一种模块化装填复合压实单元体的金属氢化物反应器
技术领域
本发明属于固定床反应器
技术领域
，特别是涉及一种模块化装填膨胀石墨含量随热流变化而含量不同的复合压实单元体的金属氢化物反应器。背景技术
储氢合金吸收氢气生成金属氢化物的反应过程会放出热量。而金属氢化物在被加热后会分解为储氢合金和氢气。利用这个特点，金属氢化物可应用于热化学蓄热领域，具有可逆性好、反应热大、腐蚀性低和反应易于控制等优点。此外，金属氢化物在制冷、空调和热泵等热利用领域也具有很大的应用潜力。
金属氢化物反应器是蓄热系统的核心部件，整个蓄热系统的性能取决于反应器的传热性能。强化金属氢化物反应器的传热性能有利于提高吸放氢反应速率和蓄热功率。其中，在金属氢化物床层中添加膨胀石墨是一种非常有效的反应器传热强化措施。例如，在镁氢化物中添加质量含量为10wt.％的膨胀石墨并压制为复合压实单元体，则其床层径向有效导热系数与粉末状床层相比有大幅提高，达到8W/(m·K)。并且，随着膨胀石墨含量的增加，床层有效导热系数还会有大幅提高。
但其不足之处在于，随着膨胀石墨填充量的增加，由于膨胀石墨不参与吸放氢反应，反应器床层的单位体积储氢密度会下降，体积蓄热密度也会随之减小。目前，复合压实单元体一般被制作成圆柱形，采用多块层叠方式装填到反应器壳体内。然而，金属氢化物与膨胀石墨复合压实单元体的尺寸较小，对于大直径的反应器如何高效装填复合压实单元体并保证高的氢气流动性也是一个难点。因此，如何解决上述问题成为本领域的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种根据热流变化模块化装填不同膨胀石墨含量的复合压实单元体所构成的金属氢化物反应器，以解决现有技术金属氢化物反应器存在的随着膨胀石墨填充量的增加，反应床的单位体积储氢密度会下降的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
本发明提供的模块化装填复合压实单元体的金属氢化物反应器，其构成包括反应器壳体、位于壳体内部的反应床、设置在壳体上的氢气进出口管和位于反应床中心的换热管；所述反应床由金属氢化物与膨胀石墨复合压实的单元体模块化装填构成，单元体设有上下贯通的用于氢气吸收与释放的通孔，构成反应床的单元体模块化装填结构，在径向呈圈层结构，相邻圈层的单元体，位于内圈的单元体其外缘面与外圈的单元体内缘面贴合，最内一圈的单元体其内缘面与换热管外缘面贴合，且单元体的膨胀石墨质量含量由内圈层向外圈层逐渐减小；换热管内通入换热流体用于冷却或加热单元体中的金属氢化物。
本发明还可进一步地采取以下技术措施，下述技术措施可分别采取，也可组合采取，甚至一并采取。
优选地，构成反应床的单元体膨胀石墨质量含量，可按圈层成梯度地逐渐减少，且外圈层的单元体膨胀石墨质量含量最好不少于3％，内圈层的单元体膨胀石墨质量含量最好不大于30％；进一步优选地，构成反应床的单元体膨胀石墨质量含量逐渐减少的梯度一般控制在0.5～10％范围。
优选地，反应床在轴向模块化装填有多层单元体，每层模块化装填结构相同，位于下层的单元体通孔与位于上层的单元体通孔对接，形成用于氢气吸收与释放的流道。
优选地，反应床由同一种结构与尺寸相同的单元体模块化装填构成；构成反应床的单元体尽量填充整个反应器壳体，以提高反应器内空间利用率。
优选地，构成反应床的单元体，可选择边长为10～80mm，高度为3～60mm的正六棱柱形单元体，单元体中心设有氢气流通孔。
优选地，反应器的壳体内径控制在100～800mm范围，由单元体模块化装填构成的反应床，在径向按照膨胀石墨质量含量可设为2～8个区域圈层。
优选地，反应床在换热流体出口端，与反应器壳体之间最好留有不少于5mm的间隔，以形成氢气进出腔室，在进气阶段作气体的分布腔室，在出气阶段作为气体的集聚腔室。
优选地，换热管内通入单相对流换热流体或相变对流换热流体以冷却或加热单元体中金属氢化物；进一步地，所述单相对流换热流体为水、空气、熔盐或者导热油；相变对流换热流体为制冷剂或者水。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明根据金属氢化物反应器反应床层热流的方向模块化装填具有不同膨胀石墨质量含量的单元体，位于反应床层热流密度大的内圈区域的单元体的膨胀石墨质量含量较高，位于反应床层热流密度小的外圈区域的单元体区域膨胀石墨质量含量较低。金属氢化物与膨胀石墨复合压实的单元体导热系数随膨胀石墨含量增加而增加，模块化装填膨胀石墨含量随热流分布而变化的单元体有利于反应床层温度的均匀分布，吸氢反应速率增加，反应器蓄热效率也随之增加。
2)本发明在每一块复合压实单元体中心开孔，能够提高反应床层与氢气的接触面积，使反应床层与氢气得到充分接触，复合压实的单元体吸放氢反应能够及时得到补充与排放，氢气进出口端壳体与反应床之间的氢气进出腔室给予氢气足够的流通空间，保证氢气的高流动性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的金属氢化物反应器轴向剖视结构示意图；
图2为图1所示实施例金属氢化物反应器的俯视结构示意图；
图3为图1所示实施例金属氢化物反应器的径向剖视结构示意图。
其中：1-壳体；2-反应床；3-氢气进出口管；4-换热管。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
实施例
如图1、图2和图3所示为一种模块化装填膨胀石墨含量随热流变化的复合压实单元体的金属氢化物反应器，包括壳体1、反应床2、氢气进出口管3、换热管4，所述反应床2设在壳体1的内部形成反应腔，所述氢气进出口管3设在壳体的外表面，所述换热管4穿过反应床的中心；所述反应床由同一规格中心带有通孔的金属氢化物与膨胀石墨复合压实的单元体模块化装填构成。单元体模块化装填结构在径向方向，从内至外共有四圈单元体，单元体根据膨胀石墨质量含量分为3个圈层部分，其中内圈层包括第一圈与第二圈的单元体，中圈层为第三圈的单元体，外圈层为第四圈的单元体，内圈层的单元体的膨胀石墨的质量含量为17％，中圈层的单元体膨胀石墨的质量含量为10％，外圈层的单元体膨胀石墨的质量含量为3％，保证反应床平均膨胀石墨质量含量为10％。单元体模块化装填结构在轴向方向，每层装填结构相同，上下层单元体的通孔相接，形成氢气的流道。构成反应床的单元体尽量填充整个反应器壳体，以提高反应器内空间利用率，但反应床在换热流体出口端，与反应器壳体之间留有不少于5mm的间隔以形成氢气进出腔室，在氢气进气阶段作气体的分布腔室，在氢气出气阶段作为气体的集聚腔室。本实施例的单元体为单轴压制压力100MPa的正六棱柱形，横截面边长为13mm，高为15mm；壳体为内径187mm，高500mm，内容积13.73L的柱状壳体；换热管内径为20mm，外表面为与正六棱柱形复合压实单元体相匹配的六面体；壳体与换热管的材料均为316L不锈钢；换热管中的换热流体为导热油Dowtherm A，入口流速为0.2m/s。本实施例反应器共装填氢化镁的总质量为11.72kg，膨胀石墨的总质量为1.34kg；氢化镁为平均粒径为1～10μm的活化氢化镁粉末，单元体中的膨胀石墨为同一类型。本实施例反应器配备有加热装置，加热到初始温度570K，在2MPa的氢气压力下进行吸氢反应。
作为对比，金属氢化物反应器材料、尺寸与操作参数等均一致，唯一不同之处在于反应床层的变化，反应床层中的单元体全部均匀填充质量含量为10％的膨胀石墨，该种情况与图3所示金属氢化物床层的膨胀石墨填充量相同，通过数值模拟软件进行模拟计算反应器的主要技术指标——单位重量蓄热功率。
本实施例中，与反应床均匀填充10％膨胀石墨的反应器相比，模块化装填膨胀石墨含量随热流变化的单元体构成的金属氢化物反应器，其单位重量蓄热功率由40.95W·kg-1增加为53.70W·kg-1，增加了31.13％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于以此限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
