CN102954343A - 一种金属氢化物储氢罐的热交换方法 - Google Patents

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王晋刚
孙建双
杨宗扬
龙洪
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Abstract

本发明涉及一种金属氢化物储氢罐的热交换方法。本发明属于氢能综合利用技术领域范畴。一种金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：金属氢化物储氢罐同时设有充氢热交换机构和放氢热交换机构，充氢过程由充氢热交换机构将储氢合金产生的热量自动释放到环境中，放氢过程由放氢热交换机构自动从环境中吸取热量提供给金属氢化物，释放热量和吸取热量过程与环境进行的热交换均自动完成。本发明热交换方法所需装置仅为热管和翅片，具有结构简单、易于实现、所占空间小、经济耐用、适用范围广等优点，在较宽的温度范围内自动的向环境中释放或从环境中吸取热量，很好地实现了金属氢化物储氢罐充氢和放氢过程。

Description

一种金属氢化物储氢罐的热交换方法
技术领域
本发明属于氢能综合利用技术领域，特别是涉及一种金属氢化物储氢罐的热交换方法。
背景技术
储氢合金具有较强的储氢能力。在一定的温度和压力条件下能够可逆的吸收和释放氢气，并且循环寿命性能优异。利用储氢合金的这一特性可以实现氢的储存和使用。反应方程式如下(式中M代表储氢合金，MHx代表金属氢化物)：
吸收氢气过程： M + x 2 H 2 → Abs MH x + ΔH - - - ( 1 )
释放氢气过程： MH x + ΔH → Des M + x 2 H 2 - - - ( 2 )
储氢合金在实现氢的储存和使用过程必将伴随热量的释放和吸收。热交换强度不够会导致金属氢化物储氢罐的吸(放)氢性能显著下降。对于储氢过程，如果热交换强度不够，会导致储氢合金温度上升，单位体积储氢量下降，金属氢化物储氢罐储氢量下降；对于用氢过程，如果热交换强度不够，会导致金属氢化物温度下降，放氢速率和单位体积放氢量下降，影响实际使用。而且，现有换热方式存在需要额外消耗能量、装置比较复杂、换热强度低等缺陷。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种金属氢化物储氢罐的热交换方法。
本发明的目的是提供一种结构简单、易于实现、所占空间小、经济耐用、适用范围广的金属氢化物储氢罐的热交换方法。
本发明提供的金属氢化物储氢罐的热交换方法能够无需借助外加能源的自动进行。对于充氢过程，储氢合金吸收氢气的同时释放热量，自身温度也随之上升，使得冷却热管低端的部分工作介质由液态蒸发为气态，吸收大量热量，气态的工作介质沿着向上倾斜的热管上升至冷却热管的高端，在高端通过与之相连的翅片将工作介质带来的热量释放到环境中，工作介质也由气态冷凝为液态并在重力作用下返回低端，这样循环往复，储氢合金释放的热量被冷却热管由储氢罐内部传递至热管高端的翅片并释放到环境中，充氢过程得以持续进行。而此时，由于储氢罐内部温度较高，加热热管内的工作介质处于气态，储氢合金温度上升对其影响较小，基本不工作，不会影响充氢过程。对于放氢过程，金属氢化物释放氢气的同时吸收热量，其自身温度也随之下降，使得加热热管高端的部分工作介质由气态冷凝为液态，放出大量热量满足放氢要求的同时在重力的作用下，沿着向下倾斜的热管管壁流到加热热管的低端，在低端通过与之相连的翅片从环境中吸收热量，工作介质也由液态蒸发为气态并重新均匀分布于加热热管内，这样往复循环，金属氢化物吸收的热量由加热热管从环境中吸取，并经由加热热管高端不断补充，放氢过程得以持续进行。而此时，由于储氢罐内部温度较低，冷却热管内的工作介质处于液态，金属氢化物温度下降对其影响较小，基本不工作，不会影响放氢过程。可见，对于充氢过程，冷却热管自动的将储氢合金产生的热量向环境释放，对于放氢过程，加热热管自动的从环境中吸取热量提供给金属氢化物。这两个过程都是自动进行的，不需借助外加能源。
本发明提供的金属氢化物储氢罐的热交换方法能够正常运转的环境温度为0℃～60℃。在此温度范围内，冷却热管内的工作介质以液态为主，在重力的作用下聚集在热管的低端，充氢过程中温度上升时其正常工作，而放氢过程中温度下降对其影响很小，基本不工作；加热热管内的工作介质以气态为主，均匀分布在热管内，放氢过程中温度下降时其正常工作，而充氢过程中温度上升对其影响很小，基本不工作。这样充氢和放氢过程中冷却热管和加热热管各自独立工作，互不影响。环境温度在0℃以下时，冷却热管与加热热管内的工作介质均为(或绝大部分为)液态，热交换方法无法启动(或效率很低)。环境温度在60℃以上时，冷却热管与加热热管内的工作介质均为(或绝大部分为)液态，热交换方法无法启动(或效率很低)。
本发明金属氢化物储氢罐的热交换方法所采取的技术方案是：
一种金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：金属氢化物储氢罐同时设有充氢热交换机构和放氢热交换机构，充氢过程由充氢热交换机构将储氢合金产生的热量自动释放到环境中，放氢过程由放氢热交换机构自动从环境中吸取热量提供给金属氢化物，释放热量和吸取热量过程与环境进行的热交换均自动完成。
本发明金属氢化物储氢罐的热交换方法还可以采用如下技术方案：
所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：充氢热交换机构由冷却热管和翅片构成，冷却热管低端位于金属氢化物储氢罐内，冷却热管高端位于金属氢化物储氢罐外侧，冷却热管高端装有翅片。
所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：充氢热交换机构的冷却热管充装常温常压下为液态的工作介质。
所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：冷却热管充装的工作介质为水、甲醇或乙烷。
所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：充氢热交换机构的冷却热管和翅片有2～8组，冷却热管安装时向上倾斜30°～60°。
所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：放氢热交换机构由加热热管和翅片构成，加热热管高端位于金属氢化物储氢罐内，加热热管低端位于金属氢化物储氢罐外侧，加热热管低端装有翅片。
所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：放氢热交换机构的加热热管充装常温常压下为气态的工作介质。
所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：加热热管装的工作介质为氟利昂或氨。
所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：放氢热交换机构的加热热管和翅片有2～8组，加热热管安装时向下倾斜30°～60°。
所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特点是：充氢热交换机构的冷却热管和放氢热交换机构的加热热管同时成对出现。
本发明具有的优点和积极效果是：
金属氢化物储氢罐的热交换方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明特点：
1、热交换方法对于金属氢化物储氢罐的实际应用具有重要的现实意义。
2、热交换方法能够自动的向环境中释放热量或从环境中吸取热量，满足金属氢化物储氢罐充氢和放氢的要求，不需借助外加能源，适用场合更多范围更广。
3、热交换方法的核心装置是冷却热管和加热热管。因而，导热能力强、热交换强度大、热量传递快，有助于提高金属氢化物储氢罐充(放)氢速率。
4、热交换方法在0℃～60℃温度范围内可以正常工作，适用温度范围宽。
综上所述，本发明提供的金属氢化物储氢罐热交换方法在较宽的温度范围内自动的向环境中释放(或从环境中吸取)热量，满足金属氢化物储氢罐充氢(或放氢)过程的需求，保证了储氢罐充(或放)氢速率。同时，本发明提供的热交换方法所需装置仅为热管(包括冷却和加热)和翅片，具有结构简单、易于实现、所占空间小、经济耐用，适用范围广等优点。
附图说明
图1是金属氢化物储氢罐的热交换装置结构示意图；
图2是冷却热管结构示意图；
图3是加热热管结构示意图。
图中，1～阀门，2～进出气口，3～储氢罐，4～导热片，5～导热片，6～储氢合金，7～冷却热管，8～加热热管，9～翅片，10～翅片，11～甲醇，12～氨。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1、图2和图3。
实施例1
一种金属氢化物储氢罐的热交换方法，其金属氢化物储氢罐同时设有充氢热交换机构和放氢热交换机构，充氢过程由充氢热交换机构将储氢合金产生的热量自动释放到环境中，放氢过程由放氢热交换机构自动从环境中吸取热量提供给金属氢化物，释放热量和吸取热量过程与环境进行的热交换均自动完成。
充氢热交换机构由冷却热管7和翅片9构成，冷却热管7低端位于金属氢化物储氢罐3内，冷却热管7高端位于金属氢化物储氢罐3外侧，冷却热管7高端装有翅片9。充氢热交换机构的冷却热管7充装工作介质甲醇11，冷却热管和翅片有2组，冷却热管7安装时向上倾斜40°。
放氢热交换机构由加热热管8和翅片10构成，加热热管8高端位于金属氢化物储氢罐3内，加热热管低端位于金属氢化物储氢罐3外侧，加热热管8低端装有翅片10。放氢热交换机构的加热热管8充装工作介质氨12。放氢热交换机构的加热热管和翅片有2组，加热热管8安装时向下倾斜40°。
本实施例的具体结构及工作过程说明如下：
对于充氢过程，打开阀门1，氢气由进出口进入储氢罐3内，穿过过滤器2(过滤掉灰尘、水分等)与罐体中的储氢合金6发生化学反应，生成金属氢化物，同时释放热量。热量经由导热片4和5等途径传导至冷却热管7，将冷却热管7低端的部分工作介质由液态蒸发为气态，气态的工作介质沿着向上倾斜的热管上升至高端，由与高端相连的翅片9释放到环境中。同时，气态的工作介质也被冷凝为液态，沿着冷却热管壁流回冷却热管低端。如此循环往复，热量沿储氢合金、热管低端、热管高端、翅片、环境这一路线自动传递，充氢过程持续进行。
对于放氢过程，打开阀门1，金属氢化物6发生化学反应，生成的氢气穿过过滤器2，经由进出口排出储氢罐3。同时，金属氢化物吸收周围的热量，经由导热片4和5等途径吸取加热热管8高端附近区域的热量，将加热热管高端的部分工作介质由气态冷凝为液态，液态的工作介质沿向下倾斜的加热热管流至热管低端，热管低端的翅片10从环境中吸收热量将液态的工作介质加热，蒸发为气态，平均分布于加热热管。如此循环往复，热量沿环境、翅片、热管低端、热管高端、金属氢化物这一路线自动传递，放氢过程持续进行。
应用实施例2
金属氢化物储氢罐直径100mm，高200mm，材质为304不锈钢，充装约3kg储氢合金。储氢罐罐体右侧设置冷却热管3个，向上倾斜角度为45°并将配套的翅片合为一体。储氢罐罐体左侧设置加热热管3个，向下倾斜角度为45°并将配套的翅片合为一体。冷却热管内的工作介质为氨气，加热热管内工作介质为甲醇。在环境温度为20℃时，可以自动实现无外部能源的充氢和放氢热交换。
应用实施例3
金属氢化物储氢罐直径200mm，高500mm，材质为铝合金，充装约15kg储氢合金。储氢罐罐体周向0°和180°两个方向各设置冷却热管5个，向上倾斜角度为60°，每根冷却热管配10个翅片，每个翅片面积为100cm2(10×10)，重叠排放。储氢罐罐体周向90°和270°两个方向各设置加热热管5个，向下倾斜角度为60°，每根冷却热管配10个翅片，每个翅片面积为100cm2(10×10)，重叠排放。冷却热管内的工作介质为氟利昂，加热热管内工作介质为水。在环境温度为30℃时，可以自动实现无外部能源的充氢和放氢热交换。

Claims (10)

1.一种金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：金属氢化物储氢罐同时设有充氢热交换机构和放氢热交换机构，充氢过程由充氢热交换机构将储氢合金产生的热量自动释放到环境中，放氢过程由放氢热交换机构自动从环境中吸取热量提供给金属氢化物，释放热量和吸取热量过程与环境进行的热交换均自动完成。
2.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：充氢热交换机构由冷却热管和翅片构成，冷却热管低端位于金属氢化物储氢罐内，冷却热管高端位于金属氢化物储氢罐外侧，冷却热管高端装有翅片。
3.根据权利要求2所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：充氢热交换机构的冷却热管充装常温常压下为液态的工作介质。
4.根据权利要求3所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：冷却热管充装的工作介质为水、甲醇或乙烷。
5.根据权利要求2所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：充氢热交换机构的冷却热管和翅片有2～8组，冷却热管安装时向上倾斜30°～60°。
6.根据权利要求1所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：放氢热交换机构由加热热管和翅片构成，加热热管高端位于金属氢化物储氢罐内，加热热管低端位于金属氢化物储氢罐外侧，加热热管低端装有翅片。
7.根据权利要求6所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：放氢热交换机构的加热热管充装常温常压下为气态的工作介质。
8.根据权利要求7所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：加热热管充装的工作介质为氟利昂或氨。
9.根据权利要求6所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：放氢热交换机构的加热热管和翅片有2～8组，加热热管安装时向下倾斜30°～60°。
10.根据权利要求1、2、3、4或5所述的金属氢化物储氢罐的热交换方法，其特征是：充氢热交换机构的冷却热管和放氢热交换机构的加热热管同时成对出现。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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