CN111921484A - 一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其构成包括反应器壳体、位于反应器壳体内的至少一个与氢气进行反应的反应床单元和设置在壳体上的氢气进出口管，所述反应床单元由多层叠置在一起的金属氢化物与膨胀石墨混合压制成的复合压块和垂直穿过各层复合压块的换热管构成，不同层级复合压块的膨胀石墨质量含量沿换热管内换热流体的流动方向逐渐增加，换热管内的换热流体用于冷却或加热复合压块中的金属氢化物。本发明克服了现有技术装填均匀膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器存在的，沿换热流体流动方向反应床单元与换热流体换热不均匀性的问题，提高了反应器的吸放氢反应速率。

Description

一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器
技术领域
本发明属于固定床反应器技术领域，特别是涉及一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器。
背景技术
在一定的温度和压力下，一些金属或合金可以将氢分子分解为氢原子，然后发生化学反应生成金属氢化物，这一过程具有良好的可逆性并且伴随着显著的热效应。因此，金属氢化物可以作为蓄热材料应用于蓄热领域。在众多的金属氢化物中，镁基金属氢化物的工作温度和反应焓均较高，从而具有蓄热密度高的显著优势，被国内外学者认为是一种很有潜力的高温蓄热材料。此外，金属氢化物在制冷、空调和热泵等热利用领域也具有很大的应用潜力。
大量的研究表明，金属氢化物反应器内传热特性对整个系统性能具有决定性的影响，强化反应器的传热性能有利于提高吸放氢反应速率。反应器的热量传递路径分为两部分，一部分为反应器床层的内部传热，另一部分为反应器与换热流体之间的外部传热。因此，强化传热的方法主要有两种思路：(1)在床层内添加高导热性材料(例如膨胀石墨)以提高床层的有效导热系数；(2)改进反应器结构以强化反应器与换热流体之间的传热性能。其中，在金属氢化物床层中添加膨胀石墨是一种非常有效的反应器传热强化措施。例如，在镁氢化物压块中添加质量含量为10wt.％的膨胀石墨，则床层径向有效导热系数达到8W/(m·K)，并且随着膨胀石墨含量的增加，床层有效导热系数还会有大幅提高。
Feng等研究发现，在金属氢化物发生放热的吸氢反应时，换热流体吸收热量会导致换热流体的温度沿流动方向逐渐升高。这导致换热流体与反应床层之间的传热温差沿换热流体流动方向减小，相应的传热速率也随之降低，尤其是换热流体出口处换热效果最差(Feng P,Wu Z,Zhang Y,et al.Multi-level configuration and optimization of athermal energy storage system using a metal hydride pair[J].Applied Energy,2018,217:25-36)，从而导致换热流体与反应床层之间的整体传热效果不高，降低了反应器的吸放氢反应速率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，解决沿换热流体流动方向反应床与换热流体换热的不均匀性问题，提高反应器的吸放氢反应速率。
本发明的目的可以通过以下技术方案的金属氢化物反应器来实现。
本发明提供的金属氢化物反应器为一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其构成包括反应器壳体、位于反应器壳体内的至少一个与氢气进行反应的反应床单元和设置在壳体上的氢气进出口管，所述反应床单元由多层叠置在一起的金属氢化物与膨胀石墨混合压制成的复合压块和垂直穿过各层复合压块的换热管构成，不同层级复合压块的膨胀石墨质量含量沿换热管内换热流体的流动方向逐渐增加，换热管内的换热流体用于冷却或加热复合压块中的金属氢化物。
在本发明上述技术方案的基础上，还可进一步采取以下技术措施，下述技术措施可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。
在本发明上述技术方案中，不同层级复合压块的膨胀石墨质量含量沿换热管内换热流体的流动方向可优先考虑采取分段成梯度逐渐增加。
在本发明上述技术方案中，换热流体进口端复合压块膨胀石墨质量含量最好不少于3％，换热流体出口端压块膨胀石墨质量含量最好不大于30％，分段成梯度逐渐增加的质量含量梯度最好为0.5～5wt.％。
在本发明上述技术方案中，对于立式结构的金属氢化物反应器，可考虑在若干层复合压块之间设置一支撑复合压块的支撑板。支撑板可通过支架固定在反应器壳体上，也可直接固定在反应器壳体上。
在本发明上述技术方案中，构成反应床单元的换热管，从其内流过的换热流体可为单相换热流体，也可为多相换热流体；优先采用单相换热流体；进一步优先选用水、空气、熔盐或者导热油为换热流体。
在本发明上述技术方案中，构成反应床单元的每层复合压块的外径最好相等，构成反应床单元的复合压块与所述反应器壳体内壁面的间隔至少1mm，以降低与外界的热交换。
在本发明上述技术方案中，氢气进出口管设置在换热流体出口端的反应器壳体上，反应床单元于换热流体出口端，与反应器壳体之间应留有不少于5mm的间隔以形成氢气进出腔室，在进气阶段作气体的分布腔室，在出气阶段作为气体的集聚腔室。
在本发明上述技术方案中，所述复合压块最好为圆柱形复合压块，复合压块中心设计有与换热管相匹配的管孔。进一步地，圆柱形复合压块的外径一般控制在40～400mm范围，高度控制在5～50mm范围。
另外需要特别说明的是，在本发明中，所涉及的方位术语，如上、下、左、右、前、后等都是人们基于面对附图图面而言的；所涉及的组分含量份数、百分数除特别说明外，均为质量份数、质量百分数；所涉及的“约”、“大约”、“左右”，一般不超10％的偏差。
本发明提供的所述金属氢化物反应器，构成反应床单元的复合压块，其膨胀石墨质量含量为沿换热流体的流动方向梯度增加，由于金属氢化物与膨胀石墨混合压制成的复合压块径向导热系数随膨胀石墨含量增加而增加，因此反应床单元中的复合压块的径向导热系数也沿换热流体的流动方向梯度增加，弥补了换热流体与复合压块之间的传热温差沿换热流体流动方向减小的缺点，从而增强了反应床单元沿换热流体流动方向与换热流体换热的均匀性，提高了反应器整体的传热速率和吸氢反应速率，同时反应床单元中膨胀石墨的利用率也得到了提升。反应床单元反应分数的变化情况，即反应锋面(反应床单元反应分数的变化)如图3-1所示。现有技术的装填均等膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，反应床单元于换热流体进口段，温差大有利于加快反应床单元的吸氢反应的进行，但沿换热流体的流动方向，换热流体与反应床单元的温差逐渐减小，特别是在换热流体出口段温差降至最小，减缓了反应床单元的吸氢反应的进行，其反应床单元反应分数的变化情况，即反应锋面如图3-2所示，换热流体与反应床单元之间的传热温差沿换热流体流动方向逐渐减小，使反应床单元沿换热流体流动方向与换热流体换热的不均匀性增大，进而导致反应器整体的传热速率和吸氢反应速率降低。
附图说明
图1-1为本发明所述金属氢化物反应器一个实施例的剖面结构于吸氢反应阶段的示意图。
图1-2为本发明所述金属氢化物反应器一个实施例的剖面结构于排氢反应阶段的示意图。
图2为图1-1或图1-2的俯视结构示意图。
图3-1为现有技术均匀填充膨胀石墨的反应床单元的反应锋面示意图。
图3-2为本发明梯度填充膨胀石墨的反应床单元的反应锋面示意图。
其中：1-反应器壳体；2-支撑板；3-复合压块；4-氢气进出口管；5-换热管。
具体实施方式
下面结合附图说明给出本发明的一个实施例，通过实施例对本发明作进一步的说明。
实施例
本实施例的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，如图1-1、图1-2、图2所示，为立式结构，其构成包括反应器壳体1、位于反应器壳体内的一个与氢气进行反应的反应床单元和设置在壳体上顶端的氢气进出口管4，所述反应床单元为由下到上叠置的50层化氢化镁粉末与膨胀石墨混合压制成的圆柱形复合压块3和从复合压块中心孔穿过的换热管5构成，复合压块从下到上每隔5层设置一支撑板2，两支撑板之间的5层复合压块段中各层复合压块的膨胀石墨质量含量相等，所有的复合压块的外径为100mm，高度为10mm。最底下的5层复合压块，每层复合压块的膨胀石墨质量含量为3wt.％，沿换热流体流动方向，每隔5层复合压块的膨胀石墨含量按1.5wt.％质量梯度增加，反应床单元的平均膨胀石墨含量为10wt.％。所述换热管5内的换热流体为导热油Dowtherm A，入口流速为0.2m/s。
发明人对本实施例所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器和现有技术的均匀填充10wt.％膨胀石墨的反应器进行了对比测试，在金属氢化物反应器的结构形式、金属氢化物材料、复合压块的尺寸与操作参数等均一致的情况下，通过数值模拟软件计算了反应器的主要综合技术指标——单位重量蓄热功率，本实施例所述金属氢化物反应器的单位重量蓄热功率为16.62W/kg，现有技术所述金属氢化物反应器的单位重量蓄热功率为15.96W/kg，本实施例所述金属氢化物反应器的单位重量蓄热功率较对比实施例所述金属氢化物反应器的单位重量蓄热功率，增长率为4.14％，取得了很好的技术效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不能以此限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，包括反应器壳体、位于反应器壳体内的至少一个与氢气进行反应的反应床单元和设置在壳体上的氢气进出口管，所述反应床单元由多层叠置在一起的金属氢化物与膨胀石墨混合压制成的复合压块和垂直穿过各层复合压块的换热管构成，不同层级复合压块的膨胀石墨质量含量沿换热管内换热流体的流动方向逐渐增加，换热管内的换热流体用于冷却或加热复合压块中的金属氢化物。
2.根据权利要求1所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，不同层级复合压块的膨胀石墨质量含量沿换热管内换热流体的流动方向分段成梯度逐渐增加。
3.根据权利要求2所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，换热流体进口端复合压块膨胀石墨质量含量不少于3％，换热流体出口端压块膨胀石墨质量含量不大于30％，分段成梯度逐渐增加的质量含量梯度为0.5～5wt.％。
4.根据权利要求1或2或3所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，对于立式结构的金属氢化物反应器，若干层复合压块之间设置一支撑复合压块的支撑板。
5.根据权利要求1或2或3所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，从换热管流过的换热流体为单相或多相换热流体。
6.根据权利要求5所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，从换热管流过的换热流体为水、空气、熔盐或者导热油。
7.根据权利要求1或2或3所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，构成反应床单元的每层复合压块的外径相等，复合压块与所述反应器壳体内壁面的间隔至少1mm。
8.根据权利要求7所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，氢气进出口管设置在换热流体出口端的壳体上，反应床单元换热流体出口端与壳体之间留有不少于5mm的间隔以形成氢气进出腔室。
9.根据权利要求1或2或3所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，所述复合压块为圆柱形复合压块，复合压块中心设计有与换热管相匹配的管孔。
10.根据权利要求9所述的装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其特征在于，圆柱形复合压块的外径为40～400mm，高度为5～50mm。
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