一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器

1.本发明涉及一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器，属于太阳能高温热利用，化学储能，工程热物理等领域。


背景技术：

2.太阳能是一种典型的清洁可持续能源，对太阳能的开发利用是解决化石燃料短缺问题的有效手段。然而，太阳能存在着密度低，时间、地域分布不匀，受天气等环境因素影响大的缺点，难以得到持续有效的利用。其中，云层的间歇性遮挡造成的太阳辐射剧烈波动，不仅会影响化学反应的稳定性和系统的转化效率，同时会导致反应器内部发生剧烈的温度变化，对反应器的结构造成不可逆的损伤。
3.相变材料在相变过程中会吸收或释放大量的潜热，而碳酸盐及其共晶混合物具有相变温度高，相变潜热大等特性，是理想的高温热缓冲材料。将相变蓄热作为热量传递的中介，从而在辐射剧烈波动的情况下大幅提高反应器内温度和产物纯度的稳定性，是解决辐射波动问题的有效手段。
4.高温热化学储能是一种高效的太阳能利用方式。通过高聚光比的太阳辐射在反应器内创造高温环境，推动煤炭、天然气、生物质等原材料化学能的改性和提质，将其转化为更高蓄热量，更易储存和运输的氢气、一氧化碳等基础化工原料。其中，甲烷的二氧化碳/水蒸气重整可以实现高效率的能量转存，不仅将进料热值提高22％-28％，同时降低了大量的温室气体排放，具有很强的应用价值。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服太阳能在利用过程中辐射波动剧烈以及反应器局部高温，换热效率低下的问题，通过优化相变材料和反应床的排布方式改变热量的传输路径，开发了一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器。
6.本发明通过以下技术方案实现：一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器，主要结构包括聚光cpc、石英窗口、工质入口、入口腔室、外侧蓄热区、外侧蓄热区封装壳体、内侧蓄热区、内侧蓄热区封装壳体、前侧反应床、后侧反应床、工质出口、导热棒、出口腔室、蓄热区底壳、反应器底壳、反应器外壳、支撑结构、螺栓螺母，其中：聚光结构通过螺栓螺母紧固于反应器外壳上，壳体两侧设置有两个工质入口，低温工质通过入口首先进入到入口腔室内，扫略过石英玻璃后进入前侧反应床；前侧多孔介质反应床采用3-5mm的大孔径设计；后侧多孔介质反应床采用1-3mm的小孔径设计；外侧蓄热区通过外侧蓄热区封装壳体固定于反应器外壳上；内侧蓄热区通过内侧蓄热区封装壳体固定于蓄热区底壳上，前段伸入反应床高温区域内，尖端距离入口表面2-3cm；内侧蓄热区中间插有一根直径为2-3cm的导热棒；后侧多孔介质反应床包覆于内侧蓄热区外围；蓄热区底壳通过四个支撑结构与反应器底壳相连接，反应后的气体汇集到出口腔体内并流出反应器。
7.所述石英窗口表面贴有光线截止膜，以透过高聚光比太阳辐射的同时降低多孔介
质入口的辐射散热损失。
8.低温工质先流入到入口腔室内，通过壳体上的环状凸起结构改变流向吹扫石英玻璃，以降低其温度，同时使得入口腔室内的压力更加均匀。
9.所述多孔介质反应区的基体选取导热系数较大的碳化硅泡沫，并在表面包覆钙钛矿或其他催化剂。前侧多孔介质反应床采用大孔径大孔隙率设计，以减轻辐射积聚，并使得部分辐射热能直接被内侧相变蓄热区吸收。后侧多孔介质反应床采用小孔径小孔隙率设计，从而减小后侧区域的径向导热热阻。
10.所述相变蓄热区由相变材料和多孔介质组成，相变材料选取碳酸盐单质或多种碳酸盐混合物，多孔介质选取大孔隙率的碳化硅泡沫，以改善相变材料的导热性能。
11.所述导热棒选取高导热系数的碳化硅或高熔点金属，以将前端的高品位热能迅速导入相变材料内部，从而进一步减轻热量的积聚。
12.所述蓄热区底壳通过四个支撑结构与反应器底壳相连接，一方面起到固定内侧相变蓄热区的作用，另一方面留出足够的截面积作为工质出口。
13.所述相变蓄热区及反应器封装壳体选取耐高温不锈钢材料，反应器封装壳体外部包裹保温材料。
14.本发明的有益效果在于：
15.(1)将相变蓄热区分为外侧蓄热区和内侧蓄热区两部分，从而将相变材料放热过程中的低温区和高温区分离开，提高了内侧蓄热区的温度保持能力以及温度场和流场的适配程度。
16.(2)前侧多孔介质反应床大孔径大孔隙率的设计一方面保留了容积式反应器高温高效的特性，同时降低了辐射积聚，减小了入口处的辐射热损失以及催化剂热失效，反应物烧结的可能性。
17.(3)内部相变蓄热区前端伸入到前侧多孔介质反应床高温区域内，在辐射存在时迅速吸收多余热量，从而大幅提高相变蓄热区的蓄热速度和蓄热能力。
18.(4)内部相变蓄热区中插入一根导热棒，并与蓄热区壳体紧密接触，从而及时将表面的高品位热能传导至蓄热区内部，提高蓄热速度的同时防止热量积聚造成的局部高温。
19.(5)将后侧多孔介质反应床包覆于内部相变储热区的外侧，在大幅降低多孔介质反应床厚度的同时增大反应床和蓄热区的接触面积，降低放热过程中反应器后侧的径向温度梯度。
20.(6)后侧多孔介质反应床小孔径小孔隙率的设计强化了多孔介质内部的导热，降低了辐射消失后反应器后侧的温度梯度以及放热过程中的不可逆损失。
附图说明
21.图1为本发明整体结构的主视图；
22.图2为右视及图1中b-b截面断开的剖视图；
23.图3为图1中沿a-a线的剖视图；
24.图4为传统同心双管式结构的剖视图；
25.图5为本发明和图4反应器在实际太阳辐射波动条件下的甲烷转化率对比图；
26.其中：1-聚光cpc、2-石英窗口、3-工质入口、4-入口腔室、5-外侧蓄热区、6-外侧蓄
热区封装壳体、7-内侧蓄热区、8-内侧蓄热区封装壳体、9-前侧反应床、10-后侧反应床、11-工质出口、12-导热棒、13-出口腔室、14-蓄热区底壳、15-反应器底壳、16-反应器外壳、17-支撑结构、18-螺栓螺母；
具体实施方式
27.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
28.参照图1至图3，本发明提供了一种优化能量分配策略的被动热管理式太阳能高温反应器的实施例，反应器的主要结构包括聚光cpc 1、石英窗口2、工质入口3、入口腔室4、外侧蓄热区5、外侧蓄热区封装壳体6、内侧蓄热区7、内侧蓄热区封装壳体8、前侧反应床9、后侧反应床10、工质出口11、导热棒12、出口腔室13、蓄热区底壳14、反应器底壳15、反应器外壳16、支撑结构17、螺栓螺母18。
29.相变蓄热区由相变材料和多孔泡沫结构组成，相变材料采用熔点为1131k的碳酸钠粉末，多孔泡沫结构采用孔隙率为0.9的碳化硅泡沫。
30.多孔介质反应床的基体选取碳化硅泡沫，前侧多孔介质反应床孔隙率为0.9，孔径为4mm，后侧多孔介质反应床孔隙率为0.7，孔径为2mm，催化剂选用ni/α-al2o3。
31.导热棒12采用耐高温且导热系数大的实心碳化硅棒，其表面与内侧蓄热区封装壳体8和内侧相变蓄热区7紧密接触。
32.本发明的工作过程如下所示：
33.在太阳辐射出现的前期不通入反应气体，太阳辐射透过石英窗口进入多孔介质反应床，将反应器预热到一定温度后，开始通入气体进行反应。
34.在无云层遮挡辐射稳定的天气条件下，调节入口工质的质量流量随着一天内辐射强度的变化而变化，从而在维持反应器高转化率水平的同时尽可能提高产量。
35.在有云层遮挡辐射波动的天气条件下，适当降低入口工质的质量流量，从而提高反应器的平均温度，使相变材料完全熔化。辐射透过石英窗口进入多孔介质后，一部分直接用于加热反应流体，另一部分被导入相变材料储存起来，辐射突然消失后，蓄热区放热以维持反应的稳定进行，外侧蓄热区释放热量主要用于提高入口区域反应流体的温度，内侧相变蓄热区为反应的进行提供更多高品位热量，从而保证稳定的甲烷高转化率。
36.设置对照组为传统的同心双管式相变耦合反应器，如图5所示，内管中填充包覆ni/α-al2o3催化剂的碳化硅多孔泡沫，环状蓄热区由碳酸钠相变材料和碳化硅多孔泡沫结构组成。
37.通过商用软件进行模拟计算，在图5所示的实际辐射波动和相同质量流量下，本发明反应器的甲烷转化率比较稳定，最低仍达到97.7％，而传统双管式反应器的波动性很大，最低至77.4％。此外，本发明反应器运行过程中的体积最高温度比传统双管式反应器降低了125k。