Tecnologia di accumulo di calore: migliorare l'efficienza dell'utilizzo completo dell'energia termica

Attualmente, in molti sistemi di utilizzo dell'energia, c'è una contraddizione tra l'offerta di energia e il disallineamento della domanda, con conseguente utilizzo dell'energia irragionevole e una grande quantità di rifiuti. L'efficienza energetica come l'energia solare e il calore di scarto industriale è bassa, il che non solo spreca risorse, ma causa anche un inquinamento termico non trascurabile per l'ambiente atmosferico.

Per questo motivo, il miglioramento della conversione e dell'utilizzo dell'energia è diventato una questione importante a cui i paesi devono dare la priorità per implementare strategie di sviluppo sostenibile e lo sviluppo di tecnologie di accumulo del calore per un uso completo ed efficace dell'energia termica è di fondamentale importanza.

Abbondanti risorse disponibili

L'energia solare è la più importante fonte di energia di base tra le fonti di energia rinnovabile. È"inesauribile e inesauribile" ed è ampiamente distribuito e privo di inquinamento. È un'energia pulita economica. Il sole può rilasciare energia di 391×1021 kW al secondo. Anche se l'energia irradiata sulla superficie della terra è solo un-2,2 miliardesimo di essa, è equivalente a 80.000 volte la generazione di energia del mondo. il mio paese è relativamente ricco di energia solare. Più di due terzi del paese ha una radiazione solare annua di oltre 6 GJ·m2 e ore di sole annue di oltre 2.200 ore. L'energia solare radiante annuale ricevuta dalla superficie terrestre's nel mio paese è di circa 50×1019 kJ, che equivale a 170 miliardi di tonnellate di carbone standard. Tali abbondanti risorse di energia solare forniscono anche buone condizioni per lo sviluppo e l'utilizzo della generazione di energia solare da parte del mio paese. Il calore di scarto industriale proviene principalmente da industrie come la metallurgia, i materiali da costruzione e i prodotti chimici. Le statistiche del 2010 hanno mostrato che le risorse di calore di scarto industriale rappresentavano fino al 67% del calore totale del combustibile, di cui il tasso di recupero ha raggiunto il 60%. Tuttavia, il tasso di utilizzo complessivo delle risorse di calore di scarto nel mio paese è basso e il tasso di utilizzo del calore di scarto delle grandi imprese siderurgiche è di circa il 30%. ~50%.

C'è molto spazio per migliorare il tasso di utilizzo delle risorse di calore di scarto industriale nel mio paese. Prendiamo ad esempio l'industria metallurgica. Nel 2010, la produzione di acciaio grezzo del mio paese è stata di 627 milioni di tonnellate. L'energia contenuta nei fumi prodotti era equivalente a 30 milioni di tonnellate di carbone standard, e la quantità di scorie di acciaio prodotta era di circa 280 milioni di tonnellate e l'energia termica contenuta era equivalente a 10 milioni di tonnellate di carbone standard. . Attualmente, il tasso di utilizzo del calore di scarto dei gas di scarico nelle imprese siderurgiche domestiche è di circa il 30% e il tasso di utilizzo del calore di scarto delle scorie di ferro e acciaio è quasi zero. Se il tasso di utilizzo del calore di scarto dei gas di scarico può essere aumentato al 90% e il tasso di utilizzo del calore di scarto delle scorie di acciaio può essere aumentato al 60%, è possibile risparmiare 21,6 milioni di tonnellate di carbone standard ogni anno, riducendo le emissioni di CO2 di circa 50 milioni tonnellate e 3,3 miliardi di kWh di produzione di energia possono essere generati.

Si può vedere che il recupero del calore di scarto è una delle principali esigenze della strategia energetica del mio paese, con vantaggi economici incommensurabili, ed è di grande importanza per lo sviluppo economico e il progresso sociale del mio paese. e sicurezza energetica nazionale. Tuttavia, che si tratti di energia solare o di risorse di calore di scarto industriale, esistono problemi di intermittenza e instabilità, che ostacolano seriamente la promozione e l'applicazione delle relative tecnologie.

Necessità urgente di tecnologia di accumulo di calore latente a media e alta temperatura

L'uso della tecnologia di accumulo del calore può alleviare la contraddizione tra l'offerta e la domanda di energia termica in termini di tempo, intensità e spazio ed è un mezzo importante per il funzionamento ottimizzato dei sistemi di energia termica. L'accumulo di calore comprende principalmente tre forme: accumulo di calore sensibile, accumulo di calore latente e accumulo di calore per reazione chimica.

L'accumulo di calore per reazione chimica è ancora in fase di ricerca sperimentale a causa del suo sistema complesso, delle difficoltà tecniche e della scarsa operatività; sebbene la tecnologia di accumulo di calore sensibile sia stata ampiamente utilizzata, l'accumulo di calore è causato dalla bassa densità di accumulo di calore per unità di volume dei materiali di accumulo di calore La grande quantità di materiali rende il sistema di accumulo di calore di grande capacità ingombrante, complicato nel processo e ad alto costo .

L'accumulo di calore latente consiste nell'utilizzare il calore latente rilasciato o assorbito dal processo di cambiamento di fase del materiale di accumulo di calore per immagazzinare e rilasciare calore. Rispetto alla tecnologia di accumulo di calore sensibile, l'accumulo di calore latente ha il vantaggio di una grande densità di accumulo di calore per unità di volume e ha un maggiore assorbimento e rilascio di energia all'interno dell'intervallo di temperatura di transizione di fase e l'intervallo di temperatura di stoccaggio e rilascio è ristretto, il che è vantaggioso per caricare e rilasciare La temperatura del processo termico è stabile.

Al fine di migliorare l'efficienza di conversione dell'energia e ridurre i costi, la tecnologia di utilizzo del solare termico si sta spostando verso temperature di esercizio più elevate. La temperatura di esercizio della produzione di energia termica ha superato i 600°C e anche la temperatura di una grande quantità di calore di scarto industriale è molto elevata (ad esempio, la temperatura dei fumi del convertitore è di circa 1600°C).

Tutti questi hanno urgente bisogno di ricercare e sviluppare tecnologie di accumulo di calore latente a media e alta temperatura. Sebbene molti studiosi in patria e all'estero abbiano svolto ricerche a diversi livelli su materiali e processi per molto tempo, finora non esiste ancora un sistema maturo di accumulo di calore latente a media e alta temperatura che funzioni stabilmente.

Dopo molti anni di ricerche approfondite in questo campo da parte di molte unità di ricerca nazionali ed estere, combinate con lo stato attuale e le tendenze dello sviluppo tecnologico nazionale ed estero, si ritiene che la tecnologia di accumulo di calore latente a media e alta temperatura affronti principalmente i seguenti problemi in sospeso.

In primo luogo, vi è una mancanza di materiali di accumulo di calore latente a media e alta temperatura con proprietà complete come un'elevata densità di accumulo di calore e una forte conduttività termica. Il fondamento della tecnologia di accumulo di calore latente sono i materiali a cambiamento di fase. Attualmente la ricerca sui materiali per l'accumulo di calore a bassa temperatura (& lt;100°C) a base di cera di paraffina e sale idrato è stata ampia, ed è stata applicata anche nei settori dell'edilizia e dell'abbigliamento. Tuttavia, mancano ancora materiali di accumulo di calore a media e alta temperatura, in particolare materiali di accumulo di calore a cambiamento di fase ad alta temperatura con un punto di fusione>600°C.

In secondo luogo, i materiali di accumulo termico a cambiamento di fase a media e alta temperatura sono principalmente sali e leghe inorganici. Da un lato, la selezione dei materiali candidati richiede una comprensione approfondita della termodinamica e dei meccanismi cinetici del processo di transizione di fase del materiale. D'altra parte, è necessario rivelare l'influenza della microstruttura sulle proprietà termiche dei materiali da due aspetti: maggiore trasferimento di calore ed efficiente accumulo di calore.

Inoltre, l'incapsulamento di materiali a cambiamento di fase liquido-solido e il decadimento delle proprietà termiche durante il processo di servizio sono anche contenuti indispensabili nella ricerca di materiali a cambiamento di fase a media e alta temperatura. Questo è spesso un problema di collo di bottiglia nella ricerca e nello sviluppo di tali materiali. Materiali di accumulo di calore ad alte prestazioni da sviluppare

Molti scienziati in patria e all'estero hanno studiato i metalli come materiali per l'accumulo di calore. Nel 1980 Birchenall et al. ha misurato e analizzato le proprietà termofisiche delle leghe binarie e ternarie composte da Al, Cu, Mg, Si e Zn, che sono abbondanti sulla terra, e ha scoperto che la temperatura di transizione di fase è compresa tra 780 e 850 K e ricca di Si. Oppure le leghe di alluminio hanno la più alta densità di accumulo di calore, quindi i materiali di accumulo di calore a cambiamento di fase in alluminio e leghe a base di silicio sono stati ampiamente studiati.

I materiali salini inorganici hanno un'ampia gamma di fonti, grandi valori di entalpia a cambiamento di fase e prezzi moderati e sono particolarmente adatti per l'uso come materiali di accumulo di calore a cambiamento di fase a media e alta temperatura. I ricercatori hanno studiato le proprietà termofisiche del sale fuso con una temperatura superiore a 450 e hanno esteso l'applicazione del sale eutettico inorganico con un intervallo di temperatura da 220 a 290 ℃ al campo della generazione di energia solare termica e hanno superato test come il differenziale calorimetria a scansione. Metodo, sono state misurate le proprietà termofisiche del sale fuso.

Inoltre, la velocità di variazione del volume di molti sistemi a sali fusi prima e dopo il cambiamento di fase supera il 10%. La maggiore velocità di variazione del volume aumenta i vuoti nel sistema di materiale a cambiamento di fase del sale fuso, influisce sulla velocità di accumulo/rilascio di calore e aumenta l'accumulo di calore. La difficoltà di progettazione delle apparecchiature del sistema riduce l'efficienza dell'accumulo di calore. Per questo motivo, i ricercatori hanno studiato la compatibilità dei materiali per l'accumulo di calore a cambiamento di fase dei sali fusi con l'acciaio inossidabile e i risultati mostrano che l'acciaio inossidabile ha un buon effetto anticorrosivo sulla maggior parte dei sali fusi.

Allo stesso tempo, le prestazioni del ciclo dei materiali a cambiamento di fase della lega ternaria a base di alluminio e la compatibilità con i contenitori; la compatibilità dei sali fusi di fluoruro con cobalto, nichel e acciai legati con elementi metallici refrattari; la compatibilità dell'idrossido di litio con i materiali in lega strutturale In altri aspetti, gli scienziati hanno anche condotto ricerche.

Sebbene alcuni risultati siano stati ottenuti nella ricerca di materiali per l'accumulo di calore a cambiamento di fase a media e alta temperatura, il costo dei materiali a cambiamento di fase in metallo e lega è elevato e la densità di accumulo di calore per unità di massa è limitata. Inoltre, l'attività chimica dei materiali a cambiamento di fase in lega metallica è più forte dopo il cambiamento di fase. , La corrosione severa ad alta temperatura limita notevolmente la sua ampia applicazione nel campo dell'accumulo di calore a media e alta temperatura.

Come materiale per l'accumulo di calore a cambiamento di fase, il sale fuso ha un'elevata entalpia a cambiamento di fase, un'elevata densità di accumulo di calore e un prezzo moderato. Ha un grande potenziale di sviluppo nel campo delle applicazioni di accumulo di calore a media e alta temperatura. Tuttavia, il sale fuso ha una scarsa conduttività termica e presenta seri problemi di corrosione ad alta temperatura con materiali a cambiamento di fase in lega metallica, che è ancora un problema che limita la sua applicazione in scala.

Pertanto, lo sviluppo di materiali di accumulo di calore ad alte prestazioni e dei loro metodi di preparazione è una tendenza inevitabile nella ricerca di materiali di accumulo di calore a media e alta temperatura e un modo inevitabile per lo sviluppo della tecnologia di accumulo di calore.

La dispersione dell'energia solare, il calore di scarto industriale, l'ampio arco di energia e la natura intermittente dell'energia rinnovabile richiedono tutti una tecnologia di accumulo del calore a cambiamento di fase a temperatura media e alta.

La ricerca sulla tecnologia di accumulo di calore su larga scala coinvolge l'intersezione di scienza dei materiali, ingegneria chimica, ingegneria meccanica, trasferimento di calore e di massa e flusso multifase.

Lo sviluppo di materiali per l'accumulo di calore a cambiamento di fase a media e alta temperatura ad alte prestazioni è di grande importanza per il campo dell'accumulo di calore a media e alta temperatura, in particolare la generazione di energia solare termica, il recupero del calore di scarto industriale e altri campi.