中高温蓄热技术及应用内容简介

世界经济的快速发展需要更多的能源，而化石能源的短缺促使世界各国将开发可再生能源作为战略性新兴产业置于优先发展的地位。储能作为能源利用的重要环节，对工业节能和可再生能源利用具有特别重要的作用。规模化可再生能源热利用是未来我国能源的发展重点，但由于可再生能源县有间歇性和不能稳定供应的缺陷，不能满足工业化大规模连续供能的要求，而工业用能是我国最大的终端用能消费部门，占全国能源消费总量的比重一直维持在70%左右。一次能源利用率大大低于先进国家，主要原因之一是间歇式高品质余热没有得到有效利用，因此必须发展高效蓄热技术，以提高能源利用效率。本书从可再生能源规模化利用和工业节能技术领域中选择中高温蓄热技术作为基础研究的工程背景，结合本书合著者及研究团队多年从事太阳能热利用、传递强化与节能技术研究的实践整理而成。

本书的编写对于工业生产过程以及可再生能源和新能源利用领域，例如化工、冶金、热动、核工业等领域热能储存与转换技术的工业化应用，具有较好的指导意义和实用价值，可供从事能源利用领域的科研和工程技术人员、高等学校的教师和研究生、本科生作为专业参考资料或教材使用。

《21世纪新能源丛书》序1

前言

主要符号表

第1章 绪论

1.1 蓄热技术概述

1.1.1 蓄热方式

1.1.2 传热蓄热材料

1.2 蓄热性能的评价方法

1.2.1 蓄热系统的蓄热量

1.2.2 蓄热系统的熵产

1.2.3 基于斜温层厚度定义的蓄热效率

1.2.4 斜温层稳定性判据

参考文献

第2章 熔融盐显热蓄热过程传热特性

2.1 基本原理

2.2 熔融盐球形填充床显热蓄热过程数值分析

2.2.1 蓄热模型

2.2.2 蓄热材料密度的影响

2.2.3 蓄热材料导热系数的影响

2.2.4 空隙率对蓄热性能的影响

2.2.5 颗粒直径对蓄热性能的影响

2.2.6 熔盐密度对蓄热性能的影响

2.2.7 熔盐进口流速对蓄热性能的影响

2.2.8 熔盐进口温度对蓄热性能的影响

2.3 熔融盐球形填充床显热蓄热过程实验分析

2.3.1 实验装置

2.3.2 蓄热罐预热温度

2.3.3 熔盐的温度分布

参考文献

第3章 熔融盐相变蓄热过程流动与传递规律

3.1 基本原理

3.2 相变蓄热传热分析

3.2.1 精确解分析

3.2.2 数值求解分析

3.2.3 相变蓄热过程传热强化理论与途径

3.3 熔融盐球形填充床潜热蓄热过程数值模拟

3.3.1 蓄热模型

3.3.2 相变蓄热罐的蓄热性能

3.3.3 初始温度对蓄热性能的影响

3.3.4 导热油进口温度对蓄热性能的影响

3.3.5 导热油进口流速的影响

3.3.6 不同导热油比热的影响

3.3.7 相变球颗粒直径的影响

3.3.8 熔融盐相变材料潜热的影响

3.4 熔融盐球形填充床相变蓄热实验研究

3.4.1 熔盐球型填充床相变蓄热罐

3.4.2 相变蓄热罐预热温度

3.4.3 熔盐的进口温度

3.4.4 相变温度的影响

3.4.5 熔盐温度变化

3.4.6 球内相变材料自然冷却降温

参考文献

第4章 熔融盐高温斜温层混合蓄热的热过程特性

4.1 熔融盐高温斜温层混合蓄热方法

4.1.1 系统组成

4.1.2 工作原理

4.2 熔融盐单相流体斜温层蓄热的数值模拟

4.2.1 计算模型

4.2.2 控制方程

4.2.3 数值计算方法

4.2.4 瞬态传热与流动特性

4.2.5 斜温层厚度随熔融盐流体进口速度的变化

4.2.6 斜温层厚度随长径比的变化

4.3 多孔介质中熔融盐流体斜温层蓄热的热特性

4.3.1 局部热平衡模型与局部非热平衡模型的适用性

4.3.2 多孔介质局部热平衡模型

4.3.3 多孔介质特性参数对传热与流动性能的影响

4.3.4 瞬态传热与流动特性

4.3.5 操作参数对熔融盐高温斜温层蓄热性能的影响

4.4 基于局部非热平衡的熔融盐斜温层蓄热的数值模拟

4.4.1 计算模型

4.4.2 数值计算方法

4.4.3 局部非热平衡模型的模拟结果

4.5 高温熔融盐壳管式相变换热器的传热特性

4.5.1 研究装置

4.5.2 数值模型

4.5.3 数值计算方法

4.5.4 自然对流对液相率分布的影响

4.5.5 液相率随熔化时间的变化

4.5.6 管内流体的流动方向对液相率的影响

4.5.7 壳管式相变换热器完全熔化的判据

4.6 高温熔融盐蓄热器的实验测试

4.6.1 蓄热单罐实验件的结构设计

4.6.2 实验研究内容与方法

4.6.3 熔融盐单相流体斜温层蓄热单罐的蓄热特性

4.6.4 多孔介质中熔融盐流体斜温层蓄热单罐的蓄热特性

4.6.5 熔融盐壳管式相变换热器的蓄热特性

参考文献

第5章 甲烷重整热化学储能过程特性

5.1 热化学储能技术

5.1.1 热化学储能体系

5.1.2 常见热化学反应储能体系

5.1.3 甲烷重整体系

5.2 二氧化碳甲烷重整反应热力学分析

5.3 铂-钌双金属催化剂制备及稳定性和积炭分析

5.3.1 二氧化碳甲烷重整催化剂

5.3.2 催化剂制备

5.3.3 催化剂性能评价

5.3.4 催化剂的性能和稳定性

5.3.5 催化剂稳定性的机理分析

5.3.6 表面积炭的理论分析

5.3.7 表面积炭实验分析

5.4 管壳式催化重整反应器的数值模拟

5.4.1 催化重整反应的数值模拟

5.4.2 数理模型及数值方法

5.4.3 化学动力学模型

5.4.4 动力学结果与讨论

5.4.5 模型验证

5.4.6 反应器结构对CO2/CH4催化重整反应的影响

5.4.7 重整反应条件对CO2/CH4催化重整反应的影响

5.5 管内有序堆积填充床重整反应的数值模拟

5.5.1 数理模型及数值方法

5.5.2 模型验证

5.5.3 模拟结果与讨论

参考文献

第6章 蓄热系统设计与控制

6.1 熔融盐蓄热系统设计

6.1.1 蓄热系统构成

6.1.2 熔盐流体传递回路与吸热器、蓄热容器之间的连接

6.1.3 传热蓄热回路的加热和保温

6.1.4 熔盐长轴泵

6.1.5 故障工况的研究与预防

6.2 蓄热系统测试与控制

6.2.1 测试与控制环节

6.2.2 温度测试

6.2.3 压力测试

6.2.4 流量测量

6.2.5 液位测量

6.2.6 流量控制(高温阀门)

6.2.7 蓄热系统的自动控制

6.2.8 测试和控制案例

参考文献

第7章 中高温蓄热技术的应用

7.1 可再生能源领域

7.1.1 高温显热蓄热系统

7.1.2 高温相变应用

7.2 工业过程的余热利用

7.2.1 蓄热式换热器

7.2.2 熔融盐蓄热应用

7.3 新型蓄热技术及发展趋势

7.3.1 新型中高温蓄热技术

7.3.2 中高温蓄热发展趋势

参考文献 2100433B

太阳能中高温热利用更为广泛的工农业生产中的中高温热利用。广泛地应用于日常饮水，蒸汽，采暖，空调，发电，纺织，印染，造纸，橡胶，海水淡化，畜牧养殖，食品加工等各种需要热水和热蒸汽的生产和生活领域。应用的关键在于要有先进、实用、可靠，且价格合理的太阳能中高温集热器。

人们对相变蓄热技术的研究虽然只有几十年的历史，但它的应用十分广泛，已成为日益受到人们重视的一种新兴技术。该技术主要有以下几个方面的应用 。

工业过程的余热利用

工业过程的余热既存在连续型余热又存在间断型余热。对于连续型余热，通常采取预热原料或空气等手段加以回收，而间断型余热因其产生过程的不连续性未被很好的利用，如有色金属工业、硅酸盐工业中的部分炉窑在生产过程中具有一定的周期性，造成余热回收困难，因此，这类炉窑的热效率通常低于30%。相变蓄热突出的优点之一就是可以将生产过程中多余的热量储存起来并在需要时提供稳定的热源，它特别适合于间断性的工业加热过程或具有多台不同时工作的加热设备的场合，采用热能储存系统利用相变蓄热技术可节能15%~45%。根据加热系统工作温度和储热介质的不同，应用于工业加热的相变蓄热系统可分为蓄热换热器、蓄热室式蓄热系统和显热/潜热复合蓄热系统三种形式。蓄热换热器适用于间断性工业加热过程，是一种蓄热装臵和换热装臵合二为一的相变蓄热换热装臵。它采取管壳式或板式换热器的结构形式，换热器的一侧填充相变材料，另一侧则作为换热流体的通道。当间歇式加热设备运行时，烟气流经换热器式蓄热系统的流体通道，将热量传递到另一侧的相变介质使其发生固液相变，加热设备的余热以潜热的形式储存在相变介质中。当间歇式加热设备从新工作时，助燃空气流经蓄热系统的换热通道，与另一侧的相变材料进行换热，储存在相变材料中的热量传递到被加热流体，达到预热的目的。相变蓄热换热装臵一个特点是可以制造成独立的设备，作为工业加热设备的余热利用设备使用时，并不需要改造加热设备本身，只要在设备的管路上进行改造就可以方便地使用。蓄热室式蓄热系统在工业加热设备的余热利用系统中，传统的蓄热器通常采用耐火材料作为吸收余热的蓄热材料，由于热量的吸收仅仅是依靠耐火材料的显热热容变化，这种蓄热室具有体积大、造价贵、热惯性大和输出功率逐步下降的缺点，在工业加热领域难以普及应用。相变蓄热系统是一种可以替代传统蓄热器的新型余热利用系统，它主要利用物质在固液两态变化过程中的潜热吸收和释放来实现热能的储存和输出。相变蓄热系统具有蓄热量大、体积小、热惯性小和输出稳定的特点。与常规的蓄热室相比，相变蓄热系统体积可以减小30%~50%。

太阳能热储存

太阳能是巨大的能源宝库，具有清洁无污染，取用方便的特点，特别是在一些高原地区如我国的云南、青海和西藏等地，太阳辐射强度大，而其他能源短缺，故太阳能的利用将更加普遍。但到达地球表面的太阳辐射，能量密度却很低，而且受到地理、昼夜和季节等因素的影响，以及阴晴云雨等随机因素的制约，其辐射强度也不断发生变化，具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性。为了保持供热或供电装臵的稳定不间断的运行，就需要蓄热装臵把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，从而满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。几乎所有用于采暖、供应热水、生产过程用热等的太阳能装臵都需要储存热能。即使在外层空间，在地球轨道上运行的航天器由于受到地球阴影的遮挡，对太阳能的接受也存在不连续的特点，因此空间发电系统也需要蓄热系统来维持连续稳定的运行。太阳能蓄热技术包括低温和高温两种。水是低温太阳能蓄热系统普遍使用的蓄热介质，石蜡以及无机水合盐也比较常用;高温太阳能蓄热系统大多使用高温熔融盐类、混合盐类、金属或合金作为蓄热介质。另外，能源储存技术也可以用在建筑物采暖方面。在夏天日照强烈时，利用太阳能加热器加热水并储存于地下蓄水层或隔热良好的地穴中，到冬天来临时，利用储存的热水就可取暖。1982年，美国已成功研制出一种利用NaZSO4·IOH20共熔物作为蓄热芯的太阳能建筑板，并在麻省理工学院建筑系实验楼进行了实验性应用。

太空中的应用

早在20世纪50年代，由于航天事业的发展，人造卫星等航天器的研制中常常涉及到仪器、仪表或材料的恒温控制问题。因为人造卫星在运行中，时而处于太阳照射之下，时而由于地球的遮蔽处于黑暗之中，在这两种情况下，人造卫星表面的温度相差几百度。为了保证卫星内温度恒定在特定温度下(通常为巧~35℃之间)，人们研制了很多控制温度的装臵，其中一种就是利用相变蓄热材料在特定温度下的吸热与放热来控制温度的变化，使卫星正常工作。当外界温度升高，高于特定温度(如30’C)时，相变蓄热材料开始熔融，大量吸收热量;而当外部温度降低，低于特定温度时，相变材料又开始结晶，大量放出热量，从而维持内部温度恒定在30℃左右。蓄热技术在太空中的另一个应用便是空间太阳能热动力发电技术，空间热动力发电系统主要分为四大部分:聚能器、吸热/蓄热器、能量转化部分及辐射器。能量转化部分又主要包括涡轮、发电机和压气机。它的主要工作原理是:利用抛物线型的聚能器截取太阳能，并将其聚集到吸热/蓄热器的圆柱形空腔内，被吸收转换成热能其中一缈热能传递给循环工质以驱动热机发电，另一部分热量则被封装在多个小容器的相变材料内加以储存。在轨道阴影期，相变材料在相变点附近凝固释热，从当热机热源来加热循环工质，使得空间站处于阴影期时仍能连续工作发电。

吸热/蓄热器的性能参数是空间热动力发电系统的关键参数之一。美国从20世纪60年代就开始了吸热/蓄热器的研究，Garrett公司先后设计了3姗、 10.5KW的空间热动力装臵，试制了各主要部件，并对它们进行了大量的性能试验。在 1994年和1996年，分别在哥伦比亚号和奋进号航天飞机上进行了两次蓄热容器的搭载试验，以验证空间环境下相变蓄热材料的蓄放热性能以及与容器材料的相容性能，采用的相变材料分别为LIF和80.SLIF一19.SCaFZ。作为一种先进的空间太阳能供电方式，空间太阳能热动力电站对未来的空间探索有着重要意义。随着人类对太空探索不断深入，如探索月球、火星，甚至到未来的探索太阳系以外的宇宙，特别是建立永久空间站，电力需求将是一个十分紧迫的任务。另外，这种先进的空间太阳能供电方式也将为解决地面的能源危机提供很好的解决方案。美国已经提出在21世纪中叶左右研发一个 1.6GW的空间电站，再利用微波系统将电力传回地面利用。如果这一系统实现的话，将是人类能源技术的一个历史性的进步。当然要达到这一目标，还有大量的技术难题有待人类攻克。

其他方面的应用

随着研究的不断深入，相变蓄热材料的应用领域也不断地扩展。如PCMs(phase changematerials即相变材料)在建筑物采暖、保温以及被动式太阳房等领域的应用，是近年来PeMS研究领域的热点之一2100433B