PDF《二潜热蓄热》

北京工业大学传热强 化与过程节能教育部重点实验室 吴玉庭 张丽娜 马重芳 一胃太阳能热发电技术是除风 电以外最有经济竞争 力 的可再生能源发电技术 .

太 阳能集热器把收集到 的太 阳辐射能发送 至接收器 产生热空气或热蒸 汽,用传统的电力循环来产生 电能 , 具 有技术成熟 、 发 电成本低 和容易与化石燃料形成混 合发电系统 的优 点.太阳能高温蓄 热技术是太 阳能热发 电的关键技 术.由于太 阳辐射强 度时刻在变化 , 太 阳能热发电 系统在早晚或云遮间隙必 须依靠储存的能量维持 系 统正 常运 行,为了保证发电相对稳 定,必须采取蓄 热措施 , 这 是塔式热发电所不可缺少的部分 . 按照 热能存储方式不 同,太阳能高温蓄热技术可分为潜 热蓄热 、 化学反应蓄热和显热蓄热三种方式 . 出口环形导管连接 在一起 , 再连接到入 口、出口 总管.换热管由蓄热单元套装在工质导管外构成 . 蓄 热单元为一 个个分离的环形容器 , 内部充装蓄热工 质.由于 在微重 力条件下相变材料凝 固收缩 , 形成相变容器 内的空穴分布 , 从 而造成 容器 壁面 出现局 部的过高压 力和局部的过高温 度,并由于较大的温 度梯度而 出现较大 的热应力 . 因此 必须采取措施减 少空穴 , 并采 用耐高温 、 耐腐蚀 的材料 . 二 潜热蓄热 潜热蓄热主 要 是通过蓄热材料 发生相变时吸收 或放 出热量 来实现能量 的储存 , 具 有蓄 热密度 大,充、放热过程温度波动范围小等优点 . 年 等指 出,采用 相变材料 作为高温 蓄热介质 , 具 有较 大 的体积 比热容和最低 的成本 . 设计 了一种 直立式的 管壳式换热器 , 并采用 熔点 ℃ 作为蓄热材料 , 证实了潜热蓄热在技术上是 可行 的,不过 他的实验 研究只限于一种 换 热器 和蓄 热材 料.在的实验研 究中,他设计 了三种不 同的换热 器,并将其 串联 , 采用、和作为相变蓄热材料 , 证实 了采 用 串联结构可 以获得 高的热利 用 系数 . 高温相变 储热器是空 间太 阳能热动力发电 系统 中的关键 部件之 一.这种相 变储热器大 多由换热 管 束平 行分布在吸热墙 内壁 . 换热管的两端通过入 口、三化学反应热蓄 化学反应热蓄热主要是通过作为可能化学反应 的反 应热来进行蓄 热,这种蓄热方 式具 有储能密度 高、可以长期储存等优点 . 年,美国太 阳能研 究中心 班指出,化学反应热蓄热 是一种非常 有潜 力 的高温蓄热方式 , 而且 成本有可 能降到相对 较低 的水平 . 在国家能 源部 的支持下 , 美国太平洋 西北国家实验 室始了这方面 的研 究,利用氢氧化钙分 解成氧化钙和水的逆反应来存储太 阳能,化学能蓄热 系统 以式 的可逆反 应为基础 研坟 在蓄热过程 中,热能驱动吸热反 应,由氢氧化 钙产生 氧化钙和水 , 在放热过程 中,只要将水 蒸气加热氧化 钙,两者生成氢氧化钙并释放出热 能.等人 在报 告 中指 出,化学反应热蓄热方式在 理论上可 以满足 太 阳能 热发电的要 求.不过 , 他们 的研 究 只是基于 理论分析和基础实验研 究,对于能 否满足太 阳能 热发 电蓄 热 系统 的动 力要 求,以及 如 何与发电 系统相结 合的问题 尚未解决 . 澳大利亚 国立大学也对这方 面进行 了研究 , 他们采 用 氨的分解 与合成来蓄热 , 在 系统太 阳能反应 器中,液氢分解 ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 成氢气和氮气 , 然后通过在反 应器 中合成液氨放 出 热量 , 这种小规模的实验 装置 已经用于抛 物碟形集 热 系统中 , 当然理论上也可 以用 在同种温 度范围 的抛物槽形 集热 系统 中.综上所述 , 潜热蓄 热和化学 反应热蓄热虽然具有很 多优点 , 但 目前只是处于实 验 室研 究阶段 , 因此 , 在大规模的应用之前 , 还有许多问题需要 解决 . 四 显热蓄热 显热蓄热主 要 是通过某种材料温度的上 升或下 降而 存储热能 , 这 是三种热能存储方式 中原理最简 单、技术最成熟 、 材料来源最丰富 、 成本最低廉的 一种,因此被广泛 的应用于 太阳能热动 力发电等高 温蓄热场合 . 常用的蓄热介质 太 阳能热发电中常用蓄热介质 见表 . 表 常用的蓄热介质 砂一石一矿物 油系统结构 复杂 , 效率低 混凝 土作为蓄热介质 , 对其 内部换热管要 求高 , 占整个 蓄热 系统成本的 一 导热油既可 用 于蓄热又 可 用于 传热介质 , 一般用 于℃以下 的场合 , 但是 油类在高温时的蒸汽压力非常大 〕 ℃时大于 , 使用其作为蓄热介质需要特殊的压力阀等设备 , 同样 存在很大 的困难 , 又容易引发火灾 , 而且 价格 昂贵 液态金 属能应 用于较高的温度 , 且金 属材料密度大 、 导热率高 、 整体温 度分布均 匀,具有 良好 的吸热和 放热性能 , 但 是金 属 的比热容小 , 热负荷高时温度 波动 大,而且高温下 与空气接 触 易燃 易爆 , 十 分危 险.以上这 些介质 中,导热油比较特殊 , 它 只能作 为蓄热介质 , 不能作为传热介质 直 接从吸热器吸 收 热量 . 所 以均必 须采用双工质蓄热 , 即蓄热工质和 传热工 质分别采用 不 同的介质 . 这就存在着一些 问题换热环节 比较 多,导致在充 、 放热的过程 中,蓄热材料温度降低 , 因此导 致整个 系统 的工作 温度也降低 . 在充 、 放热的过程 中,传热介质 和 蓄热材料没 有直接 的接触 , 两者之 间通过 换热器 进行换热 , 因此导 致换热 效率 比较低 , 特别是 当蓄 热介质为固体材料时 , 效 果尤为 明显 . 而 采用单工 质蓄热 , 即 同一种工质起着传热和蓄 热 的双重 作用 , 则 解决 了以上 出现 的问题 . 熔盐就是一种非 常好的 选择 . 已充分显示其优势 , 近来也应 用于槽式 系统 . 熔融盐 用 做热 发电的传热 、 蓄热介质有 以下 优点 可 以将蒸 汽轮机 的工作温度 由导 热 油的 提高到 一℃硝酸盐 , 从而可 以将朗肯循环 的效 率 由导热 油的 提高到 . 由于 提高 了吸热器 的温 度,在发 电容量 不变的情况下 , 可 以减少蓄能 系统的体积 和重 量.熔融盐 与导 热油相 比,价格低 而且 不会对环 境产生任 何危害 . 可 根据不同的温度要求选择不 同的盐 . 图为槽式热发电 系统发 电成本的比较熔融 盐 和导热油作为传热介质 的发 电成本 比较 , 从图可以看 出,小时蓄 能 的槽式太 阳能热发电 系统 , 采用熔融盐 后发电成本可 由原来 的 美元 降为 美 元舰 , 较大程 度的节约 了成本 . 图 熔融盐和导热油作为传热介质发电成本的比较 最近实验室 中又发现一种新 的蓄热物 质―离子性液体 , 它是一种 低熔 点 的盐 , 可在℃以下 作 为传热蓄 热介 质.它作为 不 易燃 传热 蓄热介质 替 代熔 盐 有很 好的应用前景,但目前 成本较 高,未实 ? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 际应用 . 单罐式蓄热系统 蓄热 系统主要 有单罐式和双罐式 . 年,由美国能源 部等在加利福 尼亚 州建立 太 阳能 试验 电站 , 如图所示 , 太 阳能试验 电站 采用 间接式蓄 热,系统装置 为一 圆形储热罐 , 称之 为斜温层罐 , 内装有 砂石 和牌号为 的导热油 . 来 自吸热器 内的高温蒸 汽加热罐 内的 导热油 , 而导热油则 在充满碎石和沙子的罐 内循环 , 利用冷 、 热流体温 度的不同从而在罐 中建立 起温跃 层,冷流体在罐底部 , 热流体在罐顶部 , 蓄热 系统 能量的释放是通过合成油逆循环流过蓄热罐至 蒸汽 发生 器 来实现 的.蓄热系统具 有两个特 点 采用 碎石 和沙 等价格低廉的填充 材料代替 昂贵 的合成油 , 降低 蓄热 系统成本 与双罐式 蓄热 系统相 比,采用 斜温层罐蓄热 , 省了一 个罐的 费用 . 斜温层 罐根据冷 、 热流体温 度不 同而 密度不 同的原理 在罐 中建立 温跃层 , 但 由于流体 的导 热和 对流作 用,真正 实现温度分层 有一 定 困难 . 此外,采用导热油作为蓄热材 料,蓄热温 度很 低,为了满足 电站运行温 度越来越高的要 求,必须提高蓄热 系统 的工作温度 . , 可供汽轮机满 负荷运 行 个小时 . 系统 工作时 , 冷盐 罐 内的熔盐 经熔盐泵被输送到高塔上 的吸热器 内,吸热升温后进人热盐 罐 同时 , 高温 熔盐 从热盐罐流经蒸汽发生器 , 加热冷却水产生蒸 汽,驱动汽轮机运行 , 而熔盐温度降低 后则流 回冷 盐罐.塔式试验 电站蓄热 系统从 年一直运行到 年结 束,........