專利名稱：單合金壓縮－擴散式金屬氫化物熱泵/制冷方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷技術(shù)領(lǐng)域的方法和系統(tǒng)，具體是一種單合金壓縮—擴散式金屬氫化物熱泵/制冷方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式熱泵/制冷系統(tǒng)是耗能大戶，其氟利昂工質(zhì)對大氣的破壞作用也在世界范圍達成共識；金屬氫化物熱泵/制冷系統(tǒng)在這種條件下孕育而生。金屬氫化物是一種特殊的合金，它能在一定溫度、壓力下可逆吸收大量氫氣，同時釋放出大量反應(yīng)熱；常溫其貯氫密度可達到液態(tài)氫的密度，而貯氫壓力則遠低于液態(tài)氫；合金的平衡壓力隨溫度升高而迅速增加。金屬氫化物熱泵/制冷系統(tǒng)以氫氣為工質(zhì)，依靠金屬氫化物在可逆吸放氫過程中的反應(yīng)熱來實現(xiàn)熱泵/制冷功能，在節(jié)能和環(huán)保上有明顯優(yōu)勢，是很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦涂照{(diào)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的金屬氫化物熱泵/制冷系統(tǒng)采用一對氫化性能不同的金屬氫化物組成一套系統(tǒng)，借助壓縮機或熱源驅(qū)動，使得合金間歇地吸、放氫氣；兩套系統(tǒng)反相運行，從而實現(xiàn)連續(xù)制熱/制冷。顯然該分時、反相的金屬氫化物熱泵/制冷技術(shù)無法保證制熱/制冷量的穩(wěn)定；合金吸氫時將膨脹、粉化，反復(fù)吸放氫極易導(dǎo)致容器局部壁面承受相當大的膨脹應(yīng)力，因此降低了系統(tǒng)的可靠性；而為了提高可靠性，現(xiàn)有的系統(tǒng)基本采用厚壁容器，反應(yīng)床熱容非常大，但由于系統(tǒng)在吸、放熱狀態(tài)中不斷切換，故由該熱容造成的熱量/冷量損失也相當大，通常能占系統(tǒng)理論制熱/制冷量的20％～40％。因此間歇運行方式造成現(xiàn)有系統(tǒng)的制熱/制冷量不穩(wěn)定，效率和可靠性都不高，距實用化尚有一段距離。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，專利名稱“一種金屬氫化物空調(diào)裝置”，申請?zhí)朇N200420047871.0，該專利在現(xiàn)有循環(huán)基礎(chǔ)上設(shè)計了完整的空調(diào)裝置，但未能擺脫“兩套系統(tǒng)分時、反相”的循環(huán)方式，故無法解決現(xiàn)有金屬氫化物熱泵/制冷系統(tǒng)制熱/制冷量不穩(wěn)定、COP低的缺點。現(xiàn)有技術(shù)中，尚未發(fā)現(xiàn)采用單一的金屬氫化物即可實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定制熱/制冷的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服已有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明設(shè)計了一種全新的單合金壓縮—擴散式金屬氫化物熱泵/制冷方法及系統(tǒng)。本發(fā)明方法僅需單一金屬氫化物即可實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的熱泵/制冷功能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明所述的單合金壓縮—擴散式金屬氫化物熱泵/制冷方法，具體為在處于固溶相和氫化物相之間的金屬氫化物兩端產(chǎn)生壓力差，使得金屬氫化物在高壓側(cè)吸氫放熱、在低壓側(cè)放氫吸熱；通過換熱器帶走產(chǎn)生的熱量/冷量，實現(xiàn)制熱/制冷；金屬氫化物高壓側(cè)吸收的氫原子借助擴散效應(yīng)源源不斷地通過金屬氫化物內(nèi)部轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)，從而使得該過程持續(xù)進行。
本發(fā)明方法具體的實現(xiàn)步驟如下(1)在反應(yīng)床中填充、壓實吸氫合金并活化，然后充入氫氣使該金屬氫化物處于固溶相和氫化物相之間的狀態(tài)，即金屬氫化物壓力、組成等溫線圖中的平高線區(qū)。
(2)借助壓縮機，使金屬氫化物兩端產(chǎn)生壓力差，該壓力差須保證高壓側(cè)氫壓高于金屬氫化物在工作溫度下的吸氫壓力，低壓側(cè)氫壓低于金屬氫化物在工作溫度下的放氫壓力。
(3)在壓力差的驅(qū)動下，金屬氫化物在高壓側(cè)吸氫放熱，低壓側(cè)放氫吸熱；通過換熱器帶走產(chǎn)生的熱/冷量，實現(xiàn)制熱/制冷。同時高壓側(cè)金屬氫化物氫含量因吸氫而增加，低壓側(cè)金屬氫化物氫含量因放氫而減少，金屬氫化物氫含量因此產(chǎn)生濃度差。
(4)金屬氫化物內(nèi)部在濃度差的驅(qū)動下，高壓側(cè)吸收的氫原子借助擴散效應(yīng)源源不斷地轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)，使得高壓側(cè)金屬氫化物內(nèi)部的氫原子減少、低壓側(cè)金屬氫化物內(nèi)部的氫原子得到補充，從而維持制熱/制冷的連續(xù)進行。
本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括壓縮機、單向閥、氫氣管路、擴散床、微孔過濾片、低溫換熱器、床體絕熱外壁、金屬氫化物粉末和高溫換熱器。壓縮機進、出口通過氫氣管路與擴散床進、出口相連，并在壓縮機出口管路安裝單向閥；擴散床整體被床體絕熱外壁包圍，在擴散床內(nèi)靠近進、出口處分別布置高、低溫換熱器；將金屬氫化物粉末填滿擴散床并壓實，以使粉末之間、粉末與換熱器之間盡可能緊密接觸；擴散床進、出口安裝微孔過濾片以阻止運行中粉末隨氫氣流動；高溫換熱器與外界熱沉相連，低溫換熱器與外界熱源相連。
當壓縮機開動后，在擴散床兩端造成壓差。低壓側(cè)金屬氫化物放氫降溫，高壓側(cè)金屬氫化物吸氫升溫。在濃度差的驅(qū)動下，床體內(nèi)部金屬氫化物所吸收的氫原子從高濃度(高溫、高壓側(cè))向低濃度(低溫、低壓側(cè))擴散，從而實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的循環(huán)。高溫換熱器將高溫側(cè)的熱量通過載熱介質(zhì)帶給外界熱沉，低溫換熱器將低溫側(cè)的冷量通過載冷介質(zhì)帶給外界熱源。當外界熱沉為用熱設(shè)備、外界熱源為環(huán)境時，該系統(tǒng)為熱泵系統(tǒng)，當外界熱源為用冷設(shè)備，外界熱沉為環(huán)境時，該系統(tǒng)為制冷系統(tǒng)。亦可同時將高溫端換熱器與用熱設(shè)備、低溫換熱器與用冷設(shè)備相連，構(gòu)成冷熱聯(lián)供系統(tǒng)。
本發(fā)明的有益效果是僅采用一種金屬氫化物，可單向連續(xù)循環(huán)，解決了現(xiàn)有兩套系統(tǒng)分時、反相運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的制熱/制冷量不穩(wěn)定、系統(tǒng)熱容造成熱量/冷量損失大的缺點，從而極大地簡化了系統(tǒng)，提高了能源利用效率，有較好的經(jīng)濟性和實用性。同時由于系統(tǒng)始終穩(wěn)定運行，降低了合金吸氫膨脹效應(yīng)給反應(yīng)容器施加的應(yīng)力，從而提高系統(tǒng)的可靠性。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)原理2是本發(fā)明擴散床結(jié)構(gòu)圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步的描述。
如圖1、2所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括壓縮機1、單向閥2、氫氣管路3和擴散床4，擴散床4又包括微孔過濾片5、低溫換熱器6、床體絕熱外壁7、金屬氫化物粉末8和高溫換熱器9。
壓縮機1進、出口通過氫氣管路3與擴散床4進、出口相連，并在壓縮機1出口管路安裝單向閥2以防止氫氣倒流。擴散床4整體被床體絕熱外壁7包圍，靠近擴散床4進口處安裝高溫換熱器9并與外界熱沉相連，靠近出口處安裝低溫換熱器6并與外界熱源相連；床體內(nèi)部填滿金屬氫化物粉末8并充分壓實，以保證粉末之間、粉末與換熱器之間盡可能緊密接觸。擴散床4進、出口分別安裝兩片微孔過濾片5以阻止運行中金屬氫化物粉末8隨氫氣流動。
擴散床4出口、壓縮機1進口及兩者間的氫氣管路3構(gòu)成低壓側(cè)，擴散床4進口、壓縮機1出口及兩者間的氫氣管路3構(gòu)成高壓側(cè)。
金屬氫化物的氫化反應(yīng)方程式如下 其中，M為吸氫金屬(或合金)，MHx是金屬氫化物，ΔH是反應(yīng)焓。
采用上述系統(tǒng)實現(xiàn)本發(fā)明方法，具體過程為在系統(tǒng)運行前，首先活化金屬氫化物粉末8并充入適量的氫氣，使金屬氫化物粉末8吸收的氫原子達到一定濃度，其在系統(tǒng)溫度下的平衡氫壓與管路氫壓相平衡。壓縮機1運轉(zhuǎn)，氫氣管路3中低壓側(cè)的氫氣通過單向閥2進入高壓側(cè)，使得系統(tǒng)低壓側(cè)氫壓降低而高壓側(cè)氫壓升高。擴散床4進口附近金屬氫化物粉末8的平衡氫壓低于高壓側(cè)氫壓，故此處合金的氫化反應(yīng)向右進行，吸氫放熱、溫度升高；擴散床4出口附近金屬氫化物粉末8的平衡氫壓高于低壓側(cè)氫壓，故此處合金的氫化反應(yīng)向左進行，放氫吸熱、溫度降低。通過高溫換熱器9將擴散床4高溫端的熱量帶給外界熱沉，通過低溫換熱器6將擴散床4低溫端的冷量帶給外界熱源。在濃度差的驅(qū)動下，高壓側(cè)金屬氫化物粉末8吸收的氫原子借助擴散效應(yīng)、通過擴散床4內(nèi)部從高濃度(高溫、高壓側(cè))向低濃度(低溫、低壓側(cè))單向轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的循環(huán)。
當外界熱沉為用熱設(shè)備、外界熱源為環(huán)境時，該系統(tǒng)為熱泵系統(tǒng)，當外界熱源為用冷設(shè)備，外界熱沉為環(huán)境時，該系統(tǒng)為制冷系統(tǒng)。亦可同時將高溫端換熱器9與用熱設(shè)備、低溫換熱器6與用冷設(shè)備相連，構(gòu)成冷熱聯(lián)供系統(tǒng)。
壓縮機1穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，擴散床4兩端金屬氫化物粉末8的吸、放氫過程和床內(nèi)金屬氫化物粉末8中氫原子的擴散過程即可連續(xù)進行，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的制熱/制冷。
循環(huán)中有部分氫氣經(jīng)過金屬氫化物粉末8空隙從高壓側(cè)直接滲入低壓側(cè)，并有部分熱量通過導(dǎo)熱方式從合金低壓側(cè)傳入高壓側(cè)，從而降低了系統(tǒng)效率。為盡量減少該損失，盡可能壓實金屬氫化物粉末8以增大擴散床4的氣阻；采用絕熱材料制作床體絕熱外壁7以降低通過它產(chǎn)生的高、低溫端熱交換。由于金屬氫化物處于粉末狀態(tài)，故其導(dǎo)熱系數(shù)相當?shù)?0.1～0.5W/m·K)，傳導(dǎo)的熱量較小，對系統(tǒng)效率影響不明顯。
通過采用不同的金屬氫化物粉末8、調(diào)整壓縮機1的壓縮比，可獲得所需的制熱/制冷溫度；通過控制壓縮機1的排量可調(diào)節(jié)制熱/制冷功率。
權(quán)利要求
1.一種單合金壓縮—擴散式金屬氫化物熱泵/制冷方法，其特征在于在在處于固溶相和氫化物相之間的金屬氫化物兩端產(chǎn)生壓力差，金屬氫化物在高壓側(cè)吸氫放熱、在低壓側(cè)放氫吸熱，通過換熱器帶走產(chǎn)生的熱量/冷量，實現(xiàn)制熱/制冷；金屬氫化物高壓側(cè)吸收的氫原子借助擴散效應(yīng)源源不斷地通過金屬氫化物內(nèi)部轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)，實現(xiàn)持續(xù)進行制熱/制冷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單合金壓縮—擴散式金屬氫化物熱泵/制冷方法，其特征是，具體實現(xiàn)步驟如下(1)在反應(yīng)床中填充、壓實吸氫合金并活化，然后充入氫氣使該金屬氫化物處于固溶相和氫化物相之間的狀態(tài)；(2)借助壓縮機，使金屬氫化物兩端產(chǎn)生壓力差，該壓力差須保證高壓側(cè)氫壓高于金屬氫化物在工作溫度下的吸氫壓力，低壓側(cè)氫壓低于金屬氫化物在工作溫度下的放氫壓力；(3)在壓力差的驅(qū)動下，金屬氫化物在高壓側(cè)吸氫放熱，低壓側(cè)放氫吸熱；通過換熱器帶走產(chǎn)生的熱/冷量，實現(xiàn)制熱/制冷，同時高壓側(cè)金屬氫化物氫含量因吸氫而增加，低壓側(cè)金屬氫化物氫含量因放氫而減少，金屬氫化物氫含量因此產(chǎn)生濃度差；(4)金屬氫化物內(nèi)部在濃度差的驅(qū)動下，高壓側(cè)吸收的氫原子借助擴散效應(yīng)源源不斷地轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)，使得高壓側(cè)金屬氫化物內(nèi)部的氫原子減少、低壓側(cè)金屬氫化物內(nèi)部的氫原子得到補充，從而維持制熱/制冷的連續(xù)進行。
3.一種基于權(quán)利要求1所述的單合金壓縮—擴散式金屬氫化物熱泵/制冷系統(tǒng)，包括壓縮機(1)、單向閥(2)、氫氣管路(3)和擴散床(4)，擴散床(4)又包括微孔過濾片(5)、低溫換熱器(6)、床體絕熱外壁(7)、金屬氫化物粉末(8)和高溫換熱器(9)，其特征在于壓縮機(1)進、出口通過氫氣管路(3)與擴散床(4)進、出口相連，單向閥(2)設(shè)置在壓縮機(1)出口管路，擴散床(4)整體被床體絕熱外壁(7)包圍，靠近擴散床(4)進口處設(shè)置高溫換熱器(9)，靠近擴散床(4)靠近出口處設(shè)置低溫換熱器(6)，金屬氫化物粉末(8)填充在擴散床(4)內(nèi)，擴散床(4)進、出口設(shè)置微孔過濾片(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單合金壓縮—擴散式金屬氫化物熱泵/制冷系統(tǒng)，其特征是低溫換熱器(6)與外界熱源相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單合金壓縮—擴散式金屬氫化物熱泵/制冷系統(tǒng)，其特征是高溫換熱器(9)與外界熱沉相連。
全文摘要
一種單合金壓縮—擴散式金屬氫化物熱泵/制冷方法及系統(tǒng)，屬于制冷技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在處于固溶相和氫化物相之間的金屬氫化物兩端產(chǎn)生壓力差，金屬氫化物在高壓側(cè)吸氫放熱、在低壓側(cè)放氫吸熱，通過換熱器帶走產(chǎn)生的熱量/冷量，實現(xiàn)制熱/制冷；金屬氫化物高壓側(cè)吸收的氫原子借助擴散效應(yīng)源源不斷地通過金屬氫化物內(nèi)部轉(zhuǎn)移到低壓側(cè)，實現(xiàn)持續(xù)進行制熱/制冷。本發(fā)明系統(tǒng)包括壓縮機、單向閥、氫氣管路和擴散床，擴散床又包括微孔過濾片、低溫換熱器、床體絕熱外壁、金屬氫化物粉末和高溫換熱器。本發(fā)明降低了合金吸氫膨脹效應(yīng)對反應(yīng)容器的不利影響，極大地簡化了系統(tǒng)，提高了能源利用率和系統(tǒng)可靠性，從而有較好的經(jīng)濟性和實用性。
文檔編號F25B15/09GK1888725SQ20061002889
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者覃峰, 陳江平, 陳芝久 申請人:上海交通大學(xué)