СПОСОБЫ РАБОТЫ ВОДОРОДНЫХ ОБРАТИМЫХ ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ НА БАЗЕ МЕТАЛЛОГИДРИДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1. Способ преобразования теплоты нагретого потока газа или жидкости, теплоты изотермических источников в механическую энергию, и/или теплоту обогрева объектов жилого и технического назначения или для получения холода с помощью металлогидридных технологий, отличающийся тем, что теплота преобразуется в энергию сжатого водорода в прямом обратимом (термодинамически эффективном) термосорбционном цикле с примененением двух и более слоев металлогидридов с различными сорбционными характеристиками, заключенных в отдельные секции в одном генераторе-сорбере, и с осуществлением внутренней регенерации в цикле теплоты, аккумулированной металлогидридными слоями и массой конструкционного материала генератора-сорбера.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения наивысшей эффективности прямого термосорбционного цикла для сжатия водорода генераторы-сорберы компрессионного блок-модуля, набранные из металлогидридных слоев (секций) с различными сорбционными свойствами, имеют тепловой контакт с теплообменной поверхностью реверсивного циркуляционного контура теплоносителя, включающего в себя генераторы-сорберы, по обе стороны которого имеются регенераторы теплоты с теплоаккумулирующей набивкой (холодные со стороны охладителя, горячие со стороны нагревателя), охладитель, устройство для осуществления реверса теплоносителя (реверсивный насос как вариант), узел подвода горячего теплоносителя и регулируемые запорные вентили.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подогрев подводимого горячего теплоносителя осуществляется в противоточном теплообменнике, греющим потоком котором является, например выхлопные газы ДВС или газовой турбины, установленным во внешнем контуре теплоносителя с насосом подачи теплоносителя, при этом подача горячего теплоносителя в реверсивный циркуляционный контур осуществляется в узле, соединяющем два горячих регенератора теплоты, а отвод с него осуществляется со стороны охладителя через два запорных регулируемых вентиля.
a
i(5-y)
y
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлогидридные генераторы-сорберы водорода состоят из двух и более слоев (секций), которые заполнены порошкообразным металлогидридом с различными сорбционными свойствами, например гидридообразующим материалом на базе лантан никелевого сплава легированного алюминием по формуле LNAl, где y может изменяться в пределах от 0 до 1, и обеспечивающие при равенстве температуры процесса сорбции водорода в последующем металлогидриде с температурой процесса десорбции водорода предыдущего металлогидрида осуществление процессов сорбции и десорбции водорода всех секций одновременно.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлогидридные секции (слои металлогидридов) расположены вдоль потока теплоносителя, а содержащийся в них металлогидрид меняет свои свойства от мало стабильного со стороны охладителя к более стабильному со стороны подачи горячего теплоносителя таким образом, что при продвижении в направлении охладителя тепловой волны (градиента температур) в генераторе-сорбере обеспечивается десорбция водорода при высоком давлении водорода во всех секциях одновременно, а при движении тепловой волны в обратном направлении (в сторону нагревателя) обеспечивается сорбция водорода при низком давлении водорода, также во всех секциях одновременно.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что обратимость термохимического цикла термосорбционного компрессора с несколькими и более металлогидридными секциями обеспечивается, в идеализированной постановке, полной регенерацией аккумулированной теплоты металлогидридных секций при переходе от процесса десорбции к процессу сорбции за счет установки регенераторов теплоты с теплоаккумулирующей набивкой по линии теплоносителя со стороны охладителя и нагревателя при каждом генераторе-сорбере, а также с помощью высокоразвитой теплопередающей поверхности контура теплоносителя в металлогидридных секциях.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что подключение внешнего контура теплоносителя для впрыска горячего теплоносителя может осуществляется по команде блока управления, как по жесткой программе с наперед заданными временами срабатывания элементов контура, так и по заданной программе с оценкой теплового режима генераторов-сорберов и регенераторов теплоты, а необходимой информацией для этой программы могут быть значения температуры и расхода теплоносителя, а также давления водорода.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление компрессионным металлогидридным блоком обеспечивается с помощью блока на базе, например, персонального или бортового компьютера, по программе, которая проводит анализ теплового состояния металлогидридных элементов и регенераторов теплоты, определяет тепловые и эксергетические потоки, входящие в компрессионный металлогидридный блок и выходящие из него, и, как один из вариантов программы управления, при наперед заданной производительности по водороду оптимизирует такие параметры как длительность цикла, расход теплоносителя в циркуляционном и внешнем контурах теплоносителя, длительность подачи горячего теплоносителя с внешнего контура в циркуляционный контур с определением изотермической работы сжатия водорода при температуре охладителя, определения значения абсолютного КПД компрессионного блока как отношение изотермической работы сжатия водорода при температуре охладителя к подведенной теплоте из нагревателя и определения относительного КПД как отношение изотермической работы сжатия при температуре охладителя к эксергии подводимой теплоты из нагревателя.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что для интенсификации теплопередачи в генераторах-сорберах со стороны теплоносителя в процессах сорбции и десорбции водорода на корпусе генератора-сорбера в кольцевом канале устанавливаются турбулизаторы потока или ребра теплопроводности, имеющие тепловой контакт с внутренней оболочкой генератора-сорбера, а подвод и отвод теплоносителя осуществляется посредством коллекторов, установленных по торцам внутренней и наружной оболочки генератора-сорбера.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для интенсификации теплопередачи в генераторах-сорберах со стороны теплоносителя в процессах сорбции и десорбции водорода стенку внутренней оболочки делают из тонкого материала, а ребра теплопроводности, установленные на внутренней оболочке генератора-сорбера, имеют надежный механический контакт с наружной оболочкой, воспринимающей на себя через ребра усилие давления водорода в генераторе-сорбере.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что для интенсификации теплопередачи в генераторах-сорберах со стороны металлогидрида в процессах сорбции и десорбции водорода в мелкодисперсном слое металлогидрида устанавливают тепловые мосты в виде пористых вспененных материалов, напрмер из меди или никеля, или устанавливают ребра теплопроводности, например из меди или алюминия, имеющие надежный тепловой контакт с внутренней поверхностью корпуса генератора-сорбера.
12. Способ по пп.1 и 11, отличающийся тем, что в ребрах теплопроводности, расположенных в среде металлогидрида сформированы цилиндрические участки, имеющие надежный тепловой контакт за счет пайки с внутренней поверхностью оболочки генератора-сорбера.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что турбулизаторы потока теплоносителя на внешней поверхности внутренней обечайки выполнены в виде сетки из материала с высокой теплопроводностью и имеют надежный механический и тепловой контакт с внешней поверхностью внутренней оболочки и внутренней поверхностью наружной оболочки генератора-сорбера.
14. Способ по п.1, отличающийся тем, что по центру генератора-сорбера установлен водородный коллектор из перфорированной трубы, на наружной поверхности которой установлен фильтр грубой очистки, например сетки, внутри которой установлен регенератор теплоты водорода в виде мелкой дроби, например, из меди, а также по торцам регенератора теплоты водорода установлены фильтры тонкой очистки водорода, которые соединяются с подводящим патрубком водорода с одного конца и отводящим патрубком водорода с другого конца генератора-сорбера.
15. Способ по п.1, отличающийся тем, что пространство водородного коллектора, ограниченное с одной стороны фильтром грубой очистки (со стороны мелкодисперсного металлогидрида) и фильтрами тонкой очистки (со стороны водородных патрубков), имеет сообщение с накопителем частиц мелкодисперсной фракции металлогидрида, находящимся при температуре охладителя, а соединительная трубка выводится со стороны подводящего водородного патрубка.
16. Способ по п.1, отличающийся тем, что генератор-сорбер имеет один подводящий/отводящий патрубок водорода и находится со стороны металлогидридной секции с металлогидридом наименьшей стабильности, где также установлена трубка для сбора частиц мелкодисперсной фракции металлогидрида.
17. Способ по п.1, отличающийся тем, что регенераторы теплоты имеют трубный цилиндрический корпус, внутри которого между двумя сетками-ограничителями размещена теплоаккумулирующая набивка, например, в виде гранитной крошки, металлической дроби и подводящими/отводящими патрубками теплоносителя.
18. Способ по п.1, отличающийся тем, что в компрессионном металлогидридном блок-модуле реверсивный и внешний контуры теплоносителей разомкнуты и открыты на атмосферу для использования в качестве теплоносителя атмосферный воздух, ревесивное движение которого в теплообменных поверхностях генераторов-сорберов и регенераторов теплоты осуществляется с помощью вентилятора и соответствующего включения двух пар запорных и запорно-регулируемых вентилей, а для подачи горячего воздуха на генераторы-сорберы используется еще один вентилятор.
19. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае использования аккумулированной теплоты потока неагрессивных сред, которыми является, например, выхлоп ДВС или газовой турбины работающих на водороде, в качестве теплоносителя используются непосредственно выхлопные газы, состоящие из азота и паров воды.
20. Способ по п.1, отличающийся тем, что для преобразования теплоты изотермического источника используется только один реверсивный циркуляционный контур теплоносителя, включающий в себя два генератора сорбера, каждый из которых состоит из двух или более металлогидридных секций, заполненных металлогидридами с различными сорбционными характеристиками, регенераторов теплоты с теплоаккумулирующей набивкой в виде гранитной крошки или металлической дроби и расположенные в линии теплоносителя по обе стороны генератораторов-сорберов, изотермический источник теплоты, например, солнечная панель с концентратором, охладитель, находящийся при температуре окружающей среды, устройство для создания реверсивного движения теплоносителя в контуре теплоносителя, например, реверсивный насос.
21. Способ по п.1, отличающийся тем, что для компрессионного металлогидридного блока, применяемого в энергетической установке, подвод холодного водорода низкого давления в генератор-сорбер осуществляется со стороны холодного конца (со стороны секции с наименее стабильным металлогидридом), а отвод горячего водорода высокого давления со стороны горячего конца (со стороны секции с наиболее стабильным металлогидридом), а преобразователем горячего водорода высокого давления может быть активная или реактивная турбина или расширительное устройство, например, в цилиндр-поршневой паре.
22. Способ преобразования энергии сжатого водорода в холод, включая криогенные температуры, отличающийся тем, что достижение необходимого уровня температур осуществляется в обратном обратимом термосорбционном цикле с примененением двух и более слоев металлогидридов с различными сорбционными характеристиками, заключенных в отдельные секции в одном холодопроизводителе, и с осуществлкнием внутренней регенерации в цикле теплоты (холода), аккумулированной металлогидридными слоями и массой конструкционного материала холодопроизводителя.
23. Способ по п.22, отличающийся тем, что для получения наивысшей эффективности обратного термосорбционного цикла для получения холода металлогидридные холодопроизводители холодильного блок-модуля, набранные из металлогидридных слоев (секций) с различными сорбционными свойствами, имеют тепловой контакт с теплообменной поверхностью реверсивного циркуляционного контура теплоносителя, включающего в себя металлогидридные холодопроизводители, по обе стороны которого имеются регенераторы теплоты (холода) с теплоаккумулирующей набивкой (теплые со стороны охладителя и холодные со стороны испарителя), охладитель, устройство для осуществления реверса теплоносителя (реверсивный насос как вариант) и испаритель.
24. Способ по п.22, отличающийся тем, что для компрессионного металлогидридного блока, применяемого в холодильной технике, подвод и отвод холодного водорода низкого и высокого давления в генераторе-сорбере осуществляется со стороны холодного конца (со стороны секции с наименее стабильным металлогидридом).
(5-y)
y
x
25. Способ по п.22, отличающийся тем, что металлогидридные холодопроизводители состоят из двух и более металлогидридных слоев (секций), которые заполнены порошкообразным металлогидридом с различными сорбционными свойствами, например гидридообразующим материалом на базе состава MmNFeH, где у может изменяться в пределах от 0 до 1,5, причем, чем выше значение y, тем более стабильным будет его металлогидрид, обеспечивающие при равенстве температуры процесса сорбции водорода в менее стабильном металлогидриде с температурой процесса десорбции водорода более стабильного металлогидрида осуществление процессов сорбции и десорбции водорода во всех секциях одновременно.
26. Способ по п.22, отличающийся тем, что металлогидридные секции расположены вдоль потока теплоносителя, а содержащийся в них металлогидрид меняет свои свойства от наименее стабильного со стороны испарителя к наиболее стабильному со стороны охладителя таким образом, что продвижением тепловой волны (градиента температур) в направлении охладителя в металлогидридном холодопроизводителе обеспечивается сорбция водорода при высоком давлении водорода во всех секциях одновременно, а при движении тепловой волны в обратном направлении (в сторону испарителя) обеспечивается десорбция водорода при низком давлении водорода также во всех секциях одновременно.
27. Способ по п.22, отличающийся тем, что цикл, реализуемый в холодильном металлогидридном блоке обратный, поэтому сорбция водорода металлогидридами осуществляется при высоком давлении, а десорбция при низком, при этом металлогидрид каждой секции работает в свом температурном диапазоне при постоянных для всех металлогидридов низком давлении десорбции и высоком давлении сорбции водорода.
28. Способ по п.22, отличающийся тем, что для получения высокого давления водорода для металлогидридного холодильника используется механический компрессор, например, с электрическим приводом или приводом от ветроустановки.
29. Способ по п.22, отличающийся тем, что обратимость (термодинамическая эффективность) холодильного цикла на базе нескольких и более металлогидридных секций обеспечивается в идеализированной постановке, полной регенерации аккумулированной теплоты металлогидридных секций при переходе от процесса десорбции к процессу сорбции за счет установки регенераторов теплоты с теплоаккумулирующей набивкой по линии теплоносителя со стороны охладителя и испарителя для каждого холодопроизводителя, а также высокоразвитой теплопередающей поверхностью для теплоносителя в металлогидридных секциях.
30. Способ по п.22, отличающийся тем, что подача водорода высокого давления в холодопроизводитель через управляемые вентили происходит сразу в начале цикла, когда теплоноситель в контуре начал движение и прекращение подачи водорода происходит с некоторым опережением до окончания первой половины цикла, а при переключении движения теплоносителя в обратном направлении водород при низком давлении из секций металлогидридного холодопроизводителя и отводится в компрессионный блок и отсекается управляемым вентилем с некоторым опережением до окончания второй половины цикла, что обеспечивает безударный переход водорода при его реверсивном движении.
31. Способ по п.22, отличающийся тем, что прямой обратимый термосорбционный цикл для сжатия водорода и обратный обратимый цикл для получения холода реализуются в устройстве представляющее собой модуль, в котором имеются два металлогидридных генератора-сорбера и два металлогидридных холодопроизводителя со своими реверсивными контуроми теплоносителей, работающих в противофазе, и при этом каждый металлогидридный генератор-сорбер связан с металлогидридным холодопроизводителем только одной водородной линией, а управление реверсивным перетеканием водорода между ними осуществляется только с помощью включения в одну или другую сторону теплоносителей в реверсивных циркуляционных контурах.
32. Способ преобразования энергии сжатого водорода в теплоту для обогрева жилых и производственных помещений, отличающийся тем, что повышение потенциала (температуры) теплоты окружающей среды до необходимого уровня осуществляется в обратном обратимом термосорбционном цикле с примененением двух и более слоев металлогидридов с различными сорбционными характеристиками, заключенных в отдельные секции в одном металлогидридном теплопроизводителе, с осуществлкнием внутренней регенерацией в цикле теплоты, аккумулированной металлогидридными слоями и массой конструкционного материала металлогидридного теплопроизводителя.
33. Способ по п.32, отличающийся тем, что для получения наивысшей эффективности обратного термосорбционного цикла для получения теплоты для обогрева жилых и производственных помещений металлогидридные теплопроизводители блок-модуля теплового насоса, набранные из металлогидридных слоев (секций) с различными сорбционными свойствами, имеют тепловой контакт с теплообменной поверхностью реверсивного циркуляционного контура теплоносителя, включающего в себя металлогидридные теплопроизводители, по обе стороны которых имеются регенераторы теплоты с теплоаккумулирующей набивкой (теплые со стороны охладителя и холодные со стороны испарителя), охладитель, устройство для осуществления реверса теплоносителя (реверсивный насос как вариант) и испаритель.
34. Способ по п.32, отличающийся тем, что для компрессионного металлогидридного блока, применяемого для металлогидридного теплового насоса подвод и отвод холодного водорода низкого и высокого давления в металлогидридном теплопроизводителе, осуществляется со стороны холодного конца (со стороны металлогидридной секции с наименее стабильным металлогидридом).
a
i(5-y)
y
35. Способ по п.32, отличающийся тем, что металлогидридные теплопроизводители состоят из двух и более слоев (секций), которые заполнены порошкообразным металлогидридом с различными сорбционными свойствами, например из ряда LNAl, где у может изменяться в пределах от 0 до 0,5, причем, чем выше значение у, тем более стабильным будет его металлогидрид, обеспечивающими при равенстве температуры сорбции водорода в менее стабильном металлогидриде с температурой десорбции водорода более стабильного металлогидрида осуществлять процессы сорбции и десорбции водорода во всех секциях одновременно.
36. Способ по п.32, отличающийся тем, что секции расположены вдоль потока теплоносителя, а содержащийся в них металлогидрид меняет свои свойства от наимее стабильного со стороны испарителя к наиболее стабильному со стороны охладителя таким образом, что продвижением тепловой волны (градиента температур) в направлении охладителя в металлогидридном теплопроизводителе обеспечивается сорбция водорода при высоком давлении водорода во всех секциях одновременно, а при движении тепловой волны в обратном направлении (в сторону испарителя) обеспечивается десорбция водорода при низком давлении водорода также во всех секциях одновременно.
37. Способ по п.32, отличающийся тем, что цикл, реализуемый в металлогидридном блоке теплового насоса, обратный, поэтому сорбция водорода металлогидридами осуществляется при высоком давлении, а десорбция при низком, а металлогидрид каждой секции работает в свом температурном диапазоне при постоянных для всех металлогидридов низком давлении десорбции и высоком давлении сорбции водорода.
38. Способ по п.32, отличающийся тем, что обратимость (термодинамическая эффективность) теплового насосного цикла на базе нескольких и более металлогидридных секций обеспечивается, в идеализированной постановке, полной регенерации аккумулированной теплоты металлогидридных секций при переходе от процесса десорбции к процессу сорбции за счет регенераторов теплоты с теплоаккумулирующей набивкой по линии теплоносителя со стороны охладителя и нагревателя для каждого металлогидридного теплопроизводителя, а также с помощью высокоразвитой теплопередающей поверхности для теплоносителя в металлогидридных секциях.
39. Способ по п.32, отличающийся тем, что подача водорода высокого давления в металлогидридный теплопроизводитель через управляемые вентили происходит сразу в начале цикла, когда теплоноситель в контуре начал движение, а прекращение подачи водорода происходит с некоторым опережением до окончания первой половины цикла, а при переключении движения теплоносителя в обратном направлении водород при низком давлении десорбирует из секций металлогидридного теплопроизводителя и отводится в компрессионный блок и отсекается управляемым вентилем с некоторым опережением до окончания цикла, что обеспечивает безударный переход водорода при его реверсивном движении.
40. Способ по п.32, отличающийся тем, что для получения высокого давления водорода для металлогидридного теплового насоса используется механический компрессор, например, с электрическим приводом или приводом от ветроустановки.
41. Способ по п.32, отличающийся тем, что прямой обратимый термосорбционный цикл для сжатия водорода и обратный обратимый цикл для получения теплоты реализуются в устройстве, представляющем собой модуль, в котором имеются два металлогидридных генератора-сорбера и два металлогидридных теплопроизводителя со своими реверсивными контурами теплоносителей, работающих в противофазе и при этом каждый металлогидридный генератор-сорбер связан с металлогидридным теплопроизводителем только одной водородной линией, а управление реверсивным перетеканием водорода между ними осуществляется только с помощью включения в одну или другую сторону теплоносителей в реверсивных циркуляционных контурах.