XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ AN TOÀN DÙNG NHIỆT HÓA HỌC TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

Năng lượng hạt nhân là một loại công nghệ hạt nhân sử dụng năng lượng hữuích từ hạt nhân nguyên tử thông quá các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát. Vớitrên 50 năm hình thành và phát triển, hiện nay trên thế giới có hàng trăm lò phảnứng hạt nhân thương mại sản xuất điện phục vụ nhu cầu năng lượng của con người.Trong vấn đề phát triển năng lượng, để giải quyết nhu cầu nguồn năng lượng ngàycàng tăng nhanh của Việt Nam, quyết định lựa chọn điện hạt nhân đã được đưa ra làphương án tối ưu nhất.Với hai nhà máy Điện hạt nhân Ninh Thuận I và Ninh Thuận II sắp xây dựngsử dụng công nghệ lò nước áp lực PWR (Pressurized Water Reactors), vấn đề đượcquan tâm nhất hiện nay là an toàn của các lò phản ứng hạt nhân đặc biệt khi xuấthiện sự cố điện hạt nhân. Qua các thế hệ nhà máy điện hạt nhân cải tiến, hệ thống antoàn trong nhà máy điện hạt nhân ngày càng được thiết kế bảo vệ theo chiều sâuhơn với các nguyên tắc thiết kế: nguyên tắc dự phòng, nguyên tắc độc lập, nguyêntắc tách rời, nguyên tắc khác biệt.Công nghệ lò nước nhẹ sử dụng nước để giải nhiệt cho nước đi ra từ lõi lò vàquá trình này không thể thiếu nước vì vậy tiềm ẩn nguy cơ cao khi xảy ra sự cố mấtnước. Dựa trên các nguyên tắc an toàn trên và tính ứng dụng của nhiệt hóa họcchúng tôi thực hiện đề tài “Xây dựng mô hình thiết bị an toàn dùng nhiệt hóa họctrong nhà máy điện hạt nhân”.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ AN TOÀN DÙNG

NHIỆT HÓA HỌC TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

Lớp : KỸ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG

Khoá : 54 (2009 – 2014)

Hà N ội, tháng 6 năm 2014

Trang 2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS CAO ĐỨC LƯỢNG

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 7

MỞ ĐẦU 8

1 Lý do chọn đề tài: 8

2 Mục đích nghiên cứu 8

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 8

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10

1.1 Công nghệ lò phản ứng nước nhẹ và sự cố LOCA 10

1.1.1 Công nghệ lò phản ứng nước nhẹ 10

1.1.2 Sự cố LOCA 14

1.2 Lưu trữ năng lượng nhiệt 15

1.2.1 Tổng quan về lưu trữ năng lượng 15

1.2.2 Công nghệ lưu trữ năng lượng 15

1.3 Phương pháp sử dụng nhiệt hóa học 19

1.4 So sánh các phương pháp lưu trữ nhiệt 20

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG THIẾT BỊ 25

2.1 Ý tưởng mô hình thiết bị giải nhiệt hóa học 25

2.2 Nguyên lý thiết bị giải nhiệt dùng nhiệt hóa học 25

2.3 Phân loại máy bơm nhiệt hóa học 26

2.4 Lựa chọn chất hóa học phù hợp 30

Trang 3

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DÙNG

NHIỆT HÓA HỌC 32

3.1 Điều kiện đầu của bài toán trao đổi nhiệt 32

3.2 Tính toán các thông số nhiệt của mô hình thiết bị 35

3.2.1 Tính toán nhiệt lượng trao đổi 35

3.2.2 Tính toán hệ số truyền nhiệt 35

3.2.3 Tính diện tích trao đổi nhiệt 39

3.2.4 Xây dựng hình thiết bị 39

3.3 Hoạt động của thiết bị 42

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

Trang 4

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH

Hình 1.1 Chu trình nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân nước áp lực (PWR) 11

Hình 1.2 Chu trình nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân nước sôi (BWR) 12

Hình 1.3 Chu trình nhiệt trong lò phản ứng nước áp lực (SCWR) 13

Hình 1.4 Lưu trữ và sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời bằng nước .16

Hình 1.5 Quá trình biến đổi pha của vật liệu 17

Hình 1.6 Mô hình lưu trữ dùng vật liệu biến đổi pha Na2S 18

Hình 1.7 Các quá trình của chu trình lưu trữ dùng nhiệt hóa học 19

Hình 1.8 Nguyên tắc lưu trữ sử dụng nhiệt phản ứng hóa học của Silicagel khô 23

Hình 2.1: Nguyên lý thiết bị giải nhiệt dùng nhiệt hóa học 26

Hình 2.2:Ba kiểu máy bơm nhiệt hóa học đặc trưng 28

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt dùng MgO/H2O 28

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt dùng CaO/PbO/CO2 29

Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt dùng axeton/H2/2-propanol 30

Hình 2.6 Nguyên tắc hoạt động của bơm nhiệt hóa học MgO/H2O 31

Hình 3 1 Kích thước hạt Mg(OH)2 33

Hình 3 2 Sắp xếp ống trong thiết bị 34

Hình 3 3 Phần trăm độ rỗng của môi chất Mg(OH)2 34

Hình 3 4 Cách sắp xếp các ống vào bình trao đổi nhiệt 40

Hình 3 5 Mặt cắt đứng mô hình thiết bị trao đổi nhiệt dùng Mg(OH)2 41

Hình 3 6 Hiệu suất nhiệt phân Mg(OH)2 theo thời gian[5] 43

Hình 3 7 Nhiệt độ viên Mg(OH)2theo thời gian nhiệt phân [5] 44

Trang 5

Bảng 1 1 :Bảng so sánh các phương pháp lưu trữ nhiệt 20 Bảng 1 2 Giá trị về sức chứa và phạm vi nhiệt độ của một số chất và hợp chất 22

Bảng 2 1 Phân loại máy bơm nhiệt hóa học: 26

Bảng 3 1 Các thông số về hai mẫu nguyên liệu MgO 32 Bảng 3 2 Bảng thông số nhiệt của môi chất 35

Trang 6

KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

- BWR: Boiling Water Reactors

- PCM : Phase Change Materials

- PWR : Pressurized Water Reactors

- SCWR: Supercritical Water-Cooled Reactor

- ECCS - Emergency core cooling system

- C: nhiệt dung riêng [J/kg.K]

- d: đường kính ống [m]

- F: tổng diện tích trao đổi nhiệt [m2]

- G: lưu lượng dòng môi chất [t/s]

Trang 7

LỜI CẢM ƠN

Để có được những kiến thức, những hiểu biết trong suốt thời gian qua học ởtrường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cũng như thời gian thực hiện đề tài em đã nhậnđược rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất em xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy Cô ở Viện

kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đãcùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu chochúng em trong suốt thời gian học tập tại trường

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS Cao Đức Lượng – Giảng viên đãtrực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian em thực hiện đề tài tại Viện Kỹ thuậthạt nhân và Vật lý môi trường Thầy là người đã không tiếc thời gian, công sức tậntình hướng dẫn và tạo mọi điều kiên giúp đỡ em hoàn thành đề tài này

Do còn thiếu kỹ năng là kinh nghiệm trong nghiên cứu vì vậy không tránhkhỏi những thiếu sót, em mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của cácThầy Cô và các bạn để em có thể hoàn thiện hơn

Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Viện kỹ thuật hạt nhân vàVật lý môi trường – ThS Cao Đức lượng thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục

để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Trân trọng!

Hà Nội, tháng 6 năm 2014

Sinh viên thực hiện Ngô Hoàng Anh

Trang 8

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Năng lượng hạt nhân là một loại công nghệ hạt nhân sử dụng năng lượng hữuích từ hạt nhân nguyên tử thông quá các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát Vớitrên 50 năm hình thành và phát triển, hiện nay trên thế giới có hàng trăm lò phảnứng hạt nhân thương mại sản xuất điện phục vụ nhu cầu năng lượng của con người.Trong vấn đề phát triển năng lượng, để giải quyết nhu cầu nguồn năng lượng ngày

càng tăng nhanh của Việt Nam, quyết định lựa chọn điện hạt nhân đã được đưa ra là

phương án tối ưu nhất

Với hai nhà máy Điện hạt nhân Ninh Thuận I và Ninh Thuận II sắp xây dựng

sử dụng công nghệ lò nước áp lực PWR (Pressurized Water Reactors), vấn đề đượcquan tâm nhất hiện nay là an toàn của các lò phản ứng hạt nhân đặc biệt khi xuấthiện sự cố điện hạt nhân Qua các thế hệ nhà máy điện hạt nhân cải tiến, hệ thống antoàn trong nhà máy điện hạt nhân ngày càng được thiết kế bảo vệ theo chiều sâuhơn với các nguyên tắc thiết kế: nguyên tắc dự phòng, nguyên tắc độc lập, nguyêntắc tách rời, nguyên tắc khác biệt

Công nghệ lò nước nhẹ sử dụng nước để giải nhiệt cho nước đi ra từ lõi lò vàquá trình này không thể thiếu nước vì vậy tiềm ẩn nguy cơ cao khi xảy ra sự cố mấtnước Dựa trên các nguyên tắc an toàn trên và tính ứng dụng của nhiệt hóa họcchúng tôi thực hiện đề tài“Xây dựng mô hình thiết bị an toàn dùng nhiệt hóa học trong nhà máy điện hạt nhân”.

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu với mục đích xây dựng mô hình một thiết bị giải nhiệtcho nước đi ra từ lõi lò phản ứng trong nhà máy điện hạt nhân nâng tăng tính antoàn của nhà máy điện hạt nhân

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu về các tai nạn nhà máy điện hạt nhân

Trang 9

- Nghiên cứu về các phương pháp lưu trữ năng lượng nhiệt So sánh và đánhgiá phương pháp lưu trữ dùng nhiệt hóa học với các phương pháp lưu trữkhác.

- Nghiên cứu thiết bị giải nhiệt sử dụng các chất hóa học thay thế nước Xâydựng mô hình thiết bị giải nhiệt sử dụng nhiệt phản ứng hóa học trong lò nhàmáy điện hạt nhân công nghệ lò nước áp lực

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng chất hóa học Magie

hydroxit Mg(OH)2, sử dụng số liệu nghiên cứu đã được công bố bởi giáo sưYukitaka Kato – Trung tâm nghiên cứu hạt nhân – Viện công nghệ Tokyo

Phạm vi nghiên cứu: Do khó khăn đặc thù của ngành năng lượng hạt nhân tại

Việt Nam vì vậy mô hình thiết bị này chỉ nghiên cứu trên phạm vi lý thuyết thuầntúy có sử dụng những số liệu khoa học đã được công nhận

Trang 10

- Pressurized Water Reactors), lò phản ứng nước sôi (BWR - Boiling WaterReactors), và (hầu hết thiết kế của) lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR -Supercritical Water-Cooled Reactor )

a Lò phản ứng nước áp lực (PWR)

Lò phản ứng nước áp lực (PWR) là một trong hai loại lò phản ứng hạtnhân thuộc nhóm lò phản ứng nước nhẹ, loại lò này được sử dụng rất phổ biến ở cácnước phương Tây

Vòng sơ cấp: nước đi qua vùng hoạt và nhận nhiệt từ lớp vỏ thanh nhiênliệu Phần nước nóng này được đưa đến lối ra của khoang trên vùng hoạt, sau đóchảy qua kênh nóng tới lối vào của bình sinh hơi

+ Bình sinh hơi: nước của vòng sơ cấp trao đổi nhiệt với nước của vòng thứ cấp, sau

đó đi qua kênh lạnh và đổ vào khoang lưu hồi của thùng lò

+ Khoang lưu hồi: dẫn nước đến lối vào vùng hoạt Quá trình tuần hoàn củanước được lặp lại

+ Bình điều áp: có hệ thống sưởi nước để tạo hơi nước và hệ thống phun nước đểlàm ngưng tụ một phần hơi nước, nhằm điều chỉnh áp suất hệ thống trongmột khoảng ổn định Hệ thống sưởi nước là các lò xo nhiệt, được sử dụng để làmtăng áp suất trong trường hợp hệ thống bị giảm áp, còn hệ thống phun nước được

sử dụng để giảm áp suất trong trường hợp hệ thống bị tăng áp quá mức Dưới các

Trang 11

điều kiện vận hành bình thường, bình điều áp thường ngập một nửa dưới là nước vànửa trên là hơi nước bão hòa Bình điều áp hoạt động theo nguyên tắc bể tràn trongsuốt quá trình chuyển tiếp.

Hình 1.1 Chu trình nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân nước áp lực (PWR)

+ Ngoài ra còn có các hệ thống khác như hệ thống làm mát vùng hoạt khẩncấp (ECCS - Emergency core cooling system), hệ thống cung cấp và xả nước để bổsung thành phần hóa học và làm sạch nước…

Vòng thứ cấp: hơi nước được sinh ra trong bình sinh hơi, đi qua hệ thốngtách ẩm, hệ thống làm khô hơi nước và đi vào tuabin

+ Tuabin: quay là nhờ áp lực của hơi nước Hơi nước sau khi qua tuabinđược ngưng tụ và đưa trở lại bình sinh hơi Phần nước này được trộn với phần nướctách từ hệ thống tách ẩm và làm khô hơi nước, đi vào khoang lưu hồi của bình sinh

Trang 12

hơi Quá trình trao đổi nhiệt giữa nước của vòng sơ cấp và nước của vòng thứ cấptrong bình sinh hơi được lặp lại

b Lò phản ứng nước sôi (BWR)

Lò phản ứng hạt nhân nước sôi (BWR) hay còn gọi tắt là lò phản ứng nướcsôi là lò phản ứng hạt nhân thuộc nhóm nước nhẹ, được sử dụng để sản xuất điện.Đây là kiểu lò phản ứng hạt nhân sản xuất điện phổ biến thứ 2 sau kiểu lò phản ứngnước áp lực (PWR), cũng thuộc nhóm lò phản ứng nước nhẹ BWR sử dụng nước

đã khử khoáng để làm lạnh và điều khiển nơtron

Hình 1.2 Chu trình nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân nước sôi (BWR)

Nhiệt được tạo ra từ phản ứng phân hạch trong lõi lò phản ứng, nung sôinước để tạo ra hơi nước Hơi nước được sử dụng trực tiếp để quay turbine, sau đóhơi nước được làm lạnh ở bộ phân ngưng tụ và trở về dạng lỏng Nước sau khi đượcngưng tụ tiếp tục quay trở về lõi của lò phản ứng và tiếp tục chu trình tuần hoàn của

nó Nước lạnh được duy trì ở khoảng 75 atm (7,6 MPa) vì vậy nó sôi trong lõi ởnhiệt độ khoảng 285°C Nếu so sánh với lò PWR, thì lò PWR sẽ không cho phép

Trang 13

nước sôi vì sáp suất cao được duy trì trong suốt quá trình tuần hoàn của nó, vàokhoảng 158 atm (16 MPa, 2300 psi).

c Lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR)

Công nghệ lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR) vẫn đang trong quá trìnhphát triển, hứa hẹn nhiều ưu thế so với lò PWR và lò BWR Nhiệm vụ chính củaSCWR là phát điện với chi phí thấp nhờ kết hợp hai công nghệ: công nghệ LWRtruyền thống và công nghệ lò hơi siêu tới hạn đốt nhiên liệu hoá thạch Căn cứ cácnghiên cứu thiết kế có thể tiên đoán hiệu suất nhiệt của nhà máy sẽ cao hơn các lòLWR hiện nay khoảng một phần ba

Hình 1.3 Chu trình nhiệt trong lò phản ứng nước áp lực (SCWR)

Từ hình 1.3 có thể thấy các hệ thống còn lại của nhà máy và các đặc điểm antoàn thụ động của lò SCWR cũng tương tự như đối với lò BWR, nhưng lại đơn giảnhơn nhiều do chất làm mát không thay đổi về pha trong lò phản ứng Nước siêu tớihạn làm quay trực tiếp tuabin, không cần đến hệ thống hơi trung gian Trên thế giới,dẫn đầu là Nhật Bản, người ta đang tìm cách giải quyết các vấn đề cấp bách nhất về

Trang 14

vật liệu và tính bất định trong thiết kế hệ thống nhằm chứng minh tính khả thi về kỹthuật của lò SCWR

1.1.2 S ự cố LOCA

LOCA: viết tắt của cụm từ “Loss Of Coolant Accident” nghĩa là “sự cố mấtchất làm mát” Nguyên nhân: sự cố được khởi phát từ sự kiện mất nước tải nhiệtcủa vòng sơ cấp

+ Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nước làm chất tải nhiệt và làm chậm Do đó,khi xảy ra sự cố vỡ ống hay thùng lò làm mất nước thì khả năng làm chậm nơtrongiảm, dẫn đến đưa công suất lò dưới tới hạn Đặc trưng cho sự kiện này của lò làchế độ tự dập lò phản ứng khi mất nước hoạt động

+ Khi mất chất tải nhiệt, nhiệt trong các thanh nhiên liệu được phân bố lại.Lượng nhiệt dư do quá trình phân rã gây ra khi dập lò không lớn như khi vận hànhnhưng do mất chất tải nhiệt nên vẫn có thể gây nóng chảy vỏ thanh nhiên liệu.+ Khi vỏ thanh nhiên liệu bị nóng chảy mạnh, hiện tượng oxy hóa xảy ra bởi hơinước và nước làm hư hỏng các thiết bị, sinh ra lượng hydro lớn có thể gây nổ lòphản ứng Các phản ứng oxy hóa này cũng sản sinh nhiệt và đóng góp thêm vàolượng nhiệt dư

- Để đảm bảo an toàn khi xảy ra sự cố: hệ thống ECCS được thiết kế nhằm tải nhiệtvùng hoạt khi LOCA, cung cấp chất làm mát cho nhiên liệu

- Phân loại LOCA: có 2 loại LOCA chính: vỡ nhỏ SBLOCA ( Small-Break Of-Coolant Accident) và vỡ lớn LBLOCA (Large Break Loss-of-CoolantAccident )

Trang 15

Loss-1.2 Lưu trữ năng lượng nhiệt

1.2.1 T ổng quan về lưu trữ năng lượng

Trong các hệ thống năng lượng truyền thống, nhu cầu lưu trữ nhiệt thường làngắn hạn do đó các giải pháp kỹ thuật cho việc lưu trữ năng lượng nhiệt có thể kháđơn giản, và đối với hầu hết các trường hợp đều sử dụng công nghệ lưu trữ dùngmôi chất truyền nhiệt là nước

Có ba cách chính để lưu trữ năng lượng nhiệt: hệ dùng nhiệt trực tiếp, biến đổipha và nhiệt phản ứng hóa học Lưu trữ dựa trên phản ứng hóa học có hiệu suấtnhiệt cao hơn so với Hệ nhả nhưng chưa được sử dụng cũng như thương mại hóarộng rãi Công nghệ của Hệ nhả là một công nghệ với tổn thất nhiệt thấp, chi phí sảnxuất thấp đang hứa hẹn là một công nghệ hấp dẫn trong tương lai

1.2.2 Công ngh ệ lưu trữ năng lượng

a) Hệ sử dụng năng lượng trực tiếp:

Trong hệ sử dụng năng lượng trực tiếp, năng lượng (hoặc nhiệt) được lưu trữ/sửdụng bằng cách nung nóng/làm mát một chất lỏng hoặc các vật liệu lưu trữ thể rắnthông qua sự tương tác truyền nhiệt Giá trị công suất lưu trữ là [J/g] bằng tích củanhiệt dung nhiệt và nhiệt độ thay đổi Dạng lưu trữ phổ biến nhất có thể thấy đó làlưu trữ năng lượng mặt trời Lưu trữ năng lượng là một vấn đề quan trọng bởi vì các

hệ thống năng lượng hiện đại thường giả định sẵn có liên tục của năng lượng

Hệ thống nhiệt khối có thể lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt ở nhiệt độtrong nước hữu ích cho mỗi ngày hoặc mùa thời Hệ thống được thiết kế tốt có thể

hạ thấp nhu cầu cao điểm, thay đổi thời gian sử dụng về các giờ ngoài giờ cao điểm

và giảm các yêu cầu sưởi ấm và làm mát tổng thể

Trong hình 1.4 bên dưới là sơ đồ mô tả quá trình lưu trữ và sử dụng nhiệt năng

từ mặt trời sử dụng vật liệu lưu trữ là hệ thống nước ngầm Ban ngày khi mặt trờichiếu sáng, nước được bơm từ khoang lạnh lên sau khi nhận nhiệt được dẫn đến nơi

sử dụng và phần còn lại dẫn xuống bể nóng lưu trữ Ban đêm khi muốn sử dụng

Trang 16

nhiệt ta lại bơm từ bể nóng qua thiết bị trao đổi nhiệt nước được giải nhiệt và đượcdẫn trở lại bể lạnh Vòng tuần hoàn này được lặp đi lặp lại

Hình 1.4 Lưu trữ và sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời bằng nước.

Vật liệu thường được sử dụng như một phương tiện lưu trữ được nước, khôngkhí, dầu, đá, gạch,bê tông, cát và đất Dải nhiệt độ có thể sử dụng từ 600C -

4000C Phương pháp này chủ yếu được áp dụng cho các hệ thống trong nước, sưởi

ấm và các nhu cầu công nghiệp

b) Biến đổi pha phản ứng (nhiệt ẩn):

Vật liệu chuyển pha (PCM - Phase Change Materials) là vật liệu có nhiệt nóngchảy cao, nóng chảy và đông cứng xung quanh một nhiệt độ ổn định, có khả năngthu nhận hoặc giải phóng nhiệt lượng lớn Khi vật liệu đông cứng, nó tỏa nhiệt, khivật liệu nóng chảy, nó thu nhiệt Vật liệu này đóng vai trò bộ phận dự trữ nhiệt, giúp

ổn định nhiệt độ cho các hệ thống sử dụng chúng

Trang 17

Hình 1.5 Quá trình biến đổi pha của vật liệu

Dự trữ nhiệt năng thông qua chuyển pha có thể được thực hiện khi chuyển trạngthái rắn-rắn, rắn-lỏng (hiện tượng nóng chảy), rắn-khí (hiện tượng thăng hoa), khí-lỏng (hiện tượng bay hơi) Tuy nhiên chuyển pha khí-lỏng hay rắn-khí gây ra thayđổi thể tích lớn, còn chuyển pha rắn-rắn dự trữ ít nhiệt; dẫn đến chuyển pha rắn-lỏng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng ổn nhiệt

Trong hiện tượng nóng chảy, khi nhiệt độ của vật liệu nhỏ hơn nhiệt độ nóngchảy, nó ở trạng thái rắn Cung cấp nhiệt cho vật liệu, nhiệt độ cửa nó tăng lên chotới khi nó bắt đầu nóng chảy Nhiệt độ của vật liệu giữ nguyên ở nhiệt độ nóngchảy, dù có cấp thêm nhiệt lượng, chừng nào vật liệu chưa tan chảy hết Đây chính

là tính chất giúp ổn nhiệt của vật liệu Khi vật liệu tan chảy hết, nhiệt độ nó lại tiếptục tăng khi cấp nhiệt lượng

Ngược lại, khi nhiệt độ trong môi trường xung quanh giảm thấp; vật liệu tỏanhiệt ra môi trường và bắt đầu đông cứng Nhiệt độ của vật liệu sẽ giữ nguyên ởnhiệt độ nóng chảy, chừng nào nó chưa đông cứng hết

Có một dải rộng các vật liệu chuyển pha có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng từ-5 tới 1900C, phục vụ cho các ứng dụng ổn nhiệt khác nhau Với ứng dụng điều hòanhiệt độ phù hợp cho sinh hoạt của con người, tầm 200 to 300C, một số vật liệu đãđược phát triển, chứa từ 5 đến 14 nhiệt lượng trên mỗi đơn vị thể tích hơn các vật

Trang 18

liệu thông thường như nước, đá Một số chất được sử dụng là các muối vô cơ, cáchợp chất hữu cơ và như Na2SO4.10H2O; CaCl2.6H2O; Parafin (t0 nóng chảy từ20-600C)…

Hình 1.6 Mô hình lưu trữ dùng vật liệu biến đổi pha Na2S

Hình 1.6 mô tả cấu trúc hệ lưu trữ dùng vật liệu biến đổi pha Na2S Na2S đượcnén, ép thành dạng viên nang có vỏ là nhựa Đây chính là công nghệbọc vĩ mô: vậtliệu được bọc trong các túi đựng (như hình cầu, hình trụ) Công nghệ này có nhượcđiểm là độ dẫn nhiệt thấp, và các vật liệu có xu hướng đông cứng ở rìa gần vỏ bọc,giảm đáng kể tính dẫn nhiệt của hệ thống Các viên nang này được xếp vào một bểlưu trữ, tại đây viên nang thực hiện quá trình nhận – nhả nhiệt phụ thuộc quá trìnhbiến đổi pha

c) Nhiệt phản ứng hóa học:

Lưu trữ bằng cách dùng phản ứng hóa học thuận nghịch có sực hấp thụ hơi nhiệt

AB + heat < > A + B(g)

Hấp thụ nhiệt: AB + heat > A + B(g)

Nhả nhiệt: A + B(g) >AB + heat

Hình 1.6 mô tả cấu trúc hệ lưu trữ dùng vật liệu biến đổi pha Na2S Na2S đượcnén, ép thành dạng viên nang có vỏ là nhựa Đây chính là công nghệ bọc vĩ mô: vậtliệu được bọc trong các túi đựng (như hình cầu, hình trụ) Công nghệ này có nhượcđiểm là độ dẫn nhiệt thấp, và các vật liệu có xu hướng đông cứng ở rìa gần vỏ bọc,giảm đáng kể tính dẫn nhiệt của hệ thống Các viên nang này được xếp vào một bểlưu trữ, tại đây viên nang thực hiện quá trình nhận – nhả nhiệt phụ thuộc quá trìnhbiến đổi pha

c) Nhiệt phản ứng hóa học:

Lưu trữ bằng cách dùng phản ứng hóa học thuận nghịch có sực hấp thụ hơi nhiệt

AB + heat < > A + B(g)

Hấp thụ nhiệt: AB + heat > A + B(g)

Nhả nhiệt: A + B(g) >AB + heat

Hình 1.6 mô tả cấu trúc hệ lưu trữ dùng vật liệu biến đổi pha Na2S Na2S đượcnén, ép thành dạng viên nang có vỏ là nhựa Đây chính là công nghệ bọc vĩ mô: vậtliệu được bọc trong các túi đựng (như hình cầu, hình trụ) Công nghệ này có nhượcđiểm là độ dẫn nhiệt thấp, và các vật liệu có xu hướng đông cứng ở rìa gần vỏ bọc,giảm đáng kể tính dẫn nhiệt của hệ thống Các viên nang này được xếp vào một bểlưu trữ, tại đây viên nang thực hiện quá trình nhận – nhả nhiệt phụ thuộc quá trìnhbiến đổi pha

Trang 19

Quá trình hấp thụ nhiệt ta dùng nhiệt thực hiện phản ứng phân hủy hợp chất

AB thành hai phần A và B có khả năng lưu giữ riêng Quá trình nhả nhiệt ta thựchiện phản ứng tái kết hợp A và B với nhau tạo thành hợp chất AB đồng thời giảiphóng nhiệt Giá trị công suất lưu trữ chính là nhiệt của phản ứng

Lưu trữ năng lượng dựa trên phản ứng hóa học đặc biệt thích hợp cho các ứngdụng lưu trữ lâu dài, vì quá trình liên quan đến hầu như không có tổn thất nănglượng trong thời gian lưu trữ Lưu trữ thường được thực hiện ở nhiệt độ môi trườngxung quanh

1.3 Phương pháp sử dụng nhiệt hóa học

Một chu kỳ của lưu trữ nhiệt hóa học gồm 3 quá trình như hình 1.7 bên dưới:

- Quá trình hấp thụ: Hợp chất C nhận nhiệt và phân tách thành A và B

- Quá trình lưu trữ: A và B được lưu trữ riêng biệt

- Quá trình nhả nhiệt: Thực hiện phản ứng kết hợp A và B dưới điều kiện thíchhợp ta thu được hợp chất C, quá trình này là quá trình tỏa nhiệt

Hình 1.7 Các quá trình của chu trình lưu trữ dùng nhiệt hóa học

Trang 20

 Ưu điểm của lưu trữ năng lượng sử dụng nhiệt hóa học

Hệ thống lưu trữ nhiệt dùng nhiệt hóa học có nhiều lợi thế hơn các loại lưu trữnhiệt khác:

• Các thành phần (A và B) thường có thể được lưu trữ riêng biệt ở nhiệt độ môitrường Vì vậy, có rất ít hoặc không có sự mất nhiệt trong thời gian lưu trữ, nên takhông cần sử dụng lớp cách nhiệt

• Do các tổn thất nhiệt thấp, hệ thống lưu trữ năng lượng dùng nhiệt hóa học đặcbiệt thích hợp cho việc lưu trữ năng lượng dài hạn (ví dụ, lưu trữ theo mùa)

• Vật liệu nhiệt hóa có mật độ năng lượng cao hơn so với vật liệu biến đổi pha PCM(Phase Change Materials) và vật liệu lưu trữ của phương pháp nhả Mật độ nănglượng cao hơn, vì vậy không gian lưu trữ nhỏ gọn hơn so với phương pháp lưu trữchuyển pha và phương pháp lưu trữ sử dụng nhiệt trực tiếp

1.4 So sánh các phương pháp lưu trữ nhiệt

Bảng 1 1 :Bảng so sánh các phương pháp lưu trữ nhiệt

Giá trị

tham số

Các phương pháp lưu trữ năng lượng

PP sử dụng nhiệttrực tiếp

PP biến đổi pha phảnứng

PP nhiệt phản ứnghóa học

Phạm vi

nhiệt độ

• Nhiệt thôngthường cho bể nướcnóng là 110°C

• Lưu trữ nướcngầm hoặc trên bềmặt trung bình là50°C

•Lưu trữ trong bêtông đất đá có thể

•Nước là môi chất cóphậm vi lưu trữ rộngphụ thuộc vào áp suấtmôi trường lưu trữ

•20-40°C (Là nhiệt

độ nóng chảy củaParafin)

•30-80°C (Là muốihydrat khi nhiệt nhiệt

•Rất rộng có thể từvài chục tới vài trăm

độ C tùy thuộc vàovật liệu lưu trữ

Trang 21

lên tới 400°C phân)

Mật độ

lưu trữ

Thấp – chỉ khoảng0,2 GJ/m3

(Đối với bể chứanước thông thường

Thường hạn chế dovật liệu lưu trữ bị mấtdần phẩm chất theothời gian

Phụ thuộc vào sự mấtmát chất phản ứng vàcác phản ứng phụ

Công nghệ mới chỉđược nghiên cứ chomột vài mức nhiệt độ

và một vài vật liệu cụthể

Nói chung không cósẵn, nhưng đã trải quanghiên cứu và thínghiệm kiểm tra trongnhiều dự án

Lợi thế -Chi phí thấp

-Đáng tin cậy-Ứng dụng đơngiản, vật liệu sẵn có

-Mật độ lưu trữ trungbình

-Khối lượng nhỏ-Khả năng vậnchuyện trong khoảngcách gần

-Mật độ lưu trữ cao-Tổn thất nhiệt thấp-Lưu trữ lâu dài-Vận chuyển được ởkhoảng cách xa

-Rất nhỏ gọ

Trang 22

Nhược

điểm

-Mất nhiệt đáng kểtheo thời gian(Tùy thuộc vàomức độ cách nhiệt)-Cần một khốilượng lớn vật liệulưu trữ

-Dẫn nhiệt thấp-Ăn mòn vật liệu-Mất nhiệt đáng kể(Tùy thuộc vàomức độ cách nhiệt)

-Chi phí vốn cao-Phức tạp về mặt kỹthuật

Trong bảng 1.2 là giá trị về sức chứa và phạm vi nhiệt độ của một số chất

và hợp chất dùng trong ba phương pháp nêu trên Trong đó DT là nhiệt độ trungbình của nước Các chất khác ta có thể xem cụ thể trong bảng 1.2

Bảng 1 2 Giá trị về sức chứa và phạm vi nhiệt độ của một số chất và hợp chất

Lưu trữ năng lượng nhiệt bằng phương pháp sử dụng nhiệt trực tiếp có lợithế là tương đối rẻ nhưng mật độ năng lượng thấp và có sự chênh lệch nhiệt độ giữ

Nhược

điểm

Nhược

điểm

Trang 23

quá trình hấp thụ và nhả Để khắc phục nhược điểm đó ta có thể dùng những vật liệu đổi pha để lưu trữ nhiệt Các quá trình đảo pha có thể là một quá trình tan chảy

hoặc một quá trình bốc hơi Quá trình tan chảy có mật độ năng lượng khoảng100kWh / m³, còn quá trình bốc hơi là khoảng 25 kWh/m³, tùy từng mục đích ta có thểchọn một trong hai quá trình đó

Vật liệu lưu trữ nhiệt hóa học có sức chứa lưu trữ cao nhất trong tất cả cácvật liệu lưu trữ Một số các vật liệu thậm chí có thể lưu trữ xấp xỉ với mật độ lưu trữcủa sinh khối Silica gel rắn (SiO2.nH2O; n<2)có khả năng lưu trữ mà gấp khoảng 4lần so với nước

Hiện nay, lưu trữ năng lượng trong thương mại chủ yếu dùng hệ thống lưu trữ sửdụng môi chất truyền nhiệt là nước Lưu trữ dùng quá trình chuyển pha được dùngcho một số ứng dụng đặc biệt Cả hai vật liệu lưu trữ dùng quá trình chuyển pha vànhiệt hóa học cần nghiên cứu và cải tiến phát triển sâu hơn nữa để áp dụng rộng rãitrong thực tế

Trong hình1.8 mô tả nguyên tắc hoạt động và sử dụng nhiệt phản ứng hóa họccủa Silicagel khô

Hình 1.8 Nguyên tắc lưu trữ sử dụng nhiệt phản ứng hóa học của Silicagel khô Quá trình lưu trữ nhiệt: nguồn nhiệt ở nhiệt độ cao đi vào thiết bị chứa

Silicagel tại đây xảy ra quá trình giải hấp thụ (phản ứng nhiệt phân) tạo Silicagel

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	777,29 KB