Tecnología de almacenamiento de calor: mejora la eficiencia de la utilización integral de la energía térmica.

En la actualidad, en muchos sistemas de utilización de energía, existe una contradicción entre la oferta de energía y el desajuste de la demanda, lo que resulta en una utilización de energía irrazonable y una gran cantidad de desperdicio. La eficiencia energética, como la energía solar y el calor residual industrial, es baja, lo que no solo desperdicia recursos, sino que también provoca una contaminación térmica no despreciable del medio ambiente atmosférico.

Por esta razón, mejorar la conversión y utilización de energía se ha convertido en un tema importante que los países deben priorizar para implementar estrategias de desarrollo sostenible, y el desarrollo de tecnología de almacenamiento de calor para un uso integral y efectivo de la energía térmica es de suma importancia.

Abundantes recursos disponibles

La energía solar es la fuente de energía básica más importante entre las fuentes de energía renovables. Es" inagotable e inagotable" y está ampliamente distribuido y libre de contaminación. Es una energía limpia y económica. El sol puede liberar energía de 391 × 1021 kW por segundo. Incluso si la energía irradiada a la superficie de la tierra es sólo una -2,2 mil millonésima parte de ella, equivale a 80.000 veces la generación de energía mundial &. mi país es un país relativamente rico en energía solar. Más de dos tercios del país tiene una radiación solar anual de más de 6 GJ · m2 y horas de sol anuales de más de 2.200 h. La energía solar radiante anual que recibe la superficie de la tierra&en mi país es de aproximadamente 50 × 1019 kJ, lo que equivale a 170 mil millones de toneladas de carbón estándar. Estos abundantes recursos de energía solar también brindan buenas condiciones para el desarrollo y la utilización de la generación de energía solar en mi país &. El calor residual industrial proviene principalmente de industrias como la metalurgia, los materiales de construcción y los productos químicos. Las estadísticas de 2010 mostraron que los recursos térmicos residuales industriales representaron hasta el 67% del calor total del combustible, del cual la tasa de recuperación alcanzó el 60%. Sin embargo, la tasa de utilización general de los recursos de calor residual en mi país es baja, y la tasa de utilización del calor residual de las grandes empresas siderúrgicas es de alrededor del 30%. ~ 50%.

Hay mucho margen de mejora en la tasa de utilización de los recursos de calor residual industrial en mi país. Tomemos como ejemplo la industria metalúrgica. En 2010, la producción de acero bruto de mi país fue de 627 millones de toneladas. La energía contenida en los gases de combustión producidos fue equivalente a 30 millones de toneladas de carbón estándar, y la cantidad de escoria de acero producida fue de aproximadamente 280 millones de toneladas, y la energía térmica contenida fue equivalente a 10 millones de toneladas de carbón estándar. . En la actualidad, la tasa de utilización del calor residual de los gases de combustión en las empresas siderúrgicas domésticas es de aproximadamente el 30%, y la tasa de utilización del calor residual de la escoria de hierro y acero es casi nula. Si la tasa de utilización del calor residual de los gases de combustión se puede aumentar al 90% y la tasa de utilización del calor residual de la escoria de acero se puede aumentar al 60%, se pueden ahorrar 21,6 millones de toneladas de carbón estándar cada año, reducción de las emisiones de CO2 de aproximadamente 50 millones de toneladas y se pueden generar 3.300 millones de kWh de generación de energía.

Se puede ver que la recuperación de calor residual es una de las principales demandas de la estrategia energética de mi país &, con beneficios económicos inconmensurables, y es de gran importancia para el desarrollo económico y el progreso social de mi país &. y seguridad energética nacional. Sin embargo, ya se trate de energía solar o de recursos térmicos residuales industriales, existen problemas de intermitencia e inestabilidad, que dificultan gravemente la promoción y aplicación de tecnologías relacionadas.

Necesidad urgente de tecnología de almacenamiento de calor latente a temperatura media y alta.

El uso de tecnología de almacenamiento de calor puede aliviar la contradicción entre el suministro y la demanda de energía térmica en términos de tiempo, intensidad y espacio, y es un medio importante para optimizar el funcionamiento de los sistemas de energía térmica. El almacenamiento de calor incluye principalmente tres formas: almacenamiento de calor sensible, almacenamiento de calor latente y almacenamiento de calor de reacción química.

El almacenamiento de calor por reacción química se encuentra todavía en la etapa de investigación experimental debido a su sistema complejo, dificultad técnica y escasa operatividad; aunque la tecnología de almacenamiento de calor sensible se ha utilizado ampliamente, el almacenamiento de calor se debe a la baja densidad de almacenamiento de calor por unidad de volumen de los materiales de almacenamiento de calor La gran cantidad de materiales hace que el sistema de almacenamiento de calor de gran capacidad sea voluminoso, complicado en el proceso y de alto costo .

El almacenamiento de calor latente consiste en utilizar el calor latente liberado o absorbido por el proceso de cambio de fase del material de almacenamiento de calor para almacenar y liberar calor. En comparación con la tecnología de almacenamiento de calor sensible, el almacenamiento de calor latente tiene la ventaja de una gran densidad de almacenamiento de calor por unidad de volumen y tiene una mayor absorción y liberación de energía dentro del rango de temperatura de transición de fase, y el rango de temperatura de almacenamiento y liberación es estrecho, lo cual es beneficioso para cargar y liberar La temperatura del proceso térmico es estable.

Con el fin de mejorar la eficiencia de conversión de energía y reducir los costos, la tecnología de utilización de energía solar térmica se está moviendo hacia temperaturas de operación más altas. La temperatura de funcionamiento de la generación de energía térmica ha superado los 600 ° C y la temperatura de una gran cantidad de calor residual industrial también es muy alta (por ejemplo, la temperatura de los gases de combustión del convertidor es de 1600 ° C aproximadamente).

Todos ellos necesitan urgentemente investigar y desarrollar tecnologías de almacenamiento de calor latente a temperatura media y alta. Aunque muchos académicos en el país y en el extranjero han llevado a cabo investigaciones desde diferentes niveles, como materiales y procesos, durante mucho tiempo, hasta ahora, todavía no existe un sistema maduro de almacenamiento de calor latente de temperatura media y alta que funcione de manera estable.

Después de muchos años de investigación en profundidad en este campo por parte de muchas unidades de investigación nacionales y extranjeras, combinado con el estado actual y las tendencias del desarrollo de tecnología nacional y extranjera, se cree que la tecnología de almacenamiento de calor latente de temperatura media y alta se enfrenta principalmente a lo siguiente problemas pendientes.

Primero, hay una falta de materiales de almacenamiento de calor latente de temperatura media y alta con propiedades integrales como alta densidad de almacenamiento de calor y fuerte conductividad térmica. La base de la tecnología de almacenamiento de calor latente son los materiales de cambio de fase. En la actualidad, la investigación sobre materiales de almacenamiento de calor a baja temperatura (& lt; 100 ° C) a base de cera de parafina y sal hidratada ha sido extensa, y también se ha aplicado en los campos de la construcción y la confección. Sin embargo, todavía faltan materiales de almacenamiento de calor de temperatura media y alta, especialmente materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase de alta temperatura con un punto de fusión> 600 ° C.

En segundo lugar, los materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase de temperatura media y alta son principalmente sales y aleaciones inorgánicas. Por un lado, la selección de materiales candidatos requiere un conocimiento profundo de la termodinámica y los mecanismos cinéticos del proceso de transición de fase del material. Por otro lado, es necesario revelar la influencia de la microestructura en las propiedades térmicas de los materiales desde dos aspectos: transferencia de calor mejorada y almacenamiento de calor eficiente.

Además, la encapsulación de materiales de cambio de fase líquido-sólido y la degradación de las propiedades térmicas durante el proceso de servicio también son contenidos indispensables en la investigación de materiales de cambio de fase de temperatura media y alta. Este es a menudo un problema de cuello de botella en la investigación y el desarrollo de dichos materiales. Se desarrollarán materiales de almacenamiento de calor de alto rendimiento

Muchos científicos nacionales y extranjeros han estudiado los metales como materiales de almacenamiento de calor. En 1980, Birchenall et al. midieron y analizaron las propiedades termofísicas de aleaciones binarias y ternarias compuestas de Al, Cu, Mg, Si y Zn, que son abundantes en la tierra, y encontraron que la temperatura de transición de fase está en el rango de 780 ～ 850 K y es rica en Si. O las aleaciones de Al tienen la densidad de almacenamiento de calor más alta, y luego se han estudiado ampliamente los materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase de aleación a base de aluminio y silicio.

Los materiales de sal inorgánica tienen una amplia gama de fuentes, valores de entalpía de cambio de fase grandes y precios moderados, y son particularmente adecuados para su uso como materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase de temperatura media y alta. Los investigadores estudiaron las propiedades termofísicas de la sal fundida con una temperatura superior a 450 ℃, y ampliaron la aplicación de sal eutéctica inorgánica con un rango de temperatura de 220 ℃ a 290 ℃ al campo de la generación de energía solar térmica, y pasaron pruebas como diferencial. calorimetría de barrido. Método, se midieron las propiedades termofísicas de la sal fundida.

Además, la tasa de cambio de volumen de muchos sistemas de sales fundidas antes y después del cambio de fase supera el 10%. La tasa de cambio de volumen más grande aumenta los vacíos en el sistema de material de cambio de fase de sal fundida, afecta la tasa de almacenamiento / liberación de calor y aumenta el almacenamiento de calor. La dificultad de diseño del equipo del sistema reduce la eficiencia del almacenamiento de calor. Por esta razón, los investigadores han estudiado la compatibilidad de los materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase de sales fundidas con el acero inoxidable, y los resultados muestran que el acero inoxidable tiene un buen efecto anticorrosión en la mayoría de las sales fundidas.

Al mismo tiempo, el rendimiento del ciclo de los materiales de cambio de fase de aleación a base de aluminio ternario y la compatibilidad con los contenedores; la compatibilidad de las sales fundidas de fluoruro con aceros de aleación de cobalto, níquel y elementos metálicos refractarios; la compatibilidad del hidróxido de litio con materiales de aleación estructural En otros aspectos, los científicos también han realizado investigaciones.

Aunque se han logrado algunos resultados en la investigación de materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase de temperatura media y alta, el costo de los materiales de cambio de fase de metal y aleación es alto y la densidad de almacenamiento de calor por unidad de masa es limitada. Además, la actividad química de los materiales de cambio de fase de aleación de metal es más fuerte después del cambio de fase. La corrosión severa a alta temperatura limita en gran medida su amplia aplicación en el campo del almacenamiento de calor a temperatura media y alta.

Como material de almacenamiento de calor por cambio de fase, la sal fundida tiene una gran entalpía de cambio de fase, alta densidad de almacenamiento de calor y precio moderado. Tiene un gran potencial de desarrollo en el campo de las aplicaciones de almacenamiento de calor a temperatura media y alta. Sin embargo, la sal fundida tiene poca conductividad térmica y tiene serios problemas de corrosión a alta temperatura con los materiales de cambio de fase de aleación de metal, lo que sigue siendo un problema que restringe su aplicación de incrustaciones.

Por lo tanto, el desarrollo de materiales de almacenamiento de calor de alto rendimiento y sus métodos de preparación es una tendencia inevitable en la investigación de materiales de almacenamiento de calor de temperatura media y alta y una forma inevitable para el desarrollo de la tecnología de almacenamiento de calor.

La dispersión de la energía solar, el calor residual industrial, la gran cantidad de energía y la naturaleza intermitente de la energía renovable requieren tecnología de almacenamiento de calor de cambio de fase de temperatura media y alta.

La investigación de la tecnología de almacenamiento de calor a gran escala implica la intersección de la ciencia de los materiales, la ingeniería química, la ingeniería mecánica, la transferencia de calor y masa y el flujo multifásico.

El desarrollo de materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase de temperatura media y alta de alto rendimiento es de gran importancia para el campo del almacenamiento de calor de temperatura media y alta, especialmente la generación de energía solar térmica, la recuperación de calor residual industrial y otros campos.