Модуль термосорбционного компрессора на основе интерметаллидов для получения водорода высокого давления

Полезная модель относится к области химического машиностроения, а именно к металлогидридным термосорбционным компрессорам водорода высоких давлений. Модуль термосорбционного компрессора на основе интерметаллидов для получения водорода высокого давления, содержащий цилиндрический корпус с водородными патрубками и патрубками подачи и отвода теплоносителя, с размещенными в корпусе и закрепленными на фланцах трубчатыми сорбционными элементами в виде цилиндров, заполненных порошкообразным сорбентом водорода на основе интерметаллических соединений, соединенных с коллекторами, выполнен с пористыми теплопроводящими матрицами по всему объему трубчатых сорбционных элементов, с теплоизоляцией наружной поверхности корпуса, с коллекторами в виде системы трубок, и фланцами, установленными в торцах корпуса с возможностью их разъемного соединения, при этом водородные патрубки соединены со сменными фильтрами с низким сопротивлением фильтрующей поверхности. 1. н.п.ф. 3 з.п.ф. 2 илл.

Настоящая полезная модель относится к области химического машиностроения, а конкретно к металлогидридным термосорбционным компрессорам (далее МГ ТСК) водорода высоких давлений,

МГ ТСК водорода основаны на способности обратимых гидридов интерметаллических соединений сорбировать значительные количества водорода при низких температурах и давлениях, а при нагревании десорбировать его при более высоких давлениях. Существенными преимуществами данных компрессоров являются, простота конструкции, отсутствие шума и вибрации, высокая чистота сжатого водорода.

МГ ТСК производительностью свыше 12 м³/ч компримирующие водород высокой чистоты до давлений 200 атм. могут быть альтернативой традиционным промышленным механическим компрессорам. При создании данного типа МГ ТСК важнейшим элементом, определяющим работу компрессора, является металлогидридный термосорбционный модуль (далее модуль).

Модуль должен отвечать следующим требованиям:

- Модуль должен быть выполнен в виде одной или нескольких цилиндрических трубок. Трубки с одной стороны должны выдерживать высокие давления до 200 атм., создаваемые в процессе работы компрессора, с другой стороны обеспечивать минимальные тепловые потери, вызванные постоянными сменами режимов нагрева/охлаждения.

- Количество модулей с засыпанным металлогидридом должно обеспечивать необходимую производительность компрессора, при этом большое число модулей значительно усложняет конструкцию компрессора, увеличивает количество сварных соединений, усложняет схему согласования между модулями.

- Конструкция модуля должна обеспечивать эффективный внутренний тепломассообмен в слоях металлогидрида, который является лимитирующим фактором, влияющим на производительность и КПД компрессора. Активированный металлогидрид представляет собой мелкодисперсный порошок фракцией 5-15 мкм с низкой теплопроводностью. Процесс сорбции/десорбции водорода металлогидридом сопровождается значительными тепловыми эффектами (около 30 кДж/моль для соединений типа AB₅ ).

- Конструкция модуля должна обеспечивать эффективный внешний тепломассообмен между стенкой модуля и теплоносителем. Равномерность подачи теплоносителя ко всей рабочей поверхности модуля.

- Конструкция модуля должна обеспечивать фильтрацию водорода от металлогидрида и удобную замену фильтрующего элемента. Процесс десорбции сопровождается уносом мелкодисперсного металлогидрида в трубопроводы и запорно-регулирующую арматуру, что приводит их к выходу из строя. Кроме того, фильтр быстро засоряется, а, следовательно, снижается пропускная способность фильтра, что приводит к снижению производительности.

- Кроме того, при создании МГ ТСК большой производительности модуль должен обеспечивать эффективный тепломассообмен, иметь оптимальные конструкционные и технологические решения.

-

Из уровня техники известен способ аккумулирования водорода в металлогидридах по патенту RU 2381413, где для удаления мелкодисперсных частиц применяется двойная фильтрация. Первый фильтр грубой очистки является составной частью водородного коллектора и является армирующим элементом для слоя металлогидрида и дает возможность проходить металлогидридной пыли через фильтр грубой очистки. Второй фильтр тонкой очистки предотвращает передвижение металлогидридной пыли с потоком водорода, а его очистка происходит во время обратного движения потока водорода через фильтр во время заправки металлогидрида водородом, и таким образом в пространстве между двумя фильтрами происходит накопление пыли металлогидрида. Для ее удаления из этого пространства устанавливается конденсатор металлогидридной пыли, в котором происходит ее накопление с дальнейшим удалением.

Недостатком данного способа очистки является ограниченная площадь фильтра тонкой очистки, что может привести к снижению пропускной способности фильтра при десорбции большого количества водорода, а также привести к поломке фильтрующего элемента, в случае возникновения сильного перепада давления до и после фильтрующего элемента

В качестве наиболее близкого аналога рассматривается Кожухотрубный модуль гидридного термосорбционного аккумулятора-компрессора водорода по заявке WO 2013/006091 A1 на базе заявки RU 2011127136, содержащий кожух с расположенными в нем трубчатыми сорбционными элементами, выполненными в виде цилиндра, с размещенным в нем порошкообразным сорбентом водорода на основе интерметаллических соединений, образующих обратимые гидриды, и трубчатого пористого газораспределительного устройства. Трубчатый сорбционный элемент состоит из наружного цилиндра с внутренним диаметром 60 мм и внутреннего цилиндра с наружным диаметром 30 мм. Металлогидрид располагается в кольцевой полости между ними. Толщина слоя сорбента в этом элементе равна 15 мм при длине 100 мм.

Недостатком данного изобретения является значительная толщина слоя сорбента (более 10 мм), что приводит к увеличению длительности процесса теплопередачи между слоями металлогидрида, а, следовательно, снижению производительности.

Известно что, сорбционная емкость металлогидрида снижается после нескольких тысяч циклов сорбции/десорбции, что снижает производительность компрессора, и требует замены металлогидрида. Невозможность его быстрой замены, связанная с конструктивным решением кожухотрубного модуля также является недостатком известного решения.

Кроме того, для обеспечения производительности компрессора до 12 м3/ч с использованием известного решения потребуются значительное количество модулей, что заметно усложняет конструкцию компрессора, отрицательно влияя на надежность его работы.

Целью полезной модели является МГ ТСК производительностью не менее 12 м3/ч по водороду с использованием доработанной конструкции металлогидридного термосорбционного модуля, определяющего работу компрессора.

Техническим результатом, на решении которой направлена заявленная полезная модель, является повышение производительности и эксплуатационной надежности компрессора, а также улучшения его технических характеристик при повышении термодинамической эффективности модулей на базе гидридообразующих соединений.

Заявленный технический результат достигается тем, что в модуле термосорбционного компрессора на основе интерметаллидов для получения водорода высокого давления, содержащем цилиндрический корпус с патрубками подачи и отвода теплоносителя и водородными патрубками, с размещенными в корпусе и закрепленными на фланцах трубчатыми сорбционными элементами, выполненными в виде цилиндров, заполненных порошкообразным сорбентом водорода на основе интерметаллических соединений, соединенных с коллекторами, по всему объему трубчатых сорбционных элементов установлены пористые теплопроводящие матрицы, при этом корпус выполнен с теплоизоляцией наружной поверхности, коллектор выполнен в виде системы трубок, фланцы установлены в торцах корпуса с возможностью разъемного соединения, а патрубки водорода соединены со сменными фильтрами с низким сопротивлением фильтрующей поверхности.

Пористые теплопроводящие матрицы, могут быть выполнены, например, из пенометалла, что значительно улучшающие эффективность внутреннего теплообмена.

Подбор диаметров и толщины стенок трубчатых сорбционных элементов модуля осуществляют, исходя из условий достижения необходимой производительности модуля, с заметным повышением его КПД и без усложнения конструкции.

Размещение фланцев в торцах корпуса позволяет оперативно проводить замену металлогидрида.

Уносу металлогидрида из модуля препятствует очистка водорода с помощью сменных фильтров, установленных на водородных патрубках. Например, выполненных в виде керамической трубки с высокой пропускной способностью, не препятствующей прохождению газового потока. Внешнее расположение фильтров позволяет легко менять засорившийся фильтрующий элемент.

Теплоизоляция наружной поверхности корпуса позволяет обеспечить эффективный тепломассообмен.

Конструкция устройства поясняется приложенными графическими материалами. На фиг. 1. представлена конструкция модуля. Модуль представляет собой цилиндрический корпус 1, трубчатые сорбционные элементы 2, заполненные металлогидридом, объединенные в общий коллектор 3, приваренный к фланцам 4, кожух 5, теплоизолятор 6, патрубки подачи и отвода 7 теплоносителя, водородные патрубки 8.

Фланец 4 с коллектором 3 и трубчатыми сорбционными элементами 2 устанавливаются в корпус 1 модуля с двух сторон, это позволяет уменьшить свободный объем внутри корпуса, таким образом снизить расход теплоносителя, а также упростить сборку/разборку модуля в случае ремонта и профилактических работ.

На виде Б представлен продольный разрез трубчатого сорбционного элемента 2, показывающий расположение теплопроводящей матрицы 9 и засыпанного металлогидрида. Теплопроводящая матрица полностью занимает свободный объем трубчатого сорбционного элемента. Как известно, металлогидриды отличаются плохой теплопередачей вследствие их низкого коэффициента теплопроводности и высокого термического сопротивления в месте контакта металлогидрида со стенками трубчатого сорбционного элемента, кроме того, диффузия газов внутрь порошка затруднительна. Теплопроводящие матрицы значительно увеличивают коэффициент теплопроводности, что приводит улучшению процессов тепло- и/или массопередачи.

В сечении A-A показано расположение трубок 2 внутри корпуса 1, которое позволяет равномерно распределять теплоноситель между всеми трубками одновременно.

На фиг. 2 представлен фильтр 10, состоящий из корпуса, накидной гайки и фильтрующего элемента. Длину фильтрующего элемента можно регулировать в зависимости от расхода водорода. Также в случае большого сопротивления фильтрующего элемента возможно подключение нескольких фильтров параллельно.

Компримирование водорода металлогидридным термосорбционным модулем включает в себя периодически повторяющиеся стадии сорбции и десорбции водорода. На стадии сорбции водород при низком давлении поступает через фильтр 10 и патрубок 8 в общий коллектор 3, который равномерно распределяет и подает водород в трубчатые сорбционные элементы 2, где водород поглощается металлогидридом, при этом трубчатые сорбционные элементы 2 охлаждаются теплоносителем, который поступает и отводится из корпуса 1 через патрубки подачи и отвода 7. На стадии десорбции металлогидрид в трубчатых сорбционных элементах 2 нагревается горячим теплоносителем, который поступает и отводится из корпуса 1 через патрубки подачи и отвода 7, при этом водород выделяется из металлогидрида под высоким давлением, проходит через общий коллектор 3 и патрубок 8 в фильтр 10, где происходит улавливание мелкофракционного металлогидрида, и далее поступает потребителю.

Равномерное расположение трубчатых сорбционных элементов 2 внутри корпуса 1 обеспечивает эффективный внешний тепломассообмен между стенками модуля и теплоносителем. Наличие теплопроводящей матрицы 9 внутри трубчатых сорбционных элементов 2, уменьшает толщину слоя металлогидрида и увеличивает площадь контакта металлогидрида со стенками трубчатых сорбционных элементов 2, что позволяет улучшить теплопроводность металлогидридной засыпки, а, следовательно, повысить термодинамическую эффективность модулей.

1. Модуль термосорбционного компрессора на основе интерметаллидов для получения водорода высокого давления, содержащий цилиндрический корпус с водородными патрубками и патрубками подачи и отвода теплоносителя, с размещенными в корпусе и закрепленными на фланцах трубчатыми сорбционными элементами, выполненными в виде цилиндров, заполненных порошкообразным сорбентом водорода на основе интерметаллических соединений, соединенных с коллекторами, отличающийся тем, что по всему объему трубчатых сорбционных элементов установлены пористые теплопроводящие матрицы, при этом корпус выполнен с теплоизоляцией наружной поверхности, коллектор выполнен в виде системы трубок, фланцы установлены в торцах корпуса с возможностью разъемного соединения, а водородные патрубки соединены со сменными фильтрами с низким сопротивлением фильтрующей поверхности.

2. Модуль термосорбционного компрессора по п. 1, отличающийся тем, что пористые теплопроводящие матрицы выполнены из пенометалла.

3. Модуль термосорбционного компрессора по п. 1, отличающийся тем, что теплоизоляция наружной поверхности корпуса представляет собой слой коалиновой ваты.

4. Модуль термосорбционного компрессора по п. 1, отличающийся тем, что сменные фильтры с низким сопротивлением фильтрующей поверхности выполнены с возможностью регулировки в зависимости от расхода водорода.