氢气换热介质单金属氢化物做功系统的制作方法

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种氢气换热介质单金属氢化物做功系统。

背景技术：

能源短缺、环境污染、全球气候变化，使开发清洁、高效、安全和可持续发展的能源迫在眉睫，其中氢能正在受到越来越多国家的重视。进入二十一世纪，发动机工业得到了迅速地发展，然而目前汽油机和柴油机依然是发动机的主要选择。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响，以及减少大气污染和发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。随着世界各国环境保护的措施越来越严格，氢能源发动机由于其节能、低排放等特点成为发动机研究与开发的一个重点，并已经开始商业化。传统的氢能利用大多通过直接燃烧气态氢气获得热能及动能，但气态的氢气不易存储和运输，燃烧所得氢能直接用在动力系统上会产生爆震、不稳定等一系列影响安全使用的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种氢气换热介质单金属氢化物做功系统，以氢气为循环工质，利用金属储氢材料的吸氢/放氢特性，通过膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电，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：氢气换热介质单金属氢化物做功系统，系统包括b1金属储氢反应床、b2金属储氢反应床、氢气液化器、a空气换热器a氢气换热器、高压氢气循环泵、氢气膨胀机、液氢高压泵和制冷单元。b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床分别设有吸氢进口、放氢出口、换热进口和换热出口。b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的放氢出口经高压氢气管道通过氢气液化器连接到液氢高压泵，液氢高压泵出口依次通过制冷单元、a空气换热器和a氢气换热器的壳程连接到氢气膨胀机的进口，氢气膨胀机的出口分别连接到b2金属储氢反应床和b1金属储氢反应床的吸氢进口。b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的换热出口经供热高压氢气管道通过高压氢气循环泵连接到a氢气换热器的换热管程进口，a氢气换热器的换热管程出口连接到b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床2的换热入口。进入b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的氢气和氮气允许一同进入也允许交替进入。

系统设有b空气换热器、液氮高压泵、氮气膨胀机和b氢气换热器，b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床设有液氮出口和氮气进口。b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的换热出口经供热高压氢气管道通过高压氢气循环泵分为两路，一路经a氢气换热器的换热管程连接到b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的换热入口，另一路经b氢气换热器的管程连接到b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的换热入口。b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的液氮出口经液氮高压泵、b空气换热器和b氢气换热器的壳程连接到氮气膨胀机入口，氮气膨胀机出口连接到b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床氮气入口。

系统设有液氧生产单元和低压氢气循环泵，b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的换热出口的一路经供冷低压氢气管道通过低压氢气循环泵连接到液氧生产单元的换热管程进口，液氧生产单元的换热管程出口连接到b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床的换热入口。氢气液化器设有换热盘管，制冷单元与氢气液化器的换热盘管循环连接。b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床内装填的金属氢化物相同，装填量允许相同也允许不同，通过阀门切换实现两者交替进行吸/放氢操作。单个金属储氢反应床装填金属氢化物的量允许存在冗余，这样可以保证每次吸放氢速率满足快速高低压切换的需求，其冗余当量倍数根据工艺条件可以进行调整（1倍冗余当量是指金属储氢材料在整个一个完整工序循环内单次吸氢饱和时的所需最少金属储氢材料的量）。系统设有保护罩，保护罩设有可燃性气体报警器、温度调节器和充氮入口，充氮入口设有阀门，保护罩内填充的气体包括但不限于氢气、氮气、氦气。

除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体作为循环换热介质；此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质；换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体、固体或以上的混合物或两两混合物。

温度正相关的金属氢化物做功的定义为高温吸收高压氢气放出高温热量，低温放出低压氢气释放低温冷量。在高温时吸收做功氢气放出高温热量，利用换热氢气将以上热量传递给a氢气换热器和b氢气换热器用来做功氢气和做功氮气的升温。只是低温放出的氢气参与膨胀机做功，换热氢气不参与膨胀机的做功。系统至少存在三个负压单元，一个是金属氢化物的负压，一个是氢气的负压，另一个是氮气的负压。低温下的氮气换热就是利用金属氢化物低温放出低压氢气时吸热，将金属氢化物产生的低温冷量用来冷却氮气进行液化。系统设备和管道设有外保温、内保温、内外保温。

至少有一种金属氢化物组成循环做功系统，包括金属氢化物在内的至少两个至三个的负压单元组成的循环做功系统，至少一种金属氢化物进行高低压切换时包括但不限于是温度正相关的循环做功系统。金属氢化物的高温点包括但不限于要高于环境温度，金属氢化物的低温点包括但不限于接近氢气的液化温度。

本发明公开的氢气换热介质单金属氢化物做功系统，在b1金属储氢反应床和b2金属储氢反应床内装填金属氢化物，利用金属氢化物的吸氢/放氢特性，通过膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电，充分利用了大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。将本发明公开的做功系统安装在轮船等交通工具和其他设备上，可以利用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，将柯来浦氢能转变为机械能从而驱动交通工具运行，实现绿色交通和发电。至少有一种方法可以使系统向单一热源吸热做功成为可能。

附图说明

图1为本发明氢气换热介质单金属氢化物做功系统的流程示意图；

图2为本发明另一实施方案的流程示意图；

图3为图1金属氢化物的工作状态点图；

其中：1—b1金属储氢反应床、2—b2金属储氢反应床、3—氢气液化器、4—液氢高压泵、5—制冷单元、6—a空气换热器、7—a氢气换热器、8—氢气膨胀机、10—高压氢气循环泵、11—低压氢气循环泵、12—液氧生产单元、13—液氮高压泵、14—b空气换热器、15—b氢气换热器、16—氮气膨胀机、21—放氢出口、22—吸氢进口、23—换热出口、24—换热进口、25—液氮出口、26—氮气进口、27—充氮入口、28—保护罩、29—可燃性气体报警器、30—阀门、31—温度调节器。

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

本发明氢气换热介质单金属氢化物做功系统如图1所示，包括b1金属储氢反应床1、b2金属储氢反应床2、氢气液化器3、a空气换热器6、a氢气换热器7、液氢高压泵4、高压氢气循环泵10、b空气换热器14、液氮高压泵13、氮气膨胀机16、b氢气换热器15和制冷单元5。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2分别设有吸氢进口22、放氢出口21、换热进口24、换热出口23、液氮出口25和氮气进口26。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的放氢出口21经高压氢气管道通过氢气液化器3连接到液氢高压泵4，液氢高压泵4出口依次通过制冷单元5、a空气换热器6和a氢气换热器7的壳程连接到氢气膨胀机8的进口，氢气膨胀机8的出口分别连接到b2金属储氢反应床2和b1金属储氢反应床1的吸氢进口22。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的换热出口23经供热高压氢气管道通过高压氢气循环泵10分为两路，一路经a氢气换热器7的换热管程连接到b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的换热入口24；另一路经b氢气换热器15的管程连接到b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的换热入口24。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的液氮出口25经液氮高压泵13、b空气换热器14、b氢气换热器15的壳程连接到氮气膨胀机16入口，氮气膨胀机16出口连接到b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2氮气入口26，各连接管路设有阀门30。氮气膨胀机16、氢气膨胀机8和发电机同轴连接，发电机电路连接到外部电网和/或蓄电池。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2均为金属储氢材料蓄热式反应床。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的储氢材料包括但不限于钛系金属储氢材料，具体储氢材料可以为氢化钛铁，单个金属储氢反应床装填金属氢化物的量为56l，其吸放氢时间为200ms，冗余当量25倍（1倍冗余当量是指金属储氢材料在整个一个完整工序循环内单次吸氢饱和时的所需最少金属储氢材料的量）。

系统设有保护罩28，保护罩28设有可燃性气体报警器29、温度调节器31和充氮入口27，充氮入口设有阀门，保护罩内填充的气体为氢气。

氢气液化器3设有换热盘管，制冷单元5与氢气液化器3的换热盘管循环连接。制冷单元5的冷氢气出口连接到氢气液化器3的换热管程进口，氢气液化器3的换热管程出口连接到制冷单元5的氢气循环入口。

b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2内装填的金属氢化物相同，两者交替进行吸/放氢操作。具体的工作流程为：b1金属储氢材料反应床1的金属氢化物b在温度-240℃下吸收热量放出1.3mpa的氢气，放氢速率为0.304kg/s，放出的-240℃、1.3mpa氢气送到氢气液化器3被来自制冷单元5的-252℃冷凝至-251℃液化，氢气液化器3出口的-251℃、1.3mpa的液氢经液氢高压泵4压缩至40mpa，-240℃后，依次与制冷单元5中的压缩氢气、a空气换热器6的空气、a氢气换热器7的高压高温氢气换热后，升温气化至120℃，120℃、40mpa的氢气进入氢气膨胀机8膨胀做功，膨胀至20mpa、50℃后送入b2金属储氢材料反应床2的吸氢进口，供b2金属储氢材料反应床2在20mpa、120℃下吸收氢气使用，吸氢速率为0.304kg/s，吸氢时放出120℃反应热供给a氢气换热器7、b氢气换热器15使用；同时氮气膨胀机出口3kg/s的-189.8℃氮气进入b1金属储氢材料反应床1被全部冷凝成-196℃的液氮；-196℃的液氮由液氮高压泵13压缩至20mpa、-191.2℃，液氮高压泵13出口的20mpa、-191.2℃液氮依次与b空气换热器14的空气、b氢气换热器15的高压高温氢气换热后，升温气化至120℃，120℃、20mpa的氮气进入氮气膨胀机16膨胀做功，膨胀至0.1mpa、-189.8℃后送入b1金属储氢材料反应床1液化；当b1金属储氢材料反应床1完成放氢并且b2金属储氢材料反应床2完成吸氢后，两者进行吸氢/放氢切换。切换后的工作流程如b1工作流程。整个系统出功87.52kw。

如图3所示，本实施例金属氢化物为温度正相关的金属氢化物做功组合，即高温吸收高压氢气放出高温热量，低温放出低压氢气释放低温冷量，以上就是温度正相关的金属氢化物做功的定义。在120℃，20mpa时吸收做功氢气放出高温热量，利用换热氢气将以上热量传递给a氢气换热器7和b氢气换热器15用来做功氢气和做功氮气的升温。只是低温放出的氢气参与膨胀机做功，换热氢气不参与膨胀机的做功。本实施例系统存在三个负压单元，一个是金属氢化物的负压，一个是氢气液化的负压，另一个是氮气液化的负压。低温下的氮气换热就是利用金属氢化物低温放出低压氢气时吸热，将金属氢化物产生的低温冷量用来冷却氮气进行液化。

至少有一种金属氢化物组成循环做功系统，包括金属氢化物在内的两个至三个的负压单元组成的循环做功系统，单一金属氢化物进行高低压切换时是温度正相关的循环做功系统。金属氢化物的高温点要高于环境温度，金属氢化物的低温点最好接近氢气的液化温度。

实施例2

本发明另一种实施方式如图2所示，包括b1金属储氢反应床1、b2金属储氢反应床2、氢气液化器3、a空气换热器6、a氢气换热器7、氢气膨胀机8、液氢高压泵4、高压氢气循环泵10、低压氢气循环泵11、液氧生产单元12和制冷单元5。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2分别设有吸氢进口22、放氢出口21、换热进口24和换热出口23。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的放氢出口21经高压氢气管道通过氢气液化器3连接到液氢高压泵4，液氢高压泵4出口依次通过制冷单元5、a空气换热器6和a氢气换热器7的壳程连接到氢气膨胀机8的进口，氢气膨胀机8的出口分别连接到b2金属储氢反应床2和b1金属储氢反应床1的吸氢进口22。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的换热出口23分为两路，一路经供热高压氢气管道通过高压氢气循环泵10连接到a氢气换热器7的换热管程进口，a氢气换热器7的换热管程出口连接到b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的换热入口24；另一路经供冷低压氢气管道通过低压氢气循环泵11连接到液氧生产单元12的换热管程进口，液氧生产单元12的换热管程出口连接到b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的换热入口24，各连接管路设有阀门30。氢气液化器3设有换热盘管，制冷单元5与氢气液化器3的换热盘管循环连接。空气经液氧生产单元12生产出液氧产品。氢气膨胀机8和发电机同轴连接，发电机电路连接到外部电网和/或蓄电池。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2均为金属储氢材料蓄热式反应床。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2的储氢材料包括但不限于钛系金属储氢材料，具体储氢材料可以为氢化钛铁，单个金属储氢反应床装填金属氢化物的量为56l，其吸放氢时间为200ms，冗余当量25倍（1倍冗余当量是指金属储氢材料在整个一个完整工序循环内单次吸氢饱和时的所需最少金属储氢材料的量）。

系统设有保护罩28，保护罩28设有可燃性气体报警器29、温度调节器31和充氮入口27，充氮入口设有阀门，保护罩内填充的气体为氮气。

制冷单元5的冷氢气出口连接到氢气液化器3的换热管程进口，氢气液化器3的换热管程出口连接到制冷单元5的氢气循环入口。环境空气经预处理后进入液氧生产单元，在液氧生产单元内空气中的氧气利用金属储氢材料放氢吸收热量被冷却液化生成液氧产品外供。b1金属储氢反应床1和b2金属储氢反应床2内装填的金属氢化物相同，两者交替进行吸/放氢操作。

具体的工作流程为：b1金属储氢材料反应床1的金属氢化物b在温度-240℃下吸收热量放出1.3mpa的氢气，放氢速率为0.304kg/s，放出的-240℃、1.3mpa氢气送到氢气液化器3被来自制冷单元5的-252℃冷凝至-251℃液化；同时换热介质氢气经b1金属储氢材料反应床1冷却后进入液氧生产单元12的换热管程，与环境空气进行间接换热，将空气冷却制得-185℃的液氧（液氧产量为1.43kg/s）；氢气液化器3出口的-251℃、1.3mpa的液氢经液氢高压泵4压缩至40mpa，-240℃后，依次与制冷单元5中的压缩氢气、a空气换热器6的空气、a氢气换热器7的高压高温氢气换热后，升温气化至120℃，120℃、40mpa的氢气进入氢气膨胀机8膨胀做功，膨胀至20mpa、50℃后送入b2金属储氢材料反应床2的吸氢进口，供b2金属储氢材料反应床2在20mpa、120℃下吸收氢气使用，吸氢速率为0.304kg/s，吸氢时放出120℃反应热供给a氢气换热器5使用。当b1金属储氢材料反应床1完成放氢并且b2金属储氢材料反应床2完成吸氢后，两者进行吸氢/放氢切换。切换后的工作流程如b1工作流程。