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CN102200347A - 化学蓄热器 - Google Patents

化学蓄热器 Download PDF

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CN102200347A CN2011100702871A CN201110070287A CN102200347A CN 102200347 A CN102200347 A CN 102200347A CN 2011100702871 A CN2011100702871 A CN 2011100702871A CN 201110070287 A CN201110070287 A CN 201110070287A CN 102200347 A CN102200347 A CN 102200347A
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Abstract

一种化学蓄热器，包括第一至第M级储热单元(1A、1B)和冷凝部分(3)。每个储热单元(1A、1B)包括容纳第一反应物(A)的反应器(11A、11B)，容纳第二反应物(B)的容器(12A、12B)；以及，连接反应器(11A、11B)和容器(12A、12B)用于将第二反应物(B)从容器(12A、12B)引导至反应器(11A、11B)的连接通道(13A、13B)。连接通道(13A、13B)设有用于打开和关闭连接通道(13A、13B)的打开/关闭构件(14A、14B)。第M级储热单元(1B)的反应器(11B)与待加热物体(6，71a)热连接。第(N-1)级储热单元(1A)的反应器(11A)与第N级储热单元(1B)的容器(12B)热连接。M为等于或者大于2的整数，而N为等于或者大于2而等于或者小于M的整数。

Description

化学蓄热器
技术领域
本发明涉及一种化学蓄热器，其利用物质的反应热以提取热并执行高温分解(pyrolysis)以储存热量。
背景技术
例如，与USP5127470相应的JP-B2-8-6608中描述了一种从热组件中回收废热的热回收装置。在所述的热回收装置中，第一化学蓄热器中的反应材料由从热组件中排出的高温废气加热以排放反应后的材料，而且，作为加热反应材料的结果所获得的气体可以在热交换器中热回收。其后，第二化学蓄热器中反应后的材料被加热并蒸发，从而导致在第二化学蓄热器中与反应材料反应。此外，通过使水经过将反应后的材料保持在第一化学蓄热器中的容器并进一步使水经过将反应材料保持在第二化学蓄热器中的容器以产生高温蒸汽来提取输出。
在所述热回收装置中，有可能根据需求适当地提取输出。此外，有可能获取温度高于来自热组件的废气的温度的蒸汽。
然而，从热力发动机中所获得的特定数量或更多的废热(外部热)需要始终存在以根据需要适当地提取输出。因为这个原因，如果这种热回收装置应用于热量波动的系统，在所述系统中从热力发动机获得的热量随着时间减少，则有可能第一化学蓄热器中的反应材料不能释放反应后的材料，原因在于热量不足。因此，当所述的热回收装置应用于利用来自涉及热量波动的热组件的废热系统时，可能产生不能建立热回收操作的问题。
发明内容
考虑到前述问题，本发明的一个目的在于提供一种用于储存外部热的化学蓄热器，其能够产生温度高于外部热的热，即便在放热模式下不存在外部热。
在根据第一方面的化学蓄热器中，提供M级储热单元，其中M为不少于2的整数。各个级储热单元具有容纳第一反应物的反应器，容纳第二反应物的容器，以及将反应器和容器彼此连接的连接通道。连接通道将来自容器的第二反应物引导至反应器以使得第一反应物和第二反应物彼此反应从而在反应器中产生化合物。反应器容纳用于通过反应系统外部所产生的外部热来加热化合物的再生热交换器。连接通道设有打开/关闭构件。连接通道通过打开/关闭构件打开和关闭。冷凝部分被构造成当各个储热单元的反应器中的化合物被分解成第一反应物和第二反应物时对所产生的气态第二反应物进行冷凝。第M级储热单元的反应器与待加热物体热连接。第N-1级储热单元的反应器与第N级储热单元的容器热连接，其中N为等于或大于2且等于或小于M的整数。
在此结构中，在各个储热单元中，在容器中加热的第二反应物通过连接通道流入反应器中。第二反应物与第一反应物在反应器中反应以产生化合物。在此反应中，产生反应热。
第N-1级储热单元的反应器与第N级储热单元的容器热连接。因此，此时，第N-1级储热单元的反应器中所产生的反应热被传送至第N级储热单元的容器中。接着，容纳在第N级储热单元的容器中的第二反应物通过从第N-1级储热单元的反应器中所传送的热被加热。
如上所述，第N-1级储热单元的反应器中所产生的反应热被传送至第N级储热单元的容器中。由上述热进行加热的第二反应物流入第N级储热单元的反应器中并与第一反应物再次反应以产生反应热。第M级储热单元即最后一级储热单元的反应器与待加热物体热连接。因此，物体可以通过在各个储热单元中温度上升并且温度高于外部热的热被加热。
在此放热模式中，在放热期间，即便不存在外部热，仍然可以输出温度高于外部热的热。
在根据第二方面的化学蓄热器中，第一级储热单元的容器与第一级储热单元的反应器热连接。
在此结构中，容纳在第一级储热单元的容器中的第二反应物通过第一级储热单元的反应器中所产生的部分反应热被加热。因此，不必要单独地提供用于加热第二反应物的加热源。因此，根据第一方面的化学蓄热器的优势能够通过简单的构造获得。由于在放热期间完全不需要外部加热源，根据第二方面的化学蓄热器可应用在各种系统中。
在根据第三方面的化学蓄热器中，第一级储热单元的容器与第二级储热单元的容器热连接。
在此结构中，容纳在第一级储热单元的容器中的第二反应物通过传送至第二级储热单元的容器的部分热被加热。因此，不需要单独地提供用于加热第二反应物的加热源。因此，根据第一方面的化学蓄热器的优势能够通过简单的构造获得。由于在放热期间完全不需要外部加热源，根据第三方面的化学蓄热器可应用在各种系统中。
在根据第四方面的化学蓄热器中，第一级储热单元的容器与温度低于外部热的加热源热连接。
在此结构中，容纳在第一级储热单元的容器中的第二反应物通过来自加热源的热被加热。因此，根据第一方面的化学蓄热器的优势更易于实现。
在根据第五方面的化学蓄热器中，冷凝部分为具有储热媒质的冷凝器，该储热媒质储存当气态第二反应物冷凝时所产生的冷凝热。加热源为冷凝器。
在此结构中，容纳在第一级储热单元的容器中的第二反应物通过当气态第二反应物冷凝时所产生的冷凝热加热。因此，根据第四方面的化学蓄热器的优势能够通过冷凝器仅设有储热媒质这种简单构造获得。
在根据第六方面的化学蓄热器中，加热源与产生外部热的外部加热源热连接。
在此结构中，外部加热源处产生的过剩外部热用来加热容纳在第一级储热单元的容器中的第二反应物。因此，有可能有效利用外部加热源处产生的热以提高热的利用效率。
在根据第七方面的化学蓄热器中，在各个储热单元中，容器中第二反应物的最大极限温度[K]小于第二反应物的临界温度[K]。各个储热单元被构造成使得其耐受压强[Pa]高于第二反应物在临界温度下的饱和蒸汽压[Pa]。
因此，在每个储热单元中，在容器中的第二反应物的最大极限温度[K]小于第二反应物的临界温度[K]的情况下，储热单元被设置成其耐受压强高于容器中的第二反应物在临界温度下的饱和蒸汽压[Pa]。因此，不需要为所有储热单元提供相同的抗压结构。每个储热单元可以设有与各个耐受压强Pv相当的抗压结构。
在根据第八方面的化学蓄热器中，容器中的第二反应物的最大极限温度Tm[K]等于或者高于第二反应物的临界温度Tc[K]。各个储热单元被构造成其耐受压强满足关系式Pv＞znRTm/Vm，其中n为容器中第二反应物的分子量[mol]，Vm为容器的容积[m3]，z为压缩因数，而R为气体常数。
因此，在每个储热单元中，在容器中第二反应物的最大极限温度Tm[K]等于或者大于第二反应物的临界温度Tc[K]的情况下，储热单元的耐受压强Pv被设置成满足上述关系式。即，不需要为所有储热单元提供相同的抗压结构。每个储热单元可以设有与各个耐受压强Pv相当的抗压结构。
在根据第九方面的化学蓄热器中，第(N-1)级储热单元和第N级储热单元被构造成使得在第(N-1)级储热单元中所产生的热量Qr(N-1)和在第N级储热单元中所产生的热量QrN满足以下关系式：
Qr(N-1)·ΔHr/ΔHe＜QrN＜{Qr(N-1)-Qr(N-1)HM·(Ta(N-1)-Tair)-QeNHM·(TaN-Tair)}·ΔHr/ΔHe
其中，ΔHr为用于从第一反应物和第二反应物产生化合物的反应的反应热[J/mol]；ΔHe为第二反应物的蒸发的潜热[J/mol]，Qr(N-1)HM为第(N-1)级储热单元的反应器的热容量[J/K]，QeNHM为第N级储热单元的反应器的热容量[J/K]，Ta(N-1)为当第一反应物和第二反应物彼此反应时第(N-1)级储热单元的反应器的目标温度[K]，TaN为当第一反应物和第二反应物彼此反应时第N级储热单元的反应器的目标温度[K]，Tair为外部空气温度[K]，Qr(N-1)为第(N-1)级储热单元的反应器中第一反应物和第二反应物彼此反应所产生的热量[J]，而QrN为第N级储热单元的反应器中第一反应物和第二反应物彼此反应所产生的热量[J]。
在根据第十方面的化学蓄热器中，待加热物体为将热能转化成动能的热力发动机的高温部分。热力发动机包括用于加热和膨胀工作气体的高温部分和用于冷却和收缩工作气体的低温部分。
在根据第十方面的化学蓄热器中，第一反应物为氧化钙而第二反应物为水。
在此情况下，有可能仅通过两级储热单元提取温度高于外部热的输出。
附图说明
通过以下详细描述并参考附图，本发明的其它目的、特征和优势将会变得明显，附图中相同的部件由相同的参考数字表示，其中：
图1是说明根据本发明第一实施例的化学蓄热器的整体方框图；
图2是说明根据本发明第一实施例的第一反应器的分解透视图；
图3是显示根据第一实施例的放热模式下氧化钙的吸水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图；
图4是显示当氢氧化钙的温度在真空下保持一个小时所获得的脱水率的图；
图5是显示根据第一实施例的储热模式下氢氧化钙的脱水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图；
图6是显示金属氧化物的吸水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图；
图7是显示氧化镁的吸水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图；
图8是说明根据本发明第二实施例的化学蓄热器的整体方框图；
图9是说明根据本发明第三实施例的化学蓄热器的整体方框图；
图10是说明根据本发明第四实施例的化学蓄热器的整体方框图；
图11是说明根据本发明第五实施例的化学蓄热器的整体方框图；
图12是说明根据本发明第六实施例的化学蓄热器的整体方框图；
图13是说明根据本发明第七实施例的化学蓄热器的整体方框图；
图14是说明根据本发明第八实施例的化学蓄热器中放热模式下氧化钙的脱水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图；
图15是说明根据本发明第九实施例的化学蓄热器的整体方框图；
图16是说明根据本发明第十实施例的化学蓄热器的整体方框图；以及
图17是说明根据第十实施例的化学蓄热器的透视图。
具体实施方式
以下，参考图示对示例性的实施例进行描述。在以下实施例中相同的部件由相同的参考数字表示，并且不重复对其的描述。
(第一实施例)
参考图1至图7对第一实施例进行描述。根据第一实施例的化学蓄热器存储太阳热并且当需要时在热力发动机中利用所存储的热量。
图1是根据第一实施例说明化学蓄热器的整体方框图。本实施例的化学蓄热器可以在放热模式、储热模式、以及储热维持模式之间转换。在放热模式中，待加热物体通过使得第一反应物A和第二反应物B发生彼此反应以产生化合物时生成的反应热被加热。在储热模式下，通过将化合物分离为第一反应物A和第二反应物B，在反应系统外部产生的外部热被储存。在储热维持模式中，维持储存外部热的状态。
在本实施例中，氧化钙(CaO)用作第一反应物A而水用作第二反应物B。化合物为氢氧化钙。待加热物体为热力发动机，外部热为太阳热。
化学蓄热器包括第一至第M级储热单元1A、1B。这里，M为等于或大于2的整数。储热单元1A、1B中的每个具有容纳固态的氧化钙的反应器11A、11B，容纳液态的水的容器12A、12B，以及将储存在容器12A、12B中的水引导至反应器11A、11B的连接通道13A、13B。
M级储热单元1B的反应器11B，即，最后一级储热单元与待加热物体热连接。(N-1)级储热单元1A的反应器11A与N级储热单元1B的容器12B热连接。这里，N为等于或大于2并小于或等于M的整数。
在本实施例中，化学蓄热器示意性地包括第一级储热单元1A和第二级储热单元1B。即，例如储热单元1A、1B在两个级中提供。因此，在以储热单元1A、1B在两个级中提供作为例子的情况下，化学蓄热器的结构和操作将在以下进行描述。
连接通道13A、13B分别设置有打开和关闭连接通道13A、13B的第一开关阀(打开/关闭构件)14A、14B。第一开关阀14A、14B能够调节连接通道13A、13B的通路面积。
在反应器11A、11B中，分别容纳有通过太阳热加热反应器11A、11B内部的再生热交换器15A、15B。
本实施例的化学蓄热器包括：作为外部加热源的使用曲面镜将太阳光集中在安装在曲面镜前方的管上并对在管中流动的第一加热媒介加热的光热收集装置2；以及，用于使得第一加热媒介在光热收集装置2和再生热交换器15A、15B之间循环的第一加热媒介回路21。在第一加热媒介回路21中，安装有用于使第一加热媒介循环的第一加热媒介泵22。
由于这个原因，通过光热收集装置2处的太阳光(太阳热)加热的第一加热媒介被送至再生热交换器15A、15B，并且每个加热反应器11A、11B的内部通过第一加热媒介加热。
容纳在容器12A、12B中的水通过连接通道13A、13B被引导至反应器11A、11B。在反应器11A、11B中，氧化钙和水彼此反应并因此产生氢氧化钙。由于这个反应为放能反应，产生反应热。同时，当反应器11A、11B中产生的氢氧化钙通过再生热交换器15A、15B加热时，氢氧化钙分解成固态的氧化钙和液态的水(水蒸气)。
化学蓄热器包括作为冷凝部分的冷凝器3，其对氢氧化钙分解时所产生的水蒸气进行冷凝。这个冷凝器3为在水蒸气和外部空气之间执行热交换并对水蒸气进行冷凝的热交换器。
在冷凝器3的入口侧，连接有用于将从反应器11A、11B流出的水蒸气引导至冷凝器3的冷凝器入口通道31A、31B的一端。入口通道31A、31B的另一端连接到第一开关阀14A、14B和反应器11A、11B之间的连接通道13A、13B的区域。
冷凝器入口通道31A、31B分别设有打开和关闭冷凝器入口通道31A、31B的第二开关阀32A、32B。第二开关阀32A、32B能够调节冷凝器入口通道31A、31B的通道面积。
在冷凝器3的出口侧，连接有用于将在冷凝器3处冷凝的水引导至容器12A、12B的冷凝器出口通道33的一端。冷凝器出口通道33设有将从冷凝器3流出的水流分叉的分支部分34。在分支部分34分叉的一个水流被引入到一级储热单元1A的容器12A中；而另一个水流被引入到二级储热单元1B的容器12B中。
在冷凝器出口通道33的分支部分34的上游侧，放置着将水抽到容器12A、12B的水泵35。在冷凝器出口通道33的分支部分34的下游侧，分别设置有第三开关阀36A、36B，其打开和关闭冷凝器出口通道33。第三开关阀36A、36B能够调节冷凝器出口通道33的通道面积。
第一储热单元1A的容器(以后，称为第一容器12A)与容纳在第一容器12A中用于加热水的加热源热连接。在本实施例中，加热源是储存在蓄热器4中的热，蓄热器4储存由光热收集装置2收集的部分太阳热。
以下给出更加具体的描述。在第一容器12A中容纳有用于加热容纳在第一容器12A中的水的第一水加热热交换器16A。第一水加热热交换器16A与蓄热器4通过第二加热媒介回路41连接。在第二加热媒介回路41中，放置着用于使第二加热媒介循环的第二加热媒介泵42。
由于这个原因，通过储存在蓄热器4中的热被加热的第二加热媒介被送至第一水加热热交换器16A，并且第一容器12A中的水通过第二加热媒介加热。
一级储热单元1A的反应器(以下称为第一反应器11A)与二级储热单元1B的容器(以下称为第二容器12B)热连接。此外，化学蓄热器包括：放置在第一反应器11A中的第一热回收热交换器17A，放置在二级储热单元1B的容器中(以下称为第二容器12B)中的第二水加热热交换器16B，以及，使得第三加热媒介在第一热回收热交换器17A和第二水加热热交换器16B之间循环的反应热输送回路51。
第一热回收热交换器17A为通过第一反应器11A中的氧化钙和水之间的反应所产生的反应热来加热第三加热媒介的热交换器。第二水加热热交换器16B为在第一热回收热交换器17A处加热的第三加热媒介和第二容器12B中的水之间执行热交换的热交换器。由于这个原因，第一反应器11A中产生的反应热通过第三加热媒介被输送至第二水加热热交换器16B并且第二容器12B中的水由被输送的热进行加热。
第三加热媒介泵52置于反应热输送回路51中第二水加热热交换器16B的出口和第一热回收热交换器17A的入口之间。第三加热媒介泵52使得第三加热媒介在反应热输送回路51中循环。第四开关阀53放置在反应热输送回路51中第一热回收热交换器17A的出口和第二水加热热交换器16B的入口之间。第四开关阀53打开和关闭反应热输送回路51。第四开关阀53能够调节反应热输送回路51的通道面积。
储存容器54放置在反应热输送回路51中第二水加热热交换器16B的出口和第三加热媒介泵52的入口之间。储存容器54吸收第三加热媒介体积的变化。
在本实施例中，储存容器54被构造成具有足以容纳第一热回收热交换器17A和第二水加热热交换器16B中的所有第三加热媒介的大的容量。在储热模式下，这有可能将第三加热媒介保持在储存容器54中并形成第一热回收热交换器17A和第一水加热热交换器16A不填充第三加热媒介的状态。因此，可以提高化学蓄热器的工作效率。
二级储热单元1B的反应器(以下称为第二反应器11B)与作为待加热物体的热力发动机6热连接。
具体地，化学蓄热器包括：放置在第二反应器11B中的第二热回收热交换器17B，以及使得第四加热媒介在第二热回收热交换器17B和热力发动机6之间循环的热输出回路61。第二热回收热交换器17B为通过第二反应器11B中的氧化钙和水之间的反应所产生的反应热加热第四加热媒介的热交换器。由于这个原因，第二反应器11B中所产生的反应热通过第四加热媒介被输送至热力发动机6。
第四加热媒介泵62放置在热输出回路61中的第二热回收热交换器17B的出口和热力发动机6的入口之间。第四加热媒介泵62使第四加热媒介在热输出回路61中循环。
以下给出第一和第二反应器11A、11B和第一和第二容器12A、12B的具体构造的描述。第一和第二反应器11A、11B和第一和第二容器12A、12B具有大体相同的构造。因此，第一反应器11A的构造将在以下进行描述而省略对第二反应器11B和第一和第二容器12A、12B的描述。
图2是说明化学蓄热器的第一反应器11A的分解透视图。如图2所示，第一反应器11A形成为圆筒形形状并且具有双管结构。
具体地，第一反应器11A包括：形成内反应器空间110的内壁部分111，氧化钙容纳在其中；以及，形成第一反应器11A的轮廓的外壁部分112。内壁部分111设置在最内侧并且大体形成为圆筒形形状。外壁部分112设置在内壁部分111外侧并大体形成为大于内壁部分111的圆筒形形状。
在内壁部分111和外壁部分112之间，设置有使内反应器空间110绝缘的绝热层113。绝热层113通过排空内壁部分111和外壁部分112之间的空间或者用隔热材料或空气填充内壁部分111和外壁部分112之间的空间而形成。这抑制了将热释放到第一反应器11A的外部并因此可以提高化学蓄热器的工作效率。
再生热交换器15A通过螺旋地缠绕第一加热媒介管150而形成，第一加热媒介在内反应器空间110中数次流经第一加热媒介管150。类似地，第一热回收热交换器17A通过螺旋地缠绕第三加热媒介管170而形成，第三加热媒介在内反应器空间110中数次流经第三加热媒介管170。在本实施例中，再生热交换器15A和第一热回收热交换器17A设有双螺旋结构，其中第一加热媒介管150和第三加热媒介管170以双螺旋形式被缠绕，两者之间保持大体恒定的距离。
接着，结合图1描述具有上述构造的本实施例的操作。首先，描述放热模式下的操作。
在放热模式下，第一和第四开关阀14A、14B、53完全打开，第二和第三开关阀32A、32B、36A、36B完全闭合，第二至第四加热媒介泵42、52、62处于工作中而第一加热媒介泵22和水泵35停止。因此，第一容器12A中的水由储存在蓄热器4中的热加热并蒸发，产生的水蒸气通过连接通道13A流入第一反应器11A。在第一反应器11A中，容纳在第一反应器11A中的氧化钙和来自第一容器12A的水蒸汽互相反应。结果，生成氢氧化钙并产生反应热。
上述反应期间在第一反应器11A中产生的反应热通过第三加热媒介被传送至第二容器12B。因此，容纳在第二容器12B中的水被所述热加热并蒸发。作为第二容器12B中的蒸发结果所获得的水蒸气经过连接通道13B流入第二反应器11B。在第二反应器11B中，容纳在第二反应器11B中的氧化钙和来自第二容器12B的水蒸汽互相反应。结果，生成氢氧化钙并产生反应热。在此反应期间所产生的反应热经第四加热媒介被输送至热力发动机6。
在放热模式下发生在第一和第二反应器11A、11B中的反应由以下化学式1表示：
(化学式1)
CaO+H2O→Ca(OH)2
接着，描述储热模式下的操作。储热模式在放热模式之后执行。
在储热模式中，第二开关阀32A、32B完全打开，第一、第三和第四开关阀14A、14B，36A、36B、53完全闭合，第一加热媒介泵22处于工作中，而第二至第四加热媒介泵42、52、62和水泵35停止。因此，第一和第二反应器11A、11B中的氢氧化钙被在光热收集装置2处所收集的太阳热加热并分解成氧化钙和水蒸气。结果，第一和第二反应器11A、11B中的氢氧化钙再生成氧化钙。结果，可以储存太阳热。
在储热模式下发生在第一和第二反应器11A、11B中的反应由以下化学式2表示：
(化学式2)
Ca(OH)2→CaO+H2O↑
同时，第一和第二反应器11A、11B中的产生的水蒸气经冷凝器入口通道31A、31B流入冷凝器3。流入冷凝器3的水蒸气被外部空气冷却和冷凝并保留在冷凝器3中。
接着，描述储热维持模式下的操作。储热维持模式在储热模式后进行。
在储热维持模式下，除了第二开关阀32A、32B完全闭合之外，开关阀和泵的设定与在储热模式下是相同的。因此，氧化钙和水在空间上彼此隔离并因此可以维持储热状态。
此时，第三开关阀36A、36B完全打开而水泵35操作。保持在冷凝器3中的水因而可以通过冷凝器出口通道33回到第一和第二容器12A、12B。在保持在冷凝器3中的水全部回到第一和第二容器12A、12B以后，第三开关阀36A、36B完全闭合而水泵35停止。
使保持在冷凝器3中的水回到第一和第二容器12A、12B的上述步骤不仅可以在储热维持模式下进行，还可以在放热模式和储热模式下进行。
图3是显示根据本实施例的放热模式下氧化钙的吸水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图。图3中，横轴表示温度的倒数而纵轴表示气压。在图3中，实线表示氧化钙的吸水反应的平衡线，而虚线表示水的蒸汽-液体平衡线。
如图3所示，当第一容器12A中的水在放热模式下加热至80摄氏度(℃)时，第一容器12A中的压强达到a点。接着，与第一容器12A通过连接通道13A连通的第一反应器11A中的压强大体等于第一容器12A中的压强。因此，与由上述化学式1表示的反应(吸水反应)相应，第一反应器11A中氧化钙的温度升至约430℃(b点)。
第一反应器11A中所产生的热在第一热回收热交换器17A中回收。所回收的热经反应热输送回路51中的第三加热媒介通过第二水加热热交换器16B传至第二容器12B的水中。
此时，由于热传递而引起的温差在第一反应器11A和第二容器12B之间产生。在此实施例中，第一反应器11A和第二容器12B之间的温差约为100℃。在此情况下，第二容器12B中的水温约为330℃。因此，c点所示的第二容器12B中水的蒸汽压变为约10Mpa。与第二容器12B通过连接通道13B连通的第二反应器11B中的压强大体等于第二容器12A中的压强。
因此，与由上述化学式1表示的反应(吸水反应)相应，第二反应器11B中氧化钙的温度升至约为770℃(d点)。在此反应期间的反应热在第二热回收热交换器17B中回收，并且所回收的热在热力发动机6中利用。
图4是显示当氢氧化钙的温度在真空下保持一个小时时获得的脱水率(再生率)的图。在图4中，横轴表示氢氧化钙的表面温度而纵轴表示脱水率。
如图4所示，通过将温度保持在等于或者大于450℃下一个小时，氢氧化钙的脱水率变为0.8或以上。因此，从应用观点上看，理想地是将氢氧化钙加热至450℃或者以上从而将第一和第二反应器11A、11B中的氢氧化钙在储热模式下再生成氧化钙。
图5是显示根据本实施例中在储热模式下氢氧化钙的脱水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图。在图5中，横轴表示温度的倒数而纵轴表示气压。在图5中，实线表示氢氧化钙的脱水反应的平衡线，而虚线表示水的蒸汽-液体平衡线。
为了在第一和第二反应器11A、11B中再生氢氧化钙，如上所述，需要将第一和第二反应器11A、11B加热至450℃或以上。如图5所示，当第一和第二反应器11A、11B中的氢氧化钙在储热模式下被加热至450℃时，引起由上述化学式2表示的反应(脱水反应)。因此，氢氧化钙被分解成氧化钙和水蒸气。此时，第一和第二反应器11A、11B中的压强为图5中的点e。
通过冷凝器入口通道31A、31B与第一和第二反应器11A、11B连通的冷凝器3中的压强变得与第一和第二反应器11A、11B中的压强大体相等。因此，当冷凝器3中的温度变成如图5中的点f所示的80℃或以下时，水蒸气被冷凝并变为(液态)水。
在本实施例中，当第一容器12A中的水加热到80℃从而在放热模式下与氧化钙反应时，如图5所示，一级储热单元1A中的压强变得与在第一容器12A中的水温下的饱和蒸汽压Pe1(大约50kPa)大体相等。
类似地，在第二容器12B中的水温在放热模式下变为330℃。因此，二级储热单元1B的压强变得与在第二容器12B中的水温下的饱和蒸汽压Pe2(大约13kPa)大体相等。
在本实施例中，第一容器12A中水的最大极限温度Tm1(80℃)小于水的临界温度Tc(374℃)。因此，一级储热单元1A的耐受压强Pv1仅需要设为高于最大极限温度Tm1下的饱和蒸汽压Pe1，即，50kPa。
在本实施例中，类似地，第二容器12B中水的最大极限温度Tm2(330℃)低于水的临界温度Tc。因此，二级储热单元1B的耐受压强Pv2仅需要设为高于最大极限温度Tm2下的饱和蒸汽压Pe2，即，13kPa。
然而，当在储热单元1A、1B的制造期间进行真空处理以在注入作为第一反应物A的水之前将储热单元1A、1B的内部形成真空时，需要将储热单元1A、1B的耐受压强Pv设定为大于大气压(即，101.3kPa)的值。因此，在本实施例中，一级储热单元1A的耐受压强Pv1设为高于101.3kPa的值。
由于这个原因，有可能使一级储热单元1A的抗压结构比二级储热单元1B的抗压结构简单。即，不必要改进所有储热单元1A、1B的抗压结构并可以实现成本的降低。
接着，考虑填充在每个储热单元1A、1B中的氧化钙的最佳填充率。
在理想的操作状态下，每个储热单元1A、1B中没有热容量。放热模式下第一储热单元1A中所产生的反应热量Qr1[J]可以全部给予第二容器12B。因此，满足如以下表达式4所示的关系：
(表达式4)
Qr1＝Qo1＝Qe2
其中，Qo1[J]为从第一反应器11A传输至第二容器12B的热量，而Qe2[J]为第二容器12B中水的蒸发所需的热量。
当第二容器12B中所蒸发的水与第二反应器11B中的氧化钙反应时，第二反应器11B中所获得的热量Qe2[J]由以下表达式5所示：
(表达式5)
Qr2＝Qe2·ΔHr/ΔHe＝Qr1·ΔHr/ΔHe
其中，ΔHr[J/mol]为氧化钙和水之间的反应所产生的反应热，而ΔHe[J/mol]为水的蒸发潜热。
因此，在没有热容量的理想操作中，理想地是使填充在一级储热单元1A中的氧化钙的量与填充在二级储热单元1B中的氧化钙的量的比例为ΔHr/ΔHe。
然而，在实际操作中，很难实现上述理想的操作状态，并且在储热单元1A、1B的每个部分基于热容量而损失一些热量。因此，氧化钙的最优填充比率根据热容量而变化。
所建立的关系通过以下表达式6和7所示：
(表达式6)
Qo1＝Qr1-Qr1HM
(表达式7)
Qr2＝{Qe2-Qe2HM·(Ta2-Tair)}·ΔHr/ΔHe
其中，Qr1HM为第一反应器11A的热容量；Qe2HM为第二容器12B的热容量；Ta1[K]为第一反应器11A中的目标温度；Ta2[K]为第二反应器11B中的目标温度；而Tair[K]为外部空气温度。
在本实施例中，第一反应器11A中的目标温度Ta1为703.15K(430℃)；第二反应器11B中的目标温度Ta2为603.15K(330℃)，而外部空气温度Tair为298.15K(25℃)。
使用上述表达式3中的Qe2＝Qo1，表达式7可以变换成以下的表达式8。
(表达式8)
Qr2＝{Qr1-Qr1HM·(Ta1-Tair)-Qe2HM·(Ta2-Tair)}·ΔHr/ΔHe
因此，理想地是设定填充在储热单元1A、1B中的氧化钙的数量比，使得热量Qr2满足以下表达式9所示的关系：
(表达式9)
Qr1·ΔHr/ΔHe＜Qr2＜{Qr1-Qr1HM·(Ta1-Tair)-Qe2HM·(Ta2-Tair)}·ΔHr/ΔHe
在本实施例中，氧化钙用于用作化学热储存媒质的第二反应物B。然而，有可能使用诸如氧化镁(MgO)、氧化锰(MnO)、氧化铜(II)(CuO)以及氧化铝(Al2O3)的金属氧化物作为化学热储存媒质。
图6是显示上述金属氧化物的吸水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图。在图6中，横轴表示温度的倒数而纵轴表示平衡压强。
在图6中，多种金属氧化物的吸水反应的平衡线中，氧化钙的吸水反应的平衡线离水的蒸汽-液体平衡线最远。因此，如图3所示，仅通过提供二级储热单元1A、1B，就可以将温度提高到理想温度(770℃)。
同时，多种金属氧化物的吸水反应的平衡线中，紧次于氧化钙的吸水反应的平衡线，氧化镁的吸水反应的平衡线离水的蒸汽-液体平衡线最远。图7是显示氧化镁的吸水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图。在图7中，横轴表示温度的倒数而纵轴表示气压。
当氧化镁作为化学热储存媒质使用时，如图7所示，即使将储热单元排成四级，也仅可以使温度上升至约450℃。在此情况下，由于储热单元的级数增加，热的利用效率降低。因此，通过象本实施例中一样使用氧化钙作为化学热储存媒质，储热单元的级数可以减少从而降低制造成本并进一步确保增加输出温度。
根据本实施例，在放热模式中，一级储热单元1A的第一反应器11A中所产生的反应热被输送至二级储热单元1B的第二容器12B。被所述热加热并蒸发的水流入二级储热单元1B的第二反应器11B中并与氧化钙反应以再次产生反应热。二级储热单元1B(即最后一级储热单元)的第二反应器11B与热力发动机6热连接。因此，在热力发动机6处可以利用温度高于作为外部热的太阳热的温度的热(770℃)。
在放热模式中，如上所述，只要存在来自蓄热器4的热，就可以提取输出，蓄热器4提供温度低于太阳热的热(80℃)。即，在放热期间，甚至没有作为外部热的太阳热，也可以输出温度高于太阳热的热。
(第二实施例)
以下将结合图8描述第二实施例。第二实施例与第一实施例的区别在于没有冷凝器入口通道和冷凝器出口通道，取而代之的是，通过制冷剂，第一和第二反应器11A、11B中的所产生的水蒸气的热与外部空气进行交换。
图8是说明根据第二实施例的化学蓄热器的整体方框图。如图8所示，本实施例的化学蓄热器被构造成：在储热模式下，第一和第二反应器11A、11B中所产生的水蒸气通过连接通道13A、13B流入第一和第二容器12A、12B。
本实施例的化学蓄热器包括：放置在第一和第二容器12A、12B中的冷凝热交换器37A、37B，放置在储热单元1A、1B外的制冷剂冷却器30，以及，使制冷剂在冷凝热交换器37A、37B和制冷剂冷却器30之间循环的制冷剂回路38。
冷凝热交换器37A、37B是执行蒸汽和制冷剂之间的热交换以在储热模式下冷却和冷凝水蒸气的热交换器。制冷剂冷却器30是执行制冷剂和外部空气之间的热交换以冷却制冷剂的热交换器。在制冷剂回路38中，设置有用于使制冷剂循环的制冷剂泵39。
接着，描述本实施例的操作。在储热模式下，通过连接通道13A、13B被引入第一和第二容器12A、12B的水蒸气在冷凝热交换器37A、37B处被冷却和冷凝，并且被保持在第一和第二容器12A、12B中。在冷凝热交换器37A、37B中从水蒸气吸收热的制冷剂通过制冷剂回路38流入制冷剂冷却器30中。被引入制冷剂冷却器30的制冷剂与外部空气热交换从而被冷却。
根据本实施例，第一和第二反应器11A、11B中所产生的水蒸气可以在第一和第二容器12A、12B中被冷凝。因此，取得与第一实施例类似的优点，而不用采用用于使被冷凝装置冷凝的水回到第一和第二容器12A、12B的通道和水泵。
(第三实施例)
结合图9描述第三实施例。第三实施例与第一实施例的区别在于第一反应器11A中所产生的部分反应热作为用于加热容纳在第一容器12A中的水的加热源使用。
图9是说明根据第三实施例的化学蓄热器的整体方框图。如图9所示，本实施例的化学蓄热器包括：设置在第一反应器11A中的热源热交换器43，设置在第一容器12A中的第一水加热热交换器16A，以及，使加热媒介在热源热交换器43和第一水加热热交换器16A之间循环的第五加热媒介回路44。
热源热交换器43是通过氧化钙和水在第一反应器11A中彼此反应时所产生的反应热来加热第五加热媒介的热交换器。第一水加热热交换器16A是执行容纳在第一容器12A中的水和第五加热媒介之间的热交换以加热和蒸发水的热交换器。在第五加热媒介回路44中，设置着使第五加热媒介循环的第五加热媒介泵45。
接着，描述本实施例的操作。在放热模式下，氧化钙和水在第一反应器11A中彼此反应时所产生的反应热通过第五加热媒介被传送至第一容器12A中的水。结果，水被加热并被蒸发。第一容器12中所产生的水蒸气通过连接通道13A流入第一反应器11A并与氧化钙反应。结果，产生反应热。
根据本实施例，容纳在第一容器12A中的水通过第一反应器11A中所产生的部分反应热被加热。因此，不需要单独地提供加热源并因此可以通过简单构造获得与第一实施例类似的优点。在放热模式下，根本不需要外部加热源。因此，本实施例中的化学蓄热器可以应用在各种系统中。
(第四实施例)
结合图10描述第四实施例。第四实施例与第一实施例的区别在于第二容器12B中存在的热作为用于加热容纳在第一容器12A中的水的加热源使用。
图10是说明根据第四实施例的化学蓄热器的整体方框图。如图10所示，本实施例中的反应热输送回路51被构造成使第三加热媒介从第一热回收热交换器17A循环到第二水加热热交换器16B并循环到第一水加热热交换器16A。第一水加热热交换器16A设置在第三加热媒介泵52的出口和第一热回收热交换器17A的入口之间。
接着，描述本实施例的操作。在放热模式下，在反应热输送回路51中循环的第三加热媒介在第一热回收热交换器17A处吸收第一反应器11A中所产生的反应热。此后，在第二水加热热交换器16B处，在第一热回收热交换器17A处所吸收的部分热量被释放到第二容器12B的水中。
此后，在第一水加热热交换器16A处，热量被释放到第一容器12A的水中。该热量等于从在第一热回收热交换器17A处所吸收的热量中减去第二水加热热交换器16B处释放的热量所获得的值。因此，第一容器12A中的水被加热并被蒸发，而该水蒸气通过连接通道13A流入第一反应器11A并与氧化钙反应。结果，产生反应热。
根据本实施例，容纳在第一容器12A中的水可以通过被输送至第二容器12B的部分热被加热。因此，不需要单独地提供加热源并且因此可以通过简单构造获得与第一实施例类似的优点。在放热模式下，根本不需要外部加热源。因此，本实施例中的化学蓄热器可以应用在很宽范围的系统中。
(第五实施例)
结合图11描述第五实施例。第五实施例与第一实施例的区别在于当水蒸气在冷凝器3中冷凝时所产生的冷凝热作为用于加热容纳在第一容器12A中的水的加热源使用。
图11是说明根据第五实施例的化学蓄热器的整体方框图。如图11所示，本实施例中的冷凝器3包括储存当第一和第二反应器11A、11B中所产生的水蒸气被冷凝时所生成的冷凝热的储热媒质300。第一水加热热交换器16A通过第二加热媒介回路41连接至冷凝器3。因此，第一容器12A中的水可以经第一水加热热交换器16A通过储存在冷凝器3的储热媒质300中的热被加热。也就是，本实施例的冷凝器3提供加热源。
根据本实施例，容纳在第一容器12A中的水可以通过当第一和第二反应器11A、11B中所产生的水蒸气被冷凝时所生成的冷凝热被加热。因此，可以通过冷凝器3仅设有储热媒质300的这种简单构造获得与第一实施例类似的优点。由于在第一实施例中被排放至外部空气的冷凝热可以作为加热源被有效利用，因此可以提高热的利用效率。
(第六实施例)
结合图12描述第六实施例。第六实施例与第五实施例的区别在于光热收集装置2和作为加热源的储热媒质300彼此热连接，这样，光热收集装置2的热可以储存在储热媒质300中。
图12是说明根据本发明第六实施例的化学蓄热器的整体方框图。如图12所示，本实施例中的冷凝器3包括：与冷凝器3热连接的储热热交换器301；以及，使第六加热媒介在储热热交换器301和光热收集装置2之间循环的第六加热媒介回路23。储热热交换器301是在光热收集装置2处所加热的第六加热媒介和储热媒质300之间实现热交换的热交换器。因而，其将存在于第六加热媒介中的热送至储热媒质300。
第六开关阀24设置在第六加热媒介回路23中光热收集装置2的出口和储热热交换器301的入口之间。第六开关阀24打开和关闭第六加热媒介回路23。第六加热媒介泵25设置在第六加热媒介回路23中储热热交换器301的出口和光热收集装置2的入口之间。第六加热媒介泵25使第六加热媒介在第六加热媒介回路23中循环。
根据本实施例，当收集在光热收集装置2中的太阳能多余时，第六开关阀24打开而第六加热媒介泵25工作，因而，收集在光热收集装置2中的太阳热通过第六加热媒介储存在储热媒质300中。因此，可以有效利用收集在光热收集装置2中的太阳热以提高热的利用效率。
(第七实施例)
结合图13描述第七实施例。第七实施例与第一实施例的区别在于待加热物体为斯特林发动机(Stirling engine)的高温部分。
图13是说明根据本发明第七实施例的化学蓄热器的整体方框图。如图13所示，本实施例中的化学蓄热器与利用储存在化学蓄热器中的热的热利用装置70连接。这个热利用装置70包括作为热力发动机的将热能转化为机械能的斯特林发动机71。斯特林发动机71包括用于加热和膨胀工作气体的高温部分71a和用于冷却和收缩工作气体的低温部分71b。
斯特林发动机71的高温部分71a设有高温部分热交换器711。高温部分热交换器711连接至热输出回路61并在第二热回收热交换器17B处所加热的第四加热媒介和工作气体之间实现热交换，因而加热工作气体。
斯特林发动机71的低温部分71b与容纳液态第三反应物C的第三反应物容纳部分72热连接。具体地，热利用装置70包括：设置在斯特林发动机71的低温部分71b中的低温部分热交换器712，设置在第三反应物容纳部分72中的第三反应物热交换器721，以及，使第七加热媒介在低温部分热交换器712和第三反应物热交换器721之间循环的第七加热媒介回路721。
低温部分热交换器712为在工作气体和第七加热媒介之间实现热交换从而冷却工作气体的热交换器。第三反应物热交换器721为在第七加热媒介和第三反应物C之间实现热交换从而将由低温部分热交换器712处的第七加热媒介所吸收的热释放至第三反应物C的热交换器。结果，第三反应物C被第七加热媒介加热和蒸发。
第三反应物容纳部分72与第三反应物通道751连接，第三反应物通道751将在第三反应物容纳部分72处蒸发的第三反应物C引导至容纳固态第四反应物D的第四反应物容纳部分74。在第三反应物通道751中，设置有打开和关闭第三反应物通道751的第三反应物通道开关阀752。
在本实施例中，水作为第三反应物C使用，氧化钙作为第四反应物D使用。结果，在第四反应物容纳部分74中，发生由上述化学反应式1表示的化学反应，并且在这个反应期间产生反应热。
在第四反应物容纳部分74中，设置有用于在上述反应期间释放第四反应物容纳部分74处所产生的反应热的放热热交换器741。具体地，放热热交换器741为将反应热释放到放热加热媒介的热交换器。
放热热交换器741连接至用于使放热加热媒介循环的放热加热媒介回路761。在放热加热媒介回路761中，设置有加热媒介冷却热交换器76。加热媒介冷却热交换器76在放热热交换器741处吸收反应热的放热加热媒介和外部空气之间实现热交换以冷却放热加热媒介。
在第四反应物容纳部分74中，设置着加热由上述化学反应式1所表示的化学反应期间所产生的氢氧化钙以将氢氧化钙分解成氧化钙和水的再生热交换器742。再生热交换器742连接至第一加热媒介回路21，第四反应物容纳部分74中的氢氧化钙由光热收集装置2处的太阳热加热的第一加热媒介加热。
第四反应物容纳部分74连接将从氢氧化钙中分解而来的水(水蒸气)引导到冷凝热交换器77中的冷凝通道771。在冷凝通道771中，设置有打开和关闭冷凝通道771的冷凝通道开关阀772。
冷凝热交换器77是在从氢氧化钙中分解而来的水与外部空气之间实现热交换以冷却和冷凝水蒸气的热交换器。冷凝热交换器77被构造成将在冷凝热交换器77处所冷凝的水保持在其中。
冷凝热交换器77连接将保持在冷凝热交换器77中的水引导至第三反应物容纳部分72的回流通道781。在回流通道781中，设置有打开和关闭回流通道781的回流通道开关阀782。
以下结合图13描述具有上述构造的本实施例的操作。首先，描述放热模式下的操作。
在放热模式下，在化学蓄热器中加热的第四加热媒介被送至高温部分热交换器711，斯特林发动机71的高温部分71a被加热。第三反应物通道开关阀752完全打开而冷凝通道开关阀772和回流通道开关阀782完全关闭。此外，第四反应物容纳部分74由放热加热媒介冷却。因此，第三反应物容纳部分72中的水经过第三反应物通道751流入第四反应物容纳部分74，并且发生由上述化学表达式1所示的化学反应。
此时，在第三反应物热交换器721处，第七加热媒介通过第三反应物容纳部分72中的水被蒸发时所生成的蒸汽热被冷却，并且其温度变得小于外部空气的温度。结果，斯特林发动机71的低温部分71b在低温部分热交换器712处由温度小于外部空气的第七加热媒介冷却。
因此，在放热模式下，由于斯特林发动机71的高温部分71a可以被加热至大约770℃，而低温部分71b被冷却至小于外部空气的温度的温度。因此，可以将热能有效地转化为机械能。
接着，描述储热模式下的操作。在储热模式下，第三反应物通道开关阀752和回流通道开关阀782完全关闭，冷凝通道开关阀772完全打开，而且，第一加热媒介泵22被致动。因此，第四反应物容纳部分74中的氢氧化钙被在再生热交换器742处的太阳热加热的第一加热媒介加热，并且因此被分解成氧化钙和水蒸气。所述水蒸气通过冷凝通道771流入冷凝热交换器77并且接着在冷凝热交换器77处被外部空气冷却和冷凝。
接着，描述储热维持模式下的操作。在储热维持模式下，冷凝通道开关阀772也完全关闭。结果，可以储存太阳热。
此时通过完全打开回流通道开关阀782，保持在冷凝热交换器77处的水可以通过回流通道781回流至第三反应物容纳部分72。在保持在冷凝热交换器77处的水全部回流至第三反应物容纳部分72以后，回流通道开关阀782完全关闭。
上述将保持在冷凝热交换器77处的水回流至第三反应物容纳部分72的步骤不仅可以在储热维持模式下进行，还可以在放热模式和储热模式下进行。
根据本实施例，可以取得与第一实施例类似的优点，并且还可以将热能有效转化成机械能。
(第八实施例)
以下结合图14描述第八实施例。第八实施例与第一实施例的区别在于放热模式下第一容器12A的加热温度。
图14是说明第八实施例中放热模式下氧化钙的脱水反应的平衡线以及水的蒸汽-液体平衡线的图。在图14中，横轴表示温度的倒数而纵轴表示气体压强。在图14中，实线表示氧化钙的吸水反应的平衡线而虚线表示水的蒸汽-液体平衡线。
如图14所示，当第一容器12A中的水在放热模式下被加热至120℃时，第一容器12A中的压强达到大约200kPa，如图中a点所示。因此，通过连接通道13A与第一容器12A连通的第一反应器11A中的压强变得与第一容器12A中的压强大体相等。这样，与上述化学反应式1所示的反应(吸水反应)相关，第一反应器11A中氧化钙的温度升至大约500℃，如图14中的b点所示。
第一反应器11A中所产生的热通过第三加热媒介被传递至第二容器12B中的水。此时，基于热传递，在第一反应器11A和第二容器12B之间产生大约100℃的温差。因此，第二容器12B中的水温变为大约400℃。此时，通过连接通道13B与第二容器12B连通的第二反应器11B中的压强变为与第二容器12B中的压强大体相等。因此，与上述化学反应式1所示的反应(吸水反应)相关，第二反应器11B中氧化钙的温度升至大约850℃，如图14中的d点所示。
在本实施例中，第二容器12B中水的最大极限温度Tm2(图14中的c点)高于水的临界温度Tc(374℃)。因此，二级储热单元1B的抗压结构不能制成等同于第一实施例中的抗压结构。
第二容器12B中的水压(Paq)由以下表达式10表示，其中，n为第二容器12B中水的分子量[mol]，Vm为第二容器(12B)的容积[m3]，z为压缩因数，而R为气体常数(R＝8.314[J/(molK)])。
(表达式10)
Paq＝znRTm2/Vm
因此，为了保持储热单元1B的结构，需要使二级储热单元1B的耐受压强Pv2[Pa]大于Paq。也就是，需要将二级储热单元1B的耐受压强Pv2设定为满足如下表达式11所表示的关系：
(表达式11)
Pv2＞znRTm2/Vm
本实施例中当二级储热单元1B的第二容器12B中水的最大极限温度Tm2等于或者高于水的临界温度Tc时，二级储热单元1B的耐受压强Pv被设成满足由上述表达式11所表示的关系。
(第九实施例)
结合图15描述第九实施例。第九实施例与第七实施例的区别在于：当氧化钙和水在第四反应物容纳部分74处彼此反应时所产生的反应热作为用于加热容纳在第一容器12A中的水的加热源使用。
图15是根据第九实施例的化学蓄热器的整体方框图。如图15所示，根据本实施例的化学蓄热器包括用于使放热加热媒介在放热热交换器741和第一水加热热交换器16A之间循环的放热加热媒介回路761。因此，在放热模式下，当氧化钙和水在第四反应物容纳部分74处彼此反应时所产生的反应热在放热热交换器741处被吸入放热加热媒介中，并且，反应热在第一水加热热交换器16A处被释放到第一容器12A的水中以加热水。
在放热加热媒介回路761中，设置着用于使放热加热媒介循环的放热加热媒介泵762以及打开和关闭放热加热媒介回路761的放热加热媒介回路开关阀762。
根据本实施例，容纳在第一容器12A中的水能够被由第四反应物容纳部分74处所产生的反应热加热。因此，不需要单独地提供加热源并且通过简单构造可以获得第七实施例的效果。在放热模式中，根本不需要外部加热源，并且本实施例的化学蓄热器可以应用到更宽范围的系统中。
在第七实施例中，在第四反应物容纳部分74处所产生的反应热被排放至外部空气。在本实施例中，另一方面，反应热可以作为加热源有效利用。因此，可以提高热的利用效率。
(第十实施例)
结合图16和17描述第十实施例。第十实施例与第一实施例的区别之处在于：设置在第一和第二反应器11A、11B中的每个中的再生热交换器和热回收热交换器被构造成单个热交换器，以及，使加热媒介被送至单个热交换器的加热媒介回路由电动三通阀切换。
图16是说明根据第十实施例的化学蓄热器的整体方框图。图17是说明根据第十实施例的化学蓄热器的透视图。
第一反应器11A在其中设有第一热交换器181，代替再生热交换器15A和第一热回收热交换器17A，第一热交换器181用于在第一反应器11A中的物质(例如氧化钙或氢氧化钙)和第八加热媒介之间实现热交换。第二反应器11B在其中设有第二热交换器182，代替再生热交换器15A和热回收热交换器17B，第二热交换器182在第二反应器11B中的物质(例如氧化钙或氢氧化钙)和第八加热媒介之间实现热交换。第二容器12B在其中设有第三热交换器183，第三热交换器183在第二容器12B中的物质(例如水)和第八加热媒介之间实现热交换。
本实施例的化学蓄热器包括使第八加热媒介在光热收集装置2、第一至第三热交换器181-183、以及热力发动机6中循环的第八加热媒介回路80。在第八加热媒介回路80中的光热收集装置2的出口侧连接有用于使第八加热媒介在第八加热媒介回路80中循环的第一泵81。
在第一泵81的加热媒介出口侧设置有使流出第一泵81的第八加热媒介流分叉的分支部分82。在分支部分82分叉的一支第八加热媒介流被引导流入第一电动三通阀83中，而另一支第八加热媒介流被引导流入第二电动三通阀84中。
第一和第二电动三通阀83和84为加热媒介回路转换装置，其操作通过由控制装置(未显示)输出的控制电压控制。
例如，在供给电力的赋能状态下，第一电动三通阀83将加热媒介回路切换至允许光热收集装置2的加热媒介出口侧和第一热交换器181的第一加热媒介流入/流出部分181a之间连通的加热媒介回路。在电力供给停止的未赋能状态下，第一电动三通阀83将加热媒介回路切换至允许第一热交换器181的第一加热媒介流入/流出部分181a和第三热交换器183的加热媒流入部分183a之间连通的加热媒介回路。
在供给电力的赋能状态下，第二电动三通阀84将加热媒介回路切换至允许光热收集装置2的加热媒介出口侧和第二热交换器182的第一加热媒介流入/流出部分182a之间连通的加热媒介回路。在电力供给停止的未赋能状态下，第二电动三通阀84将加热媒介回路切换至允许第二热交换器182的第一加热媒介流入/流出部分182a和第二泵85的加热媒介入口侧之间连通的加热媒介回路。
第二泵85被采用以使第八加热媒介在第八加热媒介回流80中循环。第二泵85的加热媒介出口侧连接至热力发动机6的加热媒介入口侧。
第三热交换器183的加热媒介流出部分183b与吸收第八加热媒介体积变化的储存容器86连通。储存容器86的加热媒介出口侧与用于使第八加热媒介在第八加热媒介回路80中循环的第三泵87的加热媒介入口侧连通。
第三泵87的加热媒介出口侧与第三电动三通阀88连通。第三电动三通阀88为加热媒介回路转换装置，其操作通过由控制装置(未显示)输出的控制电压控制。
例如，在供给电力的赋能状态下，第三电动三通阀88将加热媒介回路切换至允许第一热交换器181的第二加热媒介流入/流出部分181b和光热收集装置2的加热媒介入口侧之间连通的加热媒介回路。在电力供给停止的未赋能状态下，第三电动三通阀88将加热媒介回路切换成允许第三泵87的加热媒介出口侧和第一热交换器181的第二加热媒介流入/流出部分181b之间连通的加热媒介回路。
第二热交换器182的第二加热媒介流入/流出部分182b连接第四电动三通阀89。第四电动三通阀89为加热媒介回路转换装置，其操作通过由控制装置(未显示)输出的控制电压控制。
例如，在供给电力的赋能状态下，第四电动三通阀89将加热媒介回路切换至允许第二热交换器182的第二加热媒介流入/流出部分182b和光热收集装置2的加热媒介入口侧之间连通的加热媒介回路。在电力供给停止的未赋能状态下，第四电动三通阀89将加热媒介回路切换至允许热力发动机6的加热媒介出口侧和第二热交换器182的第二加热媒介流入/流出部分182b之间连通的加热媒介回路。
接着，结合图16描述具有上述构造的本实施例的操作。首先，描述放热模式下的操作。
在放热模式下，第一开关阀14A、14B完全打开，第二和第三开关阀32A、32B，36A、36B完全关闭；第二加热媒介泵42和第二和第三泵85、87致动，而第一泵81和水泵35停止。
此外，在放热模式下，第一电动三通阀83将加热媒介回路转换至第一热交换器181的第一加热媒介流入/流出部分181a和第三热交换器183的加热媒介流入部分183a彼此连通的加热媒介回路。第三电动三通阀88将加热媒介回路转换至第三泵87的加热媒介出口侧和第一热交换器181的第二加热媒介流入/流出部分181b彼此连通的加热媒介回路。
结果，如图16中的实线箭头所示，第八加热媒介通过其以下述方式循环的加热媒介回路构造为：第三泵87→第三电动三通阀88→第一热交换器181→第一电动三通阀83→第三热交换器183→储存容器86→第三泵87。
此外，在放热模式下，第二电动三通阀84将加热媒介回路转换至第二热交换器182的第一加热媒介流入/流出部分182a和第二泵85的加热媒介入口侧彼此连通的加热媒介回路。第四电动三通阀89将加热媒介回路转换至热力发动机6的加热媒介出口侧和第二热交换器182的第二加热媒介流入/流出部分182b彼此连通的加热媒介回路。
结果，如图16中的实线箭头所示，第八加热媒介通过其以下述方式循环的加热媒介回路构造为：第二泵85→热力发动机6→第四电动三通阀89→第二热交换器182→第二电动三通阀84→第二泵85。
因此，第一容器12A中的水通过储存在蓄热器4中的热加热和蒸发，所产生的水蒸气通过连接通道13A流入第一反应器11A中。在第一反应器11A中，容纳在第一反应器11A中的氧化钙和流自第一容器12A的水蒸气彼此反应。结果，产生氢氧化钙并生成反应热。
第一反应器11A中上述反应期间所生成的反应热通过第八加热媒介被输送至第二容器12B，并且因此，容纳在第二容器12B中的水通过所述热被加热并蒸发。在第二容器12B中蒸发的水蒸气通过连接通道13B流入第二反应器11B。在第二反应器11B中，容纳在第二反应器11B中的氧化钙和流自第二容器12B的水蒸气彼此反应。结果，产生氢氧化钙并生成反应热。在此反应期间所生成的反应热通过第八加热媒介被输送至热力发动机6。
接着，描述储热模式下的操作。在放热模式以后执行储热模式。
在储热模式下，第二开关阀32A、32B完全打开，第一、第三和第四开关阀14A、14B，36A、36B完全关闭；第一泵81致动，而第二加热媒介泵42、第二和第三泵85，87和水泵35停止。
此外，在储热模式下，第一电动三通阀83将加热媒介回路转换至使第一热交换器181的第一加热媒介流入/流出部分181a和光热收集装置2的加热媒介出口侧彼此连通的加热媒介回路。第三电动三通阀88将加热媒介回路转换至使第一热交换器181的第二加热媒介流入/流出部分181b和光热收集装置2的加热媒介入口侧彼此连通的加热媒介回路。
结果，如图16中的虚线箭头所示，第八加热媒介通过其循环的加热媒介回路以以下方式构造：第一泵81→分支部分82→第一电动三通阀83→第一热交换器181→第三电动三通阀88→光热收集装置2→第一泵81。
此外，在储热模式下，第二电动三通阀84将加热媒介回路转换至使光热收集装置2的加热媒介出口侧和第二热交换器182的第一加热媒介流入/流出部分182a彼此连通的加热媒介回路。第四电动三通阀89将加热媒介回路转换至使第二热交换器182的第二加热媒介流入/流出部分182b和光热收集装置2的加热媒介入口侧彼此连通的加热媒介回路。
结果，如图16中的虚线箭头所示，第八加热媒介通过其循环的加热媒介回路以以下方式构造：第一泵81→分支部分82→第二电动三通阀84→第二热交换器182→第四电动三通阀89→光热收集装置2→第一泵81。
因此，第一和第二反应器11A、11B中的氢氧化钙被通过光热收集装置2所收集的太阳热加热，并且因此分解成氧化钙和水蒸气。因此，第一和第二反应器11A、11B中的氢氧化钙再生成氧化钙。以此方式，可以储存太阳热。
同时，第一和第二反应器11A、11B中所产生的水蒸气经冷凝器入口通道31A、31B流入冷凝器3。流入冷凝器3的水蒸气被外部空气冷却和冷凝并被保持在冷凝器3中。
本实施例中的储存容器86具有足以在储热模式下容纳存在于由第一电动三通阀83和第三电动三通阀88闭合的部分第八加热媒介回路80中的全部第八加热媒介的容积。因此，在储热模式下，存在于所述闭合回路部分中的第八加热媒介保持在储存容器86中，并且，建立第一热交换器181和第三热交换器183不填充第八加热媒介的状态。因此，可以提高化学蓄热器的工作效率。
接着，描述储热维持模式下的操作。储热维持模式在储热模式后进行。
储热维持模式与储热模式的区别在于第二开关阀32A、32B完全闭合。其它开关阀和泵设置成与储热模式下的状态相同的状态。因此，氧化钙和水在空间上彼此隔离，并且因此可以维持储热状态。
此时，第三开关阀36A、36B完全打开，水泵35工作。保持在冷凝器3中的水因而可以通过冷凝器出口通道33回到第一和第二容器12A、12B。在保持在冷凝器3中的水完全回到第一和第二容器12A、12B以后，第三开关阀36A、36B完全闭合而水泵35停止。
使保持在冷凝器3中的水回到第一和第二容器12A、12B的上述步骤不仅可以在储热维持模式下进行，还可以在放热模式和储热模式下进行。
根据本实施例，可以将每个第一和第二反应器11A、11B中的热交换器的数量减至一个，因此，可以通过简单构造获得与第一实施例类似的优点。
(其它实施例)
本发明不限于上述示例性实施例，但是可以在不偏离本发明的精神的情况下以各种其它方式实现。例如，本发明可以以以下方式实现：
(1)在上述实施例中，太阳热示例性作为外部热使用，而热力发动机6示例性作为待加热物体使用。作为另一例子，从工厂等排放出的废热可以作为外部热使用，而热电式传感器或重整装置(reformer)可以作为待加热物体使用。
(2)在上述实施例中，储热单元1A、1B示例性地被设置为两级。作为另一例子，可以设置三级或更多级储热单元。
(3)在上述第七和第九实施例中，水示例性地作为第三反应物C使用，而氧化钙示例性作为第四反应物D使用。可替换地，可以由温度低于外部空气的温度的第七加热媒介冷却的各种物质的组合作为第三反应物C和第四反应物D的组合使用。
例如，吸收剂，例如沸石、硅胶、以及活性碳可以作为第四反应物D使用，而水、乙醇等可以作为第三反应物C使用。碱土金属(alkali earth metal)的卤化物(氯化钙、溴化锶等)可以作为第四反应物D使用，氨可以作为第三反应物C使用。
(4)在上述第七和第九实施例中，在储热模式下，第四反应物容纳部分74中的氢氧化钙由通过太阳热加热的第一加热媒介加热，作为例子。可替换地，只要其能够在氢氧化钙可以再生成氧化钙时的温度下能够供给热，就可以使用其它加热源。
(5)在上述实施例中，加热媒介示例性地用来使第一反应器11A和第二容器12B彼此热连接。可替换地，可以采用热管、熔盐、或诸如金属的固体进行热传导等。
(6)在上述实施例中，加热媒介示例性地用来使第二反应器11B和待加热物体(诸如热力发动机6和斯特林发动机7的高温部分71a)彼此热连接。可替换地，可以采用诸如气体的流体进行热传递，可以采用辐射、熔盐等进行热传递。
对于本领域技术人员来说还有其它优点和变形。因此，从广义上说，本发明不限于所图示和所描述的特定细节、典型装置以及示例性例子。

Claims (11)

1.一种化学蓄热器，用于使用第一反应物(A)和第二反应物(B)彼此反应以产生化合物时所生成的反应热加热物体(6，71a)，并且用于通过使用反应系统外部所产生的外部热将所述化合物分解成第一反应物(A)和第二反应物(B)来储存热，所述化学蓄热器包括：
第一至第M级储热单元(1A、1B)，其中M为等于或者大于2的整数，每个储热单元(1A、1B)包括：
容纳第一反应物(A)和容纳通过所述外部热加热所述化合物的再生热交换器(15A、15B)的反应器(11A、11B)以及；
容纳第二反应物(B)的容器(12A、12B)；以及
将反应器(11A、11B)和容器(12A、12B)彼此连接以将容纳在容器(12A、12B)中的第二反应物(B)引导至反应器(11A、11B)的连接通道(13A、13B)，所述连接通道(13A、13B)设有能够打开和关闭连接通道(13A、13B)的打开/关闭构件(14A、14B)；以及
冷凝部分(3)，所述冷凝部分(3)构造成对所述化合物在各个储热单元(1A、1B)的反应器(11A、11B)中分解时所产生的气态第二反应物(B)进行冷凝，其中
第M级储热单元(1B)的反应器(11B)与物体(6，71a)热连接，以及
第(N-1)级储热单元(1A)的反应器(11A)与第N级储热单元(1B)的容器(12B)热连接，其中N为等于或者大于2且等于或者小于M的整数。
2.根据权利要求1所述的化学蓄热器，其中：
第一级储热单元(1A)的容器(12A)与第一级储热单元(1A)的反应器(11A)热连接。
3.根据权利要求1所述的化学蓄热器，其中：
第一级储热单元(1A)的容器(12A)与第二级储热单元(1B)的容器(12B)热连接。
4.根据权利要求1所述的化学蓄热器，其中：
第一级储热单元(1A)的容器(12A)与比所述外部热的温度低的加热源(4)热连接。
5.根据权利要求4所述的化学蓄热器，其中：
冷凝部分为冷凝器(3)，所述冷凝器(3)具有储存气态第二反应物(B)被冷凝时所生成的冷凝热的储热媒质(300)；以及
所述加热源由所述冷凝器(3)提供。
6.根据权利要求4所述的化学蓄热器，其中：
所述加热源与产生所述外部热的外部加热源(2)热连接。
7.根据权利要求1-6中任一所述的化学蓄热器，其中：
在每个储热单元中，容器(12A、12B)中第二反应物(B)的最大极限温度(Tm)[K]小于第二反应物(B)的临界温度(Tc)[K]；以及
每个储热单元(1A、1B)被构造成具有大于第二反应物(B)在临界温度(Tc)[K]下的饱和蒸汽压(Pe)[Pa]的耐受压强Pv[Pa]。
8.根据权利要求1-6中任一所述的化学蓄热器，其中：
在每个储热单元中，容器(12A、12B)中第二反应物(B)的最大极限温度(Tm)[K]等于或大于第二反应物(B)的临界温度(Tc)[K]；以及
每个储热单元(1A、1B)被构造成使得其耐受压强Pv[Pa]满足如下关系式：
Pv＞znRTm/Vm，
其中，n为容器(12A、12B)中第二反应物(B)的分子量[mol]，Vm为容器(12A、12B)的容积[m3]，z为压缩因数，而R为气体常数。
9.根据权利要求1-6中任一所述的化学蓄热器，其中：
第(N-1)级储热单元和第N级储热单元(1A、1B)被构造成使得第(N-1)级的热量Qr(N-1)和第N级的热量QrN满足以下关系式：
Qr(N-1)·ΔHr/ΔHe＜QrN＜{Qr(N-1)-Qr(N-1)HM·(Ta(N-1)-Tair)-QeNHM·(TaN-Tair)}·ΔHr/ΔHe
其中，ΔHr为用于从第一反应物(A)和第二反应物(B)产生所述化合物的反应的反应热[J/mol]；
ΔHe为第二反应物(B)的蒸发潜热[J/mol]；
Qr(N-1)HM为第(N-1)级储热单元(1A)的反应器(11A)的热容量[J/K]；
QeNHM为第N级储热单元(1B)的反应器(11B)的热容量[J/K]；
Ta(N-1)为当第一反应物(A)和第二反应物(B)彼此反应时在第(N-1)级储热单元(1A)的反应器(11A)中的目标温度[K]；
TaN为当第一反应物(A)和第二反应物(B)彼此反应时在第N级储热单元(1B)的反应器(11B)中的目标温度[K]；
Tair为外部空气温度[K]；
Qr(N-1)为第一反应物(A)和第二反应物(B)在第(N-1)级储热单元(1A)的反应器(11A)中彼此反应所产生的热量[J]；以及
QrN为第一反应物(A)和第二反应物(B)在第N级储热单元(1B)的反应器(11B)中彼此反应所产生的热量[J]。
10.根据权利要求1-6中任一所述的化学蓄热器，其中：
所述物体为将热能转化成动能的热力发动机(71)的高温部分(71a)；以及
所述热力发动机(71)包括加热和膨胀工作气体的所述高温部分(71a)和冷却和收缩工作气体的低温部分(71b)。
11.根据权利要求1-6中任一所述的化学蓄热器，其中：
第一反应物(A)为氧化钙，而第二反应物(B)为水。
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