Tecnologia de armazenamento de calor: melhorar a eficiência da utilização abrangente da energia térmica
Atualmente, em muitos sistemas de utilização de energia, há uma contradição entre o suprimento de energia e a incompatibilidade de demanda, resultando em uma utilização de energia não razoável e em uma grande quantidade de desperdício. A eficiência energética, como a energia solar e o calor residual industrial, é baixa, o que não apenas desperdiça recursos, mas também causa poluição térmica não desprezível para o ambiente atmosférico.
Por esta razão, melhorar a conversão e utilização de energia tornou-se uma questão importante que os países devem priorizar para implementar estratégias de desenvolvimento sustentável, e o desenvolvimento de tecnologia de armazenamento de calor para o uso abrangente e eficaz da energia térmica é de suma importância.
Recursos abundantes disponíveis
A energia solar é a fonte de energia básica mais importante entre as fontes de energia renováveis. É" inesgotável e inesgotável" e é amplamente distribuído e livre de poluição. É uma energia limpa e econômica. O sol pode liberar energia de 391 × 1021 kW por segundo. Mesmo que a energia irradiada para a superfície da Terra seja apenas um - 2,2 bilionésimo dela, é equivalente a 80.000 vezes a geração de energia do mundo'. meu país é um país relativamente rico em energia solar. Mais de dois terços do país tem uma radiação solar anual de mais de 6 GJ · m2 e horas de insolação anuais de mais de 2.200 h. A energia solar radiante anual recebida pela superfície da Terra' s em meu país é de cerca de 50 × 1019 kJ, o que equivale a 170 bilhões de toneladas de carvão padrão. Esses abundantes recursos de energia solar também fornecem boas condições para o desenvolvimento e utilização da geração de energia solar em meu país'. O calor residual industrial vem principalmente de setores como metalurgia, materiais de construção e produtos químicos. As estatísticas de 2010 mostraram que os recursos térmicos residuais industriais representaram até 67% do calor total do combustível, do qual a taxa de recuperação atingiu 60%. No entanto, a taxa de utilização geral dos recursos de calor residual em meu país é baixa, e a taxa de utilização de calor residual de grandes empresas de ferro e aço é de cerca de 30%. ~ 50%.
Há muito espaço para melhorias na taxa de utilização dos recursos de calor residual industrial em meu país. Veja a indústria metalúrgica como exemplo. Em 2010, a produção de aço bruto do meu país foi de 627 milhões de toneladas. A energia contida no gás de combustão produzido era equivalente a 30 milhões de toneladas de carvão padrão, e a quantidade de escória de aço produzida era de aproximadamente 280 milhões de toneladas, e a energia térmica contida era equivalente a 10 milhões de toneladas de carvão padrão. . Atualmente, a taxa de utilização do calor residual dos gases de combustão em empresas siderúrgicas domésticas é de cerca de 30%, e a taxa de utilização do calor residual da escória de ferro e aço é quase zero. Se a taxa de utilização de calor residual do gás de combustão puder ser aumentada para 90% e a taxa de utilização do calor residual da escória de aço puder ser aumentada para 60%, 21,6 milhões de toneladas de carvão padrão podem ser economizadas a cada ano, redução de emissão de CO2 de cerca de 50 milhões toneladas e 3,3 bilhões de kWh de geração de energia podem ser gerados.
Pode-se ver que a recuperação de calor residual é uma grande demanda da estratégia energética de meu país', com benefícios econômicos incomensuráveis e é de grande importância para o desenvolvimento econômico e o progresso social de meu país' e segurança energética nacional. No entanto, quer se trate de energia solar ou recursos de calor residual industrial, existem problemas de intermitência e instabilidade, que dificultam seriamente a promoção e aplicação de tecnologias relacionadas.
Necessidade urgente de tecnologia de armazenamento de calor latente de média e alta temperatura
O uso de tecnologia de armazenamento de calor pode aliviar a contradição entre oferta e demanda de energia térmica em termos de tempo, intensidade e espaço, e é um meio importante para a operação otimizada de sistemas de energia térmica. O armazenamento de calor inclui principalmente três formas: armazenamento de calor sensível, armazenamento de calor latente e armazenamento de calor por reação química.
O armazenamento de calor por reação química ainda está em estágio de pesquisa experimental devido ao seu sistema complexo, dificuldade técnica e baixa operabilidade; embora a tecnologia de armazenamento de calor sensível tenha sido amplamente utilizada, o armazenamento de calor é causado pela baixa densidade de armazenamento de calor por unidade de volume de materiais de armazenamento de calor. A grande quantidade de materiais torna o sistema de armazenamento de calor de grande capacidade volumoso, complicado no processo e alto custo .
Armazenamento de calor latente é usar o calor latente liberado ou absorvido pelo processo de mudança de fase do material de armazenamento de calor para armazenar e liberar calor. Comparado com a tecnologia de armazenamento de calor sensível, o armazenamento de calor latente tem a vantagem de grande densidade de armazenamento de calor por unidade de volume e tem uma maior absorção e liberação de energia dentro da faixa de temperatura de transição de fase, e a faixa de temperatura de armazenamento e liberação é estreita, o que é benéfico para carregar e liberar A temperatura do processo térmico é estável.
A fim de melhorar a eficiência de conversão de energia e reduzir custos, a tecnologia de utilização de energia solar térmica está se movendo em direção a temperaturas operacionais mais altas. A temperatura operacional da geração de energia térmica excedeu 600 ° C, e a temperatura de uma grande quantidade de calor residual industrial também é muito alta (por exemplo, a temperatura do gás de combustão do conversor é de 1600 ° C aproximadamente).
Todos eles precisam urgentemente pesquisar e desenvolver tecnologias de armazenamento de calor latente de média e alta temperatura. Embora muitos estudiosos no país e no exterior tenham realizado pesquisas em diferentes níveis, como materiais e processos, por um longo tempo, até o momento, ainda não existe um sistema de armazenamento de calor latente de média e alta temperatura maduro que opere de forma estável.
Depois de muitos anos de pesquisa aprofundada neste campo por muitas unidades de pesquisa nacionais e estrangeiras, combinadas com o status atual e as tendências de desenvolvimento de tecnologia nacional e estrangeira, acredita-se que a tecnologia de armazenamento de calor latente de média e alta temperatura enfrenta principalmente o seguinte problemas pendentes.
Primeiro, há uma falta de materiais de armazenamento de calor latente de média e alta temperatura com propriedades abrangentes, como alta densidade de armazenamento de calor e forte condutividade térmica. A base da tecnologia de armazenamento de calor latente são os materiais de mudança de fase. Atualmente, a pesquisa sobre materiais de armazenamento de calor de baixa temperatura (& lt; 100 ° C) à base de cera de parafina e sal hidratado tem sido extensa, e também tem sido aplicada nas áreas de construção e vestuário. No entanto, materiais de armazenamento de calor de média e alta temperatura, especialmente materiais de armazenamento de calor de mudança de fase de alta temperatura com um ponto de fusão> 600 ° C, ainda estão faltando.
Em segundo lugar, os materiais de armazenamento de calor de mudança de fase de média e alta temperatura são principalmente sais inorgânicos e ligas. Por um lado, a seleção de materiais candidatos requer um conhecimento aprofundado da termodinâmica e dos mecanismos cinéticos do processo de transição de fase do material. Por outro lado, é necessário revelar a influência da microestrutura nas propriedades térmicas dos materiais sob dois aspectos: maior transferência de calor e armazenamento eficiente de calor.
Além disso, o encapsulamento de materiais de mudança de fase líquido-sólido e a degradação das propriedades térmicas durante o processo de serviço também são conteúdos indispensáveis na pesquisa de materiais de mudança de fase de média e alta temperatura. Geralmente, esse é um problema de gargalo na pesquisa e no desenvolvimento de tais materiais. Materiais de armazenamento de calor de alto desempenho a serem desenvolvidos
Muitos cientistas em casa e no exterior estudaram metais como materiais de armazenamento de calor. Em 1980, Birchenall et al. mediram e analisaram as propriedades termofísicas de ligas binárias e ternárias compostas de Al, Cu, Mg, Si e Zn, que são abundantes na terra, e descobriram que a temperatura de transição de fase está na faixa de 780 ～ 850 K e rica em Si. Ou ligas de Al têm a maior densidade de armazenamento de calor, e então os materiais de armazenamento de calor de mudança de fase de liga à base de alumínio e silício foram extensivamente estudados.
Materiais de sais inorgânicos têm uma ampla gama de fontes, grandes valores de entalpia de mudança de fase e preços moderados, e são particularmente adequados para uso como materiais de armazenamento de calor de mudança de fase de média e alta temperatura. Os pesquisadores estudaram as propriedades termofísicas do sal fundido com uma temperatura superior a 450 ℃ e estenderam a aplicação de sal eutético inorgânico com uma faixa de temperatura de 220 ℃ a 290 ℃ para o campo de geração de energia térmica solar e passaram em testes como diferencial calorimetria de varredura. Método, as propriedades termofísicas do sal fundido foram medidas.
Além disso, a taxa de mudança de volume de muitos sistemas de sal fundido antes e depois da mudança de fase excede 10%. A maior taxa de mudança de volume aumenta os vazios no sistema de material de mudança de fase de sal fundido, afeta a taxa de armazenamento / liberação de calor e aumenta o armazenamento de calor. A dificuldade de projeto do equipamento do sistema reduz a eficiência de armazenamento de calor. Por esse motivo, os pesquisadores estudaram a compatibilidade dos materiais de armazenamento de calor de mudança de fase do sal fundido com o aço inoxidável, e os resultados mostram que o aço inoxidável tem um bom efeito anticorrosivo na maioria dos sais fundidos.
Ao mesmo tempo, o desempenho do ciclo de materiais de mudança de fase de liga ternária à base de alumínio e a compatibilidade com recipientes; a compatibilidade de sais fundidos de fluoreto com cobalto, níquel e aços de liga de elemento metálico refratário; a compatibilidade do hidróxido de lítio com materiais de liga estrutural Em outros aspectos, os cientistas também realizaram pesquisas.
Embora alguns resultados tenham sido alcançados na pesquisa de materiais de armazenamento de calor de mudança de fase de média e alta temperatura, o custo de materiais de mudança de fase de liga e metal é alto e a densidade de armazenamento de calor por unidade de massa é limitada. Além disso, a atividade química dos materiais de mudança de fase da liga metálica é mais forte após a mudança de fase. , A corrosão severa em alta temperatura limita muito sua ampla aplicação no campo de armazenamento de calor em média e alta temperatura.
Como um material de armazenamento de calor de mudança de fase, o sal fundido tem uma grande entalpia de mudança de fase, alta densidade de armazenamento de calor e preço moderado. Possui grande potencial de desenvolvimento no campo de aplicações de armazenamento de calor de média e alta temperatura. No entanto, o sal fundido tem baixa condutividade térmica e sérios problemas de corrosão em alta temperatura com materiais de mudança de fase de liga metálica, o que ainda é um problema que restringe sua aplicação de incrustação.
Portanto, o desenvolvimento de materiais de armazenamento de calor de alto desempenho e seus métodos de preparação é uma tendência inevitável na pesquisa de materiais de armazenamento de calor de média e alta temperatura e um caminho inevitável para o desenvolvimento de tecnologia de armazenamento de calor.
A dispersão de energia solar, calor residual industrial, grande amplitude de energia e a natureza intermitente da energia renovável requerem tecnologia de armazenamento de calor de mudança de fase de média e alta temperatura.
A pesquisa da tecnologia de armazenamento de calor em grande escala envolve a interseção da ciência dos materiais, engenharia química, engenharia mecânica, transferência de calor e massa e fluxo multifásico.
O desenvolvimento de materiais de armazenamento de calor com mudança de fase de alta e média temperatura é de grande importância para o campo de armazenamento de calor de média e alta temperatura, especialmente geração de energia térmica solar, recuperação de calor residual industrial e outros campos.
