模块化热化学储热系统及控制方法与流程

本发明涉及化学储热，具体而言，涉及一种模块化热化学储热系统及控制方法。

背景技术：

1、现有的热化学储热系统主要有开式系统和闭式系统两种，开式系统，密封性差，环境空气会进入储热仓内部并和内部材料进行化学反应(如o2会氧化内部材料，ca(oh)2/cao体系中，co2会和cao反应生产杂质caco3)，这不利于储热系统的循环稳定性。同时，空气组分中惰性及不凝性气体占据体系分压，增加管道沿程及储热介质孔隙内传质阻力，严重削弱热化学反应速率。

2、目前针对于放热反应的反应物含有水的闭式热化学储热系统，在放热工况，一般需要专门采用蒸汽发生器，即在放热工况还需要外界输入能量，才能维持热化学放热反应的持续进行。而且，当前闭式储热系统往往部件多且多种部件为分体结构、集成度低且操控维护流程复杂，尤其储热仓的替换很不方便。

技术实现思路

1、本发明提供了一种模块化热化学储热系统及控制方法，以至少解决现有技术中的闭式热化学储热系统封存及更换不便，低品位热能利用率低及循环稳定性易受破坏问题。

2、为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种模块化热化学储热系统，包括：储热仓，储热仓内填充有储热介质，作为热化学反应区；集水仓，集水仓内存储有液态水，作为蒸发冷凝区；管路组件，管路组件能够将储热仓和集水仓连接为一体结构，或将储热仓和集水仓断开为分体结构，且管路组件可与真空泵连接，并按需实现模块化热化学储热系统的真空压力条件密封与调控；模块化热化学储热系统具有储热工况和放热工况，在储热工况下，储热仓内的水合态储热介质吸热发生分解反应，分解反应析出的水蒸气进入集水仓冷凝存储；在放热工况下，集水仓内的水吸热成为水蒸气，水蒸气进入储热仓内与脱水态储热介质发生水合反应放热。

3、进一步地，管路组件包括调节阀门，调节阀门可开闭以将储热仓和集水仓连通或断开，且调节阀门的开度可调，以调节管路组件输送的水蒸气的流量。

4、进一步地，调节阀门包括第一阀门和第二阀门，管路组件还包括第一接管、第二接管、三通接管、第一接头、第二接头、第三接头和第三阀门；其中，第一接管的一端和储热仓连接，第一阀门用于通断第一接管及调节第一接管的流量，第二接管的一端和集水仓连接，第二阀门用于通断第二接管及调节第二接管的流量，第一接头用于将第一接管和三通接管的第一端连接或分离，第二接头用于将第二接管和三通接管的第二端连接或分离，第三阀门用于通断三通接管的第三端，第三接头用于将三通接管的第三端与真空泵连接或分离。

5、进一步地，储热仓的外壳通过外部环境传热对储热仓进行加热或冷却，或，储热仓内部设置有第一盘管，第一盘管内输入的流体对储热仓进行加热或冷却；水仓的外壳通过外部环境传热对集水仓进行加热或冷却，或，集水仓内部设置有第二盘管，第二盘管内输入的流体对集水仓进行加热或冷却。

6、进一步地，储热仓和集水仓内设置有可运行或停止的循环管路，储热仓放热产生的一部分热量将循环管路内的流体加热，加热后的流体输送至集水仓对集水仓进行加热，储热仓放热产生的另一部分热量加热外部受热器件。

7、进一步地，循环管路包括第一盘管、第二盘管、循环泵和控制阀门，第一盘管设置在储热仓内，第二盘管设置在集水仓内并和第一盘管连通，循环泵用于驱动循环管路内的流体流动，控制阀门用于通断循环管路。

8、进一步地，集水仓内具有两个相邻的独立腔体，两个独立腔体内分别存储有液态水和相变材料；其中，在储热工况下，进入集水仓的水蒸气加热相变材料并使其融化；在放热工况下，对相变材料进行促进成核结晶操控使其凝固并释放热量，相变材料释放的热量加热液态水以持续产生水蒸气。

9、进一步地，集水仓内设置有换热结构，换热结构穿入两个独立腔体内，以加强液态水或水蒸气与相变材料的换热。

10、进一步地，模块化热化学储热系统包括多个储热仓，多个储热仓中的任意一个可替换地通过管路组件与集水仓连接或断开；或，模块化热化学集水系统包括多个集水仓，多个集水仓中的任意一个可替换地通过管路组件与储热仓连接或断开。

11、根据本发明的另一方面，提供了一种控制方法，控制方法用于上述的模块化热化学储热系统，控制方法包括：在储热工况下，控制管路组件的阀门开启，对储热仓内的水合态储热介质加热，使其发生分解反应；对集水仓进行冷却，使分解反应产生的水蒸气进入集水仓内冷凝成液态水；在放热工况下，控制管路组件的阀门开启，对集水仓进行加热，加热产生的水蒸气进入储热仓内，水蒸气和储热仓内的脱水态储热介质进行水合反应并释放热量，释放的热量用于生活或工业需求；其中，通过控制对集水仓的加热速率或控制管路组件的阀门开度，调整储热仓内的放热速率；在非储热及放热工况下，控制管路组件的阀门关闭，以使集水仓内的水和储热仓内的储热介质隔断，从而实现长期存放。

12、进一步地，控制方法还包括：在非储热及放热工况下，将真空泵与管路组件连接，对模块化热化学储热系统内与真空泵连通的腔体抽真空，抽真空后的腔体内的压力小于1kpa；在储热工况或放热工况起始准备阶段，将真空泵与管路组件连接，对模块化热化学储热系统内与真空泵连通的腔体抽真空，抽真空后的腔体内的压力小于1kpa；在不需要抽真空的情况下，将真空泵与管路组件分离，或将管路组件中与真空泵对应的阀门关闭；其中，对于一体结构封存的模块化热化学储热系统，仅需进行一次抽真空操作，或者，在模块化热化学储热系统的性能衰减为小于设定标准时进行抽真空操作，以恢复模块化热化学储热系统的性能。

13、进一步地，控制方法还包括：在需要时，通过管路组件将分开的储热仓和集水仓连接为一体结构，或通过管路组件将已经连接的储热仓和集水仓断开为分体结构；或，储热仓为多个，通过管路组件将需要使用的储热仓与集水仓连接，并将不需要使用的储热仓与集水仓断开；或，集水仓为多个，通过管路组件将需要使用的集水仓与储热仓连接，并将不需要使用的集水仓与储热仓断开。

14、应用本发明的技术方案，提供了一种模块化热化学储热系统，包括储热仓、集水仓和管路组件，储热仓内填充有储热介质，作为热化学反应区；集水仓内存储有液态水，作为蒸发冷凝区；管路组件能够将储热仓和集水仓连接为一体结构，或将储热仓和集水仓断开为分体结构，且管路组件可与真空泵连接，并按需实现模块化热化学储热系统的真空压力条件密封与调控；模块化热化学储热系统具有储热工况和放热工况，在储热工况下，储热仓内的水合态储热介质吸热发生分解反应，分解反应析出的水蒸气进入集水仓冷凝存储；在放热工况下，集水仓内的水吸热成为水蒸气，水蒸气进入储热仓内与脱水态储热介质发生水合反应放热。采用本方案，通过管路组件可将储热仓和集水仓连接为一体结构，从而进行热化学反应吸热或放热，并且可将其断开为分体结构，这样实现了模块化设计，可对储热仓或集水仓进行单独存储或更换，解决了热化学储热系统封存及更换不方便的问题，提高了操作和应用场景的灵活性、保证了长期存储的可靠性；并且，通过真空泵可实现储热仓和集水仓内的真空环境，调控真空度，这样在环境温度下即可启动水合放热过程所需水蒸气，大大增加了应用环境低品位热能的潜力，由于系统内部为真空环境，可驱离氧气、二氧化碳及惰性、不凝性气体，可避免储热介质被氧化、碳化，可降低传质阻力，并增加水蒸发、冷凝动力，水蒸气可以更快速也更充分地扩散到整个储热仓内部，因此提高了反应速度和能量转换率；由于该系统与外界空气隔绝，储热介质可以长期保存，实现了长时间无损耗储热；此外，本方案通过上述结构的设置，无需专门设置蒸汽发生器，简化了系统的结构并且减少了对外部结构的依赖，不易受破坏，系统循环稳定性好，通过控制水蒸气压力，可以更灵活、主动地对热化学反应过程(如反应速率、反应温度等参数)进行实时调控。其中，储热介质可为氢氧化钙/氧化钙体系。