CN106705704B - 一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，包括竖直设置的换热流体管和反应器壳体，热流体管贯穿反应器壳体，换热流体管的一端通过第三卡套与反应器壳体的底端密封连接，另一端与反应器壳体的顶端通过法兰连接，法兰上设置有用于氢气进出的气孔和安全阀接口，反应器壳体内部设置有压块形成床层，换热流体管贯穿床层。采用了变截面的压块结构和多次拆卸填料的密封结构。解决了传统的圆柱形金属氢化物压块床层，在放热过程中，输出温度过早下降，床层利用率低的问题，明显地提高了床层的有效利用率；同时采用两对卡套密封结构组合，使反应器可以多次拆卸填料并保持良好的密封。

Description

一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器

【技术领域】

本发明属于热化学蓄热技术领域，具体涉及一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器。

【背景技术】

由于一些金属或合金与氢可以发生化学反应并且具有良好的可逆性，其中一部分材料例如Mg基金属氢化物具有大的反应热值(高的蓄热密度)并且反应温度较高，被国内外学者认为是一种很有前景的高温蓄热材料。

大量的研究表明，金属氢化物的反应过程的控制环节是传热，即传热性能越好反应越快。因此，金属氢化物的强化传热研究一直是其应用研究的一个热点。强化传热的方法主要分为两种思路：a对材料进行改进(例如复合材料)以强化材料的有效导热系数；b对反应器结构进行改进以强化反应器对换热流体的传热性能。

其中，将金属氢化物粉末与具有良好导热的材料例如膨胀石墨等按照一定比例混合，并通过模具冷压制成圆柱形压块。此种压块的有效导热系数λ_e可以达到6W·m^-1·K^-1(未处理时λ_e不到1W·m^-1·K^-1)，并且经过3000次循环之后仍然可以保持这个形状避免粉化。此外，金属氢化物压块还可以防止粉末与空气大面积接触被氧化甚至燃烧的危险。因此，该方法逐渐被广大学者研究机构所关注和应用，例如台湾亚太燃料电池科技股份有限公司所采用的LaNi₅类型储氢材料即是采用这种压块方式。

因此，Mg基金属氢化物压块在高温蓄热领域的应用也逐渐被重视起来。经本课题组研究发现，由于换热流体温度的温升(放热)或者温降(吸热)比较明显，尤其在金属氢化物反应器放热过程中，采用传统的圆柱形压块会导致的输出温度过早的下降，导致反应器整体压块材料的有效利用率较低。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，解决金属氢化物压块用于高温蓄热时传统圆柱形压块床层的有效利用率低的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，包括竖直设置的换热流体管和反应器壳体，所述换热流体管贯穿所述反应器壳体，所述换热流体管的一端通过第三卡套与所述反应器壳体的底端密封连接，另一端与所述反应器壳体的顶端通过法兰连接，所述法兰上设置有用于氢气进出的气孔和安全阀接口，所述反应器壳体内部设置有压块形成床层，所述换热流体管贯穿所述床层。

进一步的，所述压块为圆台形结构，包括多个，在所述反应器壳体内部从下到上层叠设置。

进一步的，每层所述压块之间设置有至少1mm的金属垫片用于支撑。

进一步的，所述压块的锥度为0.02～0.1。

进一步的，所述压块的高度小于20mm。

进一步的，所述压块可采用变截面圆柱形床层，所述变截面圆柱形压块从底层往上根据圆台最优锥度每隔几层外径减小至少1mm，底层所述变截面圆柱形压块外径不变，与所述反应器壳体内壁间隔至少1mm设置。

进一步的，所述反应器壳体顶端与所述法兰之间设置有端盖，所述端盖上设置有第二卡套用于密封，所述端盖下端设置有锥面结构用于密封所述反应器壳体，所述换热流体管贯穿所述端盖通过第一卡套密封。

进一步的，所述反应器壳体顶端设置有凹槽，所述凹槽内设置有烧结环形不锈钢滤网，所述滤网的孔径为5～10μm。

进一步的，所述第二卡套与所述滤网的距离小于等于3mm。

进一步的，所述法兰通过螺栓与所述反应器壳体连接，所述螺栓沿所述法兰圆周间隔60°均匀分布，所述反应器壳体外部设置有至少15mm厚度的二氧化硅气凝胶。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，换热流体管竖直贯穿设置在反应器壳体内并伸出，反应器顶端通过法兰固定连接，法兰上设置有安全阀接口和用于氢气进出的气孔，反应器底部采用卡套密封方式，使用过程中第三卡套不需拆卸以保证密封好的效果，反应器壳体内部设置有压块形成床层，此反应器适用于换热流体不存在相变的情况，即在吸/放热过程中换热流体存在明显的进出口温差，同时，换热流体入口必须位于圆台形压块的底端一侧，在放热过程中，床层有效利用率可由78％提升至98％。

进一步的，采用圆台形的压块结构从下到上层叠设置，符合床层的非均匀反应特征，提高床层的有效利用率。

进一步的，每层压块之间设置有至少1mm的金属垫片用于支撑，保证压块能使氢气传输良好。

进一步的，压块锥度为0.02～0.1，可以满足在常见蓄热工况中金属氢化物床层的非均匀程度。

进一步的，为保证压块能使氢气传输良好，压块的高度小于20mm，反应器内的长度与内径根据具体设计要求进行确定。

进一步的，可采用更易加工的变截面圆柱形床层近似代替圆台形床层，由底层往上，根据圆台的最优锥度确定每隔几层圆柱形压块的外径减小1mm，数值越小越接近圆台形，效果也会越好，其中底层的压块外径保持不变并与反应器内壁间隔1mm，保证足够的氢通道。

进一步的，反应器顶端采用两组卡套组合方式，第一卡套使换热流体管与第二卡套密封固定，然后第二卡套与反应器端盖接触密封，使用时可通过拆卸第二卡套打开反应器进行填料，解决换热流体管与反应器顶端法兰之间的密封问题，使反应器实现多次拆卸调料并保持密封良好，反应器端盖与反应器壳体之间的密封采用锥面接触密封，以保证密封好的效果。

进一步的，采用孔径5～10μm的烧结环形不锈钢滤网，置于反应器上端凹槽内，与换热流体管外壁接触良好。

进一步的，第二卡套底端与烧结滤网之间的设计距离需在3mm之内，以防止滤网结构纵向位移过大。

进一步的，反应器外围采用二氧化硅气凝胶材料至少15mm厚度，用以减小热量的耗散。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明变截面圆柱形压块床层结构示意图；

图3为本发明滤网的结构示意图；

图4为本发明法兰处螺栓的位置分布。

其中：1.第一卡套；2.第二卡套；3.气孔；4.法兰；5.压块；6.反应器壳体；7.安全阀接口；8.锥面结构；9.螺栓；10.滤网；11.第三卡套；12.换热流体管；13.金属垫片；14.凹槽。

【具体实施方式】

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器为竖直放置，主要分为主体变截面床层、接触密封结构和其他辅助结构。主要针对金属氢化物蓄热反应器吸放热过程中，换热流体的进出口温度较大(无相变)，导致床层的非均匀反应，使出口温度下降过早，床层的有效利用率较低的问题。

请参阅图1所示，本发明公开了一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，包括竖直设置的换热流体管12和反应器壳体6，所述换热流体管12贯穿所述反应器壳体6，所述换热流体管12的一端通过第三卡套11与所述反应器壳体6的底端密封连接，另一端与所述反应器壳体6的顶端通过法兰4连接，所述法兰4上设置有用于氢气进出的气孔3和安全阀接口7，所述反应器壳体6内部设置有压块5形成床层，所述换热流体管12贯穿所述床层。

其中，所述压块5为圆台形结构，包括多个，在所述反应器壳体6内部从下到上层叠设置。

首先是使用特殊的圆台形压块床层5，其核心参数是圆台的锥度，涉及范围在0.02～0.1，具体设计最优锥度需根据反应器使用的设计工况进行确定。

为保证压块5能使氢气传输良好，压块5的高度小于20mm，每层压块5之间通过至少1mm厚的金属垫片13支撑。反应器壳体6内的长度与内径根据具体设计要求进行确定。

金属氢化物床层吸放热过程中会伴随氢气的释放和吸收，气孔3是氢气的进出口，同时，气孔7是装置安全阀的气孔以防止反应器内部氢气压力超过设计压力

请参阅图2所示，压块5可采用更易加工的变截面圆柱形床层近似代替圆台形床层，由底层往上，根据圆台的最优锥度确定每五层圆柱形压块的外径减小至少1mm，此值越小整体床层形状越接近圆台形状，效果越好。此外，底层的压块外径保持不变并与反应器内壁间隔至少1mm，最优锥度根据不同的反应器设计工况所对应的床层的非均匀反应程度所确定。

反应器壳体6顶端与所述法兰4之间设置有端盖，所述端盖上设置有第二卡套2用于密封，所述端盖下端设置有锥面结构8用于密封所述反应器壳体6，所述换热流体管12贯穿所述端盖通过第一卡套1密封。

采用第一卡套1和第二卡套2组合方式，第一卡套1使换热流体管12与第二卡套2密封固定，然后第二卡套2与反应器壳体6的顶盖接触密封，使用时可通过拆卸第二卡套2打开反应器进行填料。解决换热流体管与反应器顶端法兰之间的密封问题，使反应器实现多次拆卸调料并保持密封良好。同时，反应器壳体6底部采用第三卡套11密封连接方式，简单方便并且具有好的密封效果，使用过程中第一卡套1和第三卡套11均不需拆卸以防止密封效果恶化。

请参阅图3所示，由于吸放热过程同时伴随着氢气的吸收排放现象，并且多次循环之后金属氢化物粉末粒径达到微米级，为防止部分粉末随氢气进入氢气管路造成管路堵塞及蓄热材料的损失，我们采用孔径5μm的烧结环形不锈钢滤网10，置于反应器壳体6的上端凹槽14内，与换热流体管12外壁接触良好，第二卡套2底端与烧结滤网10之间的设计距离需在3mm之内，以防止滤网结构纵向位移过大。

请参阅图4所示，反应器盖与反应器体之间的密封采用锥面接触密封，法兰4采用均匀环绕六对螺栓9进行固定(于同心圆间隔60°均匀分布)不需要垫片，结构简单、使用方便。

反应器外围采用二氧化硅气凝胶材料15mm厚度(图1中未显示)，用以减小热量的耗散。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，其特征在于：包括竖直设置的换热流体管(12)和反应器壳体(6)，所述换热流体管(12)贯穿所述反应器壳体(6)，所述换热流体管(12)的一端通过第三卡套(11)与所述反应器壳体(6)的底端密封连接，另一端与所述反应器壳体(6)的顶端通过法兰(4)连接，所述法兰(4)上设置有用于氢气进出的气孔(3)和安全阀接口(7)，所述反应器壳体(6)内部设置有压块(5)形成床层，所述压块(5)为圆台形结构，包括多个，在所述反应器壳体(6)内部从下到上层叠设置，每层所述压块(5)之间设置有至少1mm的金属垫片(13)用于支撑，所述压块(5)的锥度为0.02～0.1，压块(5)的高度小于20mm，所述换热流体管(12)贯穿所述床层。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，其特征在于：所述压块(5)可采用变截面圆柱形床层，所述变截面圆柱形压块从底层往上每隔五层外径减小至少1mm，底层所述变截面圆柱形压块外径不变，与所述反应器壳体(6)内壁间隔至少1mm设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，其特征在于：所述反应器壳体(6)顶端与所述法兰(4)之间设置有端盖，所述端盖上设置有第二卡套(2)用于密封，所述端盖下端设置有锥面结构(8)用于密封所述反应器壳体(6)，所述换热流体管(12)贯穿所述端盖通过第一卡套(1)密封。

4.根据权利要求3所述的一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，其特征在于：所述反应器壳体(6)顶端设置有凹槽(14)，所述凹槽(14)内设置有烧结环形不锈钢滤网(10)，所述滤网(10)的孔径为5～10μm。

5.根据权利要求4所述的一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，其特征在于：所述第二卡套(2)与所述滤网(10)的距离小于等于3mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的高效蓄热反应器，其特征在于：所述法兰(4)通过螺栓(9)与所述反应器壳体(6)连接，所述螺栓(9)沿所述法兰(4)圆周间隔60°均匀分布，所述反应器壳体(6)外部设置有至少15mm厚度的二氧化硅气凝胶。