СПОСОБ РАБОТЫ МЕТАЛЛОГИДРИДНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА Российский патент 2001 года по МПК F25B17/12 

Изобретение относится к теплотехнике и холодильной технике и может быть использовано в металлогидридных тепловых насосах (МГТН), предназначенных для промышленных и бытовых систем отопления и кондиционирования воздуха.

Известен способ работы МГТН, при котором в рабочем диапазоне температур используют по меньшей мере две пары гидридов металла: гидрид металла M₁H с низким равновесным парциальным давлением и гидрид металла M₂H с высоким равновесным парциальным давлением разложения. В первом цикле работы из M₁H выделяют водород путем поглощения тепла и абсорбируют его гидридом M₂H с тепловыделением. Затем во втором цикле работы в M₂H выделяют водород при теплопоглощении и абсорбируют его гидридом M₁H с тепловыделением. Тепло, выделенное в результате абсорбции водорода гидридами M₁H и M₂H, отбирают в качестве источника тепла, а тепло, поглощенное в результате выделения водорода гидридами M₁H и M₂H, служит источником холода. При этом попеременно осуществляют теплообмен между M₁H первой пары и M₂H второй пары (см. заявку Японии N 63-4111, F 25 B 7/08/, опубл. 27.01.1988).

Недостатки известного способа заключаются в сложности осуществления процесса теплообмена между парами металлогидридов, что снижает термодинамическую эффективность МГТН.

Известен способ работы МГТН, при котором осуществляют перетекание водорода между двумя рядами емкостей с низкотемпературным и высокотемпературным металлогидридами, за счет процессов сорбции и десорбции водорода в условиях регенерации тепла, при циркуляции теплопередающей жидкости через емкости в каждом из указанных рядов (см. Патент США N 5042259, НКИ 62/46.2, опубл. 27.08.1991).

Недостатки известного способа заключаются в существующих потерях давления и температуры потоков водорода в трактах теплогидравлической системы МГТН, содержащей большое количество клапанов. В результате удельная полезная мощность МГНТ снижается.

Анализ уровня техники в области МГНТ показывает, что несмотря на то, что за последние годы разработан ряд сплавов-накопителей водорода, способных сорбировать и десорбировать до 3-х мас.% водорода при температурах порядка 100^oC, до настоящего времени не созданы МГНТ, конкурентоспособные с существующими холодильными установками испарительного типа.

Основной недостаток известных МГНТ заключается в том, что в каждом цикле сорбции и десорбции в металлогидридах принимает участие неполная масса сорбированного водорода, вследствие чего тепловой эффект цикла ниже теоретически возможного на 20 - 50%. Поэтому удельная полезная мощность МГНТ снижается.

Задачей изобретения является разработка способа работы МГНТ, обеспечивающего повышение термодинамической эффективности и удельной полезной мощности МГНТ за счет большей массы водорода, принимающей участие в периодических циклах реакций сорбция/десорбция.

Поставленная задача решается тем, что в способе работы МГНТ, включающем поочередные полуциклы зарядки и генерации заданной температуры двух пар - высокотемпературного и низкотемпературного металлогидридов, работающих в противофазе с различными уровнями давлений водорода, согласно изобретению в пары металлогидридов водят неодинаковые количества водорода так, что в паре металлогидридов, работающих с меньшим давлением водорода, его содержание меньше, чем в паре, работающей с большим давлением водорода, а в момент окончания первого полуцикла, до начала второго полуцикла, в пару металлогидридов с меньшим количеством водорода добавляют дополнительную массу водорода, из пары металлогидридов с большим количеством водорода отводят часть водорода, при этом дополнительная и отведенная массы водорода равны, время изменения содержания водорода не превышает времени полуцикла, а конечные содержания водорода в парах различаются на величину разности содержаний в первом полуцикле с обратным знаком. Кроме того, в процессе изменения содержания водорода в парах металлогидридов, энергообмен МГТН с окружающей средой проводят в режиме первого полуцикла, кроме генерации заданной температуры.

Причинно-следственная смесь между существенными признаками и техническим результатом заключается в следующем.

Классический МГТН при прочих неизмененных условиях работает тем эффективнее, чем выше максимальное давление водорода в цикле и чем ниже минимальное давление в цикле. Тогда в реакциях сорбции/десорбции принимает участие больше водорода из количества, которое способны аккумулировать выбранные для МГТН металлогидриды. В предлагаемом способе, перепуская водород из одной пары сорберов в другую пару сорберов по завершении полуциклов и обратно, удается повысить максимальное и понизить минимальное давление в термодинамическом цикле работы МГТН.

На фиг. 1 представлена схема МГТН с перепускным клапаном, позволяющим реализовать предлагаемый способ; на фиг. 2 показан термодинамический цикл работы МГТН в соответствии с предлагаемым способом в координатах давление - содержание водорода.

МГТН содержит две пары высокотемпературных 1, 2 и низкотемпературных 3, 4 сорберов, заполненных металлогидридами и соединенных друг с другом с помощью трубопроводов 5, 6, между которыми установлен перепускной клапан 7. Способ осуществляют следующим образом.

1) Изначально в пару сорберов 1 - 3 заведено количество водорода m + δm, в пару сорберов 2-4 заведено количество водорода m - δm.

2) Сорбер 12 подогревают до температуры T_h (например, 90^oC), при этом водород выделяется из высокотемпературного металлогидрида (например, LaNi₅H_x) и поглощается в низкотемпературном металлогидриде (например, MmNi_4,15Fe_0,85H_y) при температуре T_m (например, 20^oC). В конце полуцикла система сорберов 1-3 харакреризуется точками на изомерах соответственно высокотемпературного и низкотемпературного металлогидридов. Суммарное количество водорода в паре сорберов равно (m_2h + m₂₁) = m_ε. Точка B является предельной точкой плато низкотемпературного гидрида для данной температуры. Давление водорода в системе максимально (например, 12 ата). При этом пара сорберов 2-4 характеризуется минимальным давлением водорода (например, 1,5 ата) и завершением десорбции водорода из низкотемпературного металлогидрида (точка D на изотерме). Высокотемпературный металлогидрид в сорбере 2 характеризуется точкой C на изотерме. Суммарное количество водорода в паре сорберов 2-4 равно (m_1h + m₁₁ < (m_2h + m₂₁).

3) На время 0,5...2 мин открывают клапан 7. Происходит перетекание водорода из одной пары сорберов в другую. Количество перетекающего водорода регулируют подачей теплоносителя с температурой T_m на сорбер 2 и теплоносителя с температурой T_h на сорбер 1. Таким образом, обе пары сорберов по количеству находящегося в них водорода меняются местами.

4) После закрытия клапана 7 нагревают сорбер 2 до температуры T_h, а сорбер 1 охлаждают до температуры T_m. Их предельные состояния характеризуются точками A и C. Соответствующие предельные состояния низкотемпературных металлогидридов характеризуются точками B и D. На уровне T₁ вырабатывается полезный холод, а качество этого холода прямо пропорционально величине m_a (массе активного водорода, поглощаемого и выделяемого низкотемпературным металлогидридом). В предлагаемом способе величина m_a максимальна, так как благодаря дополнительной массе водорода в стадии зарядки создается максимальное давление насыщения, а благодаря дефициту водорода в нижней точке цикла - минимальное давление водорода. Подобное явление возможно только при наклонных плато давления металлогидридов, что и наблюдается в действительности. Даже для наиболее "горизонтальных" плато из известных для LaNi₅H_x различие давлений в начале и в конце изотерм достигает 20%.

5) По завершении полуцикла снова на 0,5...2 мин открывают клапан 7 и повторяют операции в вышеописанной последовательности.

Эксперименты показали, что при генерации тепла на уровне 120^oC использование предлагаемого способа позволяет повысить температуру в среднем до 125^oC или повысить теплопроизводительность на 10 - 30%. При генерации холода на уровне минус 7^oC обеспечивается понижение генерируемой температуры в среднем до минус 12^oC или повышение холодопроизводительности на 10 - 30%.

В сравнении с аналогами заявляемый способ обеспечивает повышение/понижение генерируемой температуры в среднем на 5^oC или повышение полезной мощности в среднем на 20%. В результате МГТН могут быть легче и дешевле в среднем на 20%, что позволит им конкурировать с водоаммиачными и бромисто-литиевыми тепловыми насосами.

Способ заключается в поочередных полуциклах зарядки и генерации заданной температуры двух пар - высокотемпературного и низкотемпературного металлогидридов, работающих в противофазе с различными уровнями давлений водорода. В пары металлогидридов вводят неодинаковые количества водорода, причем в паре металлогидридров, работающих с меньшим давлением водорода, его содержание меньше, чем в паре, работающей с большим давлением водорода, а в момент окончания первого полуцикла, до начала второго полуцикла, в пару металлогидридов с меньшим количеством водорода добавляют дополнительную массу водорода, из пары металлогидридов с большим количеством водорода отводят часть водорода, при этом дополнительная и отведенная массы водорода равны, время изменения содержания водорода не превышает времени полуцикла, а конечные содержания водорода в парах различаются на величину разности содержаний в первом полуцикле с обратным знаком. В процессе изменения содержания водорода в парах металлогидридов энергообмен металлогидридного теплового насоса с окружающей средой проводят в режиме первого полуцикла, кроме генерации заданной температуры. Использование изобретения позволит повысить термодинамическую эффективность и удельную полезную мощность теплового насоса за счет большей массы водорода, принимающей участие в периодических циклах реакций сорбция-десорбция. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы металлогидридного теплового насоса, заключающийся в поочередных полуциклах зарядки и генерации заданной температуры двух пар - высокотемпературного и низкотемпературного металлогидридов, работающих в противофазе с различными уровнями давлений водорода, отличающийся тем, что в пары металлогидридов вводят неодинаковые количества водорода, причем в паре металлогидридов, работающих с меньшим давлением водорода, его содержание меньше, чем в паре, работающей с большим давлением водорода, а в момент окончания первого полуцикла, до начала второго полуцикла, в пару металлогидридов с меньшим количеством водорода добавляют дополнительную массу водорода, из пары металлогидридов с большим количеством водорода отводят часть водорода, при этом дополнительная и отведенная массы водорода равны, время изменения содержания водорода не превышает времени полуцикла, а конечные содержания водорода в парах различаются на величину разности содержаний в первом полуцикле с обратным знаком. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе изменения содержания водорода в парах металлогидридов энергообмен металлогидридного теплового насоса с окружающей средой проводят в режиме первого полуцикла, кроме генерации заданной температуры.