Värmelagringsteknik: förbättra effektiviteten av omfattande utnyttjande av värmeenergi
För närvarande finns det i många energianvändningssystem en motsättning mellan energitillgång och efterfrågan, vilket leder till orimligt energiutnyttjande och stora mängder avfall. Energieffektiviteten som solenergi och industriell spillvärme är låg, vilket inte bara slösar resurser utan också orsakar icke försumbar termisk förorening till atmosfärsmiljön.
Av denna anledning har förbättrad energiomvandling och energianvändning blivit en viktig fråga som länder måste prioritera för att implementera hållbara utvecklingsstrategier, och utvecklingen av värmelagringsteknik för en omfattande och effektiv användning av värmeenergi är av största vikt.
Rikliga resurser tillgängliga
Solenergi är den viktigaste basenergikällan bland förnybara energikällor. Det är"outtömlig och outtömlig" och är brett spridd och fri från föroreningar. Det är en ekonomisk ren energi. Solen kan frigöra energi på 391×1021 kW per sekund. Även om energin som utstrålas till jordens yta bara är en-2,2 miljarder av den, motsvarar den 80 000 gånger världens's elproduktion. mitt land är ett relativt rikt land på solenergi. Mer än två tredjedelar av landet har en årlig solinstrålning på mer än 6 GJ·m2 och årliga soltimmar på mer än 2 200 timmar. Den årliga solstrålningsenergin som mottas av jordens's yta i mitt land är cirka 50×1019 kJ, vilket motsvarar 170 miljarder ton standardkol. Sådana rikliga solenergiresurser ger också goda förutsättningar för mitt lands's utveckling och utnyttjande av solenergi. Industriell spillvärme kommer främst från industrier som metallurgi, byggmaterial och kemikalier. Statistik 2010 visade att industriella spillvärmeresurser stod för upp till 67 % av den totala bränslevärmen, varav återvinningsgraden nådde 60 %. Den totala utnyttjandegraden av spillvärmeresurser i mitt land är dock låg, och spillvärmeutnyttjandet av stora järn- och stålföretag är cirka 30 %. ~50%.
Det finns mycket utrymme för förbättring av utnyttjandegraden av industriell spillvärmeresurser i mitt land. Ta den metallurgiska industrin som exempel. 2010 var mitt lands produktion av råstål 627 miljoner ton. Energin i den producerade rökgasen motsvarade 30 miljoner ton standardkol och mängden producerad stålslagg var cirka 280 miljoner ton och den inneslutna termiska energin motsvarade 10 miljoner ton standardkol. . För närvarande är utnyttjandegraden av rökgasspillvärme i inhemska järn- och stålföretag cirka 30%, och utnyttjandegraden av järn- och stålslaggsvärme är nästan noll. Om spillvärmeutnyttjandegraden för rökgaser kan ökas till 90 % och utnyttjandegraden av stålslaggsspillvärme kan ökas till 60 %, kan 21,6 miljoner ton standardkol sparas varje år, CO2-utsläppsminskning med cirka 50 miljoner ton, och 3,3 miljarder kWh kraftproduktion kan genereras.
Det kan ses att spillvärmeåtervinning är ett stort krav i mitt lands's energistrategi, med omätbara ekonomiska fördelar, och är av stor betydelse för mitt lands's ekonomiska utveckling, sociala framsteg och nationell energisäkerhet. Men oavsett om det är solenergi eller industriella spillvärmeresurser, finns det problem med intermittent och instabilitet, vilket allvarligt hindrar främjandet och tillämpningen av relaterad teknik.
Brådskande behov av medium och hög temperatur latent värmelagringsteknik
Användningen av värmelagringsteknik kan lindra motsättningen mellan termisk energitillgång och efterfrågan i termer av tid, intensitet och utrymme, och är ett viktigt medel för optimerad drift av värmeenergisystem. Värmelagring omfattar huvudsakligen tre former: vettig värmelagring, latent värmelagring och kemisk reaktionsvärmelagring.
Kemisk reaktionsvärmelagring är fortfarande i det experimentella forskningsstadiet på grund av dess komplexa system, tekniska svårigheter och dåliga funktionsduglighet; även om förnuftig värmelagringsteknik har använts i stor utsträckning, orsakas värmelagring av den låga värmelagringstätheten per volymenhet värmelagringsmaterial Den stora mängden material gör värmelagringssystemet med stor kapacitet skrymmande, komplicerat i process och hög kostnad .
Latent värmelagring är att använda den latenta värme som frigörs eller absorberas av värmelagringsmaterialets fasförändringsprocess för att lagra och frigöra värme. Jämfört med vettig värmelagringsteknik har latent värmelagring fördelen av stor värmelagringstäthet per volymenhet och har en större energiabsorption och frigöring inom fasövergångstemperaturområdet, och lagrings- och frigöringstemperaturområdet är smalt, vilket är fördelaktigt. att ladda och släppa Temperaturen i den termiska processen är stabil.
För att förbättra energiomvandlingseffektiviteten och minska kostnaderna, går tekniken för solvärmeutnyttjande mot högre driftstemperaturer. Driftstemperaturen för termisk kraftgenerering har överskridit 600°C, och temperaturen för en stor mängd industriell spillvärme är också mycket hög (till exempel är omvandlarens rökgastemperatur 1600°C. ca).
Dessa behöver alla omedelbart forska och utveckla teknologier för latent värmelagring i medel- och högtemperatur. Även om många forskare hemma och utomlands har utfört forskning från olika nivåer såsom material och processer under lång tid, så finns det än så länge inget moget latent värmelagringssystem för medium och hög temperatur som fungerar stabilt.
Efter många år av djupgående forskning inom detta område av många inhemska och utländska forskningsenheter, kombinerat med den nuvarande statusen och trenderna för inhemsk och utländsk teknologiutveckling, tros det att den latenta värmelagringstekniken för medelhög och hög temperatur huvudsakligen står inför följande utestående problem.
För det första finns det en brist på medel- och högtemperatur latent värmelagringsmaterial med omfattande egenskaper som hög värmelagringstäthet och stark värmeledningsförmåga. Grunden för latent värmelagringsteknik är fasförändringsmaterial. För närvarande har forskningen på lågtemperaturvärmelagringsmaterial (& lt;100°C) baserad på paraffinvax och hydratiserat salt varit omfattande, och den har även tillämpats inom konstruktion och kläder. Emellertid saknas fortfarande medel- och högtemperaturvärmelagringsmaterial, särskilt högtemperaturfasförändringsvärmelagringsmaterial med en smältpunkt >600°C.
För det andra är medel och hög temperatur fasförändring värmelagringsmaterial huvudsakligen oorganiska salter och legeringar. Å ena sidan kräver valet av kandidatmaterial en fördjupad förståelse av termodynamiken och kinetiska mekanismerna för materialets fasövergångsprocess. Å andra sidan är det nödvändigt att avslöja mikrostrukturens inverkan på materialens termiska egenskaper från två aspekter: förbättrad värmeöverföring och effektiv värmelagring.
Dessutom är inkapslingen av vätske-fastfasförändringsmaterial och försämringen av termiska egenskaper under serviceprocessen också oumbärliga innehåll i forskningen av medel- och högtemperaturfasändringsmaterial. Detta är ofta ett flaskhalsproblem vid forskning och utveckling av sådana material. Högpresterande värmelagringsmaterial ska utvecklas
Många forskare hemma och utomlands har studerat metaller som värmelagringsmaterial. År 1980, Birchenall et al. mätte och analyserade de termofysiska egenskaperna hos binära och ternära legeringar sammansatta av Al, Cu, Mg, Si och Zn, som finns rikligt på jorden, och fann att fasövergångstemperaturen ligger i intervallet 780–850 K och rik på Si. Eller Al-legeringar har den högsta värmelagringstätheten, och sedan har aluminium- och kiselbaserade legeringar fasförändringsvärmelagringsmaterial studerats omfattande.
Oorganiska saltmaterial har ett brett utbud av källor, stora entalpivärden för fasförändringar och måttliga priser, och är särskilt lämpliga för användning som fasförändringsmaterial för medelhög och hög temperatur. Forskarna studerade de termofysiska egenskaperna hos smält salt med en temperatur högre än 450 ℃, och utökade tillämpningen av oorganiskt eutektiskt salt med ett temperaturområde på 220 ℃ till 290 ℃ till området för solvärmeproduktion, och klarade tester som differential skanningskalorimetri. Metod, de termofysiska egenskaperna hos smält salt mättes.
Dessutom överstiger volymförändringshastigheten för många smälta saltsystem före och efter fasändringen 10 %. Den större volymförändringshastigheten ökar hålrummen i det smälta saltfasförändringsmaterialsystemet, påverkar värmelagrings-/frigöringshastigheten och ökar värmelagringen. Konstruktionssvårigheten för systemutrustningen minskar värmelagringseffektiviteten. Av denna anledning har forskare studerat kompatibiliteten hos smälta saltfasförändringsvärmelagringsmaterial med rostfritt stål, och resultaten visar att rostfritt stål har en bra anti-korrosionseffekt på de flesta smälta salter.
Samtidigt ändrar cykelprestanda för ternära aluminiumbaserade legeringar material och kompatibilitet med behållare; kompatibiliteten av fluorsmälta salter med kobolt, nickel och eldfasta metallelementlegerade stål; litiumhydroxids kompatibilitet med strukturella legeringsmaterial I andra aspekter har forskare också bedrivit forskning.
Även om vissa resultat har uppnåtts i forskningen av medel- och högtemperaturfasförändringsvärmelagringsmaterial, är kostnaden för metall- och legeringsfasförändringsmaterial hög, och värmelagringstätheten per massenhet är begränsad. Dessutom är den kemiska aktiviteten hos metallegeringsfasförändringsmaterial starkare efter fasförändring. , Allvarlig korrosion vid hög temperatur begränsar kraftigt dess breda tillämpning inom området för medel- och högtemperaturvärmelagring.
Som ett fasförändringsvärmelagringsmaterial har smält salt en stor fasförändringsentalpi, hög värmelagringstäthet och måttligt pris. Den har stor utvecklingspotential inom området för värmelagringsapplikationer med medel- och högtemperatur. Smält salt har emellertid dålig värmeledningsförmåga och har allvarliga högtemperaturkorrosionsproblem med metallegeringsfasförändringsmaterial, vilket fortfarande är ett problem som begränsar dess skalanvändning.
Därför är utvecklingen av högpresterande värmelagringsmaterial och deras beredningsmetoder en oundviklig trend i forskningen av medel- och högtemperaturvärmelagringsmaterial och ett oundvikligt sätt för utveckling av värmelagringsteknik.
Spridningen av solenergi, industriell spillvärme, stora energispann och den intermittenta naturen hos förnybar energi kräver alla medel- och högtemperaturer för fasförändringsvärmelagringsteknik.
Forskningen av storskalig värmelagringsteknik involverar skärningspunkten mellan materialvetenskap, kemiteknik, maskinteknik, värme- och massöverföring och flerfasflöde.
Utvecklingen av högpresterande medel- och högtemperaturfasförändringsvärmelagringsmaterial är av stor betydelse för området för medel- och högtemperaturvärmelagring, särskilt solvärmeenergi, industriell spillvärmeåtervinning och andra områden.
