CN111076593A - 一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，包括反应器壳体和换热流体管，反应器壳体的上端设有用于进出氢气的气孔和安全阀接口，换热流体管从反应器壳体的下端贯穿至反应器壳体的上端，换热流体管的上下两端均延伸至反应器壳体的外部，换热流体管位于反应器壳体内的部分沿轴向间隔安装有多个环状翅片结构；从上至下，环状翅片结构的直径依次减小；反应器壳体的内部填充有金属氢化物粉末床层，换热流体管与反应器壳体之间密封连接。解决了传统的管壳式结构金属氢化物蓄热反应器，在放热过程中，输出温度较低，换热性能较差的问题。

Description

一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器

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环状翅片式高效蓄热反 应器。

背景技术

随着社会的不断进步，对于能源的需求越来越高，传统化石燃料的大量燃烧，带来了环境 污染、能源短缺等一系列的问题。因此，开发新型能源成为解决能源短缺的重要途径之一。太 阳能是主要的可再生能源之一，受到了人们的广泛关注。由于太阳能的间歇性和不连续性，在 太阳能热发电站中采用高温蓄热技术是必不可少的。在诸多高温蓄热材料中，Mg基金属氢化 物由于其高的蓄热密度、良好的循环性能和低的成本等优点，被誉为最具潜力的热化学蓄热材 料之一。

大量的研究表明，金属氢化物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，强化金属氢化物反应器的传热性能，加快金属氢化物的反应速率是目前主要的研究方向。 管壳式结构是经典的反应器结构形式之一，具有结构简单、易于放大等优点，目前，金属氢化 物蓄热反应器多采用管壳式结构。

已有研究表明，管壳式金属氢化物蓄热反应器换热性能较差，导致放热过程中输出温度较 低，整体反应器的有效热输出大大降低。除此之外，由于换热流体温度的温升(放热)或者温 降(吸热)会随着流体流向逐渐变化，这会导致沿着流体流向换热流体换热温差的不均匀，尤 其在金属氢化物反应器放热过程中，采用传统的管壳式结构会导致流体出口侧的换热效果弱于 流体进口侧，在有效的反应时间内，会导致反应器床层中有一部分材料并未参与反应，整体床 层中存在非均匀反应，导致传热传质的不均匀。

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 环状翅片式高效蓄热反应器，解决金属氢化物蓄热反应器用于高温蓄热时传统管壳式结构换热 性能较差和存在非均匀反应的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，包括反应器壳体和换热流体管，反应 器壳体的上端设有用于进出氢气的气孔和安全阀接口，换热流体管从反应器壳体的下端贯穿至 反应器壳体的上端，换热流体管的上下两端均延伸至反应器壳体的外部，换热流体管位于反应 器壳体内的部分沿轴向间隔安装有多个环状翅片结构；从上至下，环状翅片结构的直径依次减 小；反应器壳体的内部填充有金属氢化物粉末床层，换热流体管与反应器壳体之间密封连接。

各环状翅片结构的厚度相同，环状翅片结构的厚度等于换热流体管的壁厚。

任意相邻两个环状翅片结构的间距相同，最上端的环状翅片结构上侧的金属氢化物粉末床 层的厚度与最下端的环状翅片结构下侧的金属氢化物粉末床层的厚度相同，该厚度与任意相邻 两个环状翅片结构的间距相同，任意相邻两个环状翅片结构的间距为8-15mm。

相邻两个环状翅片结构的外径相差至少0.1mm，最上端的环状翅片结构的外缘与反应器壳 体内壁之间的间隔至少为2mm。

反应器壳体包括筒体和法兰，筒体为上端开口、下端具有底面的圆筒结构，法兰与筒体的 上端密封连接，换热流体管的下端穿过筒体的底面，换热流体管的上端穿过法兰，换热流体管 与筒体的底面以及法兰之间密封连接，换热流体管与筒体同轴设置，气孔和安全阀接口设置于 法兰上，气孔和安全阀接口的入口处设有滤网。

环状翅片结构以相同的间隔分布，从上至下，环状翅片结构的直径递减，环状翅片结构外 缘所在直线与换热流体管轴线之间的夹角为0.5°–4.0°。

所述反应器还包括第一卡套、第二卡套和第三卡套，第三卡套套设在换热流体管上并穿过 法兰，第二卡套套设在第三卡套上凸出于法兰的部分，第二卡套用于密封所述法兰，第三卡套 下端设置有锥面结构，锥面结构用于将第三卡套固定在筒体的上端，滤网固定在所述锥面结构 上；第一卡套设置于所述第二卡套上，用于将换热流体管的上端与第二卡套固定密封。

所述换热流体管的下端通过第四卡套和筒体的底面固定密封。

筒体的上端的内缘设置有凹槽，滤网为圆形并设置于凹槽内，筒体的上端的外缘设置有环 形锥面结构，所述环形锥面结构用于密封所述法兰和筒体的上端。

反应器壳体外部设置有高温隔热材料。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明的基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，换热流体管贯穿整个反应器，换 热流体管与反应器壳体之间密封连接，换热流体管位于反应器壳体内的部分沿轴向间隔安装有 多个环状翅片结构，可以强化床层的传热效果，反应器壳体的上端设置有用于氢气进出的气孔 和安全阀接口，反应器壳体内部装有金属氢化物粉末床层，此反应器适用于换热流体入口必须 位于反应器的底端一侧，从上至下，环状翅片结构的直径依次减小，因此能够消除金属氢化物 粉末床层的不均匀反应，在放热过程中，反应器整体有效热输出功率可大幅提升，并且可以大 大减缓非均匀反应。

进一步的，环状翅片结构中各个环状翅片的厚度相同，且等于换热流体管的壁厚，保证了 强度以及焊接方便。

进一步的，为了结构的简单，环状翅片结构中各个环状翅片的间距相同，最上端的环状翅 片结构上侧的金属氢化物粉末床层的厚度与最下端的环状翅片结构下侧的金属氢化物粉末床 层的厚度相同，该厚度与任意相邻两个环状翅片结构的间距相同，任意相邻两个环状翅片结构 的间距为8-15mm，间距越大，成本越低，间距越小，对于床层的强化效果越强。

进一步的，相邻两个环状翅片结构的外径相差至少0.1mm，用于消除非均匀反应，最上端 的环状翅片结构的外缘与反应器壳体内壁之间的间隔至少为2mm，保证床层材料的顺利装填 以及氢气的流动，滤网能够防止金属氢化物粉末随着氢气流出反应器。

进一步的，环状翅片结构外缘所在直线与换热流体管轴线之间的夹角为0.5°–4.0°，可以满 足常见的管壳式蓄热反应器消除非均匀反应。

进一步的，换热流体管的上端与采用三组卡套组合的方式固定密封，保证密封效果良好， 第一卡套固定密封换热流体管和第二卡套，第二卡套与第三卡套接触固定密封，第三卡套底端 设置有锥面结构，锥面结构用于将第三卡套固定在筒体的上端，滤网固定在所述锥面结构上。

进一步的，筒体的上端的外缘设置有环形锥面结构，环形锥面结构用于密封反应器壳体和 法兰，防止氢气的泄露。

进一步的，反应器壳体外部设置有高温隔热材料，用以减小热量的耗散。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明翅片结构示意图；

图3为本发明滤网结构示意图；

图4为本发明法兰处螺栓的位置分布；

图5为现有管壳式蓄热反应器床层结构示意图；

图6(a)为现有管壳式蓄热反应器放热过程的模拟结果图；

图6(b)为本发明实施例中基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器放热过程的 模拟结果图。

其中：1.法兰；2.气孔；3.螺栓；4.凹槽；5.滤网；6.第一卡套；7.第二卡套；8.安全阀接口； 9.金属垫片；10.环形锥体结构；11.第三卡套；12.金属氢化物粉末床层；13.翅片结构；14.反应 器壳体；14-1筒体；15.换热流体管；16.第四卡套；17.反应锋面；18；已反应部分；19-未反 应部分。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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”、“第三”、“第四”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”、“第 三”、“第四”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。

参照图1和图2，本发明的基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，包括反应器壳 体14和换热流体管15，反应器壳体14的上端设有用于进出氢气的气孔2和安全阀接口8，换 热流体管15从反应器壳体14的下端贯穿至反应器壳体14的上端，换热流体管15的上下两端 均延伸至反应器壳体14的外部，换热流体管15位于反应器壳体14内的部分沿轴向间隔安装 有多个环状翅片结构13；从上至下，环状翅片结构13的直径依次减小；反应器壳体14的内 部填充有金属氢化物粉末床层12，换热流体管15与反应器壳体14之间密封。

作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，各环状翅片结构13的厚度相同，环状翅 片结构13的厚度等于换热流体管15的壁厚。

作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，任意相邻两个环状翅片结构13的间距相 同，最上端的环状翅片结构上侧的金属氢化物粉末床层12的厚度与最下端的环状翅片结构下 侧的金属氢化物粉末床层12的厚度相同，该厚度与任意相邻两个环状翅片结构13的间距相同， 任意相邻两个环状翅片结构13的间距为8-15mm。

作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，相邻两个环状翅片结构13的外径相差至 少0.1mm，最上端的环状翅片结构13的外缘与反应器壳体14内壁之间的间隔至少为2mm。

作为本发明优选的实施方案，参照图1，反应器壳体14包括筒体14-1和法兰1，筒体14-1 为上端开口、下端具有底面的圆筒结构，法兰1与筒体14-1的上端密封连接，换热流体管15 的下端穿过筒体14-1的底面，换热流体管15的上端穿过法兰1，换热流体管15与筒体14-1 的底面以及法兰1之间密封连接，换热流体管15与筒体14-1同轴设置，气孔2和安全阀接口 8设置于法兰1上，气孔2和安全阀接口8的入口处设有滤网5。

作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，环状翅片结构13以相同的间隔分布，从 上至下，环状翅片结构13的直径递减，环状翅片结构13外缘所在直线与换热流体管15轴线 之间的夹角为0.5°–4.0°。

作为本发明优选的实施方案，参照图1，反应器还包括第一卡套6、第二卡套7和第三卡 套11，第三卡套11套设在换热流体管15上并穿过法兰1，第二卡套7套设在第三卡套11上 凸出于法兰1的部分，第二卡套7用于密封所述法兰1，第三卡套11下端设置有锥面结构，锥面结构用于将第三卡套11固定在筒体14-1的上端，滤网5固定在所述锥面结构上；第一卡套6设置于所述第二卡套7上，用于将换热流体管15的上端与第二卡套7固定密封。

作为本发明优选的实施方案，参照图1，换热流体管15的下端通过第四卡套16和筒体14-1 的底面固定密封。

作为本发明优选的实施方案，参照图1和图3，筒体14-1的上端的内缘设置有凹槽4，滤 网5为圆形并设置于凹槽4内，筒体14-1的上端的外缘设置有环形锥面结构10，所述环形锥 面结构10用于密封所述法兰1和筒体14-1的上端。

作为本发明优选的实施方案，参照图1，反应器壳体14外部设置有高温隔热材料。

作为本发明优选的实施方案，换热流体管15与环状翅片结构13之间焊接。

作为本发明优选的实施方案，滤网5的孔径为5～8μm，所述滤网5为采用烧结环形不锈钢 滤网。

作为本发明优选的实施方案，参照图1和图4，法兰1通过螺栓3与筒体14-1连接，所述 螺栓(3)沿所述法兰1圆周呈正六边形均匀分布。

实施例

本实施例的基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器为竖直放置，主要包括翅片结构 13、换热管道15、金属氢化物粉末床层12、反应器壳体14、密封装置和其他辅助装置，反应 器壳体14包括筒体14-1和法兰1。主要针对金属氢化物蓄热反应器吸放热过程中，沿着换热 流体流向，换热流体的换热温差不同，导致床层传热传质不均匀，存在严重的非均匀反应，反 应器的有效热输出功率降低的问题。

请参阅图1所示，本实施例的基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，包括法兰1、 金属氢化物粉末床层12、筒体14-1和换热流体管15。所述法兰1内设有用于进出氢气的气孔 3和安全阀接口7，所述金属氢化物粉末床层12设置于所述筒体14-1内部，所述换热流体管 15上焊接了多个环状翅片结构13。所述换热流体管15贯穿所述法兰1、所述金属氢化物粉末 床层12和所述筒体14-1。

首先是使用的所述环状翅片结构13，为保证强度、易于焊接和结构简单，所述环状翅片 结构13中各个环状翅片的厚度相同，且等于所述换热流体管15的壁厚，同时，环状翅片结构13之间的间距相同，最上端的环状翅片结构上侧的金属氢化物粉末床层12的厚度与最下端的 环状翅片结构下侧的金属氢化物粉末床层12的厚度相同，该厚度与任意相邻两个环状翅片结 构13的间距相同，任意相邻两个环状翅片结构13的间距为8-15mm，间距越大，成本越低， 间距越小，对于床层的强化效果越强。

请参阅图2所示，所述环状翅片结构13，其核心参数是翅片倾角，翅片倾角指的是环状 翅片结构13外缘所在直线与换热流体管15轴线之间的夹角，翅片倾角范围在0.5°-4.0°之间， 具体设计最优倾角需根据反应器使用的设计工况进行确定。从顶端往下，根据环状翅片的最优 倾角，相邻两个环状翅片结构13的外径减少至少0.1mm，具体数值可根据最优倾角计算，用 于消除非均匀反应，最上端的环状翅片结构13的外缘与反应器壳体14内壁之间的间隔至少为 2mm，保证床层材料的顺利装填以及氢气的流动。

金属氢化物粉末床层12吸放热过程中会伴随氢气的释放和吸收，所述气孔2是氢气的进 出口，同时，所述安全阀接口8是用于安装安全阀，以防止反应器内部氢气压力超过设计压力， 保证安全。

反应器壳体14的密封主要采用卡套组合固定密封，所述反应器壳体14底端(即筒体14-1 的底面)通过第四卡套16与所述换热流体管15固定密封，所述反应器壳体14顶端(即法兰 1)采用三组卡套组合的方式固定密封，第一卡套6固定密封换热流体管5和第二卡套7，所 述第二卡套7与第三卡套11接触固定密封，所述第三卡套11底端设置有锥面结构用于密封筒 体14-1和固定滤网5。同时，筒体14-1顶端内缘设置有凹槽4，筒体14-1顶端外缘设置有环 形锥面结构10，所述凹槽4内设置有采用烧结环形不锈钢的所述滤网5，所述环形锥面结构 10用于筒体14-1与法兰1之间连接面上的密封，防止氢气的泄露。

请参阅图3所示，由于床层采用的是粉末状金属氢化物，在吸放热过程中伴随着氢气的吸 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，为防止部分金属氢化物粉末 随氢气进入氢气管路造成管路堵塞及蓄热材料的损失，本实施例采用孔径5-8μm的烧结环形不 锈钢滤网，滤网置于所述凹槽4内，第三卡套11底端与所述滤网5接触，固定所述滤网5， 防止所述滤网5移动导致金属氢化物粉末流出。

请参阅图4所示，所述法兰1与筒体14-1顶端之间采用螺栓3连接，所述螺栓3沿所述 法兰1圆周呈正六边形分布，连接时需要金属垫片9。

本实施例在反应器外部采用高温隔热材料包裹，用以减小热量的耗散。

通过一个具体案例来进行说明。

为了计算简单，忽略反应器对环境的热量耗散，单独选取换热流体管和床层结构作为研究 对象。请参阅图5所示，是目前常用的管壳式蓄热反应器床层结构，床层长度选取200mm， 床层外径选取50mm，换热流体管内径为4mm，外径为6.4mm。请参阅图2所示，是本发明 的环状翅片高效蓄热反应器。床层和换热流体管尺寸与管壳式蓄热反应器相同，各个翅片的厚 度均等于换热流体管的厚度，翅片间距选取10mm，环状翅片结构的顶端翅片，也就是最大翅 片的宽度(翅片外径减去内径)选取15mm，最优翅片倾角为1.89°，也就是说，环状翅片结 构从顶端往下根据环状翅片的最优倾角1.89°每隔1层外径减少0.33mm。采用Comsol5.1软件 对管壳式蓄热反应器和环状翅片高效蓄热反应器进行模拟。

请参阅图6所示，为两种蓄热反应器的放热过程的模拟结果图。能看到当放热反应结束时， 管壳式蓄热反应器仍然存在一部分床层材料并未参与反应(图6(a)中最右侧存在未反应部 分19)，已反应部分18(图6(a)中中间部分)和未反应部分19之间存在一个反应锋面17， 反应锋面17和竖直方向存在明显的倾角，这是因为沿着流体流向，换热流体的温度在逐渐升 高，换热流体的传热温差相应的在逐步减小，床层的换热能力和反应速率也在逐渐减小，因此 在床层内部形成了非均匀反应，非均匀反应带来了传热传质的不均匀，降低了床层的有效热输 出能力。如图6(b)当放热反应结束时，能看到，环状翅片高效蓄热反应器相比于管壳式蓄 热反应器，未反应部分明显减少，而且反应锋面和竖直方向基本重合。计算结果显示，环状翅 片高效蓄热反应器相比于管壳式蓄热反应器，单位质量的有效热输出提高了33.2％，床层有效 利用率从84％提高到了95％。

综上可以看出，本发明的基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，采用了翅片结构。 解决了传统的管壳式结构金属氢化物蓄热反应器，在放热过程中，输出温度较低，换热性能较 差的问题，明显地提高了反应器的有效热输出能力；同时由于采用翅片结构，解决了由于沿着 流体流向换热流体换热温差不同所导致的反应过程中存在非均匀反应的现象。

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 (10)

1.一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，包括反应器壳体(14)和换热流体管(15)，反应器壳体(14)的上端设有用于进出氢气的气孔(2)和安全阀接口(8)，换热流体管(15)从反应器壳体(14)的下端贯穿至反应器壳体(14)的上端，换热流体管(15)的上下两端均延伸至反应器壳体(14)的外部，换热流体管(15)位于反应器壳体(14)内的部分沿轴向间隔安装有多个环状翅片结构(13)；从上至下，环状翅片结构(13)的直径依次减小；反应器壳体(14)的内部填充有金属氢化物粉末床层(12)，换热流体管(15)与反应器壳体(14)之间密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，各环状翅片结构(13)的厚度相同，环状翅片结构(13)的厚度等于换热流体管(15)的壁厚。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，任意相邻两个环状翅片结构(13)的间距相同，最上端的环状翅片结构上侧的金属氢化物粉末床层(12)的厚度与最下端的环状翅片结构下侧的金属氢化物粉末床层(12)的厚度相同，该厚度与任意相邻两个环状翅片结构(13)的间距相同，任意相邻两个环状翅片结构(13)的间距为8-15mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，相邻两个环状翅片结构(13)的外径相差至少0.1mm，最上端的环状翅片结构(13)的外缘与反应器壳体(14)内壁之间的间隔至少为2mm。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，反应器壳体(14)包括筒体(14-1)和法兰(1)，筒体(14-1)为上端开口、下端具有底面的圆筒结构，法兰(1)与筒体(14-1)的上端密封连接，换热流体管(15)的下端穿过筒体(14-1)的底面，换热流体管(15)的上端穿过法兰(1)，换热流体管(15)与筒体(14-1)的底面以及法兰(1)之间密封连接，换热流体管(15)与筒体(14-1)同轴设置，气孔(2)和安全阀接口(8)设置于法兰(1)上，气孔(2)和安全阀接口(8)的入口处设有滤网(5)。

6.根据权利要求5所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，环状翅片结构(13)以相同的间隔分布，从上至下，环状翅片结构(13)的直径递减，环状翅片结构(13)外缘所在直线与换热流体管(15)轴线之间的夹角为0.5°–4.0°。

7.根据权利要求5所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，还包括第一卡套(6)、第二卡套(7)和第三卡套(11)，第三卡套(11)套设在换热流体管(15)上并穿过法兰(1)，第二卡套(7)套设在第三卡套(11)上凸出于法兰(1)的部分，第二卡套(7)用于密封所述法兰(1)，第三卡套(11)下端设置有锥面结构，锥面结构用于将第三卡套(11)固定在筒体(14-1)的上端，滤网(5)固定在所述锥面结构上；第一卡套(6)设置于所述第二卡套(7)上，用于将换热流体管(15)的上端与第二卡套(7)固定密封。

8.根据权利要求5所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，所述换热流体管(15)的下端通过第四卡套(16)和筒体(14-1)的底面固定密封。

9.根据权利要求5所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，筒体(14-1)的上端的内缘设置有凹槽(4)，滤网(5)为圆形并设置于凹槽(4)内，筒体(14-1)的上端的外缘设置有环形锥面结构(10)，所述环形锥面结构(10)用于密封所述法兰(1)和筒体(14-1)的上端。

10.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，反应器壳体(14)外部设置有高温隔热材料。

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