[发明专利]一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器

说明书

本发明提供了一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其构成包括反应器壳体、位于反应器壳体内的至少一个与氢气进行反应的反应床单元和设置在壳体上的氢气进出口管，所述反应床单元由多层叠置在一起的金属氢化物与膨胀石墨混合压制成的复合压块和垂直穿过各层复合压块的换热管构成，不同层级复合压块的膨胀石墨质量含量沿换热管内换热流体的流动方向逐渐增加，换热管内的换热流体用于冷却或加热复合压块中的金属氢化物。本发明克服了现有技术装填均匀膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器存在的，沿换热流体流动方向反应床单元与换热流体换热不均匀性的问题，提高了反应器的吸放氢反应速率。

技术领域

本发明属于固定床反应器技术领域，特别是涉及一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器。

背景技术

在一定的温度和压力下，一些金属或合金可以将氢分子分解为氢原子，然后发生化学反应生成金属氢化物，这一过程具有良好的可逆性并且伴随着显著的热效应。因此，金属氢化物可以作为蓄热材料应用于蓄热领域。在众多的金属氢化物中，镁基金属氢化物的工作温度和反应焓均较高，从而具有蓄热密度高的显著优势，被国内外学者认为是一种很有潜力的高温蓄热材料。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。

大量的研究表明，金属氢化物反应器内传热特性对整个系统性能具有决定性的影响，强化反应器的传热性能有利于提高吸放氢反应速率。反应器的热量传递路径分为两部分，一部分为反应器床层的内部传热，另一部分为反应器与换热流体之间的外部传热。因此，强化传热的方法主要有两种思路：(1)在床层内添加高导热性材料(例如膨胀石墨)以提高床层的有效导热系数；(2)改进反应器结构以强化反应器与换热流体之间的传热性能。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，在镁氢化物压块中添加质量含量为10wt.％的膨胀石墨，则床层径向有效导热系数达到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。

Feng等研究发现，在金属氢化物发生放热的吸氢反应时，换热流体吸收热量会导致换热流体的温度沿流动方向逐渐升高。这导致换热流体与反应床层之间的传热温差沿换热流体流动方向减小，相应的传热速率也随之降低，尤其是换热流体出口处换热效果最差(Feng P,Wu Z,Zhang Y,et al.Multi-level configuration and optimization of athermal energy storage system using a metal hydride pair[J].Applied Energy,2018,217:25-36)，从而导致换热流体与反应床层之间的整体传热效果不高，降低了反应器的吸放氢反应速率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，解决沿换热流体流动方向反应床与换热流体换热的不均匀性问题，提高反应器的吸放氢反应速率。

本发明的目的可以通过以下技术方案的金属氢化物反应器来实现。

本发明提供的金属氢化物反应器为一种装填不同膨胀石墨含量复合压块的金属氢化物反应器，其构成包括反应器壳体、位于反应器壳体内的至少一个与氢气进行反应的反应床单元和设置在壳体上的氢气进出口管，所述反应床单元由多层叠置在一起的金属氢化物与膨胀石墨混合压制成的复合压块和垂直穿过各层复合压块的换热管构成，不同层级复合压块的膨胀石墨质量含量沿换热管内换热流体的流动方向逐渐增加，换热管内的换热流体用于冷却或加热复合压块中的金属氢化物。

在本发明上述技术方案的基础上，还可进一步采取以下技术措施，下述技术措施可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。

在本发明上述技术方案中，不同层级复合压块的膨胀石墨质量含量沿换热管内换热流体的流动方向可优先考虑采取分段成梯度逐渐增加。