本发明专利技术公开了一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，包括反应器壳体和换热流体管，反应器壳体的上端设有用于进出氢气的气孔和安全阀接口，换热流体管从反应器壳体的下端贯穿至反应器壳体的上端，换热流体管的上下两端均延伸至反应器壳体的外部，换热流体管位于反应器壳体内的部分沿轴向间隔安装有多个环状翅片结构；从上至下，环状翅片结构的直径依次减小；反应器壳体的内部填充有金属氢化物粉末床层，换热流体管与反应器壳体之间密封连接。解决了传统的管壳式结构金属氢化物蓄热反应器，在放热过程中，输出温度较低，换热性能较差的问题。
An efficient heat storage reactor with annular fins based on metal hydride
【技术实现步骤摘要】
一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器
本专利技术属于热化学蓄热
，具体涉及一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器。
技术介绍
随着社会的不断进步，对于能源的需求越来越高，传统化石燃料的大量燃烧，带来了环境污染、能源短缺等一系列的问题。因此，开发新型能源成为解决能源短缺的重要途径之一。太阳能是主要的可再生能源之一，受到了人们的广泛关注。由于太阳能的间歇性和不连续性，在太阳能热发电站中采用高温蓄热技术是必不可少的。在诸多高温蓄热材料中，Mg基金属氢化物由于其高的蓄热密度、良好的循环性能和低的成本等优点，被誉为最具潜力的热化学蓄热材料之一。大量的研究表明，金属氢化物反应过程的控制环节是传热，即传热性能越好反应越快。因此，强化金属氢化物反应器的传热性能，加快金属氢化物的反应速率是目前主要的研究方向。管壳式结构是经典的反应器结构形式之一，具有结构简单、易于放大等优点，目前，金属氢化物蓄热反应器多采用管壳式结构。已有研究表明，管壳式金属氢化物蓄热反应器换热性能较差，导致放热过程中输出温度较低，整体反应器的有效热输出大大降低。除此之外，由于换热流体温度的温升(放热)或者温降(吸热)会随着流体流向逐渐变化，这会导致沿着流体流向换热流体换热温差的不均匀，尤其在金属氢化物反应器放热过程中，采用传统的管壳式结构会导致流体出口侧的换热效果弱于流体进口侧，在有效的反应时间内，会导致反应器床层中有一部分材料并未参与反应，整体床层中存在非均匀反应，导致传热传质的不均匀。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，解决金属氢化物蓄热反应器用于高温蓄热时传统管壳式结构换热性能较差和存在非均匀反应的问题。本专利技术采用以下技术方案：一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，包括反应器壳体和换热流体管，反应器壳体的上端设有用于进出氢气的气孔和安全阀接口，换热流体管从反应器壳体的下端贯穿至反应器壳体的上端，换热流体管的上下两端均延伸至反应器壳体的外部，换热流体管位于反应器壳体内的部分沿轴向间隔安装有多个环状翅片结构；从上至下，环状翅片结构的直径依次减小；反应器壳体的内部填充有金属氢化物粉末床层，换热流体管与反应器壳体之间密封连接。各环状翅片结构的厚度相同，环状翅片结构的厚度等于换热流体管的壁厚。任意相邻两个环状翅片结构的间距相同，最上端的环状翅片结构上侧的金属氢化物粉末床层的厚度与最下端的环状翅片结构下侧的金属氢化物粉末床层的厚度相同，该厚度与任意相邻两个环状翅片结构的间距相同，任意相邻两个环状翅片结构的间距为8-15mm。相邻两个环状翅片结构的外径相差至少0.1mm，最上端的环状翅片结构的外缘与反应器壳体内壁之间的间隔至少为2mm。反应器壳体包括筒体和法兰，筒体为上端开口、下端具有底面的圆筒结构，法兰与筒体的上端密封连接，换热流体管的下端穿过筒体的底面，换热流体管的上端穿过法兰，换热流体管与筒体的底面以及法兰之间密封连接，换热流体管与筒体同轴设置，气孔和安全阀接口设置于法兰上，气孔和安全阀接口的入口处设有滤网。环状翅片结构以相同的间隔分布，从上至下，环状翅片结构的直径递减，环状翅片结构外缘所在直线与换热流体管轴线之间的夹角为0.5°–4.0°。所述反应器还包括第一卡套、第二卡套和第三卡套，第三卡套套设在换热流体管上并穿过法兰，第二卡套套设在第三卡套上凸出于法兰的部分，第二卡套用于密封所述法兰，第三卡套下端设置有锥面结构，锥面结构用于将第三卡套固定在筒体的上端，滤网固定在所述锥面结构上；第一卡套设置于所述第二卡套上，用于将换热流体管的上端与第二卡套固定密封。所述换热流体管的下端通过第四卡套和筒体的底面固定密封。筒体的上端的内缘设置有凹槽，滤网为圆形并设置于凹槽内，筒体的上端的外缘设置有环形锥面结构，所述环形锥面结构用于密封所述法兰和筒体的上端。反应器壳体外部设置有高温隔热材料。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术的基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，换热流体管贯穿整个反应器，换热流体管与反应器壳体之间密封连接，换热流体管位于反应器壳体内的部分沿轴向间隔安装有多个环状翅片结构，可以强化床层的传热效果，反应器壳体的上端设置有用于氢气进出的气孔和安全阀接口，反应器壳体内部装有金属氢化物粉末床层，此反应器适用于换热流体入口必须位于反应器的底端一侧，从上至下，环状翅片结构的直径依次减小，因此能够消除金属氢化物粉末床层的不均匀反应，在放热过程中，反应器整体有效热输出功率可大幅提升，并且可以大大减缓非均匀反应。进一步的，环状翅片结构中各个环状翅片的厚度相同，且等于换热流体管的壁厚，保证了强度以及焊接方便。进一步的，为了结构的简单，环状翅片结构中各个环状翅片的间距相同，最上端的环状翅片结构上侧的金属氢化物粉末床层的厚度与最下端的环状翅片结构下侧的金属氢化物粉末床层的厚度相同，该厚度与任意相邻两个环状翅片结构的间距相同，任意相邻两个环状翅片结构的间距为8-15mm，间距越大，成本越低，间距越小，对于床层的强化效果越强。进一步的，相邻两个环状翅片结构的外径相差至少0.1mm，用于消除非均匀反应，最上端的环状翅片结构的外缘与反应器壳体内壁之间的间隔至少为2mm，保证床层材料的顺利装填以及氢气的流动，滤网能够防止金属氢化物粉末随着氢气流出反应器。进一步的，环状翅片结构外缘所在直线与换热流体管轴线之间的夹角为0.5°–4.0°，可以满足常见的管壳式蓄热反应器消除非均匀反应。进一步的，换热流体管的上端与采用三组卡套组合的方式固定密封，保证密封效果良好，第一卡套固定密封换热流体管和第二卡套，第二卡套与第三卡套接触固定密封，第三卡套底端设置有锥面结构，锥面结构用于将第三卡套固定在筒体的上端，滤网固定在所述锥面结构上。进一步的，筒体的上端的外缘设置有环形锥面结构，环形锥面结构用于密封反应器壳体和法兰，防止氢气的泄露。进一步的，反应器壳体外部设置有高温隔热材料，用以减小热量的耗散。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术翅片结构示意图；图3为本专利技术滤网结构示意图；图4为本专利技术法兰处螺栓的位置分布；图5为现有管壳式蓄热反应器床层结构示意图；图6(a)为现有管壳式蓄热反应器放热过程的模拟结果图；图6(b)为本专利技术实施例中基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器放热过程的模拟结果图。其中：1.法兰；2.气孔；3.螺栓；4.凹槽；5.滤网；6.第一卡套；7.第二卡套；8.安全阀接口；9.金属垫片；10.环形锥体结构；11.第三卡套；12.金属氢化物粉末床层；13.翅片结构；14.反应器壳体；14-1筒体；15.换热流体管；16.第四卡套；17.反应锋面；18；已反应部分；19-未反应部分。具体实施方式在本专利技术的描述中，需本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，包括反应器壳体(14)和换热流体管(15)，反应器壳体(14)的上端设有用于进出氢气的气孔(2)和安全阀接口(8)，换热流体管(15)从反应器壳体(14)的下端贯穿至反应器壳体(14)的上端，换热流体管(15)的上下两端均延伸至反应器壳体(14)的外部，换热流体管(15)位于反应器壳体(14)内的部分沿轴向间隔安装有多个环状翅片结构(13)；从上至下，环状翅片结构(13)的直径依次减小；反应器壳体(14)的内部填充有金属氢化物粉末床层(12)，换热流体管(15)与反应器壳体(14)之间密封连接。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，包括反应器壳体(14)和换热流体管(15)，反应器壳体(14)的上端设有用于进出氢气的气孔(2)和安全阀接口(8)，换热流体管(15)从反应器壳体(14)的下端贯穿至反应器壳体(14)的上端，换热流体管(15)的上下两端均延伸至反应器壳体(14)的外部，换热流体管(15)位于反应器壳体(14)内的部分沿轴向间隔安装有多个环状翅片结构(13)；从上至下，环状翅片结构(13)的直径依次减小；反应器壳体(14)的内部填充有金属氢化物粉末床层(12)，换热流体管(15)与反应器壳体(14)之间密封连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，各环状翅片结构(13)的厚度相同，环状翅片结构(13)的厚度等于换热流体管(15)的壁厚。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，任意相邻两个环状翅片结构(13)的间距相同，最上端的环状翅片结构上侧的金属氢化物粉末床层(12)的厚度与最下端的环状翅片结构下侧的金属氢化物粉末床层(12)的厚度相同，该厚度与任意相邻两个环状翅片结构(13)的间距相同，任意相邻两个环状翅片结构(13)的间距为8-15mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，相邻两个环状翅片结构(13)的外径相差至少0.1mm，最上端的环状翅片结构(13)的外缘与反应器壳体(14)内壁之间的间隔至少为2mm。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于金属氢化物的环状翅片式高效蓄热反应器，其特征在于，反应器壳体(14)包括筒体(14-1)和法兰(1)，筒体(14-1)为上端开口、下端具有底面的圆筒结构，法兰(1)与筒体(14-1)的上端密封连接，换热流体管(15)的下端穿过筒体(14-1)的底面，换热流体管(15)...
【专利技术属性】
技术研发人员：张早校，刘洋，依玲，吴震，杨福胜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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