CN101307994B - 金属氢化物板翅式换热器 - Google Patents

Abstract

一种金属氢化物板翅式换热器，属于工业换热节能技术领域。本发明包括：上盖板，液路平齿肋片，隔板，反应床单元，液路尾封条，下盖板，螺栓组件，通孔法兰盘，盲板法兰盘，液路首封条，氢气管，氟橡胶法兰垫片，后封盖，前封盖，进液口，出液口，过滤片垫片，微孔过滤片。反应床单元包括上盖板，单元尾封条，单元侧面封条，下盖板，单元齿形肋片。反应床单元一端开口，且内焊齿形肋片，它既极大的增加了换热面积，提高了有效导热系数，又能在不显著提高换热单元热容的情况下保证换热单元的强度。此外，采用各反应床单元并联固定于通孔法兰盘上的结构使得金属氢化物的过滤和密封难度大大降低，而且同时氢气的传质能力不会降低。

Description

金属氢化物板翅式换热器

技术领域

本发明涉及的是一种板翅式换热器，特别是一种金属氢化物板翅式换热器，属于工业换热节能技术领域。

背景技术

由于金属氢化物合金在储氢和能量利用方面有着巨大的优势，目前金属氢化物的合金开发和应用研究方兴未艾，但由于储氢合金的有效导热系数低，有着良好的传热和传质能力的金属氢化物热交换器的研究已成为一个十分迫切的问题。

经对现有技术的检索，目前国内外关于金属氢化物热交换器的结构一般普遍局限于采用管式热交换器；即合金在管内，热介质流体在管外冷却或加热，见专利200420047872.5，或者，热介质流体在大管中心的小管内流动，而合金充填在中心小管与大管内壁所夹的环状柱体间。管式单元的优点是结构简单，结构强度高且易于安排应力缓解措施；易于满足合金吸氢膨胀对反应床体强度的要求。但其也有如下缺点：首先，由于管式换热单元的横截面是圆，众所周知，对同样面积的平面几何体来说，圆的周长是最短的，也就是说对同样内容积，同样长度的规则换热单元来说，换热单元的横截面为圆形时，换热单元的侧面积最小，即同样体积的合金所能接触的换热面积最少；其次，由于换热面积小，管式换热单元内部合金层的平均厚度较大，这一方面导致粉化后的合金的有效导热系数很低；另一方面使得合金的沉降效应影响的比较大，合金吸氢膨胀时易出现局部应力集中，对换热单元的强度要求比较大，要求比较厚的管壁，从而会导致换热单元床体热容较大。

提高换热面积及有效导热系数的方法之一是采用横截面为方形的扁平式换热单元，但目前在整个换热领域中使用的板式热交换器或板翅式热交换器均不适合于金属氢化物合金固体与热介质流体的传热要求、金属氢化物合金与氢气源的氢气传质要求以及合金吸氢膨胀对反应床体的强度要求。

发明内容

本发明为了克服已有技术的不足和缺陷，结合合金的膨胀和粉化特性，提供一种金属氢化物板翅式换热器，具有高有效导热系数，大的换热面积，同时又能满足反应强度要求和传质要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括上盖板、液路平齿肋片、隔板、反应床单元、液路尾封条、下盖板、螺栓组件、通孔法兰盘、盲板法兰盘、液路首封条、氢气管、氟橡胶法兰垫片、后封盖、前封盖、进液口、出液口、过滤片垫片、微孔过滤片。上盖板和下盖板是两块扁平的长方体板，分别盖在换热器的最上部和最下部，与各自相邻的液路平齿肋片焊接在一起，处于中间部分的液路平齿肋片都无缝焊接在每两个反应床单元中间，起传导热量和支撑的作用。

液路尾封条位于换热器的最右端，处于右端中间部分的液路尾封条位于每两个反应床单元中间，与其上下的反应床单元无缝焊接，起密封和支撑作用，处于右端最上部的液路尾封条与上盖板及反应床单元无缝焊接；处于右端最下部的液路尾封条则与下盖板及反应床单元无缝焊接，同样起密封和支撑作用。液路首封条位于换热器的左端，所处位置与液路尾封条的位置首尾对应，不同的是液路尾封条对换热器右端进行密封和支撑，而液路首封条是对换热器左端密封和支撑，两者一起使得液路热介质只能在平齿肋片和反应床单元所形成的通道中流动。

对于由所有反应床单元，平齿肋片，液路首封条，液路尾封条以及上盖板，下盖板所焊成的整体，其左端，也就是所有反应床单元开口的一端，插入通孔法兰盘的大小恰好与其对应的通孔中，与通孔法兰盘通孔的内表面无缝焊接固定。

前封盖和后封盖分别位于换热器的前部和后部，与换热器无缝焊接固定。隔板有三块，一块位于后封盖的正中间，其周边分别于与后封盖，平齿肋片端面，反应床单元侧面无缝焊接；另两块隔板位于前封盖的中部，在进液口和出液口之间，其周边分别于与前封盖，平齿肋片的端面，反应床单元的侧面无缝焊接；3块隔板，与前封盖、后封盖一起围成一个4流程的液路热介质的流道。

过滤片垫片整体呈长方形薄片，位于微孔过滤片和液路首封条之间，在与每个反应床单元的开口对应的地方都有一个与反应床单元开口一样大小的长方形空洞，用于氢气的进出同时避免不同反应床单元之间的合金粉末的互通；微孔过滤片整体为一块扁平薄板，位于盲板法兰盘与过滤片垫片之间，起整体过滤的作用。氢气管为圆管，位于盲板法兰盘的中心，一端与盲板法兰盘中心的中心孔承插焊连接。另一端连接氢气源，用于氢气的进出；，螺栓组件，氟橡胶法兰垫片用于盲板法兰盘和通孔法兰盘之间的密封。

反应床单元包括单元上盖板、单元尾封条、单元侧面封条、单元下盖板、单元齿形肋片。反应床单元整体呈扁平的长方体，单元齿形肋片位于中心，很薄的单元上盖板和单元下盖板分别位于单元齿形肋片的上下方，单元侧面封条位于单元齿形肋片两侧，单元尾封条位于单元齿形肋片的尾部；通过整体真空不锈钢硬钎焊工艺，单元上盖板、单元下盖板、与单元侧面封条、单元尾封条无缝焊接在一起，焊成一个只有前端开口，其他各个侧面都密封的反应床单元的腔体，单元齿形肋片则位于腔体中心，与单元上盖板和单元下盖板紧密焊接在一起，用于增强传热和提高床体强度，金属氢化物合金粉末则装填在反应床单元的腔体与平齿肋片的空隙中；反应床单元的前端开口用于装填合金粉末和氢气进出。

反应床单元内部装有的储氢材料为稀土系储氢合金，镁系储氢合金，钛铁系储氢合金，锆系储氢合金或非晶态金属。

换热器工作时，换热流体从进液口流入，流经换热器内的四个流程，与各反应床单元进行换热后，从出液口流出。氢气由氢管经微孔过滤片出入各反应床单元内：当合金与氢气反应吸收氢气放出大量的热生成金属氢化物时，此时温度较低的换热流体被泵入以带走换热单元的热量，当换热单元内金属氢化物因平衡氢压被破坏而放氢吸热时，温度较高的换热流体被泵入以带走换热单元的冷量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1)本发明的板式反应床单元整体采用方形截面的扁平长方体结构，且换热单元内焊齿形肋片，这极大的增加了合金的换热面积，同时由于合金层厚度很薄，也较大的提高了合金粉末的有效导热系数，使整个换热器的传热能力得到显著提高。

2)由于本发明的板式反应床换热单元的合金层厚度很薄，约为3-4mm，它减少了合金粉末的沉降效应的影响，从而减少合金的应力积累的影响；另外由于采用内焊齿形肋片结构，它将合金层分隔成数个小区间，可减少合金的膨胀应力集中；由于这两个特点，可解决板式反应床单元强度不够的问题，并且可使用的薄壁组件，从而可减少床体热容。

3)本发明的各反应床单元并联固定于通孔法兰盘上，只需一块微孔过滤片便可整体过滤密封，相对于对每个换热单元进行单独过滤密封来说，产品的加工制造难度，安装难度都大大减少，且氢气的传质能力不会降低。

4)本发明的各反应床单元在结构上有重复性和叠加性的特点，可模块化设计，可根据换热功率的大小选择换热器板式换热单元的数量，利于大规模的生产、加工和维修。

附图说明

图1是本发明换热器的C-C视图

图2是本发明换热器的A-A视图

图3是本发明换热器的B-B视图

图4是本发明换热器的C-C视图中的I局部视图

图5是本发明换热器的反应床单元的分解示意图

图6是本发明换热器过滤密封组件的三维分解示意图

图中：上盖板1，液路平齿肋片2，隔板3，反应床单元4，液路尾封条5，下盖板6，螺栓组件7，通孔法兰盘8，盲板法兰盘9，液路首封条10，氢气管11，氟橡胶法兰垫片12，后封盖13，前封盖14，进液口15，出液口16，单元上盖板17，单元尾封条18，单元侧面封条19，单元下盖板20，单元齿形肋片21，过滤片垫片22，微孔过滤片23。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。

如图1-图6所示，本实施例包括上盖板1，液路平齿肋片2，隔板3，反应床单元4，液路尾封条5，下盖板6，螺栓组件7，通孔法兰盘8，盲板法兰盘9，液路首封条10，氢气管11，氟橡胶法兰垫片12，后封盖13，前封盖14，进液口15，出液口16，过滤片垫片22，微孔过滤片23，上盖板1和下盖板6是两块扁平的长方体板，分别盖在换热器的最上部和最下部，与各自相邻的液路平齿肋片2焊接在一起，处于中间部分的液路平齿肋片2都无缝焊接在每两个反应床单元4中间，起传导热量和支撑的作用。

液路尾封条5位于换热器的最右端，见图1，处于右端中间部分的液路尾封条5位于每两个反应床单元4中间，与其上下的反应床单元4无缝焊接，起密封和支撑作用，处于右端最上部的液路尾封条5与上盖板1及反应床单元4无缝焊接；处于右端最下部的液路尾封条5则与下盖板6及反应床单元4无缝焊接，同样起密封和支撑作用。液路首封条10位于换热器的左端，所处位置与液路尾封条5的位置首尾对应，不同的是液路尾封条5对换热器右端进行密封和支撑，而液路首封条是对换热器左端密封和支撑，两者一起使得液路热介质只能在液路平齿肋片2和反应床单元4所形成的通道中流动。

对于由所有反应床单元4、平齿肋片2、液路首封条10、液路尾封条5以及上盖板1、下盖板6所焊成的整体，其左端，也就是所有反应床单元4开口的一端，插入通孔法兰盘8的大小恰好与其对应的通孔中，与通孔法兰盘8的通孔的内表面无缝焊接固定。

前封盖14和后封盖13分别位于换热器的前部和后部，见图3，与换热器无缝焊接固定。隔板3有三块，一块位于后封盖13的正中间，其周边分别于与后封盖13、液路平齿肋片2端面、反应床单元4侧面无缝焊接；另两块隔板3位于前封盖14的中部，在进液管15和出液管16之间，其周边分别于与前封盖14、平齿肋片2的端面、反应床单元4的侧面无缝焊接；三块隔板3与前封盖14、后封盖13一起围成一个4流程的液路热介质的流道。

如图4所示是换热器的过滤组件过滤片垫片22、微孔过滤片23在图1中的局部剖视图。过滤片垫片22整体呈长方形薄片，位于微孔过滤片23和液路首封条10之间，在与每个反应床单元4的开口对应的地方都有一个与反应床单元开口一样大小的长方形空洞，用于氢气的进出同时避免不同反应床单元4之间的合金粉末的互通；微孔过滤片23整体为一块扁平薄板，位于盲板法兰盘9与过滤片垫片22之间，起整体过滤的作用。过滤组件的三维图见图6。氢气管11为圆管，位于盲板法兰盘9的中心，一端与盲板法兰盘9中心的中心孔承插焊连接。另一端连接氢气源，用于氢气的进出；螺栓组件7、氟橡胶法兰垫片12用于盲板法兰盘9和通孔法兰盘8之间的密封。

反应床单元4包括单元上盖板17，单元尾封条18，单元侧面封条19，单元下盖板20，单元齿形肋片21。反应床单元4整体呈扁平的长方体，其横截面图可见图2，其结构爆炸图见图5，单元齿形肋片21位于中心，薄板状的单元上盖板17和单元下盖板20分别位于单元齿形肋片21的上下方，单元侧面封条19位于单元齿形肋片21两侧，单元尾封条18位于单元齿形肋片21的尾部；通过整体真空不锈钢硬钎焊工艺，单元上盖板17、单元下盖板20、与单元侧面封条19、单元尾封条18无缝焊接在一起，焊成一个只有前端开口，其他各个侧面都密封的反应床单元4的腔体，单元齿形肋片21则位于腔体中心，与上盖板和下盖板紧密焊接在一起，用于增强传热和提高床体强度，金属氢化物合金粉末则装填在反应床单元4的腔体与单元齿形肋片21的空隙中；反应床单元4的前端开口用于装填合金粉末和氢气进出。

反应床单元4内的齿形肋片21与反应床单元4的上盖板17和下盖板20紧密焊接在一起，将反应床单元4内部的空腔分隔若干个长条状小空间。

反应床单元4有开口一端并联平齐的无缝焊接固定于通孔法兰盘8的通孔内，使得换热器对各反应床单元4进行整体过滤密封。

本实施例中，反应床单元各组成构件的材料为钢材，采用整体真空不锈钢硬钎焊工艺焊接而成，反应床单元的横截面为105×5mm²，金属氢化物合金采用La_0.6Y_0.4Ni_4.8Mn_0.2，初始填充率为50vol％，气路微孔过滤片23精度为2μm的304不锈钢多孔过滤片。

换热器工作时，换热流体从前封盖14上的进液口15流入，如图3所示

由于3块隔板3与前封盖14、后封盖13以及液路平齿肋片2、液路首封条10、液路尾封条5、反应床单元4形成一个四流程的流路，故换热流体先流经最右端的隔板3与液路尾封条5之间的多个流道流至后封盖13，在中间隔板3的阻挡下，由后封盖13流至前封盖14，在最左端隔板的阻挡下，再由前封盖14流至后封盖13，最后由后封盖13流至前封盖14，从前封盖14上的出液口16流出，在整个流动过程中，换热流体与反应床单元4的单元上下盖板，液路平齿肋片2直接接触，进行对流换热。当氢气由氢管11经盲板法兰盘9的通孔，透过微孔过滤片23进入各反应床单元4内：与合金反应放出大量的热生成金属氢化物时，此时温度较低的换热流体被泵入换热器内，与反应床单元4和平齿肋片2换热，带走吸氢反应所产生的热量；当气源氢压低于换热单元内的氢气压力，金属氢化物因平衡氢压被破坏而发生逆向反应，放出氢气同时吸热时，此时温度较高的换热流体被泵入换热器内，在换热器与反应床单元4和平齿肋片2换热，带走放氢反应所产生的冷量。

Claims (7)

1.一种金属氢化物板翅式换热器，包括：上盖板(1)、液路平齿肋片(2)、隔板(3)、反应床单元(4)、液路尾封条(5)、下盖板(6)、螺栓组件(7)、通孔法兰盘(8)、盲板法兰盘(9)、液路首封条(10)、氢气管(11)、氟橡胶法兰垫片(12)、后封盖(13)、前封盖(14)、进液口(15)、出液口(16)、过滤片垫片(22)、微孔过滤片(23)，其特征在于：反应床单元(4)包括单元上盖板(17)、单元尾封条(18)、单元侧面封条(19)、单元下盖板(20)、单元齿形肋片(21)，单元齿形肋片(21)位于其中心，单元上盖板(17)和单元下盖板(20)分别位于单元齿形肋片(21)的上下方，单元侧面封条(19)位于单元齿形肋片(21)两侧，单元尾封条(18)位于单元齿形肋片(21)的尾部，单元上盖板(17)、单元下盖板(20)、与单元侧面封条(19)、单元尾封条(18)无缝焊接在一起，焊成一个只有前端开口，其他各个侧面都密封的反应床单元(4)的腔体，单元齿形肋片(21)则位于腔体中心，与单元上盖板(17)和单元下盖板(20)紧密焊接在一起；上盖板(1)和下盖板(6)分别盖在换热器的最上部和最下部，与各自相邻的液路平齿肋片(2)焊接在一起，处于中间部分的液路平齿肋片(2)都无缝焊接在每两个反应床单元(4)中间，液路尾封条(5)位于换热器的最右端，处于右端中间部分的液路尾封条(5)位于每两个反应床单元(4)中间，与位于其上下的反应床单元(4)无缝焊接，处于右端最上部的液路尾封条(5)与上盖板(1)及反应床单元(4)无缝焊接；处于右端最下部的液路尾封条(5)则与下盖板(6)及反应床单元(4)无缝焊接，液路首封条(10)位于换热器的左端，所处位置与液路尾封条(5)的位置首尾对应；所有反应床单元(4)开口的一端插入通孔法兰盘(8)的通孔中，与通孔法兰盘(8)通孔的内表面无缝焊接固定，前封盖(14)和后封盖(13)分别位于换热器的前部和后部，与换热器无缝焊接固定；隔板(3)有三块，一块位于后封盖(13)的正中间，其周边分别于与后封盖(13)、液路平齿肋片(2)端面、反应床单元(4)侧面无缝焊接，另两块隔板(3)位于前封盖(14)的中部，在进液口(15)和出液口(16)之间，其周边分别于与前封盖(14)、液路平齿肋片(2)的端面、反应床单元(4)的侧面无缝焊接，三块隔板(3)与前封盖(14)、后封盖(13)一起围成一个四流程的液路热介质的流道；过滤片垫片(22)位于微孔过滤片(23)和液路首封条(10)之间，在与每个反应床单元(4)的开口对应的地方都有一个与反应床单元(4)开口一样大小的长方形空洞，微孔过滤片(23)位于盲板法兰盘(9)与过滤片垫片(22)之间，氢气管(11)位于盲板法兰盘(9)的中心，螺栓组件(7)、氟橡胶法兰垫片(12)用于盲板法兰盘(9)和通孔法兰盘(8)之间的密封。

2.根据权利要求1所述的金属氢化物板翅式换热器，其特征在于所述反应床单元(4)内部装有的储氢材料为稀土系储氢合金，镁系储氢合金，钛铁系储氢合金，锆系储氢合金或非晶态金属。

3.根据权利要求2所述的金属氢化物板翅式换热器，其特征在于所述储氢材料装填在反应床单元(4)的腔体与单元齿形肋片(21)的空隙中。

4.根据权利要求1所述的金属氢化物板翅式换热器，其特征在于所述过滤片垫片(22)整体呈长方形薄片。

5.根据权利要求1所述的金属氢化物板翅式换热器，其特征在于所述微孔过滤片(23)整体为一块扁平薄板。

6.根据权利要求1所述的金属氢化物板翅式换热器，其特征在于所述氢气管(11)为圆管，一端与盲板法兰盘(9)中心的中心孔承插焊连接，另一端连接氢气源，用于氢气的进出。

7.根据权利要求1所述的金属氢化物板翅式换热器，其特征在于所述上盖板(1)和下盖板(6)是两块扁平的长方体板。

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