Многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор
Изобретение относится к многоступенчатым металлогидридным водородным компрессорам и может быть использовано в энергетике, химической технологии, газоснабжении и других отраслях. Компрессор содержит по меньшей мере два модуля сжатия, где каждый модуль включает по меньшей мере две ступени сжатия, каждую из которых составляют один или более металлогидридных контейнеров, оборудованных по меньшей мере одним водородным впускным и выпускным трубопроводом. Содержит устройство нагревания и охлаждения, газораспределительную систему, включающую газовые коллекторы ступеней сжатия, водородный впускной коллектор, присоединенный к газовым коллекторам, промежуточные газовые коллекторы, оборудованные буферами, водородный выпускной коллектор, систему нагревания и охлаждения, которая обеспечивает поочередное нагревание и охлаждение металлогидридных контейнеров. Система управления обеспечивает работу системы нагревания и охлаждения в течение заданных периодов времени. Наличие буфера для приема и передачи достаточного количества водорода с нагреваемой предшествующей ступени сжатия на охлаждаемую последующую ступень сжатия повышает производительность компрессора. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение предлагает многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор.
Более конкретно, настоящее изобретение предлагает многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор, который использует металлогидридные материалы и обеспечивает высокие коэффициенты сжатия водорода и высокую пропускную способность/производительность посредством периодического нагревания и охлаждения металлогидридных материалов, где используется горячий (пар) и холодная (циркулирующая вода) теплонесущая текучая среда, доступная в промышленных процессах.
Компрессор может использоваться в энергетике (включая водородные энергетические системы), химической технологии, газоснабжении и т. д., для заполнения газовых баллонов высокочистым газообразным водородом высокого давления, который может продаваться потребителям или использоваться в собственных промышленных процессах, например, для охлаждения турбогенераторов на тепловых или атомных электростанциях.
Уровень техники, к которой относится изобретение
Перспективный способ сжатия водорода, для которого не требуется использование движущихся деталей, представляет собой применение гидридов металлов (MH). В указанном способе используется обратимое термически активируемое взаимодействие образующего гидрид металла, сплава или интерметаллического соединения с газообразным водородом, в результате которого образуется гидрид металла. При этом экзотермическое образование гидрида металла сопровождается абсорбцией водорода низкого давления в образующем гидрид материале в течение теплоотвода от него при пониженной температуре. В качестве альтернативы, эндотермическое разложение MH сопровождается десорбцией из него водорода высокого давления в течение подвода тепла к гидриду металла при повышенной температуре.
Таким образом, периодическое охлаждение/нагревание материала MH приводит к периодической абсорбции водорода низкого давления/десорбции водорода высокого давления, аналогично процессам всасывания и выпуска в механическом компрессоре.
Всесторонний обзор, представляющий многочисленные статьи и патентные документы, описывающие металлогидридную технологию сжатия водорода, недавно опубликовали Лотоцкий и его соавторы [1]. В данном обзоре рассмотрены (a) фундаментальные аспекты разработки материалов и (b) прикладные аспекты, включающие соответствующие соображения с точки зрения прикладной термодинамики, отличительные конструктивные признаки системы, эксплуатационные характеристики металлогидридных компрессоров и основные приложения.
Общий признак всех металлогидридных материалов, применяемых для сжатия водорода, представляют собой однозначные соотношения между температурой охлаждения и всасыванием/низким давлением водорода, а также между температурой нагревания и выпуском/высоким давлением водорода; оба соотношения определяются термодинамикой обратимого взаимодействия водорода с металлогидридным материалом. Таким образом, для достижения высокого коэффициента сжатия в узком доступном температурном интервале (требуется, когда отбросное промышленное тепло используется как движущая сила для сжатия водорода) необходимы специальные технологические решения.
Подход к получению высокого давления водорода при умеренных рабочих температурах представляет собой использование многоступенчатых металлогидридных компрессоров, и данную концепцию предложил Golben [2]. Многоступенчатый компрессор с последовательным использованием двух или более гидридов металлов, различающихся по термической устойчивости. Наиболее устойчивый гидрид помещается в элементы сжатия (металлогидридные контейнеры) первой ступени, а другие гидриды загружаются в элементы сжатия, принадлежащие последующим ступеням, в порядке уменьшения их термической устойчивости. Многоступенчатая работа обеспечивает достижение более высокого суммарного коэффициента сжатия с использованием такого же или меньшего изменения температуры.
Реализация указанной концепции была описана в ряде патентов и публикаций. Как правило, газораспределительная система многоступенчатого металлогидридного компрессора представляет собой конфигурацию проточного (запорного) клапана, и периодическое нагревание/охлаждение металлогидридных контейнеров надлежащим образом управляется посредством времени, как, например, описали в патентах Golben и Rosso [3] и Golben [4]. Согласно указанным изобретениям, водородный компрессор включает множество гидридных контейнеров, имеющих водородные впускные/выпускные трубопроводы и теплообменные средства, впуск газообразного водорода, вводимого при низком впускном давлении, и выпуск газообразного водорода, выходящего при высоком давлении, а также нагревательные и охлаждающие средства, обеспечивающие периодическое нагревание/охлаждение теплообменных средств, с которыми связаны соответствующие гидридные контейнеры, где осуществляется десорбция водорода высокого давления/ абсорбция водорода низкого давления. Водородные впускные/выпускные трубопроводы контейнеров присоединяются через конфигурацию проточных (запорных) клапанов, и периодическое нагревание/охлаждение теплообменников управляется посредством времени.
Аналогичное решение описали Golben и Rosso [5], где теплообменные средства включают пару продолговатых рубашек, каждая из которых содержит три гидридных контейнера: первый, второй и третий. Каждый из первых контейнеров присоединялся к водородному впускному трубопроводу и ко второму контейнеру, расположенному в противоположной рубашке; в свою очередь, каждый второй контейнер присоединялся к третьему контейнеру, расположенному в противоположной рубашке, и в то же время каждый третий контейнер, присоединялся к водородному выпускному трубопроводу. Каждое газовое соединение в указанной установке осуществлялось через обратный (запорный) клапан, обеспечивая поток водорода из впускного трубопровода в первый контейнер, затем в соответствующий второй контейнер, соответствующий третий контейнер и, наконец, в выпускной трубопровод. Первый, второй и третий контейнеры заполняли различные образующие гидриды материалы в порядке уменьшения термической устойчивости гидрированного материала, расположенного в последующем контейнере, по сравнению с предшествующим контейнером. Две установки металлогидридных контейнеров, которые располагались в рубашках теплообменника (назовем эту установку модулем сжатия) нагревались/охлаждались в противоположном направлении, т. е. когда один модуль сжатия нагревался, другой модуль сжатия охлаждался. Таким образом, был реализован процесс трехступенчатого сжатия водорода, обеспечивающий достижение высокого коэффициента сжатия (составляющего более чем 10) в узком температурном интервале (охлаждение и нагревание водой при температурах, составляющих 20 и 75°C, соответственно). Горячая и холодная вода поступали в компрессор и выходили из него через трубопроводы (отдельно для впуска и выпуска каждой теплоносящей текучей среды), и периодическое нагревание и охлаждение модулей сжатия обеспечивала система из четырех трехходовых сервоклапанов, у которых общие отверстия присоединялись к впускам и выпускам горячей и холодной воды, а другие отверстия присоединялись к теплообменным рубашкам элементов сжатия.
Лотоцкий и его соавторы [6] описали еще один пример как вариант осуществления термически активируемого металлогидридного водородного компрессора, который включает следующие элементы, находящиеся в надлежащем технологическом соединении друг с другом: по меньшей мере, два модуля сжатия; газораспределительная система; система распределения теплоносящей текучей среды; системы горячей и холодной текучей среды; трубопроводы для нагревания/охлаждения; и система управления. Согласно указанному варианту осуществления, газовые коллекторы элементов сжатия первой ступени присоединялись, через обратные (запорные) клапаны, к газовым коллекторам элементов сжатия второй ступени, которые располагались в противоположном модуле сжатия. Аналогичная конфигурация, в которой газовый коллектор элемента сжатия ступени n компрессора присоединяется через обратный клапан к газовому коллектору элемента сжатия ступени (n+1), принадлежащей противоположному модулю сжатия, была предложена и для других вариантов осуществления изобретения, реализующего схему многоступенчатого сжатия.
Отличительный признак рассматриваемых и других многочисленных технических решений термически активируемых многоступенчатых водородных компрессоров представляет собой взаимное соединение элементов сжатия (металлогидридных контейнеров), принадлежащий предшествующей и последующей ступеням сжатия и различным модулям сжатия, через обратный (запорный) клапан. Указанный признак подразумевает работу модулей сжатия в противоположных режимах, т. е. когда модуль, включающий элемент сжатия предшествующей ступени, нагревается, производя водород повышенного давления, модуль, который включает соответствующий элемент сжатия последующей ступени, охлаждается, абсорбируя, таким образом, водород пониженного давления. Все другие сочетания рабочих режимов рассматриваемых элементов сжатия включают "мертвые" периоды рабочего цикла компрессора, когда водород не поступает со стороны пониженного давления на сторону повышенного давления. Кратчайший "мертвый" период и, в свою очередь, максимальная средняя производительность/пропускная способность компрессора могут быть достигнуты, когда периоды нагревания и охлаждения являются одинаковыми. Как правило, технические решения многоступенчатых металлогидридных водородных компрессоров предусматривают одинаковые заданные периоды времени для нагревания (десорбции водорода) и охлаждения (абсорбции водорода). В то же время, как упоминали в своем обзоре Лотоцкий и его соавторы [1], периоды абсорбции и десорбции в металлогидридных контейнерах могут не равняться друг другу. Этот факт является очевидным, поскольку динамические эксплуатационные характеристики металлогидридных контейнеров в режимах абсорбции и десорбции зависят от ряда факторов, прежде всего от свойств используемого металлогидридного материала и конструкции самого контейнера. В результате этого работа элементов сжатия (металлогидридных контейнеров) в компрессорной установке, изготовленной на основе предшествующего уровня техники, не является оптимальной с точки зрения обеспечения максимальной средней производительности/пропускной способности, которая ограничивается переносом водорода между предшествующей и последующей ступенями многоступенчатого металлогидридного водородного компрессора - данный факт подтвердили экспериментально Лотоцкий и его соавторы [7] в течение исследований двухступенчатого металлогидридного компрессора, изготовленного в соответствии с решением, описанным выше [6].
Многочисленные промышленные приложения, связанные со сжатием водорода, предусматривают введение водорода низкого давления, который может содержать разнообразные газообразные примеси, тип и концентрация которых зависят от технологии производства водорода. Как представили Modibane и др. [8], гидриды металлов могут быть успешно использованы для очистки загрязненного водорода, и нежелательный эффект "отравления" металлогидридного материала некоторыми примесям может уменьшаться посредством модификации поверхности, произведенной, например, в соответствии с решением, которое запатентовали Williams и др. [9]. Оказывается возможным и весьма перспективным введение варианта очистки водорода в процесс сжатия водорода, что могло бы в значительной степени повышать ценность конечного продукта.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор в целях содействия преодолению вышеупомянутых проблем и препятствий, которые ограничивают производительность многоступенчатых термически активируемых металлогидридных компрессоров, а также разработать металлогидридный водородный компрессор, который обеспечивает достижение высокого коэффициента сжатия и в то же время проявляет гибкость в оптимизации своей работы в целях повышения производительности, а также для возможного введения дополнительных родственных вариантов, включающих, например, очистку сжатого водорода.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению, многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор составляют:
(a) по меньшей мере, два модуля сжатия, где каждый модуль включает, по меньшей мере, две ступени сжатия, каждую из которых составляют один или более металлогидридных контейнеров, оборудованных, по меньшей мере, одним водородным впускным и выпускным трубопроводом, и устройство нагревания и охлаждения;
(b) газораспределительная система, включающая:
i. газовые коллекторы ступеней сжатия, которые принадлежат модулям сжатия и присоединяются к водородным впускным и выпускным трубопроводам соответствующих металлогидридных контейнеров;
ii. водородный впускной коллектор, присоединенный к газовым коллекторам первой ступени сжатия через систему трубопроводов и газовые впускные клапаны, а также к водородному впускному трубопроводу низкого давления;
iii. промежуточные газовые коллекторы, оборудованные буферами и присоединенные к газовым коллекторам соответствующей предшествующей и соответствующей последующей ступеней сжатия через систему трубопроводов и обратные (запорные) клапаны;
iv. водородный выпускной коллектор, присоединенный к газовым коллекторам последней ступени сжатия через систему трубопроводов и обратные (запорные) клапаны и к водородному выпускному трубопроводу высокого давления;
(c) система нагревания и охлаждения, которая обеспечивает поочередное нагревание и охлаждение устройства нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров; и
(d) система управления, обеспечивающая работу системы нагревания и охлаждения в течение заданных периодов времени.
Размер и число металлогидридных контейнеров принадлежащий ступеням сжатия обеспечивает количество водорода, абсорбированного в контейнерах, принадлежащих предшествующей ступени сжатия, которое составляют на 10-20% более чем количество водорода, абсорбированного в контейнерах, принадлежащих последующей ступени сжатия.
Газовые впускные клапаны могут представлять собой обратные (запорные) клапаны.
Газовые впускные клапаны могут дистанционно управляться системой управления.
Каждый металлогидридный контейнер, принадлежащий первой ступени сжатия, может быть оборудован двумя водородными впускным и выпускным трубопроводами, один из которых может присоединяться к соответствующему газовому коллектору первой ступени сжатия, а другой может присоединяться к вентиляционному коллектору через клапан, дистанционно управляемый системой управления.
Буфер в промежуточном газовом коллекторе между предшествующей и последующей ступенями сжатия может обеспечивать хранение водорода при давлении в интервале между равновесным давлением PA абсорбции водорода в охлаждаемом металлогидридном материале последующей ступени сжатия и равновесным давлением PD десорбции водорода из нагреваемого металлогидридного материала предшествующей ступени сжатия, и количество водорода V, сохраняющегося в буфере, связано со средней производительностью pa компрессора и разностью Δt между временем нагревания металлогидридных контейнеров предшествующей ступени и временем охлаждения металлогидридных контейнеров последующей ступени следующим неравенством:
V ≥ pa⋅|Δt|.
Буфер может представлять собой один или более газовых баллонов с общим газовым коллектором, и полный объем баллонов VTOTAL связан с количеством V сохраняющегося водорода и разностью (PD-PA) следующим неравенством:
VTOTAL ≥ V/(PD-PA).
Буфер может представлять собой один или более металлогидридных контейнеров с общим газовым коллектором; металлогидридные контейнеры наполнены металлогидридным материалом, характеризуемым равновесным давлением водорода при комнатной температуре в интервале между равновесными давлениями PA и PD, и количество M металлогидридного материала в буфере связано с количеством V сохраняющегося водорода и способностью обратимого хранения водорода v металлогидридного материала следующим неравенством:
M ≥ V/v.
Металлогидридный материал в буфере может характеризоваться наклонным плато на своей изотерме давление-состав при комнатной температуре и тепловым эффектом абсорбции/десорбции водорода ниже 25 кДж/моль H2.
Система нагревания и охлаждения может иметь соответствующую конфигурацию соединительных трубопроводов и клапанов, дистанционно управляемую системой управления, и использовать потоки нагревающей и охлаждающей текучих сред: воду для охлаждения и пар для нагревания.
Устройство нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров может быть оборудовано трубопроводами для впуска и выпуска нагревающей и охлаждающей текучей среды.
Металлогидридный контейнер может включать:
(a) газонепроницаемый контейнер, включающий наружную оболочку и две торцевые крышки;
(b) металлогидридный материал, расположенный в объеме полости внутри газонепроницаемого контейнера высокого давления;
(c) один или два трубопровода для впуска и выпуска водорода из пространства, заполненного металлогидридным материалом;
(d) внутренний теплообменник, расположенный в объеме полости газонепроницаемого контейнера высокого давления, заполненного металлогидридным материалом и оборудованного двумя трубопроводами для впуска/выпуска нагревающей/охлаждающей текучей среды; и
(e) наружную рубашку нагревания и охлаждения, прикрепленную к наружной поверхности наружной оболочки и оборудованную двумя трубопроводами для впуска/выпуска нагревающей/охлаждающей текучей среды.
Внутренний теплообменник металлогидридного контейнера может быть изготовлен посредством экструзии мягкого теплопроводного материала, прикрепленного к наружной поверхности внутренней трубы.
Внутренний теплообменник и наружный рубашка нагревания и охлаждения металлогидридного контейнера могут соединяться последовательно.
Нагревающая текучая среда может вводиться в трубопровод внутреннего теплообменника, не присоединенный к наружной рубашке нагревания и охлаждения, и выводиться из трубопровода наружной рубашки нагревания и охлаждения, не присоединенной к внутреннему теплообменнику; при этом введение и выведение охлаждающей текучей среды осуществляется в противоположных направлениях.
Металлогидридный контейнер может быть установлен горизонтально, таким образом, что верхний трубопровод его рубашки нагревания и охлаждения присоединяется к трубопроводу внутреннего теплообменника, и выпуск нагревающей текучей среды и впуск охлаждающей текучей среды осуществляются через нижний трубопровод рубашки нагревания и охлаждения.
Устройство нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров, принадлежащих различным ступеням сжатия, и один модуль сжатия могут соединяться последовательно в порядке, который соответствует увеличению номера ступени сжатия.
Поток нагревающей текучей среды направляется от первой до последней ступени сжатия, и поток охлаждающей текучей среды направляется противоположно.
Газовые коллекторы металлогидридных контейнеров оборудованы холодильниками, которые обеспечивают охлаждение водорода в течение его выпуска.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, способ эксплуатации компрессора по любому из предшествующих пунктов включает циклическую последовательность следующих стадий:
(a) охлаждение металлогидридных контейнеров, принадлежащих модулю сжатия, в течение периода времени, определяемого первым заданным периодом времени; и
(b) нагревание металлогидридных контейнеров, принадлежащих модулю сжатия, в течение периода времени, определяемого вторым заданным периодом времени; при этом сумма первого и второго заданных периодов времени составляет полный период эксплуатации.
Первый и второй заданные периоды времени не равняются друг другу, и их значения выбираются таким образом, чтобы обеспечивать максимальную среднюю производительность металлогидридных контейнеров в течение выпуска из них водорода и абсорбции в них водорода, соответственно.
Открытие дистанционно управляемого газового впускного клапана синхронизировано с охлаждением соответствующих металлогидридных контейнеров, принадлежащих первой ступени сжатия, и клапан удерживается в открытом положении в течение периода времени, определяемого первым заданным периодом времени.
Дистанционно управляемый клапан, присоединенный вентиляционному коллектору, может открываться в начале нагревания соответствующих металлогидридных контейнеров, принадлежащих первой ступени сжатия, в течение периода времени, определяемого третьим заданным периодом времени, который является короче, чем второй заданный период времени.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет описано посредством примера со ссылкой на сопровождающие схематические чертежи.
Чертежи представляют собой следующие изображения:
фиг. 1: диаграмма газопровода двухступенчатого термически активируемого металлогидридного водородного компрессора согласно настоящему изобретению;
фиг. 2: диаграмма нагревающего и охлаждающего газопровода двухступенчатого металлогидридного водородного компрессора с возможностью очистки водорода посредством парового нагревания и водяного охлаждения согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3: пример, связанный с выбором металлогидридного материала для буфера промежуточного газового коллектора между первой и второй ступенями металлогидридного компрессора и представляющий изотерму десорбции водорода для материала первой ступени, изотерму абсорбции водорода для материала второй ступени и изотерму абсорбции-десорбции водорода для материала буфера;
фиг. 4: схема металлогидридного контейнера согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 5: пример трехступенчатого металлогидридного компрессора с двумя модулями сжатия (газопровод) согласно настоящему изобретению;
фиг. 6: пример трехступенчатого металлогидридного компрессора с двумя модулями сжатия (трубопровод для пара и воды) согласно настоящему изобретению; и
фиг. 7: пример работы металлогидридных контейнеров ступеней 1, 2 и 3 металлогидридного компрессора в зависимости от значений производительности (FR) средней загрузки/абсорбции (A) и выпуска/десорбции (D) в течение цикла. Сплошные линии представляют результаты для контейнеров с последовательным соединением внутренних и наружных каналов пара/воды; пунктирные линии представляют результаты для параллельного соединения.
Подробное описание чертежей
На приведенных чертежах представлен многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 1 и 2 иллюстрируют типичные варианты осуществления настоящего изобретения. Для простоты варианты осуществления представляют трубопроводные схемы двухступенчатого термически активируемого металлогидридного водородного компрессора, включающего два модуля сжатия; каждая ступень в модуле сжатия включает один металлогидридный контейнер. В пределах объема настоящего изобретения число ступеней сжатия, модулей сжатия и металлогидридных контейнеров может увеличиваться в зависимости от требуемых давлений всасывания и выпуска H2, требуемой производительности, доступных температур нагревания и охлаждения и типов материалов MH, используемых для сжатия H2. При этом соединения между предшествующими и последующими ступенями сжатия H2 осуществляются аналогично соединениям между ступенями 1 и 2, которые представлены на фиг. 1 и 2.
Компрессор согласно настоящему изобретению включает следующие компоненты, которые обозначаются соответствующими условными номерами на фиг. 1 и 2:
10 - впуск водорода низкого давления;
11 - металлогидридный контейнер первой ступени, принадлежащий первому модулю сжатия;
12 - металлогидридный контейнер первой ступени, принадлежащий второму модуль сжатия;
13-14 - впускные запорные (или дистанционно управляемые) клапаны первой ступени;
15-16 - выпускные запорные клапаны первой ступени;
17-18 - дистанционно управляемые продувочные клапаны первой ступени;
20 - выпуск водорода высокого давления;
21 - металлогидридный контейнер второй ступени, принадлежащий первому модулю сжатия;
22 - металлогидридный контейнер второй ступени, принадлежащий второму модулю сжатия;
23-24 - впускные запорные клапаны второй ступени;
25-26 - выпускные запорные клапаны второй ступени;
30 - буфер в промежуточном газовом коллекторе;
31 - металлогидридный материал, загруженный в буфер;
40 - впуск охлаждающей воды;
41-42 - дистанционно управляемые клапаны для введения охлаждающей воды;
43-44 - дистанционно управляемые клапаны для стока охлаждающей воды;
45 - сток охлаждающей воды;
46 - охлаждение газовых коллекторов металлогидридных контейнеров;
50 - введение пара;
51-52 - дистанционно управляемые клапаны для введения пара;
53-54 - дистанционно управляемые клапаны для выпуска пара;
55 - паровая ловушка;
56 - сток конденсата;
60 - блок управления.
Фиг. 4 представляет схему металлогидридного контейнера в компрессоре, изготовленном согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Металлогидридный контейнер включает следующие компоненты, которые обозначаются соответствующими условными номерами:
70 - водородный впускной/выпускной трубопровод металлогидридного контейнера;
71 - водородный вентиляционный трубопровод металлогидридного контейнера;
72 - газонепроницаемый контейнер металлогидридного контейнера;
73 - металлогидридный материал;
74 - внутренняя/наружная труба внутреннего теплообменника металлогидридного контейнера;
75 - ребра внутреннего теплообменника;
76 - внутренняя труба/первый соединительный трубопровод внутреннего теплообменника;
77 - второй соединительный трубопровод внутреннего теплообменника;
78 - наружная рубашка нагревания/охлаждения;
79, 79a - соединительные трубопроводы наружной рубашки нагревания/охлаждения.
Фиг. 1 представляет простейшую схему двухступенчатого металлогидридного компрессора согласно настоящему изобретению. Компрессор включает два модуля сжатия, каждый из которых включает две ступени сжатия водорода. Сжатие водорода осуществляется в ходе охлаждения металлогидридных контейнеров (11, 21) одного модуля, что обеспечивает соответствующее снижение давление абсорбции водорода и нагревание металлогидридных контейнеров (12, 22) другого модуля, обеспечивая, таким образом, повышенное давление десорбции водорода. После завершения процессов абсорбции/десорбции в металлогидридных контейнерах 11, 21/12, 22 их режимы охлаждения/нагревания становятся противоположными, и имеющий более высокое давление водород десорбируется из нагреваемых металлогидридных контейнеров (11, 21), и имеющий меньшее давление водород абсорбируется в охлаждаемых металлогидридных контейнерах (12, 22). Такая операция обеспечивает постоянное сжатие водорода вследствие периодического нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров (11, 21, 12, 22), у которых впускные и выпускные водородные трубопроводы надлежащим образом присоединяются к газораспределительной системе компрессора, изготовленного в конфигурации соединительных трубопроводов и запорных клапанов (13-16, 23-26). Газораспределительная система включает:
• Газовые коллекторы, присоединенные к водородным впускным и выпускным трубопроводам металлогидридных контейнеров первой (11,12) и второй (21, 22) ступеней. Хотя фиг. 1 представляет только один металлогидридный контейнер для каждой ступени сжатия в каждом модуле, если требуется более высокая производительность, ступень сжатия может включать несколько одинаковых или аналогичных металлогидридных контейнеров, у которых впускные и выпускные водородные трубопроводы присоединяются параллельно к газовым коллекторам соответствующих ступеней сжатия.
• Водородный впускной коллектор, присоединенный к впускному трубопроводу водорода низкого давления (10), и газовые коллекторы первой ступени сжатия, включающие металлогидридные контейнеры (11, 21) через обратные (запорные) клапаны (13, 14). В течение охлаждение металлогидридного контейнера первой ступени (например, 11) давление водорода в нем (и, соответственно, в соединенном с ним газовом коллекторе первой ступени) уменьшается ниже давления водорода во впускном трубопроводе (10), и, таким образом, обеспечивается открытие запорного клапана (13) и пропускание водорода низкого давления (10) в охлаждаемый металлогидридный контейнер (11). Когда металлогидридный контейнер первой ступени (например, 12) нагревается, давление водорода в нем (и, соответственно, в соединенном с ним газовом коллекторе первой ступени) увеличивается выше давления водорода во впускном трубопроводе (10), таким образом, обеспечивается закрытие запорного клапана (14), что предотвращает обратный поток водорода во впускной трубопровод (10).
• Промежуточный газовый коллектор, включающий буфер (30; например, один или более газовых баллонов, соединенных параллельно) и присоединенный ко всем газовым коллекторам первой ступени через обратные (запорные) клапаны (15,16) и ко всем газовым коллекторам второй ступени через обратные (запорные) клапаны (23, 24). Водород среднего давления, десорбированный из нагреваемого металлогидридного контейнера первой ступени (например, 12), проходит через соответствующий газовый коллектор первой ступени и соответствующий запорный клапан (16) в промежуточный газовый коллектор и далее в газовый коллектор второй ступени, соединенный с охлаждаемым металлогидридным контейнером (например, 21) через запорный клапан (23). Работа второй ступени является аналогичной работе первой ступени, которая описана выше: водород среднего давления абсорбируется в охлаждаемом металлогидридном контейнере (например, 21), и водород высокого давления десорбируется из нагреваемого металлогидридного контейнера (например, 22) и проходит через соответствующий запорный клапан (25) в коллектор водорода высокого давления. В то же время разность между средним и низким, а также между высоким и средним давлениями водорода приводит к закрытию соответствующих запорных клапанов (24, 25), и, таким образом, предотвращается обратный поток водорода.
• Водородный выпускной коллектор, присоединенный к трубопроводу для выпуска водорода высокого давления (20), а также к газовым коллекторам последней (второй для рассматриваемого варианта осуществления) ступени сжатия водорода через обратные (запорные) клапаны (25, 26).
Хотя вариант осуществления представленный на чертежах, иллюстрирует схему двухступенчатого водородного компрессора, если требуется более высокий коэффициент сжатия, компрессор может иметь больше ступеней сжатия. При этом соединение газовых коллекторов предшествующей и последующей ступеней сжатия водорода, согласно настоящему изобретению, должно осуществляться через промежуточный газовый коллектор с буфером, как представлено на фиг. 1 для первой и второй ступеней. Соответственно, газовый коллектор последней ступени сжатия должен присоединяться к водородному выпускному коллектору, как представлено на фиг. 1 для второй ступени.
Отличительный признак настоящего изобретения по сравнению с предшествующим уровнем техники разработки многоступенчатых металлогидридных водородных компрессоров (в которых газовый выпуск предшествующей ступени сжатия присоединялся к газовому впуску соответствующей последующей ступени сжатия) представляет собой присоединение выпусков всех газовых коллекторов предшествующей ступени сжатия и впусков всех газовых коллекторов последующей ступени сжатия к общему промежуточному газовому коллектору согласно конфигурации соответствующий запорный клапан. Это увеличивает гибкость работы компрессора согласно настоящему изобретению, когда продолжительность нагревания и охлаждения не являются одинаковыми (насколько это необходимо для обеспечения постоянной работы согласно предшествующему уровню техники). Это также увеличивает возможность увеличения производительности компрессора без увеличения размера и числа металлогидридных контейнеров, но посредством установления продолжительности нагревания и охлаждения, которая является оптимальной для выбранных металлогидридных материалов и контейнеров. Чтобы предотвратить потерю производительности в течение периодов, когда все металлогидридные контейнеры на предшествующей и последующей ступенях сжатия нагреваются или охлаждаются, промежуточный газовый коллектор должен включать буфер (30), который может принимать/передавать достаточное количество водорода с нагреваемой предшествующей ступени сжатия/на охлаждаемую последующую ступень сжатия. Чтобы постоянно обеспечивать движущую силу десорбции водорода с нагреваемой предшествующей ступени и абсорбция водорода на охлаждаемой последующей ступени, давление водорода в буфере P должно быть ниже равновесного давления десорбции водорода PD металлогидридного материала предшествующей ступени при температуре нагревания и выше равновесного давления абсорбции водорода PA металлогидридного материала последующей ступени при температуре охлаждения.
Следует отметить, что движущие силы давления десорбции (PD-P) и абсорбции (P-PA) даже для очень большого буфера (P≈const) не будут постоянным, потому что, вследствие наклонного плато PD уменьшается, и PA увеличивается в ходе процессов десорбции и абсорбции водорода. В результате этого уменьшается движущая сила с течением времени в течение цикла работы, и, соответственно, уменьшается производительность. Указанный нежелательный эффект ослабляется согласно настоящему изобретению посредством обеспечения более высокого количества водорода, хранящегося в металлогидридных контейнерах предшествующей ступени сжатия, по сравнению с металлогидридными контейнерами последующей ступени. Согласно настоящему изобретению, указанный избыток обеспечивается посредством изменения размера или числа металлогидридных контейнеров, что позволяет помещать на 10-20% больше водорода на предшествующей ступени сжатия водорода, чем на последующей ступени. Заданные пределы позволяют предотвращать значительное уменьшение движущей силы давления без значительного увеличения количество дорогостоящих металлогидридных материалов.
Продолжительность Δt "мертвых" рабочих периодов (все металлогидридные контейнеры на предшествующей и последующей ступенях сжатия нагреваются или охлаждаются) может оцениваться следующим неравенством:
Δt=tH-tC (4)
где tH и tC представляют собой продолжительность нагревания и охлаждения, соответственно. Чтобы сохранялась требуемая средняя производительность pa в течение указанного периода, должна продолжаться десорбция водорода из нагреваемых контейнеров при давлении P<PD, или абсорбция водорода в охлаждаемых контейнерах при P>PA, и количество десорбированного/абсорбированного водорода pa⋅|Δt|, которое должно приниматься буфером или выпускаться из него и который должна обеспечивать способность хранения V при PA < P < PD, как представлено выше в неравенстве (1). Когда буфер (30) составляют один или более газовых баллонов, их полный внутренний объем VTOTAL, умноженный на разность (PD-PA), приблизительно составляет количество V, и неравенство (1) будет выполняться, если значение указанного объема подчиняется приведенному выше неравенству (2).
Поскольку направления газовых потоков в металлогидридном компрессоре (фиг. 1) управляются автоматически с помощью запорных клапанов (13-16, 23-26), его постоянная работа может обеспечиваться только посредством управления периодического нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров (11, 12, 21, 22) с помощью блока управления (60). Согласно настоящему изобретению, продолжительность нагревания (tH) и охлаждения (tC) может устанавливаться отдельно для металлогидридных контейнеров каждой ступени сжатия, что позволяет оптимизировать их режимы работы в целях максимальной производительности.
Для промышленных приложений, где доступная инфраструктура допускает использование низкопотенциального пара для нагревания и циркулирующей воды для охлаждения, предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован, как представлено на фиг. 2. Согласно предпочтительному варианту осуществления система нагревания и охлаждения изготовлена в соответствующей конфигурации, включающей соединительные трубопроводы, клапаны и вспомогательные компоненты, которые распределяют пар (50-56) и воду (40-45) на устройство нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров (11, 12,21, 22), оборудованное трубопроводами для впуска и выпуска нагревающей и охлаждающей текучих сред. Клапаны (41-44; 51-54) дистанционно управляются системой управления (60). При этом открытие клапанов 41, 43 или 42, 44 обеспечивает охлаждение металлогидридных контейнеров в первом (11, 21) или втором (12, 22) модулях сжатия.
Соответственно, открытие клапанов 51, 53 или 52, 54 обеспечивает нагревание металлогидридных контейнеров в первом (11, 21) или втором (12, 22) модулях сжатия.
Хотя в пределах объема настоящего изобретения металлогидридные контейнеры, принадлежащий различным ступеням и различным модулям сжатия, могут нагреваться и охлаждаться независимо, оказывается предпочтительным объединение нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров, принадлежащих одному модулю сжатия, что сокращает до минимума число паровых и водяных клапанов и упрощает их управление, таким образом, сокращая до минимума стоимость изготовления компрессора. В данном случае продолжительность нагревания (tH) модуля сжатия представляет собой первый заданный период времени, и продолжительность охлаждения (tC) представляет собой второй заданный период времени, которые устанавливаются блоком управления (60) и являются одинаковыми для всех модулей сжатия в компрессоре
Когда в промышленных приложениях, помимо сжатия, поступающий водород должен быть очищен, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, предусматривается возможность очистки водорода. Это реализуется посредством использования клапанов (13, 14), дистанционно управляемых системой управления (60), и присоединения впуска водород низкого давления (10) к газовым коллекторам первой ступени сжатия. При этом каждый из металлогидридных контейнеров (11, 12) первой ступени оборудован двумя впускными и выпускными водородными трубопроводами, один из которых присоединяется к соответствующему газовому коллектору, а другой, через клапан (17,18), дистанционно управляемый системой управления (60), к вентиляционному трубопроводу. Работа дистанционно управляемых клапанов 13 или 14 синхронизирована с охлаждением соответствующих металлогидридных контейнеров, принадлежащих первой ступени сжатия, и клапан (13 или 14) удерживается в открытом положении в течение периода времени, определяемого первым заданным периодом времени, т. е. в течение охлаждения металлогидридного контейнера (11 или 12), когда соответствующие водяные клапаны (41, 43 или 42, 44) являются открытыми. После окончания охлаждения (водяные клапаны 41, 43 или 42, 44 закрыты) и начала нагревания (паровые клапаны 51, 53 или 52, 54 открыты) модуля сжатия соответствующий противоположный клапан (17 или 18) металлогидридного контейнера первой ступени (11 или 12) открывается таким образом, что примеси не могут абсорбироваться металлогидридным материалом и аккумулируются в объеме полости контейнера, чтобы удаляться путем вентиляции вместе с первой частью десорбированного водорода. Клапан (17 или 18) удерживается в открытом положении в течение периода (продолжительность вентиляции), который определяется третьим заданным периодом времени, значение которого зависит от концентрации примесей в исходном водороде и требуемой чистоты поступающего водорода высокого давления. Продолжительность вентиляции/третьего заданного периода времени должна быть короче, чем второй заданный период времени, т. е. продолжительность нагревания металлогидридного контейнера (11 или 12), когда соответствующие паровые клапаны (51, 53 или 52, 54) являются открытыми. После закрытия вентиляционного клапана (17 или 18) нагревание приводит к увеличению давление водорода в соответствующем контейнере первой ступени (11 или 12), и возобновляется сжатие водорода, которое описано выше.
Как было отмечено, введение буфера (30) в промежуточный газовый коллектор обеспечивает прием или передачу количества водорода V, определяемого неравенством (1), и предотвращение остановки процессов десорбции или абсорбции водорода, когда нагреваются или охлаждаются все металлогидридные контейнеры предшествующей и последующей ступеней сжатия. Если буфер (30) составляют один или более газовых баллонов с общим газовым коллектором, его требуемый объем VTOTAL, определяемый неравенством (2), может быть чрезмерно большим, в частности, когда значения равновесных давлений десорбции водорода PD металлогидридного материала предшествующей ступени при температуре нагревание и абсорбции водорода PA металлогидридного материала последующей ступени при температуре охлаждения приближаются друг к другу. Чтобы уменьшить объем буфера и сделать компрессор более компактным, буфер могут составлять один или более металлогидридных контейнеров (30), наполненных металлогидридным материалом (31). Металлогидридный материал должен характеризоваться равновесным давлением водорода при комнатной температуре в интервале между равновесными давлениями PA и PD.
Фиг. 3 представляет изотермы десорбции водорода для металлогидридных материалов, используемых для первой (LaNi4,9Sn0,1) и второй (La0,8Ce0,2Ni5) ступеней термически активируемого водородного компрессора, работающего в температурном интервале от 20 до 100°C. Видно, что почти полная десорбция водорода из материала первой ступени происходит при PD=20 бар, и материал второй ступень может абсорбировать приблизительно 1,5 мас.% H2 при PA=10 бар. При производительности pa=100 Нл/мин и разности между продолжительностью нагревания и охлаждения Δt=5 мин, требуемое количество сохраняющегося водорода (неравенство (1)) должно составлять более чем 500 Нл H2, для чего требуется полный размер буфера, который составляют один или более газовых баллонов (неравенство (2)), составляющий более чем 50 л. Изготовление буфера в форме контейнера, наполненного аккумулирующим водород сплавом типа AB2 (A=Ti+Zr; B=Cr+Mn+Fe+Ni) и имеющего наклонное плато в интервале между 10 и 20 бар при комнатной температуре (значение регулируется посредством надлежащего выбора атомного соотношения Ti:Zr ≈ 0,6:0,4; причем тепловой эффект абсорбции/десорбции водорода составляет приблизительно 21 кДж/моль H2) позволяет значительно уменьшать размер буфера. Действительно, согласно неравенству (3), требуемый объем 500 Нл (44,6 г) H2 может обеспечиваться посредством M=3 кг указанного материала, имеющего способность обратимого хранения водорода в количестве ≈1,5 мас.% H в заданных условиях. Указанное количество металлогидридного материала может помещаться в объем, составляющий лишь приблизительно 1 л, и, таким образом, в результате этого значительно уменьшается размер буфера по сравнению с изготовлением буфера в форме одного или нескольких газовых баллонов.
Следует отметить, что наклонное плато и низкий тепловой эффект абсорбции/десорбции водорода для "буферного" гидрида металла имеют очень большое значение для эффективной работы компрессора согласно данному варианту осуществления настоящего изобретения. Когда металлогидридные контейнеры предшествующей ступени нагреваются без охлаждения контейнеров последующей ступени, изменения давления газа в промежуточном коллекторе соответствуют направлению, обозначенном стрелкой на фиг. 3, т. е. наклонное плато при более высокой температуре приводит к постепенному увеличению давления, и, согласно данной тенденции, изотерма гидрида металла в буфере обеспечивает приблизительно постоянную движущую силу давления для абсорбции водорода. Низкий тепловой эффект уменьшает изменения давления плато гидрида металла в буфере вследствие его нагревания (экзотермическая абсорбция водорода) и охлаждения (эндотермическая десорбция водорода), а также вследствие изменений температуры окружающей среды
Фиг. 4 представляет схему металлогидридного контейнера согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Газонепроницаемый контейнер (72), состоящий из наружной оболочки и двух торцевых крышек, содержит металлогидридный материал (73), который может абсорбировать поступающий водород низкого давления или десорбировать выпускаемый водород высокого давления через впускной/выпускной трубопровод (70), установленный в одной из двух торцевых крышек. Вентиляция для удаления водорода и примесей согласно варианту осуществления с возможностью очистки водорода может осуществляться через второй трубопровод (71), установленный в противоположной торцевой крышке, которая также содержит внутреннюю трубу (74) внутреннего двухтрубного теплообменника, имеющего трубопроводы (76, 77) для введения и выведения нагревающей и охлаждающей текучей среды и поперечные ребра (75), прикрепленные к внутренней трубе (74) и расположенные в металлогидридном материале (73), что упрощает теплообмен между ним и нагревающей и охлаждающей текучей средой. Для интенсификации нагревания и охлаждения периферических слоев металлогидридного материала (73) контейнер также оборудован наружной нагревающей и охлаждающей рубашкой (78) с трубопроводами (79, 79a) для впуска и выпуска нагревающей и охлаждающей текучей среды. Чтобы сократить до минимума расход указанной текучей среды, внутренний теплообменник и наружная нагревающая и охлаждающая рубашка соединяются последовательно посредством соединения их трубопроводов (например, 77 и 79a); при этом остальные трубопроводы (76, 79) предназначаются для впуска и выпуска нагревающей и охлаждающей текучей среды.
Чтобы уменьшить нежелательный эффект агломерации мелких частиц металлогидридного материала (73) в нижних частях контейнера, оказывается предпочтительным его горизонтальное расположение. При этом может осуществляться впуск нагревающей текучей среды (пара) через впускной трубопровод (76) внутреннего теплообменника и выпуск через трубопровод (79) рубашки нагревания и охлаждения (78). Чтобы обеспечить ускоренное нагревание металлогидридного материала (73) в течение замены охлаждающей воды паром, указанный пар направляется во впускной трубопровод (76) внутреннего теплообменника, обеспечивая интенсивный теплообменник между его внутренним пространством и металлогидридным материалом (73) через ребра (75). Охлаждающая вода направляется в противоположном направлении из трубопровода (79) наружной рубашки нагревания и охлаждения (78).
Устройства нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров, установленные в компрессорном блоке и принадлежащие различным ступеням сжатия в одном модуле сжатия предпочтительно соединяются последовательно в порядке, который соответствует увеличению числа ступеней сжатия (см. фиг. 2). Это приводит к уменьшению расхода нагревающих и охлаждающих текучих сред, а также обеспечивает более эффективное нагревание и охлаждение металлогидридных материалов в контейнерах, когда материалы предшествующей ступени (11, 12) обычно характеризуются более высокими тепловыми эффектами абсорбции/десорбции водорода, чем материалы последующей ступени (21, 22). Соответственно, десорбция водорода высокого давления из контейнеров предшествующей ступени (11,12) должна происходить при более высокой температуре, что может обеспечиваться направлением нагревающего пара из первой ступени (клапаны 51, 52) в последнюю ступень (клапаны 53, 54) компрессора. Охлаждающая вода течет в противоположном направлении из клапанов (41, 42), присоединенных к устройству нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров (21, 22), принадлежащих последней ступени сжатия, и, таким образом, становится более интенсивной соответствующая абсорбция водорода пониженного давления.
Еще один отличительный признак предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения заключается в том, что газовые коллекторы металлогидридных контейнеров оборудованы холодильниками (46). Как экспериментально наблюдали авторы настоящего изобретения, водород высокого давления, выпускаемый из нагреваемых металлогидридных контейнеров, имеет достаточно высокую температуру (приблизительно 100°C при температуре нагревания 130°C), что часто приводит к повреждению уплотнений в клапанах (13-16; 23-26), установленных в газовых коллекторах ступеней сжатия. Чтобы предотвратить это и, таким образом, повысить надежность работы, холодильники (46) обеспечивают охлаждение водорода в течение его выпуска. Холодильники (46) установлены в охлаждающей системе (40-45) компрессора. Наконец, на выходе (56) из нагревательной системы может быть установлена паровая ловушка (55), которая обеспечивает эффективное нагревание пара при температурах выше 100°C.
Работу компрессора обеспечивает блок управления (60; например, программируемый логический контроллер/PLC), который осуществляет периодическое энергопитание клапанов, что обеспечивает паровое нагревание (51, 53 или 52, 54) и водяное охлаждение (41, 43 или 42, 44). Согласно варианту осуществления с возможностью очистки водорода, охлаждение также сопровождается открытием подающих водород клапанов (13 вместе с 41 и 43, или 14 вместе с 42 и 44); кроме того, в начале нагревания, когда клапаны (51 и 53, или 52 и 54) являются открытыми, продувочные клапаны соответствующих металлогидридных контейнеров первой ступени (17 или 18) являются открытыми в течение периода (продувочный период), необходимого для желательного уменьшения концентрации газообразных примесей. При этом работа управляется посредством времени с использованием следующих заданных периодов времени, которые устанавливаются в блоке/PLC (60):
• первый заданный период времени (период абсорбции водорода/охлаждения; клапаны 13,41, 43 или 14, 42, 44 являются открытыми);
• второй заданный период времени (период десорбции водорода/нагревания; клапаны 51, 53 или 52, 54 являются открытыми);
• третий заданный период времени (продувочный период; клапаны 17 или 18 являются открытыми), должен быть короче, чем второй заданный период времени.
Следует отметить, что сумма первого и второго заданных периодов времени составляет полную продолжительность работы (или продолжительность цикла), которая должна быть одинаковой при различных модулях сжатия, чтобы обеспечивать динамический баланс компрессора и упрощать его работу.
Пример
Следующий пример описывает трехступенчатый металлогидридный компрессор промышленного масштаба, изготовленный согласно настоящему изобретению. Компрессор имеет давление всасывания 3 бар, давление выпуска 200 бар, пропускную способность 5 Нм3/час и возможность очистки водорода.
Металлогидридные контейнеры для водородного компрессора были изготовлены в соответствии с фиг. 4. Все контейнеры имеют одинаковые схемы, но контейнер для каждой следующей ступени является несколько короче, чем контейнер для предшествующей ступени, т. е. количество металлогидридного материала в предшествующей ступени является больше, чем его количество в следующей ступени. Контейнеры, принадлежащие различным ступеням, включают металлогидридные материалы в порядке уменьшения их термической устойчивости (таблица 1). Важно отметить, что количество водорода, которое может быть абсорбировано в металлогидридном контейнере последующей ступени составляет на 10-12% менее чем соответствующее количество водорода, абсорбированного в контейнере предшествующей ступени. Сжатие водорода обеспечивается посредством охлаждения циркулирующей водой (T≈20°C) и нагревания паром (T≈140°C), что предоставляет возможность сжатия водорода от менее чем 1 до более чем 200 бар; номинальная пропускная способность/средний производительность может обеспечиваться в интервале давления от 3 до 200 бар.
Таблица 1. Металлогидридные материалы, загружаемые в металлогидридные контейнеры
| Ступень | Состав металлогидридного материала | Количество [кг]/способность сорбции водорода [Нм3] | Равновесное давление H2 [бар] | |
| T=20°C | T=140°C | |||
| 1 | LaNi4,9Sn0,1 | 17/2,5 | <1 | >30 |
| 2 | La0,8Ce0,2Ni5 | 16/2,2 | <10 | >100 |
| 3 | (Ti,Zr)(Cr,Mn,Fe,Ni)2-x | 12,3/2,0 | <60 | >200 |
Компрессорная установка, изготовленная согласно настоящему изобретению (фиг. 5 представляет диаграмму ее газопровода, а фиг. 6 представляет диаграмму трубопроводов для пара и воды), позволяет оптимизировать работу находящихся в ней металлогидридных контейнеров. Компрессор имеет два модуля сжатия (модуль 1 и модуль 2). Каждый модуль включает три ступени сжатия водорода (ступень 1, ступень 2 и ступень 3), которые составляют шесть металлогидридных контейнеров (фиг. 5; MHC-1.1-MHC-3.1 для модуля 1; MHC-1.2-MHC-3.2 для модуля 1). Каждый элемент сжатия включает два металлогидридных контейнера (1 и 2) соответствующей ступени сжатия: 1 (MHC-1.1, MHC-1.2), 2 (MHC-2.1, MHC-2.2) и 3 (MHC-3.1, MHC-3.). Газопроводы и нагревающие и охлаждающие трубопроводы элементов сжатия соединяются параллельно.
Как можно видеть из результатов отдельных исследований металлогидридных контейнеров, принадлежащий ступеням 1-3 (фиг. 7; An означает абсорбцию водорода низкого давления на ступени n, Dn означает десорбцию водорода высокого давления со ступени n), средняя производительность цикла зависит от продолжительности охлаждения и нагревания, и максимальная производительность в течение абсорбции достигается при меньшей продолжительности охлаждения (от 8 до 20 минут), чем продолжительность нагревания (от 30 до 45 минут). Кроме того, когда внутренний теплообменник и наружная рубашка нагревания и охлаждения контейнеров соединяются последовательно, производительность цикла десорбции (сплошные линии в D1 и D3) является выше, чем в случае параллельного соединения устройства нагревания и охлаждения (пунктирные линии в D1 и D3).
Рассмотрим фиг. 5, где газовые коллекторы контейнеров (1, 2) каждой ступени оборудованы холодильниками (C1.1, C1.2, C2.1, C2.2, C3.1, C3.2), присоединенными к системе водяного охлаждения компрессора.
Водород низкого давления из впускного трубопровода (H2 IN) проходит через фильтр (F1) и отсечной клапан (V1) в коллектор водорода низкого давления, включающий датчик давления (M1) и два соленоидных клапана SV1 и SV2, которые направляют H2 в установки MHC-1.1 и MHC-1.2 контейнера MH первой ступени модулей 1 и 2, соответственно. Работа соленоидных клапанов (SV1, SV2) синхронизирована с охлаждением (первый заданный период времени) и нагреванием (второй заданный период времени) модулей сжатия, т. е. когда соответствующий модуль (1 или 2) охлаждается, клапан (SV1 или SV2) является открытым. Когда охлаждение модуля 1 или 2 завершается, и начинается нагревание, соленоидный клапан (SV3 или SV4), установленный в противоположном газопроводе контейнера MH первой ступени в установке (MHC-1.1 или MHC-1.2), открывается, обеспечивая удаление водорода с газообразными примесями посредством вентиляции через запорный клапан CV3 или CV4 в вентиляционный коллектор и далее, через запорный клапан CV13, в вентиляционный трубопровод (выпуск), и, таким образом, обеспечивается очистка водорода. После заданного периода времени (третий заданный период времени) клапан SV3 или SV4 закрывается, и водород низкого и среднего давления (≈20 бар), десорбированный из нагреваемого контейнера MH, принадлежащего установке MHC-1.1 или MHC-1.2 проходит, через запорный клапан (CV1 или CV2) в коллектор водорода низкого и среднего давления, включающий датчик давления (M2) и четыре буферных баллона (B1-B4; внутренний объем каждого составляет 6,8 л). Коллектор также оборудован предохранительным клапаном RV1, который обеспечивает удаление H2 посредством вентиляции (если давление превышает 35 бар) в вентиляционный коллектор и далее, через запорный клапан CV13, в вентиляционный трубопровод (выпуск).
Водород низкого и среднего давления далее проходит через запорный клапан (CV5 или CV6) в водородный коллектор контейнера MH второй ступени установки MHC-2.1 или MHC-2.2 модулей 1 и 2, соответственно. При этом установка, которая охлаждается в момент абсорбции водорода низкого и среднего давления (≈20 бар), в то время как противоположная установка, когда она нагревается, десорбирует водород высокого и среднего давления (≈80 бар), который, через запорные клапаны CV7 или CV8, проходит в коллектор водорода высокого и среднего давления, включающий датчик давления (M3), два буферных баллона (B5-B6; внутренний объем каждого составляет 6,8 л), и предохранительный клапан (RV2), что позволяет удалять посредством вентиляции водород (если давление превышает 100 бар) в вентиляционный коллектор и далее, через запорный клапан CV13, в вентиляционный трубопровод (выпуск).
Водород высокого и среднего давления далее проходит через запорный клапан (CV9 или CV10) в водородный коллектор контейнера MH третьей ступени установки MHC-3.1 или MHC-3.2 модулей 1 и 2, соответственно. При этом установка, которая охлаждается в момент абсорбции водорода высокого и среднего давления (≈80 бар), в то время как противоположная установка, когда она нагреваемый, десорбирует водород высокого давления (≈200 бар), который, через запорные клапаны CV11 или CV12, проходит в коллектор водорода высокого давления, включающий датчик давления (M4), отсечной клапан (V2), присоединенный к выпускному трубопроводу водорода H2 (OUT) и предохранительный клапан (RV3), позволяющий удалять посредством вентиляции водород (если давление превышает 200 бар) в вентиляционный коллектор и далее, через запорный клапан CV13, в вентиляционный трубопровод (выпуск).
Принципиальное отличие настоящего металлогидридного компрессора от ранее предшествующих разработанных прототипов представляет собой соединение последовательных ступеней (1-2, 2-3) посредством расположения запорных клапанов и общих газовых коллекторов с буферными баллонами. Указанное решение допускает "асимметрическое" термическое действие металлогидридных модулей сжатия, т. е. продолжительность охлаждения не должна равняться продолжительности нагревания, в отличие от многоступенчатых металлогидридных компрессоров предшествующего уровня техники. Как было представлено выше, разработанные металлогидридные контейнеры характеризуются различными продолжительностями нагревания и охлаждения, которые обеспечивают максимальную производительность цикла абсорбции и десорбции водорода. Таким образом, согласно настоящему изобретению, максимальная производительность цикла может быть достигнута посредством возможности установления различных периодов времени, что приводит к увеличению полной средней производительности/пропускной способности установки металлогидридных компрессоров без увеличения числа металлогидридных контейнеров.
Максимальная разность Δt продолжительности нагревания и охлаждения определяется неравенствами (1) и (2): при VTOTAL=27,2 л (буферы B1-B4), PD=30 бар и PA=10 бар, количество сохраняющегося H2 может составлять приблизительно V=540 л, и при средней производительности pa=5 Нм3/ч=83 Нл/мин, Δt ≤ 6,5 минут (например, нагревание в течение 35 минут и охлаждение в течение 28,5 минут; полная продолжительность цикла 63,5 минуты). Дальнейшее увеличение Δt становится возможным посредством осуществления замены баллонов B1-B4 металлогидридным контейнером, имеющим внутренний объем 2 л и содержащим 6 кг металлогидридного материала типа AB2 (см. фиг. 3 и соответствующие обсуждение, приведенное выше). Способность хранения водород в указанном контейнере составляет приблизительно V=1000 Нл H2, и неравенства (1) и (3) дают Δt ≤ 12 минут (например, нагревание в течение 40 минут и охлаждение в течение 28 минут; полная продолжительность цикла 68 минут), что обеспечивает более оптимальную работу металлогидридных контейнеров в отношении их средней производительности цикла в обоих режимах (абсорбция и десорбция).
Рассмотрим фиг. 6, где работа модулей сжатия (модуль 1, модуль 2) в системе обеспечивается поочередным нагреванием и охлаждением соответствующих установок металлогидридных контейнеров с переключением положений ON (открытие) и OFF (закрытие) соленоидных клапанов SV1-SV8. Охлаждение обеспечивается потоком воды при температуре, составляющей приблизительно 20°C, в то время как для нагревания должен использоваться низкопотенциальный пар (T ≥ 130°C). Таким образом, в металлогидридном компрессоре используется типичная инфраструктура, доступная для промышленных потребителей.
Охлаждающая вода поступает из трубопровода водоснабжения и фильтр F1. Соленоидные клапаны SV1 или SV2 обеспечивают поочередное введение охлаждающей воды в контейнеры MH модуля 1 или модуля 2. Запорные клапаны CV1 и CV2 предотвращают обратный поток пара/горячей воды в трубопроводы водоснабжения, когда происходит переключение режимов нагревания и охлаждения. Охлаждение установок контейнеров MH, принадлежащих различным ступеням, осуществляется последовательно в следующем порядке: "ступень 3 - ступень 2 - ступень 1"; при этом вода сначала проходит в наружные охлаждающие рубашки контейнеров MH, а затем в их внутренние теплообменники. Такая схема охлаждения обеспечивает быстрое охлаждение контейнеров MH после завершения цикла нагревания. Вода стекает через соленоидные клапаны CV3 или CV4 в водосточный трубопровод.
Нагревание модуля 1 или модуля 2 осуществляется в противоположном направлении, посредством введения пара из трубопровода подачи пара, фильтр F2 и соленоидный клапан SV5 или SV6. Запорные клапаны CV3 и CV4 предотвращают прохождение охлаждающей воды в трубопроводы подачи пара в начале нагревания, когда давление может уменьшаться вследствие конденсации. Согласно результатам исследований металлогидридных контейнеров, которые представляют наиболее высокую чувствительность производительности ступени 1 к температуре нагревания, нагревание осуществляется в следующем порядке: "ступень 1 - ступень 2 - ступень 3"; при этом пар сначала проходит во внутренние теплообменники контейнеров, а затем в их наружные охлаждающие рубашки. Трубопровод введения пара также оборудован предохранительными клапанами RV1 и RV2, которые обеспечивают выпуск пара, если его давление превышает 10 бар. Конденсат выводится через соленоидный клапан SV7 или SV8 и паровую ловушку ST1 в трубопровод стока конденсата.
Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике (например, в обеспечении охлаждения турбогенераторов на тепловых и атомных электростанциях), интегрированных энергетических технологических системах для промышленных приложений, а также в химической технологии, газоснабжении и т. д., для заполнения газовых баллонов высокочистым газообразным водородом при высоком давлении. Важно, что компрессор согласно настоящему изобретению может быть легко интегрирован в инфраструктуру промышленных потребителей, где являются доступными низкопотенциальный пар и циркулирующая охлаждающая вода. Компрессор позволяет сочетать высокую пропускную способность/производительность и высокий коэффициент сжатия без значительного увеличения необходимого количества образующих гидриды материалов и числа металлогидридных контейнеров для сжатия водорода.
Список литературы
1. M.V. Lototskyy, V.A. Yartys, B.G. Pollet, R.C. Bowman Jr. Металлогидридные водородные компрессоры: обзор; Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 5818-5851.
2. P.M.Golben. Многоступенчатый гидридный водородный компрессор. Материалы восемнадцатой межведомственной конференции по преобразованию энергии, Орландо, штат Флорида, 21-26 августа 1983 г. Том 4 (A84-30169 13-44). Нью-Йорк: Американский институт химиков-технологов; 1983 г., с. 1746-1753.
3. P.M.Golben, M.J.Rosso. Водородный компрессор. Патент США 4402187, 1983 г.
4. P.M.Golben. Водородный компрессор. Патент США 4505120, 1985 г.
5. P.M.Golben, M.J.Rosso, Водородный компрессор. Европейский патент 0094202 A2, 1983 г.
6. M.Lototskyy, Y.KIochko, V.M.Linkov. Металлогидридный водородный компрессор. Патент ЮАР 2011/01351 (WO 2012/114229 A1).
7. M.Lototskyy, Ye.Klochko, V.Linkov, P.Lawrie, B.G.Pollet. Термически активируемый металлогидридный водородный компрессор для среднемасштабных приложений, Energy Procedia 29 (2012) 347-356.
8. K.D.Modibane, M.Williams, M.Lototskyy, M.W.Davids, Ye.Klochko, B.G. Pollet. Устойчивые к отравлению металлогидридные материалы и их применение для отделения водорода от содержащих CO2/CO газовых смесей, Int. J. Hydrogen Energy 38 (2013) 9800-9810.
9. M.Williams, M.V.Lototsky, A.N.Nechaev, V.M.Linkov. Способ модификации поверхности материалов, образующих гидриды металлов. Патент США 8354552 B2, 2013 г.
1. Многоступенчатый металлогидридный водородный компрессор, который включает в себя:
(a) по меньшей мере два модуля сжатия, причем каждый модуль содержит по меньшей мере две ступени сжатия, каждую из которых образуют один или более металлогидридных контейнеров, оборудованных по меньшей мере одним водородным впускным и выпускным трубопроводом, и устройство нагревания и охлаждения;
(b) газораспределительную систему, содержащую:
i. газовые коллекторы ступеней сжатия, которые принадлежат модулям сжатия и присоединены к водородным впускным и выпускным трубопроводам соответствующих металлогидридных контейнеров;
ii. водородный впускной коллектор, присоединенный к газовым коллекторам первой ступени сжатия через систему трубопроводов и газовые впускные клапаны, а также к водородному впускному трубопроводу низкого давления;
iii. промежуточные газовые коллекторы, оборудованные буферами и присоединенные к газовым коллекторам соответствующей предшествующей и соответствующей последующей ступеней сжатия через систему трубопроводов и обратные (запорные) клапаны;
iv. водородный выпускной коллектор, присоединенный к газовым коллекторам последней ступени сжатия через систему трубопроводов и обратные (запорные) клапаны и к водородному выпускному трубопроводу высокого давления;
(c) систему нагревания и охлаждения, которая обеспечивает поочередное нагревание и охлаждение устройства нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров; и
(d) систему управления, обеспечивающую работу системы нагревания и охлаждения в течение заданных периодов времени.
2. Компрессор по п. 1, в котором размер и число металлогидридных контейнеров, принадлежащих ступеням сжатия, обеспечивает, что количество водорода, абсорбированного в контейнерах, принадлежащих предшествующей ступени сжатия, составляет на 10-20% более, чем количество водорода, абсорбированного в контейнерах, принадлежащих последующей ступени сжатия.
3. Компрессор по п. 1 или 2, в котором газовые впускные клапаны представляют собой обратные (запорные) клапаны.
4. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором газовые впускные клапаны дистанционно управляются системой управления.
5. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором каждый металлогидридный контейнер, принадлежащий первой ступени сжатия, оборудован двумя впускным и выпускным водородными трубопроводами, один из которых присоединяется к соответствующему газовому коллектору первой ступени сжатия, а другой присоединяется к вентиляционному коллектору через клапан, дистанционно управляемый системой управления.
6. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором буфер в промежуточном газовом коллекторе между предшествующей и последующей ступенями сжатия обеспечивает хранение водорода при давлении в интервале между равновесным давлением PA абсорбции водорода в охлаждаемом металлогидридном материале последующей ступени сжатия и равновесным давлением PD десорбции водорода из нагреваемого металлогидридного материала предшествующей ступени сжатия и количество водорода V, сохраняющегося в буфере, связано со средней производительностью pa компрессора и разностью Δt между временем нагревания металлогидридных контейнеров предшествующей ступени и временем охлаждения металлогидридных контейнеров последующей ступени следующим неравенством:
V ≥ pa⋅|Δt|.
7. Компрессор по п. 6, в котором буфер представляет собой один или более газовых баллонов с общим газовым коллектором и полный объем баллонов VTOTAL связан с количеством V сохраняющегося водорода и разностью (PD-PA) следующим неравенством:
VTOTAL ≥ V/(PD-PA).
8. Компрессор по п. 6 или 7, в котором буфер представляет собой один или более металлогидридных контейнеров с общим газовым коллектором; металлогидридные контейнеры наполнены металлогидридным материалом, характеризуемым равновесным давлением водорода при комнатной температуре в интервале между равновесными давлениями PA и PD, и количество M металлогидридного материала в буфере связано с количеством V сохраняющегося водорода и способностью обратимого хранения водорода v металлогидридного материала следующим неравенством:
M ≥ V/v.
9. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором металлогидридный материал в буфере характеризуется наклонным плато на своей изотерме давление-состав при комнатной температуре и тепловым эффектом абсорбции/десорбции водорода ниже 25 кДж/моль H2.
10. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором система нагревания и охлаждения представляет собой соответствующую конфигурацию соединительных трубопроводов и клапанов, дистанционно управляемую системой управления, и использует потоки нагревающей и охлаждающей текучих сред: воду для охлаждения и пар для нагревания.
11. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором устройство нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров оборудовано трубопроводами для впуска и выпуска нагревающей и охлаждающей текучих сред.
12. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором металлогидридный контейнер включает:
(a) газонепроницаемый контейнер, включающий наружную оболочку и две торцевые крышки;
(b) металлогидридный материал, расположенный в объеме полости внутри газонепроницаемого контейнера высокого давления;
(c) один или два трубопровода для впуска и выпуска водорода из пространства, заполненного металлогидридным материалом;
(d) внутренний теплообменник, расположенный в объеме полости газонепроницаемого контейнера высокого давления, заполненного металлогидридным материалом и оборудованного двумя трубопроводами для впуска/выпуска нагревающей/охлаждающей текучей среды; и
(e) наружную рубашку нагревания и охлаждения, прикрепленную к наружной поверхности наружной оболочки и оборудованную двумя трубопроводами для впуска/выпуска нагревающей/охлаждающей текучей среды.
13. Компрессор по п. 12, в котором внутренний теплообменник металлогидридного контейнера изготовлен посредством экструзии мягкого теплопроводного материала, прикрепленного к наружной поверхности внутренней трубы.
14. Компрессор по п. 12 или 13, в котором внутренний теплообменник и наружная рубашка нагревания и охлаждения металлогидридного контейнера соединяются последовательно.
15. Компрессор по любому из пп. 12-14, в котором нагревающая текучая среда вводится в трубопровод внутреннего теплообменника, не присоединенный к наружной рубашке нагревания и охлаждения, и выводится из трубопровода наружной рубашки нагревания и охлаждения, не присоединенного к внутреннему теплообменнику; при этом введение и выведение охлаждающей текучей среды осуществляются в противоположных направлениях.
16. Компрессор по любому из пп. 12-15, в котором металлогидридный контейнер установлен горизонтально таким образом, что верхний трубопровод его рубашки нагревания и охлаждения присоединен к трубопроводу внутреннего теплообменника и выпуск нагревающей текучей среды и впуск охлаждающей текучей среды осуществляются через нижний трубопровод рубашки нагревания и охлаждения.
17. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором устройство нагревания и охлаждения металлогидридных контейнеров, принадлежащих различным ступеням сжатия, и один модуль сжатия соединены последовательно в порядке, который соответствует увеличению номера ступени сжатия.
18. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором поток нагревающей текучей среды направляется от первой до последней ступени сжатия и поток охлаждающей текучей среды направляется противоположно.
19. Компрессор по любому из предшествующих пунктов, в котором газовые коллекторы металлогидридных контейнеров оборудованы холодильниками, которые обеспечивают охлаждение водорода в течение его выпуска.
20. Способ эксплуатации компрессора по любому из предшествующих пунктов, который включает циклическую последовательность следующих стадий:
(a) охлаждение металлогидридных контейнеров, принадлежащих модулю сжатия, в течение периода времени, определяемого первым заданным периодом времени; и
(b) нагревание металлогидридных контейнеров, принадлежащих модулю сжатия, в течение периода времени, определяемого вторым заданным периодом времени; при этом сумма первого и второго заданных периодов времени составляет полный период эксплуатации.
21. Способ по п. 20, в котором первый и второй заданные периоды времени не равняются друг другу и их значения выбираются таким образом, чтобы обеспечивать максимальную среднюю производительность металлогидридных контейнеров в течение выпуска из них водорода и абсорбции в них водорода соответственно.
22. Способ по п. 20 или 21, в котором открытие дистанционно управляемого газового впускного клапана синхронизировано с охлаждением соответствующих металлогидридных контейнеров, принадлежащих первой ступени сжатия, и клапан удерживается в открытом положении в течение периода времени, определяемого первым заданным периодом времени.
23. Способ по п. 22, в котором дистанционно управляемый клапан, присоединенный к вентиляционному коллектору, открывается в начале нагревания соответствующих металлогидридных контейнеров, принадлежащих первой ступени сжатия, в течение периода времени, определяемого третьим заданным периодом времени, который является короче, чем второй заданный период времени.
