金属氢化物反应器中改进的氢气分配系统 |
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| 申请号 | CN201590001381.3 | 申请日 | 2015-11-26 | 公开(公告)号 | CN207422709U | 公开(公告)日 | 2018-05-29 |
| 申请人 | 特迈斯有限公司; | 发明人 | 提法达多·普得力克·纳法尔; 潘都朗·贾林达尔·萨瑟; | ||||
| 摘要 | 本实用新型披露了一种金属氢化物反应器(109)中的氢气分配系统(100)。系统(100)包括一位于金属管(101)中的氢气分配管(102)，以确定氢气分配管(102)与金属外管(101)之间的环形空间。氢气分配管(102)提供了氢气流道。环形空间填满了含有氢气储存 金属粉末 或者氢气储存 合金 粉末的金属海绵状基质(103)。系统使氢气更均匀地分配到氢气储存金属/合金粉末颗粒中，为氢气分配管提供机械 支撑 ，改进了粉末金属/合金储床的热传导性，降低反应器(109)尺寸和生产成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种金属氢化物反应器(109)中的氢气分配系统(100)，所述系统(100)包括： |
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| 说明书全文 | 金属氢化物反应器中改进的氢气分配系统技术领域[0001] 本公开涉及一种金属氢化物反应器。更具体而言，本公开涉及一种在金属氢化物反应器中提供改善的氢气分配的系统。 背景技术[0002] 在金属氢化物反应器中，金属或者合金与氢气发生放热反应，形成金属氢化物，金属氢化物发生可逆的放热反应，释放出氢气。LaNi5Hx, MmNi5Hx, MmCo5Hx, FeTiHx, VNbHx和Mg2CuH是常见的金属氢化物，能够吸收大量氢气，释放大量的反应热。已知存在各种金属氢化物，比如，热泵，以及空调设备，利用金属氢化物的这些性质来发挥加热和/或制冷作用。在这些金属氢化物设备中，氢气用作制冷剂，金属氢化物用作吸收剂。 [0003] 常规金属氢化物反应器配有一个管壳式热交换器，在壳侧有金属氢化物粉末，在管侧有热传递流体。常规金属氢化物反应器中，氢气不是均质地分布于请其存储金属/合金粉末床体中，从而降低金属/合金粉末的氢气吸收率。这会对反应器的效率产生负面影响。 [0004] 一般情况下使用烧结管来分配氢气。美国专利No. 4457136建议此类金属氢化物反应器采用烧结管来分配氢气。这些烧结管因为尺寸和厚度的原因而限制了反应器的尺寸微型化，并从而限制了系统的总体性能。 [0005] 反应器管道的直径与其热传递和质量传递能力成反比，因此，管道直接越大，那么反应器尺寸越大，其性能就越低。由于烧结工艺的限制，烧结管一般情况下能够达到的最小直径为4到6 mm。这就限制了反应器管道直径最小为10到16 mm。尽管如此，为了使金属氢化物反应器达到更好性能，需要采用直径3到6mm的金属管以及直径1到3mm的氢气分配管，而这些使用普通烧结工艺难以生产出来。 [0006] 此外，烧结管需要最小的厚度，这就限制了反应器重量的减轻，这反过来对金属氢化物反应器的性能产生了负面影响。烧结管生产所需原料和烧结工艺所需原料比较昂贵，从而增加了金属氢化物反应器成本，因为需要大量反应器来存储氢气和热泵应用，根据系统容量而定。 [0007] 欧洲专利申请号EP0093885提出通过使用由网丝直径达0.04mm的金属丝网做成的小直径氢气分配管来对常规烧结管进行小小的改善。然而，EP0093885专利申请未解决采用如此小网丝直径的丝网的小直径管道不稳定问题。EP0093885专利申请中披露的管道的网丝直径小，只夹住一端，另一端不夹，从而使管道缺乏固定性。这会造成管道摆动，无法承受成千上万次操作循环中发生的膨胀收缩。此类管道常常容易出现变形、凹陷，和/或弯折，从而造成管道周围金属氢化物粉末的分布不平衡，并对系统性能产生负面影响。 [0008] 而且，对于具有如此短网丝直径和管道厚度的所需长度丝网管，其内在就容易出现摆动或者变得弯曲，因此如果只固定管道的一端，那么管道就不会一直保持笔直和适当对中。 [0009] 此外，常规金属氢化物反应器中，金属/合金粉末储床的有效热传递效率低，一般情况下在0.1–0.5 W/m–K范围内。为了达到更高性能，需要使用氢气储存金属/合金更高的有效储床热传导系数值。金属/合金粉末储床的低热传导系数导致热传递和质量传递效果差，这反过来会增加金属/合金粉末材料要求，反应器尺寸，以及反应器成本，并且还会降低系统性能。 [0011] 目的 [0012] 本公开的系统的目的如下，其中至少一个实施例满足要求： [0013] 本公开的一个目的是：在金属氢化物反应器中提供一种改进氢气分配的系统。 [0014] 本公开的另一个目的是：在金属氢化物反应器中提供一种改进氢气分配系统，包括一氢气分配管，抵抗在操作循环过程中发生的膨胀收缩，维持其位置和形状。 [0015] 本公开的再一个目的是：在金属氢化物反应器中提供一种改进氢气分配系统，减少反应器总体尺寸。 [0016] 本公开的又一个目的是：在金属氢化物反应器中提供一种改进氢气分配系统，改善粉末金属/合金储床的热传导性，降低反应器生产成本。 [0018] 总结 [0019] 根据本公开，金属氢化物反应器中提供了一个氢气分配系统，所述系统包括以下内容： [0020] 一金属管； [0021] 一氢气分配管，位于金属管内，形成了氢气分配管与金属外管之间的环形空间，氢气分配管加以调节，以便氢气顺利通过； [0022] 一金属海绵状基质，占据环形空间，金属海绵状基质经调整后容纳氢气储存金属粉末或者氢气储存合金粉末。 [0024] 氢气分配管可定位于金属管中央位置，可沿着金属管的操作长度来延伸。 [0025] 氢气分配管配置为：通过调节与管道外压力相关的管道内压力，让氢气在解吸循环过程中从金属海绵自由流入分配管，在吸收循环中从分配管中流到金属海绵中。此外，氢气分配管网孔尺寸足够小，防止氢气储存金属粉末或者氢气储存合金粉末进入氢气分配管。网孔尺寸一般情况下在2-5微米范围内。 [0026] 可在氢气分配管的操作端提供连接器。 附图说明[0027] 本公开中，金属氢化物反应器中的氢气分配系统现将借助附图加以说明，其中： [0028] 图1示出了金属氢化物反应器中的氢气分配系统的组装； [0029] 图2示出了氢气流道、头侧连接器和氢气分配管之间的连接； [0030] 图3示出了氢气进入氢气分配管的通道； [0031] 图4 (a)示出了氢气分配系统的纵切面； [0032] 图4 (b)示出了氢气分配系统的横切面； [0033] 图5示出了氢气分配系统的端到端连接的切面图； [0034] 图6示出了本公开中氢气分配系统与常规氢气分配系统相比较的性能。 [0035] 详细描述 [0036] 本公开中将借助实施例来对一个系统和一个方法加以描述，但是该实施例并不限定本公开的范围和界限。 [0037] 这里的实施例以及实施例的各种特征和优势细节将参照以下描述中的非限定性实施例来解释。省略了对已知部件和加工技术的描述，以免对这里所述的实施例造成不必要的混淆。这里所用解释只是拟用于促进这里所述实施例可实施的方法的理解，只是用于进一步促进此类先进技术能够在这里所述实施例中得到实施。相应地，这里给出的例子不得解释为限定了这里所述实施例的范围。 [0038] 本公开中的系统在金属氢化物反应器中提供了改进的氢气分配功能，以提升氢气储存系统的总体性能。本公开中，氢气分配系统100在金属氢化物反应器109中的组装活动在图1中显示出来。系统100包括氢气分配管102，设置在金属外管101的内部，以便确定其间的环形空间。金属海绵状基质103，如图4(a)和4(b)所示，占据了金属外管101和氢气分配管102之间的环形空间。海绵状基质103含有一定尺寸的氢气储存金属或者合金粉末，氢气分配管102提供氢气自由流道。氢气储存金属/合金粉末通过轻敲和振动均匀分布在金属海绵状基质103中。金属海绵状基质103提升金属/合金粉末储床的热传导性。 [0039] 氢气分配管102的厚度和直径减小，从而反应器总体尺寸减小。通过对氢气分配管102采用薄金属丝网而不是烧结管，可以达到此目的。为了克服氢气分配管102的摆动问题，为管道102提供了机械支撑，有助于在操作循环过程中出现膨胀收缩时让管道102 维持相应的位置和形状。 [0040] 氢气分配管 102可定位于金属外管101内的中央位置，可沿着金属管101和金属海绵状基质 103的运行长度方向延伸。氢气分配管102让氢气在解吸循环过程中从金属海绵流入管中，在吸收循环过程中流出分配管，但是不会让氢气储存金属或者合金粉末流经分配管。 [0041] 氢气分配管102采用金属丝网做成，最好是不锈钢丝网。或者也可以使用铜或者铜合金丝网。氢气分配管102的网孔尺寸让氢气流经分配管，但同时防止金属/合金粉末颗粒流经分配管。金属海绵状基质103最好采用铜或者铜合金做成。也可采用铝、碳或者任何其他传导性材料做成。系统100的氢气分配管102和金属海绵状基质103之间的接触能够在两者之间形成最优的氢气流。氢气分配管102可沿着外管101和海绵状基质103的整个长度方向上延伸，确保氢气均匀分布到金属海绵状基质103中存储的金属/合金粉末颗粒中。图4(a)显示了轴向切面图，图4(b)显示了氢气分配系统100的横切面图。 [0042] 本公开采用金属丝网氢气分配管102克服了氢气分配管尺寸和厚度限制和小型化方面的难题。直径大约（但不局限于）1-3mm的氢气分配管可以使用金属丝网来制作，网孔尺寸大约（但不局限于）2-5微米。丝网可以使用网丝直径达到0.015mm、厚度大约0.05 mm到0.2 mm的的极细网丝来制作。这克服了管道厚度减小局限以及反应器总体重量方面的问题。 [0043] 使用丝网制作氢气分配管102的步骤如下：把丝网切割成比所需尺寸的周长大5%的尺寸，长度按所需长度；把切割好的丝网滚成所需直径，带有轻微重叠（至少0.1mm）；通过激光焊接将管道外端纵向密封。 [0044] 将金属海绵状基质 103紧紧地缠绕在氢气分配管102周围，实现金属管101内氢气分配管 102适当对中。然后将氢气分配管 102和金属海绵状基质 103的总成插入金属外管 101。海绵和氢气分配管总成的外径近似于金属管的内径。这不仅能够实现氢气分配管在金属管内对中，而且确保机械支撑，将氢气分配管牢牢地固定在氢气分配管和金属海绵之间的接触点。 [0045] 氢气分配管在每个操作端提供连接器。图1、2、3和5显示了在氢气分配管102操作端提供的连接器 (104和105)。氢气分配管102采用焊接106的方式一端与头侧连接器104连接，另一端与空连接器 105连接。头管107(显示在图1中)采用金属管 108与头侧连接器104连接。图 1中显示了金属氢化物反应器 109中的氢气分配系统100总成。头侧连接器104提供了氢气流道110。图2显示了氢气流道110、头侧连接器104和氢气分配管102之间的连接。图3显示了进入氢气分配管 102的氢气流道110。图 5显示了氢气分配系统100 端到端连接的切面图。头侧连接器104，空连接器105和金属海绵状基质103共同将薄丝网氢气分配管 102牢牢地固定在其中央位置，有助于保持其原有形状，不会出现显著变形，同时抵抗其操作循环过程中所承受的膨胀收缩。 [0046] 系统100组装时，通过激光焊接的方式将头侧连接器104和空连接器 105 附着于氢气分配管 102上，把金属海绵状基质103紧紧地缠绕在管道102上。管道102 和金属海绵状基质103的总成放在金属管101内。 [0047] 与常规系统相比，本公开中的系统100对金属海绵状基质 103中填充的金属/合金粉末提供了更好的氢气分配。图6显示了与常规氢气分配系统相比本公开中系统100在恒温条件下的性能改进方面；其中，x轴代表时间，单位：秒；y轴代表吸收的氢气，重量%；线“A”描述了本公开的氢气分配系统的性能，线“B”描述了常规氢气分配系统的性能。本公开中的系统性能显示出有一定的提升，因为海绵状基质103 中粉末储床的包装密度小于自由分散金属/合金粉末的常规储床的包装密度，后者不局限于任何基质。海绵状基质103提供了空隙组份的更均匀分布。空隙组份均匀度增加，为氢气通过海绵均匀流向粉末金属/合金颗粒提供了额外流道/空间。这样，在金属氢化物反应器的反应区域内就获得了更均质的氢气与氢气储存金属/合金颗粒混合，使金属/合金颗粒的氢气吸收率得以提升。本公开中的系统需要的氢气储存金属/合金粉末更少，从而降低反应器109的生产成本。 [0048] 随着氢气流道因为海绵状基质中金属/合金储床的空隙组份增加而增加，从氢气分配管向金属氢化物储床的氢气流压降减少，反之亦然。系统要保持运行就非常需要氢气流更低的压降，从而总体上使氢气储存系统，并且特别是热泵系统，中的金属氢化物反应器达到更好的性能。 [0049] 本公开中的氢气分配系统还解决了储床传热性能差这一局限问题。金属海绵状基质最好用铜或者铜合金做成，增加有效传热性能，提升系统中的热传递。改善金属/合金储床的热传递，能够提升反应器性能，降低金属/合金粉末要求，同时降低反应器尺寸和成本。 [0050] 技术进步 [0051] 如本公开中所述的金属氢化物反应器中改进氢气分配系统拥有多个技术优势，包括但不局限于实现以下各项目标： [0052] a)改进氢气储存金属/合金粉末颗粒中氢气的分布； [0053] b)改进氢气分配管的机械支撑，使其在操作循环过程中出现膨胀收缩时依然保持其位置和形状； [0054] c)改善粉末金属/合金储床的热传导性； [0055] d)降低反应器生产成本； [0056] e)减小反应器整体尺寸。 [0057] 在这个规范中，词语“包括”或者该词语的变体，将理解为包括所述要素、整数或者步骤，或者一组要素、整数或者步骤，但是不包括任何其他要素、整数或者步骤，或者整组要素、整数或者步骤。 [0058] 使用“至少”或者“至少一个”的表述时，暗示着使用一种或者多种要素或者成分或者数量，就如发明实施例中为达到一个或者多个所需目的或者结果而使用的一样。 [0059] 对已经纳入本规范的文件、行为、材料、设备、装置等的任何讨论只是为本发明提供背景。不得看作允许将其中任何或者全部事项作为以前工艺基础的一部分，或者在本专利申请优先权日之前已在任何地方存在并成为本发明相关领域内的通用知识。 [0060] 提及的有关各种物理参数、尺寸或者数量的数值只是近似值，并且认为高于/低于赋予参数、尺寸或者数量的数值的值在本发明范围内，除非规范中另有特别说明。 [0061] 前面有关具体实施例的描述将充分揭示这里所述实施例的通用特征，其他人可通过利用现有知识在不偏离总体理念的条件性根据不同用途而随时修改和/或调节这些具体实施例，因此，此类调节和修改应在实用新型实施例的等同事项的意义和范围内进行理解。应理解为这里所用词语或者术语仅用于描述目的，而不是用于限定。因此，当这里的实施例根据最优实施例进行描述时，本领域技术人员将认识到这里的实施例可以在这里所述实施例的精神和范围内进行修改。 |
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