專利名稱：太陽能高溫熱化學耦合相變反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能熱化學耦合相變反應器，屬于太陽能中、高溫熱利用、化工過程機械、工程熱物理和化學工程等交叉學科領域。
背景技術：
太陽能取之不盡、用之不竭，其高效開發(fā)利用是實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的主要途徑之一。太陽能的利用方式主要包括光伏發(fā)電、光催化、中低溫熱利用以及中高溫熱利用。太陽能高溫熱化學過程是利用太陽能聚光產生的高溫驅動熱化學反應循環(huán)，將太陽能和含能資源(煤、石油等化石能源，生物質和水等清潔、可再生資源)的化學能進行改性和提質，轉化為可大規(guī)模儲運的清潔化學能，以及一氧化碳和氫等基礎化工原料，同時實現(xiàn)太陽能的 存儲和含能資源的清潔利用。腔式反應器(也稱為吸熱器或集熱器)是太陽能高溫熱化學轉化過程的核心部件，直接決定著整個系統(tǒng)的效率和可靠性。根據聚光后的太陽光束是否直接照射在反應物上并被其吸收，可將反應器分為“直接輻射式”反應器和“間接輻射式”反應器。“直接輻射式”反應器(在塔式或碟式太陽能吸熱器中應用較為普遍)吸熱部分為多孔陶瓷或直接是反應物，具有結構簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，但是當太陽能聚光系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，光線在反應器的某些部分過度集中時，會產生“熱點”和局部高溫，導致反應物燒結，或破壞多孔陶瓷，影響反應進程及反應器壽命?！伴g接輻射式”反應器的集熱器和反應器兩者之間是分離的，通過輻射和氣體的傳導作用進行熱量傳遞，其兩次換熱降低了熱化學轉化過程的效率；同時，反應器內氣體的導熱性能不強，內部較大的溫度梯度降低了反應效率。熱管是一種高效傳熱元件，它通過在全封閉真空管內液體的蒸發(fā)與凝結的相變過程來傳遞熱量，具有極高導熱性能和優(yōu)良的等溫性。有報導將熱管概念用于太陽能中高溫集熱發(fā)電過程(塔式或碟式熱發(fā)電)，有利于縮小集熱器表面的溫度梯度，降低對太陽能聚光器的精度要求。另一方面，提出了結合熱管原理和板式換熱器優(yōu)點的所謂“熱板”(也稱為平板熱管)，熱板內部傳熱原理和熱管類似，優(yōu)點是將換熱區(qū)域由“點”拓展至“面”，將有利于縮小換熱區(qū)域的溫度梯度，降低熱阻，大大提高傳熱效率。熱板在高能量密度的電子元件相關領域率先得到了應用，但是在太陽能中高溫吸熱或反應領域尚未見報導。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述太陽能熱化學反應器的缺陷，將熱板和熱管相變傳熱以及均溫性的特性集成到太陽能熱化學反應器中，開發(fā)一種吸熱側是高溫熱板吸熱器、反應側是異型熱管式反應器，集吸熱、傳熱和反應功能于一體的太陽能高溫熱化學耦合相變反應器。本發(fā)明的技術方案是一種太陽能高溫熱化學I禹合相變反應器，由CPC 二次聚光器I、石英玻璃窗2、熱板6、熱管7和筒體9組成；反應器筒體9由內而外有內壁12、保溫層13、外壁14三層；石英玻璃窗2太陽輻照側前置CPC聚光器1，另一側與熱板6的一側、筒體9的內壁12構成吸熱腔3，位于該吸熱腔3上的筒體側面設有成軸對稱的冷卻介質入口 4和冷卻介質出口 5 ;熱板6的另一側焊有熱管7，且熱板6內部的工作腔和熱管7內部的工作腔相聯(lián)通為一個整體，耦合為一個“異型熱管”，工作腔內填充有工質和吸液芯；熱板6的另一側、熱管7和筒體9內壁12構成反應腔8，反應腔8上的筒體底部設有反應物進口
10、筒體側面設有反應產物出口 11。所述的太陽能高溫熱化學 耦合相變反應器吸熱側是高溫熱板吸熱器一熱板6，反應側是異型熱管式反應器，耦合的熱板-熱管集吸熱器與反應器的功能于一體。優(yōu)選所述的吸熱腔3軸向筒體高度占整個反應器軸向筒體高度的比例為不小于1/30且不大于1/2。所述的熱板6外形為圓柱體、球體、橢球體、長方體或三棱柱。優(yōu)選所述的熱板6軸向高度占熱管7軸向高度的比例為不小于1/25且不大于I。所述熱管7橫截面形狀為圓形、橢圓形、長方形或三角形，且熱管7在熱板6反應側上的排布方式為正多邊形或圓形。優(yōu)選所述工質為甲苯、水、萘、導熱姆(聯(lián)苯及二苯醚)、汞、鋰、鈉、鉀、銫和銀中的至少一種；工作溫度范圍為250 2300°C。優(yōu)選所述熱板6和熱管I的吸液芯為絲網吸液芯、溝槽吸液芯、金屬粉末燒結吸液芯和金屬纖維租吸液芯中的至少一種。在熱板6吸熱側表面可涂敷金屬陶瓷選擇性吸收涂層、半導體選擇性吸收涂層、多層光干涉選擇性吸收涂層或多層漸變膜選擇性吸收涂層，提高吸熱器表面的吸熱效率。在構成反應腔8的所有壁面上可涂敷耐熱合金涂層、硅化物涂層、碳/碳復合材料高溫抗氧化涂層或金屬基陶瓷涂層，抑制高溫下的氧化腐蝕和滲碳損傷，延長使用壽命，提高材料的耐腐蝕性能。所述反應腔8內的化學反應為金屬氧化物的熱解或還原(碳、煤或生物基還原劑)、甲烷裂解、金屬單質的水解反應和甲醇重整制氫等中、高溫熱化學反應(250 2300°C)。所述反應器的形式為釜式反應器或者管式反應器。所述的太陽能高溫熱化學耦合相變反應器的工作原理為太陽光束經反應器前置的CPC 二次聚光器I匯聚后透過石英玻璃窗2照射在熱板6吸熱側，光能轉換成熱能(其中石英玻璃窗2由通入吸熱腔3的冷卻介質冷卻)。熱能通過熱板6吸熱側傳遞給其工作腔內的工質，工質通過相變傳熱將熱量傳遞至熱板6反應側和熱管7的壁面并放熱；反應腔8中的反應物吸收壁面放出的熱量發(fā)生熱化學轉化反應。有益效果該反應器吸熱側采用熱板作為接收器，其高效相變傳熱過程，降低了集熱側溫度梯度，避免了接收器表面局部過熱導致的燒結或損壞，保證了反應器的穩(wěn)定性。通過相變集熱和相變傳熱進行耦合，縮短了集熱和反應之間的熱量傳遞路徑，提高了反應器集熱效率。異型熱管反應器，提高了反應側傳熱性能，降低了反應側的溫度梯度，提高了高溫熱化學耦合相變反應器反應效率。采用熱板作為接收器，將反應腔與聚光系統(tǒng)分隔，保證了石英窗處于無腐蝕和常壓的環(huán)境中。
該反應器結構簡單，且無傳動機構，整個反應器的密封性良好。凡是利用熱板-熱管耦合進行吸熱、傳熱和反應的太陽能光熱轉換過程均落在本發(fā)明的保護范圍之內。


圖I一太陽能熱化學耦合相變反應器的結構示意圖；其中1 一CPC 二次聚光器；
2—石英玻璃窗；3—吸熱腔；4一冷卻介質入口 ；5—冷卻介質出口 ；6—熱板；7—熱管；8—反應腔；9—筒體；10—反應物進口 ； 11—反應產物出口 ； 12—內壁；13—保溫層；14一外壁。
圖2—是圖I中的I的局部放大示意圖；其中2a為圖I中I的主視圖，2b為圖2a的A-A向視圖。
具體實施例方式實施例I太陽能高溫熱化學耦合相變反應器(結構示意圖如圖I、圖2所示)，由CPC 二次聚光器I、石英玻璃窗2、熱板6、熱管7和筒體9組成；反應器筒體9由內而外有內壁12、保溫層13、外壁14三層；石英玻璃窗2 —側前置一用法蘭連接的CPC聚光器1，另一側與熱板6的吸熱側、筒體9的內壁12構成吸熱腔3，位于該吸熱腔3上的筒體側面設有成軸對稱的冷卻介質入口 4和冷卻介質出口 5 ;熱板6反應側焊有熱管7，且熱板6內部的工作腔和熱管7內部的工作腔相聯(lián)通為一個整體，耦合為一個“異型熱管”，熱板和熱管的材質為高溫耐熱不銹鋼2520，工作腔內填充有工質鈉，吸液芯為絲網溝槽復合吸液芯；熱板6的反應側、熱管7和筒體9的內壁12構成反應腔8，反應腔8上的筒體底部設有反應物進口 10、筒體側面設有反應產物出口 U。其中，吸熱腔3軸向筒體高度占整個反應器軸向筒體高度的比例為1/30 ;熱板6為圓柱體，且其吸熱側表面涂有金屬陶瓷太陽光譜選擇性吸收涂層；熱管7為圓柱體，有7根，其在熱板6反應側上的排布為三角形；熱板6軸向高度占熱管7軸向高度的比例為1/25 ;構成反應腔8的所有壁面上均涂有碳/碳復合材料高溫抗氧化涂層；反應腔8上的筒體高徑比為2 1，屬于釜式反應器。用于碳熱還原氧化鋅反應(反應溫度為1150°C)的太陽能熱化學熱板-熱管耦合相變反應器在工作時，太陽光束經反應器前置的CPC 二次聚光器I匯聚后透過石英玻璃窗2照射在熱板6吸熱側，光能轉換成熱能(其中石英玻璃窗2由通入吸熱腔3的冷卻介質氮氣冷卻)。熱能通過熱板6吸熱側傳遞給其工作腔里的工質液態(tài)金屬鈉，金屬鈉通過相變換熱將熱量傳遞至熱板6反應側和熱管7的壁面并放熱；通入反應腔8里的摩爾比為I : 0.9的氧化鋅粉和碳粉混合物吸收這些壁面放出的熱量發(fā)生化學反應。該反應器的熱化學轉化效率比傳統(tǒng)的太陽能熱化學反應器高13%。實施例2在實施例I的基礎上，石英玻璃窗2由通入吸熱腔3的冷卻介質氬氣冷卻；吸熱腔3軸向筒體高度占整個反應器軸向筒體高度的比例為1/20 ;熱板6和熱管7的材質為鎢，工作腔里的工質為銀，吸液芯為金屬粉末燒結吸液芯；熱板6的外形為球面；熱管7外形為圓柱體，有6根，在熱板7反應側上的排布為圓形分布；熱板6軸向高度占熱管7軸向高度的比例為l/io ;反應器里構成反應腔8的所有壁面上均涂有金屬基陶瓷涂層；反應腔8上的筒體部分的高徑比為3 1，化學反應為氧化鋅的直接熱解(反應溫度為2050°C);該反應器為釜式反應器。該反應器的熱化學轉化效率比傳統(tǒng)的太陽能熱化學反應器高21%。實施例3在實施例I的基礎上，石英玻璃窗2由通入吸熱腔3的冷卻介質氦氣冷卻；吸熱腔3軸向筒體高度占整個反應器軸向筒體高度的比例為不小于1/10 ;熱板6和熱管7的材質為銀，工作腔里的工質為鋰，吸液芯為溝槽吸液芯；熱板6外形為橢球形；熱管7外形為圓柱體，有4根，在熱板6反應側上的排布為正方形；熱板6軸向高度占熱管7軸向高度的比例為不小于1/3 ;反應器里構成反應腔8的所有壁面上均涂有硅化物涂層；反應腔8上的圓柱筒體部分的高徑比為80 1，里面參與的化學反應為甲烷的直接裂解(反應溫度為1600°C);該反應器為管式反應器。該反應器的熱化學轉化效率比傳統(tǒng)的太陽能熱化學反應器高18%以上。 實施例4在實施例I的基礎上，石英玻璃窗2由通入吸熱腔3的冷卻介質氮氣冷卻；吸熱腔3軸向筒體高度占整個反應器軸向筒體高度的比例為1/2 ;熱板6和熱管7的材質為不銹鋼309，工作腔里的工質為鈉鉀合金，吸液芯為金屬絲網吸液芯；熱板6的外形為長方形，且其吸熱側表面涂有半導體金屬光干涉太陽光譜選擇性吸收涂層；熱管7外形為三棱柱，有9根，在熱板6反應側上的排布為圓形；熱板6軸向高度占熱管7軸向高度的比例為I ;反應器里的反應腔8上的圓柱筒體部分的高徑比為100 1，里面參與的化學反應為金屬單質鋅的水解(反應溫度為500°C，壓力為常壓)，通入反應腔8里的鋅與水摩爾比為0.8 I;該反應器為管式反應器。該反應器的熱化學轉化效率比傳統(tǒng)的太陽能熱化學反應器高13%以上。實施例5在實施例I的基礎上，石英玻璃窗2由通入吸熱腔3的冷卻介質氦氣冷卻；吸熱腔3軸向筒體高度占整個反應器軸向筒體高度的比例為1/5 ;熱板6和熱管7的材質為不銹鋼304,工作腔里的工質為導熱姆(聯(lián)苯及二苯醚的混合物)，吸液芯為金屬纖維租；熱板6的外形為三棱柱，且其反應側涂有多層漸變膜；熱管7外形為三棱柱，有11根，在熱板6反應側上的排布為圓形；熱板6軸向高度占熱管7軸向高度的比例為1/2 ;反應器里構成反應腔8的所有壁面上均涂有耐熱合金涂層；反應腔8上的圓柱筒體部分的高徑比為150 1，里面參與的化學反應為甲醇與水的重整制氫(反應溫度為300°C)，通入反應腔8里的甲醇與水摩爾比為I : I. 75;該反應器為管式反應器。該反應器的熱化學轉化效率比傳統(tǒng)的太陽能熱化學反應器高8%以上。除以上實施例之外，本發(fā)明可有多種實施方式，凡在本發(fā)明基礎上實施的等效替換或類似組合變換均落在本發(fā)明要求的保護范圍之內。
權利要求
1.一種太陽能高溫熱化學耦合相變反應器，其特征在于，由CPC二次聚光器(I)、石英玻璃窗(2)、熱板(6)、熱管(7)和筒體(9)組成；反應器筒體(9)由內而外為內壁(12)、保溫層(13)和外壁(14)三層；石英玻璃窗(2)的太陽輻照側前置CPC聚光器(1)，石英玻璃窗(2)的另一側與熱板(6)的一側、筒體(9)的內壁(12)構成吸熱腔(3)，吸熱腔(3)上的筒體側面設有成軸對稱的冷卻介質入口(4)和冷卻介質出口(5);熱板(6)的另一側焊有熱管(7)，且熱板(6)內部的工作腔和熱管(7)內部的工作腔相聯(lián)通為一個整體，耦合為一個“異型熱管”，工作腔內填充有工質和吸液芯；熱板(6)的另一側、熱 管(7)和筒體(9)內壁(12)構成反應腔(8)，反應腔(8)上的筒體底部設有反應物進口(10)、筒體側面設有反應產物出口(11)。
2.根據權利要求I所述的太陽能熱化學耦合相變反應器，其特征在于熱板(6)軸向高度占熱管(7)軸向高度的比例為不小于1/25且不大于I。
3.根據權利要求I所述的太陽能熱化學耦合相變反應器，其特征在于所述的工質為甲苯、水、萘、導熱姆、汞、鋰、鈉、鉀、銫或銀中的至少一種。
4.根據權利要求I所述的太陽能熱化學耦合相變反應器，其特征在于，所述的吸液芯為絲網吸液芯、溝槽吸液芯、金屬粉末燒結吸液芯或金屬纖維氈吸液芯中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明為一種太陽能高溫熱化學耦合相變反應器；由CPC二次聚光器、石英玻璃窗、熱板、熱管和筒體組成；主體由熱板和熱管耦合而成，熱板在光熱轉換側，反應側為熱板延伸的熱管，熱板與熱管相聯(lián)通為一個整體；石英玻璃窗、吸熱側的熱板和筒體內壁構成吸熱腔；反應側的熱板、熱管和筒體構成反應腔。太陽光經匯聚后照在熱板吸熱側，光能轉換成熱能；熱能通過熱板吸熱側傳遞給內部的工質，工質通過相變傳熱將熱量傳遞至反應側熱板和熱管的壁面；反應物吸收壁面放出的熱量發(fā)生化學反應。本發(fā)明的反應器可用于金屬氧化物的熱解或還原等中-高溫熱化學反應。本發(fā)明的耦合相變反應器，避免了因吸熱側表面局部過熱導致的燒結或損壞，降低了反應腔的溫度梯度，提高了反應器的效率和穩(wěn)定性。
文檔編號B01J19/12GK102744027SQ201210256968
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權日2012年7月24日
發(fā)明者朱躍釗, 楊麗, 王銀峰, 陳海軍, 馬婷婷 申請人:南京工業(yè)大學