduktion på omkring 50 mio. tons, og der kan produceres 3,3 milliarder kWh elproduktion.

Det kan ses, at genvinding af spildvarme er et væsentligt krav i mit lands's energistrategi med umådelige økonomiske fordele og er af stor betydning for mit lands's økonomiske udvikling, sociale fremskridt , og national energisikkerhed. Men uanset om det er solenergi eller industrielle spildvarmeressourcer, er der problemer med intermitterende og ustabilitet, som alvorligt hæmmer fremme og anvendelse af relaterede teknologier.

Akut behov for medium og høj temperatur latent varmelagringsteknologi

Anvendelsen af ​​varmelagringsteknologi kan afhjælpe modsætningen mellem termisk energiforsyning og -efterspørgsel med hensyn til tid, intensitet og plads, og er et vigtigt middel til optimeret drift af termiske energisystemer. Varmelagring omfatter hovedsageligt tre former: fornuftig varmelagring, latent varmelagring og kemisk reaktionsvarmelagring.

Opbevaring af kemisk reaktionsvarme er stadig i det eksperimentelle forskningsstadium på grund af dets komplekse system, tekniske vanskeligheder og dårlige betjeningsevne; Selvom fornuftig varmelagringsteknologi er blevet brugt i vid udstrækning, er varmelagring forårsaget af den lave varmelagringstæthed pr. volumenhed af varmelagringsmaterialer Den store mængde materialer gør varmelagringssystemet med stor kapacitet pladskrævende, kompliceret i processen og høje omkostninger .

Latent varmelagring er at bruge den latente varme, der frigives eller absorberes af varmelagringsmaterialets faseskifteproces til at lagre og frigive varme. Sammenlignet med fornuftig varmelagringsteknologi har latent varmelagring fordelen af ​​stor varmelagringstæthed pr. volumenenhed og har en større energiabsorption og frigivelse inden for faseovergangstemperaturområdet, og lagrings- og frigivelsestemperaturområdet er snævert, hvilket er fordelagtigt. at oplade og frigive Temperaturen i den termiske proces er stabil.

For at forbedre energikonverteringseffektiviteten og reducere omkostningerne bevæger solvarmeudnyttelsesteknologien sig mod højere driftstemperaturer. Driftstemperaturen for termisk elproduktion har oversteget 600°C, og temperaturen af ​​en stor mængde industriel spildvarme er også meget høj (for eksempel er konverterens røggastemperatur 1600°C. ca.).

Disse har alle et presserende behov for at forske og udvikle teknologier til latent varmelagring af mellem- og højtemperaturer. Selvom mange forskere i ind- og udland har udført forskning fra forskellige niveauer såsom materialer og processer i lang tid, er der indtil videre ikke noget modent medium og høj temperatur latent varmelagringssystem, der fungerer stabilt.

Efter mange års dybdegående forskning på dette område af mange indenlandske og udenlandske forskningsenheder kombineret med den nuværende status og tendenser for indenlandsk og udenlandsk teknologiudvikling, menes det, at middel- og højtemperatur latent varmelagringsteknologi hovedsageligt står over for følgende udestående problemer.

For det første er der mangel på middel- og højtemperatur latente varmelagringsmaterialer med omfattende egenskaber såsom høj varmelagringstæthed og stærk varmeledningsevne. Grundlaget for latent varmelagringsteknologi er faseændringsmaterialer. På nuværende tidspunkt har forskning i lavtemperatur varmelagringsmaterialer (& lt;100°C) baseret på paraffinvoks og hydreret salt været omfattende, og det er også blevet anvendt inden for byggeri og beklædning. Imidlertid mangler mellem- og højtemperatur varmelagringsmaterialer, især højtemperaturfaseændringsvarmelagermaterialer med et smeltepunkt>600°C, stadig.

For det andet er mellem- og højtemperaturfaseændringsvarmelagringsmaterialerne hovedsageligt uorganiske salte og legeringer. På den ene side kræver udvælgelsen af ​​kandidatmaterialer en dybdegående forståelse af termodynamikken og kinetiske mekanismer i materialets faseovergangsproces. På den anden side er det nødvendigt at afsløre mikrostrukturens indflydelse på materialers termiske egenskaber fra to aspekter: forbedret varmeoverførsel og effektiv varmelagring.

Derudover er indkapslingen af ​​væske-faste faseændringsmaterialer og nedbrydningen af ​​termiske egenskaber under serviceprocessen også uundværlige indhold i forskningen af ​​mellem- og højtemperaturfaseændringsmaterialer. Dette er ofte et flaskehalsproblem i forskning og udvikling af sådanne materialer. Højtydende varmelagringsmaterialer skal udvikles

Mange videnskabsmænd i ind- og udland har studeret metaller som varmelagringsmaterialer. I 1980, Birchenall et al. målte og analyserede de termofysiske egenskaber af binære og ternære legeringer sammensat af Al, Cu, Mg, Si og Zn, som er rigelige på jorden, og fandt ud af, at faseovergangstemperaturen er i området 780-850 K og rig på Si. Eller Al-legeringer har den højeste varmelagringstæthed, og derefter er aluminium- og siliciumbaserede legeringsfaseændringsvarmelagermaterialer blevet grundigt undersøgt.

Uorganiske saltmaterialer har en bred vifte af kilder, store faseændringsentalpiværdier og moderate priser og er særligt velegnede til brug som mellem- og højtemperaturfaseændringsvarmelagre. Forskerne undersøgte de termofysiske egenskaber af smeltet salt med en temperatur højere end 450 ℃ og udvidede anvendelsen af ​​uorganisk eutektisk salt med et temperaturområde på 220 ℃ til 290 ℃ til området for solvarmeenergiproduktion og bestod tests såsom differential scanning kalorimetri. Metode blev de termofysiske egenskaber af smeltet salt målt.

Derudover overstiger volumenændringshastigheden for mange smeltede saltsystemer før og efter faseændringen 10%. Den større volumenændringshastighed øger hulrummene i det smeltede saltfaseændringsmaterialesystem, påvirker varmelagrings-/frigivelseshastigheden og øger varmelagringen. Systemudstyrets designvanskeligheder reducerer varmelagringseffektiviteten. Af denne grund har forskere undersøgt kompatibiliteten af ​​smeltede saltfaseændringsvarmeopbevaringsmaterialer med rustfrit stål, og resultaterne viser, at rustfrit stål har en god anti-korrosionseffekt på de fleste smeltede salte.

Samtidig ændrer cyklusydelsen af ​​ternære aluminium-baserede legeringsmaterialer og kompatibilitet med beholdere; foreneligheden af ​​fluoridsmeltede salte med kobolt, nikkel og ildfaste metalelementer legeret stål; lithiumhydroxids forenelighed med strukturelle legeringsmaterialer. I andre aspekter har forskere også forsket.

Selvom der er opnået nogle resultater i forskningen af ​​mellem- og højtemperaturfaseændringsvarmelagringsmaterialer, er omkostningerne ved metal- og legeringsfaseændringsmaterialer høje, og varmelagringstætheden pr. masseenhed er begrænset. Derudover er den kemiske aktivitet af metallegeringsfaseændringsmaterialer stærkere efter faseændring. , Alvorlig højtemperaturkorrosion begrænser i høj grad dens brede anvendelse inden for mellem- og højtemperaturvarmelagring.

Som et faseændringsvarmelagermateriale har smeltet salt en stor faseændringsentalpi, høj varmelagringstæthed og moderat pris. Det har et stort udviklingspotentiale inden for applikationer til medium og høj temperatur varmelagring. Imidlertid har smeltet salt dårlig termisk ledningsevne og har alvorlige højtemperaturkorrosionsproblemer med metallegeringsfaseændringsmaterialer, hvilket stadig er et problem, der begrænser dets skalaanvendelse.

Derfor er udviklingen af ​​højtydende varmelagringsmaterialer og deres forberedelsesmetoder en uundgåelig tendens i forskningen af ​​mellem- og højtemperatur varmelagringsmaterialer og en uundgåelig måde for udvikling af varmelagringsteknologi.

Spredningen af ​​solenergi, industriel spildvarme, stort energispænd og vedvarende energis intermitterende karakter kræver alle mellem- og højtemperaturfaseændringsvarmelagringsteknologi.

Forskningen i storskala varmelagringsteknologi involverer skæringspunktet mellem materialevidenskab, kemiteknik, maskinteknik, varme- og masseoverførsel og flerfaseflow.

Udviklingen af ​​højtydende mellem- og højtemperaturfaseændringsvarmelagringsmaterialer er af stor betydning for området for mellem- og højtemperaturvarmelagring, især solvarmeenergiproduktion, industriel spildvarmegenvinding og andre områder.