专利名称：金属氢化物空调试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种空调试验装置，特别是一种金属氢化物空调试验装置。
背景技术：
目前，随着社会的不断发展、科技的不断进步，金属氢化物得到了人们越来越多的使用，它在能源领域里作为工作材料也得到了广泛的应用。例如金属氢化物热泵可以完全利用工业废热或太阳能等作为驱动能源，产生制冷或升温的作用，而且节能、无污染。如图1所示，金属氢化物热泵的工作原理为以氢气作为工作介质，在同温下平衡氢压不同的两种贮氢合金组成热力学循环系统，两种合金通过安装有阀门的氢气管路相连，在引入热源后利用两种合金的平衡氢压差驱动氢气介质的流动，使两种合金处于吸、放氢的循环状态，利用贮氢合金与氢气的反应焓变产生制冷或升温的效果。
图1给出的是单级氢化物制冷型热泵的工作原理图。图中坐标分别为平衡氢压对数和绝对温度倒数，两条直线分别表示Ma和Mb的Van′t-Hoff(范特—霍夫)关系曲线。贮氢合金的Van′t-Hoff(范特—霍夫)关系如图所示，系统充入的氢量仅为一种贮氢合金的饱和吸氢量。TH和TM分别是可以利用的高温热源(例如工业和汽车的余热和废热)和中温热源(例如外界大气、水源)。当Ma和Mb同处于TM时(图1中位置3和1)，由于平衡氢压的差别，Ma氢化为氢化物MaH，Mb保持为合金。关闭它们之间的阀门，利用热源TH使Ma升温到TH(位置2)，Mb仍保持在TM(位置1)。打开阀门，氢气从高压的MaH流向Mb，使之氢化为MbH(吸氢、放热反应，放出的热量由TM带走)，MaH放氢变为Ma(放氢、吸热反应，所需的反应热由TH提供)。关闭阀门，利用热源TM使Ma降温到TM(位置3)。当阀门再次打开时，由于平衡氢压的差别，氢气将从位置1的MbH流向位置3的Ma，使之氢化为MaH(吸氢、放热反应，反应热由TM带走)，而MbH放氢变成Mb，这一放氢吸热反应过程吸收了通过它流动的待冷却气体的热量，温度降至TL(位置4)。这就完成了一个制冷循环过程，氢气的流动为3-2-1-4-3，在4完成制冷。当有两个或多个这样的装置以一定的位相差工作时，就可以有连续的制冷输出。
人们利用金属氢化物热泵的工作原理将其应用在金属氢化物空调上，对金属氢化物空调进行研究试验，主要从合金选取、热泵设计、系统循环模拟三个方面展开研究试验。但是现有的金属氢化物空调试验装置自控程度低、缺少原位参数测量技术，对金属氢化物空调的实际运转性能缺少精确的控制与测试，尤其是传热性能和循环氢气流量的测量还需要进一步的完善。
实用新型内容为了克服现有金属氢化物空调试验装置的自动控制、传热和循环参数的原位测量的不足，本实用新型的目的在于提供一种自动化程度高、测量参数全、测量精度高、适用范围广、由可编程逻辑控制器PLC控制的金属氢化物空调试验装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的本实用新型由反应床及氢气循环系统、液体循环系统组成；其中反应床与氢气循环系统和液体循环系统之间密闭连接，在反应床上的恒温液体流入口通过阀与液体循环系统中的泵相连；反应床上的排液口通过阀分别与液体循环系统中的高温油浴、中温油浴、中温水浴相连；反应床上的恒温液体流出口通过阀分别与液体循环系统中的高温油浴、中温油浴、中温水浴相连；反应床上的氢气出入口通过阀与氢气循环系统中的氢气瓶相连；氢气循环系统中的气体质量流量计、溅射薄膜压力传感器及反应床内的热偶与控制与数据采集系统相连。
其中所述反应床的底端开有恒温液体流入口和排液口，在反应床器壁上方开有恒温液体流出口，反应床的上端与法兰密闭相连，在反应床内部与法兰连接的一侧加设有多个柱形管，柱形管内装有贮氢合金，并在柱形管内插入热偶，法兰上开有氢气出入口与氢气循环系统中的气体管路密闭连接，并在出入口处加设过滤器，所述的柱形管为圆柱形紫铜管；所述的氢气循环系统由氢气瓶、真空泵及阀组成，在系统中，反应床经过滤器与气体管路相连，过滤器的上方连接第一三通，第一三通的一端与采集反应床中氢气压力的溅射薄膜压力传感器相连，另一端先连接第一电动阀，再与第二三通相连；第二三通的一端连接氢气瓶，另一端顺序连接气体质量流量计、第二电动阀及第三三通，第三三通的一端连接真空泵，另一端与第四三通相连；第四三通的一端连接另一采集反应床中氢气压力的溅射薄膜压力传感器，另一端经过滤器与另一反应床相连；在所述的氢气循环系统中还连接有手动针阀；所述液体循环系统由中温油浴、高温油浴、中温水浴、阀、泵组成，在系统中，油浴或水浴经泵与液体管路相连，泵上方经过滤器并联连接溢流阀及电磁阀，电磁阀的自由端与反应床上的恒温液体流入口密闭相连，反应床上的恒温液体流出口及排液口分别经电磁阀与油浴或水浴相连接。
本实用新型的优点与积极效果为1.自动化程度高本实用新型采用可编程逻辑控制器PLC控制，电源配有计算机接口，配以多功能数据采集器，全部自动控制设备运行和数据采集。
2.测量参数全面对反应床的氢气压力、合金温度、反应床温度、传热介质温度以及两反应床之间的氢气流量随时间的变化都有精确的测量；在数据采集的同时，给出数据随时间的变化曲线，能精确的推导出金属氢化物空调的原位制冷效果和传热性能，减少粉体流动，降低容器比重和显热等；利用该样机可测量基本的热力学参数、热效率(COP)、通过压力传感器测定吸氢/放氢的反应速度(V)和装置单位时间内的传质数量(Z)。本实用新型还可测量贮氢合金吸放氢性能，包括PCT曲线、动力学和热力学参数。
3.测量精度高本试验装置采用气体质量流量计，免去氢气压力和温度对流量测量的影响量程比达到1∶100，远高于现有流量计的1∶30；气路的所有连接件、各种阀经检验其氢气泄露率低于10ppm。
4.成本低本实用新型采用商业机为输出和控制终端，以低成本实现高可靠性自动化控制。
5.使用灵活性强本试验装置具有手动、自动切换功能，使用灵活性强，可对设备运行实行间隔时间、循环次数参数设定，可对采集装置进行参数设定；反应床与氢气循环系统和液体循环系统之间采用法兰连接，设备拆卸方便，便于变换合金和反应床改进，数据查询方便，可按时间进行查询。
6.使用温度和压力范围宽满足-40～200℃的使用要求，耐压10-3Pa～6MPa，基本上满足所有热泵用贮氢合金的使用要求。


图1为单级氢化物制冷型热泵的工作原理图；图2为本实用新型的整体结构示意图；图3为本实用新型反应床的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详述本实用新型由反应床6及氢气循环系统、液体循环系统组成；其中反应床6与氢气循环系统和液体循环系统之间密闭连接，在反应床6上的恒温液体流入口21通过阀与液体循环系统中的泵8相连；反应床6上的排液口20通过阀分别与液体循环系统中的高温油浴10、中温油浴11、中温水浴12相连；反应床6上的恒温液体流出口19通过阀分别与液体循环系统中的高温油浴10、中温油浴11、中温水浴12相连；反应床6上的氢气出入口18通过阀与氢气循环系统中的氢气瓶1相连；氢气循环系统中的气体质量流量计2、溅射薄膜压力传感器3及反应床6内的热偶15与控制与数据采集系统相连。
所述反应床6的底端开有恒温液体流入口21和排液口20，在反应床器壁13上方开有恒温液体流出口19；反应床6的上端与法兰16密闭相连，在反应床6内部与法兰16连接的一侧加设有多个柱形管，柱形管内装有贮氢合金14，并在柱形管内插入热偶15；法兰16上开有氢气出入口18与氢气循环系统中的气体管路密闭连接，并在出入口处加设过滤器17，所述的柱形管为圆柱形紫铜管。所述的氢气循环系统由氢气瓶1、真空泵7及阀组成；在系统中，反应床6经过滤器17与气体管路相连，过滤器17的上方连接第一三通22，第一三通22的一端与采集反应床中氢气压力的溅射薄膜压力传感器3相连，另一端先连接第一电动阀48，再与第二三通23相连；第二三通23的一端连接氢气瓶1，另一端顺序连接气体质量流量计2、第二电动阀49及第三三通24，第三三通24的一端连接真空泵7，另一端与第四三通25相连；第四三通25的一端连接另一采集反应床中氢气压力的溅射薄膜压力传感器3，另一端经过滤器17与另一反应床6相连，在所述的氢气循环系统中还连接有手动针阀5。所述液体循环系统由中温油浴11、高温油浴10、中温水浴12、阀、泵8组成；在系统中，油浴或水浴经泵8与液体管路相连，泵8上方经过滤器17并联连接溢流阀9及电磁阀，电磁阀的自由端与反应床6上的恒温液体流入口21密闭相连；反应床6上的恒温液体流出口19及排液口20分别经电磁阀与油浴或水浴相连接。
本实用新型的工作原理是氢气循环系统使氢气在反应床之间连续循环，液体循环系统使不同温度的恒温液体在反应床6与油浴、水浴之间交替循环，由于反应床6内的氢气压力及温度发生变化，反应床6内的金属氢化物合金对循环地吸氢放热或放氢吸热，从而使金属氢化物空调升温或制冷，在氢气和液体循环的过程中，控制与数据采集系统对数据进行采集与处理。控制与数据采集系统由可编程逻辑控制器PLC、数据采集卡、电源、计算机、继电器组成，分为控制部分和数据采集部分；控制部分通过可编程逻辑控制器PLC和继电器自动控制氢气循环系统中的电动阀和液体循环系统中的电磁阀，可编程逻辑控制器PLC分别与金属氢化物空调及计算机相连，由计算机输入运行参数；数据采集部分由热偶数据采集和电流数据采集模块分别采集设备中的热偶、溅射薄膜压力传感器3和气体质量流量计2并输出信号，通过转换模块作为测量模块与计算机接口，由计算机作为信号输出端、进行试验。
本实用新型的工作过程是首先，在两反应床6中的圆柱形紫铜管内分别加入匹配的金属氢化物贮氢合金14，并在其内插入热偶15，用法兰16密闭；反应床6经过检查密闭后，将试验装置用真空泵7抽至10-3Pa的真空，然后打开氢气瓶1引入氢气至3MPa，保持反应床6的温度，打开各手动针阀5，使合金活化。在开始循环试验前，先将中温油浴11、高温油浴10、中温水浴12加热，例如中温油浴11加热到60℃，高温油浴10加热到150℃，中温水浴12加热到60℃。通过计算机让系统按照程序自动运行，按时间顺序依次打开各个电磁阀、电动阀，系统中的电磁阀均为常闭电磁阀，在初始未通电时处于关闭状态。随着各个电磁阀、电动阀的打开，系统开始操作，其操作步骤为第一步打开第一电磁阀41、第五电磁阀43、第八电磁阀46、第九电磁阀47。当第五电磁阀43开启时，高温油浴10中的液体被泵8送入高温反应床中，液体由反应床底部恒温液体流入口21进入，由于第一电磁阀41开启，液体由反应床器壁13上方的恒温液体流出口19流出；恒温液体在高温反应床中循环流动，使反应床的温度与高温油浴10中液体的温度相同；同样，当第八电磁阀46开启时，中温水浴12中液体被泵8送入低温反应床中，液体由反应床底部恒温液体流入口21进入，由于第九电磁阀47开启，液体由反应床器壁13上方的恒温液体流出口19流出；反应床的温度与中温水浴12中液体的温度相同。
第二步保持第一电磁阀41、第五电磁阀43、第八电磁阀46、第九电磁阀47开启不变，再打开第一电动阀48、第二电动阀49，即保持两个反应床的初始温度不变，打开第一电动阀48、第二电动阀49。由于高温反应床中氢气的压力高于低温反应床中氢气的压力，氢气由高温反应床向低温反应床传递，高温反应床中的贮氢合金放氢从高温热源吸热，低温反应床中的贮氢合金吸氢向环境放热。
第三步关闭第五电磁阀43、第八电磁阀46、第九电磁阀47、第一电动阀48、第二电动阀49，打开第一电磁阀41、第二电磁阀41a，即停止向两个反应床泵送液体。保持低温反应床液体静止不动，将高温反应床液体由恒温液体流出口19经第一电磁阀41及由排液口20经第二电磁阀41a排出，同时关闭第一电动阀48、第二电动阀49，气路关闭。
第四步关闭第一电磁阀41、第二电磁阀41a，打开第三电磁阀42、第六电磁阀44，即中温油浴11中液体被泵8送入高温反应床中。液体由反应床底部恒温液体流入口21进入，由反应床器壁13上方的恒温液体流出口19流出，反应床温度变为与中温油浴11中液体温度相同，低温反应床液体保持不变。
第五步保持第三电磁阀42、第六电磁阀44开启不变，再打开第一电动阀48、第二电动阀49，气路打开。此时，由于温度发生变化，高温反应床中氢气的压力低于低温反应床中氢气的压力，氢气自发由低温反应床向高温反应床传递，高温反应床中的贮氢合金吸氢向环境放热，低温反应床中的贮氢合金放氢吸热，达到制冷的目的。
第六步关闭第六电磁阀44、第一电动阀48、第二电动阀49，打开第三电磁阀42、第四电磁阀42a、第七电磁阀45、第九电磁阀47，即停止向两个反应床泵送液体，高温反应床中的液体由恒温液体流出口19经第三电磁阀42及由排液口20经第四电磁阀42a排出；低温反应床中的液体由恒温液体流出口19经第九电磁阀47及由排液口20经第七电磁阀45排出。同时关闭第一电动阀48、第二电动阀49，气路关闭，回到第一步前的初始状态。
不断重复步骤一到步骤六，产生制冷或升温的效果。在氢气和液体循环的过程中，通过数据采集卡采集到热偶15、溅射薄膜压力传感器3、气体质量流量计2的数据随时间的变化，从而得到金属氢化物空调的工作效率和输出功率。
系统中与反应床连接的法兰16上开有氢气出入口18，出入口处加设过滤器17，使反应床中的金属氢化物粉末不会进入气路中；由泵送入的液体在进入反应床前也会经过滤器过滤掉液体中的杂质，以保证油路畅通；当由泵送入的液体超过安全使用压力时，可以经溢流阀9流入油浴或水浴。
权利要求1.金属氢化物空调试验装置，其特征在于所述试验装置由反应床(6)及氢气循环系统、液体循环系统组成；其中反应床(6)与氢气循环系统和液体循环系统之间密闭连接，在反应床(6)上的恒温液体流入口(21)通过阀与液体循环系统中的泵(8)相连；反应床(6)上的排液口(20)通过阀分别与液体循环系统中的高温油浴(10)、中温油浴(11)、中温水浴(12)相连；反应床(6)上的恒温液体流出口(19)通过阀分别与液体循环系统中的高温油浴(10)、中温油浴(11)、中温水浴(12)相连；反应床(6)上的氢气出入口(18)通过阀与氢气循环系统中的氢气瓶(1)相连；氢气循环系统中的气体质量流量计(2)、溅射薄膜压力传感器(3)及反应床(6)内的热偶(15)与控制与数据采集系统相连。
2.按照权利要求1所述的金属氢化物空调试验装置，其特征在于所述反应床(6)的底端开有恒温液体流入口(21)和排液口(20)，在反应床器壁(13)上方开有恒温液体流出口(19)；反应床(6)的上端与法兰(16)密闭相连，在反应床(6)内部与法兰(16)连接的一侧加设有多个柱形管，柱形管内装有贮氢合金(14)，并在柱形管内插入热偶(15)；法兰(16)上开有氢气出入口(18)与氢气循环系统中的气体管路密闭连接，并在出入口处加设过滤器(17)。
3.按照权利要求2所述的金属氢化物空调试验装置，其特征在于所述的柱形管为圆柱形紫铜管。
4.按照权利要求1或2所述的金属氢化物空调试验装置，其特征在于所述的氢气循环系统由氢气瓶(1)、真空泵(7)及阀组成；在系统中，反应床(6)经过滤器(17)与气体管路相连，过滤器(17)的上方连接第一三通(22)，第一三通(22)的一端与采集反应床中氢气压力的溅射薄膜压力传感器(3)相连，另一端先连接第一电动阀(48)，再与第二三通(23)相连；第二三通(23)的一端连接氢气瓶(1)，另一端顺序连接气体质量流量计(2)、第二电动阀(49)及第三三通(24)，第三三通(24)的一端连接真空泵(7)，另一端与第四三通(25)相连；第四三通(25)的一端连接另一采集反应床中氢气压力的溅射薄膜压力传感器(3)，另一端经过滤器(17)与另一反应床(6)相连。
5.按照权利要求4所述的金属氢化物空调试验装置，其特征在于在所述的氢气循环系统中还连接有手动针阀(5)。
6.按照权利要求1或2所述的金属氢化物空调试验装置，其特征在于所述液体循环系统由中温油浴(11)、高温油浴(10)、中温水浴(12)、阀、泵(8)组成；在系统中，油浴或水浴经泵(8)与液体管路相连，泵(8)上方经过滤器(17)并联连接溢流阀(9)及电磁阀，电磁阀的自由端与反应床(6)上的恒温液体流入口(21)密闭相连；反应床(6)上的恒温液体流出口(19)及排液口(20)分别经电磁阀与油浴或水浴相连接。
专利摘要本实用新型涉及一种空调试验装置，特别是一种金属氢化物空调试验装置，由反应床及氢气循环系统、液体循环系统组成；其中反应床与氢气循环系统和液体循环系统之间密闭连接，在反应床上的恒温液体流入口通过阀与液体循环系统中的泵相连；反应床上的排液口、恒温液体流出口通过阀分别与液体循环系统中的高温油浴、中温油浴、中温水浴相连；反应床上的氢气出入口通过阀与氢气循环系统中的氢气瓶相连；氢气循环系统中的气体质量流量计、溅射薄膜压力传感器及反应床内的热偶与控制与数据采集系统相连。本实用新型自动化程度高、测量参数全、测量精度高、适用范围广、成本低、由可编程逻辑控制器PLC控制。
文档编号G01M99/00GK2663968SQ200320131240
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月30日 优先权日2003年12月30日
发明者杜屏, 曹玮, 吕曼祺, 杨柯, 陈江平 申请人:中国科学院金属研究所