Šilumos kaupimo technologija: pagerinti visapusiško šilumos energijos panaudojimo efektyvumą
Šiuo metu daugelyje energijos panaudojimo sistemų egzistuoja prieštaravimas tarp energijos pasiūlos ir paklausos neatitikimo, dėl to neprotingai panaudojama energija ir susidaro daug atliekų. Energijos efektyvumas, pavyzdžiui, saulės energija ir pramoninė atliekinė šiluma, yra žemas, o tai ne tik eikvoja išteklius, bet ir sukelia nemenką šiluminę taršą atmosferos aplinkai.
Dėl šios priežasties energijos konversijos ir panaudojimo gerinimas tapo pagrindine problema, kurią šalys turi teikti prioritetu įgyvendindamos darnaus vystymosi strategijas, o šilumos kaupimo technologijos kūrimas visapusiškam ir efektyviam šilumos energijos panaudojimui yra itin svarbus.
Turimi gausūs ištekliai
Saulės energija yra svarbiausias pagrindinis energijos šaltinis tarp atsinaujinančių energijos šaltinių. Tai"neišsenkamas ir neišsenkantis" ir yra plačiai paplitęs ir neužterštas. Tai ekonomiška švari energija. Saulė gali išlaisvinti 391×1021 kW energijos per sekundę. Net jei į žemės paviršių išspinduliuojama energija sudaro tik vieną–2,2 milijardąją jos dalį, ji prilygsta 80 000 kartų pasaulio energijos gamybai'. mano šalis yra gana turtinga saulės energijos šalis. Daugiau nei dviejų trečdalių šalies metinė saulės spinduliuotė yra daugiau nei 6 GJ·m2, o saulės valandų per metus viršija 2200 valandų. Mano šalyje žemės' paviršiaus per metus gaunama saulės spinduliuotė yra apie 50 × 1019 kJ, o tai atitinka 170 milijardų tonų standartinės anglies. Tokie gausūs saulės energijos ištekliai taip pat sudaro geras sąlygas mano šaliai' saulės energijos gamybos plėtrai ir panaudojimui. Pramonės atliekinė šiluma daugiausia gaunama iš metalurgijos, statybinių medžiagų ir chemijos pramonės šakų. 2010 m. statistika parodė, kad pramonės atliekinės šilumos ištekliai sudarė iki 67% visos kuro šilumos, iš kurios atgaunama iki 60%. Tačiau bendras atliekinės šilumos išteklių panaudojimo rodiklis mano šalyje yra žemas, o didelių geležies ir plieno įmonių atliekų šilumos panaudojimo lygis yra apie 30 proc. ~50%.
Mano šalyje yra daug galimybių pagerinti pramonės atliekų šilumos išteklių panaudojimo lygį. Paimkite metalurgijos pramonę kaip pavyzdį. 2010 m. mano šalies žaliavinio plieno produkcija sudarė 627 mln. tonų. Pagamintose dūmų dujose esanti energija prilygo 30 mln. tonų standartinės anglies, pagaminto plieno šlako kiekis – apie 280 mln. tonų, o šiluminė energija – 10 mln. tonų standartinės anglies. . Šiuo metu buitinės geležies ir plieno įmonėse išmetamų dujų atliekinės šilumos panaudojimas yra apie 30%, o geležies ir plieno šlako atliekų šilumos panaudojimas yra beveik nulis. Jei išmetamųjų dujų atliekinės šilumos panaudojimo koeficientą būtų galima padidinti iki 90%, o plieno šlako atliekų šilumos panaudojimą padidinti iki 60%, kasmet būtų galima sutaupyti 21,6 mln. tonų standartinės anglies, CO2 emisiją sumažinti apie 50 mln. tonų, o gali būti pagaminta 3,3 mlrd. kWh elektros energijos.
Matyti, kad panaudotos šilumos regeneravimas yra pagrindinis mano šalies' energetikos strategijos poreikis, duodantis nepamatuojamą ekonominę naudą ir turintis didelę reikšmę mano šalies' ekonominiam vystymuisi, socialinei pažangai. ir nacionalinį energetinį saugumą. Tačiau nesvarbu, ar tai būtų saulės energija, ar pramoniniai atliekinės šilumos ištekliai, kyla problemų dėl pertrūkių ir nestabilumo, o tai rimtai trukdo propaguoti ir taikyti susijusias technologijas.
Skubiai reikia vidutinės ir aukštos temperatūros latentinės šilumos kaupimo technologijos
Šilumos kaupimo technologijos naudojimas gali sušvelninti šilumos energijos pasiūlos ir paklausos prieštaravimą laiko, intensyvumo ir erdvės požiūriu ir yra svarbi priemonė optimizuoti šiluminės energijos sistemų darbą. Šilumos kaupimas daugiausia apima tris formas: protingą šilumos kaupimą, latentinį šilumos kaupimą ir cheminės reakcijos šilumos kaupimą.
Cheminės reakcijos šilumos kaupimas vis dar yra eksperimentinio tyrimo stadijoje dėl sudėtingos sistemos, techninio sunkumo ir prasto veikimo; Nors protinga šilumos kaupimo technologija buvo plačiai naudojama, šilumą kaupia mažas šilumos kaupimo tankis šilumą kaupiančių medžiagų tūrio vienetui Dėl didelio medžiagų kiekio didelės talpos šilumos kaupimo sistema tampa nepatogi, sudėtinga proceso metu ir brangi. .
Latentinis šilumos kaupimas – tai šilumai kaupti ir išleisti panaudoti latentinę šilumą, išsiskiriančią arba sugertą keičiantis šilumą kaupiančios medžiagos fazės keitimo procesui. Palyginti su protinga šilumos kaupimo technologija, latentinės šilumos saugojimo pranašumas yra didelis šilumos kaupimo tankis tūrio vienete, didesnis energijos sugėrimas ir išsiskyrimas fazių pereinamosios temperatūros diapazone, o saugojimo ir išleidimo temperatūros diapazonas yra siauras, o tai yra naudinga. įkrauti ir išleisti Šiluminio proceso temperatūra yra stabili.
Siekiant pagerinti energijos konversijos efektyvumą ir sumažinti išlaidas, saulės šilumos panaudojimo technologija pereina prie aukštesnės darbinės temperatūros. Šiluminės energijos gamybos darbinė temperatūra viršijo 600°C, o didelio kiekio pramoninės atliekinės šilumos temperatūra taip pat labai aukšta (pavyzdžiui, keitiklio išmetamųjų dujų temperatūra yra apie 1600°C).
Visiems jiems reikia skubiai ištirti ir plėtoti vidutinės ir aukštos temperatūros latentinės šilumos kaupimo technologijas. Nors daugelis mokslininkų šalyje ir užsienyje jau ilgą laiką atliko įvairių lygių, pavyzdžiui, medžiagų ir procesų, tyrimus, iki šiol vis dar nėra subrendusios vidutinės ir aukštos temperatūros latentinės šilumos kaupimo sistemos, kuri veiktų stabiliai.
Po daugelio metų nuodugnių šios srities tyrimų, kuriuos atliko daugelis šalies ir užsienio tyrimų padalinių, kartu su dabartine vidaus ir užsienio technologijų plėtros padėtimi ir tendencijomis, manoma, kad vidutinės ir aukštos temperatūros latentinės šilumos saugojimo technologija daugiausia susiduria su: neišspręstų problemų.
Pirma, trūksta vidutinės ir aukštos temperatūros latentinės šilumos kaupimo medžiagų, pasižyminčių visapusiškomis savybėmis, tokiomis kaip didelis šilumos kaupimo tankis ir stiprus šilumos laidumas. Latentinės šilumos kaupimo technologijos pagrindas yra fazių keitimo medžiagos. Šiuo metu plačiai tiriamos žemos temperatūros šilumą kaupiančios medžiagos (<100°c), kurių="" pagrindą="" sudaro="" parafinas="" ir="" hidratuota="" druska,="" taip="" pat="" jie="" pritaikyti="" statybos="" ir="" aprangos="" srityse.="" tačiau="" vis="" dar="" trūksta="" vidutinės="" ir="" aukštos="" temperatūros="" šilumą="" kaupiančių="" medžiagų,="" ypač="" aukštos="" temperatūros="" fazių="" kaitos="" šilumos="" kaupimo="" medžiagų,="" kurių="" lydymosi="" temperatūra="">600°C.
Antra, vidutinės ir aukštos temperatūros fazės kaitos šilumos kaupimo medžiagos daugiausia yra neorganinės druskos ir lydiniai. Viena vertus, pasirenkant medžiagas kandidates reikia nuodugniai suprasti medžiagos fazinio virsmo proceso termodinamiką ir kinetikos mechanizmus. Kita vertus, mikrostruktūros įtaką medžiagų šiluminėms savybėms būtina atskleisti iš dviejų aspektų: sustiprinto šilumos perdavimo ir efektyvaus šilumos kaupimo.
Be to, tiriant vidutinės ir aukštos temperatūros fazių kaitos medžiagas, skystų ir kietų fazių kaitos medžiagų inkapsuliavimas ir šiluminių savybių nykimas eksploatavimo proceso metu taip pat yra nepakeičiami dalykai. Tai dažnai yra kliūtis tiriant ir kuriant tokias medžiagas. Kuriamos aukštos kokybės šilumą kaupiančios medžiagos
Daugelis mokslininkų namuose ir užsienyje tyrinėjo metalus kaip šilumą kaupiančias medžiagas. 1980 m. Birchenall ir kt. išmatavo ir išanalizavo dviejų ir trijų komponentų lydinių, sudarytų iš Al, Cu, Mg, Si ir Zn, kurių žemėje gausu, termofizines savybes ir nustatė, kad fazinio virsmo temperatūra yra 780–850 K diapazone ir daug Si. Arba Al lydiniai turi didžiausią šilumos kaupimo tankį, o aliuminio ir silicio lydinio fazės kaitos šilumos kaupimo medžiagos buvo plačiai ištirtos.
Neorganinės druskos medžiagos turi platų šaltinių asortimentą, dideles fazių kaitos entalpijos vertes ir vidutines kainas ir yra ypač tinkamos naudoti kaip vidutinės ir aukštos temperatūros fazių kaitos šilumos kaupimo medžiagas. Tyrėjai ištyrė išlydytos druskos, kurios temperatūra aukštesnė nei 450 ℃, termofizines savybes ir išplėtė neorganinės eutektinės druskos, kurios temperatūros diapazonas yra nuo 220 ℃ iki 290 ℃, taikymą saulės šiluminės energijos gamybos srityje ir išlaikė tokius bandymus kaip diferencialas. skenuojanti kalorimetrija. Metodas, išmatuotos išlydytos druskos termofizinės savybės.
Be to, daugelio išlydytų druskų sistemų tūrio kitimo greitis prieš ir po fazės pasikeitimo viršija 10%. Didesnis tūrio kitimo greitis padidina išlydytos druskos fazės keitimo medžiagos sistemoje esančias tuštumas, turi įtakos šilumos kaupimo / išleidimo greičiui ir padidina šilumos kaupimą. Sisteminės įrangos projektavimo sudėtingumas sumažina šilumos kaupimo efektyvumą. Dėl šios priežasties mokslininkai ištyrė išlydytų druskų fazės kaitos šilumos kaupimo medžiagų suderinamumą su nerūdijančiu plienu, o rezultatai rodo, kad nerūdijantis plienas turi gerą antikorozinį poveikį daugumai išlydytų druskų.
Tuo pačiu metu trijų dalių aliuminio lydinio fazių keitimo medžiagų ciklo veikimas ir suderinamumas su talpyklomis; fluoro išlydytų druskų suderinamumas su kobalto, nikelio ir ugniai atsparių metalų elementų legiruotu plienu; ličio hidroksido suderinamumas su struktūrinių lydinių medžiagomis Kitais aspektais mokslininkai taip pat atliko tyrimus.
Nors vidutinės ir aukštos temperatūros fazių kaitos šilumą kaupiančių medžiagų tyrimuose buvo pasiekta tam tikrų rezultatų, metalo ir lydinio fazių kaitos medžiagų kaina yra didelė, o šilumos kaupimo tankis masės vienetui yra ribotas. Be to, po fazės pasikeitimo metalų lydinių fazės keitimo medžiagų cheminis aktyvumas yra stipresnis. , Stipri aukštatemperatūrinė korozija labai riboja platų jos pritaikymą vidutinės ir aukštos temperatūros šilumos saugojimo srityje.
Kaip fazės keitimo šilumą kaupianti medžiaga, išlydyta druska pasižymi dideliu fazių kaitos entalpija, dideliu šilumos kaupimo tankiu ir vidutine kaina. Jis turi didelį plėtros potencialą vidutinės ir aukštos temperatūros šilumos saugojimo srityse. Tačiau išlydyta druska turi prastą šilumos laidumą ir turi rimtų aukštos temperatūros korozijos problemų, susijusių su metalų lydinių fazės keitimo medžiagomis, o tai vis dar yra problema, ribojanti jos naudojimą.
Todėl didelio našumo šilumą kaupiančių medžiagų ir jų paruošimo būdų kūrimas yra neišvengiama vidutinės ir aukštos temperatūros šilumą kaupiančių medžiagų tyrimų tendencija ir neišvengiamas šilumos kaupimo technologijos tobulinimo būdas.
Saulės energijos sklaidai, pramoninei atliekų šilumai, dideliam energijos kiekiui ir atsinaujinančios energijos pertrūkiams reikalinga vidutinės ir aukštos temperatūros fazės kaitos šilumos kaupimo technologija.
Didelio masto šilumos kaupimo technologijos tyrimai apima medžiagų mokslo, chemijos inžinerijos, mechaninės inžinerijos, šilumos ir masės perdavimo bei daugiafazio srauto sankirtą.
Didelio našumo vidutinės ir aukštos temperatūros fazių kaitos šilumos kaupimo medžiagų kūrimas yra labai svarbus vidutinės ir aukštos temperatūros šilumos saugojimo, ypač saulės šiluminės energijos gamybos, pramonės atliekų šilumos regeneravimo ir kitose srityse.
