Гидридный нагнетательно-тепловой насос

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(72) Уолкер Хилл Баумэн и Брюс Эллиот Сайрович (США)(71) Стандарт Ойл Компани (США)(54) (57) 1. ГИДРИДНЫЙ НАГНЕТАТЕЛЬ НО-ТЕПЛОВОЙ НАСОС, содержащий заполненные гидридообразующим материалом реакторы высокого и низкого давления, снабженные нагревательно-охладительными элементами и патрубками подвода и отвода гидрида, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, реакторы соединены между собой трубопроводами подачи гидрированного и дегидрированного мате,ЯО 1097871 А за) Г 25 В 2900 Г 25 В 1708 риала, имеющими тепловой контакт между собой и снабженными устройствами для перемещения гидрированного и дегидрированного материала из реактора низкого давления в реактор высокого давления и в обратном направлении.2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что реактор низкого давления расположен над реактором высокого давления, а устройства для перемещения гидрированного и дегидрированного материала выполнены в виде дросселя и дополнительного нагревателя, установленных соответственно на трубопроводах подачи гидрированного и дегидрированного материала.3. Насос по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что устройства для перемещения гидрированного и дегидрированного материалавыполнены в виде шлюзовых бункеров с входными и выходными патрубками, подключенными через клапаны к трубопроводам подачи гидрированного и дегидрированного С материала.51 О15 20 25 Изобретение относится к тепловым и нагнетательным насосным установкам, в которых гидрообразующий материал подвергается термоциркулированию, а именно к гидридоперекачивающим устройствам, в которых гидридообразующий материал периодически перемешается между средой с высоким давлением и средой с низким давлением.Известен гидридный нагнетательно-тепловой насос, содержащий заполненные гидридообразующим материалом реакторы, снабженные своими нагревательно-охлади- тельными элементами и патрубками подвода и отвода гидрида 11.Недостатком известного насоса является относительно низкая экономичность, так как его реакторы и содержащиеся в них гидриды подвергаются совместно термоциклированию. Термоциклирование главных конструктивных элементов 1 периодический нагрев термомассы реакторов) требует затрат энергии. Эта энергия восстанавливается только частично (за вычетом теплопотерь в окружающую среду), когда температура реакторов периодически изменяется, что приводит к уменьшению термодинамического КПД насоса,Цель изобретения - повышение экономичностити.Поставленная цель достигается тем, что в гидридном нагнетательно-тепловом насосе, содержащем заполненные гидридообразующим материалом реакторы высокого и низкого давления, снабженные нагревательноохладительными элементами и патрубками подвода и отвода гидрида, реакторы соединены между собой трубопроводами подачи гидрированного и дегидрированного материала, имеющими тепловой контакт между собой и снабженными устройствами для перемещения гидрированного и дегидрироьанного материала из реактора низкого давления в реактор высокого давления и в обратном направлении.Причем реактор низкого давления расположен над реактором высокого давления, а устройства для перемещения гидрированного и дегидрированного материала выполнены в виде дросселя и дополнительного нагревателя, установленных соответственно на трубопроводах подачи гидрированного и дегидрированного материала,Кроме того, устройства для перемещения гидрированного и дегидрированного материала выполнены в виде шлюзовых бункеров с входными и выходными патрубками, подключенными через клапаны к трубопроводам подачи гидрированного и дегидрированного материала.На фиг. 1 изображены типичные изотермы давление- состав для идеализированного гидр идообразующего материала; на фиг, 2 - конструкция нагнетательно-теплово 30 35 40 45 50 55 го насоса для движущегося гидрида; на фиг. 3 - другой вариант конструкции насоса для движущегося гидрида; на фиг. 4 - третий вариант насоса для движущегося гидрида,На фиг. 5 и 6 изображены идеализированные кривые давление-состав для циклов перекачивания, приведенных на фиг. 2.Гидрообразующие материалы, используемые в изобретении, способны улавливать и затем отдавать в больших количествах водород, соответствующий температуре и давлению водорода. Под термином водород подразумеваются все изотопы водорода включая дейтерий и тритий.Обычно каждый гидридообразователь обладает равновесной температурой, которая является функцией давления водорода. Когда гидридообразователь нагревается до температуры, превышающей равновесную температуру, и происходит дополнительная подача тепла, то гидрид начинает распадаться, отдавая ранее поглощенный водород. И наоборот, гидрообразователь будет абсорбировать водород, когда его температура становится ниже равновесной температуры, и происходит дальнейший отвод тепла. Таким образом, регулируя температуру и парциальное давление водорода на гидридообразующем материале, а также подводя или отводя от него тепло, можно изменять содержание водорода, накопленного в гидриде. Наибольший интерес в данном случае представляют те материалы, которые являются экзотермическими поглотителями водорода. Для этих материалов характерно выделение большого количества тепла при абсорбировании водорода,Большинство из предпочтительных гидридообразуюших материалов являются или сплавами металлов или чистыми металлами, которые способны накапливать большие количества водорода в металлической решетке. Количество водорода, накопленного в решетке, может быть выражено как атомное отношение Н/т, где Н - количество атомов водорода и гп - количество атомов металла. Полезной характеристикой многих гидридообразователей, включая многие металлические гидридообразователи, является то, что для заданной равновесной температуры равновесное давление будет примерно постоянным для широкого диапазона водородной емкости гидрообразователя в течение цикла гидрирования или дегидрирования. С точки зрения атомного отношения это означает, что для данной температуры эти материалы являются по существу изобарическими в широком диапазоне величин Нт. В качестве гидридообразователей могут использоваться сплавы, смеси и интерметаллические соединения никель-магний, лантанникель, кальций-никель, железо-титан-никель титан-никель, ниобий, скандий, ванадийи т.п. Кроме того, могут применяться углеводородные соединения с ненасыщенными связями углерод-углерод, которые могут принимать и отдавать водород при соответствующих условиях.На фиг. 1 представлены идеализированные изотермы для предпочтительного гидридообразователя, пригодного для использования. Эти материалы обладают изобарическими равновесными зонами, в которых для данной равновесной температуры равно новесное давление является по существу постоянным в широком диапазоне концентрации водорода. Следует иметь ввиду, что это является парциальным давлением водорода, а не полным давлением, которое показано на графиках (фиг. 1). В дальнейшем, если нет до полнительного пояснения, то речь идет о парциальном давлении водорода. Материалы, которые наиболее подходят для использования, имеют зоны плато, которые являются по существу изобарическими для диапазона Н/т порядка 0,10 или больше. Такие материа 20 лы способны абсорбировать или десорбировать большие количества водорода при фиксированных температуре и давлении путем регулирования потока тепла и водорода вблизи материала. 25Равновесная температура для данного давления не будет одной и той же для всех гидридообразующих материалов. С другой стороны, различные гидридообразующие материалы имеют различные равновесные З 0 температуры для данного давления, в результате чего в теплоперекачивающих схемах можно использовать в комбинации два или более гидридообразующих материалов.Для гидридообразователей более высокие равновесные температуры в основном связаны с более высокими давлениями водорода.Гидридообразующие материалы могут использоваться для создания как тепловых, так и нагнетательных насосов, применяющих циклы гидрид-дегидрид. Причем гидридообразующие материалы сами перемещаются из одной активной зоны в другую, уменьшая тем самым термоциклирование баков реактора. Гидридные насосы, в которых гидридообразующий материал перемещается 45 из одной активной зоны в другую, называются в дальнейшем гидридными насосами движущегося слоя.Основные циклы гидрирования/дегидрирования, использующие движущиеся слои50гидридообразующего материала, могут функционировать как нагнетательные, так и тепловые насосы. Схематично показан нагнетательный насос движущегося гидридообразующего материала. Многие из гидридо образующих материалов самопроизвольно измельчаются в порошок после повторного термоциклирования. Размер индивидуальных частиц порошка зависит, главным образом, от механических свойств гидридообразователя, подвергающегося циклированпю в среде богатой водородом. Некоторые из гидридообразующих металлов могут давать самопроизвольное спекание, и средний размер частиц у таких материалов может зависеть от динамического баланса между конкурирующими процессами роста частиц (спекания или агломерации или других аналогичных процессов) и разрушением частиц (дроблением). Для многих из этих материалов средний диаметр частицы находится в пределах от одного до пятидесяти микрон. В псевдожидком потоке движущаяся среда используется для переноса твердых частиц в направлении потока жидкости (среды). Скорость жидкости, необходимая для разжижения порошка известной плотнос - ти и размера, может быть определена на основе стандартных инженерных принципов. Наличие частиц небольшого размера дает ряд преимуществ. Скорость передачи тепла обычно больше для меньших частиц, а скорость жидкости, необходимой для разжижения порошка с частицами меньшего размера, будет ниже. Однако, с другой стороны, межчастичная связь и поверхность раздела газ-твердое тело могут представить значительные трудности, когда размер частицы уменьшается. Предпочтительные размеры частиц и скорость разжижающей жидкости будут изменяться в зависимости от свойств применяемого гидридообразующего материала. Под термином псевдожидкий и псевдожидкий слой здесь подразумевается большое разнообразие методов транспортирования, по которым твердые вещества захватываются текущей жидкостью. Термин этот следует понимать так, чтобы в него вошли методы транспортирования, в которых помимо движущейся жидкости используются средства для перемешивания или диспергирования тверых частиц, а также методы транспортирования, в которых движущаяся жидкость сама отделяет и переносит частицы. Так например, в сочетании с движущейся жидкостью для получения псевдожидкого потока могут использоваться лопатки, акустические средства или электромеханические средства.Для разжижения гидридообразователейимеется большое количество жидкостей, Однако, основными характеристиками, на которые следует обращать внимание при выборе жидкости, являются высокая скорость передачи тепла и водорода, а также то, чтобы она не ухудшала гидридообразующей способности гидридообразователя. Предпочтительной жидкостью является водород, который легко накапливается в гидридной системе, и характеризуется высокой скоростью теплопередачи и оказывает минимальное от 097871равляющее действие на гидридообразователь,Нагнетательный насос (фиг. 2) содержит реактор 1 высокого давления и реактор 2 низкого давления. Реактор 1 высокого давления -снабжен патрубком 3, по которому из реактора под высоким давлением отводится водород, и нагревательно-охладительным элементом 4, служащим для передачи высокотемпературного тепла в реактор, Аналогично реактор 2 низкого давления снабжен патрубком 5, по которому подается от источника водород под низким давлением, а также нагревательно-охладительным элементам 6, соединенным с низкотемпературным поглотителем тепла. Оба реактора частично заполнены гидридообразующим материалом, который циклируется между реакторами 1 и 2 с помощью устройства 7 для перемещения гидридированного материала через трубопровод 8 подачи гидрированного материала в указанном сплошной стрелкой направлении, а с помощью устройства 9 для перемещения дегидрированного материала в обратном направлении по трубопроводу 10 и подачи дегидрированного материала. Для тепловой связи двух потоков гидридообразующего материала используется противоточный теплообменник 11, с помощью которого часть тепловой энергии гидридообразующего материала, покидающего реактор 1 высокого давления, восстанавливается и используется для нагревания гидридообразующего материала, поступающего в реактор 1. На фиг. 3 представлена схема работающего в непрерывном режиме насоса для псевдожидкого гидрида,Насос содержит реактор 1 высокого давления и реактор 2 низкого давления, в которых находится соответствующий гидридообразующий материал. Водород высокого давления удаляется из реактора 1 через патрубок 3, а высокотемпературное тепло вводится с помощью нагревательно-охлади- тельного элемента 4. Аналогично, водород низкого давления подается в реактор 2 низкого давления через патрубок 5, а низко- температурное тепло отводится из него с ггомошью нагревательно-охладительного элемента 6.Трубопровод 8, снабженный дросселем 12, установлен между двумя реакторами давления 1 и 2, причем реактор 2 низкого давления расположен над рсзктором 1 высокого давления, а вес псевдожидкого гидрида, находящегося в трубопроводе 8, оказывается достаточным для поддержания требуемого перепада давлений между реакторами 2 и 1. Между реакторами 2 и 1 установлен трубопровод 10, выполняющий роль пузырькового подъемника. Дополнительный нагреватель 13 связан с частью трубопровода 10, Оба трубопровода 8 и 10 термически связаны с помощью противоточногр теплообменника 11,который передает тепло от поднимающегося потока псевдожидкого дегидрированного материала в трубопроводе 10 направленном вниз по потоку псевдожидкого гидрида в трубопроводе 8. Теплообменник 11 может быть очень простым устройством, которое осуществляет только тепловую связь между двумя потоками гидридообразующего материала. Восстановление тепла в гидридных насосах осуществляется без применения сложных систем, использующих движущуюся теплообменную среду и теплообменные насосы.В данном случае гидридообразующий материал сам перемещается, а восстановление тепла осуществляется путем установки трубопроводов, содержащих два потока гидридообразующего материала, рядом друг с другом и расположением между ними теплопроводного материала.Насос (фиг. 4) содержит реакторвысокого давления, снабженный патрубком 3 для подачи водорода высокого давления, и нагревательно-охладительным элементом 4 для отвода высокотемпературного тепла.В реактор 2 низкого давления подается низкотемпературное тепло с помощью нагревательно-охладительного элемента 6, а водород низкого давления удаляется из реактора по патрубку 5. Реакторыи 2 соединены со шлюзовыми бункерами 14, 15 и 16.Для регулирования потока между реакторами и шлюзовыми бункерами предусмотрены клапаны 17 - 21.30Насос (фиг. 2) работает следующим образом.При включении устройств 7 и 9 для перемещения гидрированного и дегидрированного материала последний движется в направлении против часовой стрелки по непрерывному циклу. На фиг. 5 дано идеализированное представление цикла гидрирования/дегидрирования, который выполняется в нагнетательном насосе, показанном на фиг. 2, Точка А на графике фиг. 5 представ ляет состояние дегидрированного материала, поступающего в реактор 2 низкого давления, при этом содержание водорода, давление и температура материала находятся на низком уровне. При этом материал абсорбирует водород в реакторе 2. Водород 45 низкого давления забирается материалом вовремя экзотермической реакции. Тепловая энергия удаляется из реактора 2 с помощью нагревательно-охладительного элемента 6 для поддержания гидрируюшего материала при требуемой низкой температуре.Когда содержание водорода в гидридообразующем материале увеличивается, то материал из точки А перемещается в точку В на графике фиг, 5. После насыщения гидридом материал перемешается в реакторвысокого давления, где он нагревается нагревательно-охладительным элементом 4 до более высокой температуры. При этой температуре равновесное давление водорода5 10 15 20 Кривые состава, представленные на фиг. 550 и 6, являются несколько идеализированными так как не учитывают влияние гистерезиса. Вообще же действительные кривые давление- состав показывают, что для данной температуры абсорбция будет иметь место только 55 при давлении, которое выше, чем давление, при котором происходит десорбция. Такое действие будет уменьшать общую произвостановится выше, чем раньше, и водород высокого давления отводится по патрубку 3,в результате чего гидрид смещается из точки С в точку 0 на графике фиг. 5, Нагревательно-охладительный элемент 4 осуществляет подачу высокотемпературного тепла, под действием которого протекает процесс эндотермического дегидрирования. После того, как материал существенно дегидрируется, он возвращается из реактора 1 высокого давления в реактор 2 низкого давления для повторения цикла, т.е. насос использует перенос тепла от более высокой температуры к низкой температуре для сжатия водорода.Цикл гидрирования/дегидрирования, показанный на фиг. 2 и 5, может быть реверсирован, и тогда устройство функционирует как тепловой насос. Водород высокого давления используется для переноса тепловой энергии от источника тепла низкой температуры к более высокой температуре. В этом случае гидрированный материал (показано пунктирной линией на фиг. 2) поступает в реактор 2 низкого давления через трубопровод 8. Водород низкого давления отводится по патрубку 5, и эта эндотермическая реакция протекает под действием низкотемпературного тепла нагревательно-охладительного элемента 6. Применительно к графику фиг. 6 материал перемещается из точки Е в точку Е, так как он десорбирует водород при, низких температуре и давлении.После того, как материал существенно дегидрировался, он перемешается по трубопроводу 10 в реактор 1 высокого давления, где материал подвергается воздействию водорода высокого давления и абсорбирует водород. Процесс экзотермической абсорбции сопровождается выделением большого количества тепла, имеюшего высокую температуру, которое поглошается нагреватель- но-охладительным элементом 4, Гидридообразователь смешается из точки б в точку Н на графике фиг. 3 по мере того, как он пог лошает водород. После того, как материал подвергся существенному гидрированию, он возврашается в реактор 2 низкого давления по трубопроводу 8, и цикл начинается сначала. Цикл теппового насоса гидрирования/ дегидрирования протекает под действием во дорода высокого давления с целью переноса тепла от источника низкотемпературного тепла до поглотителя высокотемпературного тепла. дительность насоса и может потребовать повышения температуры (давления) десорбции или понижения температуры (давления)абсорбции. Однако результируюшие потерипроизводительности могут быть низкими засчет тщательного выбора гидридообразующего материала. Некоторые гидриды даютярко выраженный гистерезис, тогда как вдругих влияние гистерезиса почти ничтожно.Кривые состава на графиках фиг. 5 и 6идеализированы в том смысле, что изотермы для любого данного гидридообразователя могут не давать участка совершенно постоянного давления в широком диапазоневеличин Н/т. Такое отклонение от полностьюизобарического поведения для некоторогодиапазона Н/т будет влиять на общую эффективность гидридного цикла. Предпочтительными гидридообразующими материалами являются такие, которые обладают изотермами с протяженной изобарической зоной.Гидридный нагнетательный насос, показанный на фиг. 3, работает следующим образом.Поскольку скорость циркуляции гидридообразователя между верхним и нижнимреакторами зависит от регулировки дросселя и количества тепла, добавляемого к дегидриду в трубопроводе 10 (с помошью дополнительного нагревателя 13), то тепло,добавленное к дегидриду с помошью нагревателя 13, вызывает десорбцию дополнительного водорода, который образует пузырьки в псевдожидком дегидриде. В другом случае в трубопровод 10 может подаваться транспортирующий газ, способствуюший образованию пузырьков. Эти пузырькиуменьшают общий вес материала в трубопроводе 10 и заставляет дегидрид подниматься вверх через трубопровод 10 в верхний реактор 2 низкого давления. После пребывания в верхнем реакторе 2 в течение времени, которое необходимо для полного дегидридирования, материал под действиемсилы тяжести опускается в нижний реактор 1,Реакторы могут выполняться с высокимитеплопередающими характеристиками и осуществлять быстрое смешивание псевдожидкого потока с тем, чтобы гарантировать более быстрое завершение реакции, чем среднее время нахождения материала в реакторах 1 и 2. Или же материал может проходитьчерез реакторы 1 и 2 в виде слоистого илизакупориваюшего потока, средняя скоростькоторого выбирается такой, чтобы гарантировать полную реакцию.Работа насоса (фиг. 4) осуществляетсяСледующим образом,В реактор 2, установленном выше другого реактора, постоянно поддерживается низкое давление. Гидридированный материалпадает в реактор 2 в точку, находящуюся нанекоторой высоте. По мере десорбции водо 10978715 1 О 15 20 25 30 35 40 45 9рода этим материалом тепло абсорбируется у нагревательно-охладительного элемента 6. Дегидридированный материал смещается на дно реактора, так как дегидрид постепенно удаляется с основания реактора 2. Между последним и шлюзовым бункером 15 встроен клапан 17. Последний периодически открывается для того, чтобы пропустить материал из реактора 2 в бункер 15, после чего клапан закрывается.Для создания давления в бункере 15 в него может добавляться водород, однако, это может и не потребоваться для правильной работы устройства. У основания бункера 15 установлен другой клапан 18, открывающийся в нижний реактор 1. Когда этот клапан 18 открыт, то дегидридированные частицы падают из шлюзового бункера в нижний реактор 1, и клапан 18 закрывается. Водород высокого давления подается в реактор 1 через патрубок 3. Этот водород абсорбируется гидридообразующим материалом, который экзотермически освобождает высокотемпературное тепло, забираемое нагревательно-охладительным элементом 4. У основания реактора 1 установлен клапан 19, открывающийся в нижний шлюзовой бункер 16, в который поступают порции гидридированного материала. После этого в бункер подается водород высокого давления,а как только клапан 19 закрывается, то открывается клапан 20, благодаря чему водород высокого давления проходит в бункер 16. Движущийся водород переносит порошкообразный гидрид в верхний бункер 14, где он собирается. Из бункера 14 удаляются водород для перерегулировки газового давления до того, как открывается клапан 21, и порция порошкообразного гидрида упадет в реактор 2 низкого давления. Противоточный теплообменник 11 термически связывает гидрид, находящийся в бункере 16, с гидридообразующим материалом в бункере 15, восстанавливая тем самым часть тепловой энергии гидрида.Использование шлюзового бункера для транспортирования гидрида применено и к гидридным нагнетательным насосам и к гидридным насосам, в которых реактор высокого давления установлен над реактором низкого давления. В этом случае гравитационные силы используются для перемещения порошкообразного гидридообразователя вниз через основную часть цикла, а псевдоожи 10женный поток - для подъема гидридооб разователя с целью завершения цикла.Путем изменения относительного размера шлюзовых бункеров 14, 15 и 16 по отношению к реакторам 1 и 2 система может выполняться для работы как по непрерывному циклу, так и по циклу движущейся порции. Когда бункеры используются для передачи порций, которые относительно малы по сравнению с объемом гидрообразователя в любом из реакторов 1 и 2, то цикл протекает почти непрерывно. Шлюзовые бункеры могут быть выполнены для размещения в них всего содержимого реакторов 1 и 2, В этом случае насос работает по циклу движущейся порции.Транспортирование гидрида в состоянии псевдожидкого порошка (фиг. 3) заключается в том, что количество движущихся частей сводится до минимума. Поскольку вес столба псевдожидкого гидрида используется для поддержания перепада давлений между верхним и нижним реакторами, то вертикальное разделение между реакторами должно выбираться с учетом обеспечения тре. буемого полного перепада давлений. Во многих случаях и для многих циклов гидридирования (дегидридирования) может потребоваться относительно большое вертикальное разделение агрегатов насоса. Поэтому, использование данного метода рекомендуется для транспортирования гидридообразователя для крупномасштабных промышленных систем.Второй способ псевдоожиженного транспортирования гидридообразователей показан на фиг. 6. Метод, основанный на применении шлаковых бункеров, может применяться при малом весе столба гидридообразователя для поддержания перепада давлений между реакторами.Применение шлюзовых бункеров для транспортирования гидрида дает ряд преимуществ по сравнению с конструкцией по фиг. 5. Устройство может быть выполнено меньших размеров, поскольку здесь для создания перепада давлений в системе не требуется вес гидридообразователя. Однако метод шлюзовых бункеров требует применения большого количества клапанов, работающих в тяжелых условиях, включающих во многих случаях протекание твердых частиц, в результате чего в данном случае увеличивается обслуживание клапанов для обеспечения их правильной работы.игор Государственного комите ам изобретений и откр ва, Ж - 35, Раушская Патент, г. Ужгород, ул Редактор А. Доли иичЗаказ 4190/33ВНИИПИпо де113035, Моефилиал ППП Составитель В. Ша Техред И. ВересТираж 514 анаевКорректор ОПодписноета СССРытийаб., д. 4/5Проектная, 4