CN109441581A - 一种双工质合成做功的*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双工质合成做功的***，包括1号膨胀机、发电机、双室涡轮增压机、间壁换热器、管壳式换热器和气化器。1号膨胀机与发电机轴连接。间壁换热器的氢气出口通过氢气循环管路连接到1号膨胀机的入口，1号膨胀机的出口通过管壳式换热器连接到双室涡轮增压机的增压室氢气入口，增压室的氢气出口连接到间壁换热器的氢气入口。间壁换热器的氮气出口通过氮气循环管路经管壳式换热器连接到液氮加压泵。液氮加压泵出口通过气化器连接到双室涡轮增压机的涡轮室氮气入口，涡轮室的出口连接到间壁换热器的氮气入口。本发明以氢气、氮气等为循环工质，利用大自然能量及工业余热将热能转变为机械能和电能，有利于节能减排、创造经济效益。

Description

一种双工质合成做功的***

技术领域

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种双工质合成做功的***。

背景技术

自然界充满着无限的常温能源，空气、海水等无限量的常温能源，具有开发潜力。地球上的能源绝大部分来自于太阳，在能源日益紧缺的今天，新的可再生绿色洁净发电技术日益受到重视。现在新能源中，水能和风能发电技术应用较为普遍，技术也较为成熟。水电开发潜力不大，而风力又过于分散，只能在一些特定区域有用，而且水能和风能发电装置投入很大，占地面积广。空气能已逐步进入人们的视野中，目前空气能热水器也得到了普遍应用，其原理就是利用空气中的热能，通过热泵加热水。但是利用空气能发电的技术非常少，技术不够成熟，难以推广应用。

授权公告号为CN202055876U，授权公告日为2011年11月30日的中国实用新型专利公开了一种新能源太阳能热力超临界低温空气能发电装置。包括吸热器、膨胀发电机组、回热器、冷却器、增压泵、制冷机及其管道附件及检测和控制装置，密闭***内有氮气或混合工质。工质经吸热器成为高压超临界流体，经膨胀发电机组做功发电成为临界状态工质，经回热器、冷却器冷凝，由增压泵压入回热器换热再进吸热器吸热形成封闭循环发电***。它也可以用于余热废热地热等中低温热源发电，工质用二氧化碳或混合工质。该实用新型专利能够将空气能转化成推动发电机组转动的动能，但是因冷却器冷凝需要耗能，其***能量转换率变低，发电机发电量较小，实际推广价值有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种双工质合成做功的***，通过氢气和氮气工质循环，利用空气的热量通过能量转换转变为机械能带动发电机发电，充分利用大自然能量及工业余热，节能减排增加企业经济效益。

本发明的技术方案是：

一种双工质合成做功的***，***包括1号膨胀机、发电机、双室涡轮增压机、间壁换热器、氢气循环管路、氮气循环管路、液氮加压泵、管壳式换热器和气化器。1号膨胀机与发电机轴连接，发电机与外部电网电路连接。双室涡轮增压机包括涡轮室和增压室。间壁换热器的氢气出口通过氢气循环管路连接到1号膨胀机的入口、1号膨胀机的出口通过管壳式换热器的管程连接到双室涡轮增压机的增压室氢气入口。增压室的氢气出口连接到间壁换热器的氢气入口。间壁换热器的氮气出口通过氮气循环管路经管壳式换热器的壳程连接到液氮加压泵。液氮加压泵出口通过气化器连接到双室涡轮增压机的涡轮室氮气入口。涡轮室的氮气出口连接到间壁换热器的氮气入口。

气化器为液氮气化器或空气气化器。

***设有空气换热管路。空气气化器为管壳式结构。空气换热管路连接到空气气化器的管程入口，空气气化器的管程出口与大气连通。液氮加压泵出口通过空气气化器的壳程连接到双室涡轮增压机的涡轮室氮气入口。

另一种形式，气化器为液氮气化器，液氮加压泵的出口通过液氮气化器连接到双室涡轮增压机的涡轮室氮气入口，液氮气化器设有换热盘管。***设有氢反应床单元、空气换热管路、1号氢气中间罐、2号膨胀机、2号氢气中间罐和空气换热器。2号膨胀机与发电机轴连接。氢反应床单元的每台氢反应床分别设有低压氢气进口、高压氢气出口、换热氢气入口和换热氢气出口。氢反应床单元的每台氢反应床的高压氢气出口经高压氢气管路连接到2号膨胀机的入口， 2号膨胀机的出口通过低压氢气管路连接到每台氢反应床的低压氢气进口。氢反应床单元中的氢反应床的换热氢气出口通过三通阀分为两路，一路经冷却氢气管路依次通过换热介质低压氢气循环泵、1号氢气中间罐、液氮气化器的换热盘管和三通阀连接到氢反应床的换热氢气入口，形成换热循环回路。另一路经加热氢气管路依次通过换热介质高压氢气循环泵、2号氢气中间罐、空气换热器的管程和三通阀连接到氢反应床的换热氢气入口，形成氢气加热回路。空气换热管路连接到空气换热器的壳程入口，空气换热器的壳程出口与大气连通。

氢反应床单元设有至少两台氢反应床，每台氢反应床分别设有低压氢气进口、高压氢气出口、换热氢气入口和换热氢气出口。低压氢气进口设有低压氢气进口阀门，高压氢气出口设有高压氢气出口阀门，换热氢气入口和换热氢气出口分别设有三通阀。所述氢反应床单元可以依据放氢热源温度设置为多级。

氢反应床内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物；低压氢气由低压氢气入口进入氢反应床，低压氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出高压氢气。氢反应床为一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构，允许每级氢反应床中的每个氢反应床内的金属氢化物的品种、质量或体积可以不一样，每级氢反应床可以相同或者不同。

氢反应床采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质。氢反应床采用的高压或低压循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质。对氢反应床吸氢时放出的反应热，采用换热循环介质进行换热，换热循环介质包括但不限于低压循环氢气，低压循环氢气的温度可以跟吸氢温度不同，可以是比吸氢温度更低的温度，当低压循环氢气的温度低于吸氢温度时，吸氢时的换热循环介质可以采用间断直接进入或变流量直接进入氢反应床内部，从而使氢反应床的温度在吸氢温度以下保持稳定。

氢反应床设置有金属氢化物更换装置，将生产过程中粉化或老化的金属氢化物快速移出并更换装载新的金属氢化物，利用吸放氢间歇时间快速更换氢反应床内的物料，也可以停机更换氢反应床内的物料，被更换的物料可以是吸氢状态，也可以是放氢状态，也可以是吸放氢的过渡状态。

氢反应床单元的氢反应床设有使用过的金属氢化物抽出口和新鲜金属氢化物加入口，金属氢化物更换装置包括新鲜金属氢化物仓和使用过的金属氢化物仓，使用过的金属氢化物抽出口通过密封阀和抽出泵连接到使用过的金属氢化物仓，新鲜金属氢化物仓通过添加泵和密封阀连接到氢反应床。金属氢化物更换装置或采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内金属氢化物更换的任何方法都适用。

双室涡轮增压机和间壁换热器组成的加压调温***被能够将氢气氮气混合后再分离，同时传热使温度平衡的***替代。氢气和氮气混合或者采用引射器结构。氢气氮气混合后或者采用膜分离或吸氢分离分离单元分离。当采用吸氢分离单元时，吸氢分离单元设有至少两台金属氢化物反应床和吸氢分离换热器，吸氢分离换热器与每台金属氢化物反应床循环连接。允许设置由多组吸氢分离单元串联或并联的形成的组合，保证能够连续、稳定提供氢气和氮气。吸氢分离单元的氮气出口和氢气出口设置膜结构，氮气出口的膜结构只允许氮气通过并流出吸氢分离单元，氢气出口的膜结构只允许氢气通过并流出吸氢分离单元。

调整两个氢气膨胀机的氢气流量、膨胀机前压力和膨胀比，使1号膨胀机和2号膨胀机转速尽可能接近一致，再通过加气体抽头，使1号膨胀机和2号膨胀机组合成一个膨胀机。

如果空气经过空气气化器，有可能结霜，当空气经过空气换热器，氢气经过液氮气化器时，会使结霜过程缓解。

本发明双工质合成做功的***通过以氢气、氮气等为循环工质，利用空气自身的热量，通过工质循环驱动膨胀机做功，将热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，充分利用了大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。将本发明双工质合成做功的***安装在轮船等交通工具，可以利用海水等其它自然物质所携带的能量，通过工质循环驱动膨胀机做功，将热能转变为机械能驱动交通工具运行，实现绿色交通。通过本发明双工质合成做功的动力***设备的适当替换可以实现烟气等携带热能废气的余热利用，扩大应用范围。

附图说明

图1为本发明一种实施方案的流程示意图；

图2为氢反应床单元的结构示意图；

图3为本发明另一种实施方案的流程示意图；

图4为氢反应床金属氢化物更换装置图；

图5为吸氢分离单元的结构示意图。

其中：1—氢反应床单元、2—液氮气化器、3—2号膨胀机、4—1号膨胀机、5—发电机、6—双室涡轮增压机、8—间壁换热器、9—低压氢气管路、10—高压氢气管路、11—氢气循环管路、12—空气换热管路、13—换热介质循环泵、14—液氮加压泵、15—管壳式换热器、17—换热盘管、18—氮气循环管路、19—低压氢气进口阀门、20—高压氢气出口阀门、21—换热介质高压氢气循环泵、22—空气气化器、23—新鲜金属氢化物仓、24—使用过的金属氢化物仓、25—换热氢气管路、26—加热氢气管路、27—1号氢气中间罐、28—2号氢气中间罐、29—空气换热器、30—三通阀、31—低压氢气进口、32—高压氢气出口、33—换热氢气入口、34—换热氢气出口、35—氢反应床、36—使用过的金属氢化物抽出口、37—新鲜金属氢化物加入口、38—密封阀、39—添加泵、40—抽出泵、41—吸氢分离单元、42—金属氢化物反应床、43—吸氢分离换热器、A—1号氢反应床、B—2号氢反应床、C—3号氢反应床。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明双工质合成做功的***如图1所示，包括1号膨胀机4、发电机5、双室涡轮增压机6、间壁换热器8、氢气循环管路11、氮气循环管路18、液氮加压泵14、管壳式换热器15、空气换热管路12和空气气化器22。1号膨胀机4与发电机5轴连接，发电机与外部电网电路连接，发电机发的电并入电网外供。空气气化器22为管壳式结构，双室涡轮增压机6包括涡轮室和增压室。间壁换热器8的氢气出口通过氢气循环管路11连接到1号膨胀机4的入口，1号膨胀机4的出口通过管壳式换热器15连接到双室涡轮增压机6的增压室氢气入口，增压室的氢气出口连接到间壁换热器8的氢气入口。间壁换热器8的氮气出口通过氮气循环管路18经管壳式换热器15连接到液氮加压泵14。液氮加压泵14出口通过空气气化器22的壳程连接到双室涡轮增压机6的涡轮室氮气入口。涡轮室的氮气出口连接到间壁换热器8的氮气入口。空气换热管路12连接到空气气化器22的管程入口，空气气化器22的管程出口与大气连通。

本发明双工质合成做功的***的运行过程为，氮气经氮气循环管路18依次通过管壳式换热器15的壳程、液氮加压泵14、空气气化器22、双室涡轮增压机6的涡轮室和间壁换热器8进行氮气循环，与空气进行换热驱动双室涡轮增压机6做功，压缩氢气并将热量传递给氢气。氢气经氢气循环管路11依次通过管壳式换热器15的管程、双室涡轮增压机6的增压室、间壁换热器8和1号膨胀机4进行氢气循环，驱动1号膨胀机4运转做功，带动发电机5发电。

氢气循环主要是膨胀做功，产生温度低于液氮加压泵前的氢气，用于冷凝循环的氮气并使其过冷。氮气循环主要作用是在被低温氢气冷凝和过冷后再经液氮加压泵和空气气化器的作用，吸收空气中的热量，使液氮气化，获得高压的氮气，通过双室涡轮增压机利用高压氮气给低压氢气增压，同时保持两种气体的分离状态。增压后的氢气和膨胀降压后的氮气在间壁换热器换热，达到-155℃。氢气膨胀，氮气冷凝，完成各自的循环。调节***中氢气和氮气的相对量，可使氮气循环和氢气循环达到热平衡，即从1号膨胀机4出口的低温氢气通过管壳式换热器15的管程传递冷量给氮气，从而实现氮气的冷凝和过冷。液氮加压泵流出的液氮温度为-148℃，10MPa, 流经空气气化器，吸收空气能使液氮气化并升高到-145℃。从1号膨胀机4流出的-162℃、2MPa氢气通过管壳式换热器15的管程吸收氮气循环***释放的热量并升温到-160℃，在双室涡轮增压机内氢气被加压到2.15MPa，氮气根据需要膨胀到2.15MPa。经过间壁换热器8，氮气把热量传递给氢气，氮气降温，氢气升温，最后二者的压力均为2.15MPa，温度均为-155℃。1号膨胀机4出口压力2MPa使得1号膨胀机4出口氢气的温度达到-162℃。从间壁换热器8流出的-155℃的氮气进入管壳式换热器15的壳程，从1号膨胀机4流出的-162℃低温氢气进入管壳式换热器15的管程，从而通过换热实现氮气的冷凝和液氮的过冷。过冷液氮的温度为-158℃，压力为2MPa，经液氮加压泵14升压到10MPa并升温到-148℃，从而完成氮气的循环。从管壳式换热器15流出的-160℃的低压氢气经双室涡轮增压机6升压到2.15MPa，再经间壁换热器8升温到-155℃，从而完成一个循环。

双室涡轮增压机6和间壁换热器8组成的加压调温***16可以被其他类似***所代替，如氢气氮气混合后再分离，同时传热使温度平衡，氢气和氮气混合也可以采用引射器结构或其他结构。氢气氮气混合后也可以采用膜分离和吸氢分离单元分离41等方法分离。当采用吸氢分离单元41时，吸氢分离单元设有至少两台金属氢化物反应床和吸氢分离换热器，所述吸氢分离换热器与每台金属氢化物反应床循环连接；允许设置由多组吸氢分离单元串联或并联的形成的组合，保证能够连续、稳定提供氢气和氮气；吸氢分离单元的氮气出口和氢气出口设置膜结构，氮气出口的膜结构只允许氮气通过并流出吸氢分离单元，氢气出口的膜结构只允许氢气通过并流出吸氢分离单元。

实施例2

本发明另一实施方式如图2所示，包括1号膨胀机4、2号膨胀机3、发电机5、双室涡轮增压机6、间壁换热器8、氢气循环管路11、氮气循环管路18、液氮加压泵14、管壳式换热器15、氢反应床单元1、空气换热管路12、1号氢气中间罐27、液氮气化器2、2号氢气中间罐28和空气换热器29。液氮气化器2设有换热盘管17，双室涡轮增压机6包括涡轮室和增压室。1号膨胀机4与发电机5轴连接，2号膨胀机3与发电机5轴连接，发电机5与外部电网电路连接，发电机发的电并入电网外供。如图3所示，氢反应床单元1设有三台氢反应床，1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C，每台氢反应床设有低压氢气入口31、高压氢气出口32、换热氢气入口33、换热氢气出口34。换热氢气入口33和换热氢气出口34分别设有三通阀30。氢反应床单元1的每台氢反应床的高压氢气出口32经高压氢气管路10连接到2号膨胀机3的入口，2号膨胀机3的出口通过低压氢气管路9连接到每台氢反应床的低压氢气进口31。氢反应床单元1中的氢反应床的换热氢气出口34通过三通阀30分为两路，一路经冷却氢气管路25依次通过换热介质低压氢气循环泵13、1号氢气中间罐27、液氮气化器2的换热盘管17和三通阀30连接到氢反应床的换热氢气入口33，形成换热循环回路。另一路经加热氢气管路26依次通过换热介质高压氢气循环泵21、2号氢气中间罐28、空气换热器29的管程和三通阀30连接到氢反应床的换热氢气入口33，形成氢气加热回路。空气换热管路12连接到空气换热器29的壳程入口，空气换热器29的壳程出口与大气连通。间壁换热器8的氢气出口通过氢气循环管路11连接到1号膨胀机4的氢气入口，1号膨胀机4的氢气出口通过管壳式换热器15的管程连接到双室涡轮增压机6的增压室氢气入口，增压室的氢气出口连接到间壁换热器8的氢气入口。间壁换热器8的氮气出口通过氮气循环管路18经管壳式换热器15的壳程连接到液氮加压泵14。液氮加压泵14的出口通过液氮气化器2的壳程连接到双室涡轮增压机6的涡轮室氮气入口。涡轮室的氮气出口连接到间壁换热器8的氮气入口。

本实施例的运行过程为，氮气经氮气循环管路18依次通过管壳式换热器15的壳程、液氮加压泵14、液氮气化器2、双室涡轮增压机6的涡轮室和间壁换热器8进行氮气循环，与换热介质氢气进行换热驱动双室涡轮增压机6做功，压缩氢气并将热量传递给氢气。氢气经氢气循环管路11依次通过管壳式换热器15的管程、双室涡轮增压机6的增压室、间壁换热器8和1号膨胀机4进行氢气循环，驱动1号膨胀机4运转做功，带动发电机5发电。氢反应床单元1中的氢反应床的高压氢气出口32经高压氢气管路10、2号膨胀机3，再经低压氢气管路9和低压氢气入口31到氢反应床进行氢气循环，驱动2号膨胀机3运转做功，带动发电机5发电。氢反应床单元1有两路循环，一路经换热氢气管路25，依次通过换热介质低压氢气循环泵13、1号氢气中间罐27、液氮气化器2的换热盘管17、三通阀30和换热氢气入口33到氢反应床，氢气直接进入氢反应床，把氢反应床吸氢放热带出，形成换热循环，把热量传递给液氮，使液氮气化。另一路经加热氢气管路26，依次通过换热介质高压氢气循环泵21、2号氢气中间罐28、空气换热器29、三通阀30和换热氢气入口33到氢反应床，形成加热管路，用氢气作循环介质，进入氢反应床对氢反应床直接加热，通过空气换热器29用空气加热循环氢气，作为氢反应床单元1中的氢反应床的热量来源。

如图4所示，氢反应床单元1的氢反应床设有使用过的金属氢化物抽出口36和新鲜金属氢化物加入口37，所述金属氢化物更换装置包括新鲜金属氢化物仓23和使用过的金属氢化物仓24，所述使用过的金属氢化物抽出口36通过密封阀38和抽出泵40连接到使用过的金属氢化物仓24，新鲜金属氢化物仓23通过添加泵39和密封阀38连接到氢反应床的新鲜金属氢化物加入口37。金属氢化物更换装置或采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内金属氢化物更换的任何方法都适用。

金属氢化物更换装置的运行过程为：需要更换金属氢化物时，先关闭新鲜金属氢化物加入口37的密封阀38，打开使用过的金属氢化物抽出口36的密封阀38，启动抽出泵40由氢反应床向使用过的金属氢化物仓24输送使用过的金属氢化物；氢反应床中使用过的金属氢化物抽出后，关闭使用过的金属氢化物抽出口36的密封阀38，打开新鲜金属氢化物加入口37的密封阀38，启动添加泵39由新鲜金属氢化物仓23向氢反应床中添加新鲜金属氢化物，添加完后关闭新鲜金属氢化物加入口37的密封阀38。吸氢分离单元41参照上述氢反应床设置氢反应床的金属氢化物更换装置。

本发明形成双***，包括氢反应床单元、换热氢气管路25、加热氢气管路26和2号膨胀机形成的***Ⅰ，以及主要由液氮气化器与1号膨胀机形成的***2。***Ⅰ从空气得到热能，同时有低温热排放到***Ⅱ的液氮气化器，二者存在热量耦合关系，可实现低温热能的梯级利用。***Ⅱ中氮气和氢气两种循环工质互不混合，构成了两个独立的循环。其中氢气循环可实现膨胀做功，并同时产生低温氢气，该低温氢气的温度低于管壳式换热器15前的液氮过冷温度，从而可作为液氮过冷的冷源。

两个***的工质工作过程分别叙述如下：***Ⅰ是有氢反应床单元参与的氢气循环工质做功***，主要由氢反应床单元和2号膨胀机组成。氢反应床单元包含吸氢和放氢两个工序。氢反应床在较高温度下放氢，产生高压氢气。放氢时吸收空气的热能。在本实施例中，氢反应床单元氢气出口的温度为0℃，27MPa；2号膨胀机的出口温度为4.5MPa，-89℃；从2号膨胀机流出的氢气进入氢反应床，在-80℃以下吸氢。低压循环介质采用氢气，其通过换热介质低压氢气循环泵13、1号氢气中间罐27后出口温度为-145℃，经液氮气化器2的换热盘管17后温度冷却为-146℃，由于吸氢温度为-80℃，换热介质低压循环氢气可以采用间断直接进入或变流量直接进入氢反应床内部，从而使氢反应床在-80℃以下附近温度保持稳定。

***Ⅱ中，氢气循环主要是膨胀做功，产生温度低于液氮加压泵前的氢气，用于冷凝循环的氮气并使其过冷。氮气循环主要作用是在被低温氢气冷凝和过冷后再经液氮加压泵和液氮气化器的作用获得高压的氮气，通过双室涡轮增压机利用高压氮气给低压氢气增压，同时保持两种气体的分离状态。增压后的氢气和膨胀降压后的氮气在间壁换热器换热，达到-155℃。氢气膨胀，氮气冷凝，完成各自的循环。调节***Ⅱ中氢气和氮气的相对量，可使氮气循环和氢气循环达到热平衡，即通过管壳式换热器15将低温氢气的冷量传递给氮气，从而实现氮气的冷凝和过冷。氢反应床吸氢反应的温度为-80℃，液氮加压泵流出的液氮为-148℃，10MPa, 流经液氮气化器2，吸收换热介质氢气带出的氢反应床吸氢时的放热使液氮气化并升高到-145℃。从1号膨胀机流出的-162℃、2MPa氢气通过管壳式换热器15吸收氮气循环***释放的热量并升温到-160℃，在双室涡轮增压机内氢气被加压到2.15MPa，氮气根据需要膨胀到2.15MPa。经过间壁换热器8，氮气把热量传递给氢气，氮气降温，氢气升温，最后二者的压力均为2.15MPa，温度均为-155℃。1号膨胀机出口压力2MPa使得1号膨胀机出口氢气的温度达到-162℃。从间壁换热器8流出的-155℃的氮气进入管壳式换热器15的壳程，从1号膨胀机流出的-162℃低温氢气进入管壳式换热器15的管程，从而通过换热实现氮气的冷凝和液氮的过冷。过冷液氮的温度为-158℃，压力为2MPa，经液氮加压泵升压到10MPa并升温到-148℃，从而完成氮气的循环。从管壳式换热器15流出的-160℃的低压氢气经双室涡轮增压机6升压到2.15MPa，再经间壁换热器8升温到-155℃，从而完成一个循环。

双室涡轮增压机6和间壁换热器8组成的加压调温***16可以被其他类似***所代替，如氢气氮气混合后再分离，同时传热使温度平衡，氢气和氮气混合也可以采用引射器结构或其他结构。氢气氮气混合后也可以采用膜分离和吸氢分离单元分离41等方法分离。当采用吸氢分离单元41时，吸氢分离单元设有至少两台金属氢化物反应床42和吸氢分离换热器43，所述吸氢分离换热器与每台金属氢化物反应床循环连接；允许设置由多组吸氢分离单元串联或并联的形成的组合，保证能够连续、稳定提供氢气和氮气；吸氢分离单元的氮气出口和氢气出口设置膜结构，氮气出口的膜结构只允许氮气通过并流出吸氢分离单元，氢气出口的膜结构只允许氢气通过并流出吸氢分离单元。

本***通过子***Ⅰ和子***Ⅱ，分别实现了空气热在0℃和-80℃两个温位上的梯级利用，在整个***中大约同样数量的热量被重复利用两次，并且每次都可实现对外输出做功，整个***的总的热机效率因能量的梯级利用大幅提高。调整两个氢气膨胀机的氢气流量、膨胀机前压力和膨胀比，使1号膨胀机和2号膨胀机转速尽可能接近一致，再通过加气体抽头，使1号膨胀机和2号膨胀机组合成一个膨胀机。

如果空气经过空气气化器22，有可能结霜，当空气经过空气换热器29，氢气经过液氮气化器2时，会使结霜过程缓解。

Claims (12)

1.一种双工质合成做功的***，其特征是：所述***包括1号膨胀机（4）、发电机（5）、双室涡轮增压机（6）、间壁换热器（8）、氢气循环管路（11）、氮气循环管路（18）、液氮加压泵（14）、管壳式换热器（15）和气化器；所述1号膨胀机（4）与发电机（5）轴连接，发电机（5）与外部电网电路连接；所述双室涡轮增压机（6）包括涡轮室和增压室；所述间壁换热器的氢气出口通过氢气循环管路（11）连接到1号膨胀机（4）的入口，所述1号膨胀机（4）的出口通过管壳式换热器（15）的管程连接到双室涡轮增压机（6）的增压室氢气入口，所述增压室的氢气出口连接到间壁换热器的氢气入口；所述间壁换热器（8）的氮气出口通过氮气循环管路（18）经管壳式换热器（15）的壳程连接到液氮加压泵（14）；所述液氮加压泵（14）出口通过气化器连接到双室涡轮增压机（6）的涡轮室氮气入口，所述涡轮室的氮气出口连接到间壁换热器（8）的氮气入口。

2.根据权利要求1所述的双工质合成做功的***，其特征是：所述气化器为液氮气化器（2）或空气气化器（22）。

3.根据权利要求2所述的双工质合成做功的***，其特征是：所述***设有空气换热管路（12），所述空气气化器（22）为管壳式结构；所述空气换热管路（12）连接到空气气化器（22）的管程入口，空气气化器（22）的管程出口与大气连通；所述液氮加压泵（14）出口通过空气气化器（22）的壳程连接到双室涡轮增压机（6）的涡轮室氮气入口。

4.根据权利要求2所述的双工质合成做功的***，其特征是：所述气化器为液氮气化器（2），液氮加压泵（14）的出口通过液氮气化器（2）连接到双室涡轮增压机（6）的涡轮室氮气入口，液氮气化器（2）设有换热盘管（17）；所述***设有氢反应床单元（1）、空气换热管路（12）、1号氢气中间罐（27）、2号膨胀机（3）、2号氢气中间罐（28）和空气换热器（29）；所述2号膨胀机（3）与发电机（5）轴连接，所述氢反应床单元的每台氢反应床分别设有低压氢气进口（31）、高压氢气出口（32）、换热氢气入口（33）和换热氢气出口（34）；所述氢反应床单元（1）的每台氢反应床的高压氢气出口（32）经高压氢气管路（10）连接到2号膨胀机（3）的入口，所述2号膨胀机（3）的出口通过低压氢气管路（9）连接到每台氢反应床的低压氢气进口（31）；所述氢反应床单元（1）中的氢反应床的换热氢气出口（34）通过三通阀（30）分为两路，一路经冷却氢气管路（25）依次通过换热介质低压氢气循环泵（13）、1号氢气中间罐（27）、液氮气化器（2）的换热盘管（17）和三通阀（30）连接到氢反应床的换热氢气入口（33），形成换热循环回路；另一路经加热氢气管路（26）依次通过换热介质高压氢气循环泵（21）、2号氢气中间罐（28）、空气换热器（29）的管程和三通阀（30）连接到氢反应床的换热氢气入口（33），形成氢气加热回路；所述空气换热管路（12）连接到空气换热器（29）的壳程入口，空气换热器（29）的壳程出口与大气连通。

5.根据权利要求4所述的双工质合成做功的***，其特征是：所述氢反应床单元（1）设有至少两台氢反应床，每台氢反应床分别设有低压氢气进口（31）、高压氢气出口（32）、换热氢气入口（33）和换热氢气出口（34）；所述低压氢气进口（31）设有低压氢气进口阀门（19），所述高压氢气出口（32）设有高压氢气出口阀门（20），所述换热氢气入口（33）和换热氢气出口（34）分别设有三通阀（30）；所述氢反应床单元（1）可以依据放氢热源温度设置为多级。

6.根据权利要求5所述的双工质合成做功的***，其特征是：所述氢反应床内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物；低压氢气由低压氢气入口进入氢反应床，低压氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出高压氢气；所述氢反应床为一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构，允许每级氢反应床中的每个氢反应床内的金属氢化物的品种、质量或体积可以不一样，每级氢反应床可以相同或者不同。

7.根据权利要求5所述的双工质合成做功的***，其特征是：所述氢反应床采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质；氢反应床采用的高压或低压循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质；对氢反应床吸氢时放出的反应热，采用换热循环介质进行换热，换热循环介质包括但不限于低压循环氢气，低压循环氢气的温度可以跟吸氢温度不同，可以是比吸氢温度更低的温度，当低压循环氢气的温度低于吸氢温度时，吸氢时的换热循环介质可以采用间断直接进入或变流量直接进入氢反应床内部，从而使氢反应床的温度在吸氢温度以下保持稳定。

8.根据权利要求5所述的双工质合成做功的***，所述氢反应床设置有金属氢化物更换装置，将生产过程中粉化或老化的金属氢化物快速移出并更换装载新的金属氢化物，利用吸放氢间歇时间快速更换氢反应床内的物料，也可以停机更换氢反应床内的物料，被更换的物料可以是吸氢状态，也可以是放氢状态，也可以是吸放氢的过渡状态。

9.根据权利要求5所述的双工质合成做功的***，所述氢反应床单元（1）的氢反应床设有使用过的金属氢化物抽出口（36）和新鲜金属氢化物加入口（37），所述金属氢化物更换装置包括新鲜金属氢化物仓（23）和使用过的金属氢化物仓（24），所述使用过的金属氢化物抽出口（36）通过密封阀（38）和抽出泵（40）连接到使用过的金属氢化物仓（24），所述新鲜金属氢化物仓（23）通过添加泵（39）和密封阀（38）连接到氢反应床；所述金属氢化物更换装置或采用重力输送、机械输送、气力输送、真空输送、液力输送、电磁输送的方法或它们的组合，从而可靠的实现氢反应床内金属氢化物更换的任何方法都适用。

10.根据权利要求4所述的双工质合成做功的***，其特征是：所述双室涡轮增压机（6）和间壁换热器（8）组成的加压调温***（16）被能够将氢气氮气混合后再分离，同时传热使温度平衡的***替代；氢气和氮气混合或者采用引射器结构；氢气氮气混合后或者采用膜分离或吸氢分离分离单元（41）分离；当采用吸氢分离单元（41）时，吸氢分离单元设有至少两台金属氢化物反应床（42）和吸氢分离换热器（43），所述吸氢分离换热器与每台金属氢化物反应床循环连接；允许设置由多组吸氢分离单元串联或并联的形成的组合，保证能够连续、稳定提供氢气和氮气；吸氢分离单元的氮气出口和氢气出口设置膜结构，氮气出口的膜结构只允许氮气通过并流出吸氢分离单元，氢气出口的膜结构只允许氢气通过并流出吸氢分离单元。

11.根据权利要求4所述的双工质合成做功的***，其特征是：调整两个氢气膨胀机的氢气流量、膨胀机前压力和膨胀比，使1号膨胀机和2号膨胀机转速尽可能接近一致，再通过加气体抽头，使1号膨胀机和2号膨胀机组合成一个膨胀机。

12.根据权利要求4所述的双工质合成做功的***，其特征是：如果空气经过空气气化器（22），有可能结霜，当空气经过空气换热器（29），氢气经过液氮气化器（2）时，会使结霜过程缓解。