Металогідридний тепловий насос періодичної дії

Металопдридний тепловий насос періодичної дії, що містить заповнені однаковим металопдридом і обладнані теплообмінниками два генератори-сорбери низького і високого тисків, які з'єднані між собою газовою магістраллю з встановленим у ній перетворювачем тиску, який відрізняється тим, що газова магістраль насоса розділена встановленим у ній перетворювачем тиску, виконаним у вигляді двокамерної ємності з більшим і меншим поперечними перерізами камер, сполучених між собою і з'єднаних з генераторами Винахід відноситься до області теплоенергетики й енергомашинобудування, зокрема, до сорбційних теплових насосів і може бути використаний у системах теплопостачання і кондицюнування, для обігрівання й охолодження будинків, а також у системах утилізації тепла Відомий металопдрндний тепловий насос періодичної дії (Н Н Van Mai, ET Ferguson "Cyclic Desorption Refrigerator and Heft Pump, Respectively", U S Pat 4111002, Sept 5, 19778), що містить заповнені металогцфидом і обладнані розміщеними усередині металопдрицу теплообмінниками два генератори-сорбери, що з'єднані між собою газовою магістраллю Недоліком теплових насосів цього типу є використання в генераторах-сорберах двох різних пдридотвірних сплавів, що відрізняються рівноважними тисками сорбцм-десорбцм при однакових температурах На фіг 1 зображено цикл роботи цього теплового насоса, який позначений точками 1-2-3-4-1 на рівноважних сорбційних характеристиках двох металопдридів М П и МГ2 Теплові характеристики системи визначаються заданими сорберами, ВІДПОВІДНО, низького і високого тисків, при цьому звернені до генератора-сорбера низького тиску однойменні торці камер перекриті еластичними водонепроникними мембранами, внутрішня порожнина між якими заповнена рідиною, наприклад водою, а діаметри поперечного перерізу камер низького і високого тисків і їхні довжини зв'язані між собою співвідношенням L TiDd де VB - об'єм внутрішньої, не заповненої металопдридом порожнини кожного генераторасорбера, D, d - більший і менший діаметри камер, ВІДПОВІДНО, низького і високого тиску, І_і, І_2 - довжини камер, ВІДПОВІДНО, НИЗЬКОГО І ВИСОКОГО тиску температурами низькою - Тн, середньою - Тер і високою - Тв Реальне забезпечення цих параметрів залежить від сорбційних властивостей, застосовуваних пдридотвірних сплавів Тому забезпечення робочих характеристик теплових насосів цього тішу (у строгій ВІДПОВІДНОСТІ з умовами технологічного процесу) вимагає ретельного підбору складів сплавів і прецизійної плавки при їхньому виготовленні Найбільш близьким по сукупності ознак є металопдридний тепловий насос періодичної дії (AW Me Clame "Method and Apparatus for Heat Transfer, Uzmd Metal Hydrides", U S Pat 4039023, August 2, 1977), що містить заповнені однаковим металопдридом та обладнані розміщеними усередині металопдриду теплообмінниками, два генератори-сорбери низького і високого тисків, які з'єднані між собою газовою магістраллю з встановленим у ній перетворювачем тиску У відомому пристрої роль перетворювача тиску виконує механічний водневий компресор Ефект досягнення високої температури в теплових насосах відомого типу забезпечується до о о ю 51002 датковим стисненням водню, що десорбується з першого генератора-сорбера (низького тиску), а потім сорбується, вже з підвищеним тиском другим генератором-сорбером (високого тиску) Сорбційний стан металопдриду першого генераторасорбера з вихідного стану в т 1 з параметрами Т н і Ро у результаті підведення тепла переходить у т 2, де Тср>Тн і Рі>Р 0 Після ЦЬОГО стиснутий у компресорі до тиску Р3 водень подається в другий генератор-сорбер з таким же металопдридом При цьому відбувається сорбція водню з виділенням тепла, температура якого Ту відповідає підвищеному тиску Р3, тобто досягається Тв>ТСр>Тн (т 3' на фіг 1) Наявність у системі механічного водневого компресора, робочим тілом якого є високопроникний газ - водень, висуває підвищені вимога до герметизації сполучних вузлів пристрою В той же час необхідність використання мастильних матеріалів для нормальної роботи тертьових пар компресора вимагає постійного очищення стисненого водню У противному випадку використання у системі неочищеного водню може призвести до втрати сорбційних властивостей металопдриду Тому, недоліком теплових насосів цього типу є низька експлуатаційна надійність В основу винаходу поставлена задача створення металопд-ридного теплового насоса періодичної дм, у якому підвищення тиску водню здійснено за допомогою передатного елемента, що здатен проявляти об'ємну пружність та властивість приймати форму заповнюваного об'єму, тобто виконувати функцію рідинного поршня, за рахунок чого досягнуто спрощення пристрою та підвищення експлуатаційної надійності Поставлена задача досягається тим, що в металопдридному тепловому насосі періодичної дії, що містить заповнені однаковим металопдридом і обладнані розміщеними усередині металопдриду теплообмінниками, два генератори-сорбери низького і високого тисків, які з'єднані між собою газовою магістраллю з перетворювачем тиску, ВІДПОВІДНО до винаходу, газова магістраль насоса розділена, встановленим у ній перетворювачем тиску, виконаним у вигляді двокамерної ємності з більшим і меншим поперечними перерізами камер, сполучених між собою і з'єднаних з генераторамисорберами, ВІДПОВІДНО низького і високого тисків при цьому звернені до генератора-сорбера низько І_і, І_2 - довжини камер, ВІДПОВІДНО, НИЗЬКОГО І ВИСОКОГО ТИСКІВ Газова магістраль насоса розділена встановленим у ній перетворювачем тиску для забезпечення роботи теплового насоса, у якому десорбований водень з одного генератора-сорбера, впливаючи через нестисливий елемент на водень в іншому генераторі-сорбері, ІНІЦІЮЄ початок процесу сорбції водню в останьому Перетворювач тиску виконано у вигляді двокамерної ємкості з більшим і меншим поперечними перерізами камер, сполучених між собою, для одержання підвищеного тиску на виході пристрою, що досягається завдяки створенню великого зусилля при впливі малим тиском на площу мембрани камери більшого поперечного перерізу і передачею цього зусилля впливом рідини на мембрану в камері з меншим поперечним перерізом При цьому величини (малого) тиску Рі, що впливають, і одержуваного підвищеного тиску Рг визначаються відношенням діаметрів поперечних перерізів D і d камер, ВІДПОВІДНО низького тиску (більшого поперечного перерізу) і високого тиску (малого поперечного перерізу) як 1 Камери перетворювача тиску з більшим і меншим поперечним перерізом з'єднані з генераторами-сорберами, ВІДПОВІДНО, НИЗЬКОГО І ВИСОКОГО тиску ( і тільки в такій ПОСЛІДОВНОСТІ), ДЛЯ забезпечення надходження водню низького тиску саме в камеру більшого поперечного перерізу, а стиснутого водню - саме в генератор-сорбер високого тиску Звернені до генфатора-сорбера низького тиску однойменні торці камер перекриті еластичними водневонепроникними мембранами, порожнина між якими заповнена рідиною, наприклад водою, для обмеження об'єму, заповненого рідиною, і запобігання перетікання водню між генераторамисорберами Діаметри поперечного перерізу камер низького і високого тисків і їхні довжини зв'язані між собою співвідношенням ЦтЮ z го тиску, однойменні торці камер, ВІДПОВІДНО, НИЗЬ КОГО І високого тиску, перекриті еластичними водневонепроникними мембранами, порожнина між якими заповнена рідиною, наприклад водою, а діаметри поперечного переріза камер низького і високого тисків і їхні довжини зв'язані між собою співвідношенням .2 ЦтЮ z D 1 + - І - V, В d . -1 nDd 4 де VB - об'єм внутрішнього, незаповненої металопдридом порожнини генератора-сорбера, D, d - більший і менший діаметри камер, ВІДПОВІДНО, НИЗЬКОГО І ВИСОКОГО ТИСКІВ, nDd 4 для забезпечення заданого ступеня підвищення тиску водню, з передатним співвідношенням 1 На фіг 1 зображено графік рівноважних сорбційних характеристик металопдритів, які визначають цикли роботи теплових насосів для аналога точками 1-2-3-4-1, прототипу і запропонованого пристрою-точками 1-2-31-2-1, на фіг 2 схематично зображено запропонований металопдридний тепловий насос періодичної дії Металопдридний тепловий насос періодичної дії (фіг 2) містить, заповнені металопдридом, наприклад І_аІ\ІізНх, два генератори-сорбери, для 51002 яких (по призначенню використання в робочому процесі насоса) умовно прийняті визначення генератор-сорбер 1 низького тиску і генераторсорбер 2 високого тиску Генератори-сорбери 1 і 2 для підведення до металопдриду і відбору від нього тепла обладнані розміщеними усередині металопдраду теплообмінниками 3 і 4 Газова магістраль насоса, що з'єднує генератори-сорбери 1 і 2, розділена і містить встановлений у ній перетворювач тиску Перетворювач тиску виконано у вигляді двокамерної ємності, сполучені між собою камери якої з'єднані з генераторами-сорберами низького 1 і високого 2 тисків, виконані, ВІДПОВІДНО (ПО приналежності до генераторів-сорберів), з більшим 5 і меншим 6 поперечними перерізами Однойменні торці камер низького 5 і високого 6 тисків, звернені до генератора-сорбера і низького тиску, перекриті по всій площі поперечного перерізу еластичними водневопроникними мембранами, ВІДПОВІДНО, 7 і 8 Порожнина між еластичними водневопроникними мембранами 7 і 8 заповнена рідиною 9, наприклад водою При цьому, діаметри поперечних перерізів камер низького D і високого d тисків і їхні довжини, ВІДПОВІДНО, І_і, І_2, зв'язані між собою співвідношенням L,nD' z 1+ - Vc D -1 nDd 4 де VB - об'єм внутрішньої, незаповненої металопдридом порожнини генератора-сорбера, Теплообмінник 3 за допомогою вентиля 19 сполучений з джерелом низькотемпературного теплоносія 1 1 , вентилями 12 і 1 3 - з магістраллю зливу теплоносія, а вентилем 14 - із джерелом середньотемпературного теплоносія 15 Теплообмінник 4 сполучений вентилем 16 із джерелом 15, вентилем 1 7 - і з приймачем високотемпературного теплоносія 18, а вентилем 19 - із магістраллю зливу теплоносія Теоретичний цикл запропонованого теплового насоса зображено на фіг 1 прямою ЛІНІЄЮ, ЩО проходить через 1, 2 і 3' Принцип роботи пристрою полягає в наступному У вихідному стані металопдрид генератора-сорбера 1 охолоджений низькотемпературним теплоносієм і насичений воднем Його температура складає Тн, тиск водню Ро, а сорбційний стан визначається точкою 1 на фіг 1 Мембрана 7 знаходиться в крайньому лівому положенні Металопдрид генератора-сорбера 2, розігрітий середньотемпературним теплоносієм, водень з нього десорбовано, а сорбційний стан характеризується т 2, з температурою Т с р і тиском водню Рі При цьому, воднем заповнені генератор-сорбер 2 і камера 6 Еластична мембрана 8 розташована в крайньому лівому положенні Камера 5 перетворювача тиску заповнена рідиною 9 У момент, коли подача теплоносіїв по теплообмінниках 3 і 4 припинена, усі вентилі знаходяться в закритому стані На початку робочого циклу в теплообмінник 3 генератора-сорбера 1 через вентиль 14 від джерела 15 подається середньотемпературний теплоносій і відбувається процес десорбції водню Сорбційний стан металопдриду, у результаті десорбції з т і переходить у т 2 (фиг 1), при якому тиск водню встановлюється на рівні Рі і температура - Т с р Водень під тиском Рі нагнітається в камеру 5, витиснюючи за допомогою мембрани 7 рідину 9 у камеру 6 При цьому, за D мембраною 8 відбувається стиск водню в — раз d до тиску Рг Оскільки температура Т с р нижче рівноважного тиску Рг, то водень сорбуєгься металопдридом генератора-сорбера 2 Стан металопдриду характеризується тепер точкою 3' Процес сорбції відбувається з виділенням теплоти фазового переходу на температурному рівні Тв Теплота відбирається теплоносієм, який через вентиль 16 подається з джерела 15 середньотемпературного теплоносія в теплообмінник 4, а потім через вентиль 1 7 - у приймач 18 високотемпературного теплоносія Таким чином здійснюється процес одержання теплоти з температурою Тв >ТСр >Т Н Після припинення процесів десорбції в генераторі-сорбері 1 і сорбції в генераторі-сорбері 2 робочий цикл закінчується, а вентилі 12 14 і 16,17 закриваються У теплообмінник 3 через вентиль 10 із джерела 11 подається низькотемпературний теплоносій, що через вентиль 13 надходить у магістраль зливу Одночасно у теплообмінник 4 через вентиль 16 із джерела 15 подається середньотемпературний теплоносій, який через вентиль 19 надходить у магістраль зливу При цьому у генераторі-сорбері і відбувається сорбція водню і перехід його зі стану в т 2 у т 1 де Тн < Т с р Тиск у ньому знижується до Ро, і рідина 9 повертається з камери 6 у камеру 5 Тиск водню в камері 5 також знижується і при подачі в теплообмінник 4 середньотемперапурного теплоносія в генераторісорбері 2 відбувається десорбція водню і наповнення ним камери 6 Сорбційний стан металопдрида генератора-сорбера 2 (на фіг 1) переходить з т 3' у стан т 2 По закінченні цих процесів уся гідридно-воднева система теплового насоса займає вихідний стан і знову готова до роботи з циклу одержання тепла з підвищеною температурою, після чого цикл повторюється Оскільки газова магістраль, що з'єднує генератори-сорбери, роз'єднана встановленої в ній двокамерною ємністю, перетікання водню з генератора-сорбера 1 низького тиску в генератор-сорбер 2 високого тиску, та навпаки, не відбувається Нехай у генераторі-сорбері 1 (низького тиску) водень десорбовано, у генераторі-сорбері 2 (високого тиску) водень також десорбовано, і він готовий до процесу сорбції У цьому випадку водень генератора-сорбера 1 заповнює його вільний простір VCB 5 і обсяг камери 5 VKI, водень генераторасорбера 2 також заповнює частину камери 6 - VK2 І його вільна порожнина VCB є Виходячи з того, що генератори-сорбери однакові і містять той самий металопдрид в однакових кількостях, маємо V C B 5 V C B є V C B (1) Оскільки КІЛЬКОСТІ металопдриду в генераторах-сорберах однакові, то КІЛЬКОСТІ десорбованого з них водню також рівні Виходячи з того, що тиск водню в зоні низького тиску дорівнює Рі а 51002 в зоні високого тиску Рг, маси водню в обох зонах можна визначити як DT Г\ І nDd 9 Враховуючи, що Ті = І2 маємо (3) Виразимо обсяги VKI І VK2 через добуток їхніх площ поперечного перерізу SKI І SK2 на довжини Li і І_2 Тоді (3) набуває вигляду V,В S 2 2 L V 1 1 = B —+ S L — 9 9 Z Z R R Перетворимо цей вираз s f i (4) -1 - v (5) 1 Оскільки водень зони високого тиску займає частину камери 6, а друга и частина заповнена рідиною витісненою з камери 5, виразимо справжню довжину камери б з урахуванням збільшення її довжини на величину заповнення рідиною витиснюваної з камери 5 s i 4 -v -1 B S 1L1 (6) r 1 Виконавши перетворення, одержимо SfJ 1 "Vr r ЦтЮ (2) DT Г\ І л вираз -1 U) 1 Тиск у камері з низьким тиском F і тиск, що розвивається в камері високого тиску , зв'язані з діаметрами поперечного перерізу камер ВІДПОВІДD НО D і d співвідношенням = - (8) d 1 Підставляючи (8) у (7), виразимо площі Si і S2 через їхні діаметри D і d, одержимо остаточний (9) Нехай обидва генератори-сорбери містять металопдрид LaNisHx Початковий стан генераторасорбера 1 визначається низькотемпературним теплоносієм з температурою Тн=293 К, а генератор-сорбер 2 -середньотемпературним теплоносієм із Тср =333 К При цьому рівноважний тиск водню в генераторі-сорбері 1 складає Ро = 0,22 МПа, а в генераторі-сорбері 2-Рі = 1,0МПа Після підведення теплоти в генератор-сорбер 1 середньотемпературним теплоносієм тиск водню, який десорбувався з нього, складає Рі= 1,0МПа Якщо геометричні параметри камер 5 і 6 забезпечують, D наприклад, — = 4, то в результаті витіснення ріd дини з камери 5 у камеру 6, тиск у газовій частині камери 6 і в генераторі-сорбері 2 складає P-z4,0МПа Оскільки температура, рівноважна цьому тиску вище ніж Т с р , то буде відбуватися сорбція водню При цьому теплота фазового переходу виділяється з температурою вже Тв=385 К Таким чином, у запропонованому технічному рішенні одержання високотемпературного тепла може бути досягнуто без додаткового використання механічного компресора Система камер низького та високого тиску являє собою трубопровід між генераторами-сорберами, який компонується щільним змійовиком Для реалізації теплового насоса з поданим варіантом баротермічних характеристик, при розміщенні у кожному генераторісорбері 1кг металопдриту, перетворювач тиску може бути розміщений на площі не більше 0,4м та займати об'єм не більше 0,04м3 Простота та технологічність у виготовленні дозволяє підвищити експлуатаційну надійність пристрою Крім того, запропонований тепловий насос здатен працювати не споживаючи високоорганізований вид енергії - електроенергію, оскільки аналогічні металопдридні пристрої досить ефективно можуть функціонувати, утилізуючи бросове низькопотенційне тепло 51002 10 7L х Фіг. 1 Фіг. 2 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71