SK2572017U1 - Metalhydridový zásobník s teplotným manažmentom využívajúcim princíp Peltierovho javu na medziuskladnenie vodíka - Google Patents

Abstract

Metalhydridový zásobník s teplotným manažmentom využívajúci princíp Peltierovho javu na medziuskladnenie vodíka v tandemovom metalhydridovom kompresore s tepelným čerpadlom pozostáva z metalhydridového zásobníka (1), ktorý obsahuje metalhydridovú zliatinu vhodnú na absorpčné dočasné uloženie vodíka. Na metalhydridovom zásobníku (1) sú umiestnené Peltierove články (2), ktoré slúžia na reguláciu strednej teploty metalhydridovej zliatiny v metalhydridovom zásobníku (1) a sú súčasťou teplotného manažmentu. Prepólovaním jednosmerného napájacieho napätia na Peltierových článkoch (2) je možné prepínať režim ohrevu a režim chladenia metalhydridového zásobníka (1). Na odvod a prívod tepla z Peltierových článkov sú využité vodné chladiče (3), ktoré transportujú teplo z/do okolitého vzduchu a sú tiež súčasťou teplotného manažmentu. Metalhydridový zásobník (1) s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami (2) a vodnými chladičmi (3), slúži na dočasné uskladnenie vodíka pri prechodových javoch ohrevu a chladenia metalhydridového zásobníka (16) a metalhydridového zásobníka (17), ktoré sú tandemovo usporiadané a sú súčasťou metalhydridového kompresora s tepelným čerpadlom (18).

Description

Oblasť techniky

Metalhydndový zásobník s teplotným manažmentom využívajúcim princíp Peltierovho javu na medziuskladnenie vodíka v tandemovom metalhydndovom kompresore s tepelným čerpadlom je orientovaný do oblasti strojárstva, konkrétne do oblasti energetických strojov a zariadení.

Doterajší stav techniky

Pri kompresoroch využívajúcich metalhydridové zliatiny je podstatný mechanizmus transportu a manažmentu tepla. Pri absorpcii vodíka do metalhydridovej zliatiny dochádza k uvoľňovaniu tepla, čo úmerne zvyšuje rovnovážny tlak plynu. Absorpcia vodíka pri relatívne nižšej teplote, ktorá je zabezpečená chladením, prebieha pri nižšom tlaku. Po absorpcii a následnom privedení tepla do metalhydridovej zliatiny dochádza k značnému navýšeniu tlaku vodíka, pričom kompresný pomer nadobúda hodnotu viac ako 3, pri súčasnom náraste teploty o niekoľko desiatok stupňov. Tandemové usporiadanie metakiydndových zásobníkov umožňuje kontinuálnu prevádzku kompresie vodíka.

Pri vypustení vodíka z metalhydndového zásobníka, ktorý je ohriaty na vyššiu teplotu (pre navýšenie tlaku), je potrebné ohriaty metalhydndový zásobník ochladiť a zamedziť ďalšiemu prístupu dodávaného vodíka. Následne je potrebné ohriať druhý metalhydndový zásobník, ktorý je súčasťou tandemu a je v ňom už absorbovaný vodík, pričom je prísun vodíka do tohto zásobníka taktiež uzavretý. Pri zmene teploty metalhydndových zásobníkov usporiadaných v tandeme je potrebné vodík dočasne uskladňovať v medzizásobníku, ktorý je štandardne tvorený tlakovou nádobou bez metalhy dridovej zliatiny .

Základným problémom je, že pridávaním vodíka do medzizásobníka bez metalhydridovej zliatiny dochádza k nárastu tlaku, ktorý je možné popísať stavovou rovnicou reálneho plynu. Z tohto dôvodu vznikla potreba nahradiť medzizásobník, tvorený tlakovou nádobou bez metalhydridovej zliatiny, práve metalhydndovým zásobníkom s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami a vodnými chladičmi, v ktorom sa vodík uskladňuje absorpciou do metalhydridovej zliatiny s minimálnym nárastom tlaku.

Pre presné nastavenie tlaku, ktorý je značne závislý od teploty metalhy dridovej zliatiny a množstva absorbovaného vodíka v metalhy dridovej zliatine, je vhodné použiť práve Peltierové články. Takto je možné dočasne absorbovaný vodík následne transportovať pri požadovanom tlaku do jedného metalhydndového zásobníka z tandemovej dvojice metalhydndového kompresora s tepelným čerpadlom, v ktorom bude prebiehať absorpcia.

Novým navrhovaným riešením na zabezpečenie kontinuálnej prevádzky tandemového metalhydndového kompresora s tepelným čerpadlom je aplikácia metalhydndového zásobníka s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami a vodnými chladičmi, slúžiaceho na medziuskladnenie vodíka.

Podstata technického riešenia

Podstatou technického riešenia je spojenie metalhydndového zásobníka s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami a vodnými chladičmi, ktorý obsahuje metalhy dndovú zliatinu kovov schopnú absorbovať vodík. Peltierové články umožňujú reguláciu teploty metalhydndového zásobníka. Metalhydndový zásobník s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami a vodnými chladičmi, umožňuje dočasné medziuskladnenie vodíka v tandemovom metakiydndovom kompresore s tepelným čerpadlom pri minimálnom náraste tlaku vodíka, čo umožňuje bezpečnú a kontinuálnu prevádzku tandemového metalhydndového kompresora s tepelným čerpadlom

Pred vpustením vodíka do zariadenia sa pomocou Peltierových článkov nastaví teplota a prislúchajúci tlak vodíka v metalhydndovom zásobníku s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami a vodnými chladičmi, na tlak vodíka na vstupe do tandemového metakiydndového kompresora s tepelným čerpadlom, čím sa súčasne zamedzí tvorbe tlakových rázov v rozvodnom vodíkovom potrubí. Pri potrebe vypustenia vodíka z metalhydndového zás obníka s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami a vodnými chladičmi, do jedného metalhydndového zásobníka z tandemovej dvojice sa pomocou Peltierový ch článkov upraví tlak na vhodnú úroveň pre bezpečný transport vodíka.

Výhoda predloženého riešenia sa vyznačuje vytvorením medziuskladňovacieho systému vodíka, s reguláciou teploty a tlaku vodíka, ktorý slúži na bezpečnú a kontinuálnu prevádzku tandemového metalhydndového kompresora s tepelným čerpadlom Súčasne sa zamedzí tlakovým výkyvom, ku ktorým dochádza pri využití medziuskladňovacieho systému bez metalhydridovej zliatiny.

SK257-2017 U1

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je schematické znázornenie metalhydridového zásobníka s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami a vodnými chladičmi, na medziuskladnenie vodíka v tandemovom metalhydndovom kompresore s tepelným čerpadlom

Príklady uskutočnenia

Metalhydridový zásobník 1 s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami 2 a vodnými chladičmi 3, na medziuskladnenie vodíka v tandemovom metalhydndovom kompresore s tepelným čerpadlom 18 pozostáva z metakiydndového zásobníka 1, ktorý obsahuje metalhydndovú zliatinu Lao,85^oi5NÍ5 o hmotnosti 3,1 kg.

Na povrchu metalhydndového zásobníka 1 sú pripevnené dva Peltierové články 2 typu TEC1-12710 pomocou hliníkového prepojenia na zabezpečenie odvodu a prívodu tepla medzi Peltierovými článkami 2 a metalhydridovým zásobníkom 1. Na Peltierové články 2 sú pripojené vodné chladiče 3, ktoré privádzajú, resp. odvádzajú teplo z teplej/studenej strany Peltierových článkov do okolia v závislosti od toho, či sa jedná o režim ohrevu (zo studenej strany Peltierovho článku) alebo režim chladenia (z teplej strany Peltierovho článku). Metalhydridový zásobník 1 je pripojený na prívod vodíka 20 pomocou elektronicky riadeného ventilu 11, ktorý je otváraný riadiacim systémom, ktorého súčasťou je regulátor 5. Vodík vstupuje do tandemového metalhydndového kompresora s tepelným čerpadlom 18 prívodom 20 otvoreným elektronicky riadeným ventilom 12, alebo elektronicky riadeným ventilom 13 a transportuje sa do metakiydndového zásobníka 16 alebo metalhydndového zásobníka 17, ktoré sú tandemovo usporiadané. Voľba metaBydndového zásobníka z tandemovej dvojice pre absorpciu vodíka závisí od aktuálnej teploty a tlaku metalhydndového zásobníka 16 a metalhydndového zásobníka 17, ktoré sú tandemovo usporiadané. V prípade otvorenia elektronicky riadeného ventilu 12 prechádza vodík do metalhydndového zásobníka 16, v ktorom sa absorbuje do metalhydndovej zliatiny Lao,85Ceo,i5Ni5 s hmotnosťou 3,1 kg a súčasne je otvorený elektronicky riadený ventil 15, ktorým sa transportuje desorbovaný vodík z metalhydndového zásobníka 17 na výstup 21. V prípade otvorenia elektronicky riadeného ventilu 13 prechádza vodík do metalhydndového zásobníka 17, v ktorom sa absorbuje vodík do metalhydndovej zliatiny La0,85Ce0,15Ni5 s hmotnosťou 3,1 kg a súčasne je otvorený elektronicky riadený ventil 14, ktorým sa transportuje desorbovaný vodík z metalhydndového zásobníka 16 na výstup 21.

Tlak vodíka v jednotlivých častiach systému je meraný elektronickými manometrami 6, 7, 8, 9, 10. Zmena z absorpčnej na desorpčnú teplotu a z desorpčnej na absorpčnú teplotu metalhydndovej zliatiny v metalhydndovom zásobníku 16 a v metaUrydndovom zásobníku 17, ktoré sú tandemovo usporiadané, je realizovaná tepelným čerpadlom 18.

Chladiace a vykurovacie okruhy teplonosného média prúdiaceho medzi tepelným čerpadlom 18. metalhydridovým zásobníkom 16 a metalhydndovým zásobníkom 17, ktoré sú tandemovo usporiadané, sú regulované elektronickými ventilmi 22, 23, 24, 25, poháňané cirkulačnými čerpadlami 26, 27 a nadbytočné teplo z tepelného čerpadla 18 je odvádzané do okolia vzduchovým chladičom 19.

Pri zmenách teploty potrebných z absorpcie vodíka do metalhy dridovej zliatiny na desorpciu vodíka z metalhydndovej zliatiny a zmenách teploty z desorpcie vodíka z metalhydndovej zliatiny na absorpciu vodíka do metalhydndovej zliatiny musí byť uzavretý elektronicky riadený ventil 12 a elektronicky riadený ventil 13, a preto je pre dosiahnutie kontinuálnej prevádzky tandemového metalhydndového kompresora s tepelným čerpadlom 18 nevyhnutné medziuskladnenie vodíka. V prípade uzatvorenia elektronicky riadeného ventilu 12 a elektronicky riadeného ventilu 13, je otvorený elektronicky riadený ventil 11 a vodík je absorbovaný do metalhydndovej zliatiny metalhydndového zásobníka 1. Teplota metalhydndovej zliatiny meraná snímačom 4 teploty je regulátorom 5 nastavená tak, aby bol absorpčný tlak metalhydndovej zlí.atiny totožný s tlakom na prívode vodíka 20 ešte pred otvorením elektronicky riadeného ventilu 11. Po dosiahnutí absorpčnej teploty v metaUrydndovom zásobníku 16, resp. v metaUhydndovom zásobníku 17, ktoré sú tandemovo usporiadané, sa otvorí elektronicky riadený ventil 12, resp. elektronicky riadený ventil 13, pričom elektronicky riadený ventil 11 ostáva stále otvorený. Postupným zvyšovaním teploty metalhydndového zásobníka 1 s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami 2 a vodnými chladičmi 3, je medziuskladnený vodík transportovaný do metaBydndového zásobníka 16, resp. do metalhydndového zásobníka 17, ktoré sú tandemovo usporiadané, spolu s vodíkom prúdiacim z prívodu 20.

Elektnckým prepólovaním napájacieho jednosmerného napätia na Peltierových článkoch 2 je možné opätovne schladiť metalhydridový zásobník 1 na požadovanú teplotu, ktorej prislúcha absorpčný tlak. Metalhydndový zásobník 1 s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami 2 a vodnými chladičmi 3, je týmto postupom opätovne pripravený na ďalšie medziuskladnenie vodíka.

Pri použitej metalhydndovej zliatine Lao,85Ceo,i5Ni5 s hmotnosťou 3,1 kg, s celkovou hmotnosťou metalhydndového zásobníka 1 6,585 kg, je priemerná rýchlosť ochladzovania v rozmedzí teplôt metalhydndového

SK257-2017 U1 zásobníka 1 od 10 do 50 °C, pri chladiacom výkone 80 až 170 W a pri použití 2 kusov Peltierových článkov typu TEC1-12710 až 1,72 °C mm 1

Pri zvyšovaní teploty metalhydndového zásobníka 1 s metalhydridovou zliatinou Lao.ssCeo.isNis o hmotnosti 3,1 kg, pri celkovej hmotnosti metaUaydndového zásobníka 1 6,585 kg je priemerná rýchlosť ohrevu pri vykurovacom výkone 272 až 400 W v rozmedzí teplôt metaUaydndového zásobníka 1 od 10 do 50 °C až 4 °C min^-1. Rozdiel medzi hodnotou chladiaceho a vykurovacieho výkonu vyplýva z podstaty funkcie Peltierových článkov využitím Peltierovho javu.

Rovnovážny relatívny tlak metalhydndovej zliatiny La o,85Ceo,i5Ni5 pri teplote 10 °C závisí od hmotnostnej koncentrácie vodíka a pre rozsah 0,1 až 0,6 hm.% je v rozmedzí 0,1 až 0,2 MPa. Pri teplote 50 °C je pre hmotnostnú koncentráciu vodíka 0,1 až 0,6 hm % relatívny tlak v rozsahu 0,8 až 1,2 MPa. Malou zmenou teploty metalhydndovej zliatiny použitej na medziuskladnenie vodíka je teda možné dosiahnuť značnú zmenu relatívneho tlaku vodíka.

Metalhydridový zásobník 1 s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami 2 a vodnými chladičmi 3, na medziuskladnenie vodíka spolu s príslušenstvom, tvoreným snímačom 4 teploty, regulátorom 5 a elektronickým manometrom 6, zvyšuje stabilitu kontinuálnej prevádzky tandemového metalhydndového kompresora s tepelným čerpadlom J8.

Priemyselná využiteľnosť

Metalhydridový zásobník s teplotným manažmentom, tvoreným Peltierovými článkami a vodnými chladičmi na medziuskladnenie vodíka v tandemovom metalhydndovom kompresore s tepelným čerpadlom je určený na dočasné uloženie vodíka počas kompresie vodíka využívajúceho absorpčno - desorpčný cyklus, so zreteľom na schopnosť rýchlej regulácie tlaku vplyvom zmeny teploty metalhydndovej zliatiny. Výužitím Peltierový ch článkov a vodných chladičov je možné znížiť teplotu metalhy dridovej zliatiny pod teplotu okolia bez použitia chladiva.

Claims (1)

1. Metalhydndový zásobník s teplotným manažmentom využívajúcim princíp Peltierovho javu na medziuskladnenie vodíka, vyznačujúci sa tým, že prívod (20) vodíka je pomocou elektronicky 5 riadeného ventilu (11) s elektronickým manomentrom (6) pripojený na metaUrydndový zásobník (1) s umiestneným snímačom (4) teploty, na povrchu metalhydndového zásobníka (1) sú pripevnené dva Peltierové články (2) a na každý Peltierov článok (2) je pripojený vodný chladič (3), pričom metalhydndový zásobník (1), snímač (4) teploty, Peltierové články (2), vodné chladiče (3) a elektronický manometer (6) sú elektrickom vedením spojené s riadiacim systémom, ktorého súčasťou je regulátor (5).