СПОСОБЫ РАБОТЫ ВОДОРОДНЫХ ОБРАТИМЫХ ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ НА БАЗЕ МЕТАЛЛОГИДРИДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
OPERATION METHODS OF HYDROGEN REVERSIBLE THERMOCHEMICAL CYCLES AND DEVICES FOR THEIR IMPLEMENTATION BASED ON METAL HYDRIDE TECHNOLOGIES

Изобретение относится к теплоэнергетике для тепло- и электропитания объектов жилого и технического назначения и предназначено для преобразования с этой целью имеющейся тепловой энергии, например нагретого потока газа выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), газовой струи газотурбинного двигателя (ГТД), парожидкостной струи геотермального источника, а также других возобновляемых источников тепловой энергии.
Главным недостатком тепловых электростанций является их низкий КПД при получении электроэнергии вследствие реализации таких циклов, как цикл Ренкина, газотурбинный цикл и других циклов на базе ДВС.
Мероприятия, направленные на повышение эффективности электростанций за счет утилизации сбрасываемой теплоты нагретого потока газа выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) или газовой струи газотурбинного двигателя (ГТД) для обогрева объектов жилого и технического назначения, не приносят желаемого результата, так как не используется потенциал сбрасываемой теплоты нагретых потоков. Это становится очевидным, так, например, для нужд обогрева объектов жилого и технического назначения нужна теплота с температурой (100-110)°C, а для ее получения используется теплота газового потока с температурой (700-800)°C.
Еще меньшей эффективностью обладают топочные устройства для отопления жилых домов и производственных помещений, так как для нагрева воды в контуре теплоцентрали до температур (100-110)°С используется теплота органического и углеводородного топлива с температурой сжигания (1000-1500)°С.
Известна экономичная тепловая электростанция (RU 2182246 C1, F02C 6/18, F25B 29/00, 26.10.2000), состоящая из котельной установки, воздушно-турбинного двигателя, теплового насоса, водяного насоса, газовоздушного теплообменника, установленного в котельной установке. Выходной конфузор воздушной турбины трубопроводом связан с поддувом котельной установки, причем количество теплоты, поглощаемое газовоздушным теплообменником, равно теплоте, поступающей с горячим воздухом в поддувало котельной установки. Выход газов из котельной установки трубопроводом связан с диффузором газового компрессора теплового насоса. Компрессор воздушно-турбинного двигателя и его турбина, газовый компрессор теплового насоса и его турбина, генератор электрического тока и водяной насос - все установлены на одном валу. Выходные угарные газы после газовой турбины теплового насоса выбрасываются в атмосферу с отрицательной температурой.
Недостатком данного устройства является неполное использование потенциала теплоты как в котельной установке, так и теплоты отводимых из нее газов продуктов сгорания. Кроме того, не используется тепловым насосом теплота окружающей среды (земли или атмосферы). А выброс газов продуктов сгорания в атмосферу с отрицательной температурой является прямыми потерями предлагаемого устройства, так как производство холода связано с дополнительными энергозатратами.
Известны способы преобразования теплоты в энергию сжатого водорода и далее в механическую работу на одном типе металлогидрида с помощью термохимического цикла (а.с. СССР 694748, а.с. СССР 832270).
Термохимическое сжатие водорода осуществляется с помощью двух стационарных состояний системы металлогидрид-водород с различными значений параметров давления и температуры системы.
Конечное значение водородной емкости металлогидрида не позволяет вести процесс непрерывно, поэтому по мере насыщения металлогидрида водородом при низкой температуре и низком давлении необходимо переводить систему в новое состояние для извлечения водорода при более высокой температуре, то есть извлечь водород при более высоком давлении. Далее, по окончании извлечения из металлогидрида всего накопленного водорода, система металлогидрид-водород должна быть переведена в исходное состояние для аккумулирования новой порции водорода.
Недостатком известного способа преобразования тепловой энергии в энергию сжатого водорода с использованием одного типа металлогидрида является низкая термодинамическая эффективность цикла преобразования тепловой энергии в энергию сжатого водорода, которая может принимать высокие значения только при использовании узкого температурного диапазона цикла термохимического сжатия. Кроме того, если источником нагрева является аккумулированная теплота потока газов выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), газовой струи газотурбинного двигателя (ГТД), парожидкостной струи геотермального источника и других источников тепловой энергии, не используется в полной мере потенциал теплоты.
Известна принятая за прототип установка (RU 2282040, F01K 25/06 2006.01), содержащая не менее двух термосорбционных аккумуляторов водорода, заполненных порошкообразным металлогидридом, систему газопроводов, систему подачи теплоносителя, при этом термосорбционный аккумулятор водорода содержит теплообменник, расположенный внутри газосборник в виде трубки с выводом, соединенный системой газопроводов с газосборником другого термосорбционного аккумулятора водорода, причем содержит не менее двух термосорбционных аккумуляторов водорода, пневмодвигатель или гидродвигатель, систему подачи охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя, систему отвода охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя, при этом газосборники связаны между собой системой газопроводов с пневмодвигателем в прямом и обратном направлениях, теплообменник подключен к системе подачи и к системе отвода охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя.
Описанная установка имеет низкий коэффициент полезного действия, так как термохимический цикл сжатия водорода, заложенный в ней, не позволяет в полной мере реализовать потенциал подводимой теплоты аккумулированной в потоке газа или жидкости, а также малоэффективен при температуре источника нагрева выше 100°С.
В предлагаемом способе имеется возможность полного использования потенциала теплоты, аккумулированной в потоке газа или жидкости, с помощью обратимого цикла термохимического сжатия водорода и сохранения высокой термодинамической эффективности цикла при утилизации теплоты выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (газовой струи газотурбинного двигателя (ГТД) с температурой около (700-800)°С, парожидкостной струи геотермального источника и других источников тепловой энергии с меньшей температурой. Также предложен способ обратного обратимого термосорбционного цикла, позволяющего преобразовывать энергию сжатого водорода в теплоту для обогрева жилищ и производственных помещений, а также получить холод вплоть до криогенных температур.
Ниже представлены устройства термосорбционного компрессора, с помощью которых осуществляется способ проведения процессов прямого обратимого цикла термохимического сжатия водорода с использованием теплоты нагретого потока газа или жидкости в механическую энергию и/или теплоту обогрева объектов жилого и технического назначения, представлены устройства, с помощью которых осуществляется способ проведения процессов обратного обратимого термохимический цикла для получения теплоты для обогрева жилищ и производственных помещений, а также получить холода вплоть до криогенных температур.
Также представлены частные случаи способа работы высокоэффективной энергетической установки, холодильной установки и теплового насоса на базе металлогидридного термосорбционного компрессора водорода с изотермическим источником нагрева с температурой до (700-800)°С.
Названия изображений предлагаемых устройств, конструктивных решений их основных элементов, циклограмм и других вспомогательных графических материалов ниже представлены в виде перечня фигур:
- Фиг.1 - Устройство металлогидридного блок-модуля термосорбционного компрессора для сжатия водорода, источником нагрева для которого является, например, поток горячих выхлопных газов ДВС или газовой турбины газотурбинной энергетической установки.
1
T
- Фиг.2 - Зависимости логарифма давления Р (IgP) от обратной абсолютной температуры Т (/) для металлогидридов, расположенных в секциях металлогидридного элемента.
- Фиг.3 - Изображение градиентов температур в виде тепловых волн в генераторах-сорберах и прилегающих к ним регенераторах теплоты в процессе запуска.
- Фиг.4 - Изображение градиентов температур в виде тепловых волн в генераторах-сорберах и прилегающих к ним регенераторах теплоты в процессе движения теплоносителя в циркуляционном контуре против часовой стрелки.
- Фиг.5 - Изображение градиентов температур в виде тепловых волн в генераторах-сорберах и прилегающих к ним регенераторах теплоты в процессе движения теплоносителя в циркуляционном контуре по часовой стрелке.
- Фиг.6 - Циклограммы включений левого и правого генераторов-сорберов.
- Фиг.7 - Схема устройства генератора-сорбера.
- Фиг.8 - Конструктивное решение генератора-сорбера.
- Фиг.9 - Конструктивное решение генератора-сорбера компрессионного металлогидридного блок-модуля с одним подводящим/отводящим патрубком водорода расположенным на холодном конце генератора-сорбера.
- Фиг.10 - Конструктивное решение регенератора теплоты с теплоаккумулирующей набивкой.
- Фиг.11 - Компрессионный блок-модуль, в котором в качестве теплоносителя используется воздух окружающей среды.
- Фиг.12 - Компрессионный металлогидридный блок-модуль, в котором в качестве теплоносителя используются непосредственно продукты сгорания энергетических установок.
- Фиг.13 - Компрессионный металлогидридный блок-модуль с изотермическим узлом нагрева.
- Фиг.14 - Схема энергетической установки на базе компрессионного блок-модуля и энергопреобразователя.
- Фиг.15 - Металлогидридное устройство для получения холода при использовании изотермического источника теплоты.
- Фиг.16 - Устройство холодильного металлогидридного блока.
- Фиг.17 - Графиков зависимости логарифма давления (lgP) от
1
T
обратной температуры (/) для металлогидридов в секциях холодопроизводителя.
- Фиг.18 - Положение тепловых волн в левом и правом холодопроизводителях по окончании первого полуцикла.
- Фиг.19 - Положение тепловых волн в левом и правом холодопроизводителях по окончании второго полуцикла.
- Фиг.20 - Циклограммы работы левого и правого металлогидридных холодопроизводителей блока металлогидридного холодильника.
- Фиг.21 - Устройство металлогидридного теплового насоса при использовании изотермического источника теплоты.
1
T
- Фиг.22 - График зависимости логарифма давления (lgP) от обратной температуры (/) для металлогидридов в секциях металлогидридного теплопроизводителя.
- Фиг.23 - Устройство металлогидридного холодильника с механическим компрессором для сжатия водорода.
- Фиг.24 - Устройство объединенного модуля металлогидридного холодильника, состоящего из металлогидридного компрессионного блока и холодопроизводящего блока.
- Фиг.25 - Циклограмма работы холодопроизводителей холодопроизводящего блока.
- Фиг.26 - Устройство объединенного блок-модуля металлогидридного холодильника, управляемого реверсивными насосами теплоносителей.
- Фиг.27 - Устройство объединенного модуля металлогидридного теплового насоса, состоящего из металлогидридного компрессионного блока и теплопроизводящего блока.
- Фиг.28 - Устройство объединенного блок-модуля металлогидридного теплового насоса, управляемого реверсивными насосами теплоносителей.
На фиг.1 представлено устройство металлогидридного блок-модуля термосорбционного компрессора для сжатия водорода, источником нагрева для которого, например, является поток горячих выхлопных газов ДВС или газовой турбины газотурбинной энергетической установки.
Устройство скомпоновано таким образом, что представляет собой компрессионный металлогидридный блок-модуль, позволяющий повышение производительности по водороду простым суммированием однотипных модулей.
Компрессионный металлогидридный блок-модуль 48 включает в себя два одинаковых металлогидридных генератора-сорбера водорода 1 и 4, снабженных теплообменными поверхностями 46 и 47 соответственно, объединенных реверсивным циркуляционным внутренним контуром теплоносителя 19, на линии которого по обе стороны генераторов-сорберов водорода 1 и 4 соответственно установлены регенераторы теплоты 2, 3 и 5, 6 с теплоаккумулирующей набивкой. В контуре теплоносителя также установлен охладитель 24 с теплообменной поверхностью 41 и реверсивный привод теплоносителя 20 (как вариант представлен реверсивный насос).
Металлогидридные генераторы-сорберы водорода 1 и 4 состоят из двух и более секций (в данном случае их показано пять - 7, 8, 9, 10 и 11), которые заполнены порошкообразным металлогидридом с различными сорбционными свойствами. Секции расположены вдоль потока теплоносителя, а содержащийся в них металлогидрид меняет свои свойства от малостабильного со стороны охладителя 24 к более стабильному со стороны нагревателя 25.
a
i(5-y)
y
Таким рядом гидридообразующих материалов может быть, например, лантанникелевый сплав, легированный алюминием по формуле LNAl, где у может изменяться в пределах от 0 до 1.
1
T
Подбор металлогидридов по параметрам давление-температура для каждой секции генератора-сорбера в идеализированном виде представлен на фиг.2. в виде зависимости логарифма давления Р (lgP) от обратной абсолютной температуры T (/) для металлогидридов 7, 8, 9, 10 и 11, расположенных соответственно в секциях 7, 8, 9, 10 и 11.
1
2
Такие зависимости наиболее удобны, так как с их помощью можно представить два стационарных состояния одинаковых по давлению p сорбции и P десорбции водорода, используемых различных металлогидридов при различных температурах.
Так, если продвигаться по секциям со стороны охладителя в сторону нагревателя то будем иметь следующее.
0
0
0
7
7
8
8
9
10
11
В секции 7 металлогидрид сорбирует водорода при температуре Т с отводом теплоты Q(T) в охладитель 24 и десорбирует при температуре T. Металлогидрид следующей секции 8 сорбирует водород при температуре Т с отводом теплоты Q на десорбцию водорода в секцию 7 и десорбирует при температуре T и так далее, то есть теплоты Q, Q и Q при сорбции водорода последующих металлогидридах идут на десорбцию водорода предыдущих металлогидридов.
H
H
Металлогидрид последней секции 11 потребляет теплоту Q(T) на десорбцию водорода из нагревателя 25.
Обратимость термохимического цикла термосорбционного компрессора с несколькими и более металлогидридными секциями обеспечивается в идеализированной постановке равенством температур сорбции водорода в последующем металлогидриде с температурой десорбции водорода предыдущего металлогидрида, а также в пределе полной регенерацией аккумулированной теплоты металлогидридных секций при переходе от процесса десорбции к процессу сорбции за счет высокоразвитой теплопередающей поверхности теплоносителя всех металлогидридных секций, а также установкой регенераторов теплоты с теплоаккумулирующей набивкой по линии теплоносителя со стороны охладителя и нагревателя для каждого генератора-сорбера.
Устройство содержит также внешний контур 18 теплоносителя, включающий в себя теплообменную поверхность 26 нагревателя 25 в виде противоточного теплообменника. Для подключения компрессионного металлогидридного блок-модуля к источнику теплоты имеется подсоединительный узел G, с которого теплоноситель внешнего контура в точке А подключается к реверсивному внутреннему контуру 19 и, далее, разветвляясь включает в себя две альтернативные ветки левую с генератором-сорбером 1 и правую с генератором-сорбером 4, и соединяется в точке В посредством управляемых вентилей 22 и 23 соответственно. Для побуждения циркуляции теплоносителя во внешнем контуре установлен циркуляционный насос 21.
Теплота газового потока ДВС или газовой турбины передается во внешний контур теплоносителя через теплопередающую поверхность 27 противоточного теплообменника 25.
1
2
Водород низкого давления P имеет возможность поступить в генераторы-сорберы 1 и 4 через приемный узел К, запорный вентиль 42 по линии низкого давления 12 через узел F и далее через обратные клапаны 13 и 14 соответственно. Водород высокого давления P имеет возможность выходить из генераторов-сорберов 1 и 4 через обратные клапаны 16 и 17 соответственно, далее через узел Е, по линии высокого давления 15, через запорный вентиль 43 и отдающий узел Н поступать потребителю.
Давление водорода на линиях низкого и высокого давления измеряются и контролируются датчиками 28 и 30 соответственно.
Тепловой режим работы блока генераторов-сорберов измеряется и контролируется с помощью датчиков температуры 44, 31, 33, 35, 37, 36, 34, 32, 45, установленных на линии теплоносителя реверсивного контура 19 и датчиков температуры 29, 38, 39 установленных на внешнем контуре теплоносителя 18.
Контроль режимов работы устройства и его управление осуществляется блоком управления 40.
Устройство по одной из принятых программ управления работает сразу в режиме запуска и далее в рабочем режиме.
0
Примем, что перед запуском металлогидриды всех секций 7, 8, 9, 10 и 11 левого генератора-сорбера 1 предельно насыщены водородом, а металлогидриды всех секции 7, 8, 9, 10 и 11 правого генератора-сорбера 4 предельно обеднены водородом. Все генераторы-сорберы и регенераторы теплоты холодны и находятся при температуре охладителя Ò.
В режиме запуска прогреваются холодные регенераторы теплоты 2, 5 и генераторы-сорберы 1 и 4 теплоносителем внешнего контура 18, для чего включается насос 21, открываются регулируемые вентили 22 и 23. Горячий теплоноситель с нагревателя 25 поступает в подсоединительный узел G, далее в точке A разделяется на два потока и через регенераторы 2, 5 и далее в левый 1 и правый 4 генераторы-сорберы соответственно.
Прогрев осуществляется до тех пор, пока градиент температур в виде тепловых волн на регенераторах теплоты 2 и 5, и соответственно генераторах-сорберах 1 и 4 займут положение как показано на фиг.3.
T(H)
1
1
2
2
1
2
H
1
2
0
Здесь поступающий теплоноситель G образует температурные прямые ав и ав соответственно левого и правого генераторов-сорберов со своими регенераторами теплоты таким образом, что температуры начала регенераторов 2 и 5 (точки в и в) приобретают максимальные значения, соответствующие температуре нагревателя T, а концы температурных прямых (точки а и а) со значениями температуры охладителя Т могут находиться на генераторах-сорберах 1 и 2 вблизи регенераторов со стороны охладителя 24. Справа на рисунке показана система координат: температура Т - длина L.
Рабочие режимы блока генераторов-сорберов отображены на фиг.4 и фиг.5 с помощью тепловых волн процессов сорбции и десорбции водорода генераторами-сорберами и представлены в виде циклограмм на фиг.6.
T
T(H)
После того как в режиме запуска произошел частичный нагрев левого и правого генераторов-сорберов и установились на них тепловые волны, закрывается регулируемый вентиль 22, включается реверсивный насос 20 с производительностью G и начинается циркуляция теплоносителя во внутреннем контуре 19 против часовой стрелки согласно чертежу фиг.1 по замкнутому кольцу, включающему в себя: регенератор 6, правый генератор-сорбер 4, регенератор 5, регенератор 2, левый генератор-сорбер 1, регенератор 3, теплообменник 41 охладителя 24 и далее в реверсивный циркуляционный насос 20. При этом насос 21 с производительностью G внешнего контура 18 теплоносителя остается включенным, а регулируемый вентиль 23 также открытым.
T(H)
T
Таким образом в левый генератор-сорбер 1 вместе с впрыском теплоносителя с внешнего контура 18 через регенератор 2 поступает теплота нагревателя 25 посредством теплоносителя производительностью G, которая расходуется на десорбцию водорода левого генератора-сорбера 1. Кроме того, в левый генератор-сорбер 1 поступает теплоноситель с производительностью G от внутреннего контура теплоносителя 19.
1
1
2
Тепловая волна ав, продвигаясь вниз по левому генератору-сорберу 1, согласно фиг.4, отдает тепло всем его секциям (7, 8, 9, 10 и 11), которые работают одновременно и десорбируют водород высокого давления P. При этом температура аккумулированной теплоты при переходе теплоносителя от секции к секции понижается. На выходе из генератора-сорбера 1 часть теплоты задерживается и аккумулируется с сохранением ее потенциала в регенераторе теплоты 3, а другая часть сбрасывается в охладитель 24.
Подключение внешнего контура 18 для впрыска горячего теплоносителя может осуществляться по команде блока управления 40 как по жесткой программе с заданными временами срабатывания элементов контура, так и по заданной программе с оценкой теплового режима генераторов-сорберов и регенераторов теплоты. Необходимой информацией для этой программы могут быть значения температуры теплоносителя и давления водорода.
1
1
2
ц
н
н
2
ц
На циклограмме, фиг.6, время прогрева тепловой волной левого генератора-сорбера 1 отмечено отрезком времени на числовой оси τ как время первого полуцикла (/ τ) и отражает десорбционный процесс, а время впрыска горячего теплоносителя с внешнего контура 18 как τ. Причем время впрыска τ может быть меньше или равно / τ.
2
Десорбированный водород высокого давления P из левого генератора-сорбера 1 поступает через обратный клапан 16 в узел Е откуда по линии высокого давления 15 через запорный вентиль 43 и узел Н направляется потребителю.
Одновременно с десорбцией водорода высокого давления из левого генератора-сорбера 1 происходит процесс сорбции водорода низкого давления в правом генераторе-сорбере 4. На фиг.4 показано положение тепловой волны в правом генераторе-сорбере в установившемся режиме.
2
2
1
Холодный теплоноситель из теплообменной поверхности 41 охладителя 24 подается в правый генератор-сорбер 4 через регенератор 6 и продвигает тепловую волну ав вверх согласно фиг.4, принимает теплоту от всех его секций (7, 8, 9, 10 и 11), которые работают одновременно на сорбцию водорода низкого давления P. При этом температура аккумулированной теплоты каждой секции при переходе теплоносителя от секции к секции понижается. Часть теплоты задерживается и аккумулируется с сохранением ее потенциала в регенераторе теплоты 5, а другая часть поступает во внутренний контур 19 для пополнения своего потенциала.
1
2
ц
Время сорбционного процесса правого генератора-сорбера 4 может быть равно времени десорбционного процесса левого генератора-сорбера 1 и равно / τ.
На фиг.5 представлена схема работы генераторов-сорберов во второй половине цикла, при которой левый генератор-сорбер 1 переключен с десорбционного процесса на сорбционный, а правый генератор-сорбер 4 переключен с сорбционного процесса на десорбционный.
Для осуществления работы блока генераторов-сорберов во второй половине цикла реверсивный насос 20 включается в обратном направлении, так чтобы теплоноситель во внутреннем контуре 19 двигался по часовой стрелке. При этом закрывается регулируемый вентиль, например, 23, открывается регулируемый вентиль, например, 22 и включается насос 21 внешнего контура теплоносителя 18.
Поскольку левый и правый генераторы-сорберы со своими прилегающими регенераторами идентичны как по своим конструктивным, так и по техническим характеристикам, то и процессы поглощения и выделения водорода в них в первом приближении будут одинаковые и аналогичны тем, которые были рассмотрены выше в первой половине цикла.
На фиг.7 представлено одно из устройств генератора-сорбера компрессионного металлогидридного блок-модуля.
Генератор-сорбер состоит из внутренней оболочки 53 с размещенными в ней вдоль оси секциями 7, 8, 9, 10, 11, заполненные порошкообразным металлогидридом с различными сорбционными свойствами. Наружная оболочка 54 образует с внутренней оболочкой 53 кольцевой канал 55 для теплоносителя, в котором для улучшения коэффициента теплоотдачи могут быть установлены ребра теплопроводности, другие тепловые мосты, турбулизаторы потока и т.д. Патрубки 52 и 58 служат для подвода/отвода и отвода/подвода теплоносителя в зависимости от направленности протекания сорбционных процессов в генераторе-сорбере.
Внутренняя поверхность оболочки 53 имеет тепловой контакт с металлогидридом в секциях посредством теплопроводящих материалов, скомпонованных, например, в виде ребер теплопроводности, пеноматериалов из меди или никеля или свободных частиц из высокотеплопроводящего материала. Вдоль генератора-сорбера, пронизывая все секции, заполненные мететаллогидридами с различными свойствами, установлены фильтры-коллекторы водорода 56, количество которых может быть 1, 2 и более, и заполненные пористым теплоаккумулирующим материалом 57, например медным порошком. Для предотвращения уноса мелкодисперсной фракции металлогидрида в водородные магистрали и перемещения теплаккумулирующего материала в водородных коллекторах 59 и 61 установлены фильтры 60 и 51.
a
i(5-y)
y
a
i5
X
a
i(5-0,1)
0,1
X
a
i(5-0,2)
0,2
X
a
i(5-0,4)
0,4
X
a
i(5-1)
1
X
Секции 7, 8, 9, 10, 11, заполненные порошкообразным металлогидридом, например лантанникелевым сплавом, легированным алюминием по формуле LNAl, где у может изменяться в пределах от 0 до 1 и более. Причем, чем выше значение y, тем более стабильным будет его металлогидрид. Например, слои могут быть набраны следующим образом: в секции 7 размещен металлогидрид - LNH, в секции 8 - LNAlH, в секции 9 - LNAlH, в секции 10 - LNAlHи в секции 11 - LNAlH.
Количество водорода, которое может быть аккумулировано металлогидридом в каждой секции, должно быть одинаково для всех секций.
Поэтому количество металлогидрида в каждой секции определяется с учетом его сорбционной емкости. Так, в первом приближении, количество металлогидрида в секции должно находиться в обратной зависимости от его емкости по водороду.
Для подвода и отвода водорода в зависимости от функциональной направленности генератора-сорбера в нем могут быть установлены как два водородных патрубка для подвода водорода на холодном и отвода на горячем конце генератора-сорбера, так и один патрубок на холодном конце генератора-сорбера для подвода/отвода водорода.
Например, если компрессионный металлогидридный блок используется для энергетической установки, то подачу водорода низкого давления необходимо подавать с холодной стороны генератора-сорбера, а отвод водорода высокого давления предпочтительно осуществлять со стороны горячего конца генератора-сорбера.
В компрессионном блоке, предназначенным для холодильной установки или теплового насоса, подвод и отвод водорода необходимо осуществлять только с холодной стороны генератора-сорбера.
На фиг.8 представлено одно из конструктивных решений генератора-сорбера компрессионного металлогидридного блок-модуля.
Генератор-сорбер состоит из цилиндрической оболочки 71, на концах которой имеются переднее донышко 77, заднее донышко 89 и в которых установлены водородные штуцера 78 и 88 соответственно. На внутренней поверхности цилиндрической оболочки 71 установлены ребра теплопроводности 72 из меди или алюминия, которые имеют тепловой контакт с цилиндрической оболочкой 71.
По центру генератора-сорбера установлен перфорированный цилиндрический коллектор водорода 75, внутри которого размещена пористая теплоаккумулирующая набивка 83 в виде металлической дроби или гранитной крошки. На цилиндрической поверхности коллектора водорода установлена сетка 76.
гс
Металлогидрид различного состава по секциям размещен в межреберном пространстве 73 и ограничен внутренней поверхностью цилиндрической оболочки 71 и сеткой 76 водородного коллектора для предотвращения уноса крупной фракции порошка металлогидрида 73. В первом приближении количество металлогидрида, находящегося в одной секции в таком генераторе-сорбере, рассчитывается с учетом внутреннего диаметра D оболочки 71 и наружного диаметра d коллектора водорода 75. Длина генератора-сорбера L определяется из учета количества секций n и учетом длины l каждой секции.
По торцам коллектора водорода 75 установлены сетки-ограничители 80 и 87 для предотвращения перемещения теплоаккумулирующей набивки 83 и предотвращения уноса мелкой фракции металлогидрида в водородную магистраль.
Для очистки свободного пространства теплоаккумулирующей набивки 83 от накопившейся мелкодисперсной фракции металлогидрида в процессе длительной работы генераторов-сорберов установлена дренажная трубка 79, для отвода в сборник мелкодисперсной фракции металлогидрида.
Сборник мелкодисперсной фракции металлогидрида представляет собой отдельный объем, находящийся при температуре охладителя.
Тепловое воздействие теплоносителя (нагрев или охлаждение) на металлогидридные секции осуществляется с помощью кольцевого канала, образованного наружной поверхностью цилиндрической оболочки 71 и наружной оболочки 74. Для организации потока теплоносителя по торцам генератора-сорбера установлены патрубки 81 и 86 для подвода или отвода теплоносителя и коллектора 82 и 85. В кольцевом канале установлены ребра теплопроводности 84, имеющие тепловой контакт с наружной поверхностью оболочки 71 и внутренней поверхностью оболочки 74.
На фиг.9 представлено конструктивное решение генератора-сорбера компрессионного металлогидридного блок-модуля с одним подводящим/отводящим патрубком водорода, расположенным на холодном конце генератора-сорбера.
Отличие конструкции, представленной на фиг.9, от конструкции на фиг.8 заключается в том, что в ней вместо водородного патрубка 88 и сетки ограничителя 87, находящихся на горячем конце генератора-сорбера, установлена заглушка 90. Все остальные позиции рис.9, соответствуют позициям фиг.8.
р
На фиг.10 представлено конструктивное решение регенераторов теплоты 2 и 3 с теплоаккумулирующей набивкой. Регенератор представляет собой цилиндрический корпус 102, по обе стороны которого имеются левое донышко 104 с патрубком 105 и правое донышко 101 с патрубком 100. Внутри корпуса регенератора расположена теплоаккумулирующая набивка 103, например, в виде гранитной крошки или металлической дроби, а также установлены сетки-ограничители 106 и 107 по обе стороны теплоаккумулирующей набивки. Объем и масса теплоаккумулирующей набивки, заключенной в регенераторе теплоты длиной L и диаметром Dp, определяется из условий режимов работы генераторов-сорберов: их КПД, степени сжатия водорода, производительности, массовых и сорбционных характеристик прилегающих непосредственно к регенератору теплоты секций генератора-сорбера.
На фиг.11 представлен компрессионный блок-модуль, в котором в качестве теплоносителя используется воздух окружающей среды.
Компрессионный металлогидридный блок-модуль 110 включает в себя два металлогидридных генератора-сорбера водорода 1 и 4 снабженные теплообменными поверхностями 46 и 47 соответственно, объединенные в открытый на воздушную атмосферу реверсивный циркуляционный внутренний контур теплоносителя 19, на линии которого по обе стороны генераторов-сорберов водорода 1 и 4 соответственно установлены регенераторы теплоты 2, 3 и 5, 6 с теплоаккумулирующей набивкой. Реверс теплоносителя (воздуха) осуществляется с помощью вентилятора 111 и соответствующих положений регулируемых запорных вентилей 22, 23 и запорных вентилей 112, 113. Подача теплоносителя (воздуха) через теплообменную поверхность 26 нагревателя 25 для нагрева левого 1 или правого 3 генераторов-сорберов осуществляется с помощью внешнего вентилятора 114.
1
2
Сообщение с атмосферой компрессионного блока 110 осуществляется в трех узлах. В узле В осуществляется забор холодного воздуха вентилятором 111 для охлаждения генераторов-сорберов в процессах сорбции водорода. В узлах B и В осуществляется сброс теплоты посредством отвода теплоносителя (воздуха) процессов сорбции левого 1 и правого 3 генераторов-сорберов соответственно.
Вся дальнейшая нумерация позиций, представленная на фиг.11, соответствует нумерации, представленной на фиг.1. Позиции, относящиеся к датчикам измерения значений температуры и давления, не показаны.
Устройства генераторов-сорберов 1 и 3, применяемые металлогидриды в секциях, а также присоединенные к ним регенераторы теплоты соответственно 2, 3 и 5, 6 также аналогичны устройствам соответствующих позиций, представленных на фиг.1.
Работа компрессионного металлогидридного блок-модуля 110 осуществляется следующим образом.
Нагнетаемый вентилятором 114 воздух нагревается в теплообменной поверхности 26 противоточного теплообменника 25 и подается на входной узел G, откуда на распределительную точку А и далее на один из генераторов-сорберов 1 или 4.
2
1
Примем для первой половины цикла, что в теплообменную поверхность 46 левого генератора-сорбера 1 подается горячий воздух из нагревателя 25 и в нем осуществляется процесс десорбции водорода с высоким давлением P, а в правый генератор-сорбер 4 подается холодный воздух из узла В вентилятором 111 и в генераторе-сорбере 4 осуществляется процесс сорбции водорода при низком давлении Р.
Для осуществления принятых процессов запорный вентиль 113 для подачи холодного воздуха с вентилятора 111 должен быть открыт, запорный вентиль 112 закрыт, регулируемый запорный вентиль 23 закрыт, регулируемый запорный вентиль 22 для сброса аккумулированной теплоты сорбции генератора-сорбера 1 открыт.
По окончании первой половины цикла левый генератор-сорбер 1 переключается с процесса десорбции на процесс сорбции, а правый генератор-сорбер 4 с процесса сорбции на процесс десорбции. Поэтому во второй половине цикла запорный вентиль 112 и регулируемый запорный вентиль 23 открыты, а запорный вентиль 113 и регулируемый запорный вентиль 22 закрыты.
Далее цикл повторяется.
Рабочие режимы блока генераторов-сорберов, отображенные с помощью тепловых волн процессов сорбция и десорбция водорода генераторами-сорберами 1 и 4 и их циклограммы аналогичны представленными на фиг.4, фиг.5 и фиг.6 для устройства фиг.1.
На фиг.12 представлен компрессионный металлогидридный блок-модуль, в котором в качестве теплоносителя используются непосредственно продукты сгорания энергетических установок, например, на базе ДВС или газовой турбины с использованием водорода в качестве топлива.
Продуктами сгорания в этом случае являются смесь азота и водяного пара.
Компрессионный металлогидридный блок-модуль 120 также как и компрессионный металлогидридный блок-модуль, рис.11, включает в себя два металлогидридных генератора-сорбера водорода 1 и 4, снабженные теплообменными поверхностями 46 и 47 соответственно, объединенные в открытый на воздушную атмосферу реверсивный циркуляционный внутренний контур теплоносителя 19, на линии которого по обе стороны генераторов-сорберов водорода 1 и 4 соответственно установлены регенераторы теплоты 2, 3 и 5, 6 с теплоаккумулирующей набивкой. Реверс теплоносителя (воздуха и продуктов сгорания) осуществляется с помощью вентилятора 121 и соответствующих положений регулируемых запорных вентилей 22, 23 и запорных вентилей 122, 123. Подача теплоносителя (продуктов сгорания) для нагрева левого 1 или правого 3 генераторов-сорберов осуществляется непосредственно из выхлопной трубы или газовой турбины.
1
2
Сообщение с атмосферой компрессионного металлогидридного блока 120 осуществляется в трех узлах. В узле В осуществляется забор холодного воздуха вентилятором 121 для охлаждения генераторов-сорберов в процессах сорбции водорода. В узлах B и В осуществляется сброс теплоты посредством отвода теплоносителя (воздуха и продуктов сгорания) процессов сорбции левого 1 и правого 3 генераторов-сорберов соответственно.
Вся дальнейшая нумерация позиций, представленная на фиг.12, соответствует нумерации представленной на фиг.1 и фиг.11. Позиции, относящиеся к датчикам измерения значений температуры и давления, не показаны.
Устройства генераторов-сорберов 1 и 3, применяемые металлогидриды в секциях, а также присоединенные к ним регенераторы теплоты соответственно 2, 3 и 5, 6, также аналогичны устройствам соответствующих позиций представленных на фиг.1 и фиг.11.
Работа компрессионного металлогидридного блок-модуля 120 осуществляется следующим образом.
Продукты сгорания энергетической установки подаются на входной узел G, откуда на распределительную точку А и далее на один из генераторов-сорберов 1 или 4.
2
1
Примем для первой половины цикла, что в теплообменную поверхность 46 левого генератора-сорбера 1 подается горячий воздух из нагревателя 25 и в нем осуществляется процесс десорбции водорода с высоким давлением P, а в правый генератор-сорбер 4 подается холодный воздух из узла В вентилятором 121 и в генераторе-сорбере 4 осуществляется процесс сорбции водорода при низком давлении Р.
Для осуществления принятых процессов запорный вентиль 123 для подачи холодного воздуха с вентилятора 121 должен быть открыт, запорный вентиль 122 закрыт, регулируемый запорный вентиль 23 закрыт, регулируемый запорный вентиль 22 для сброса аккумулированной теплоты сорбции генератора-сорбера 1 открыт.
По окончании первой половины цикла левый генератор-сорбер 1 переключается с процесса десорбции на процесс сорбции, а правый генератор-сорбер 4 с процесса сорбции на процесс десорбции. Поэтому во второй половине цикла запорный вентиль 122 и регулируемый запорный вентиль 23 открыты, а запорный вентиль 123 и регулируемый запорный вентиль 22 закрыты.
По окончании процесса сорбции в левом генераторе-сорбере 1 и процесса десорбции в правом генераторе-сорбере 4 цикл повторяется.
Рабочие режимы генераторов-сорберов, отображенные с помощью тепловых волн процессов сорбция и десорбция водорода генераторами-сорберами 1 и 4 и их циклограммы, также аналогичны представленными на фиг.4, фиг.5 и фиг.6 для устройства фиг.1 и фиг.11.
На фиг.13 представлен компрессионный металлогидридный блок-модуль с изотермическим узлом нагрева, в котором источником теплоты может являться, например, прямое солнечное излучение, а также солнечное излучение с применением концентраторов. С применением солнечных концентраторов потенциал получаемой теплоты может быть значительно повышен.
Компрессионный блок-модуль 130 включает в себя два металлогидридных генератора-сорбера водорода 1 и 4 снабженные теплообменными поверхностями 46 и 47 соответственно, объединенные в реверсивный циркуляционный внутренний контур теплоносителя 19, на линии которого по обе стороны генераторов-сорберов водорода 1 и 4 соответственно установлены регенераторы теплоты 2, 3 и 5, 6 с теплоаккумулирующей набивкой. В контуре теплоносителя также установлены нагреватель 132 с теплообменной поверхностью 131, охладитель 24 с теплообменной поверхностью 41 и реверсивный привод теплоносителя 20 (как вариант реверсивный насос).
Устройства генераторов-сорберов 1 и 3, применяемые металлогидриды в секциях 7, 8, 9, 10 и 11, а также регенераторы теплоты, соответственно 2, 3 и 5, 6 также аналогичны устройствам соответствующих позиций представленных на фиг.1, фиг.11 и фиг.12.
Работа компрессионного металлогидридного блок-модуля 130 осуществляется следующим образом.
H
H
2
1
Примем для первой половины цикла, что теплоноситель подогретый теплотой Q(T) в теплообменной поверхности 131 нагревателя 13 2 подается в теплообменную поверхность 46 левого генератора-сорбера 1 и в нем осуществляется процесс десорбции водорода с высоким давлением Ð, а в правый генератор-сорбер 4 подается холодный теплоноситель из теплообменной поверхности 41 охладителя 24 и в генераторе-сорбере 4 осуществляется процесс сорбции водорода при низком давлении Ð.
0
0
Холодный теплоноситель образуется за счет отбора от него теплоты Q(T) в охладителе 24. Реверсивный насос 20 в этом случае подает теплоноситель в контуре 19 согласно чертежу против часовой стрелки.
По окончании первой половины цикла левый генератор-сорбер 1 переключается с процесса десорбции на процесс сорбции, а правый генератор-сорбер 4 с процесса сорбции на процесс десорбции. Для этого реверсивный насос 20 переключается на реверс и в этом случае подает теплоноситель в контуре 19 согласно чертежу по часовой стрелке. По окончании второй половины цикла насос снова переключается на реверс.
Далее цикл повторяется.
Рабочие режимы блока генераторов-сорберов, отображенные с помощью тепловых волн процессов сорбция и десорбция водорода генераторами-сорберами 1 и 4 и их циклограммы, также аналогичны представленными на фиг.4, фиг.5 и фиг.6 для устройства фиг.1.
На фиг.14 представлена схема энергетической установки на базе компрессионного блок-модуля 140 и энергопреобразователя 143.
Энергетическая установка относится к экологически чистым энергетическим машинам с использованием возобновляемых источников энергии.
Компрессионный металлогидридный блок-модуль 140 имеет нагреватель с изотермическим подводом теплоты (как пример), а в качестве энергопреобразователя 143 сжатого водорода могут быть использованы, например, турбина или цилиндр-поршневая пара для получения механической работы l.
Нумерация позиций и работа компрессионного блок-модуля 140 полностью соответствует нумерации компрессионного металлогидридного блок-модуля, представленного на фиг.13, и его работа также соответствует работе компрессионного металлогидридного блок-модуля, представленного на фиг.13.
На фиг.15 представлено металлогидридное устройство для получения холода при использовании, например, изотермического источника теплоты.
Металлогидридное устройство для получения холода состоит из компрессионного металлогидридного блока 150 и холодильного металлогидридного блока 160.
1
2
1
1
Связь между двумя блоками осуществляется двумя водородными линиями. Линии HH высокого давления P водорода и линии KK низкого давления Р водорода.
2
1
1
1
С узла Н компрессионного металлогидридного блока 150 водород высокого давления Р поступает в узел приема H холодильного металлогидридного блока 160. Возврат водорода низкого давления Ð в компрессионный металлогидридный блок осуществляется из узла Kхолодильного металлогидридного блока 160 через узел К.
Позиции элементов металлогидридного компрессионного блока 150 и его работа соответствуют рассмотренному устройству металлогидридного компрессионного блока, представленного на фиг.13.
Холодильный металлогидридный блок 160 (фиг.15) включает в себя два металлогидридных холодопроизводителя 161 и 164, снабженные теплообменными поверхностями 184 и 185 соответственно, объединенные в реверсивный циркуляционный внутренний контур теплоносителя 169, на линии которого по обе стороны металлогидридных холодопроизводителей 161 и 164 соответственно установлены регенераторы теплоты 162, 163 и 165, 166 с теплоаккумулирующей набивкой. В контуре теплоносителя также установлены охладитель 168 с теплообменной поверхностью 170, испаритель 180 с теплообменной поверхностью 181 и реверсивный привод теплоносителя 167 (как вариант реверсивный насос).
Отдельным рисунком на фиг.16 представлено устройство холодильного металлогидридного блока 160 с отмеченными точками измерений температур теплоносителя и давления водорода.
Устройства металлогидридных холодопроизводителей 161 и 164 аналогичны устройствам генераторов-сорберов компрессионного металлогидридного блока 150 за одним исключением. Применяемые металлогидриды в секциях 171, 172, 173, 174 и 175 менее стабильны металлогидридов применяемых в секциях 7, 8, 9, 10, 11 генераторов-сорберов компрессионного блока 150.
(5-y)
y
x
Секции 171, 172, 173, 174 и 175 также расположены вдоль потока теплоносителя, а содержащийся в них металлогидрид меняет свои свойства от малостабильного со стороны испарителя 180 к более стабильному со стороны охладителя 168. Такими металлогидридами может быть, например, состав MmNFeH, где у может изменяться в пределах от 0 до 1,5.
5
x
3,5
1,5
x
Причем, чем выше значение y, тем более стабильным будет его металлогидрид. Так, например, в секциях 171 со стороны испарителя 180 может быть металлогидрид MmNiH, а в секциях 175 со стороны охладителя 168 металлогидрид MmNiFeH.
1
T
Подбор металлогидридов в промежуточных секциях по параметрам давление-температура для каждой секции холодрпроизводителя в идеализированном виде представлен на фиг.17 в виде графиков зависимости логарифма давления (lgP) от обратной температуры (/) для металлогидридов секций 171, 172, 173, 174 и 175.
2
1
Графики представляют два стационарных состояния одинаковых по давлению Р сорбции и P десорбции водорода, используемых металлогидридов при различных температурах.
2
1
Ввиду того что, цикл, реализуемый в холодильном металлогидридном блоке обратный, то сорбция водорода металлогидридами осуществляется при высоком давлении P, а десорбция при низком Ð.
1
2
Таким образом, металлогидрид каждой секции работает в свом температурном диапазоне при постоянных для всех, находящихся в различных секциях металлогидридов, низком давлении p десорбции и высоком давлении P сорбции водорода.
ð
ð
ð
171
171
Так в секции 171 металлогидрид десорбирует водород при температуре Ò с подводом теплоты Q(Ò) из испарителя 180, а сорбция осуществляется при температуре Ò с отводом теплоты Q на десорбцию водорода из металлогидрида в секции 172 и так далее, то есть теплота сорбции водорода металлогидрида в предыдующей секции идет на десорбцию водорода из металлогидрида следующей секции.
0
0
X
0
Металлогидрид последней секции 175 (фиг.17) отдает теплоту сорбции Q(T) в охладителе 168 при температуре T.
Обратимость обратного термохимического холодильного цикла с несколькими и более металлогидридными секциями обеспечивается в идеализированной постановке равенством температур сорбции водорода в менее стабильном металлогидриде с температурой десорбции водорода более стабильного металлогидрида, а также в пределе полной регенерацией аккумулированной теплоты (холода) металлогидридных секций при переходе от процесса десорбции к процессу сорбции за счет высокоразвитой теплопередающей поверхности теплоносителя металлогидридных секций, а также установкой регенераторов теплоты с теплоаккумулирующей набивкой по линии теплоносителя со стороны охладителя и испарителя для каждого металлогидридного холодопроизводителя.
2
1
Подача водорода высокого давления P в холодильный металлогидридный блок 160 (фиг.16) осуществляется через приемный узел H, запорный вентиль 183 и далее через управляемые запорные вентили 178 и 179 в металлогидридные холодопроизводители 161 и 164 соответственно.
2
1
Отвод водорода низкого давления P из металлогидридных холодопроизводителей 161 и 164 осуществляется через управляемые запорные вентили 176 и 177 соответственно, далее через запорный вентиль 182 и отводящий узел K холодильного металлогидридного блока 160.
Для измерения и регистрации теплового режима металлогидридных холодопроизводителей в контуре теплоносителя 169 установлены датчики температур 186, 187, 190, 191, 193, 194, 196, 197, а также датчики температур 192 испарителя 180 и 198 охладителя 168.
Для измерения и регистрации давления водорода в металлогидридных холодопроизводителях 161 и 164 установлены датчики давления 199 и 195 соответственно. Также установлены датчик давления 189 на линии 202 высокого давления водорода и датчик 188 на линии 203 низкого давления водорода.
Металлогидридное устройство для получения холода работает следующим образом.
2
1
0
0
X
Компрессионный металлогидридный блок 150 (фиг.15), работа которого была рассмотрена при представлении устройства на фиг.13 (компрессионный металлогидридный блок с изотермическим подводом теплоты), подает водород с узла Н с высоким давлением P в приемный узел H холодильного металлогидридного блока 160 и далее через запорный вентиль 183 и один из управляемых запорных вентилей, например 178, в левый металлогидридный холодопроизводитель 161, в котором происходит насыщение (процесс сорбции) металлогидридов всех секций 171, 172, 173, 174 и 175 металлогидридного холодопроизводителя 161. Реверсивный насос в это время включен таким образом, что теплоноситель в контуре 169 движется согласно фиг.16 по часовой стрелке и выделяемая теплота Q(T) сорбции водорода секциями холодопроизводителя 161 посредством нагретого теплоносителя выносится через регенератор 162 в теплообменную поверхность 170 охладителя 168.
2
1
1
1
Одновременно с сорбцией водорода с высоким давлением P в левом холодопроизводителе 161 происходит процесс десорбции водорода с низким давлением P во всех секциях 171, 172, 173, 174 и 175 правого холодопроизводителя 164. Водород с низким давлением Ð выходит с холодопроизводителя 164 по водородной линии через управляемый запорный вентиль 177, запорный вентиль 182, узел K и далее на вход в компрессионный блок, узел К. Холод, аккумулированный в охлажденном теплоносителе, через регенератор 166 попадает в теплообменную поверхность 181 испарителя 180.
1
1
2
2
2
ц
1
Схема продвижения тепловой волны ав в левом холодопроизводителе 161 и тепловой волны ав в правом холодопроизводителе 164 по окончании первого полуцикла / τ в идеализированном виде представлена на фиг.18, а на фиг.19 представлено положение тепловых волн в левом и правом холодопроизводителях по окончании второго полуцикла.
На фиг.20 представлены циклограммы работы левого и правого металлогидридных холодопроизводителей блока металлогидридного холодильника 160.
1
2
ц
Вследствие конструктивной идентичности левого и правого металлогидридных холодопроизводителей и примыкающих к ним регенераторов теплоты, время циркуляции теплоносителя в контуре 169 в одном направлении, например, по часовой стрелке и в обратном, против часовой стрелки, в первом приближении равно / τ, и составляет половину цикла.
2
2
ц
2
1
1
Подача водорода высокого давления P, например, в левый холодопроизводитель 161 через управляемый вентиль 178 происходит сразу в начале цикла, когда теплоноситель в контуре 169 начал движение по часовой стрелке, а прекращение подачи водорода происходит раньше на время Δτ до окончания первой половины цикла / τ. Это необходимо для того, чтобы высокое давление P в холодопроизводителе после отсечки водорода упало до давления P, тем самым осуществив плавный обратимый переход с процесса сорбции в первой половине цикла на процесс десорбции во второй половине цикла.
1
1
2
2
Далее по окончании первой половины цикла переключается движение теплоносителя в обратном направлении, открывается управляемый запорный вентиль 176 и водород при низком давлении P десорбирует из секций металлогидридного холодопроизводителя 161, поступает через запорный вентиль 182, отдающий узел K и далее на приемный узел К компрессионного блока 150. Закрытие управляемого вентиля 176 на отрезок времени Δτ раньше окончания времени цикла также связано с тем, что давление в металлогидридном холодопроизводителе за это время поднимется до давления Р и будет обеспечен плавный переход для следующего процесса сорбции при высоком давлении P.
На фиг.21 представлено устройство металлогидридного теплового насоса при использовании, например, изотермического источника теплоты.
Устройство металлогидридное теплового насоса, так же как и устройство металлогидридного холодильника состоит из двух блоков, компрессионного металлогидридного блока 150 и металлогидридного блока теплопроизводителей 210.
Позиции элементов компрессионного металлогидридного блока 150 и его работа соответствуют рассмотренному устройству компрессионного металлогидридного блока устройства для получения холода, фиг.15.
2
1
0
П
Устройство металлогидридного теплопроизводящего блока 210 отличается от устройства холодопроизводящего блока 160 (фиг.15) тем, что подвод водорода с высоким давлением Р к теплопроизводящему блоку и отвод от него водорода с низким давлением P осуществляется со стороны испарителя 224, а набор металлогидридов в секциях 217, 218, 219, 220 и 221 подобран таким образом, что обеспечивает работу испарителя 224 при температуре окружающей среды T, а работу охладителя 223 (нагреватель жилых и производственных помещении для потребителя) поддерживает на температурном уровне T=(100-120)°С.
Подбор металлогидридов в секциях по параметрам давление-температура для каждой секции металлогидридных элементов теплопроизводящего блока в идеализированном виде представлен на фиг.22 в виде зависимости давления от обратной температуры для металлогидридов секций 217, 218, 219, 220 и 221.
a
i(5-y)
y
a
i(5-0,1)
0,1
X
a
i(5-0,2)
0,2
X
a
i(5-0,3)
0,3
X
a
i(5-0,4)
0,4
X
a
i(5-0,5)
0,5
X.
Так, например, секции 217, 218, 219, 220 и 221 могут быть заполнены порошкообразным металлогидридом, например, лантанникелевым сплавом, легированный алюминием по формуле LNAl, где у может изменяться в пределах от 0 до 0,5. Причем чем выше значение y, тем более стабильным будет металлогидрид. Например, слои могут быть набраны следующим образом: в секции 317 - LNAlH в секции 218 - LNAlH, в секции 219 - LNAlH в секции 220 - LNAlH, в секции 221 - LNAlH
0
0
H
Н
П
П
Источником теплоты нагревателя 224 является теплота Q(T)окружающей среды, а отбираемая теплота Q(T)от охладителя 223 является теплотой потребителя для обогрева жилых и производственных помещений при температуре Т.
Принцип действия металлогидридного, теплопроизводящего блока 210 аналогичен принципу действия холодопроизводящего блока 160.
На фиг.23 представлено устройство металлогидридного холодильника, в котором использован механический компрессор для сжатия водорода.
Устройство состоит из механического компрессора 228 и блока 160 металлогидридного холодильника. Все элементы блока металлогидридного холодильника и его работа описаны выше.
Такое устройство позволяет использовать для сжатия водорода как электрическую энергию посредством электродвигателя, так и непосредственно энергию ветра с помощью ветряка. А применение металлогидридного теплопроизводящего блока 210 фиг.21 позволяет использовать устройство для обогрева жилых и производственных помещений.
На фиг.24 представлено устройство объединенного модуля металлогидридного холодильника 230.
Устройство состоит из двух металлогидридных генераторов-сорберов 1 и 4 и металлогидридных холодопроизводителей 161 и 164.
Генераторы-сорберы 1 и 4 состоят из тех же элементов, что и в модуле компрессионного металлогидридного блока, представленного на фиг.13. Аналогичным образом металлогидридные холодопроизводители 161 и 164 состоят из тех же элементов, что и в модуле металлогидридного холодоприльника, представленного на фиг.15.
Особенностью модуля металлогидридного холодильника является то, что каждый металлогидридный генератор-сорбер соединен водородной линией только с одним металлогидридным холодопроизводителем. Так согласно фиг.24 металлогидридный генератор-сорбер 1 соединен с металлогидридным холодопроизводителем 161 водородной линией 243. Аналогичным образом металлогидридный генератор-сорбер 4 соединен с металлогидридным холодопроизводителем 164 водородной линией 244.
Датчики температуры, установленные в контуре 169 линии теплоносителя, аналогичны местам установок, представленных на фиг.16, на фиг.24 не показаны.
Устройство объединенного модуля металлогидридного холодильника 230 работает следующим образом.
Холодопроизводители 161 и 164, соединенные соответственно водородными линиями 243 и 244 с генераторами-сорберами 1 и 4, составляют индивидуальные пары для производства холода и работают в противофазе.
1
2
ц
2
1
Так в первой половине цикла (/ τ) теплоноситель в контуре 19 блока металлогидридного компрессора 231 движется согласно чертежу против часовой стрелки. В генераторе-сорбере 1 в это время происходит десорбция водорода при высоком давлении P, а в генераторе-сорбере 4 происходит процесс сорбции водорода при низком давлении P.
1
2
ц
2
1
Одновременно в первой половине цикла (/ τ) теплоноситель в контуре 169 блока металлогидридного холодильника 240 движется согласно чертежу по часовой стрелке. В холодопроизводителе 161 в это время происходит сорбция водорода левым металлогидридным холодопроизводителем 161 при высоком давлении P с выносом нагретого теплоносителя теплотой сорбции в теплообменную поверхность 170 охладителя 168, а в холодопроизводителе 164 происходит процесс десорбции водорода правым металлогидридным холодопроизводителем 164 при низком давлении P с выносом охлажденного теплоносителя в теплообменную поверхность 181 испарителя 180.
По окончании первой половины цикла включается реверс движения теплоносителей в контуре 19 компрессионного блока 231 и в контуре 169 холодопроизводящего блока 240.
2
1
1
2
В результате металлогидридный генераторе-сорбере 1 переходит с режима десорбции с давлением водорода P в режим сорбции с давлением водорода P, а генератор-сорбер 4 переходит с режима сорбции с давлением водорода P в режим десорбции с давлением водорода P.
2
1
1
2
Аналогичным образом в холодопроизводящем блоке холодопроизводитель 161 переходит с режима сорбции с давлением водорода P в режим десорбции с давлением водорода P, а холодопроизводитель 164 переходит с режима десорбции с давлением водорода P в режим сорбции с давлением водорода P.
1
2
ц
На фиг.25 показана циклограмма работы холодопроизводителей холодопроизводящего блока, работающих в противофазе за время / τ.
сорб
2
дес
1
Стрелками вверх, вниз согласно чертежу показано движение теплоносителя в холодопроизводителях. При движении вверх в холодопроизводителе осуществляется сорбция водорода в течение времени Δτ при высоком давлении P, а при движении вниз в течение времени Δτ осуществляется десорбция при низком давлении P.
2
1
2
ц
1
1
На примере левого холодопроизводителя показаны моменты подачи водорода. Подача водорода с давлением P начинается не сразу с началом цикла, а с некоторым запаздыванием по времени на Δτ и прекращается подача водорода при достижении момента времени первой половины цикла / τ. Отрезок времени Δτ отражает переходные сорбционные процессы, вследствие которых обеспечивается безударное перетекание водорода при переходе от процессов сорбции к процессу десорбция и наоборот.
2
1
Аналогичным образом имеет место запаздывание Δτ отвода водорода при низком давлении P в начале процесса десорбции и прекращение отвода в конце цикла.
На фиг.26 представлено устройство объединенного блок-модуля металлогидридного холодильника 249, управляемого реверсивными насосами теплоносителей.
Отличительной особенностью устройства объединенного блок-модуля металлогидридного холодильника 249 от объединенного модуля металлогидридного холодильника 230 является то, что все устройство выполнено в виде единого блока с исключением управляемых клапанов на линиях водорода соединяющих генераторы-сорберы и металлогидридные холодопроизводители.
1
2
Переходные сорбционные процессы, происходящие в периоды времени τ и Δτ, задаются при этом новым законом включения и выключения реверсивных насосов 20 и 167 в контурах 19 и 169 соответственно.
На фиг.27 представлено устройство объединенного модуля металлогидридного теплового насоса 250, состоящего из металлогидридного компрессионного блока 231 и теплопроизводящего блока 251.
Устройство состоит из двух металлогидридных генератораторов-сорберов 1 и 4 и двух металлогидридных теплопроизводителей 211 и 214.
Генераторы-сорберы состоят из тех же элементов, что и металлогидридные генераторы-сорберы, представленные на фиг.24. Металлогидридные теплопроизводители состоят из тех же элементов, что и металлогидридные теплопроизводители представленные на рис.21.
0
0
H
Н
П
П
Источником теплоты нагревателя 224 является теплота Q(T)окружающей среды, а отбираемая теплота Q(T) от охладителя 223 является теплотой потребителя для обогрева жилых и производственных помещений при температуре T.
Принцип действия устройства объединенного модуля металлогидридного теплового насоса 250 аналогичен принципу действия устройства объединенного модуля металлогидридного холодильника 230, представленного на фиг.24.
На фиг.28 представлено устройство объединенного блок-модуля металлогидридного теплового насоса 260.
Отличительной особенностью устройства объединенного блок-модуля металлогидридного теплового насоса 260 от объединенного модуля металлогидридного теплового насоса 250 является то, что все устройство выполнено в виде единого блока с исключением управляемых клапанов на линиях водорода, соединяющих генераторы-сорберы и металлогидридные теплопроизводители.
1
2
Переходные сорбционные процессы, происходящие в периоды времени τ и Δτ, задаются при этом новым законом включения и выключения реверсивных насосов 20 и 167 в контурах 19 и 169 соответственно.