CN110542015A - 一种强化换热合金储氢罐 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外浸‑内嵌式强化换热合金储氢罐，主要由罐体、换热结构、合金粉床体、导气结构四个部分组成；罐体为双层壳体结构，内层壳体中填充有合金粉床体，床体中“内嵌”有换热结构；外层壳体中填充有换热介质，整个内层壳体“外浸”于换热介质中，换热结构由若干根正多边形排列的U形热管与若干栅格翅片焊接而成，U形热管的一段与栅格翅片焊接置于合金粉床体中，另一段插入外层壳体的换热介质中。合金储氢罐吸放氢过程中，热量通过U形热管进行传导，也可以通过内层壳体与外层壳体之间的换热介质直接进行交换。通过这种外浸‑内嵌式强化换热方式，显著增强了合金粉床体换热效率，极大提高了合金储氢罐的吸放氢性能。
Description
技术领域
本发明属于合金储氢技术领域，特别是涉及一种外浸-内嵌式强化换热合金储氢罐。
背景技术
当今，氢能被认为是解决资源枯竭和环境压力等问题的理想能源。合金粉储运具有吸放氢条件温和、储运压力低、安全性能好、放氢纯度高等优点，因此被认为是一种较为理想的氢能储运方式。
但是，由于合金粉本身导热性差，吸氢过程放出大量的热，使得合金粉床层温度急剧上升，吸氢过程减缓甚至停止；放氢过程需要吸收大量的热，使得合金粉床层温度急剧下降，放氢速率和放氢量均下降，这都将造成合金储氢罐性能下降甚至失效。此外，合金粉在吸放氢过程粉化后的合金细粉的传热性能极差，这也将导致合金储氢罐性能下降。
因此，为了防止合金储氢罐性能衰减，改善合金粉床层的传热性能，提高合金储氢罐吸放性能，可以通过在合金储氢罐外壁设置翅片增加换热面积，或者将合金罐体浸入换热介质中，来改善合金储氢罐的换热性能；也可以在合金粉床层中设置一定数量的换热管，通过管内工作介质与合金床体直接换热来提高热交换效率。
然而，对于径向厚度较大的合金储氢罐来说，单一靠外设翅片或者外浸换热介质这种外部热交换的方式，或者是床层内嵌换热管的热交换方式，都无法满足吸放氢热量需求，势必导致合金储氢罐性能下降。
为了保证合金罐径向热量分布均衡，增加翅片、换热介质或者换热管的量，必然造成罐体体积增大、内部结构复杂等。
发明内容
针对上述技术中存在的单一换热形式热交换效率低、系统占用体积大等问题，本发明提供了一种外浸-内嵌式强化换热合金储氢罐。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种强化换热合金储氢罐，包括罐体、合金粉床体、换热结构和导气结构；所述的罐体为内层壳体和外层壳体构成的双层壳体结构，内层壳体的封头处设置有氢气进出口，且有开关阀与之相连，以控制氢气进出床体，所述的外层壳体上分别连接有换热介质入口和换热介质出口，外层壳体与内层壳体之间充填换热介质；所述的换热结构由正多边形阵列的若干根U形热管与栅格翅片连接而成，所述U形热管中心轴线位于正多边形的边角点位置，而角点处于栅格翅片圆周上，U形热管的一段与若干栅格翅片钎焊连接，作为合金粉床体的支撑结构，U形热管的另一段插入外层壳体的换热介质中，所述的合金粉床体由均匀装填在栅格翅片中间的合金粉构成；所述的导气结构由贯通于合金粉床体中心部位的导气管和设于氢气进出口处的过滤器组成，导气管截面圆的直径内切于栅格翅片的中心栅格，并且通过钎焊进行固接。
所述的一种强化换热合金储氢罐，其U形热管由管壳、吸液芯和端盖组成，包括蒸发段、冷凝段以及中间的绝热段。
所述的一种强化换热合金储氢罐，其换热介质为水、酒精或者丙酮，流向与U形热管中工作介质呈逆向流动，U形热管内工作介质为水。
所述的一种强化换热合金储氢罐，其U形热管管壳材质为不锈钢、铝、无氧铜或者磷脱氧铜，吸液芯为沟槽型、粉末烧结型、丝网烧结型或者其复合型。
所述的一种强化换热合金储氢罐，其栅格翅片是由冲孔的薄铜片经焊接拼成许多的“口”字形栅格构成，栅格的大小外接于U形热管的截面圆，并且两者之间通过钎焊固接，栅格翅片的直径略小于内层壳体内径，二者呈间隙配合装配。
所述的一种强化换热合金储氢罐，导气管为多孔不锈钢或镍合金粉末冶金管。过滤器为不锈钢粉末烧结体，过滤精度为0.4～4um，通过固接在壳体封头处氢气进出口上。
所述的一种强化换热合金储氢罐，其合金粉为稀土系AB5型化合物、钛系AB型或AB2型化合物以及钛钒、铌等金属合金的一种或多种混合物。
本发明的有益效果是：本发明合金储氢罐内层壳体整个“外浸”于充填换热介质的外层壳体中，而位于内层壳体中的合金粉床体中“内嵌”有换热结构；吸放氢过程中，热量通过U形热管蒸发段和冷凝段进行传导，也可以通过床体合金粉、内层壳体壁面与内外层壳体之间的换热介质直接进行交换；通过这种外浸-内嵌式强化换热方式，显著增强了合金粉床体换热效率，极大提高了合金储氢罐的吸放氢性能。
附图说明
图1是本发明的纵向示意性半剖视图；
图2是本发明的径向示意性半剖视图；
图3是图2中3a纵向示意性剖视图；
图4是图2中3b的俯视结构示意图。
各附图标记为：1—罐体，1a—内层壳体，1b—外层壳体，10—氢气进出口，11—换热介质入口，12—换热介质出口，2—合金粉床体，3a—U形热管，3b—栅格翅片，4a—导气管，4b—过滤器。
具体实施方式
下面结合本发明实施例附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
参照图1、图2所示，本发明公开的外浸-内嵌式强化换热合金储氢罐，至少包括罐体1、合金粉床体2、换热结构、导气结构四个部分。罐体1为内层壳体1a和外层壳体1b构成的双层壳体结构，合金粉床体2位于内层壳体1a中，壳体封头处开有氢气进出口10，且有开关阀与之相连，以控制氢气进出床体。外层壳体1b中充填换热介质，常用的介质为水，并且壳体上开有换热介质入口11和换热介质出口12，其流动方向与U形热管3a中工作介质（水）呈逆向流动。换热结构3由正多边形阵列的若干根U形热管3a与栅格翅片3b焊接而成。其中，U形热管3a中心轴线位于正多边形的边角点位置，而角点处于栅格翅片3b圆周半径中点所在的圆上。所述的U形热管3a由管壳、吸液芯和端盖组成，包括蒸发段、冷凝段以及中间的绝热段，U形热管3a的一段与若干栅格翅片3b钎焊连接，作为合金粉床体2的支撑结构；U形热管3a的另一段插入外层壳体1b的换热介质中。这样内层壳体1a整个“外浸”于充填换热介质的外层壳体1b中，而位于内层壳体1a中的合金粉床体2中“内嵌”有换热结构3。合金粉床体2由均匀装填在栅格翅片3b栅格的合金粉构成。导气结构4由贯通于合金粉床体2中心部位的导气管4a与罐体1出口处过滤器4b组成，导气管4a截面圆的直径内切于栅格翅片3b中心栅格，并且通过钎焊进行固接；过滤器4b通过焊接固接在壳体封头处氢气进出口10上。所述的U形热管3a管壳材质为不锈钢、铝、无氧铜或者磷脱氧铜，吸液芯为沟槽型、粉末烧结型、丝网烧结型或者其复合型；U形热管3a内工作介质为水、酒精或者丙酮。
所述的导气管4a为多孔不锈钢或镍合金粉末冶金管，所述的过滤器4b为不锈钢粉末烧结体，过滤精度为0.4～4um，通过固接在壳体封头处氢气进出口10上，所述的合金粉为稀土系AB5型化合物、钛系AB型或AB2型化合物以及钛钒、铌等金属合金的一种或多种混合物。
图3为本发明所述的U形热管3a纵向示意性剖视图。U形热管3a由管壳、吸液芯和端盖组成。U形热管3a内部被抽成负压状态，充入适当的低沸点易蒸发液体。热管的一段为蒸发段，另一段为冷凝段，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，带走大量的热量，该热量为工质的蒸发潜热，蒸汽通过中心通道向热管冷凝段流动，工质在冷凝段冷凝成液体，释放出潜热，液体回流到蒸发段。这样就完成一个闭合循环，从而将热量从蒸发段传到脱氢反应冷凝段。由于其内部循环驱动力是毛细力，因此任意一端受热都可以作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。
图4为本发明所述的栅格翅片3b的结构示意图。栅格翅片3b是由若干冲孔的薄铜片经焊接拼成许多的“口”字形栅格构成的盘状物，铜片的厚度约为1.5mm，“口”字形栅格的大小外接于U形热管3a的截面圆，并且两者之间通过钎焊固接，栅格的直径略小于内层壳体1a内径，二者呈间隙配合装配。
实施例
本实施例以钛铁合金储氢罐吸放氢为例。本发明的U形热管3a管壳材质为无氧铜、吸液芯为粉末烧结型、内部工作介质为酒精或丙酮；罐体1的材质为不锈钢，外层壳体流过的换热介质为冷热水。
对于充氢过程，氢气由氢气进出口10进入导气结构4中，气体顺着过滤器4b和导气管4a进入合金粉床体2中，与栅格中的储氢合金发生化学反应形成合金粉，释放大量热量。热量经栅格翅片3b的铜片传导至U形热管3a蒸发段，将热管蒸发段的工作介质蒸发成气态，热量转化为工质的蒸发潜热，蒸汽通过中心通道向U形热管3a冷凝段流动。此时U形热管3a冷凝段插入罐体1的外层壳体1a中，壳体中通入5～10℃冷水，蒸发的工质在冷凝段冷凝成液体，释放出的潜热被壳体冷却水带走，液体回流到蒸发段。这样就完成一个闭合循环，从而将充氢过程释放的热量从U形热管3a蒸发段传到冷凝段，降低床体温度，使得吸氢过程快速进行；同时，合金粉床体2的温度也可以通过床体合金粉、内壳壁面与外壳的冷却水直接热交换进行降低。通过这种外浸-内嵌换热方式能强化合金储氢罐的换热过程，提高换热效率，显著提升储氢罐性能。
对于放氢过程，打开氢气进出口10的开关阀10，栅格内合金粉发生化学反应，生成的氢气经栅格翅片3b的铜片上的小孔向中心部位的导气管4a扩散，穿过过滤器4b并过滤合金粉末，经进出口排出合金储氢罐。合金粉发生化学反应放出氢气需要吸收大量的热量。热量经由U形热管3a蒸发段和栅格翅片3b的铜片向合金粉床体2传递。此时，罐体1外壳中的U形热管3a段为蒸发段，壳体中通入80～95℃热水，将工质蒸发为气态并吸收热量；而合金粉床体2中U形热管段为冷凝段，将U形热管3a蒸发段流过来的气态工质冷凝为液态，并吸收其释放的潜热，液体回流到蒸发段。这样就完成一个闭合循环，从而将放氢过程所需要的热量从热水中迅速传导至储氢合金床体中，保证反应过程所需热量，加快放氢过程进行；同时，合金粉床体2所需的热量也可以通过床体合金粉、内壳壁面与外壳的热水直接热交换获得。通过这种外浸-内嵌换热方式能强化合金储氢罐的换热过程，提高换热效率，显著提升储氢罐性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种强化换热合金储氢罐，其特征在于：包括罐体（1）、合金粉床体（2）、换热结构和导气结构；所述的罐体（1）为内层壳体（1a）和外层壳体（1b）构成的双层壳体结构，内层壳体（1a）的封头处设置有氢气进出口（10），所述的外层壳体（1b）上分别连接有换热介质入口（11）和换热介质出口（12），外层壳体（1b）与内层壳体（1a）之间充填换热介质；所述的换热结构由若干根U形热管（3a）与栅格翅片（3b）连接而成，所述U形热管（3a）中心轴线位于圆周上，U形热管（3a）的一段与栅格翅片（3b）钎焊连接，作为合金粉床体（2）的支撑结构，另一段插入换热介质中，所述的合金粉床体（2）由均匀装填在栅格翅片（3b）内的合金粉构成；所述的导气结构（4）由贯通于合金粉床体（2）中心部位的导气管（4a）和设于氢气进出口（10）处的过滤器（4b）组成，导气管（4a）内切于栅格翅片（3b）的栅格。
2.根据权利要求1所述的一种强化换热合金储氢罐，其特征在于，所述的U形热管（3a）由管壳、吸液芯和端盖组成，包括蒸发段、冷凝段以及中间的绝热段。
3.根据权利要求1或2所述的一种强化换热合金储氢罐，其特征在于，所述外层壳体（1b）中的换热介质为水、酒精或者丙酮，U形热管（3a）内工作介质为水，两介质流向相反。
4.根据权利要求1或2所述的一种强化换热合金储氢罐，其特征在于，所述的U形热管（3a）管壳材质为不锈钢、铝、无氧铜或者磷脱氧铜，吸液芯为沟槽型、粉末烧结型、丝网烧结型或者其复合型。
5.根据权利要求1或2所述的一种强化换热合金储氢罐，其特征在于，所述的栅格翅片（3b）是由冲孔的薄铜片经焊接拼成。
6.根据权利要求1或2所述的一种强化换热合金储氢罐，其特征在于，所述的导气管（4a）为多孔不锈钢或镍合金粉末冶金管。
7.根据权利要求1或2所述的一种强化换热合金储氢罐，其特征在于，所述的过滤器（4b）为不锈钢粉末烧结体，过滤精度为0.4～4um。
8.根据权利要求1或2所述的一种强化换热合金储氢罐，其特征在于，所述的合金粉为稀土系AB5型化合物、钛系AB型或AB2型化合物以及钛钒、铌金属合金的一种或多种混合物。
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