Technológia akumulácie tepla: zlepšenie efektívnosti komplexného využitia tepelnej energie
V súčasnosti v mnohých systémoch využívania energie existuje rozpor medzi nesúladom ponuky a dopytu po energii, čo vedie k neprimeranému využívaniu energie a veľkému množstvu odpadu. Energetická účinnosť, ako je solárna energia a priemyselné odpadové teplo, je nízka, čo nielen plytvá zdrojmi, ale spôsobuje aj nezanedbateľné tepelné znečistenie atmosféry.
Z tohto dôvodu sa zlepšenie premeny a využitia energie stalo hlavnou otázkou, ktorú musia krajiny uprednostňovať pri implementácii stratégií trvalo udržateľného rozvoja, pričom prvoradý význam má vývoj technológie skladovania tepla pre komplexné a efektívne využitie tepelnej energie.
K dispozícii sú bohaté zdroje
Slnečná energia je najdôležitejším základným zdrojom energie spomedzi obnoviteľných zdrojov energie. Je"nevyčerpateľný a nevyčerpateľný" a je široko distribuovaný a bez znečistenia. Ide o ekonomickú čistú energiu. Slnko dokáže uvoľniť energiu 391×1021 kW za sekundu. Aj keď energia vyžarovaná na zemský povrch predstavuje iba jednu až 2,2 miliardtinu, zodpovedá 80 000-násobku svetovej' vyrobenej energie. moja krajina je relatívne bohatá krajina na solárnu energiu. Viac ako dve tretiny krajiny má ročné slnečné žiarenie viac ako 6 GJ·m2 a ročné slnečné hodiny viac ako 2 200 hodín. Ročná energia slnečného žiarenia prijatá zemským povrchom' v mojej krajine je asi 50 × 1019 kJ, čo zodpovedá 170 miliardám ton štandardného uhlia. Takéto bohaté zdroje solárnej energie tiež poskytujú dobré podmienky pre rozvoj a využitie výroby solárnej energie v mojej krajine'. Priemyselné odpadové teplo pochádza najmä z priemyselných odvetví, ako je hutníctvo, stavebné materiály a chemikálie. Štatistiky v roku 2010 ukázali, že zdroje priemyselného odpadového tepla tvorili až 67 % z celkového palivového tepla, z toho miera zhodnocovania dosiahla 60 %. Celková miera využitia zdrojov odpadového tepla v mojej krajine je však nízka a miera využitia odpadového tepla veľkých železiarskych a oceliarskych podnikov je asi 30 %. ~50 %.
Existuje veľký priestor na zlepšenie miery využívania priemyselných odpadových zdrojov tepla v mojej krajine. Zoberme si ako príklad hutnícky priemysel. V roku 2010 bola produkcia surovej ocele mojej krajiny 627 miliónov ton. Energia obsiahnutá vo vyprodukovaných spalinách bola ekvivalentná 30 miliónom ton štandardného uhlia a množstvo vyrobenej oceľovej trosky bolo približne 280 miliónov ton a obsiahnutá tepelná energia bola ekvivalentná 10 miliónom ton štandardného uhlia. . V súčasnosti je miera využitia odpadového tepla spalín v domácich železiarskych a oceliarskych podnikoch asi 30% a miera využitia odpadového tepla železnej a oceľovej trosky je takmer nulová. Ak je možné zvýšiť mieru využitia odpadového tepla spalín na 90 % a mieru využitia odpadového tepla z oceľovej trosky na 60 %, možno ročne ušetriť 21,6 milióna ton štandardného uhlia, znížiť emisie CO2 o približne 50 mil. ton a možno vyrobiť 3,3 miliardy kWh elektrickej energie.
Je vidieť, že rekuperácia odpadového tepla je hlavnou požiadavkou energetickej stratégie mojej krajiny' s nemerateľnými ekonomickými výhodami a má veľký význam pre ekonomický rozvoj mojej krajiny' a národná energetická bezpečnosť. Či už ide o slnečnú energiu alebo priemyselné odpadové zdroje tepla, existujú problémy s prerušovaním a nestabilitou, ktoré vážne bránia presadzovaniu a uplatňovaniu súvisiacich technológií.
Naliehavá potreba technológie akumulácie latentného tepla so strednou a vysokou teplotou
Využitie technológie akumulácie tepla môže zmierniť rozpor medzi ponukou a dopytom po tepelnej energii z hľadiska času, intenzity a priestoru a je dôležitým prostriedkom pre optimalizovanú prevádzku tepelných energetických systémov. Akumulácia tepla zahŕňa najmä tri formy: akumuláciu rozumného tepla, akumuláciu latentného tepla a akumuláciu tepla chemickou reakciou.
Skladovanie tepla chemickej reakcie je stále v štádiu experimentálneho výskumu kvôli svojmu zložitému systému, technickej náročnosti a zlej prevádzkyschopnosti; Aj keď sa rozumná technológia akumulácie tepla široko používa, akumulácia tepla je spôsobená nízkou hustotou akumulácie tepla na jednotku objemu materiálov akumulujúcich teplo Veľké množstvo materiálov robí veľkokapacitný systém akumulácie tepla objemným, komplikovaným procesom a vysokými nákladmi .
Akumulácia latentného tepla je použitie latentného tepla uvoľneného alebo absorbovaného procesom fázovej zmeny materiálu akumulujúceho teplo na skladovanie a uvoľňovanie tepla. V porovnaní s rozumnou technológiou akumulácie tepla má akumulácia latentného tepla výhodu veľkej hustoty akumulácie tepla na jednotku objemu a má väčšiu absorpciu a uvoľňovanie energie v rámci teplotného rozsahu fázového prechodu a rozsah teplôt skladovania a uvoľňovania je úzky, čo je výhodné. nabiť a uvoľniť Teplota tepelného procesu je stabilná.
S cieľom zlepšiť účinnosť premeny energie a znížiť náklady sa technológia využívania solárnej tepelnej energie posúva smerom k vyšším prevádzkovým teplotám. Prevádzková teplota výroby tepelnej energie presiahla 600 °C a teplota veľkého množstva priemyselného odpadového tepla je tiež veľmi vysoká (napríklad teplota spalín konvertora je asi 1600 °C).
Všetky tieto naliehavo potrebujú výskum a vývoj technológií akumulácie latentného tepla pri stredných a vysokých teplotách. Hoci mnoho vedcov doma aj v zahraničí už dlhú dobu vykonávalo výskum z rôznych úrovní, ako sú materiály a procesy, doteraz stále neexistuje vyspelý stredno- a vysokoteplotný systém akumulácie latentného tepla, ktorý by fungoval stabilne.
Po dlhoročnom hĺbkovom výskume v tejto oblasti mnohými domácimi a zahraničnými výskumnými pracoviskami v kombinácii so súčasným stavom a trendmi vývoja domácich a zahraničných technológií sa predpokladá, že stredno- a vysokoteplotná technológia akumulácie latentného tepla čelí najmä nasledujúcim: nevyriešených problémov.
Po prvé, je tu nedostatok stredno- a vysokoteplotných materiálov na akumuláciu latentného tepla s komplexnými vlastnosťami, ako je vysoká hustota akumulácie tepla a silná tepelná vodivosť. Základom technológie akumulácie latentného tepla sú materiály s fázovou zmenou. V súčasnosti je rozsiahly výskum materiálov na akumuláciu tepla pri nízkych teplotách (<100°c) na="" báze="" parafínového="" vosku="" a="" hydratovanej="" soli,="" ktorý="" sa="" uplatňuje="" aj="" v="" oblasti="" stavebníctva="" a="" odevov.="" stále="" však="" chýbajú="" materiály="" na="" akumuláciu="" tepla="" pri="" strednej="" a="" vysokej="" teplote,="" najmä="" materiály="" na="" akumuláciu="" tepla="" s="" fázovou="" zmenou="" s="" teplotou="" topenia=""> 600 °C.
Po druhé, materiály na akumuláciu tepla so strednou a vysokou fázovou zmenou sú hlavne anorganické soli a zliatiny. Na jednej strane si výber kandidátskych materiálov vyžaduje hlboké pochopenie termodynamiky a kinetických mechanizmov procesu fázového prechodu materiálu. Na druhej strane je potrebné odhaliť vplyv mikroštruktúry na tepelné vlastnosti materiálov z dvoch hľadísk: zvýšeného prenosu tepla a efektívnej akumulácie tepla.
Okrem toho zapuzdrenie materiálov s fázovou premenou kvapalina-tuhá látka a pokles tepelných vlastností počas servisného procesu sú tiež nepostrádateľným obsahom pri výskume materiálov so strednou a vysokou teplotou fázovej zmeny. Toto je často úzky problém pri výskume a vývoji takýchto materiálov. Je potrebné vyvinúť vysokovýkonné materiály na akumuláciu tepla
Mnoho vedcov doma aj v zahraničí študovalo kovy ako materiály na akumuláciu tepla. V roku 1980 Birchenall a spol. merali a analyzovali termofyzikálne vlastnosti binárnych a ternárnych zliatin zložených z Al, Cu, Mg, Si a Zn, ktoré sú na Zemi hojne zastúpené, a zistili, že teplota fázového prechodu je v rozsahu 780-850 K a je bohatá na Si. Alebo zliatiny Al majú najvyššiu hustotu akumulácie tepla, a potom boli rozsiahle študované materiály na akumuláciu tepla s fázovou zmenou zliatiny na báze hliníka a kremíka.
Anorganické soľné materiály majú širokú škálu zdrojov, veľké hodnoty entalpie fázovej zmeny a mierne ceny a sú obzvlášť vhodné na použitie ako materiály na akumuláciu tepla so strednou a vysokou fázovou zmenou. Výskumníci študovali termofyzikálne vlastnosti roztavenej soli s teplotou vyššou ako 450 ℃ a rozšírili aplikáciu anorganickej eutektickej soli s teplotným rozsahom 220 ℃ až 290 ℃ na oblasť výroby solárnej tepelnej energie a prešli testami, ako sú diferenciálne skenovacia kalorimetria. Metódou boli merané termofyzikálne vlastnosti roztavenej soli.
Okrem toho rýchlosť zmeny objemu mnohých systémov roztavenej soli pred a po zmene fázy presahuje 10 %. Väčšia rýchlosť zmeny objemu zvyšuje dutiny v systéme materiálu so zmenou fázy roztavenej soli, ovplyvňuje rýchlosť akumulácie/uvoľňovania tepla a zvyšuje akumuláciu tepla. Konštrukčná náročnosť zariadenia systému znižuje účinnosť akumulácie tepla. Z tohto dôvodu výskumníci študovali kompatibilitu materiálov na akumuláciu tepla s fázovou zmenou roztavenej soli s nehrdzavejúcou oceľou a výsledky ukazujú, že nehrdzavejúca oceľ má dobrý antikorózny účinok na väčšinu roztavených solí.
Súčasne výkon cyklu ternárnych zliatinových materiálov na báze hliníka s fázovou zmenou a kompatibilita s nádobami; kompatibilita fluoridových roztavených solí s kobaltom, niklom a zliatinovými oceľami so žiaruvzdornými kovovými prvkami; kompatibilita hydroxidu lítneho so štruktúrnymi zliatinovými materiálmi V iných aspektoch vedci uskutočnili výskum.
Aj keď sa pri výskume materiálov na akumuláciu tepla so strednou a vysokou teplotou s fázovou zmenou dosiahli určité výsledky, náklady na materiály s fázovou zmenou kovov a zliatin sú vysoké a hustota akumulácie tepla na jednotku hmotnosti je obmedzená. Okrem toho je chemická aktivita materiálov s fázovou zmenou kovových zliatin silnejšia po zmene fázy. Silná vysokoteplotná korózia značne obmedzuje jej široké uplatnenie v oblasti stredno- a vysokoteplotného skladovania tepla.
Ako materiál na akumuláciu tepla so zmenou fázy má roztavená soľ veľkú entalpiu fázovej zmeny, vysokú hustotu akumulácie tepla a primeranú cenu. Má veľký rozvojový potenciál v oblasti aplikácií akumulácie tepla pri stredných a vysokých teplotách. Roztavená soľ má však zlú tepelnú vodivosť a má vážne problémy s vysokoteplotnou koróziou s materiálmi s fázovou zmenou kovových zliatin, čo je stále problém, ktorý obmedzuje jej použitie v mierke.
Preto je vývoj vysokovýkonných tepelne akumulačných materiálov a spôsobov ich prípravy nevyhnutným trendom vo výskume stredno- a vysokoteplotných tepelnoakumulačných materiálov a nevyhnutnou cestou rozvoja technológie akumulácie tepla.
Rozptyl slnečnej energie, priemyselné odpadové teplo, veľké energetické rozpätie a prerušovaná povaha obnoviteľnej energie si vyžadujú technológiu akumulácie tepla so strednou a vysokou fázou zmeny teploty.
Výskum technológie veľkokapacitnej akumulácie tepla zahŕňa prienik vedy o materiáloch, chemického inžinierstva, strojárstva, prenosu tepla a hmoty a viacfázového prúdenia.
Vývoj vysokovýkonných stredno- a vysokoteplotných materiálov na akumuláciu tepla s fázovou zmenou má veľký význam pre oblasť stredno- a vysokoteplotného skladovania tepla, najmä solárnu tepelnú energiu, rekuperáciu priemyselného odpadového tepla a ďalšie oblasti.
