CN115947301A - 一种仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热能反应器技术领域，涉及一种仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，包括螺旋反应盘以及包裹在螺旋反应盘外部的壳体，所述螺旋反应盘内设置气相网管，所述螺旋反应盘为密闭腔体结构，所述气相网管沿着螺旋反应盘的螺旋方向设置，所述壳体上设置气相进/出口，所述气相进/出口与气相网管连通；所述螺旋反应盘与气相网管之间填充有固相反应材料。本发明提供一种仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，利用固相反应材料有效提升热量传递效率，蜗壳状结构能扩大换热面积，储放氢的反应速度更快，实现氢气的有效利用。
Description
技术领域
本发明属于热能反应器技术领域，涉及一种仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，用于金属氢化物的储放氢气-固相热能反应中。
背景技术
氢能是环保安全、高能清洁的二次能源，具有重量轻，燃烧性能好，导热性好等优点，是最适合及最有可能取代化石燃料的新能源，近几年来，以固态储氢为能源供应的大巴车、卡车、冷藏车、备用电源等在我国相继问世足以说明这个问题。
氢能的利用，涉及制氢、储运、应用3个环节，其中高密度安全储运氢是主要的瓶颈问题，同时将固态储氢装置与燃料电池一体化集成，可充分利用燃料电池余热，吸热放氢，降低***热能消耗，使得整个燃料电池动力***的能源效率得以提高，当固态储氢材料得到发展后，氢能利用将会有极大地改变。
但是要将氢高效安全的应用起来，需要着重解决产氢和储氢这两个重要问题，现今的储氢方式分为气态储氢、液态储氢、固态储氢三种方式。气态储氢需要厚重的耐压容器，存在泄露及容器***的安全隐患危险；液态储氢需要消耗很大的冷却能量，这会增加储氢的成本；固态储氢一般可以做到安全、高效、高密度，是较为理想的储氢方式，而且固态储氢只需施加一定热能，储氢材料就可以析出氢气，实现氢能的有效利用。
固态储氢中广泛采用的核心部件是金属氢化物反应器，虽然能实现氢的存储，但是存在以下问题：
(1)由于金属氢化物在H2吸收过程会释放大量的反应热能，如果反应热能不能有效去除，会因温度分布不均引起的热应力，严重损害反应器内部的换热通道，影响储氢效率；
(2)目前的螺旋管式反应器，利用螺旋管克服变形能力的弹簧结构，该反应器具有较大的换热面积和较小的传热距离，使得反应器内的温度分布均匀；但是目前设计的螺旋管式反应器的螺旋管是沿着轴向螺旋上升，所以存在径向上的分散程度较差的问题，导致内部换热性能不均匀，存在较多的传热不佳区域，降低反应器的储放氢速度。
发明内容
为了解决现有的反应器存在的储放氢速率低以及传热效率低的技术问题，本发明提供一种仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，利用固相反应材料有效提升热量传递效率，蜗壳状结构能扩大换热面积，储放氢的反应速度更快，实现氢气的有效利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，包括螺旋反应盘以及包裹在螺旋反应盘外部的壳体，所述螺旋反应盘内设置气相网管，所述螺旋反应盘为密闭腔体结构，所述气相网管沿着螺旋反应盘的螺旋方向设置，所述壳体外设置气相进/出口，所述气相进/出口经壳体与气相网管连通；所述螺旋反应盘与气相网管之间填充有固相反应材料。
进一步的，所述螺旋反应盘为平面螺旋盘和蜗壳状螺旋盘。
进一步的，所述固相反应材料为固体储氢材料，所述固相反应材料为LaNi5或Mg2Ni。
进一步的，所述仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器还包括设置在螺旋反应盘外与壳体之间的蓄热材料。
进一步的，所述蓄热材料为相变蓄热材料，所述蓄热材料为十水硫酸钠、十水碳酸钠或石蜡。
进一步的，所述螺旋反应盘包括螺旋反应管以及分别置于螺旋反应管两端的螺旋管外端面封板和螺旋管内端面封板；所述气相网管置于螺旋反应管内并沿着螺旋反应管的螺旋方向设置，所述气相进/出口依次经壳体、螺旋管外端面封板与气相网管的一端连通，所述气相网管的另一端与螺旋管内端面封板接触；所述蓄热材料置于螺旋反应管与壳体之间；所述固相反应材料置于螺旋管与气相网管之间。
进一步的，所述仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器还包括置于壳体外的气相连接头；所述气相进/出口为气相连接头的其中一个端口，所述气相连接头的另一端口依次穿过壳体、螺旋管外端面封板与气相网管连通。
进一步的，所述固相反应材料的放热量QS和蓄热材料的蓄热量QPcm分别按照下式计算：
QPcm＝VPcm×ρ×lm
其中：VS为的固相反应材料的体积，m3；ε为固相反应材料的孔隙率；ρS为固相反应材料的密度，kg·m-3；ΔH为固相反应材料的反应焓，J·mol-1；M为固相反应材料的摩尔质量，g/mol；VPcm为蓄热材料的体积，m3；ρ为蓄热材料的密度，kg·m-3；lm为蓄热材的相变潜热，kJ·kg-1。
进一步的，所述固相反应材料的体积VS的计算公式为：
其中：L为螺旋反应管的长度，m；R为螺旋反应管的半径，m；RH2为气相网管的半径，m；所述螺旋反应管的长度L按照下式计算：
其中：θ表示螺旋反应管角度；r为角度θ下对应的半径，m；d为积分符号；a为螺旋起点时的θ值；b为螺旋终点时的θ值；α为螺旋起点时的半径，m；β为螺旋线间距，m。
进一步的，所述蓄热材料的体积VPcm按照下式计算：
其中：h表示壳体的高度，m；θ表示螺旋反应管角度；r为角度θ下对应的半径，m；a为螺旋起点时的θ值，b为螺旋终点时的θ值，d为积分符号。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的气-固相反应器，在螺旋式反应管内填充固相反应材料，反应为可逆过程且伴随大量热量变化，过程中需及时移出/供给热量；螺旋式反应管外填充相变蓄热材料，利用相变材料蓄热特性将反应热量存储/释放，有效维持气固相反应进行；同时螺旋盘的结构增大蓄热材料的填充量及热量有效传递面积，提升反应器***内热量的传递效率，从而提高气固相反应效率。
2、本发明借鉴自然界中蜗壳的形状，将反应盘设计成蜗壳状螺旋盘式反应器，有效提升反应器内反应材料与蓄热材料热交换效率，且蓄热区域内存储的热量可重复利用，实现反应器绝热运行，相较传统供热式反应器具有更高的***能量利用率。
3、相比传统的螺旋管式反应器，本发明将反应器外部形状设计为蜗壳状螺旋盘或平面螺旋管，在同一平面上螺旋，反应在径向上的分散程度好，反应器边缘材料分布均匀，消除热量传递的盲区，尤其是蓄热区域，反应器的内部换热性能均匀，热量传递效率高，提升反应器的储放氢速度。
附图说明
图1为反应器的整体结构图；
图2为螺旋反应盘的示意图；
图3为图1的半剖示意图；
图4为螺旋反应盘的平面示意图；
图5为图4中A的放大示意图；
图6为图4中B的放大示意图；
图7为平面螺旋盘反应器和蜗壳状螺旋盘反应器吸氢性能对比图，其中：(a)为两种反应器的床层温度；(b)固相反应材料温度；(c)反应分率；(d)液相分率；
图8为不同时间平面螺旋盘反应器和蜗壳状螺旋盘反应器储氢性能的变化图；(a)固相反应材料温度；(b)液相分率；(c)两种反应器的床层温度；(d)反应分率；
其中：
1—反应器侧壁；2—反应器封口板；3—气相连接头；4—气相进/出口；5—反应器上盖板；6—反应器下盖板；7—螺旋反应管；8—螺旋管外端面封板；9—螺旋管内端面封板；10—蓄热材料；11—气相流道；12—固相反应材料；13—气相网管。
具体实施方式
现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。
实施例1
本发明的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，包括螺旋反应盘以及包裹在螺旋反应盘外部的壳体，螺旋反应盘内设置气相网管13，螺旋反应盘为密闭腔体结构，气相网管13沿着螺旋反应盘的螺旋方向设置，壳体外设置气相进/出口4，气相进/出口4经壳体与气相网管13连通；螺旋反应盘与气相网管13之间填充有固相反应材料12。本发明在螺旋反应盘与壳体之间还设置蓄热材料10。
参见图1，壳体是由反应器上盖板5、反应器下盖板6和反应器侧壁1构成的圆柱盘式罐，内部含有空腔，壳体外侧壁上还设置与反应器侧壁1连接的反应器封口板2，通过反应器封口板2将壳体封闭。
螺旋反应盘放置在壳体内的空腔内，螺旋反应盘为密闭腔体，螺旋反应盘所在的盘面位于壳体的径向方向上。具体的，螺旋反应盘为平面螺旋盘。
参见图1、图2和图3，壳体外设置气相连接头3，气相进/出口4为气相连接头3的其中一个端口，气相连接头3的另一端口穿过壳体后，与螺旋反应盘内的气相网管13连通。
实施时，气相连接头3的另一端口穿过反应器封口板2、螺旋管外端面封板8与螺旋反应管7内的气相网管13连通。
参见图3～图6，螺旋反应盘包括螺旋反应管7以及分别置于螺旋反应管7两端的螺旋管外端面封板8和螺旋管内端面封板9；气相网管13置于螺旋反应管7内并沿着螺旋反应管7的螺旋方向设置，气相进/出口4依次经壳体、螺旋管外端面封板8与气相网管13的一端连通，气相网管13的另一端与螺旋管内端面封板9接触；蓄热材料10置于螺旋反应管7与壳体之间；固相反应材料12置于螺旋管与气相网管13之间。
具体的，螺旋反应管7是由管道在同一平面上螺旋形成的盘状结构，气相网管13与螺旋反应管7的螺旋方向一致，气相网管13内形成气相流道11。
本实施例中，蓄热材料10为相变蓄热材料，具体的，蓄热材料10为十水硫酸钠(也可替换成十水碳酸钠或石蜡，或是其他相变蓄热材料)。
本实施例中，固相反应材料12为固体储氢材料，具体的，固相反应材料12为LaNi5(也可用Mg2Ni替换，或是其他固体储氢材料替换)。
本实施例提供的螺旋反应盘为平面螺旋盘，螺旋反应盘置于壳体内的径向方向上形成平面螺旋盘反应器。壳体是半径为40mm、高8mm的圆柱盘式罐；螺旋反应管7的直径为6mm，并在螺旋反应管7内置直径为2mm的气相网管13，螺旋反应管7内填充固相反应材料，螺旋反应管7外填充蓄热材料，该结构增大了蓄热材料的填充量，可有效存储反应时产生的强烈热效应，同时扩大了蓄热材料与固相反应材料的换热面积，有效提升热量传递效率，从而提高反应器储氢性能。
实施例2
进一步的，将螺旋反应盘设计成蜗壳状螺旋盘，进而形成蜗壳状螺旋盘反应器，其余与实施例1相同。
本实施例提供的反应器，借鉴自然界中蜗壳的形状，设计成蜗壳状螺旋盘反应器。这样是为了提升平面螺旋盘反应器内蓄热材料的有效利用率，消除反应器内部蓄热盲区，所蓄热量更加均匀传递给反应器的各个区域。
针对上述实施例提供的两个不同结构的反应器的蓄热性能进行试验。
试验1
采用实施例1提供的平面螺旋盘反应器，试验时，蓄热材料10为十水硫酸钠，固相反应材料12为LaNi5，平面螺旋盘反应器记为PSDR。
在初始氢压为1MPa、初始相变蓄热材料温度302K、十水碳酸钠相变温度Tm为305K，相变区间dT为10K条件下进行。两个形状的反应器内LaNi5的填充量相同均为51.23g，相变蓄热材料的填充量相同均为40.10g；壳体的半径为40mm、高8mm；螺旋反应管7的直径为6mm，气相网管13的直径为2mm。
实施时，固相反应材料的放热量QS和蓄热材料的蓄热量QPcm相匹配，具体计算公式如下。
放热量QS的计算公式为：
其中：VS为的固相反应材料12的体积，m3；ε为固相反应材料12的孔隙率；ρS为固相反应材料12的密度，kg·m-3；ΔH为固相反应材料12的反应焓，J·mol-1；M为固相反应材料12的摩尔质量，g mol-1。
固相反应材料12的体积VS的计算公式为：
其中：L为螺旋反应管7的长度，m；R为螺旋反应管7的半径，m；RH2为气相网管13的半径，m。
L按照下式计算：
其中：θ表示螺旋反应管7的角度；r为角度θ下对应的半径，m；d为积分符号；a为螺旋起点时的θ值；b为螺旋终点时的θ值；α为螺旋起点时的半径，m；β为螺旋线间距，m。
实施时，角度θ和L长度均属于极坐标，即相当于在笛卡尔坐标下的X和Y，角度θ从a变化到b。
蓄热量QPcm的计算公式为：
QPcm＝VPcm×ρ×lm
其中：VPcm为蓄热材料10的体积，m3；ρ为蓄热材料10的密度，kg·m-3；lm为蓄热材料10的相变潜热，kJ·kg-1。
蓄热材料10的体积VPcm按照下式计算：
其中：h表示壳体的高度，m；θ表示螺旋反应管7的角度；r为角度θ下对应的半径，m；a为螺旋起点时的θ值，b为螺旋终点时的θ值，d为积分符号。
实验时，按照上述公式计算放热量QS和蓄热量QPcm，得到平面螺旋盘反应器的储氢性能和蓄热性能，如图7和图8所示。其中：图7(a)为吸氢时反应器的床层温度；图7(b)为吸氢时固相反应材料温度；图7(c)为吸氢时反应分率；图7(d)为吸氢时液相分率；图8(a)为储氢时固相反应材料温度；图8(b)为储氢时液相分率；图8(c)为储氢时两种反应器的床层温度；图8(d)为储氢时反应分率。
参见图7和图8，在反应初期(t<50s)平面螺旋盘反应器释放大量的热效应(图7(a))，看到在相变蓄热材料蓄热过程中温度逐渐上升(t>200s)，并超过相变温度，此时部分反应热以显热的形式存储，表现为液态相变蓄热材料温度的升高(图7(b))；在反应初期当t<200s时两种反应器反应速度非常快，反应400s时平面螺旋盘反应器的反应分率为0.95，并呈持续缓慢上升的现象(图7(c))；反应器内的温度剧增，热量通过管壁传至相变蓄热材料层，使得相变蓄热材料液化并蓄热从而降低床层温度(如图7(d))，随着反应进行，床层温度达到峰值(T＝331K)，而较低床层温度环境有助于将反应热移出并促进LaNi5和氢气反应。在t＝50s时，相变蓄热材料吸收螺旋管接触面的热量，开始相变；t＝150s时螺旋管与床层接触面的温度很高，说明相变蓄热材料在吸收LaNi5反应释放的热量。这说明平面螺旋盘反应器能够实现快速吸氢，同时能将热量储存蓄；同时平面螺旋反应器在蓄热室，更多的热量被集中到了LaNi5和相变蓄热材料接触面附近，即热量则比较集中在床层中心，到反应后期(t＝500s)，平面螺旋盘反应器的MH床层温度升高，吸氢效率有所下降。
试验2
采用实施例2提供的蜗壳状螺旋盘反应器，试验时，蓄热材料10为十水硫酸钠，固相反应材料12为LaNi5，蜗壳状螺旋盘反应器记为VSDR。
在初始氢压为1MPa、初始相变蓄热材料温度302K、十水碳酸钠相变温度Tm为305K，相变区间dT为10K条件下进行。两个形状的反应器内LaNi5的填充量相同均为51.23g，相变蓄热材料的填充量相同均为40.10g；壳体的半径为40mm、高8mm；螺旋反应管7的直径为6mm，气相网管13的直径为2mm。螺旋反应管7的其他参数与试验1中相同。
实验时，按照试验1中的公式计算放热量QS和蓄热量QPcm，得到仿生蜗壳状螺旋盘反应器的储氢性能和蓄热性能，如图7和图8所示。其中：图7(a)为吸氢时两种反应器的床层温度；图7(b)为吸氢时固相反应材料温度；图7(c)为吸氢时反应分率；图7(d)为吸氢时液相分率；图8(a)为储氢时固相反应材料温度；图8(b)为储氢时液相分率；图8(c)为储氢时两种反应器的床层温度；图8(d)为储氢时反应分率。
参见图7和图8，在反应初期当t<200s时反应器反应速度非常快，仿生蜗壳状螺旋盘反应器在400s左右完成吸氢过程(图7(c))，在反应初期(t<50s)反应器释放大量的热效应(如图7(a))，反应器内的温度剧增，热量通过管壁传至相变蓄热材料层，使得相变蓄热材料液化并蓄热从而降低床层温度(如图7(d))。随着反应进行，床层温度达到峰值(T＝331K)，而较低床层温度环境有助于将反应热移出并促进LaNi5和氢气反应；从床层温度图7(a)中看到在蓄热过程中，当t>100s时仿生蜗壳状螺旋盘反应器床层温度下降的更快、散热更好，在t＝300s床层温度开始降至相变蓄热材料的相变温度。这是因为反应释放的热效应被仿生蜗壳状螺旋盘反应器床层内相变蓄热材料快速吸收，并液化蓄热。从图7(b)看到在相变蓄热材料蓄热过程中温度逐渐上升(t>200s)，并超过相变温度，此时部分反应热以显热的形式存储，表现为液态相变蓄热材料温度的升高，蜗壳结构的反应器中耦合十水碳酸钠在吸收大量的热量的同时，仿生蜗壳状螺旋盘反应器能有效的把热量传统到了整个床层内部，到反应后期(t＝500s)仿生蜗壳状螺旋盘反应器中的热量能均匀分布在整个反应器，因此表明仿生蜗壳状螺旋盘反应器床层内填充的金属氢化物有较好的反应条件，有利于热量的释放。
综上所述，通过对两种结构的反应器吸氢性能和储氢性能进行试验，两种结构的反应器在初期时，反应速度非常快，热量能很好的集中在反应器内，降低蓄热盲区，从而加快吸氢反应的进行，提高储氢性能；但是随着反应的进行仿生蜗壳状螺旋盘反应器的特殊结构，能进一步提升床层内部耦合蓄热材料的有效率利用率，更大程度的降低蓄热盲区，促进吸氢反应的进行，储氢性能得到高度的提升。
Claims (10)
1.一种仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，包括螺旋反应盘以及包裹在螺旋反应盘外部的壳体，所述螺旋反应盘内设置气相网管(13)，所述螺旋反应盘为密闭腔体结构，所述气相网管(13)沿着螺旋反应盘的螺旋方向设置，所述壳体外设置气相进/出口(4)，所述气相进/出口(4)经壳体与气相网管(13)连通；所述螺旋反应盘与气相网管(13)之间填充有固相反应材料(12)。
2.根据权利要求1所述的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，所述螺旋反应盘为平面螺旋盘和蜗壳状螺旋盘。
3.根据权利要求1所述的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，所述固相反应材料(12)为固体储氢材料，所述固相反应材料(12)为LaNi5或Mg2Ni。
4.根据权利要求3所述的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，所述仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器还包括设置在螺旋反应盘外与壳体之间的蓄热材料(10)。
5.根据权利要求4所述的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，所述蓄热材料(10)为相变蓄热材料，所述蓄热材料(10)为十水硫酸钠、十水碳酸钠或石蜡。
6.根据权利要求5所述的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，所述螺旋反应盘包括螺旋反应管(7)以及分别置于螺旋反应管(7)两端的螺旋管外端面封板(8)和螺旋管内端面封板(9)；所述气相网管(13)置于螺旋反应管(7)内并沿着螺旋反应管(7)的螺旋方向设置，所述气相进/出口(4)依次经壳体、螺旋管外端面封板(8)与气相网管(13)的一端连通，所述气相网管(13)的另一端与螺旋管内端面封板(9)接触；所述蓄热材料(10)置于螺旋反应管(7)与壳体之间；所述固相反应材料(12)置于螺旋管与气相网管(13)之间。
7.根据权利要求6所述的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，所述仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器还包括置于壳体外的气相连接头(3)；所述气相进/出口(4)为气相连接头(3)的其中一个端口，所述气相连接头(3)的另一端口依次穿过壳体、螺旋管外端面封板(8)与气相网管(13)连通。
8.根据权利要求7所述的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，所述固相反应材料(12)的放热量QS和蓄热材料(10)的蓄热量QPcm分别按照下式计算：
QPcm＝VPcm×ρ×lm
其中：VS为的固相反应材料(12)的体积，m3；ε为固相反应材料(12)的孔隙率；ρS为固相反应材料(12)的密度，kg·m-3；ΔH为固相反应材料(12)的反应焓，J·mol-1；M为固相反应材料(12)的摩尔质量，g·mol-1；VPcm为蓄热材料(10)的体积，m3；ρ为蓄热材料(10)的密度，kg·m-3；lm为蓄热材料(10)的相变潜热，kJ·kg-1。
9.根据权利要求8所述的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，所述固相反应材料(12)的体积VS的计算公式为：
其中：L为螺旋反应管(7)的长度，m；R为螺旋反应管(7)的半径，m；RH2为气相网管(13)的半径，m；
所述螺旋反应管(7)的长度L按照下式计算：
其中：θ表示螺旋反应管(7)的角度；r为角度θ下对应的半径，m；d为积分符号；a为螺旋起点时的θ值；b为螺旋终点时的θ值；α为螺旋起点时的半径，m；β为螺旋线间距，m。
10.根据权利要求9所述的仿生螺旋盘状蓄热式气固相反应器，其特征在于，所述蓄热材料(10)的体积VPcm按照下式计算：
其中：h表示壳体的高度，m；θ表示螺旋反应管(7)的角度；r为角度θ下对应的半径，m；a为螺旋起点时的θ值，b为螺旋终点时的θ值，d为积分符号。
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