[發明專利]太陽能高溫熱化學耦合相變反應器

有效

• 申請號: 201210256968.1
• 申請日: 2012-07-24
• 公開（公告）號: CN102744027A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 朱躍釗;馬婷婷;陳海軍;王銀峰;楊麗
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: B01J19/12
• 分類號: B01J19/12;F24J2/20;F24J2/32;F24J2/46
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

技術領域

本發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，其高效開發利用是實現綠色可持續發展的主要途徑之一。太陽能的利用方式主要包括光伏發電、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，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、易于實現等優點，但是當太陽能聚光系統出現偏差，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。“間接輻射式”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與凝結的相變過程來傳遞熱量，具有極高導熱性能和優良的等溫性。有報導將熱管概念用于太陽能中高溫集熱發電過程（塔式或碟式熱發電），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，優點是將換熱區域由“點”拓展至“面”，將有利于縮小換熱區域的溫度梯度，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。

發明內容

本發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。

本發明的技術方案是：一種太陽能高溫熱化學耦合相變反應器，由CPC二次聚光器1、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——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1。

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。

優選所述工質為甲苯、水、萘、導熱姆（聯苯及二苯醚）、汞、鋰、鈉、鉀、銫和銀中的至少一種；工作溫度范圍為250～2300℃。

優選所述熱板6和熱管7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氈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。