استفاده از توری مشبک فلزی برای بهبود عملکرد راکتور ذخیره انرژی حرارتی

[rkiahoseyni]

مقدمه:

امروزه مسائل انرژی و زیست محیطی دغدغه های جهانی است که تمام جنبه های اقتصاد یک کشور و رفاه مردم را در بر می گیرد. برای حذف وابستگی بیش از حد به انرژی های فسیلی محدود و کاهش انتشار کربن و آلودگی های زیست محیطی، همه کشورهای جهان بر روی توسعه شدید انرژی های تجدید پذیر توافق کرده اند. طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی، سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در تولید برق جهانی در سال 2019 به تقریباً 27 درصد رسیده است. در میان منابع متعدد انرژی تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی به دلیل فراگیر و پایان ناپذیر بودن به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. ذخیره انرژی برای استفاده از انرژی خورشیدی بسیار مهم است، زیرا انرژی خورشیدی متناوب و ناپایدار است. علاوه بر توسعه انرژی های تجدیدپذیر، استفاده موثر از گرمای اتلاف شده نیز بخشی دیگر از حفظ انرژی است. ذخیره انرژی همچنین نقش اساسی در بازیابی گرمای اتلافی برای حل عدم تطابق بین عرضه و تقاضا در زمان و مکان دارد. انرژی حرارتی شکل اصلی استفاده در انرژی خورشیدی و بازیابی گرما است که دو بخش بزرگی از ساختار انرژی تجدیدپذیر جهانی آینده را برای دستیابی به بی‌طرفی کربن اشغال خواهند کرد. 

 

ذخیره انرژی:

ذخیره انرژی گرمایی محسوس، ذخیره انرژی گرمای نهان و ذخیره انرژی ترموشیمیایی سه روش TES هستند. ذخیره سازی انرژی ترموشیمیایی مزایای زیادی در چگالی ذخیره سازی انرژی بالا دارد و در مقایسه با سایرین محدودیتی در زمان ذخیره و فاصله انتقال ندارد. می توان آن را به سه نوع تقسیم کرد: 
-    ذخیره حرارت اختلاف غلظت، 
-    ذخیره حرارت جذب حرارتی 
-    ذخیره حرارت واکنش شیمیایی. 
در میان آنها، فناوری ذخیره حرارت جذب حرارتی مبتنی بر فرآیند ترموشیمیایی برگشت پذیر است که به طور گسترده برای ذخیره سازی انرژی در دمای پایین و متوسط اعمال می شود. ماده جاذب هنگام دریافت انرژی گرمایی خارجی تجزیه می شود که به انرژی شیمیایی تبدیل شده و در مواد ترموشیمیایی ذخیره می گردد. در فرآیند آزادسازی انرژی، گرمای ذخیره شده از طریق ترکیب مجدد جاذب آزاد می شود تا بتوان از گرما استفاده کرد. همانطور که جاذب را می توان از هم جدا کرد، انرژی گرمایی را می توان ذخیره و انتقال داد که مشکل اتلاف انرژی در ذخیره سازی گرمای محسوس یا نهان سنتی را از بین می برد. بنابراین، ذخیره گرمای جذب حرارتی زمانی که با استفاده از انرژی خورشیدی و بازیابی گرمای اتلاف ترکیب شود، پتانسیل زیادی دارد.

 

مواد متخلخل برای جذب انرژی:

امروزه، ذخیره‌سازی حرارتی به روش جذبی عمدتاً بر جذب جامد-گاز با جاذب‌ها، از جمله مواد متخلخل و مواد کامپوزیت نمک متخلخل و هیدراته تمرکز دارد. برای این منظور معمولاً از زئولیت به دلیل تخلخل و پایداری بالا استفاده می شود. در فرآیند ذخیره انرژی، ذرات زئولیت توسط هوای گرم و خشک برای ذخیره گرما و جذب آب بر اساس واکنش دفع گرم می شوند. در فرآیند آزادسازی انرژی، هوای مرطوب با دمای معمولی به رآکتور می رسد و پس از آن ذرات خشک زئولیت آب را جذب کرده و با واکنش جذبی گرما آزاد می کنند. با این حال، افت فشار بالا و انتقال حرارت ضعیف در راکتور همچنان محدودیت‌هایی در کاربرد هستند. بسیاری از محققان در مورد بهبود عملکرد سیستم ذخیره سازی انرژی حرارتی بر اساس زئولیت تحقیق کرده اند که دارای سه جنبه است: 
(1) طراحی ساختار راکتور 
(2) خواص فیزیکی مواد 
(3) قرارگیری و آرایش مواد.
برای طراحی ساختار راکتور، یک روش رایج اضافه کردن پره‌ها به راکتور ثابت برای افزایش انتقال حرارت است. پره های مسی در راکتورهای ترموشیمیایی، فرآیندهای شارژ و تخلیه را بهبود می بخشد، که چگالی انرژی را به حدود 180 تا 230 کیلووات ساعت بر متر مکعب می رسانند. علاوه بر این، انواع دیگری از راکتورها، مانند یک بستر واکنش دهنده جاذب ستونی، یک راکتور درام گردان و یک راکتور مبتنی بر پوسته و لوله، برای افزایش بهره وری چگالی ذخیره انرژی و حرارتی پیشنهاد شده اند. به طور کلی، بهبود ساختاری سیستمیک هزینه های سرمایه گذاری بالایی دارد و منجر به مشکلات ساخت و ساز می شود.

ماده نیز به جز ذره زئولیت، استوانه ای و لانه زنبوری است. زئولیت لانه زنبوری معمولاً برای افزایش سطح ویژه و افزایش مقاومت و پایداری در دمای بالا استفاده می شود. با این حال، هزینه لانه زنبوری بالا است.
در مقابل، تلاش برای بهبود در وضعیت قرار دادن و چیدمان مواد موثرتر است. مواد ذخیره حرارت معمولی بدون کپسول به طور محکم در راکتور بسته بندی می شوند که در نتیجه مقاومت هوا زیاد و تماس کافی بین مواد ذخیره گرما و هوا وجود ندارد. تقسیم راکتور به چند بخش یک روش رایج برای کاهش افت فشار است. تحقیقات نسبی شامل یک راکتور دو واحدی، راکتور چهار بخش و راکتور چند بخش است که همگی باعث افزایش دمای هوا و کاهش افت فشار می‌شوند، اما معمولاً واکنش ها غیریکنواخت هستند. ژانگ و همکاران روشی برای جداسازی زئولیت با شبکه های فلزی پیشنهاد کرد که به کاهش یکنواخت افت فشار کمک کرد. کایپرز و همکاران  ذرات زئولیت را به کلوئیدها پیوند داد تا به ظرفیت ذخیره سازی بالا و برگشت پذیری استفاده خوب دست یابد.

 

استفاده از مش فلزی:

مطالعاتی با هدف بهبود چگالی ذخیره‌سازی انرژی و راندمان حرارتی یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی ترموشیمیایی با استفاده از روش بسته‌بندی شبکه‌ای فلزی با ماده ذخیره‌سازی حرارتی زئولیت 13X انجام شده است. مواد مختلفی مانند مش های فلزی، مس (Cu) و آلومینیوم (Al) با هدف ذخیره سازی انرژی استفاده می شوند. در این تحقیقات سه شکل توری مشبک شامل هرم، مکعب و استوانه طراحی شده است. هر شکل شبکه دو روش چیدمان در ظروف راکتور ذوزنقه ای دارد. سرعت هوای ورودی و رطوبت نسبی به عنوان متغیرهای کنترل برای تنظیم پنج شرایط آزمایشی استفاده می گردد. پارامترهای کلیدی راکتور افزایش دمای هوا، افت فشار هوا و محتوای رطوبت هوا تجزیه و تحلیل می‌شوند و پساز ارزیابی چگالی ذخیره انرژی و بازده حرارتی مش های فلزی، از آنها استفاده می کنند.

 

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی