CN207815772U - 用于金属氢化物加热泵的空气转换系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于金属氢化物加热泵的空气转换系统（100）。系统（100）包括由分隔件（118）对准和分隔的金属氢化物反应器模块（102、104）；包含反应器模块（102、104）的壳体，该壳体被分隔以为每个反应器模块（102和104）确定单独的绝热室；在分隔件（118）周围用于支撑金属氢化物反应器模块（102、104）的轴承组件（110），其中轴承组件（110）在吸收和解吸模式期间围绕轴线旋转所述模块（102、104）。该系统（100）在传热介质流过热泵时减少了其热惯性和压降，从而提高性能并节约能源。

Description

用于金属氢化物加热泵的空气转换系统
技术领域
本公开涉及金属氢化物热泵。
更具体地说，本公开涉及一种用于金属氢化物热泵的空气转换系统。
背景技术
金属或合金与氢气发生放热反应生成金属氢化物，金属氢化物反过来吸热并释放氢气。金属氢化物中常见的示例有LaNi5Hx，MmNi5Hx，MmCo5Hx，FeTiHx，VNbHx和 Mg2CuH，其均具有吸留大量氢并释放大量反应热的能力。已知各种金属氢化物装置，例如利用金属氢化物的这些性质来提供热量和/或制冷的热泵和空调装置。在这些金属氢化物装置中，使用氢作为制冷剂，金属氢化物用作吸附剂。
常规的金属氢化物热泵包括填充有第一种金属氢化物的第一个容器，填充有第二种金属氢化物的第二个容器(第一和第二种金属氢化物具有不同的平衡解离特性)；连接这些容器的氢流管；以及各个容器中的热交换器。通常，根据容器内金属氢化物发热和吸热，通过在热交换器内流动的介质而实现制热输出和制冷输出。
金属氢化物热泵以循环的方式进行工作。工作中将使用一对两种不同类型的金属氢化物，即将再生合金A和制冷合金B作为吸附剂，将氢作为制冷剂。在合金A和B作为成对反应器的第一个操作循环中，合金A使用高温热源的第一种介质排出氢。排出的氢被合金B吸收，并且在该过程中，热被排出到第二道介质(通常是环境空气)中。在第二个循环中，合金B使用第三道低温热源流来解吸氢。排出的氢被合金A吸收，并且在该过程中，热被排出到第四道介质流(通常是环境空气)中。因此，金属氢化物热泵的操作需要每种合金经过用于吸热和放热的温度波动。
通常，使用阻尼器进行转换。热泵的阻尼器、管道和外壳形成热循环的一部分，导致热惯性增加。美国6722154号专利提出了基于金属氢化物的空气冷却方法和装置。该装置包括由空气管道和阻尼器组成的复杂网络。这导致了热惯性增加。较高的热惯性对于系统来说是极不可取的，并且会导致性能降低。通过互连管道与多个阻尼器连接的反应器壳体布置对于用作传热介质的气流需要多个弯曲和较高的流动长度。这导致在系统中出现了更高的压降，从而需要较高功率的风扇和鼓风机。此外，空气分布不均匀，也导致了性能降低。多个阻尼器通过互连管道连接到反应器壳体，这使得系统体积庞大而沉重。此外，互连管道导致系统的高度增加，这对于诸如车辆中的移动空调应用来说是不可取的，由于其增加了车辆上的拖曳力。
因此，需要一种用于金属氢化物热泵的空气转换系统，以克服金属氢化物热泵中常规空气转换系统的上述缺点。
目的
本公开的系统的一些目的(以下至少一个具体实施例可以满足)如下：
本公开的目的是提供一种用于金属氢化物热泵的改进空气转换系统。
本公开的第二个目的是提供一种用于金属氢化物热泵且能降低热惯性并提高性能的空气转换系统。
本公开的第三个目的是提供一种用于金属氢化物热泵的空气转换系统，其能减少传热介质在流过热泵时的压降，从而降低运行风扇和鼓风机的功率消耗。
本公开的第四个目的是提供一种用于金属氢化物热泵的空气转换系统，其能在反应器中提供均匀的空气分布。
本公开的第五个目的是提供一种金属氢化物热泵的空气转换系统，其结构紧凑，具有减轻重量和降低高度，从而降低车辆上的拖拽力。
当结合附图(附图并不旨在限制本公开的范围)一起阅读时，本公开的其他目的和优点将从以下描述中更为明显。
发明内容
根据本公开的具体实施例，提供了一种用于金属氢化物热泵的空气转换系统，该系统包括：
第一金属氢化物反应器模块和第二金属氢化物反应器模块，所述金属氢化物反应器模块由分隔件对准和分隔；
一个用于容纳所述金属氢化物反应器模块的壳体，该壳体被间隔以便为各个所述金属氢化物反应器模块提供单独的绝热室，每个绝热室具有用于传热介质的进气口和排气口；以及
一个在所述分隔件周围用于支撑金属氢化物反应器模块的轴承组件，该轴承组件包括用于使所述金属氢化物反应器模块围绕轴旋转的驱动装置。
通常，通过将所述的第一和第二金属氢化物反应器模块旋转180°来实现吸收模式与解吸模式之间的转换。
所述壳体中的绝热室由分隔装置隔开，该分隔装置包括一个或多个柔性密封件和一个或多个非柔性密封件。此外，在所述外壳的内侧设置了一个或多个空气密封件，以防止所述传热介质在所述进气口和排气口之间发生短路。
传热介质可以是空气，并且所述壳体中的每个绝热室可以接收不同的气流。
第一金属氢化物反应器模块和第二金属氢化物反应器模块包括制冷合金或再生合金，这取决于他们在热泵中的作用。
此外，根据本公开的其他具体实施例，提供了一种用于金属氢化物热泵的空气转换系统，该系统包括：
第一对金属氢化物反应器模块和第二对金属氢化物反应器模块，所述的第一对金属氢化物反应器模块和所述第二对金属氢化物反应器模块由分隔件对准和分隔；
一个用于容纳所述第一对金属氢化物反应器模块和第二对金属氢化物反应器模块的壳体，该壳体被间隔以便为每个所述金属氢化物反应器模块提供单独的绝热室，每个绝热室具有用于传热介质的进气口和排气口；以及
一个在所述分隔件周围用于支撑金属氢化物反应器模块的轴承组件，该轴承组件包括用于使所述金属氢化物反应器模块围绕中心旋转的驱动装置。
通常，通过将所述第一对金属氢化物反应器模块和所述第二对金属氢化物反应器模块旋转90°来实现吸收模式与解吸模式之间的转换。
所述壳体中的绝热室由分隔装置隔开，该分隔装置包括一个或多个柔性密封件和一个或多个非柔性密封件。此外，在所述外壳的内侧设置了一个或多个空气密封件，以防止所述传热介质在所述进气口和排气口之间发生短路。
传热介质可以是空气，并且所述壳体中的每个绝热室可以接收不同的气流。
第一对金属氢化物反应器模块包括一种或多种再生合金，第二对金属氢化物反应器模块包括一种或多种制冷合金。
附图说明
现在将借助附图来描述本公开中的系统，其中：
图1示出了用于金属氢化物热泵中空气转换系统的优选具体事例示意图；
图2示出了图1所示的优选具体事例俯视图；
图3示出了使用图1和图2空气转换系统的金属氢化物热泵布置；
图4示出了在第一个半循环期间，图3所示布置中空气转换系统的位置；
图5示出了在第二个半循环期间，图3所示布置中空气转换系统的位置；
图6示出了使用图1和图2空气转换系统的金属氢化物热泵布置；
图7示出了在第一个半循环期间空气转换系统的另一优选具体事例的位置；
图8示出了在第二个半循环期间空气转换系统的另一优选具体事例的位置；以及
图9(A)、9(B)和9(C)分别示出了两个反应器组件模块分别以圆形、正方形和混合布置的空气转换系统。
具体实施方式
现在将通过参考不限制本公开范围内的具体事例来描述本公开的系统和方法。
参考以下说明中的非限制性具体事例以说明本文的具体事例及其各种特征和有利细节。省略对众所周知的组件和处理技术的描述，以免不必要地模糊了本文的具体事例。本文使用的示例仅为了帮助理解实践本文具体事例的方式，并且使本领域的技术人员能够进一步地实践本文的具体事例。因此，具体事例不应被解释为限制本文具体事例的范围。
附图的图1和图2示出了本公开中空气转换系统的优选具体事例示意图，优选具体事例总体由图1和图2中的数字100表示；本公开的空气转换系统具有能够在吸收模式与解吸模式之间旋转的盘式反应器模块。因此，仅旋转具有支撑结构的反应器模块以转换传热介质流。该布置使热惯性降低，由于反应器壳体在操作循环期间保持静止，并且在其转换之后经历相同的传热介质流，由于壳体不会促进温度循环，因此次系统的热惯性被降低，从而获得更高的性能；此外，系统没有或只有极少的管道，这降低了管道热惯性，从而提高了系统性能。
此外，本公开的布置具有较少的弯曲和减小的传热介质流长度，这较少了整个系统介质中的压降。压降的减少降低了运行风扇和鼓风机的能耗。由于无阻尼器和管道，因此该布置在反应器模块上提供了均匀的空气分配。无阻尼器和管道也减小了金属氢化物热泵的尺寸、重量和高度，并且有助于在动态应用中减少车辆上的拖拽力。每对模块仅在半个循环期间提供输出，因此该系统使用了一组或多组成对的制冷和再生合金金属氢化物反应器模块来提供连续制冷。成对的反应器布置使得系统结构紧凑。
图1和图2分别示出了系统100的侧视图和俯视图。系统100包括第一个金属氢化物反应器模块102和第二个金属氢化物反应器模块104。第一个金属氢化物反应器模块 102和第二个金属氢化物反应器模块104彼此对准并且安装在包含用于分隔两个模块102 和104的分隔件118支撑结构134上。第一个金属氢化物反应器模块102和第二个金属氢化物反应器模块104分别在进气口130和126处接收两种不同的传热介质流(首选空气) 以用于循环操作。在图1中用箭头示出了通过反应器模块的气流流动路径。气流经过反应器模块102和104，并分别通过排气口132和128排出。
反应器模块102和104位于壳体内。系统100包括顶壳108和底壳106。将壳体106 和108分隔以确定用于反应器模块102和104的单独绝热室。这些绝热室包括进气口130 和126以及排气口132和128，用于向气流提供流动通道。这些绝热室由分隔装置隔开。分隔装置包括柔性密封件122和124以及非柔性密封件112和116。在底壳106和顶壳 108的内侧上设置有一个或多个空气密封件120，以防止进气口130和126与排气口132 与128之间的绝热室中气流短路。这些绝热室彼此热隔离。此外，还可在分隔装置中提供热绝缘。
金属氢化物反应器模块102和104安装在围绕分隔件118的轴承组件110上。轴承组件110包括驱动装置(图中未示出)，用于使反应器模块102和104绕轴线平滑地旋转以转换循环。具有驱动装置的轴承组件110安装在基架114上。
底壳106和顶壳108帮助引导绝热室中的气流。在优选的具体事例中，非柔性密封件112和116设置在底部壳体106和顶部壳体108处，以避免两个气流在绝热室中混合。柔性密封件124和122设置在非柔性密封件112和116上以避免在静止状态和旋转状态下的操作过程中气流混合。设置空气密封件120以防止气流在反应器模块室中发生短路，从而使得气流可以经过反应器模块。
环境空气通过进气口130接收，冷空气或回流空气通过进气口126接收。环境空气通过排气口132排出，回流空气通过排气口128排出。反向示出了气流方向，但气流也可平行通过。
在系统100中，反应器模块102和104均包含制冷合金。同样，也可以获得含有再生合金的反应器模块。图3示出了使用系统100的金属氢化物热泵布置。具有制冷合金 150的空气转换系统通过柔性氢管154连接到具有再生合金152的空气转换系统，以形成金属氢化物热泵。
空气转换系统100a和100b的布置在图4和图5中示出；金属氢化物热泵包括含有再生合金的空气转换系统100a和含有制冷合金的空气转换系统100b。两个空气转换系统100a和100b通过氢管线1(L1)和氢管线2(L2)进行连接。空气转换系统100a包括两个包含再生合金的反应器模块A1和A2。系统100a接收用于排出热量或作为冷源的环境空气气流3(S3)和用作系统100a热源的热空气或高温空气气流4(S4)。空气转换系统100b包括含有制冷合金的两个反应器模块B1和B2。系统100b接收需被冷却的冷空气 /回流空气气流1(S1)，其被用作系统100b中的低温热源，以及用于排出热量或作为冷源的环境空气气流2(S2)。系统100a的反应器模块A1通过柔性管线1(L1)连接到系统100b的反应器模块B1。系统100a的反应器模块A2通过柔性管线2(L2)连接到系统 100b的反应器模块B2。
在第一个半循环期间，反应器模块B1接收冷空气/热源气流1(S1)，反应器模块 B2接收环境空气/冷源气流2(S2)。第一个半循环称为位置A。在第二个半循环中，反应器模块B2接收冷空气/热源气流1(S1)，反应器模块B1接收环境空气/冷源气流2 (S2)。第二个半循环称为位置B。类似地，在位置A中，反应器模块A1接收环境空气 /冷源气流3(S3)，且反应器模块A2接收热空气/高温热源气流4(S4)。在位置B中，反应器模块A1接收热空气/高温热源气流4(S4)，反应器模块A2接收环境空气/冷源气流3(S3)。对于从位置A到位置B的转换，将反应器模块旋转180°。旋转时间通常为几秒钟。应采用较短的旋转时间。保持在第二个半循环的位置B，通常1至6分钟。至此，完成了循环处理。一旦完成循环处理，反应器模块将再次旋转到至位置A以执行第一个半循环。
表1示出了在优选具体事例中整个操作循环反应器位置的时间分布和旋转时间的示例。典型的完整循环持续时间约为360秒，如表1所示。在每个半循环时间转换期间，应在相反方向上进行转换旋转。然而，反应器模块也可以在转换期间沿相同的方向旋转。
表1
系统100a和100b在位置A和位置B交替操作。图4示出了位置A，图5示出了位置B。
在位置A处：
反应器模块A1在低压下以吸收模式操作以将热量排出到气流3(S3)中，反应器模块B1在低压下以解吸模式操作冷却气流1(S1)，反应器模块A2在高压下以解吸模式操作以从气流4(S4)中吸收热量，反应器模块B2在高压下以吸收模式操作以将热量排出到气流2(S2)中。气流1(S1)进入系统100b并通过反应器模块B1，反应器模块B1 通过管线1(L1)连接到反应器模块A1。气流3(S3)经过反应器模块A1。在该过程中，反应器模块B1中解吸的氢被吸收到反应器模块A1中。在解吸过程中，反应器模块B1中的气流1(S1)被进一步冷却。在吸收氢的过程中，反应器模块A1中释放热量，该热量被排出到气流3(S3)中。气流4(S4)通过反应器模块A2，该热气流作为反应器模块 A2的高温热源，增加了压力并解吸氢。反应器模块A2和B2通过管线2(L2)进行连接。反应器模块A2中解吸的氢被反应器模块B2吸收。在吸收过程中释放的热量被排出到气流2(S2)中。
在位置B：
反应器模块A2在低压下以吸收模式操作以将热量排出到气流3(S3)中，反应器模块B2在低压下以解吸模式操作冷却气流1(S1)，反应器模块A1在高压下以解吸模式操作以从气流4(S4)中吸收热量，反应器模块B1在高压下以吸收模式操作以将热量排出到气流2(S2)中。气流1(S1)进入系统100b以通过反应器模块B2。反应器模块B2 经由管线2(L2)连接到反应器模块A2。气流3(S3)通过反应器模块A2。在该过程中，反应器模块B2中解吸的氢被吸收到反应器模块A2中。在解吸过程中，反应器模块B2中的气流1(S1)被进一步冷却。在吸收氢的过程中，反应器模块A2中释放热量，该热量被排出到气流3(S3)中。气流4(S4)通过反应器模块A1，该热气流作为反应器模块A1的高温热源，增加了压力并解吸氢。反应器模块A1和B1通过管线1(L1)连接。反应器模块A1中解吸的氢被反应器模块B1吸收。在吸收过程中释放的热量被排出到气流 2(S2)中。
图6示出了使用系统100的金属氢化物热泵替代布置。空气转换系统100a和空气转换系统100b相互纵向设置以形成金属氢化物热泵。系统100a和100b通过柔性氢管154 连接，通过单个轴承组件119围绕相同的轴线旋转，并且由公共支撑件121支撑。反应器模块111和113分别放置在壳体115和117中。图6所示的布置进一步减少了金属氢化物热泵的足迹。
本公开的空气转换系统可以以各种布局布置，包括但不限于圆形、正方形或混合布局，如图9(A)、9(B)和9(C)所示。
图7和图8示出了本公开中空气转换系统的另一优选具体事例。在该具体事例中，提供了四个反应器模块，第一对再生合金148金属氢化物反应器模块102a和102b以及第二对制冷合金149金属氢化物反应器模块104a和104b。反应器模块支撑在支撑结构134 上。该系统包括具有四个气流140、142、144和146的四个绝热室。在跨越底壳106和顶壳108直径的反应器模块之间设定了分区118和136。反应器模块置于轴承组件110上，以便反应器模块以隔板118和136为中心围绕其旋转。沿着底壳106和顶壳108设置了包括空气密封件138和139在内的分区装置112和116，以确定四个绝热室。
图7示出了位置A，图8示出了本公开系统的位置B.在位置A，反应器模块102a接收热空气流144，反应器模块102b接收第一道环境空气流140，反应器模块104a接收第二道环境空气流142，而反应器模块104b接收冷空气流146。在位置B中，反应器模块 102a接收第二道环境空气流142，反应器模块104a接收冷空气流146，反应器模块102b 接收热空气流144，并且反应器模块104b接收第一道环境空气流140。通过将反应器模块沿顺时针方向旋转90°，可实现从位置A到位置B的转换。通过将反应器模块沿顺时针方向旋转90°，可实现从位置B到位置A的转换。
技术改进
如本公开所述，金属氢化物热泵的空气转换系统具有若干技术优点，包括但不限于以下内容：
该系统降低了热惯性，提高了性能；
该系统在传热介质流过热泵时减少了介质的压降，从而降低了运行风扇和鼓风机的功耗；
该系统在反应器中提供了均匀的空气分布；以及
该系统紧凑，质轻，高度小，从而减少了在车辆上的拖拽力
在整个本说明书中，词语“包括”或“包含”诸如其复数形式或分词形式的变体将理解为暗示包括所述元素(整体或步骤)或元素、整体、步骤组，但不排除任何其他元素(整体或步骤)或元素、整体或步骤组。
使用表达“至少”或“至少一个”表示使用一种或多种元素或成分或数量，由于在本发明的具体事例中该使用可能是为实现一种或多种所需目的或结果。
已包含在本说明书中的任何关于文件、行动、材料、装置、物品等的讨论仅用于为本发明提供背景。由于本申请优先权日之前此类事项已普遍存在，因此任何或所有此类事项均不应被视为构成现有技术基础的一部分，亦非与本发明相关领域中的普通知识。
因各种物理参数、尺寸或数量而提及的数值仅为近似值，并已假设高于/低于参数、尺寸或数量数值的分配值应在本发明的范围内，除非规范中存在具体相反的陈述。
以上对具体具体事例的描述将充分揭示本文具体事例的一般性质，其他人可以通过应用当前知识在不脱离一般概念的情况下轻易修改和/或适应到各种应用，因此，应在所公开具体事例等同物的含义和范围内理解这种修改和适应。应当理解，本文中使用的措辞或术语的目的是描述而非用于限制。因此，虽然已根据优选具体事例描述了本文的具体事例，但本领域技术人员应认识到，本文中的具体事例可在本文所述的具体事例精神和范围内通过修改来实施。

Claims (15)

1.用于金属氢化物加热泵的空气转换系统（100），该系统（100）包括：
第一金属氢化物反应器模块（102）和第二金属氢化物反应器模块（104），所述金属氢化物反应器模块（102、104）由分隔件（118）对准和分隔；
用于容纳所述金属氢化物反应器模块(102, 104),的壳体，该壳体被间隔以便为各个所述金属氢化物反应器模块(102, 104)提供单独的绝热室，每个绝热室具有用于传热介质的进气口和排气口；以及
在所述分隔件（118）周围用于支撑金属氢化物反应器模块（102、104）的轴承组件（110），该轴承组件（110）包括用于使所述金属氢化物反应器模块（102、104）围绕轴旋转的驱动装置。
2.如权利要求1所述的空气转换系统（100），其中，通过将所述第一和第二金属氢化物反应器模块（102、104）旋转180°来实现吸收模式与解吸模式之间的转换。
3.如权利要求1所述的空气转换系统（100），其中，所述壳体中的绝热室由分隔装置隔开，该分隔装置包括一个或多个柔性密封件（122、124）和一个或多个非柔性密封件（112、116）。
4.如权利要求1所述的空气转换系统（100），其中，在所述壳体的内侧设置有一个或多个空气密封件（120），以防止所述传热介质在所述进气口与排气口之间发生短路。
5.如权利要求1所述的空气转换系统（100），其中，所述壳体中的每个绝热室接收不同的所述传热介质流。
6.如权利要求1所述的空气转换系统（100），其中，所述传热介质是空气。
7.如权利要求1所述的空气转换系统（100），其中，所述的第一金属氢化物反应器模块（102）和第二金属氢化物反应器模块（104）包括制冷合金。
8.如权利要求1所述的空气转换系统（100），其中，所述的第一金属氢化物反应器模块（102）和第二金属氢化物反应器模块（104）包括再生合金。
9.用于金属氢化物加热泵的空气转换系统（200），该系统（200）包括：
第一对金属氢化物反应器模块（102a、102b）和第二对金属氢化物反应器模块（104a、104b），所述的第一对金属氢化物反应器模块（102a、102b）和第二对金属氢化物反应器模块（104a、104b）由分隔件（118、136）对准和分离；
用于容纳所述第一对金属氢化物反应器模块 (102a, 102b) 和第二对金属氢化物反应器模块 (102a, 102b) 的壳体，该壳体被间隔以便为每个所述金属氢化物反应器模块(102a, 102b, 104a, 104b),提供单独的绝热室，每个绝热室具有用于传热介质的进气口和排气口；以及
以所述分隔件（118、136）为中心的用于支撑金属氢化物反应器模块（102a、102b、104a、104b）的轴承组件（110），该轴承组件（110）包括用于使所述金属氢化物反应器模块（102a、102b、104a、104b）围绕轴旋转的驱动装置。
10.如权利要求9所述的空气转换系统（200），其中，将所述的第一对金属氢化物反应器模块（102a、102b）和第二对金属氢化物反应器模块旋转90°来实现吸收模式和解吸模式之间的转换（104a、104b）。
11.如权利要求9所述的空气转换系统（200），其中，所述壳体中的绝热室由分隔装置隔开，该分隔装置包括一个或多个柔性密封件（138、139）和一个或多个非柔性密封件（112、116）。
12.如权利要求9所述的空气转换系统（200），其中，在所述壳体的内侧设置有一个或多个空气密封件（120），以防止所述传热介质在所述进气口与排气口之间发生短路。
13.如权利要求9所述的空气转换系统（200），其中，所述传热介质是空气。
14.如权利要求13所述的空气转换系统（200），其中，所述壳体中的每个绝热室接收不同的所述空气。
15.如权利要求9所述的空气转换系统（200），其中，所述的第一对金属氢化物反应器模块（102a、102b）包括一个或多个再生合金，所述的第二对金属氢化物反应器模块（104a、104b）包括一个或多个制冷合金。
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