CN110671163A - 伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，包括高压换热罐、1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号正反向可逆压缩/膨胀机、1号变温器、2号变温器和低压换热罐。高压换热罐顺次连接1号变温器、1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号变温器和2号正反向可逆压缩/膨胀机，形成正向流动循环。低压换热罐顺次连接2号变温器、2号正反向可逆压缩/膨胀机、1号变温器和1号正反向可逆压缩/膨胀机，形成反向流动循环。本发明通过可逆压缩/膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电。

Description

伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统
技术领域
本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统。
背景技术
自然界充满着无限的常温能源，空气、海水等无限量的常温能源，具有开发潜力。地球上的能源绝大部分来自于太阳，在能源日益紧缺的今天，新的可再生绿色洁净发电技术日益受到重视。现在新能源中，水能和风能发电技术应用较为普遍，技术也较为成熟。水电开发潜力不大，而风力又过于分散，只能在一些特定区域应用，而且水能和风能发电装置投入很大，占地面积广。空气能已逐步进入人们的视野中，目前空气能热水器也得到了普遍应用，其原理就是利用空气中的热能，通过热泵加热水。但是利用空气能发电的技术非常少，技术不够成熟，难以推广应用。
公开号为CN107939525 A的中国发明专利申请公开了一种压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统及方法，该压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统包括高压气源、蒸汽源、混合器、气体喷射器以及燃气膨胀机，气体喷射器设有内腔和与内腔均连通的第一入口、第二入口及出口，高压气源和蒸汽源均经由混合器与第一入口连通，燃气膨胀机的乏气出口与第二入口连通，燃气膨胀机的进气口与出口连通。该专利申请中，高压气源输出的高压气体介质与蒸汽源输出的高温蒸汽混合后，作为高压工作气流输入气体喷射器内，提高了对低压乏气的卷吸能力，进而提高了做功效率。但是该发明专利申请不能通过金属储氢材料的吸氢放氢作用所产生的热量实现压缩/膨胀机的做功发电。
发明内容
本发明的目的是提供一种伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，以氢气为循环工质，利用金属储氢材料的吸氢/放氢特性，通过可逆压缩/膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电，充分利用大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。
本申请实施例提供了一种伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，所述做功系统包括高压换热罐、1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号正反向可逆压缩/膨胀机、1号变温器、2号变温器和低压换热罐；所述1号正反向可逆压缩/膨胀机设有1号膨胀入口、1号膨胀出口、1号压缩入口和1号压缩出口；所述2号正反向可逆压缩/膨胀机设有2号膨胀入口、2号膨胀出口、2号压缩入口和2号压缩出口；所述高压换热罐的出口通过阀门连接到1号变温器的吸氢入口，1号变温器的吸氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机的1号膨胀入口，所述1号正反向可逆压缩/膨胀机的1号膨胀出口通过阀门连接到2号变温器的放氢入口，2号变温器的放氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机的2号压缩入口，所述2号正反向可逆压缩/膨胀机的2号压缩出口通过阀门连接到所述高压换热罐的入口；所述低压换热罐的出口通过阀门连接到2号变温器的吸氢入口，2号变温器的吸氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机的2号膨胀入口，所述2号正反向可逆压缩/膨胀机的2号膨胀出口通过阀门连接到1号变温器的放氢入口，1号变温器的放氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机的1号压缩入口，所述1号正反向可逆压缩/膨胀机的1号压缩出口通过阀门连接到低压换热罐的入口；所述1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号正反向可逆压缩/膨胀机与功率输出轴同轴连接。
进一步的，所述做功系统还包括发电机；所述1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号正反向可逆压缩/膨胀机与发电机同轴连接，所述发电机电路连接到外部电网和/或蓄电池。
进一步的，所述1号正反向可逆压缩/膨胀机内设有B金属储氢材料反应床层，所述2号正反向可逆压缩/膨胀机内设有A金属储氢材料反应床层。
进一步的，所述1号变温器中设有B金属储氢材料反应床层，所述2号变温器中设有A金属储氢材料反应床层。
进一步的，所述B金属储氢材料反应床层的B金属储氢材料为包括但不限于钛系金属储氢材料；所述A金属储氢材料反应床层的A金属储氢材料为包括但不限于稀土系金属储氢材料。
进一步的，所述1号正反向可逆压缩/膨胀机和2号正反向可逆压缩/膨胀机交替进行膨胀和压缩过程。所述1号正反向可逆压缩/膨胀机在进气气流正向流动时进行气体膨胀做功，在进气气流反向流动时进行气体压缩；所述2号正反向可逆压缩/膨胀机在进气气流正向流动时进行气体压缩，在进气气流反向流动时进行气体膨胀做功。
进一步的，所述系统还设有保护罩，所述保护罩设有可燃气体报警器和氢气加入口；所述保护罩加装内保温或外保温或内外保温，所述保护罩内的管道加装内保温或外保温或内外保温；所述保护罩还设有温度调节器；所述温度调节器放出高温冷量，所述低温换热罐放出低温冷量；所述保护罩内填充有系统补热氢气，将通过温度调节器从外界环境进入的热量和机械设备产生的热量补充到高温换热罐中，以使系统可持续做功运行；所述系统补热氢气包括但不限于氢气以外的其他气体或液体或固体，或以上两两混合物，或三项混合物。
本申请实施例化提供了一种液体换热介质做功系统，包括高压膨胀机、低压膨胀机、1号液体换热介质循环泵、2号液体换热介质循环泵、金属储氢材料反应床A和金属储氢材料反应床B；所述金属储氢材料反应床A包括氢反应床A1和氢反应床A2，所述金属储氢材料反应床B包括氢反应床B1和氢反应床B2。
所述氢反应床A1和所述氢反应床A2分别通过氢气管道依次连接所述高压膨胀机和低压膨胀机，所述高压膨胀机和低压膨胀机循环连接所述氢反应床B1和氢反应床B2。
所述氢反应床B1和氢反应床B2通过氢气管道连接高压膨胀机和低压膨胀机，所述高压膨胀机和低压膨胀机循环连接所述氢反应床A1和氢反应床A2。
所述氢反应床A1、氢反应床A2、氢反应床B1和氢反应床B2分别通过液体换热介质管道与所述1号液体换热介质循环泵和2号液体换热介质循环泵循环连接；所述1号液体换热介质循环泵和2号液体换热介质循环泵用于在所述氢反应床A1、氢反应床A2、氢反应床B1与氢反应床B2吸/放氢后，对所述氢反应床A1、氢反应床A2、氢反应床B1与氢反应床B2中的循环介质进行换热。
从金属氢化物反应床通过过滤膜出来的氢气不带有液体，金属氢化物反应床的过滤膜只允许氢气通过，不允许液体通过；从金属氢化物反应床通过气液分离器出来的液体换热介质不带有氢气。
所述保护罩内填充有系统补热氢气，将通过温度调节器从外界环境进入的热量和机械设备产生的热量补充到内置换热器中，以使系统可持续做功运行；通过外置换热器将系统做功产生的冷量传递给外界；所述系统补热氢气包括但不限于氢气以外的其他气体或液体或固体，或以上两两混合物，或三项混合物。
进一步的，所述伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统通过柯来浦循对外做功；所述柯来浦循环定义为在系统内至少两种金属氢化物，存在至少四个状态点，至少四个状态点的吸氢放热和放氢吸热在系统内通过循环换热介质保持或基本保持热量平衡，即某一状态点的吸氢放热的热量利用循环换热介质传给其他三个状态点中的放氢吸热过程。
至少存在的四个状态点中的放氢吸热状态不用或基本上不用向环境中吸热，而是将至少四个状态点中的吸氢放热的热量传递给至少四个状态点中的放氢吸热过程。
至少存在的四个状态点中的吸氢放热状态不用或基本上不用向环境中散热，而是将热量传递给存在的至少四个状态点中的放氢吸热过程，而存在的至少四个状态点中放氢吸热过程完全能够或几乎完全能够接收传递过来的热量。
至少四个状态点中的吸氢放热状态点可以将热量传递给放氢吸热状态点，以上热量基本上都是内部平衡，全部或绝大部分吸放热的热量平衡在系统内部完成，几乎不需要向环境中散热或从环境中吸热。
通过至少四个状态点形成的做功循环，能够使系统做功，做功的形式是利用氢气作为介质做功，至少四个状态点可以使氢气的温度-压力进行循环变化，从而形成做功循环，做功设备既可以是叶轮式回转机构也可以活塞式或其他形式；至少四个状态点通过做功循环，吸氢放热状态点和放氢吸热状态点都可以恢复成原来的状态点；允许系统向环境中释放低温冷量，从环境中吸热。
除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体作为循环换热介质；此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质；换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体、固体或以上的混合物或两两混合物。
至少两种金属氢化物的压力-温度图的状态点连线既可以相交也可以不相交。
系统氢气做功的过程既包括循环换热氢气的做功也包括做功氢气的做功。
进一步的，对于设置在所述1号正反向可逆压缩/膨胀机内的B金属储氢材料反应床层，以及设置在所述2号正反向可逆压缩/膨胀机内的A金属储氢材料反应床层，所述B金属储氢材料反应床层和所述A金属储氢材料反应床层可以分别设置在对应的正反向可逆压缩/膨胀机叶轮相连的沟槽内或蜗壳上，或与叶轮同轴安装但不接触，既可以跟叶轮同转速一起旋转，或固定在叶轮上，或不与叶轮接触，金属氢化物或装在格栅网状内，格栅仅允许氢气通过，不允许固体颗粒泄露，金属氢化物或是涂覆在叶片的涂层，变温器或不设置，而是将变温器内的金属氢化物跟正反向可逆压缩/膨胀机中的金属氢化物合在一起共同放置在正反向可逆压缩/膨胀机内，目的是在1号正反向可逆压缩/膨胀机内，当正向循环膨胀时氢气通过沟槽，因为做功，温度会下降，金属氢化物的吸氢放热会弥补下降温度，使膨胀氢气的平均温度始终维持恒定在一定温度，即使在膨胀时有微小降温，也会及时补充热量，修正降温，使做功平均温度始终保持在一定温度；在2号正反向可逆压缩/膨胀机内，当正向循环压缩时氢气通过沟槽，因为耗功，温度会上升，金属氢化物的放氢吸热会弥补温度上升，使压缩氢气的温度始终维持恒定在一定温度，即使在压缩时有微小温升，也会及时吸收热量，放出做功氢气，修正温升，使做功平均温度始终保持在一定温度；变温器内的金属氢化物可以跟正反向可逆压缩/膨胀机中的金属氢化物相同或者不同，都可以调整进入正反向可逆压缩/膨胀机的温度，使变温器出口温度高于正反向可逆压缩/膨胀机的氢气的平均膨胀温度，或使变温器出口温度低于正反向可逆压缩/膨胀机的氢气的平均压缩温度，这时或取消或减少正反向可逆压缩/膨胀机内的金属氢化物。
本发明公开的伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，通过在可逆压缩/膨胀机的叶轮间歇处设置金属储氢材料反应床层，以氢气为循环工质，利用金属储氢材料的吸氢/放氢特性，通过可逆压缩/膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电，充分利用了大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。将本发明公开的做功系统安装在轮船等交通工具和其他设备上，可以利用其它自然物质所携带的能量，通过工质循环驱动膨胀机做功，将地球氢能转变为机械能从而驱动交通工具运行，实现绿色交通。
附图说明
图1为本发明伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统的结构示意图；
图2为本发明提供的做功系统反向流动循环的示意图；
图3为本发明提供的液体换热介质做功系统结构示意图；
图4为本发明提供的液体换热介质做功系统反向流动循环示意图；
图5为本发明金属氢化物的工作状态点图；
图6为金属氢化物在叶轮中的安装和分布形式图；
图7为本发明实施例2对应的金属氢化物的工作状态点图。
其中：1—高压换热罐、2—1号正反向可逆压缩/膨胀机、3—2号正反向可逆压缩/膨胀机、4—发电机、5—B金属储氢材料反应床层、6—A金属储氢材料反应床层、7—低压换热罐、8—阀门、9—1号变温器、10—2号变温器、11—高压膨胀机、12—低压膨胀机、13—1号膨胀入口、14—1号膨胀出口、15—1号压缩入口、16—1号压缩出口、13’—2号膨胀入口、14’—2号膨胀出口、15’—2号压缩入口、16’—2号压缩出口、17—1号液体换热介质循环泵、18—2号液体换热介质循环泵、19—A1金属储氢材料反应床层、20—A2金属储氢材料反应床层、21—B1金属储氢材料反应床层、22—B2金属储氢材料反应床层、23—氢气过滤膜、24—氢气加入口、25—可燃性气体报警器、26—温度调节器、27—气液分离器、28—保护罩。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种伴有金属储氢材料的正反向可逆压缩/膨胀机的做功系统，如图1、图2所示，该做功系统包括高压换热罐1、1号正反向可逆压缩/膨胀机2、2号正反向可逆压缩/膨胀机3、1号变温器9、2号变温器10、低压换热罐7和发电机4。
具体的，1号正反向可逆压缩/膨胀机2设有1号膨胀入口13、1号膨胀出口14、1号压缩入口15和1号压缩出口16。2号正反向可逆压缩/膨胀机3设有2号膨胀入口13’、2号膨胀出口14’、2号压缩入口15’和2号压缩出口16’。1号变温器9和2号变温器10上分别设有吸氢入口、吸氢出口、放氢入口和放氢出口。
高压换热罐1的出口通过阀门8连接到1号变温器9的吸氢入口，1号变温器9的吸氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号膨胀入口13，1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号膨胀出口14通过阀门连接到2号变温器10的放氢入口，2号变温器10的放氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号压缩入口15’，2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号压缩出口16’通过阀门8连接到高压换热罐1的入口。
低压换热罐7的出口通过阀门连接到2号变温器10的吸氢入口，2号变温器10的吸氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号膨胀入口13’，2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号膨胀出口14’通过和阀门8连接到1号变温器9的放氢入口，1号变温器9的放氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号压缩入口15，1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号压缩出口16通过阀门连接到低压换热罐7的入口。
1号正反向可逆压缩/膨胀机2、2号正反向可逆压缩/膨胀机3与发电机4通过功率输出轴同轴连接。在一具体实施方式中，发电机4电路连接到外部电网或蓄电池，从而使发电机4能够利用1号正反向可逆压缩/膨胀机2或2号正反向可逆压缩/膨胀机3做功输出的动能发电。在实际应用中，除了可以在1号正反向可逆压缩/膨胀机2和2号正反向可逆压缩/膨胀机3的功率输出轴上外接发电机以外，还可以在功率输出轴上外接其他的设备，例如风机或水车等。1号正反向可逆压缩/膨胀机2及2号正反向可逆压缩/膨胀机3可以是活塞式机械，也可以是轮式机械，通过活塞式机械或轮式机械可以将1号正反向可逆压缩/膨胀机2和2号正反向可逆压缩/膨胀机3做功输出的能量转化为其他形式的能量。
当使用气态的氢气作为图1所示的做功系统中的循环换热介质时，可以在1号正反向可逆压缩/膨胀机2的叶轮间歇处和1号变温器9中设置B金属储氢材料反应床层5，其中的B金属储氢材料为钛系金属储氢材料，例如TiMn5。在2号正反向可逆压缩/膨胀机3的叶轮间歇处和2号变温器10中设置A金属储氢材料反应床层6，其中的A金属储氢材料为稀土系金属储氢材料，例如LaAl2。钛系金属储氢材料组成的B金属储氢材料在120℃、1MPa下吸氢放热，在-120℃、0.15MPa下放氢吸热。稀土系金属储氢材料组成的A金属储氢材料在20℃、2MPa下放氢吸热，在-20℃、0.3MPa下吸氢放热，四个状态点如图5所示。
1号正反向可逆压缩/膨胀机2在进气气流正向流动时，能完成气体膨胀做功过程；在进气气流反向流动时，能完成气体压缩过程。相反的，2号正反向可逆压缩/膨胀机3在进气气流正向流动时，能完成气体压缩过程；在进气气流反向流动时，能完成气体膨胀做功过程。1号正反向可逆压缩/膨胀机2和2号正反向可逆压缩/膨胀机3交替进行膨胀和压缩过程。
对于图1所示的做功系统，该做功系统工作时按时序分为正向流动循环和反向流动循环。在正向流动循环时，通过阀门8组成的阀门组的切换，高压氢气先从高压换热罐1进入1号变温器9，1号变温器9中的B金属储氢材料进行吸氢放出大量热量将未吸收的氢气升高到一定温度后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2中膨胀做功。同样，高压氢气膨胀过程中由于1号正反向可逆压缩/膨胀机2中的B金属储氢材料进行吸氢放出大量热量，使得从1号正反向可逆压缩/膨胀机2中排出的膨胀氢气温度不降低，从而实现等温膨胀过程。然后将膨胀做功后的氢气送入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量将未吸收的氢气降低到一定温度后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3进行压缩。同样，氢气压缩过程中由于2号正反向可逆压缩/膨胀机3中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量，使得压缩后从2号正反向可逆压缩/膨胀机3中排出的氢气温度不升高，从而实现等温压缩过程，压缩后的氢气送回到高压换热罐1中。
在反向流动循环时，通过阀门8组成的阀门组的切换，低压氢气先从低压换热罐7进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料进行吸氢放出大量热量将未吸收的氢气升高到一定温度后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3中膨胀做功。同样，低压氢气膨胀过程中由于2号正反向可逆压缩/膨胀机3中的A金属储氢材料吸氢放出大量热量，使得从1号正反向可逆压缩/膨胀机2中排出的膨胀氢气的温度不降低，从而实现等温膨胀过程。然后将膨胀做功后的氢气送入1号变温器9，1号变温器9中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量将未吸收的氢气降低到一定温度后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2进行压缩。同样，在氢气压缩过程中由于1号正反向可逆压缩/膨胀机2中的B金属储氢材料进行放氢吸收大量热量，使得压缩后从2号正反向可逆压缩/膨胀机3中排出的氢气温度不升高，从而实现等温压缩过程，压缩后的氢气送回到低压换热罐7。
在一具体实施方式中，对于图1所示的做功系统，高压换热罐1的氢气压力为2MPa，氢气温度为20℃；低压换热罐7的氢气压力为0.3MPa，氢气温度为-120℃。本实施例中，做功系统工作时正向流动循环的具体过程为：通过阀门8组成的阀门组的切换，高压换热罐1中2MPa，20℃的高压氢气先进入1号变温器9，1号变温器9中的B金属储氢材料吸收部分氢气放出大量热量将未吸收的氢气温度升高到120℃后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2中膨胀做功，氢气膨胀做功过程中由于1号正反向可逆压缩/膨胀机2中的B金属储氢材料继续进行吸氢放出大量热量，使得1号正反向可逆压缩/膨胀机2出口处的氢气压力下降到1MPa，但温度仍然保持在120℃。然后120℃、1MPa的氢气进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量将未吸收的氢气温度降低到20℃后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3进行压缩，氢气压缩过程中由于2号正反向可逆压缩/膨胀机3中的A金属储氢材料继续进行放氢吸收大量热量，使得2号正反向可逆压缩/膨胀机3出口处的氢气压力升高到2MPa，但温度仍然保持在20℃。20℃、2MPa的氢气返回高压换热罐1，形成闭路循环。做功系统工作时，氢气介质的正向流动循环路径见图1中实线所示的路径。
本实施例中，做功系统工作时反向流动循环的具体过程为：通过阀门8组成的阀门组的切换，低压换热罐7中0.3MPa，-120℃的低压氢气先进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料吸收部分氢气放出大量热量将未吸收的氢气温度升高到-20℃后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3中膨胀做功，氢气膨胀做功过程中由于2号正反向可逆压缩/膨胀机3中的A金属储氢材料继续进行吸氢放出大量热量，使得2号正反向可逆压缩/膨胀机3出口处的氢气压力下降到0.15MPa但温度仍然保持在-20℃。然后-20℃、0.15MPa的氢气进入1号变温器9，1号变温器9中的B金属储氢材料进行放氢吸收大量热量将未吸收的氢气温度降低到-120℃后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2进行压缩，氢气压缩过程中由于1号正反向可逆压缩/膨胀机2中的B金属储氢材料继续进行放氢吸收大量热量，使得1号正反向可逆压缩/膨胀机2出口处的氢气压力升高到0.3 MPa，但温度仍然保持在-120℃。-120℃、0.3MPa的氢气返回低压换热罐7，形成闭路循环。做功系统工作时，氢气介质的反向流动循环路径见图2中实线所示的路径。
本实施例中，两个正反向可逆压缩/膨胀机中金属储氢材料吸收/放出氢气的流量为0.064kg/s，循环换热氢气流量为0.62kg/s，系统平均输出功为72kw，包括换热氢气和做功氢气的做功输出加和，200ms正反向流动切换一次，运行频率每分钟300次，冗余当量为25倍（1倍冗余当量是指金属储氢材料在整个一个完整工序循环内单次吸氢饱和时的所需最少金属储氢材料的量），每个正反向可逆压缩/膨胀机中金属储氢材料的量为4.4L，每个变温器中的金属储氢材料的量为7.5L。金属氢化物平均粒径500nm。在每个变温器进出口设置格栅装置，格栅装置仅允许氢气通过，不允许金属氢化物颗粒从格栅内泄露。
系统设有保护罩28，保护罩28设有可燃气体报警器25和氢气加入口24。系统一旦有氢气泄露，就会被可燃气体报警器25监测到，以便停机检修，保证安全。保护罩28加装内保温或外保温或内外保温，设备加装外保温，管道加装内保温或外保温或内外保温。
保护罩28设有温度调节器26，从而使整个系统允许从环境中取热，也允许向环境中散热，以满足换热时的热量匹配。
保护罩28内充填系统补热氢气，温度为22℃，因为发电机4对外做功，使系统补热氢气温度不断降低，需要通过温度调节器26从环境温度取热，使高温高压换热循环温度保持恒定，系统补热氢气通过高压换热罐1传递进系统内。系统通过低压换热罐7从环境中直接吸收热量，把冷量传递给环境中需要冷量的设备。系统补热氢气包括但不限于氢气以外的其他气体或液体或固体，或以上两两混合物，或三项混合物
金属氢化物可以设置在正反向可逆压缩/膨胀机叶轮相连的沟槽内或蜗壳上，或与叶轮同轴安装但不接触，既可以跟叶轮同转速一起旋转，也可以固定在叶轮上，也可以不与叶轮接触，金属氢化物也可以装在格栅网状内，格栅仅允许氢气通过，不允许固体颗粒泄露，金属氢化物也可以是涂覆在叶片的涂层，变温器内的金属氢化物可以跟正反向可逆压缩/膨胀机中的金属氢化物合在一起共同放置在正反向可逆压缩/膨胀机内，也可以如图1或图2分开布置，目的是在1号正反向可逆压缩/膨胀机2内，当正向循环膨胀时氢气通过沟槽，因为做功，温度会下降，金属氢化物的吸氢放热会弥补下降温度，使膨胀氢气的平均温度始终维持恒定在120℃，即使在膨胀时有微小降温，也会及时补充热量，修正降温，使做功平均温度始终保持在120℃；在2号正反向可逆压缩/膨胀机3内，当正向循环压缩时氢气通过沟槽，因为耗功，温度会上升，金属氢化物的放氢吸热会弥补温度上升，使压缩氢气的温度始终维持恒定在20℃，即使在压缩时有微小温升，也会及时吸收热量，放出做功氢气，修正温升，使做功平均温度始终保持在20℃。变温器内的金属氢化物可以跟正反向可逆压缩/膨胀机中的金属氢化物相同或者不同，都可以调整进入正反向可逆压缩/膨胀机的温度，使变温器出口温度高于正反向可逆压缩/膨胀机的平均膨胀温度，使变温器出口温度低于正反向可逆压缩/膨胀机的平均压缩温度，允许高温换热罐1加热到20℃以上，也允许低温换热罐7加热到-120℃以上，使整个系统效率更高。
在正向循环过程中，做功氢气在1号正反向可逆压缩/膨胀机2中逐渐被金属氢化物吸收，在出口处吸收完全；在2号正反向可逆压缩/膨胀机3中金属氢化物逐渐放出做功氢气，在出口处完全放出做功氢气。在反向循环过程中，做功氢气在2号正反向可逆压缩/膨胀机3中逐渐被金属氢化物吸收，在出口处吸收完全；在1号正反向可逆压缩/膨胀机2中金属氢化物逐渐放出做功氢气，在出口处完全放出做功氢气。
需要说明的是，除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体，例如二氧化碳作为循环换热介质。此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质。换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体、固体。
如图5所示，本实施例柯来浦循环表现为两种不同性质的金属氢化物，每种金属氢化物有两个工作状态点，金属氢化物a的最低放氢温度和最高吸氢温度限定工作范围，以上两个温度可以进行调整，从而工作范围可大可小，金属氢化物b的最高放氢温度和最低吸氢温度影响做功温差，金属氢化物b的放氢吸热状态点温度低于金属氢化物a的吸氢放热状态点的温度，金属氢化物b的放氢吸热状态点压力高于金属氢化物a的吸氢放热状态点的压力，金属氢化物b的吸氢放热状态点温度高于金属氢化物a的放氢吸热状态点的温度，金属氢化物b的吸氢放热状态点压力高于金属氢化物a的放氢吸热状态点的压力，也就是说金属氢化物a的最高温度比金属氢化物b的最高温度要高，而金属氢化物a的最高压力比金属氢化物b的最高压力要低，金属氢化物a的最低温度比金属氢化物b的最低温度要低，金属氢化物a的最低压力比金属氢化物b的最低压力要低，金属氢化物a的最高吸氢温度和金属氢化物b的最高放氢温度的温差可以等于也可以不等于金属氢化物a的最低放氢温度和金属氢化物b的最低吸氢温度的温差，本实施例是相同的，为100℃，在压比一定的情况下，该数值越大系统做出的功越大。膨胀做功时采用高温高焓值的氢气，增加做功能力，压缩耗功时采用低温低焓值的氢气，降低耗功，使系统净功最大化。低温情况下，膨胀做功时采用低温低焓值的氢气，增加做功能力，压缩耗功时采用更低温更低焓值的氢气，降低耗功，使系统净功最大化。系统有两个吸氢放热状态点和两个放氢吸热状态点，通过换热氢气的循环使金属氢化物a的高温吸氢放热用于金属氢化物b的高温放氢吸热使用，通过换热氢气的循环使金属氢化物b的低温吸氢放热用于金属氢化物a的低温放氢吸热使用，使吸放氢放出和吸收的热量两两保持相等或几乎相等。虽然金属氢化物a标定的状态点只有两个，金属氢化物b标定的状态点也只有两个，但是随着吸放氢状态点的不断变化，不断从一个状态点转换到另一个状态点，两两状态点之间不断转换，通过把两种金属氢化物纳入一个系统，从而就可以形成一个循环，每个状态点均可以自行恢复，并可以对系统外做功，系统内存在四个状态点不断循环，不断在系统内部换热，从而实现一个做功循环，金属氢化物a的高温状态下吸氢放热和金属氢化物b的高温状态下放氢吸热是一组，彼此之间进行高温交换热量，金属氢化物b的低温状态下吸氢放热和金属氢化物a的低温状态下放氢吸热是一组，彼此之间低温交换热量，以上实现对外做功的系统循环就定义为柯来浦循环的一种。如果环境低于20℃，利用本系统所发的电，通过热泵将系统补热氢气温度提升到20℃或以上。
柯来浦循环定义为至少两种金属氢化物，存在至少四个状态点，至少四个状态点的吸氢放热和放氢吸热在系统内通过循环换热介质保持或基本保持热量平衡，即某一状态点的吸氢放热的热量利用循环换热介质传给其他三个状态点中的放氢吸热过程。
至少存在的四个状态点中的放氢吸热状态不用或基本上不用向环境中吸热，而是将至少四个状态点中的吸氢放热的热量传递给至少四个状态点中的放氢吸热过程；
至少存在的四个状态点中的吸氢放热状态不用或基本上不用向环境中散热，而是将热量传递给存在的至少四个状态点中的放氢吸热过程，而存在的至少四个状态点中放氢吸热过程完全能够或几乎完全能够接收传递过来的热量。
至少四个状态点中的吸氢放热状态点可以将热量传递给放氢吸热状态点，以上热量基本上都是内部平衡，全部或绝大部分吸放热的热量平衡在系统内部完成，几乎不需要向环境中散热或从环境中吸热。
通过至少四个状态点形成的做功循环，能够使系统做功，做功的形式是利用氢气作为介质做功，至少四个状态点可以使氢气的温度-压力进行循环变化，从而形成做功循环，做功设备既可以是叶轮式回转机构也可以活塞式或其他形式。至少四个状态点通过做功循环，吸氢放热状态点和放氢吸热状态点都可以恢复成原来的状态点。允许系统向环境中释放低温冷量，从环境中吸热。
除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体作为循环换热介质。此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质。换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体、固体或以上的混合物或两两混合物。
至少两种金属氢化物的P-T图（压力-温度图）的状态点连线既可以相交也可以不相交。
作为典型例子本发明实施例如图5所示。
如图6所示为金属氢化物在正反向可逆压缩/膨胀机叶片相连的沟槽内的安装和分布形式，金属氢化物沿径向和轴向均匀分布保证叶轮的动平衡状态，换热氢气通过金属氢化物的缝隙和孔道与金属氢化物直接接触，保证吸放氢气随时进行和热量的随时交换。金属氢化物固定在轴上，与叶片和轴可以接触也可以不接触，金属氢化物也可以放置在叶轮流向的下游，使做功平均温度尽可能接近金属氢化物的吸放氢温度的任何方法。
以上做功过程往往会放出冷量，在低温换热罐7放出低温冷量，在温度调节器26放出高温冷量。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
实施例2：
本发明提供的液体换热介质做功系统结构如图3所示，包括两组金属储氢材料反应床A和B，系统内至少有两组氢反应床，氢反应床A1、A2和B1、B2，A1和A2金属氢化物相同，B1和B2金属氢化物相同，交替进行吸/放氢操作。利用不同的金属储氢材料自身吸/放氢压力受温度影响变化特性的差异，让两组不同的金属储氢材料在温度接近的条件下，其中一组放氢压力与另一组吸氢压力之间存在压差，从而可以利用压差通过氢气膨胀机进行做功产生电力。
氢反应床A1 19、氢反应床A2 20通过氢气管道依次连接到高压膨胀机11和低压膨胀机12，氢气膨胀机出口再连接到氢反应床B1 21和氢反应床B2 22，氢气膨胀机带动发电机4发电外供；氢反应床B1 21和氢反应床B2 22通过氢气管道连接高压膨胀机11和低压膨胀机12，高压膨胀机11和低压膨胀机12再循环连接到氢反应床A1 19和氢反应床A2 20；氢反应床A1 19、氢反应床A2 20、氢反应床B1 21和氢反应床B2 22的一侧均设有液体换热介质管道循环连接，通过1号液体换热介质循环泵17和2号液体换热介质循环泵18，让氢反应床A1与氢反应床B1、氢反应床A2与氢反应床B2在吸/放氢时进行换热。
具体工作流程为：
如图3所示，氢反应床A1在18℃，0.11MPa下进行放氢，放出的氢气进入高压膨胀机11，高压膨胀机11的出口氢气10℃，0.1MPa进入空气换热器，与环境换热，升温到20℃，进入氢反应床B1在0.1MPa，20℃下吸收氢气，同时氢反应床B1吸氢时放出的热量通过1号液体换热介质循环泵17传递给氢反应床A1吸氢使用。当氢反应床A1放氢时，氢反应床B2在0.025MPa，-20℃下放氢，放出的氢气进入低压膨胀机12膨胀做功发电，低压膨胀机12出口的氢气-34℃，0.02MPa进入空气换热器，与环境换热，升温到-18℃，进入氢反应床A2在进行吸氢，氢反应床A2在-18℃，0.02MPa下进行吸氢，同时氢反应床A2吸氢时放出的热量通过2号液体换热介质循环泵18传递给氢反应床B2放氢使用。
如图7所示，氢反应床A2在18℃，0.11MPa下进行放氢，放出的氢气进入高压膨胀机11，高压膨胀机11的出口氢气10℃，0.1MPa进入空气换热器，与环境换热，升温到20℃，然后氢气再进入氢反应床B2在0.1MPa，20℃下吸收氢气，同时氢反应床B2吸氢时放出的热量通过2号液体换热介质循环泵18传递给氢反应床A2吸氢使用。当氢反应床A2放氢时，氢反应床B1在0.025MPa，-20℃下放氢，放出的氢气进入低压膨胀机12膨胀做功发电，低压膨胀机12出口的氢气-34℃，0.02MPa进入空气换热器，与环境换热，升温到-18℃，然后氢气再进入氢反应床A1在进行吸氢，氢反应床A1在-18℃，0.02MPa下进行吸氢，同时氢反应床A1吸氢时放出的热量通过1号液体换热介质循环泵17传递给氢反应床B1放氢使用。
从金属氢化物反应床通过过滤膜出来的氢气不带有液体，金属氢化物反应床的过滤膜只允许氢气通过，不允许液体通过。从金属氢化物反应床通过气液分离器出来的液体换热介质十六烷不带有或几乎不带有氢气。
通过以上循环往复，膨胀机11和12连续做功。
保护罩28内充填系统补热氢气，温度为22℃，因为发电机4对外做功，使系统补热氢气温度不断降低，需要通过温度调节器26从环境温度取热，使高温高压换热循环温度保持恒定，系统补热氢气通过内置换热器传递进系统内。系统通过外置换热器从环境中直接吸收热量，把冷量传递给环境中需要冷量的设备。系统补热氢气包括但不限于氢气以外的其他气体或液体或固体，或以上两两混合物，或三项混合物。
换热循环液体为稳定的有机物、无机物或以上两者的混合物，本实施例为以十六烷为主有机混合物。以上做功过程往往会放出冷量，在外置空气换热器放出低温冷量，在温度调节器26放出高温冷量。

Claims (10)

1.一种伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，其特征是：所述做功系统包括高压换热罐（1）、1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）、2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）、1号变温器（9）、2号变温器（10）和低压换热罐（7）；所述1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）设有1号膨胀入口（13）、1号膨胀出口（14）、1号压缩入口（15）和1号压缩出口（16）；所述2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）设有2号膨胀入口（13’）、2号膨胀出口（14’）、2号压缩入口（15’）和2号压缩出口（16’）；所述高压换热罐（1）的出口通过阀门（8）连接到1号变温器（9）的吸氢入口，1号变温器（9）的吸氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）的1号膨胀入口（13），所述1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）的1号膨胀出口（14）通过阀门连接到2号变温器（10）的放氢入口，2号变温器（10）的放氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）的2号压缩入口（15’），所述2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）的2号压缩出口（16’）通过阀门连接到所述高压换热罐（1）的入口；所述低压换热罐（7）的出口通过阀门连接到2号变温器（10）的吸氢入口，2号变温器（10）的吸氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）的2号膨胀入口（13’），所述2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）的2号膨胀出口（14’）通过阀门连接到1号变温器（9）的放氢入口，1号变温器（9）的放氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）的1号压缩入口（15），所述1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）的1号压缩出口（16）通过阀门连接到低压换热罐（7）的入口；所述1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）、2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）与功率输出轴同轴连接。
2.根据权利要求1所述的伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，其特征是：所述做功系统还包括发电机（4）；所述1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）、2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）与发电机（4）同轴连接，所述发电机（4）电路连接到外部电网和/或蓄电池。
3.根据权利要求1所述的伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，其特征是：所述1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）内设有B金属储氢材料反应床层（5），所述2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）内设有A金属储氢材料反应床层（6）。
4.根据权利要求3所述的伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，其特征是：所述1号变温器（9）中设有B金属储氢材料反应床层（5），所述2号变温器（10）中设有A金属储氢材料反应床层（6）。
5.根据权利要求4所述的伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，其特征是：所述B金属储氢材料反应床层（5）的B金属储氢材料为包括但不限于钛系金属储氢材料；所述A金属储氢材料反应床层（6）的A金属储氢材料为包括但不限于稀土系金属储氢材料。
6.根据权利要求1所述的伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，其特征是：所述1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）和2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）交替进行膨胀和压缩过程；
所述1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）在进气气流正向流动时进行气体膨胀做功，在进气气流反向流动时进行气体压缩；所述2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）在进气气流正向流动时进行气体压缩，在进气气流反向流动时进行气体膨胀做功。
7.根据权利要求1所述的伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，其特征是：所述系统还设有保护罩（28），所述保护罩（28）设有可燃气体报警器（25）和氢气加入口（24）；所述保护罩（28）加装内保温或外保温或内外保温，所述保护罩（28）内的管道加装内保温或外保温或内外保温；所述保护罩（28）还设有温度调节器（26）；所述温度调节器（26）放出高温冷量，所述低温换热罐（7）放出低温冷量；所述保护罩（28）内填充有系统补热氢气，将通过温度调节器（26）从外界环境进入的热量和机械设备产生的热量补充到高温换热罐（1）中，以使系统可持续做功运行；所述系统补热氢气包括但不限于氢气以外的其他气体或液体或固体，或以上两两混合物，或三项混合物。
8.一种液体换热介质做功系统，其特征是：包括高压膨胀机（11）、低压膨胀机（12）、1号液体换热介质循环泵（17）、2号液体换热介质循环泵（18）、金属储氢材料反应床A和金属储氢材料反应床B；所述金属储氢材料反应床A包括氢反应床A1（19）和氢反应床A2（20），所述金属储氢材料反应床B包括氢反应床B1（21）和氢反应床B2（22）；
所述氢反应床A1（19）和所述氢反应床A2（20）分别通过氢气管道依次连接所述高压膨胀机（11）和低压膨胀机（12），所述高压膨胀机（11）和低压膨胀机（12）循环连接所述氢反应床B1（21）和氢反应床B2（22）；
所述氢反应床B1（21）和氢反应床B2（22）通过氢气管道连接高压膨胀机（11）和低压膨胀机（12），所述高压膨胀机（11）和低压膨胀机（12）循环连接所述氢反应床A1（19）和氢反应床A2（20）；
所述氢反应床A1（19）、氢反应床A2（20）、氢反应床B1（21）和氢反应床B2（22）分别通过液体换热介质管道与所述1号液体换热介质循环泵（17）和2号液体换热介质循环泵（18）循环连接；所述1号液体换热介质循环泵（17）和2号液体换热介质循环泵（18）用于在所述氢反应床A1（19）、氢反应床A2（20）、氢反应床B1（21）与氢反应床B2（22）吸/放氢后，对所述氢反应床A1（19）、氢反应床A2（20）、氢反应床B1（21）与氢反应床B2（22）中的循环介质进行换热；
从金属氢化物反应床通过过滤膜出来的氢气不带有液体，金属氢化物反应床的过滤膜只允许氢气通过，不允许液体通过；从金属氢化物反应床通过气液分离器出来的液体换热介质不带有氢气；
所述保护罩（28）内填充有系统补热氢气，将通过温度调节器（26）从外界环境进入的热量和机械设备产生的热量补充到内置换热器中，以使系统可持续做功运行；通过外置换热器将系统做功产生的冷量传递给外界；所述系统补热氢气包括但不限于氢气以外的其他气体或液体或固体，或以上两两混合物，或三项混合物。
9.根据权利要求1所述的伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，其特征是：所述伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统通过柯来浦循对外做功；所述柯来浦循环定义为在系统内至少两种金属氢化物，存在至少四个状态点，至少四个状态点的吸氢放热和放氢吸热在系统内通过循环换热介质保持或基本保持热量平衡，即某一状态点的吸氢放热的热量利用循环换热介质传给其他三个状态点中的放氢吸热过程；
至少存在的四个状态点中的放氢吸热状态不用或基本上不用向环境中吸热，而是将至少四个状态点中的吸氢放热的热量传递给至少四个状态点中的放氢吸热过程；
至少存在的四个状态点中的吸氢放热状态不用或基本上不用向环境中散热，而是将热量传递给存在的至少四个状态点中的放氢吸热过程，而存在的至少四个状态点中放氢吸热过程完全能够或几乎完全能够接收传递过来的热量；
至少四个状态点中的吸氢放热状态点可以将热量传递给放氢吸热状态点，以上热量基本上都是内部平衡，全部或绝大部分吸放热的热量平衡在系统内部完成，几乎不需要向环境中散热或从环境中吸热；
通过至少四个状态点形成的做功循环，能够使系统做功，做功的形式是利用氢气作为介质做功，至少四个状态点可以使氢气的温度-压力进行循环变化，从而形成做功循环，做功设备既可以是叶轮式回转机构也可以活塞式或其他形式；至少四个状态点通过做功循环，吸氢放热状态点和放氢吸热状态点都可以恢复成原来的状态点；允许系统向环境中释放低温冷量，从环境中吸热；
除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体作为循环换热介质；此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质；换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体、固体或以上的混合物或两两混合物；
至少两种金属氢化物的压力-温度图的状态点连线既可以相交也可以不相交；
系统氢气做功的过程既包括循环换热氢气的做功也包括做功氢气的做功。
10.根据权利要求1所述的伴有金属储氢材料的可逆压缩/膨胀机做功系统，其特征是：对于设置在所述1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）内的B金属储氢材料反应床层（5），以及设置在所述2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）内的A金属储氢材料反应床层（6），所述B金属储氢材料反应床层（5）和所述A金属储氢材料反应床层（6）可以分别设置在对应的正反向可逆压缩/膨胀机叶轮相连的沟槽内或蜗壳上，或与叶轮同轴安装但不接触，既可以跟叶轮同转速一起旋转，或固定在叶轮上，或不与叶轮接触，金属氢化物或装在格栅网状内，格栅仅允许氢气通过，不允许固体颗粒泄露，金属氢化物或是涂覆在叶片的涂层，变温器或不设置，而是将变温器内的金属氢化物跟正反向可逆压缩/膨胀机中的金属氢化物合在一起共同放置在正反向可逆压缩/膨胀机内，目的是在1号正反向可逆压缩/膨胀机（2）内，当正向循环膨胀时氢气通过沟槽，因为做功，温度会下降，金属氢化物的吸氢放热会弥补下降温度，使膨胀氢气的平均温度始终维持恒定在一定温度，即使在膨胀时有微小降温，也会及时补充热量，修正降温，使做功平均温度始终保持在一定温度；在2号正反向可逆压缩/膨胀机（3）内，当正向循环压缩时氢气通过沟槽，因为耗功，温度会上升，金属氢化物的放氢吸热会弥补温度上升，使压缩氢气的温度始终维持恒定在一定温度，即使在压缩时有微小温升，也会及时吸收热量，放出做功氢气，修正温升，使做功平均温度始终保持在一定温度；变温器内的金属氢化物可以跟正反向可逆压缩/膨胀机中的金属氢化物相同或者不同，都可以调整进入正反向可逆压缩/膨胀机的温度，使变温器出口温度高于正反向可逆压缩/膨胀机的氢气的平均膨胀温度，或使变温器出口温度低于正反向可逆压缩/膨胀机的氢气的平均压缩温度，这时或取消或减少正反向可逆压缩/膨胀机内的金属氢化物。
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