一种金属氢化物氢能做功系统的制作方法

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种金属氢化物氢能做功系统。

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有用，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。

授权公告号为cn202055876u，授权公告日为2011年11月30日的中国实用新型专利公开了一种新能源太阳能热力超临界低温空气能发电装置。包括吸热器、膨胀发电机组、回热器、冷却器、增压泵、制冷机及其管道附件及检测和控制装置，密闭系统内有氮气或混合工质。工质经吸热器成为高压超临界流体，经膨胀发电机组做功发电成为临界状态工质，经回热器、冷却器冷凝，由增压泵压入回热器换热再进吸热器吸热形成封闭循环发电系统。它也可以用于余热废热地热等中低温热源发电，工质用二氧化碳或混合工质。该实用新型专利能够将空气能转化成推动发电机组转动的动能，但是因冷却器冷凝需要耗能，其系统能量转换率变低，发电机发电量较小，实际推广价值有限。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属氢化物氢能做功系统，以氢气等为循环工质，将空气热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，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。

本发明的技术方案是：

一种金属氢化物氢能做功系统，装置包括膨胀机、发电机、氢气换热中心、空气能换热器和至少两组氢反应床组，每氢反应床组包括至少2台氢反应床。所述膨胀机和发电机轴连接。所述氢反应床设有氢气入口、氢气出口、氢气回流口、金属添加抽出口、循环氢气出口、循环氢气入口、循环换热口和换热氢气口。所述氢气回流口设有过滤网，所述金属添加抽出口插入加注枪。所述氢反应床组的氢反应床的加注枪口通过双向真空泵和回转阀相互连通，氢反应床的氢气回流口通过加注循环回路连通。所述氢气出口经氢气管路通过氢气循环泵、氢气换热器的管程连接到膨胀机入口，氢气换热器的壳程连接到每台氢反应床的循环换热口。所述膨胀机出口通过氢气回路连接到氢气入口。所述循环氢气出口通过设有氢气循环泵的氢气循环管路连接到氢气换热中心，氢气换热中心通过氢气循环管路连接到循环氢气入口。所述换热氢气口与空气能换热器循环连接。

所述氢气出口与氢气循环泵之间的氢气管路设置连接到氢气换热中心的氢气分路。

使用金属氢化物的吸氢、放氢功能，通过多个氢反应床的间歇切换操作，进行交替升温、等容热压、吸氢、放氢的过程，使氢气以一定的压力稳定的连续排出，进入膨胀机进行做功循环；空气能和/或氢气换热器的循环换热氢气加热氢反应床中的氢气，等容热压到需要的温度和压力，等容热压的步骤可以是一步也可以是多步。可以直接将放氢后的金属氢化物加入到等容热压后的氢反应床内氢气气氛中进行吸氢反应，使等容热压后的氢气压力保持稳定的状态下进行吸氢，吸氢后在相同的温度下进行放氢操作，从而得到与吸氢压力温度相同的稳定连续氢气流经氢气换热器冷却后进入膨胀机连续做功，从而使多个单个的等容热压后的氢反应床内的氢气被直接吸到金属氢化物内，然后以同样压力温度的连续稳定放出。或从放出的同样压力温度的连续稳定氢气流中分出部分通过氢气分路直接进入氢气换热中心，使系统保持稳定。允许每个氢反应床可以同时带有部分金属氢化物，不影响上述操作。

所述氢反应床内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物；氢气由氢气入口进入氢反应床，氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出氢气；允许每组氢反应床组中的每个氢反应床内的金属氢化物的品种、质量或体积可以不一样，每个氢反应床的吸放氢气的温度和压力可以相同或者不同。

所述空气能换热器的空气或被常温或低温的固态、液态、气态的其它介质所代替；空气能换热器或被合并组合为空气能换热中心。

所述系统的管路和设备设有内保温、外保温或内外保温；所述系统安装在交通工具、移动设备、家用电器或固定场所提供电能。

所述氢反应床采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质；氢反应床采用的换热循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质，循环介质可以是气体、液体、固体，或气液固之间二二混合或三相混合循环介质，直接进入氢反应床进行加热或移热；对氢反应床吸氢时放出的反应热，采用换热循环介质进行移热，换热循环介质包括但不限于氢气，氢气的温度可以跟吸氢温度不同，当氢气的温度不同于吸氢温度时，吸氢时的换热循环介质可以采用间断直接进入或变流量直接进入氢反应床内部，从而使氢反应床的吸氢温度在吸氢温度以下保持稳定；对氢反应床放氢时需要的反应热，采用换热循环介质进行加热，外界的热量直接带入氢反应床，加热循环介质包括但不限于氢气，氢气的温度可以跟放氢温度不同，当氢气的温度不同于放氢温度时，放氢时的加热循环介质可以采用间断直接进入或变流量直接进入氢反应床内部，从而使氢反应床的放氢温度在放氢温度以上保持稳定。

所述氢反应床设置有金属氢化物更换装置，将生产过程中粉化或老化的金属氢化物快速移出并更换装载新的金属氢化物，利用吸放氢间歇时间快速更换氢反应床内的物料，也可以停机更换氢反应床内的物料，被更换的物料可以是吸氢状态，也可以是放氢状态，也可以是吸放氢的过渡状态。

所述氢反应床设有使用过的金属氢化物抽出口和新鲜金属氢化物加入口，所述金属氢化物更换装置包括新鲜金属氢化物仓和使用过的金属氢化物仓，所述使用过的金属氢化物抽出口通过密封阀和抽出泵连接到使用过的金属氢化物仓，所述新鲜金属氢化物仓通过添加泵和密封阀连接到氢反应床；所述金属氢化物更换装置或采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内金属氢化物更换的任何方法都适用。

所述回转阀和双向真空泵组成的系统替换为重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内物料实现双向输送目的的任何方法都适用。

本发明以氢气等为循环工质，利用空气、海水等介质和工业废气余热热量，通过工质循环驱动膨胀机做功，将热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，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。将本发明安装在轮船等交通工具，可以利用海水等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，将热能转变为机械能驱动交通工具运行，实现绿色交通。通过本发明适当替换可以实现烟气等携带热能废气的余热利用，扩大应用范围。

附图说明

图1为本发明一种金属氢化物氢能做功系统流程示意图；

图2为本发明一种金属氢化物氢能做功系统流程详细示意图；

图3为本发明一种金属氢化物氢能做功系统装置截面示意图；

图4为氢反应床金属氢化物更换装置图。

其中：1—氢气回路、2—膨胀机、3—发电机、4—氢气换热中心、5—加注循环回路、6—氢气分路、8—加注枪、9—双向真空泵、10—氢气循环管路、11—氢气循环泵、12—氢气回流口、13—氢反应床组、14—氢气管路、15—空气能换热器、16—换热氢气口、17—金属添加抽出口、18—氢气出口、19—过滤网、20—氢气入口、21—阀门、22—氢气换热器、23—新鲜金属氢化物仓、24—使用过的金属氢化物仓、25—空气能热压系统、26—回转阀、28—空气能输入口、29—循环氢气出口、30—循环氢气入口、35—氢反应床、36—使用过的金属氢化物抽出口、37—新鲜金属氢化物加入口、38—密封阀、39—添加泵、40—抽出泵、41—循环换热口。

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

本发明金属氢化物氢能做功系统如图1-图3所示，包括膨胀机2、发电机3、氢气换热中心4、空气能换热器15和三组氢反应床组13，每组氢反应床组包含两个氢反应床。所述膨胀机2和发电机3轴连接，发电机发的电并入电网外供。所述氢反应床设有氢气入口20、氢气出口18、氢气回流口12、金属添加抽出口17、循环氢气出口29、循环氢气入口30、循环换热口41和换热氢气口16。所述氢气回流口12设有过滤网19，所述金属添加抽出口17插入加注枪8，加注枪8的长短可以根据氢反应床的位置进行调节，加注枪采用气流输送方式将金属氢化物添加或抽出氢反应床。所述氢反应床组13的两台氢反应床的加注枪口通过回转阀26将金属氢化物物料相互输送，两台氢反应床的加注枪口通过双向真空泵9将氢气相互输送。两台氢反应床的氢气回流口12通过加注循环回路5连通。所述氢气出口18分为两路，一路经氢气管路14通过氢气循环泵11、氢气换热器22的管程连接到膨胀机2入口，氢气换热器22的壳程连接到每台氢反应床的循环换热口41。所述氢气出口18的另一路通过氢气分路6连接到氢气换热中心4。所述膨胀机2出口经氢气回路1通过阀门21连接到氢气入口20。所述循环氢气出口通过设有氢气循环泵11的氢气循环管路10连接到氢气换热中心4，氢气换热中心4通过氢气循环管路10连接到循环氢气入口30。所述换热氢气口16与空气能换热器15循环连接，空气能换热器15设有与大气连通的空气能输入口和空气输出口。

本发明金属氢化物氢能做功系统的运行方式为：如图1所示，2.2mpa、-4.8℃流量45kg/s的氢气进入膨胀机2的入口，在膨胀机2内膨胀做功，功率为4022kw，氢气出口压力温度降低到2.0mpa、-11.0℃，然后2.0mpa、-11.0℃、45kg/s的氢气从膨胀机2出口排出，进入空气能热压系统25，空气能热压系统25内的2.0mpa、-11.0℃、45kg/s的氢气被加热到15℃同时等容热压到2.2mpa，从空气能热压系统25流出的2.2mpa、15℃、45kg/s的氢气进入氢气换热器22的管程，由壳程的循环换热氢气将热量带出输入到各个氢反应床，2.2mpa、15℃的氢气降温到2.2mpa、-4.8℃进入膨胀机2的入口循环做功。空气能热压系统25内2.0mpa、-11.0℃、45kg/s的氢气被加热到15℃分两步进行，第一步由氢气换热器22的循环换热氢气在氢反应床内等容热压到8.8℃、2.152mpa，换热量约为12725kw，第二步由空气进一步等容热压到15℃、2.2mpa，完成图1所示的循环。

如图2所示，假定空气温度为20℃，采用稀土类金属氢化物，使用金属氢化物的吸氢、放氢功能，通过多个氢反应床的间歇切换操作，进行交替升温、等容热压、吸氢、放氢的过程，使得2.0mpa、-11.0℃、45kg/s的氢气连续进入，2.2mpa、15℃、45kg/s的氢气连续排出，通过膨胀机2进行做功循环。

下面详细叙述图2中六个氢反应床的切换操作过程：

1.首先关闭氢反应床a1的氢气出口18的阀门，将膨胀机2出口的2.0mpa、-11.0℃的氢气加入到氢反应床a1中，此时氢反应床a1中金属氢化物已抽出，无金属氢化物，且氢反应床a1内氢气在2.0mpa以下较低的压力。

2.通过氢气换热器22的循环换热氢气加热氢反应床a1中的氢气，等容热压到2.152mpa、8.8℃，然后再通过空气能换热器15的循环换热氢气等容热压到2.2mpa、15℃。

3.开启回转阀26和氢气出口18的阀门，开启氢反应床a1和氢反应床a2的加注循环回路5上的阀门，将放氢结束的金属氢化物从氢反应床a2加入到氢反应床a1中，随着金属氢化物加入的同时在氢反应床a1中发生吸氢反应，通过氢气循环泵11按量持续补充氢气，从而保证氢反应床a1中的压力稳定在2.2mpa持续反应完成吸氢。同时氢气换热中心4的循环换热氢气将吸氢放出的热量转移到氢气换热中心4；在这个过程中，为了有利于系统平衡，允许氢气循环管路10上面的氢气循环泵11短暂关闭。关闭加注循环回路5上的阀门，再将氢反应床a2中多余的氢气用双向真空泵9抽入氢反应床a1中，使氢反应床a2的压力达到2.0mpa以下较低的压力。氢反应床a1和a2在金属氢化物吸放氢时温度始终维持在15℃附近，氢气换热中心4的温度始终维持在15℃附近。

4.与上述操作同时进行的操作是，氢反应床a2中的压力逐渐下降，当下降到2.0mpa以下较低的压力时开启氢气入口20的阀门，将2.0mpa、-11.0℃的氢气加入到氢反应床a2中，保证氢反应床a2中的压力稳定在2.0mpa。

5.当氢反应床a1中的金属氢化物在2.2mpa，15℃附近吸氢饱和后开启氢气换热中心4的循环换热氢气，加热氢反应床a1中的已吸氢饱和的金属氢化物，连续放出2.2mpa，15℃的氢气，开启高压氢气出口18的阀门，将2.2mpa，15℃的高压氢气输送到氢气管路14。

6.与上述操作同时进行的操作是，通过氢气换热器22的循环换热氢气加热氢反应床a2中的氢气，等容热压到2.152mpa、8.8℃，然后再通过空气能换热器15的循环换热氢气等容热压到2.2mpa、15℃。

7.开启回转阀26和氢气出口18的阀门，开启氢反应床a1和氢反应床a2的加注循环回路5上的阀门，将放氢结束的金属氢化物从氢反应床a1加入到氢反应床a2中，随着金属氢化物加入的同时在氢反应床a2中发生吸氢反应，通过氢气循环泵11按量持续补充氢气，从而保证氢反应床a2中的压力稳定在2.2mpa持续反应完成吸氢。同时氢气换热中心4的循环换热氢气将吸氢放出的热量转移到换热中心4。

8.通过回转阀26和双向真空泵9在氢反应床a1和氢反应床a2之间将金属氢化物转换操作，达到升温热压、吸氢、放氢的稳定过程。氢反应床b1和氢反应床b2以及氢反应床c1和氢反应床c2进行同样的金属氢化物转换操作，保证2.0mpa、-11℃的氢气连续稳定进入，2.2mpa、15℃的氢气连续稳定输出。

氢反应床a1处在放氢状态，氢反应床b1处在吸氢即将结束准备放氢，氢反应床c1处在正在吸氢，相应的氢反应床a2、b2、c2都是加入2.0mpa低压氢气的等容热压过程。对应的，当氢反应床a2处在放氢状态，氢反应床b2处在吸氢即将结束准备放氢，氢反应床c2处在正在吸氢。总有一个氢反应床处在放氢状态，一个处在准备放氢状态，一个处在吸氢状态。氢反应床吸氢时放出的热量通过循环换热氢气经氢气循环管路10带入氢气换热中心4，氢反应床放氢时需要的热量从氢气换热中心4通过氢气循环管路10带入氢反应床。设定吸氢速率是放氢速率的二分之一，因此整个吸放氢热量整体平衡。允许每个氢反应床可以同时带有部分金属氢化物，不影响上述操作。

该系统吸收空气能的热效率在15%以上。

如图4所示，氢反应床设有金属氢化物更换装置，使已经粉化或老化的金属氢化物能及时更新，保证吸放氢的效率。氢反应床设有使用过的金属氢化物抽出口36和新鲜金属氢化物加入口37，所述金属氢化物更换装置包括新鲜金属氢化物仓23和使用过的金属氢化物仓24，所述使用过的金属氢化物抽出口36通过密封阀38和抽出泵40连接到使用过的金属氢化物仓24，新鲜金属氢化物仓23通过添加泵39和密封阀38连接到氢反应床的新鲜金属氢化物加入口37。金属氢化物更换装置或采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内金属氢化物更换的任何方法都适用。

金属氢化物更换的运行过程为：需要更换金属氢化物时，先关闭新鲜金属氢化物加入口37的密封阀38，打开使用过的金属氢化物抽出口36的密封阀38，启动抽出泵40由氢反应床向使用过的金属氢化物仓24输送使用过的金属氢化物；氢反应床中使用过的金属氢化物抽出后，关闭使用过的金属氢化物抽出口36的密封阀38，打开新鲜金属氢化物加入口37的密封阀38，启动添加泵39由新鲜金属氢化物仓23向氢反应床中添加新鲜金属氢化物，添加完后关闭新鲜金属氢化物加入口37的密封阀38。所有的管道和储罐，除了换热盘管，都有外保温或内外保温。