CN108745261B - 一种多单元金属氢化物蓄热反应器 - Google Patents

一种多单元金属氢化物蓄热反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多单元金属氢化物蓄热反应器，多个储存单元周期性并列布置在圆柱形罐子内，储存单元包括换热结构和反应床层，换热结构为U形双螺旋结构，设置在反应床层的内部，反应床层的外表面设置有双螺旋凹槽，每个储存单元之间的接触缝隙以及双螺旋凹槽作为氢气传输通道。本发明可以使金属氢化物蓄热床层的反应更加均匀，避免了床层内存在的低输出高能耗的区域，在保证净输出能力不变的同时减少了所需的蓄热材料和能耗。

Description

一种多单元金属氢化物蓄热反应器
技术领域
本发明属于热化学蓄热技术领域，具体涉及一种多单元金属氢化物蓄热反应器。
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，金属氢化物的设计优化一直是其应用研究的一个热点。
目前大部分的金属氢化物反应器被研究用于氢气的储存，其反应器的设计目标仅是单纯的追求反应速率的最大化。但是，对于金属氢化物反应器用于蓄热时，需要考虑更多的性能参数，例如：输出火用和能耗。而且，反应器的设计几乎仅涉及换热结构的改进优化，而没有考虑反应床层的结构改进。实际上，反应床层的结构改进可以节省蓄热材料和能耗。这个类似于飞行器外形结构的流线化设计是为了流动减阻。关于反应床层的结构改进，本课题组已经取得了一定的研究成果，其中，关于采用金属氢化物压块床层的结构改进，得到了国际同行的一致认可，并已发表于国际氢能(International Journal of HydrogenEnergy)。
由于螺旋换热管具有高的对流传热系数并且能与粉末床层更好的接触，而被广泛用于金属氢化物反应器。对于采用传统螺旋换热管的圆柱形床层，由于换热流体温度的温升(放热)或者温降(吸热)比较明显，床层会发生明显的非均匀反应，当部分反应锋面提前相互接触或者提前与床层边缘接触，剩余未反应的区域输出有效热能的能力极低，相应的输出温度会随时间急剧下降。由于其输出能力低且能耗大，因此这部分床层区域被称为“垃圾区域”。垃圾区域导致不必要的材料和能耗的浪费，材料单位净输出低且能耗大。
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，提供一种多单元金属氢化物蓄热反应器，解决圆柱形金属氢化物床层采用螺旋换热管进行蓄热时，床层材料利用率低且能耗大的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种多单元金属氢化物蓄热反应器，包括反应器壳体和储存单元，多个储存单元周期性并列布置在反应器壳体内，储存单元包括换热结构和反应床层，换热结构为U形双螺旋结构，设置在反应床层的内部，反应床层的外表面设置有双螺旋凹槽，每个储存单元之间的接触缝隙以及双螺旋凹槽作为氢气传输通道。
具体的，换热结构包括第一螺旋管和第二螺旋管，第一螺旋管的顶部和第二螺旋管的顶部连通，用于使换热流体进出口在反应床层的同一端。
进一步的，第一螺旋管和第二螺旋管具有相同的结构参数，并呈180°相位差布置。
进一步的，第一螺旋管和第二螺旋管的螺旋直径dc介于反应床层外径Do的数值平均数
Figure BDA0001684127880000023
和几何平均数
Figure BDA0001684127880000021
之间。
具体的，双螺旋凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽呈180°相位差布置。
进一步的，第一凹槽和第二凹槽的螺旋直径等于反应床层的外径Do。
进一步的，第一螺旋管和第一凹槽呈90°相位差布置，第二螺旋管和第二凹槽呈90°相位差布置。
具体的，反应床层的外径为Do，双螺旋凹槽的截面形状为三角形或半圆形，截面面积小于等于
Figure BDA0001684127880000022
具体的，反应床层的外表面设置有金属滤网，金属滤网的孔径为5～10μm。
进一步的，金属滤网的内部填充有金属氢化物粉末。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种多单元金属氢化物蓄热反应器，多个储存单元周期性并列布置在圆柱形罐子内，每个储存单元采用了U形双螺旋的换热结构和带有双螺旋凹槽的反应床层，针对采用传统螺旋换热管的圆柱形床层，会发生明显的非均匀反应，使输出温度过早的下降，反应器整体蓄热材料利用率低且能耗高的问题，在相同的净输出情况下，可以节省蓄热材料(金属氢化物)12.2％，并且减少放热能耗11％，与采用普通的螺旋形换热结构的圆柱形床层相比，综合放热性能(单位时间单位材料的输出火用)可提升54.3％。
进一步的，第一螺旋管和第二螺旋管的顶部连接，用于使换热流体进出口在反应床层的同一端，这样可以使换热流体的温度更均匀的分布于床层，避免床层纵向的非均匀反应更明显。
进一步的，第一螺旋管和第二螺旋管呈180°相位差布置，这样可以使螺旋管呈中心对称，确保换热结构周向布置均匀。
进一步的，螺旋直径过小导致床层轴心处提前完成反应或者螺旋直径过大导致床层外沿提前完成反应，因此将螺旋直径dc介于
Figure BDA0001684127880000031
和
Figure BDA0001684127880000032
之间，时刻避免床层横向发生非均匀反应。
进一步的，第一凹槽和第二凹槽呈180°相位差布置，这是因为螺旋管的布置呈180°相位差，导致形成的垃圾区域为双螺旋结构且呈180°相位差。
进一步的，实际产生的双螺旋结构的垃圾区域，处于床层的外沿，因此，螺旋直径为反应床层的外径Do。
进一步的，第一螺旋管和第一凹槽呈90°相位差，这是因为实际产生的双螺旋结构的垃圾区域其相位差与螺旋管的相位差呈90°。
进一步的，双螺旋凹槽的界面形状包括三角形或半圆形，截面面积不大于
Figure BDA0001684127880000033
能够避免额外的多余床层导致反应器整体的蓄热密度下降。
进一步的，设置金属滤网，且孔径为5～10μm以及内部填充金属氢化物粉末，可以保证反应床层的结构又不会影响氢气通过滤网与多孔床层反应。
综上所述，本发明可以使金属氢化物蓄热床层的反应更加均匀，避免了床层内存在的低输出高能耗的区域(垃圾区域)，在保证净输出能力不变的同时减少了所需的蓄热材料和能耗。
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为本发明金属氢化物反应器结构示意图；
图2为本发明U形双螺旋换热结构示意图；
图3为本发明反应床层结构示意图；
图4为反应床层底部四个螺旋结构的相对位置示意图；
图5为双凹槽床层和传统圆柱形床层热输出对比图。
其中：1.存储单元；2.第一螺旋管；3.第二螺旋管；4.反应床层；5.第一凹槽；6.第二凹槽；7.金属滤网。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。
本发明提供了一种多单元金属氢化物蓄热反应器，采用U形双螺旋的换热结构和带有双螺旋凹槽的反应床层作为储存单元，解决了传统螺旋换热管在圆柱形床层内布置时，发生非均匀反应，部分床层区域不能够输出有效的热能(该部分区域被称为“垃圾区域”)的问题。U形双螺旋的换热结构能够有效减小垃圾区域，带有双螺旋凹槽的床层结构剔除了缩小后的垃圾区域，最终使反应器使用更少的蓄热材料和更低的能耗实现相同的有效热输出。
请参阅图1，本发明一种多单元金属氢化物蓄热反应器，由大量储存单元1周期性并列布置而成，每个储存单元1采用U形双螺旋的换热结构和带有双螺旋凹槽的反应床层，该结构可以通过增加或者减小储存单元的数量很方便的扩大或缩小装置的储热量，储存单元紧密排布于圆柱形罐子。
请参阅图2，U形双螺旋换热结构包括第一螺旋管2和第二螺旋管3，第一螺旋管2的顶部和第二螺旋管3的顶部连通，使换热流体进出口在反应床层同一端(底部)，且第一螺旋管2和第二螺旋管3具有相同的结构参数，并呈180°相位差布置，其螺旋直径dc采用优化后的数据，即dc需介于反应床层外径Do的数值平均数
Figure BDA0001684127880000051
和几何平均数
Figure BDA0001684127880000052
之间。
请参阅图3，反应床层4上螺旋设置有第一凹槽5和第二凹槽6，第一凹槽5和第二凹槽6呈180°相位差布置，螺旋直径等于反应床层外径Do，螺旋凹槽的截面形状可以是三角形、半圆形等，但截面的面积不大于
Figure BDA0001684127880000053
反应床层4的外形由烧结不锈钢金属滤网制作成形，内部填充金属氢化物粉末，其孔径为5～10μm。
请参阅图1和4，第一螺旋管2和第二螺旋管3与第一凹槽5和第二凹槽6的相对位置如下：第一螺旋管2和第一凹槽5呈90°相位差布置，第二螺旋管3和第二凹槽6呈90°相位差布置，储存单元1紧密排布于圆柱形罐子内，储存单元1之间的接触缝隙以及第一凹槽5和第二凹槽6均作为氢气的传输通道，促进反应床层4传质良好。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了直观的理解带双螺旋凹槽的反应床层的输出优势，以Do为50mm，高度为200mm的圆柱形床层为例，带双螺旋凹槽的床层具备相同的尺寸，前后两者的金属氢化物用量分别为0.41和0.36kg，即双螺旋凹槽床层的材料用量减少了12.2％。通过建立相应的多物理场模型，并且稳定化其热输出，经过数值计算，结果如图5所示。可以看到虽然两种结构的稳定输出(净输出)相同，但带双螺旋凹槽的反应床层使放热能耗从67降到59.6kJ，降低了11％。此外，阴影部分区域正是垃圾区域输出的热能，是温度急剧下降的热量，无法被有效利用。
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 (5)

1.一种多单元金属氢化物蓄热反应器，其特征在于，包括反应器壳体和储存单元(1)，多个储存单元(1)周期性并列布置在反应器壳体内，储存单元(1)包括换热结构和反应床层(4)，换热结构为U形双螺旋结构，设置在反应床层(4)的内部，换热结构包括第一螺旋管(2)和第二螺旋管(3)，第一螺旋管(2)和第二螺旋管(3)具有相同的结构参数，并呈180°相位差布置，第一螺旋管(2)的顶部和第二螺旋管(3)的顶部连通，用于使换热流体进出口在反应床层(4)的同一端，反应床层(4)的外表面设置有双螺旋凹槽，双螺旋凹槽包括第一凹槽(5)和第二凹槽(6)，第一凹槽(5)和第二凹槽(6)呈180°相位差布置，第一螺旋管(2)和第一凹槽(5)呈90°相位差布置，第二螺旋管(3)和第二凹槽(6)呈90°相位差布置，反应床层(4)的外径为Do，双螺旋凹槽的截面形状为三角形或半圆形，截面面积小于等于
Figure FDA0002215422310000011
每个储存单元(1)之间的接触缝隙以及双螺旋凹槽作为氢气传输通道。
2.根据权利要求1所述的一种多单元金属氢化物蓄热反应器，其特征在于，第一螺旋管(2)和第二螺旋管(3)的螺旋直径dc介于反应床层(4)外径Do的数值平均数
Figure FDA0002215422310000012
和几何平均数
Figure FDA0002215422310000013
之间。
3.根据权利要求1所述的一种多单元金属氢化物蓄热反应器，其特征在于，第一凹槽(5)和第二凹槽(6)的螺旋直径等于反应床层(4)的外径Do。
4.根据权利要求1所述的一种多单元金属氢化物蓄热反应器，其特征在于，反应床层(4)的外表面设置有金属滤网(7)，金属滤网(7)的孔径为5～10μm。
5.根据权利要求4所述的一种多单元金属氢化物蓄热反应器，其特征在于，金属滤网(7)的内部填充有金属氢化物粉末。
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