Технология аккумулирования тепла: повышение эффективности комплексного использования тепловой энергии
В настоящее время во многих системах использования энергии существует противоречие между несоответствием предложения и спроса на энергию, что приводит к необоснованному использованию энергии и большому количеству отходов. Энергоэффективность, такая как солнечная энергия и промышленные отходы тепла, низкая, что не только приводит к потере ресурсов, но и вызывает значительное тепловое загрязнение атмосферной среды.
По этой причине улучшение преобразования и использования энергии стало одной из основных проблем, которую страны должны уделять первоочередному вниманию при реализации стратегий устойчивого развития, а разработка технологий аккумулирования тепла для всестороннего и эффективного использования тепловой энергии имеет первостепенное значение.
Доступны обильные ресурсы
Солнечная энергия является наиболее важным основным источником энергии среди возобновляемых источников энергии. Это неиссякаемый и неиссякаемый" широко распространен и не загрязняет окружающую среду. Это экономичная чистая энергия. Солнце может выделять энергию 391 × 1021 кВт в секунду. Даже если энергия, излучаемая на поверхность Земли, составляет лишь одну-2,2 миллиардной ее, это эквивалентно в 80 000 раз больше, чем мировое производство электроэнергии. моя страна относительно богата солнечной энергией. На более чем двух третях территории страны годовая солнечная радиация составляет более 6 ГДж · м2, а количество солнечных часов в год составляет более 2200 часов. Годовая солнечная лучистая энергия, получаемая поверхностью Земли в моей стране, составляет около 50 × 1019 кДж, что эквивалентно 170 миллиардам тонн стандартного угля. Такие обильные ресурсы солнечной энергии также создают хорошие условия для развития и использования солнечной энергии в моей стране' Отходящее тепло промышленных предприятий в основном поступает из таких отраслей, как металлургия, производство строительных материалов и химическая промышленность. Статистические данные за 2010 год показали, что на долю промышленных отходов тепла приходилось до 67% от общего количества тепла топлива, из которого коэффициент рекуперации достиг 60%. Однако общий коэффициент использования ресурсов отработанного тепла в моей стране низкий, а коэффициент использования отработанного тепла на крупных металлургических предприятиях составляет около 30%. ~ 50%.
В моей стране есть много возможностей для улучшения степени использования промышленных отходов тепла. Возьмем, к примеру, металлургическую промышленность. В 2010 году производство стали в моей стране составило 627 миллионов тонн. Энергия, содержащаяся в произведенном дымовом газе, была эквивалентна 30 миллионам тонн стандартного угля, количество произведенного стального шлака составляло приблизительно 280 миллионов тонн, а содержащаяся тепловая энергия была эквивалентна 10 миллионам тонн стандартного угля. . В настоящее время коэффициент использования отработанного тепла дымовых газов на бытовых предприятиях черной металлургии составляет около 30%, а коэффициент использования отработанного тепла шлака чугуна и стали практически равен нулю. Если коэффициент использования отработанного тепла дымовых газов можно увеличить до 90%, а коэффициент использования отработанного тепла сталеплавильного шлака можно увеличить до 60%, можно будет сэкономить 21,6 миллиона тонн стандартного угля в год, а выбросы CO2 сократятся примерно на 50 миллионов. тонн и может быть выработано 3,3 млрд кВтч электроэнергии.
Можно видеть, что рекуперация отработанного тепла является основным требованием энергетической стратегии моей страны&с неизмеримыми экономическими выгодами и имеет большое значение для экономического развития и социального прогресса моей страны &. , и национальная энергетическая безопасность. Однако, будь то солнечная энергия или промышленные отходы тепла, существуют периодические и нестабильные проблемы, которые серьезно препятствуют продвижению и применению соответствующих технологий.
Срочная потребность в технологии хранения скрытой теплоты при средних и высоких температурах
Использование технологии аккумулирования тепла может смягчить противоречие между предложением и спросом на тепловую энергию с точки зрения времени, интенсивности и пространства и является важным средством оптимизации работы систем тепловой энергии. Накопление тепла в основном включает три формы: накопление явного тепла, накопление скрытой теплоты и накопление тепла химической реакции.
Накопление тепла химической реакции все еще находится на стадии экспериментальных исследований из-за своей сложной системы, технической сложности и плохой работоспособности; Хотя технология аккумулирования тепла широко используется, аккумулирование тепла вызвано низкой плотностью аккумулирования тепла на единицу объема материалов аккумулирования тепла. Большое количество материалов делает систему аккумулирования тепла большой емкости громоздкой, сложной в процессе и высокой стоимостью. .
Скрытое аккумулирование тепла заключается в использовании скрытого тепла, выделяемого или поглощаемого в процессе фазового перехода материала аккумулирования тепла, для хранения и выделения тепла. По сравнению с технологией аккумулирования явного тепла, аккумулирование скрытого тепла имеет преимущество в виде большой плотности аккумулирования тепла на единицу объема и имеет большее поглощение и выделение энергии в диапазоне температур фазового перехода, а диапазон температур аккумулирования и выделения является узким, что является преимуществом. для зарядки и высвобождения Температура термического процесса стабильна.
Чтобы повысить эффективность преобразования энергии и снизить затраты, технология использования солнечного тепла движется в сторону более высоких рабочих температур. Рабочая температура тепловой энергии превысила 600 ° C, и температура большого количества промышленных отходов тепла также очень высока (например, температура дымовых газов конвертера составляет 1600 ° C об.).
Все это срочно требует исследования и разработки технологий хранения скрытой теплоты при средних и высоких температурах. Хотя многие ученые в стране и за рубежом долгое время проводили исследования с разных уровней, таких как материалы и процессы, до сих пор не существует надежной системы хранения скрытой теплоты при средних и высоких температурах, которая работала бы стабильно.
После многих лет углубленных исследований в этой области многими отечественными и зарубежными исследовательскими подразделениями, в сочетании с текущим статусом и тенденциями развития отечественных и зарубежных технологий, считается, что технология хранения скрытой теплоты при средних и высоких температурах в основном сталкивается со следующим: нерешенные проблемы.
Во-первых, не хватает средне- и высокотемпературных материалов для аккумулирования скрытой теплоты с комплексными свойствами, такими как высокая плотность аккумулирования тепла и высокая теплопроводность. В основе технологии аккумулирования скрытой теплоты лежат материалы с фазовым переходом. В настоящее время проводятся обширные исследования материалов, аккумулирующих тепло при низких температурах (& lt; 100 ° C) на основе парафинового воска и гидратированной соли, и они также применяются в области строительства и одежды. Однако материалов для аккумулирования тепла при средних и высоких температурах, особенно материалов для аккумулирования тепла с высокотемпературным фазовым переходом и точкой плавления> 600 ° C, по-прежнему не хватает.
Во-вторых, теплонакопители с фазовым переходом при средних и высоких температурах представляют собой в основном неорганические соли и сплавы. С одной стороны, выбор материалов-кандидатов требует глубокого понимания термодинамики и кинетических механизмов процесса фазового перехода материала. С другой стороны, необходимо выявить влияние микроструктуры на тепловые свойства материалов с двух сторон: усиление теплопередачи и эффективное аккумулирование тепла.
Кроме того, герметизация материалов с фазовым переходом жидкость-твердое тело и ухудшение тепловых свойств в процессе эксплуатации также являются неотъемлемой частью исследования материалов с фазовым переходом при средних и высоких температурах. Это часто является узким местом при исследовании и разработке таких материалов. Должны быть разработаны высокоэффективные теплоаккумулирующие материалы
Многие ученые в стране и за рубежом изучали металлы как теплоаккумуляторы. В 1980 году Birchenall et al. измерили и проанализировали теплофизические свойства двойных и тройных сплавов, состоящих из Al, Cu, Mg, Si и Zn, которых много на Земле, и обнаружили, что температура фазового перехода находится в диапазоне 780 ～ 850 K и богата Si. Или сплавы Al имеют самую высокую плотность аккумулирования тепла, а затем были тщательно изучены материалы для аккумулирования тепла из сплавов с фазовым переходом из алюминия и кремния.
Неорганические солевые материалы имеют широкий спектр источников, большие значения энтальпии фазового превращения и умеренные цены, и особенно подходят для использования в качестве материалов для аккумулирования тепла фазового превращения при средних и высоких температурах. Исследователи изучили теплофизические свойства расплавленной соли с температурой выше 450 ℃ и распространили применение неорганической эвтектической соли с температурным диапазоном от 220 ℃ до 290 ℃ в области солнечной тепловой энергии и прошли испытания, такие как дифференциальные. сканирующая калориметрия. Методом были измерены теплофизические свойства солевого расплава.
Кроме того, скорость изменения объема многих систем солевых расплавов до и после фазового перехода превышает 10%. Большая скорость изменения объема увеличивает пустоты в системе материала с фазовым переходом из расплавленной соли, влияет на скорость накопления / выделения тепла и увеличивает накопление тепла. Сложность конструкции оборудования системы снижает эффективность аккумулирования тепла. По этой причине исследователи изучили совместимость теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом из расплавленных солей с нержавеющей сталью, и результаты показывают, что нержавеющая сталь оказывает хорошее антикоррозионное действие на большинство расплавов солей.
В то же время, циклические характеристики трехкомпонентных сплавов на основе алюминия с фазовым переходом и совместимость с контейнерами; совместимость расплавленных солей фторидов с кобальтом, никелем и легированными сталями с тугоплавкими металлическими элементами; совместимость гидроксида лития с конструкционными материалами сплава. В других аспектах ученые также провели исследования.
Хотя некоторые результаты были достигнуты в исследовании материалов для аккумулирования тепла с фазовым переходом при средней и высокой температуре, стоимость материалов с фазовым переходом из металла и сплава высока, а плотность аккумулирования тепла на единицу массы ограничена. Кроме того, химическая активность материалов с фазовым переходом из металлических сплавов выше после фазового перехода. , Сильная высокотемпературная коррозия значительно ограничивает его широкое применение в области хранения тепла при средних и высоких температурах.
В качестве материала для аккумулирования тепла с фазовым переходом расплав соли имеет большую энтальпию фазового перехода, высокую плотность аккумулирования тепла и умеренную цену. Он имеет большой потенциал развития в области хранения тепла при средних и высоких температурах. Однако солевой расплав имеет низкую теплопроводность и вызывает серьезные проблемы с высокотемпературной коррозией материалов с фазовым переходом из металлических сплавов, что по-прежнему является проблемой, которая ограничивает его применение в масштабе.
Таким образом, разработка высокоэффективных теплоаккумулирующих материалов и методов их получения является неизбежной тенденцией в исследованиях теплоаккумулирующих материалов для средних и высоких температур и неизбежным путем развития технологий аккумулирования тепла.
Рассеивание солнечной энергии, промышленные отходы тепла, большой диапазон энергопотребления и прерывистый характер возобновляемых источников энергии - все это требует технологии хранения тепла с фазовым переходом при средних и высоких температурах.
Исследование крупномасштабных технологий аккумулирования тепла включает пересечение материаловедения, химической инженерии, машиностроения, тепломассообмена и многофазного потока.
Разработка высокоэффективных теплоаккумулирующих материалов для средних и высоких температур с фазовым переходом имеет большое значение для аккумулирования тепла при средних и высоких температурах, особенно для производства солнечной тепловой энергии, утилизации промышленных отходов и в других областях.
