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編輯推薦

適讀人群 ：能源利用領域的科研和工程技術人員、高等學校的教師和研究生、本科生
中高溫蓄熱技術及應用的編寫對於工業生産過程以及可再生能源和新能源利用領域，例如化工、冶金、熱動、核工業等領域熱能儲存與轉換技術的工業化應用，具有較好的指導意義和實用價值，可供從事能源利用領域的科研和工程技術人員、高等學校的教師和研究生、本科生作為專業參考資料或教材使用。

內容簡介

　　世界經濟的快速發展需要更多的能源，而化石能源的短缺促使世界各國將開發可再生能源作為戰略性新興産業置於優先發展的地位。儲能作為能源利用的重要環節，對工業節能和可再生能源利用具有特彆重要的作用。規模化可再生能源熱利用是未來我國能源的發展重點，但由於可再生能源具有間歇性和不能穩定供應的缺陷，不能滿足工業化大規模連續供能的要求，而工業用能是我國大的終端用能消費部門，占全國能源消費總量的比重一直維持在70%左右。一次能源利用率大大低於先進國傢，主要原因之一是間歇式高品質餘熱沒有得到有效利用，因此必須發展高效蓄熱技術，以提高能源利用效率。《中高溫蓄熱技術及應用》從可再生能源規模化利用和工業節能技術領域中選擇中高溫蓄熱技術作為基礎研究的工程背景，結閤《中高溫蓄熱技術及應用》閤著者及研究團隊多年從事太陽能熱利用、傳遞強化與節能技術研究的實踐整理而成。

內頁插圖

目錄

目錄
《21世紀新能源叢書》序
前言
主要符號錶
第1章 緒論 1
1.1 蓄熱技術概述 1
1.1.1 蓄熱方式 2
1.1.2 傳熱蓄熱材料 5
1.2 蓄熱性能的評價方法 13
1.2.1 蓄熱係統的蓄熱量 13
1.2.2 蓄熱係統的熵産 14
1.2.3 基於斜溫層厚度定義的蓄熱效率 15
1.2.4 斜溫層穩定性判據 15
參考文獻 21
第2章 熔融鹽顯熱蓄熱過程傳熱特性 25
2.1 基本原理 25
2.2 熔融鹽球形填充床顯熱蓄熱過程數值分析 27
2.2.1 蓄熱模型 27
2.2.2 蓄熱材料密度的影響 29
2.2.3 蓄熱材料導熱係數的影響 31
2.2.4 空隙率對蓄熱性能的影響 34
2.2.5 顆粒直徑對蓄熱性能的影響 37
2.2.6 熔鹽密度對蓄熱性能的影響 39
2.2.7 熔鹽進口流速對蓄熱性能的影響 42
2.2.8 熔鹽進口溫度對蓄熱性能的影響 45
2.3 熔融鹽球形填充床顯熱蓄熱過程實驗分析 47
2.3.1 實驗裝置 47
2.3.2 蓄熱罐預熱溫度 49
2.3.3 熔鹽的溫度分布 50
參考文獻 52
第3章 熔融鹽相變蓄熱過程流動與傳遞規律 54
3.1 基本原理 54
3.2 相變蓄熱傳熱分析 58
3.2.1 精確解分析 59
3.2.2 數值求解分析 61
3.2.3 相變蓄熱過程傳熱強化理論與途徑 63
3.3 熔融鹽球形填充床潛熱蓄熱過程數值模擬 64
3.3.1 蓄熱模型 64
3.3.2 相變蓄熱罐的蓄熱性能 68
3.3.3 初始溫度對蓄熱性能的影響 69
3.3.4 導熱油進口溫度對蓄熱性能的影響 71
3.3.5 導熱油進口流速的影響 73
3.3.6 不同導熱油比熱的影響 75
3.3.7 相變球顆粒直徑的影響 77
3.3.8 熔融鹽相變材料潛熱的影響 78
3.4 熔融鹽球形填充床相變蓄熱實驗研究 80
3.4.1 熔鹽球型填充床相變蓄熱罐 80
3.4.2 相變蓄熱罐預熱溫度 81
3.4.3 熔鹽的進口溫度 81
3.4.4 相變溫度的影響 81
3.4.5 熔鹽濕度變化 82
3.4.6 球內相變材料自然冷卻降溫 83
參考文獻 84
第4章 熔融鹽高溫斜溫層混閤蓄熱的熱過程特性 88
4.1 熔融鹽高溫斜溫層混閤蓄熱方法 88
4.1.1 係統組成 88
4.1.2 工作原理 90
4.2 熔融鹽單相流體斜溫層蓄熱的數值模擬 92
4.2.1 計算模型 92
4.2.2 控製方程 95
4.2.3 數值計算方法 95
4.2.4 瞬態傳熱與流動特性 96
4.2.5 斜溫層厚度隨熔融鹽流體進口速度的變化 99
4.2.6 斜溫層厚度隨長徑比的變化 99
4.3 多孔介質中熔融鹽流體斜溫層蓄熱的熱特性 100
4.3.1 局部熱平衡模型與局部非熱平衡模型的適用性 100
4.3.2 多孔介質局部熱平衡模型 101
4.3.3 多孔介質特性參數對傳熱與流動性能的影響 103
4.3.4 瞬態傳熱與流動特性 108
4.3.5 操作參數對熔融鹽高溫斜溫層蓄熱性能的影響 109
4.4 基於局部非熱平衡的熔融鹽斜溫層蓄熱的數值模擬 113
4.4.1 計算模型 113
4.4.2 數值計算方法 114
4.4.3 局部非熱平衡模型的模擬結果 114
4.5 高溫熔融鹽殼管式相變換熱器的傳熱特性 118
4.5.1 研究裝置 118
4.5.2 數值模型 119
4.5.3 數值計算方法 119
4.5.4 自然對流對液相率分布的影響 120
4.5.5 液相率隨熔化時間的變化 120
4.5.6 管內流體的流動方嚮對液相率的影響 122
4.5.7 殼管式相變換熱器完全熔化的判據 122
4.6 高溫熔融鹽蓄熱器的實驗測試 123
4.6.1 蓄熱單罐實驗件的結構設計 123
4.6.2 實驗研究內容與方法 126
4.6.3 熔融鹽單相流體斜溫層蓄熱單罐的蓄熱特性 127
4.6.4 多孔介質中熔融鹽流體斜溫層蓄熱單罐的蓄熱特性 129
4.6.5 熔融鹽殼管式相變換熱器的蓄熱特性 131
參考文獻 134
第5章 甲烷重整熱化學儲能過程特性 137
5.1 熱化學儲能技術 137
5.1.1 熱化學儲能體係 137
5.1.2 常見熱化學反應儲能體係 138
5.1.3 甲烷重整體係 140
5.2 二氧化碳甲烷重整反應熱力學分析 143
5.3 鉑-釕雙金屬催化劑製備及穩定性和積炭分析 145
5.3.1 二氧化碳甲烷重整催化劑 145
5.3.2 催化劑製備 147
5.3.3 催化劑性能評價 148
5.3.4 催化劑的性能和穩定性 149
5.3.5 催化劑穩定性的機理分析 153
5.3.6 錶麵積炭的理論分析 158
5.3.7 錶麵積炭實驗分析 160
5.4 管殼式催化重整反應器的數值模擬 165
5.4.1 催化重整反應的數值模擬 165
5.4.2 數理模型及數值方法 166
5.4.3 化學動力學模型 169
5.4.4 動力學結果與討論 170
5.4.5 模型驗證 172
5.4.6 反應器結構對C02/CH4催化重整反應的影響 176
5.4.7 重整反應條件對C02/CH4催化重整反應的影響 178
5.5 管內有序堆積填充床重整反應的數值模擬 183
5.5.1 數理模型及數值方法 184
5.5.2 模型驗證 187
5.5.3 模擬結果與討論 190
參考文獻 197
第6章 蓄熱係統設計與控製 203
6.1 熔融鹽蓄熱係統設計 203
6.1.1 蓄熱係統構成 203
6.1.2 熔鹽流體傳遞迴路與吸熱器、蓄熱容器之問的連接 205
6.1.3 傳熱蓄熱迴路的加熱和保溫 205
6.1.4 熔鹽長軸泵 219
6.1.5 故障工況的研究與預防 221
6.2 蓄熱係統測試與控製 223
6.2.1 測試與控製環節 224
6.2.2 溫度測試 226
6.2.3 壓力測試 244
6.2.4 流量測量 254
6.2.5 液位測量 262
6.2.6 流量控製（高溫閥門） 270
6.2.7 蓄熱係統的自動控製 281
6.2.8 測試和控製案例 285
參考文獻 287
第7章 中高溫蓄熱技術的應用 289
7.1 可再生能源領域 289
7.1.1 高溫顯熱蓄熱係統 292
7.1.2 高溫相變應用 304
7.2 工業過程的餘熱利用 306
7.2.1 蓄熱式換熱器 306
7.2.2 熔融鹽蓄熱應用 307
7.3 新型蓄熱技術及發展趨勢 309
7.3.1 新型中高溫蓄熱技術 309
7.3.2 中高溫蓄熱發展趨勢 318
參考文獻 320

精彩書摘

第1章緒論〖1〗
1��1蓄熱技術概述
規模化可再生能源是未來能源的發展重點，但由於其間歇性和不能穩定供應的缺陷，能源的供應和需求之間，往往存在數量上、形態上和空間上的差異，不能滿足工業化大規模連續供能的要求。為瞭剋服或彌補這種差異，常采取能量儲存和釋放的技術手段即為儲能技術。工業是我國最大的終端用能消費部門，占全國能源消費總量的比重一直維持在70%左右，工業能耗由2000年的9��5億噸標煤增加到2009年的21��9億噸標煤，占能源總消費量的比例由2000年的68��5%上升到2009年的71��5%；同時我國工業中的高能耗行業占比高，其能源消費量約占工業能源消費總量的80%，而主要高耗能工業産品能耗指標比國外同類産品的先進水平平均高齣約40%，這是我國能源利用效率比國際先進水平低約10個百分點的重要原因，因此工業節能對提高能源利用效率和保障能源安全具有重要的戰略意義。目前，我國煤炭、天然氣、冶金、化工、水泥等領域仍存在著大量的低品位或間歇性的餘壓餘熱未加以利用，工業餘熱資源總量達8億噸標煤，且大規模工業的整個工藝過程中餘熱平均迴收利用率遠低於國際先進水平，直接導緻工業能源利用效率偏低。在鋼鐵工業，按照我國高爐�擦陡知蒼�鋼的工業流程測算，生産過程能源利用率為27%，其餘73%的熱能錶現為生産過程的餘熱。我國鋼鐵工業各種餘熱的平均迴收利用率僅為25��8%，而國外先進水平高達50%以上，主要原因之一就是間歇式高品質餘熱沒有得到有效利用。因此必須積極開展能源的綜閤梯級利用，發展高效儲能技術，以提高能源利用效率［1��3］。
按照蓄存能量的形態不同，儲能技術常分為機械物理儲能、蓄熱（thermal energy storage，TES）、化學儲能與電磁儲能。以熱能形式提供的能量占瞭能源相當大的比例，從這種意義上說，能源的開發和利用就是熱能的利用，因此，蓄熱技術作為熱能利用中的一個重要環節，更受到廣泛關注。蓄熱技術是閤理有效利用現有能源、優化使用可再生能源和提高能源效率的重要技術，主要應用於以下三個方麵：①在能源的生産與消費之間提供時間延遲以及保障有效使用；②提供熱惰性與熱保護（包括溫度控製）；③保障能源供應安全。熱利用及蓄熱按照工作溫度，通常可以劃分為三個區段：①低溫：100℃以下，主要用於廢熱迴收、太陽能低溫熱利用以及供暖和空調係統；②中溫：100～250℃，一般為工業用熱；③高溫：250～1000℃，常用於高溫餘熱迴收利用、熱機、太陽能熱發電站、太陽能熱解製氫、磁流體發電以及人造衛星。自20世紀70年代石油危機後，蓄熱技術在可再生能源與新能源以及工業節能領域的應用日益受到重視。本書主要討論中高溫蓄熱技術及其應用。
蓄熱技術的性能和成本，取決於傳熱蓄熱介質材料性能以及蓄/放熱過程設計和控製兩方麵，其主要發展思路是開發高蓄熱密度、高使用溫度、高蓄/放熱速率、低成本、環境友好的蓄熱介質材料，發展過程可控的蓄熱方式，研究高性能工質的傳輸及蓄熱機理。根據熱能儲存方式不同，中高溫蓄熱技術可分為顯熱蓄熱、潛熱（相變）蓄熱和化學反應蓄熱三種方式。
1��1��1蓄熱方式〖*2〗
1�� 顯熱蓄熱
顯熱蓄熱是利用蓄熱材料的熱容量，通過溫度升高或降低而實現熱量的儲存或釋放過程，這種蓄熱方式由於原理簡單、技術成熟、材料來源豐富、成本低廉而廣泛應用於太陽能熱發電等高溫蓄熱場閤。根據蓄熱介質的不同，顯熱蓄熱又可分為液體顯熱蓄熱、固體顯熱蓄熱、液�補塘�閤顯熱蓄熱（斜溫層蓄熱）三種，常用的蓄熱介質有砂�彩��部笪鎘汀⒒炷�土、導熱油、液態金屬和熔融鹽等。其中由於液體可以方便地傳輸熱量，液體顯熱蓄熱方式在中高溫熱利用中應用最為普遍，蓄熱裝置通常采用雙罐布置形式。上述的液體工質中除導熱油和熔融鹽外，均隻能作為蓄熱介質而不能作為傳熱介質直接從吸熱器吸收熱量，因此應用時均必須采用雙工質蓄熱，即蓄熱工質和傳熱工質分彆采用不同的介質，這就存在換熱環節多、效率低等缺陷。而采用單工質蓄熱，即同一種工質承擔傳熱和蓄熱的雙重作用，則可解決上述的問題，熔融鹽就是一種非常好的選擇，熔融鹽蓄熱在Solar Two太陽能熱發電站中的成功應用已充分顯示其優勢［4］。最近研究又發現一種新的蓄熱介質——離子性液體，這是一種低熔點的鹽，可在400℃以下作為傳熱蓄熱介質，具有很好的應用前景，但目前成本較高，尚未有實際應用［5］。
固體顯熱蓄熱方式通常采用單位體積比熱容高、成本低與耐高溫的固體材料（例如混凝土、鑄造陶瓷等）作為蓄熱介質，采用空氣、水/水蒸氣、閤成油或熔融鹽等作為傳熱介質。影響固體蓄熱能力的主要參數是體積蓄熱密度，體積蓄熱密度越大，所使用的蓄熱裝置的體積就越小，相應的初期投資成本就越少，另外還要求固體蓄熱材料具有較高的導熱率、價格便宜等特點。Laing等［6］采用混凝土對太陽能熱進行儲存，設計溫度為400℃，傳熱介質為導熱油，蓄/放熱時間均為6h，蓄熱模塊由管道係統與蓄熱混凝土組成，蓄熱能力為0��66kWh·m-3·K-1，蓄熱效率為67%。經過多次的蓄/放熱循環，證實瞭混凝土蓄熱技術在顯熱蓄熱方麵的可行性。混凝土蓄熱材料的主要缺點是熱導率低，硃教群等［7］以鋁酸鹽水泥作為膠凝劑，選用玄武岩及工業廢渣銅礦渣等熱容大的材料作為集料，同時摻入高導熱係數的石墨，並選用性能優異的復閤高效減水劑，製備齣新型高溫混凝土蓄熱材料，其熱導率可達2��3W·m-1·K-1，相比於Laing製備的蓄熱混凝土材料提高瞭一倍多，正常使用溫度不低於550℃，體積熱容大於120kWh·m-3，可以滿足太陽能熱發電應用要求。
熱流體與冷流體之間由於密度的不同，會産生自然熱力分層現象，因此利用這一特性可以在蓄熱時從蓄熱容器上部的熱流體取熱，放熱時則相反。為瞭避免冷熱流體的混閤，可以采用分層設備或填料來確保進入蓄熱係統中的流體維持溫度梯度分層，即液�補塘�閤顯熱蓄熱（斜溫層蓄熱）方式，從而綜閤利用瞭液體良好的熱傳輸性能與固體蓄熱的低成本優點，通常采用單罐布置，本書針對該種蓄熱方式進行瞭重點介紹。
2�� 潛熱蓄熱
潛熱蓄熱是利用物質在相變過程中需要吸收或放齣相變潛熱的原理進行蓄熱，所以又稱為相變蓄熱，具有儲能密度高、放熱過程溫度波動範圍小等優點。相變過程主要有固�慘骸⒐酞補獺⒐酞財�和液�財�相變4種類型，其中常被利用的是固�慘骸⒐酞補滔啾淞街幀＞」芄酞財�和液�財�相變可以儲存較多熱量，但由於相變過程體積變化過大，一般不用於蓄熱。固�慘閤啾涫峭ü�相變材料的熔化過程進行蓄熱，通過相變材料的凝固過程來放齣熱量；而固�補滔啾湓蚴峭ü�相變材料的晶體結構發生改變或者固體結構進行有序�參扌虻淖�變而可逆地進行蓄/放熱。根據相變溫度高低，潛熱蓄熱可分為低溫和高溫兩大類。低溫潛熱蓄熱主要用於廢熱迴收、太陽能儲存以及供暖和空調係統；高溫潛熱蓄熱可用於熱機、太陽能熱發電站、磁流體發電以及人造衛星等方麵，高溫相變材料主要采用高溫熔融鹽類、混閤鹽類、金屬及閤金等。
1988年，在美國太陽能研究所（SERI）的倡議下，美國、德國等國傢開始研究應用於太陽能熱發電站的高溫潛熱蓄熱技術。Dinter等在報告中指齣，采用相變材料作為高溫蓄熱介質，具有較大的體積比熱容和最低的成本。Hunold設計瞭一種直立式的管殼式換熱器，采用NaNO3作為蓄熱材料，證實瞭潛熱蓄熱在技術上是可行的，不過他的實驗研究隻限於一種換熱器和蓄熱材料［8］。Michels［9］則設計瞭三種不同的換熱器，並將其串聯使用，同時采用KNO3、KNO3/KCl和NaNO3作為相變蓄熱材料，證實瞭采用串聯結構可以獲得較高的熱利用係數。國內太陽能高溫潛熱蓄熱技術的研究主要集中在空間站熱動力發電係統中高溫吸熱/蓄熱器上，崔海亭、袁修乾等［10］采用80��5LiF��19��5CaF2（摩爾比）共晶鹽作為空間站熱動力發電係統蓄熱器的相變材料，在數值模擬和實驗研究方麵對其相變傳熱過程進行瞭大量的工作。張仁元等［11］將NaNO2�睳aNO3、Na2SO4、Na�睟aCO3等無機鹽嵌入多孔陶瓷體內的微米級多孔網絡中，製備齣新型顯熱和潛熱復閤儲能材料。這種材料具有蓄熱量大的特點，相變潛熱可達92��67kJ·kg-1，100℃換熱溫差條件下的蓄熱密度為240kJ·kg-1；並且可以製成各種形狀的元件，以填充床形式堆積構成蓄熱係統，在運行中同時利用無機鹽的潛熱和復閤材料的顯熱儲存熱能。這種潛熱/顯熱復閤係統既保持著潛熱儲能密度大且能量輸齣穩定以及顯熱儲能介質可與換熱流體直接接觸換熱的優點，又剋服瞭潛熱儲能係統需要耗費大量金屬容器、管材以及存在熔融鹽腐蝕的缺點，可用於工業爐的蓄熱器、煉鐵熱風爐以及聚焦式太陽能熱發電的蓄熱子係統。
盡管潛熱蓄熱具有儲能密度高、蓄熱體積相對小等諸多優點，但在實際應用中還存在著很多問題，譬如相變材料（PCMs）的熱導率低、持續循環後的密度變化、相變分離問題及穩定性下降等。增強相變換熱蓄熱過程的方法主要有以下幾種：①采用不同形狀的翅片管增強導熱；②在PCMs 中加入金屬基；③添加高導熱率的顆粒；④PCMs 微膠囊封裝。
3�� 化學反應蓄熱
在化學工程中，存在這樣一類吸熱和放熱的可逆化學反應，可錶示為

AB+QA+B（1��1）

式中，AB為化閤物；Q為促使化閤物AB分解為A和B所需外加的熱量，稱為反應熱。該化學反應是可逆的，當A和B化閤成AB時，釋放齣相同數值的熱量Q。這就為人們提供瞭一種新的熱儲存方法，利用可逆的吸熱和放熱化學反應儲存熱量，稱為化學反應蓄熱。其基本原理是：利用熱化學可逆反應，將太陽熱能、地熱、暫時不用的高溫熱能、餘熱或廢熱等轉換成化學能，並儲存於反應介質中；需要使用時，再通過逆嚮熱化學反應方法將化學能逆轉成熱並釋放齣來。化學反應蓄熱是通過“熱能—化學能—熱能”這一能量轉換利用概念，來解決因時間或空間上供熱與用熱不匹配和不均勻性所導緻的能源利用率低的問題，可最大限度地利用加熱過程中的熱能或餘熱，提高整個係統的熱效率。化學反應蓄熱是一種具有發展前途的高溫儲能方式，其蓄熱密度高，反應溫度及速率在熱能儲存（釋放）過程中均可控製。同時，通過催化劑或將産物分離等方式，在常溫下可以長期貯存分解物，從而減少抗腐蝕性及保溫方麵的投資，易於長距離運輸，特彆是對液體或氣體，甚至可采用管道輸送［12］。

美國太陽能研究中心（SERI）指齣，化學反應蓄熱是一種非常有潛力的高溫蓄熱方式，而且成本有可能降到相對較低的水平。在美國能源部的支持下，美國太平洋西北國傢實驗室（PNNL）開始瞭這方麵的研究，利用氫氧化鈣分解成氧化鈣和水的逆反應來儲存太陽能。Brown等［13］在報告中指齣，化學反應蓄熱方式在理論上可以滿足太陽能熱發電的要求。不過，他們的研究隻是基於理論分析和基礎實驗研究，對於能否滿足太陽能熱發電蓄熱係統的動力要求，以及如何與發電係統結閤的問題尚未解決。澳大利亞國立大學（ANU）［14］提齣瞭由太陽能驅動的基於閉環的氨基熱化學儲能係統，並建立瞭一套1kW（可放大到15kW）的太陽能發電實驗係統，在熱反應器中氨吸收太陽能分解成氫氣與氮氣，太陽能轉化為化學能，通過氫氮閤成再釋放齣熱量用於發電。目前化學反應蓄熱係統還存在約束條件苛刻、價格偏貴的缺點，應用技術和工藝都非常復雜，存在著許多不確定性，大多停留在實驗研究階段。為瞭有效地利用化學反應蓄熱，就必須考慮熱量損失及熱力學不可逆度等因素的影響，加強化學反應蓄熱係統的化學反應動力學、傳熱傳質速率、反應器的壓力和溫度梯度設計等方麵的研究，以提高整體轉化效率。
4�� 常見蓄熱方式

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