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美國(guó)研發(fā)耐高溫陶瓷泵或?qū)⑻岣吖鉄犭娬緝?chǔ)熱溫度

   2017-10-17 CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)13510
核心提示:近日,在美國(guó)高級(jí)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)的支持下,美國(guó)喬治亞理工學(xué)院與普渡大學(xué)、斯坦福大學(xué)三大高校聯(lián)手,共同研發(fā)出一種以陶
近日,在美國(guó)高級(jí)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)的支持下,美國(guó)喬治亞理工學(xué)院與普渡大學(xué)、斯坦福大學(xué)三大高校聯(lián)手,共同研發(fā)出一種以陶瓷為材料的機(jī)械泵,可在1400℃(1673開(kāi)氏度)的高溫下工作,適用于熔融錫等高溫導(dǎo)熱液體的輸送,從而進(jìn)一步為風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等多種可再生能源電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)采用溫度更高的儲(chǔ)熱介質(zhì)提供了新的可能。

據(jù)喬治亞理工大學(xué)的研究員Caleb Amy介紹,高溫下的熵減會(huì)使熱能轉(zhuǎn)換的難度增加,熱能因此在光熱電站和許多工業(yè)生產(chǎn)中顯得尤為寶貴。(注:熵是一個(gè)抽象的物理學(xué)量,用于描述某個(gè)體系的“無(wú)秩序”程度:無(wú)序程度增加則熵增;反之則熵減。)

當(dāng)前,光熱電站多采用熔鹽儲(chǔ)熱,但如果采用這種陶瓷材料制成的耐高溫機(jī)械泵,則意味著熔融錫等新型高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)有可能在光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)中得到應(yīng)用。據(jù)悉,熔融錫、熔融硅等液態(tài)金屬在熱儲(chǔ)存和傳輸中能夠發(fā)揮更好的作用,且熔融錫和陶瓷材料均沒(méi)有腐蝕性,并且有助于提高發(fā)電效率,同時(shí)降低光熱電站的成本。但在此之前,因一直未研發(fā)出可耐受相應(yīng)高溫的泵類與管道設(shè)備,這種新型儲(chǔ)熱系統(tǒng)技術(shù)并未得到進(jìn)一步發(fā)展。

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圖:液態(tài)金屬在1400℃高溫下流動(dòng)。(攝自喬治亞理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一次實(shí)驗(yàn))

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圖:Caleb Amy演示兩個(gè)陶瓷齒輪如何嚙合在一個(gè)泵上(圖片來(lái)自喬治亞理工大學(xué))

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圖:Caleb Amy將熔融錫倒入坩堝中(圖片來(lái)自喬治亞理工大學(xué))

 
通常情況下,陶瓷材料因太過(guò)脆弱而不被機(jī)械系統(tǒng)青睞,而這種新型機(jī)械泵采用的陶瓷組件是經(jīng)過(guò)精密加工而成,并選用韌性與強(qiáng)度較好的耐高溫材料石墨對(duì)泵、管道以及其他連接處進(jìn)行密封,因此使得陶瓷材料在機(jī)械泵中的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。

“溫度越高,則可轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能的熱能就越多,但金屬類的密封材料在溫度過(guò)高時(shí)質(zhì)地就會(huì)變軟,從而限制整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)。”喬治亞理工大學(xué)助理教授Asegun Henry進(jìn)一步說(shuō)道,“而采用石墨密封的泵可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)72小時(shí),轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘幾百轉(zhuǎn),在平均溫度達(dá)到1473開(kāi)氏度(約1199℃)的高溫環(huán)境下也正常運(yùn)行。在此前的試驗(yàn)性運(yùn)轉(zhuǎn)中,這種泵的工作溫度更是達(dá)到1773開(kāi)氏度(約1499℃)。”

從機(jī)械加工可行性與耐用性出發(fā),當(dāng)前研發(fā)的這種泵的主要材料是一種軟質(zhì)陶瓷——氮化鋁,Henry表示,目前團(tuán)隊(duì)已著手研發(fā)以硬度更高的碳化硅作為原材料的機(jī)械泵。

另外,這種陶瓷泵為外嚙合齒輪泵,其所采用的技術(shù)與離心泵及其他泵類均不同,是通過(guò)旋轉(zhuǎn)齒輪吸入液態(tài)錫,并將其從出口推出。之所以選用此法,Henry解釋說(shuō),因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單且可在速度較低的情況下保持運(yùn)轉(zhuǎn)。

Henry介紹說(shuō),這種陶瓷泵的直徑僅有36毫米,應(yīng)用到實(shí)際電站中時(shí),并不需要過(guò)分?jǐn)U大尺寸,因此耗材有限。例如,將泵的尺寸增加4-5倍,轉(zhuǎn)換的總熱量就可增加1000倍(額定最大轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)),可滿足10KW到100MW不同規(guī)模光熱電站的運(yùn)行需求。
 
 
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