蓄熱技術(shù)在能源中的應(yīng)用

蓄熱技術(shù)在能源中的應(yīng)用

0高溫相變蓄熱技術(shù)存在的問題蓄熱方式主要有三種：蓄熱、隱性蓄熱、反應(yīng)蓄熱。熱化學(xué)反應(yīng)蓄熱儲(chǔ)能密度高,易于長(zhǎng)期儲(chǔ)存,但技術(shù)上還很不成熟。顯熱蓄熱方案廣泛應(yīng)用于地面的太陽(yáng)能利用裝置以及工業(yè)廢熱回收當(dāng)中,但難以滿足緊湊空間使用的要求。高溫相變蓄熱方式由于相變時(shí)溫度基本不變,能夠滿足動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求,而且相變潛熱大,故蓄熱器的尺寸和重量都可以大大地減少。使用相變蓄熱技術(shù)與常規(guī)的蓄熱室相比,可以使相變蓄熱系統(tǒng)的體積減少30%~50%。高溫相變蓄熱可用于熱機(jī)、太陽(yáng)能電站、磁流體發(fā)電以及人造衛(wèi)星等方面。高溫相變蓄熱技術(shù)可以使體積更小,結(jié)構(gòu)更緊湊,但高溫相變蓄熱技術(shù)還面臨著許多技術(shù)上的難題,文中就當(dāng)前出現(xiàn)的問題以及解決方法進(jìn)行綜述。高溫相變蓄熱技術(shù)當(dāng)前的研究主要集中在材料研究、系統(tǒng)研究、蓄熱器研究三個(gè)主要方面,下面從這三個(gè)方面作以介紹:1熔融鹽技術(shù)高溫相變材料一般有純鹽、混合鹽、金屬等,溫度范圍在120℃~850℃,其中最有前景的是熔融鹽技術(shù),它具有儲(chǔ)熱量大,但在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮諸多方面的問題,離商業(yè)化運(yùn)用還有一段路要走。在相變材料(PCM)的研究上,一般是先針對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行溫度選擇合適的材料,對(duì)材料的選擇是一項(xiàng)耗費(fèi)勞力和需要長(zhǎng)期的工作,現(xiàn)在研究較多的是PCM的微膠囊化和封裝技術(shù)。1.1混合鹽在純鹽中的應(yīng)用由于純的熱物性應(yīng)用范圍較窄,限制了它的應(yīng)用。但通過合理搭配多種鹽的比例能可以得到合適的混合鹽,因此現(xiàn)在研究較多的是混合鹽,選擇合適的混合鹽也是一項(xiàng)復(fù)雜但基礎(chǔ)的工作。對(duì)鹽的熱物性測(cè)量也是一個(gè)需要確定的問題,現(xiàn)在運(yùn)用較多的是差熱分析法和差示掃描量熱法。Gibbs認(rèn)為由于生產(chǎn)商提供的屬性值的不確定性,使用差示掃描量熱法測(cè)量會(huì)取得較為精確的數(shù)據(jù)。在日本學(xué)者Kamimoto使用熱力測(cè)量設(shè)備對(duì)混合鹽的熔化時(shí)特性進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)得LiNO3的熱容量是375J/g,NaNO2的熱容量是222J/g,并且其測(cè)量誤差不超過1.5%。同時(shí)為了提高純鹽的熱傳導(dǎo)率,有兩種方法可供選擇。第一種是使用傳遞介質(zhì),另一種是通過添加高傳導(dǎo)率的物質(zhì)到純鹽中去。為了提高系統(tǒng)中熔融鹽的熱傳導(dǎo)率,一種常見的方法是添加石墨。純凈的PCM的熱傳導(dǎo)率僅在0.2~0.8W/mK,然而石墨和PCM的混合物的熱傳導(dǎo)率在5~10W/mK之間,但這個(gè)數(shù)值取決于石墨埋入PCM中的數(shù)量。并且石墨不為L(zhǎng)iF浸潤(rùn),當(dāng)它作為L(zhǎng)iF的容器材料時(shí)不存在腐蝕問題。此外,它具有高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性、質(zhì)量輕、易加工等特點(diǎn)。在多組分熔融鹽的配置上,彭強(qiáng)等人通過在多組分鹽的混合物中加入5%的A物質(zhì)后,發(fā)現(xiàn)多組分鹽的熱穩(wěn)定性與以前相比變得更好,并且具有更低的凝結(jié)溫度,較高的熱容量、較小的粘性和較好的熱穩(wěn)定性,并且提高了運(yùn)行溫度,此外添加了A物質(zhì)之后混合物的熱物性是穩(wěn)定的。Birchenall和Rechman在一文中對(duì)一些混合鹽的特性進(jìn)行了分析。方明、陳光明在多種PCM混合物應(yīng)用在相變熱存儲(chǔ)設(shè)備中的效果進(jìn)行了探討,給出了焓的分析方法和數(shù)值模擬的方法。Morrison、Abdel-Khalik、Ghoneim三人的研究結(jié)果表明儲(chǔ)存相同的熱,礫石的體積是石蠟的七倍多,Na2SO4.10H2O的八倍多。MuratM.Kenisarin在用于蓄熱中的高溫相變材料中詳細(xì)分析了材料的特性,他認(rèn)為高溫相變蓄熱存儲(chǔ)技術(shù)是一項(xiàng)具有前景的技術(shù)。AkiraHoshi等人對(duì)PCM應(yīng)用于太陽(yáng)能熱發(fā)電中進(jìn)行了研究,并且通過數(shù)值分析的方法找出了適用于線性菲涅爾太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的幾種高熔點(diǎn)高熱傳導(dǎo)性的物質(zhì),點(diǎn)聚焦大于700k和線聚焦系統(tǒng)。1.2解決鹽析過程的壓力和效率問題相變材料融化時(shí)需要考慮的一個(gè)問題是體積的變化,Heidenreich和Parekh通過實(shí)驗(yàn)研究了四種鹽的混合物,通過研究的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在熔化時(shí)很多的鹽的體積變化超過10%,體積的變化過大會(huì)使鹽在固化時(shí)產(chǎn)生空穴,會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力對(duì)容器的運(yùn)行是很不利的,并且會(huì)增加系統(tǒng)的充熱時(shí)間,并降低效率,會(huì)使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。當(dāng)前緊迫的是提出防止過冷、相分離以及其他不可逆現(xiàn)象的新方法,篩選分離劑、成核劑等各種添加劑;選取合適的封裝容器和載體基質(zhì);提高材料的導(dǎo)熱性能;整合系統(tǒng),從而保障其長(zhǎng)期穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)商業(yè)化打下基礎(chǔ)。1.3多組份鹽的腐蝕VenkatesettyHV等人通過研究NaNO3-NaCl-Na2SO4(86.3-8.4-5.3mol.%)和NaNO3-NaOH(70-30mol.%)兩種熔融鹽的長(zhǎng)期循環(huán)。得出到400℃時(shí)二組分鹽保持穩(wěn)定性,而三組份鹽可以在450℃保持穩(wěn)定性。鹽類腐蝕性較強(qiáng),通過長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)會(huì)對(duì)容器造成腐蝕。在SolarTwo上的實(shí)驗(yàn)碳鋼容器表現(xiàn)出良好特性,在循環(huán)30000h之后受到的腐蝕很少。但很多的研究發(fā)現(xiàn),腐蝕的強(qiáng)度與鹽中的氯化物的含量成正比,同時(shí)多組份鹽的腐蝕性要弱于純鹽。為防止殘留固體物的沉積,已研究了一些方法,如將容器做成盤狀,這種很淺的水平放置的盤狀容器有助于減少分離。另一種方法是在混合物中加入某種增稠劑,這種增稠劑可以防止混合物中成分的分離,但并不妨礙相變過程。蓄熱器材料的實(shí)驗(yàn)研究是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工程,例如美國(guó)sunlab國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng)的蓄熱材料進(jìn)行了10000次熱循環(huán)試驗(yàn),歷時(shí)14個(gè)月才完成中試。2空間熱發(fā)電機(jī)的研制美國(guó)從20世紀(jì)60年代就開始了吸熱/蓄熱器的研究,Garrett公司先后設(shè)計(jì)了3kw、10.5kw的空間熱動(dòng)力裝置,試制了各主要部件,并對(duì)大量的部件進(jìn)行了性能試驗(yàn)。當(dāng)前對(duì)系統(tǒng)的研究主要集中在單級(jí)和多級(jí),以及對(duì)儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)的選擇上。2.1研究方法的確定:自然對(duì)流條件下pcm個(gè)Lamberg和Siren研究了自然對(duì)流對(duì)PCM融化前端位置的影響,采用經(jīng)典的紐曼法則,并忽略自然對(duì)流。通過研究發(fā)現(xiàn)雖然通過紐曼法則能夠得到精確解,但是對(duì)融化前端位置的確定仍估計(jì)不足。Lamberg等人通過實(shí)驗(yàn)分析的方法對(duì)PCM在長(zhǎng)方形的空間的融化分別考慮和沒有考慮自然對(duì)流的影響進(jìn)行數(shù)值的研究。結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,分析得知:忽略自然對(duì)流的影響,PCM要達(dá)到最高的溫度所花費(fèi)的時(shí)間與實(shí)驗(yàn)相比是實(shí)驗(yàn)的兩倍。強(qiáng)化傳熱常用的方法是加入肋,肋的數(shù)量和尺寸在相變過程中對(duì)促進(jìn)自然對(duì)流起著重要作用。加肋的方式有在外部縱向肋和內(nèi)部縱向肋,如圖1所示。2.2模型試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性分析在蓄熱器的設(shè)計(jì)研究上其結(jié)構(gòu)多種多樣,我們通過入口溫度和出口溫度以及傳熱流體(HTF)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),必須通過實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方式進(jìn)行確定和分析,選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。HorstMichels和RobertPItz—Paal在級(jí)聯(lián)相變儲(chǔ)熱技術(shù)在槽式太陽(yáng)能電站中的應(yīng)用一文中,詳細(xì)分析了級(jí)聯(lián)式相變蓄熱技術(shù)的特性。UlfHerrmann等人提出使用在槽式太陽(yáng)能熱電站中使用兩罐熔融鹽來(lái)存儲(chǔ)能量的想法。通過可行性分析以及經(jīng)濟(jì)性分析,得出結(jié)論使用這樣的設(shè)計(jì)能夠有效降低運(yùn)行成本和電價(jià)。N.R.Vyshak,G.Jilani在研究中發(fā)現(xiàn),PCM分別封裝在長(zhǎng)方形的結(jié)構(gòu)、圓柱形結(jié)構(gòu)和殼管式結(jié)構(gòu),試驗(yàn)時(shí)它們分別有相同的接觸面積、長(zhǎng)度一致和相同的容積。通過比較長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),融化時(shí)間隨著尺寸的增加而增長(zhǎng)迅速,但在相同條件下長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)的融化時(shí)間明顯的少于圓柱形結(jié)構(gòu)。然而在相同條件下,殼管式結(jié)構(gòu)要比長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)的融化時(shí)間短,因此殼管式結(jié)構(gòu)是優(yōu)先考慮的儲(chǔ)熱容器結(jié)構(gòu),當(dāng)前對(duì)其的研究也最多。圓柱型結(jié)構(gòu)又能分為如圖2三種,Esen等人研究前兩種模型得出這樣的結(jié)論,第一種模型優(yōu)于第二種模型。Agyenim等人對(duì)第三種模型進(jìn)行了分析得出與第一種模型的熱傳導(dǎo)相比,在該結(jié)構(gòu)內(nèi)的多重對(duì)流傳熱占據(jù)主導(dǎo)地位,并且融化時(shí)間短于第一種模型。HTF的流動(dòng)方向也對(duì)系統(tǒng)有影響,Gong和Mujumdar研究圖3的兩個(gè)模型,在條件相同的情況下得出以下結(jié)論,第一種模型的充熱和放熱要比第二種模型多出5%,在入口處沒有發(fā)生過冷,并且熱傳遞在流體和PCM之間并沒有惡化,第二種在低溫流體流經(jīng)入口處導(dǎo)致了嚴(yán)重的過冷現(xiàn)象。3物理模型的建立在蓄熱器研究、數(shù)值模擬建模方面,由于公式的不統(tǒng)一和研究的出發(fā)點(diǎn)不同,現(xiàn)在的研究主要集中在強(qiáng)化傳熱和模型的確立。He和Zhang從數(shù)值分析的角度建立數(shù)學(xué)模型解決了非穩(wěn)態(tài)凝固問題和強(qiáng)制傳熱。Kurkulu建立一個(gè)模型,通過試驗(yàn)和模擬所得的數(shù)據(jù)吻合的很好,得出了空氣的流量增加或者入口空氣的溫度降低都會(huì)使PCM相變的時(shí)間變短。Esen等人建立了如圖4所示的模型,PCM被放置在圓柱體內(nèi)而HTF平流過這些管子,通過數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)模擬得出這樣的結(jié)論:在特定的時(shí)間段內(nèi),在流量和HTF的入口溫度增加的情況下PCM中存儲(chǔ)的能量增大,隨著存放PCM的管子的直徑增大,PCM的熔化時(shí)間增長(zhǎng)。因此在建模時(shí)要選擇合適的尺寸,實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)都比較吻合。在相變的熱傳導(dǎo)過程上,分析是比較復(fù)雜的,這主要由于固-液的分界線移動(dòng)主要依據(jù)在固-液分界線附近潛熱的吸收和釋放的速度。對(duì)固-液分界線來(lái)說是未知的,可以依據(jù)LiH等人研究所得結(jié)論來(lái)確定。FrancisAgyenim等人從材料、建模和熱傳遞等方面詳細(xì)分析了當(dāng)前研究現(xiàn)狀,有一維、二維還有三維的方法來(lái)建模,但大部分模型都從二維的角度出發(fā)。物理模型的依據(jù)是從熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。但是許多人的研究是從熱力學(xué)第一定律出發(fā),只有少部分人對(duì)熱力學(xué)第二定律進(jìn)行研究。PrashantVerman,S.K.singal得出這樣的結(jié)論,對(duì)熱力學(xué)第二定律的研究需要更好的了解熱力學(xué)特性和熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)的效率,與熱力學(xué)第一定律相比,還需要大量的實(shí)驗(yàn)做支撐。4陽(yáng)能熱發(fā)電20世紀(jì)90年代以來(lái),美國(guó)、歐盟都制定了“太陽(yáng)能熱發(fā)電計(jì)劃”,以積極推動(dòng)其商業(yè)化進(jìn)程,預(yù)計(jì)2020年前后,太陽(yáng)能熱發(fā)電將在發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。太陽(yáng)能熱發(fā)電的優(yōu)點(diǎn):(1)高容量。(2)可調(diào)度間平移性和時(shí)間平移。(3)提高年利用率。(4)電力輸出更平穩(wěn)。(5)高效率滿負(fù)荷運(yùn)行。我國(guó)也非常注重太陽(yáng)能的合理利用,中國(guó)2010年的電力需求900GW,并且煤電的比例占到了75%,增長(zhǎng)的電力需求加劇了環(huán)境的壓力,發(fā)展清潔能源迫在眉睫,在2011~2025年的規(guī)劃中,發(fā)展10~1000MW的太陽(yáng)能電力系統(tǒng),更大的接收器更高的溫度和更大的熱儲(chǔ)存能力。圖5展示了槽式式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4.1太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)由于吸熱器的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)并不是效率最高的蓄熱結(jié)構(gòu)就是最適用,要依據(jù)現(xiàn)實(shí)的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。高效、低成本的吸收器的研究(新型結(jié)構(gòu)的研究,高熱流密度下吸收器的高效傳遞現(xiàn)象);高效、低成本的蓄換熱裝置的研究(蓄換熱流體的選型及熱物性,傳熱管路及蓄熱容器中復(fù)雜的熱物理問題)是提高太陽(yáng)能熱發(fā)電效率,降低成本的有效手段?？涨皇礁邷匚鼰崞魇悄壳皣?guó)際上的研究熱點(diǎn)之一,按其形狀可以分為圓柱形、平頂錐形、橢圓形、球形及復(fù)合平頂錐形等。腔體吸熱器的最初設(shè)計(jì)思路是通過減小入射光線的開孔面積,利用腔體內(nèi)壁的多次反射,使得入射太陽(yáng)能得到充分的吸收,以減少熱損失的。4.2熱壓耦合作用下傳熱流體的機(jī)理性研究開發(fā)復(fù)雜耦合換熱數(shù)值模擬程序,對(duì)高熱流密度及多種熱量傳遞方式(輻射、導(dǎo)熱、對(duì)流)耦合作用下傳熱流體的吸熱過程進(jìn)行機(jī)理性研究,尋找相關(guān)機(jī)理和規(guī)律;獲得優(yōu)化吸熱器結(jié)構(gòu)及強(qiáng)化傳熱流體傳熱過程的有效手段。5太陽(yáng)能