可逆压缩/膨胀机做功系统
阅读说明：本技术 可逆压缩/膨胀机做功系统 (Reversible compressor/expander work-doing system ) 是由 贾鹏 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可逆压缩/膨胀机做功系统,包括高压换热罐、1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号正反向可逆压缩/膨胀机、1号变温器、2号变温器和低压换热罐。高压换热罐顺次连接1号变温器、1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号变温器和2号正反向可逆压缩/膨胀机,形成正向流动循环。低压换热罐顺次连接2号变温器、2号正反向可逆压缩/膨胀机、1号变温器和1号正反向可逆压缩/膨胀机,形成反向流动循环。本发明通过可逆压缩/膨胀机做功,驱动做功设备工作或带动发电设备发电。(The invention relates to a work doing system of a reversible compression/expansion machine, which comprises a high-pressure heat exchange tank, a No. 1 forward and reverse reversible compression/expansion machine, a No. 2 forward and reverse reversible compression/expansion machine, a No. 1 temperature changer, a No. 2 temperature changer and a low-pressure heat exchange tank. The high-pressure heat exchange tank is sequentially connected with the No. 1 temperature changer, the No. 1 forward and reverse reversible compression/expansion machine, the No. 2 temperature changer and the No. 2 forward and reverse reversible compression/expansion machine to form forward flow circulation. The low-pressure heat exchange tank is sequentially connected with the No. 2 temperature changer, the No. 2 forward and reverse reversible compression/expansion machine, the No. 1 temperature changer and the No. 1 forward and reverse reversible compression/expansion machine to form reverse flow circulation. The reversible compression/expansion machine is used for applying work to drive working equipment to work or drive power generation equipment to generate power.)
技术领域
本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种可逆压缩/膨胀机做功系统。
背景技术
自然界充满着无限的常温能源，空气、海水等无限量的常温能源，具有开发潜力。地球上的能源绝大部分来自于太阳，在能源日益紧缺的今天，新的可再生绿色洁净发电技术日益受到重视。现在新能源中，水能和风能发电技术应用较为普遍，技术也较为成熟。水电开发潜力不大，而风力又过于分散，只能在一些特定区域应用，而且水能和风能发电装置投入很大，占地面积广。空气能已逐步进入人们的视野中，目前空气能热水器也得到了普遍应用，其原理就是利用空气中的热能，通过热泵加热水。但是利用空气能发电的技术非常少，技术不够成熟，难以推广应用。
公开号为CN107939525 A的中国发明专利申请公开了一种压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统及方法，该压缩空气储能系统中的燃气膨胀机做功系统包括高压气源、蒸汽源、混合器、气体喷射器以及燃气膨胀机，气体喷射器设有内腔和与内腔均连通的第一入口、第二入口及出口，高压气源和蒸汽源均经由混合器与第一入口连通，燃气膨胀机的乏气出口与第二入口连通，燃气膨胀机的进气口与出口连通。该专利申请中，高压气源输出的高压气体介质与蒸汽源输出的高温蒸汽混合后，作为高压工作气流输入气体喷射器内，提高了对低压乏气的卷吸能力，进而提高了做功效率。但是该发明专利申请不能通过金属储氢材料的吸氢放氢作用所产生的热量实现压缩/膨胀机的做功发电。
发明内容
本发明的目的是提供一种可逆压缩/膨胀机做功系统，以氢气为循环工质，利用金属储氢材料的吸氢/放氢特性，通过可逆压缩/膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电，充分利用大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。
本申请实施例提供了一种可逆压缩/膨胀机做功系统，所述做功系统包括高压换热罐、1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号正反向可逆压缩/膨胀机、1号变温器、2号变温器和低压换热罐；所述1号正反向可逆压缩/膨胀机设有1号膨胀入口、1号膨胀出口、1号压缩入口和1号压缩出口；所述2号正反向可逆压缩/膨胀机设有2号膨胀入口、2号膨胀出口、2号压缩入口和2号压缩出口。
所述高压换热罐的出口通过阀门连接到1号变温器的吸氢入口，1号变温器的吸氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机的1号膨胀入口，所述1号正反向可逆压缩/膨胀机的1号膨胀出口通过阀门连接到2号变温器的放氢入口，2号变温器的放氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机的2号压缩入口，所述2号正反向可逆压缩/膨胀机的2号压缩出口通过阀门连接到所述高压换热罐的入口。
所述低压换热罐的出口通过阀门连接到2号变温器的吸氢入口，2号变温器的吸氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机的2号膨胀入口，所述2号正反向可逆压缩/膨胀机的2号膨胀出口通过阀门连接到1号变温器的放氢入口，1号变温器的放氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机的1号压缩入口，所述1号正反向可逆压缩/膨胀机的1号压缩出口通过阀门连接到低压换热罐的入口。
所述1号变温器中设有B金属储氢材料反应床层，所述2号变温器中设有A金属储氢材料反应床层。
所述1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号正反向可逆压缩/膨胀机与功率输出轴同轴连接。
进一步的，所述B金属储氢材料反应床层的B金属储氢材料包括但不限于钛系金属储氢材料；所述A金属储氢材料反应床层的A金属储氢材料包括但不限于稀土系金属储氢材料。
进一步的，所述做功系统还包括发电机；所述1号正反向可逆压缩/膨胀机、2号正反向可逆压缩/膨胀机与发电机同轴连接，所述发电机电路连接到外部电网和/或蓄电池。
进一步的额，所述做功系统还包括冷却器；所述冷却器设置在所述低压换热罐的外部。
进一步的，所述1号正反向可逆压缩/膨胀机和2号正反向可逆压缩/膨胀机交替进行膨胀和压缩过程；所述1号正反向可逆压缩/膨胀机在进气气流正向流动时进行气体膨胀做功，在进气气流反向流动时进行气体压缩；所述2号正反向可逆压缩/膨胀机在进气气流正向流动时进行气体压缩，在进气气流反向流动时进行气体膨胀做功。
进一步的，所述做功系统还设有保护罩，所述保护罩设有可燃气体报警器和氢气加入口；所述保护罩加装内保温或外保温或内外保温，所述保护罩内的管道加装内保温或外保温或内外保温；所述保护罩还设有温度调节器；所述温度调节器放出高温冷量，所述低温换热罐放出低温冷量；所述保护罩内填充有系统补热氢气，将通过温度调节器从外界环境进入的热量和机械设备产生的热量补充到高温换热罐中，以使系统可持续做功运行；所述系统补热氢气包括但不限于氢气及氢气以外的其他气体或液体或固体，或以上两两混合物，或三项混合物。
进一步的，所述可逆压缩/膨胀机做功系统通过柯来浦循环对外做功；所述柯来浦循环定义为在系统内至少两种金属氢化物，存在至少四个状态点，至少四个状态点的吸氢放热和放氢吸热在系统内通过循环换热介质保持或基本保持热量平衡，即某一状态点的吸氢放热的热量利用循环换热介质传给其他三个状态点中的放氢吸热过程。
至少存在的四个状态点中的放氢吸热状态不用或基本上不用向环境中吸热，而是将至少四个状态点中的吸氢放热的热量传递给至少四个状态点中的放氢吸热过程。
至少存在的四个状态点中的吸氢放热状态不用或基本上不用向环境中散热，而是将热量传递给存在的至少四个状态点中的放氢吸热过程，而存在的至少四个状态点中放氢吸热过程完全能够或几乎完全能够接收传递过来的热量。
至少四个状态点中的吸氢放热状态点可以将热量传递给放氢吸热状态点，以上热量基本上都是内部平衡，全部或绝大部分吸放热的热量平衡在系统内部完成，几乎不需要向环境中散热或从环境中吸热。
通过至少四个状态点形成的做功循环，能够使系统做功，做功的形式是利用氢气作为介质做功，至少四个状态点可以使氢气的温度-压力进行循环变化，从而形成做功循环，做功设备既可以是叶轮式回转机构也可以是活塞式或其他形式；至少四个状态点通过做功循环，吸氢放热状态点和放氢吸热状态点都可以恢复成原来的状态点；允许系统向环境中释放低温冷量，从环境中吸热。
除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体作为循环换热介质；此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质；换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体、固体或以上的混合物或两两混合物。
至少两种金属氢化物的压力-温度图的状态点连线既可以相交也可以不相交；系统氢气做功的过程既包括循环换热氢气的做功也包括做功氢气的做功。
进一步的，柯来浦循环表现为两种不同性质的金属氢化物，每种金属氢化物有两个工作状态点，金属氢化物a的最低放氢温度和最高吸氢温度限定工作范围，以上两个温度可以进行调整，从而工作范围可大可小，金属氢化物b的最高放氢温度和最低吸氢温度影响做功温差，金属氢化物b的放氢吸热状态点温度低于金属氢化物a的吸氢放热状态点的温度，金属氢化物b的放氢吸热状态点压力高于金属氢化物a的吸氢放热状态点的压力，金属氢化物b的吸氢放热状态点温度高于金属氢化物a的放氢吸热状态点的温度，金属氢化物b的吸氢放热状态点压力高于金属氢化物a的放氢吸热状态点的压力，也就是说金属氢化物a的最高温度比金属氢化物b的最高温度要高，而金属氢化物a的最高压力比金属氢化物b的最高压力要低，金属氢化物a的最低温度比金属氢化物b的最低温度要低，金属氢化物a的最低压力比金属氢化物b的最低压力要低，金属氢化物a的最高吸氢温度和金属氢化物b的最高放氢温度的温差可以等于也可以不等于金属氢化物a的最低放氢温度和金属氢化物b的最低吸氢温度的温差，在压比一定的情况下，该数值越大系统做出的功越大；膨胀做功时采用高温高焓值的氢气，增加做功能力，压缩耗功时采用低温低焓值的氢气，降低耗功，使系统净功最大化；低温情况下，膨胀做功时采用低温低焓值的氢气，增加做功能力，压缩耗功时采用更低温更低焓值的氢气，降低耗功，使系统净功最大化；系统有两个吸氢放热状态点和两个放氢吸热状态点，通过换热氢气的循环使金属氢化物a的高温吸氢放热用于金属氢化物b的高温放氢吸热使用，通过换热氢气的循环使金属氢化物b的低温吸氢放热用于金属氢化物a的低温放氢吸热使用，使吸放氢放出和吸收的热量两两保持相等或几乎相等；虽然金属氢化物a标定的状态点只有两个，金属氢化物b标定的状态点也只有两个，但是随着吸放氢状态点的不断变化，不断从一个状态点转换到另一个状态点，两两状态点之间不断转换，通过把两种金属氢化物纳入一个系统，从而就可以形成一个循环，每个状态点均可以自行恢复，并可以对系统外做功，系统内存在四个状态点不断循环，不断在系统内部换热，从而实现一个做功循环，金属氢化物a的高温状态下吸氢放热和金属氢化物b的高温状态下放氢吸热是一组，彼此之间进行高温交换热量，金属氢化物b的低温状态下吸氢放热和金属氢化物a的低温状态下放氢吸热是一组，彼此之间低温交换热量。
本申请实施例还提供了一种液体换热介质做功系统，包括高压膨胀机、低压膨胀机、1号液体换热介质循环泵、2号液体换热介质循环泵、金属储氢材料反应床A、金属储氢材料反应床B和冷却器；所述金属储氢材料反应床A包括氢反应床A1和氢反应床A2，所述金属储氢材料反应床B包括氢反应床B1和氢反应床B2。
氢反应床A1的放氢出口连接到高压膨胀机的入口，高压膨胀机的出口连接到氢反应床B1的吸氢入口；氢反应床B1的放氢出口连接到低压膨胀机的入口，低压膨胀机的出口连接到冷却器的管程入口，冷却器的管程出口连接到氢反应床A1的吸氢入口。
氢反应床A2的放氢出口连接到高压膨胀机的入口，高压膨胀机的出口连接到氢反应床B2的吸氢入口；氢反应床B2的放氢出口连接到低压膨胀机的入口，低压膨胀机的出口连接到冷却器的管程入口，冷却器的管程出口连接到氢反应床A1的吸氢入口。
空气从冷却器的壳程入口进，冷却的液氮和液氧从冷却器的壳程液体空气出口出，进入液氧、液氮分离制备系统，分离后的液氮和液氧分别进入液氮罐和液氧罐。
所述氢反应床A1、氢反应床A2、氢反应床B1和氢反应床B2分别通过液体换热介质管道与所述1号液体换热介质循环泵和2号液体换热介质循环泵循环连接；所述1号液体换热介质循环泵和2号液体换热介质循环泵用于在所述氢反应床A1、氢反应床A2、氢反应床B1与氢反应床B2吸/放氢后，对所述氢反应床A1、氢反应床A2、氢反应床B1与氢反应床B2中的循环介质进行换热。
所述液体换热介质做功系统还设有保护罩，所述保护罩设有可燃气体报警器和氢气加入口；所述保护罩加装内保温或外保温或内外保温，所述保护罩内的管道加装内保温或外保温或内外保温；所述保护罩还设有温度调节器。
所述保护罩内填充有系统补热氢气，将通过温度调节器从外界环境进入的热量和机械设备产生的热量补充到所述1号液体换热介质循环泵和2号液体换热介质循环泵中，以使系统可持续做功运行；通过冷却器将系统做功产生的冷量传递给外界；所述系统补热氢气包括但不限于氢气及氢气以外的其他气体或液体或固体，或以上两两混合物，或三项混合物。
进一步的，所述液体换热介质做功系统中的冷却器的壳程入口还用于接入外来氢气，经所述冷却器冷却的液氢从冷却器的壳程液氢出口出，进入液氢储罐。
本发明公开的可逆压缩/膨胀机做功系统，以氢气为循环工质，通过在变温器内设置金属储氢材料反应床层，利用金属储氢材料的吸氢放热及放氢吸热特性，改变做功系统中氢气循环介质的温度，进而通过可逆压缩/膨胀机做功，驱动做功设备工作或带动发电设备发电，充分利用了大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。将本发明公开的做功系统安装在轮船等交通工具和其他设备上，可以利用其它自然物质所携带的能量，通过工质循环驱动膨胀机做功，将地球氢能转变为机械能从而驱动交通工具运行，实现绿色交通。利用系统释放的冷量进行各种气体的液化，以及给需要冷量的场所提供冷量。
附图说明
图1为本发明提供的可逆压缩/膨胀机做功系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1对应的金属氢化物的工作状态点图；
图3为本发明提供的另一可逆压缩/膨胀机做功系统的结构示意图；
图4为本发明实施例2对应的金属氢化物的工作状态点图；
图5为氢气的相图；
图6为图5的局部放大图；
图7为本发明提供的液体换热介质做功系统的结构示意图；
图8为本发明实施例3对应的金属氢化物的工作状态点图；
图9为本发明提供的另一液体换热介质做功系统的结构示意图；
图10为本发明实施例4对应的金属氢化物的工作状态点图。
其中：1—高压换热罐、2—1号正反向可逆压缩/膨胀机、3—2号正反向可逆压缩/膨胀机、4—发电机、5—B金属储氢材料反应床层、6—A金属储氢材料反应床层、7—低压换热罐、8—阀门、9—1号变温器、10—2号变温器、11—高压膨胀机、12—低压膨胀机、13—1号膨胀入口、14—1号膨胀出口、15—1号压缩入口、16—1号压缩出口、13’—2号膨胀入口、14’—2号膨胀出口、15’—2号压缩入口、16’—2号压缩出口、17—1号液体换热介质循环泵、18—2号液体换热介质循环泵、19—A1金属储氢材料反应床层、20—A2金属储氢材料反应床层、21—B1金属储氢材料反应床层、22—B2金属储氢材料反应床层、23—氢气过滤膜、24—氢气加入口、25—可燃性气体报警器、26—温度调节器、27—气液分离器、28—保护罩、29—冷却器、30—液氢罐、31—氢气进口、32—液氢出口、33—空气进口、34—液氧出口、35—液氮出口、36—液氮、液氧分离制备系统、37—液氮罐、38—液氧罐。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种正反向可逆压缩/膨胀机的做功系统，如图1所示，该做功系统包括高压换热罐1、1号正反向可逆压缩/膨胀机2、2号正反向可逆压缩/膨胀机3、1号变温器9、2号变温器10、低压换热罐7和发电机4。
具体的，1号正反向可逆压缩/膨胀机2设有1号膨胀入口13、1号膨胀出口14、1号压缩入口15和1号压缩出口16。2号正反向可逆压缩/膨胀机3设有2号膨胀入口13’、2号膨胀出口14’、2号压缩入口15’和2号压缩出口16’。1号变温器9和2号变温器10上分别设有吸氢入口、吸氢出口、放氢入口和放氢出口。
高压换热罐1的出口通过阀门8连接到1号变温器9的吸氢入口，1号变温器9的吸氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号膨胀入口13，1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号膨胀出口14通过阀门连接到2号变温器10的放氢入口，2号变温器10的放氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号压缩入口15’，2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号压缩出口16’通过阀门8连接到高压换热罐1的入口。
低压换热罐7的出口通过阀门连接到2号变温器10的吸氢入口，2号变温器10的吸氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号膨胀入口13’，2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号膨胀出口14’通过和阀门8连接到1号变温器9的放氢入口，1号变温器9的放氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号压缩入口15，1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号压缩出口16通过阀门连接到低压换热罐7的入口。
1号正反向可逆压缩/膨胀机2、2号正反向可逆压缩/膨胀机3与发电机4通过输出轴同轴连接。在一具体实施方式中，发电机4电路连接到外部电网或蓄电池，从而使发电机4能够利用1号正反向可逆压缩/膨胀机2或2号正反向可逆压缩/膨胀机3做功输出的动能发电。在实际应用中，除了可以在1号正反向可逆压缩/膨胀机2和2号正反向可逆压缩/膨胀机3的功率输出轴上外接发电机以外，还可以在功率输出轴上外接其他的设备，例如风机或水车等。1号正反向可逆压缩/膨胀机2及2号正反向可逆压缩/膨胀机3可以是活塞式机械，也可以是轮式机械，通过活塞式机械或轮式机械可以将1号正反向可逆压缩/膨胀机2和2号正反向可逆压缩/膨胀机3做功输出的能量转化为其他形式的能量。
当使用气态的氢气作为图1所示的做功系统中的循环换热介质时，可以在1号变温器9中设置B金属储氢材料反应床层5，其中的B金属储氢材料为钛系金属储氢材料，例如Ti2Mn5。在2号变温器10中设置A金属储氢材料反应床层6，其中的A金属储氢材料为稀土系金属储氢材料，例如LaAl2N。钛系金属储氢材料组成的B金属储氢材料在120℃以下、1MPa以上吸氢放热，在-60℃以上、0.15MPa以下放氢吸热（该金属在-100℃、0.15MPa下也能进行吸氢放热）。稀土系金属储氢材料组成的A金属储氢材料在40℃以上、2MPa以上放氢吸热，在20℃以下、0.3MPa以上吸氢放热，四个状态点如图2所示。
1号正反向可逆压缩/膨胀机2在进气气流正向流动时，能完成气体膨胀做功过程；在进气气流反向流动时，能完成气体压缩过程。相反的，2号正反向可逆压缩/膨胀机3在进气气流正向流动时，能完成气体压缩过程；在进气气流反向流动时，能完成气体膨胀做功过程。1号正反向可逆压缩/膨胀机2和2号正反向可逆压缩/膨胀机3交替进行膨胀和压缩过程。
对于图1所示的做功系统，该做功系统工作时按时序分为正向流动循环和反向流动循环。在正向流动循环时，通过阀门8组成的阀门组的切换，高压氢气先从高压换热罐1进入1号变温器9，1号变温器9中的B金属储氢材料进行吸氢放出大量热量将未吸收的氢气升高到一定温度后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2中进行膨胀做功；膨胀做功后的氢气进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量使氢气降低到一定温度后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3进行压缩。压缩后的氢气送回到高压换热罐1中。
在反向流动循环时，通过阀门8组成的阀门组的切换，低压氢气先从低压换热罐7进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料进行吸氢放出大量热量将未吸收的氢气升高到一定温度后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3中膨胀做功；膨胀做功后的氢气进入1号变温器9，1号变温器9中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量使氢气降低到一定温度后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2进行压缩。压缩后的氢气送回到低压换热罐7。
本实施例中，做功系统工作时正向流动循环的具体过程为：通过阀门8组成的阀门组的切换，高压换热罐1出口处2MPa，39.35℃的高压氢气先进入1号变温器9，1号变温器9中的B金属储氢材料吸收部分氢气放出大量热量将未吸收的氢气温度升高到120℃后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2中膨胀做功，1号正反向可逆压缩/膨胀机2出口处的氢气压力为1MPa，氢气温度为48.9℃。然后48.9℃、1MPa的氢气进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量使氢气温度降低到-33℃后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3进行压缩，2号正反向可逆压缩/膨胀机3出口处的氢气压力为2MPa，温度为20℃。20℃、2MPa的氢气返回高压换热罐1的入口，形成闭路循环。做功系统工作时，氢气介质的正向流动循环路径见图1中实线所示的路径。返回高压换热罐1的氢气可以通过向外界换热，将温度升温至39.35℃。
A金属储氢材料在超出图2限定的温度和压力范围后，依然具有吸放氢的能力。因此，在48.9℃的温度状态下A金属储氢材料能够放氢吸热。
本实施例中，做功系统工作时反向流动循环的具体过程为：通过阀门8组成的阀门组的切换，低压换热罐7出口处0.3MPa，-97.25℃的低压氢气先进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料吸收部分氢气放出大量热量将未吸收的氢气温度升高到20℃后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3中膨胀做功，2号正反向可逆压缩/膨胀机3出口处的氢气压力为0.15MPa，温度为-65.8℃。然后-65.8℃、0.15MPa的氢气进入1号变温器9，1号变温器9中的B金属储氢材料进行放氢吸收大量热量使氢气温度降低到-147.7℃后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2进行压缩，1号正反向可逆压缩/膨胀机2出口处的氢气压力为0.3MPa，温度为-120℃。-120℃、0.3MPa的氢气返回低压换热罐7的入口，形成闭路循环。做功系统工作时，氢气介质的反向流动循环路径见图1中虚线所示的路径。返回低压换热罐7的氢气可以通过向外界换热，将温度升温至-97.25℃。
B金属储氢材料在超出图2限定的温度和压力范围后，依然具有吸放氢的能力。因此，在-147.7℃的温度状态下B金属储氢材料能够放氢吸热。
本实施例中，两个变温器中金属储氢材料吸收/放出氢气的流量为0.064kg/s，循环换热氢气流量为0.78kg/s，系统平均输出功为104.8kw（包括换热氢气和做功氢气的做功输出加和）。本实施例提供的做工系统大约每200ms进行一次正反向流动切换，运行频率每分钟300次，冗余当量为25倍（1倍冗余当量是指金属储氢材料在整个一个完整工序循环内单次吸氢饱和时的所需最少金属储氢材料的量）。每个变温器中的金属储氢材料的量为11.9L，金属氢化物平均粒径500nm。在每个变温器进出口设置格栅装置，格栅装置仅允许氢气通过，不允许金属氢化物颗粒从格栅内泄露。管道进出口严格密封，只容许一定压力、一定温度的氢气通过，不容许金属氢化物从散落到格栅外。金属氢化物只在格栅中，格栅只容许管道内的氢气通过。
此外，还可以为做功系统设置保护罩28，具体的，保护罩28设有可燃气体报警器25和氢气加入口24。系统一旦有氢气泄露，就会被可燃气体报警器25监测到，以便停机检修，保证安全。保护罩28加装内保温或外保温或内外保温，设备加装外保温，管道加装内保温或外保温或内外保温。氢气加入口24可以用于向做功系统中补充系统补热氢气。
保护罩28设有温度调节器26，从而使整个系统允许从环境中取热，也允许向环境中散热，以满足换热时的热量匹配。
保护罩28内充填系统补热氢气，温度为42℃，因为发电机4对外做功，使系统温度不断降低，需要通过温度调节器26从环境取热，使高温高压换热循环温度保持恒定，系统补热氢气通过高压换热罐1传递热量进系统内。系统通过低压换热罐7从环境中直接吸收热量，把冷量传递给环境中需要冷量的设备。本实施例中，做功系统的循环做功过程会放出冷量，在低温换热罐7放出低温冷量，在温度调节器26放出高温冷量。
需要说明的是，除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体，例如二氧化碳作为循环换热介质。此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质，甚至可以用液氢本身作为换热介质。换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体或固体。
本申请实施例通过柯来浦循环实现循环做功。柯来浦循环表现为两种不同性质的金属氢化物，每种金属氢化物有两个工作状态点，金属氢化物a的最低放氢温度和最高吸氢温度限定工作范围，以上两个温度可以进行调整，从而工作范围可大可小，金属氢化物b的最高放氢温度和最低吸氢温度影响做功温差，金属氢化物b的放氢吸热状态点温度低于金属氢化物a的吸氢放热状态点的温度，金属氢化物b的放氢吸热状态点压力高于金属氢化物a的吸氢放热状态点的压力，金属氢化物b的吸氢放热状态点温度高于金属氢化物a的放氢吸热状态点的温度，金属氢化物b的吸氢放热状态点压力高于金属氢化物a的放氢吸热状态点的压力，也就是说金属氢化物a的最高温度比金属氢化物b的最高温度要高，而金属氢化物a的最高压力比金属氢化物b的最高压力要低，金属氢化物a的最低温度比金属氢化物b的最低温度要低，金属氢化物a的最低压力比金属氢化物b的最低压力要低，金属氢化物a的最高吸氢温度和金属氢化物b的最高放氢温度的温差可以等于也可以不等于金属氢化物a的最低放氢温度和金属氢化物b的最低吸氢温度的温差，本实施例是相同的，为80℃，在压比一定的情况下，该数值越大系统做出的功越大。膨胀做功时采用高温高焓值的氢气，增加做功能力，压缩耗功时采用低温低焓值的氢气，降低耗功，使系统净功最大化。低温情况下，膨胀做功时采用低温低焓值的氢气，增加做功能力，压缩耗功时采用更低温更低焓值的氢气，降低耗功，使系统净功最大化。系统有两个吸氢放热状态点和两个放氢吸热状态点，通过换热氢气的循环使金属氢化物a的高温吸氢放热用于金属氢化物b的高温放氢吸热使用，通过换热氢气的循环使金属氢化物b的低温吸氢放热用于金属氢化物a的低温放氢吸热使用，使吸放氢放出和吸收的热量两两保持相等或几乎相等。虽然金属氢化物a标定的状态点只有两个，金属氢化物b标定的状态点也只有两个，但是随着吸放氢状态点的不断变化，不断从一个状态点转换到另一个状态点，两两状态点之间不断转换，通过把两种金属氢化物纳入一个系统，从而就可以形成一个循环，每个状态点均可以自行恢复，并可以对系统外做功，系统内存在四个状态点不断循环，不断在系统内部换热，从而实现一个做功循环，金属氢化物a的高温状态下吸氢放热和金属氢化物b的高温状态下放氢吸热是一组，彼此之间进行高温交换热量，金属氢化物b的低温状态下吸氢放热和金属氢化物a的低温状态下放氢吸热是一组，彼此之间低温交换热量，以上实现对外做功的系统循环就定义为柯来浦循环的一种。如果环境低于42℃，利用本系统所发的电，通过热泵将系统补热氢气温度提升到42℃或以上。
柯来浦循环定义为至少两种金属氢化物，存在至少四个状态点，至少四个状态点的吸氢放热和放氢吸热在系统内通过循环换热介质保持或基本保持热量平衡，即某一状态点的吸氢放热的热量利用循环换热介质传给其他三个状态点中的放氢吸热过程。
至少存在的四个状态点中的放氢吸热状态不用或基本上不用向环境中吸热，而是将至少四个状态点中的吸氢放热的热量传递给至少四个状态点中的放氢吸热过程；
至少存在的四个状态点中的吸氢放热状态不用或基本上不用向环境中散热，而是将热量传递给存在的至少四个状态点中的放氢吸热过程，而存在的至少四个状态点中放氢吸热过程完全能够或几乎完全能够接收传递过来的热量。
至少四个状态点中的吸氢放热状态点可以将热量传递给放氢吸热状态点，以上热量基本上都是内部平衡，全部或绝大部分吸放热的热量平衡在系统内部完成，几乎不需要向环境中散热或从环境中吸热。
通过至少四个状态点形成的做功循环，能够使系统做功，做功的形式是利用氢气作为介质做功，至少四个状态点可以使氢气的温度-压力进行循环变化，从而形成做功循环，做功设备既可以是叶轮式回转机构也可以活塞式或其他形式。至少四个状态点通过做功循环，吸氢放热状态点和放氢吸热状态点都可以恢复成原来的状态点。允许系统向环境中释放低温冷量，从环境中吸热。
除了使用气态的氢气作为做功系统的循环换热介质以外，还可以使用其他气体作为循环换热介质。此外，还可以采用包括但不限于稳定的固体、液体的其他物质或液态有机氢化物，代替氢气作为做功系统的循环换热介质，甚至可以用液氢本身作为换热介质。换热方式既可以直接换热，也可以间壁换热，间壁换热的换热介质可以是气体、液体、固体或以上的混合物或两两混合物。
至少两种金属氢化物的P-T图（压力-温度图）的状态点连线既可以相交也可以不相交。作为典型例子，本发明实施例中，两种金属氢化物的P-T图如图2所示。容许上部高温高压的循环完成后短暂停顿一段时间例如2~10毫秒，再开始下部低温低压的循环，同样的容许下部低温低压的循环完成后短暂停顿一段时间例如2~10毫秒，再开始上部高温高压的循环。容许金属氢化物B装载在1号正反向可逆压缩/膨胀机2内部的叶轮、叶轮空隙、轴上，也容许金属氢化物B装载在1号正反向可逆压缩/膨胀机2的右边。同理容许金属氢化物A装载在2号正反向可逆压缩/膨胀机3内部的叶轮、叶轮空隙、轴上，也容许金属氢化物A装载在2号正反向可逆压缩/膨胀机3的右边。金属氢化物可以设置在正反向可逆压缩/膨胀机叶轮相连的沟槽内或蜗壳上，或与叶轮同轴安装但不接触，既可以跟叶轮同转速一起旋转，也可以固定在叶轮上，也可以不与叶轮接触，金属氢化物也可以装在格栅网状内，格栅仅允许氢气通过，不允许固体颗粒泄露，金属氢化物也可以是涂覆在叶片的涂层，变温器内的金属氢化物可以跟正反向可逆压缩/膨胀机中的金属氢化物合在一起共同放置在正反向可逆压缩/膨胀机内。
实施例2：
本实施例提供的做功系统如图3所示，与实施例1类似，不同的是低压换热罐7与外来氢气进行换热，冷却外来氢气制成液氢送至液氢罐30作为产品。
本实施例包括高压换热罐1、1号正反向可逆压缩/膨胀机2、2号正反向可逆压缩/膨胀机3、1号变温器9、2号变温器10、低压换热罐7、发电机4、冷却器29和液氢罐30。
具体的，1号正反向可逆压缩/膨胀机2设有1号膨胀入口13、1号膨胀出口14、1号压缩入口15和1号压缩出口16。2号正反向可逆压缩/膨胀机3设有2号膨胀入口13’、2号膨胀出口14’、2号压缩入口15’和2号压缩出口16’。1号变温器9和2号变温器10上分别设有吸氢入口、吸氢出口、放氢入口和放氢出口。
高压换热罐1的出口通过阀门8连接到1号变温器9的吸氢入口，1号变温器9的吸氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号膨胀入口13，1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号膨胀出口14通过阀门连接到2号变温器10的放氢入口，2号变温器10的放氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号压缩入口15’，2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号压缩出口16’通过阀门8连接到高压换热罐1的入口。
低压换热罐7的出口通过阀门连接到2号变温器10的吸氢入口，2号变温器10的吸氢出口连接到2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号膨胀入口13’，2号正反向可逆压缩/膨胀机3的2号膨胀出口14’通过和阀门8连接到1号变温器9的放氢入口，1号变温器9的放氢出口连接到1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号压缩入口15，1号正反向可逆压缩/膨胀机2的1号压缩出口16通过阀门连接到低压换热罐7的入口。进入低压换热罐7的氢气与外来氢气通过冷却器29进行换热，冷却外来氢气，从而将外来氢气制成液氢送至液氢罐30作为产品。
1号正反向可逆压缩/膨胀机2、2号正反向可逆压缩/膨胀机3与发电机4通过功率输出轴同轴连接。在一具体实施方式中，利用1号正反向可逆压缩/膨胀机2或2号正反向可逆压缩/膨胀机3做功输出的动能带动发电机4进行发电，发电机4电路连接到外部电网或蓄电池向外供电。
当使用气态的氢气作为图3所示的做功系统中的循环换热介质时，可以在1号变温器9中设置B金属储氢材料反应床层5，其中的B金属储氢材料为钛系金属储氢材料，例如以TiCrMn5为主的金属氢化物。在2号变温器10中设置A金属储氢材料反应床层6，其中的A金属储氢材料为稀土系金属储氢材料，例如以La2Al2V为主的金属氢化物。钛系金属储氢材料组成的B金属储氢材料在120℃、1MPa下吸氢放热，在-260℃、0.004MPa下放氢吸热（该金属在-262℃、0.004MPa下也能进行放氢吸热）。稀土系金属储氢材料组成的A金属储氢材料在20℃、2.0MPa下放氢吸热，在-160℃、0.002MPa下吸氢放热，四个状态点如图4所示。
1号正反向可逆压缩/膨胀机2在进气气流正向流动时，能完成气体膨胀做功过程；在进气气流反向流动时，能完成气体压缩过程。相反的，2号正反向可逆压缩/膨胀机3在进气气流正向流动时，能完成气体压缩过程；在进气气流反向流动时，能完成气体膨胀做功过程。1号正反向可逆压缩/膨胀机2和2号正反向可逆压缩/膨胀机3交替进行膨胀和压缩过程。
对于图3所示的做功系统，该做功系统工作时按时序分为正向流动循环和反向流动循环。在正向流动循环时，通过阀门8组成的阀门组的切换，高压氢气先从高压换热罐1进入1号变温器9，1号变温器9中的B金属储氢材料进行吸氢放出大量热量将未吸收的氢气升高到一定温度后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2中进行膨胀做功；膨胀做功后的氢气进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量使氢气降低到一定温度后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3进行压缩，压缩后的氢气送回到高压换热罐1中。
在反向流动循环时，通过阀门8组成的阀门组的切换，低压氢气先从低压换热罐7进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料进行吸氢放出大量热量将未吸收的氢气升高到一定温度后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3中膨胀做功；膨胀做功后的氢气进入1号变温器9，1号变温器9中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量使氢气降低到一定温度后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2进行压缩，压缩后的氢气送回到低压换热罐7。
本实施例中，做功系统工作时正向流动循环的具体过程为：通过阀门8组成的阀门组的切换，高压换热罐1出口处2.0MPa，39.25℃的高压氢气先进入1号变温器9，1号变温器9中的B金属储氢材料吸收部分氢气放出大量热量将未吸收的氢气温度升高到120℃后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2中膨胀做功，1号正反向可逆压缩/膨胀机2出口处的氢气压力为1MPa，氢气温度为48.9℃。然后48.9℃、1MPa的氢气进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料进行放氢吸收大量热量使氢气温度降低到-33.0℃后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3进行压缩，2号正反向可逆压缩/膨胀机3出口处的氢气压力为2.0MPa，温度为20℃。20℃、2.0MPa的氢气返回高压换热罐1的入口，形成闭路循环。返回高压换热罐1的氢气可以通过向外界换热，将温度升温至39.35℃。
A金属储氢材料在超出图4限定的温度和压力范围后，依然具有吸放氢的能力。因此，在48.9℃的温度状态下A金属储氢材料能够放氢吸热。
本实施例中，做功系统工作时反向流动循环的具体过程为：通过阀门8组成的阀门组的切换，低压换热罐7出口处0.004MPa，-240℃的低压氢气先进入2号变温器10，2号变温器10中的A金属储氢材料吸收部分氢气放出大量热量将未吸收的氢气温度升高到-160℃后，再送入2号正反向可逆压缩/膨胀机3中膨胀做功，2号正反向可逆压缩/膨胀机3出口处的氢气压力为0.002MPa，温度为-180.5℃。然后-180.5℃、0.002MPa的氢气进入1号变温器9，1号变温器9中的B金属储氢材料进行放氢吸收大量热量使氢气温度降低到-262.4℃后，再送入1号正反向可逆压缩/膨胀机2进行压缩，1号正反向可逆压缩/膨胀机2出口处的氢气压力为0.004MPa，温度为-260℃。-260℃、0.004MPa的氢气返回低压换热罐7的入口，形成闭路循环。返回低压换热罐7的-260℃、0.004MPa的氢气可以在冷却器29中，与外来氢气进行换热，将外来0.1MPa氢气冷却至液氢，液氢送往液氢罐30作为产品。低压换热罐7中-260℃的氢气经过低温换热，温度升温至-240℃。
B金属储氢材料在超出图4限定的温度和压力范围后，依然具有吸放氢的能力。因此，在-180.5℃的温度状态下B金属储氢材料能够放氢吸热。
需要说明的是，本实施例中的换热介质始终为气态的氢气，即使是低压换热罐7中-260℃、0.004MPa的氢气依然为气态。图5和图6示出了在氢气的临界温度-239.97℃（33.19K）以下时，氢气的气液相图。如图5所示当氢气温度为-260℃时，通过调节氢气的压力，可以控制氢气的气液状态。对照图6可知，氢气在-260℃、0.004MPa的温度-压力条件下为气态。
此外，本申请实施例还提出了金属氢化物的吸放氢的动力学性能概念。具体的，金属氢化物的动力性是最高温度、最低温度、运行频率及温差的函数，还与金属氢化物本身的性质有关。
本实施例中，两个变温器中金属储氢材料吸收/放出氢气的流量为0.064kg/s，循环换热氢气流量为1.058kg/s，系统平均输出功为125kw（包括换热氢气和做功氢气的做功输出加和）。本实施例提供的做工系统大约每600ms进行一次正反向流动切换，运行频率每分钟100次，冗余当量为25倍（1倍冗余当量是指金属储氢材料在整个一个完整工序循环内单次吸氢饱和时的所需最少金属储氢材料的量），每个变温器中的金属储氢材料的量为35.1L。金属氢化物平均粒径500nm。在每个变温器进出口设置格栅装置，格栅装置仅允许氢气通过，不允许金属氢化物颗粒从格栅内泄露。
系统设有保护罩28，保护罩28设有可燃气体报警器25和氢气加入口24。系统一旦有氢气泄露，就会被可燃气体报警器25监测到，以便停机检修，保证安全。保护罩28加装内保温或外保温或内外保温，设备加装外保温，管道加装内保温或外保温或内外保温。
保护罩28设有温度调节器26，从而使整个系统允许从环境中取热，也允许向环境中散热，以满足换热时的热量匹配。
保护罩28内充填系统补热氢气，温度为22℃，因为发电机4对外做功，使系统补热氢气温度不断降低，需要通过温度调节器26从环境温度取热，使高温高压换热循环温度保持恒定，系统补热氢气的热量通过高压换热罐1传递进系统内。系统通过低压换热罐7向环境输送冷量，把冷量传递给环境中需要冷量的设备。具体的，可以在低压换热罐7上加装冷却器29，并在保护罩28上设置氢气进口31和液氢出口32，同时在保护罩28内增设液氢罐30。设置在保护罩28上的氢气进口31通过氢气管路与冷却器29的入口连接，用以将外来氢气输送入冷却器29中，实现外来氢气与低压换热罐7之间的低温换热，从而使外来氢气在-260℃的低温下液化为液氢。冷却器29通过液氢管路与设置在保护罩28上的液氢出口32相连接，用以将液氢产品输出保护罩28。
管道进出口严格密封，只容许一定压力、一定温度的氢气通过，不容许金属氢化物从散落到格栅外。金属氢化物只在格栅中，格栅只容许管道内的氢气通过。
用本实施例的方法，可以使空气中的氮气、氧气、氩气、氦气和二氧化碳气体分离液化。
实施例3：
本发明提供的液体换热介质做功系统结构如图7所示，包括两组金属储氢材料反应床A和B，系统内至少有两组氢反应床，氢反应床A1、A2和B1、B2，A1和A2金属氢化物相同，B1和B2金属氢化物相同，交替进行吸/放氢操作。利用不同的金属储氢材料自身吸/放氢压力受温度影响变化特性的差异，让两组不同的金属储氢材料在温度接近的条件下，其中一组放氢压力与另一组吸氢压力之间存在压差，从而可以利用压差通过氢气膨胀机进行做功产生电力。
金属储氢材料反应床A装载的金属氢化物在10℃，0.5MPa下进行放氢，在-259℃，0.005MPa下进行吸氢；金属储氢材料反应床B装载的金属氢化物在19℃，0.2MPa下吸收氢气，在-250℃，0.002MPa下放氢。图8示出了金属储氢材料反应床A和金属储氢材料反应床B上装载的金属氢化物的温度-压力状态点。
氢反应床A和氢反应床B均设有放氢出口和吸氢入口。氢反应床A1的放氢出口连接到高压膨胀机11的入口，高压膨胀机11的出口连接到氢反应床B1的吸氢入口。氢反应床B1的放氢出口连接到低压膨胀机12的入口，低压膨胀机12的出口连接到冷却器29的管程入口，冷却器29的管程出口连接到氢反应床A1的吸氢入口。为保证高压膨胀机11和低压膨胀机12的连续运转，还设有氢反应床A2和氢反应床B2，同样氢反应床A2的放氢出口连接到高压膨胀机11的入口，高压膨胀机11的出口连接到氢反应床B2的吸氢入口。氢反应床B2的放氢出口连接到低压膨胀机12的入口，低压膨胀机12的出口连接到冷却器29的管程入口，冷却器29的管程出口连接到氢反应床A1的吸氢入口。常压的空气和外来氢气分别从冷却器29的壳程入口进，冷却的液氢从冷却器29的壳程液氢出口出，进入液氢储罐30作为产品，冷却的液氮、液氧从冷却器29的壳程液化空气出口出，进入液氧、液氮分离制备系统36，分离后的液氮和液氧分别进入液氮罐37和液氧罐38作为产品。
本实施例中，金属储氢材料吸收/放出氢气的流量为0.064kg/s，循环换热介质为液氢，系统平均输出功为27.5kw，正向流动 50ms反向流动,50ms切换一次，运行频率每分钟600次，冗余当量为25倍（1倍冗余当量是指金属储氢材料在整个一个完整工序循环内单次吸氢饱和时的所需最少金属储氢材料的量），每个氢反应床中的金属储氢材料的量为5.85L。金属氢化物平均粒径500nm。在每个变温器进出口设置格栅装置，格栅装置仅允许氢气通过，不允许金属氢化物颗粒从格栅内泄露。
此外，还可以为系统设置保护罩28，保护罩28设有可燃气体报警器25和氢气加入口24。系统一旦有氢气泄露，就会被可燃气体报警器25监测到，以便停机检修，保证安全。保护罩28加装内保温或外保温或内外保温，设备加装外保温，管道加装内保温或外保温或内外保温。
保护罩28设有温度调节器26，从而使整个系统允许从环境中取热，也允许向环境中散热，以满足换热时的热量匹配。
为了使做功系统实现液氢、液氮及液氧的生产，还可以在保护罩28上设置氢气进口31和空气进口33，用以向冷却器29输入外部氢气和空气作为生产液氢、液氮及液氧的原料。
此外，为了使做功系统生产的液氢、液氮及液氧输出保护罩28，还可以在保护罩28上设置液氢出口32、液氧出口34和液氮出口35，液氢出口32、液氧出口34和液氮出口35分别与液氢罐30、液氧罐38和液氮罐37连通。
具体工作流程为：
如图7所示，当氢反应床A1和氢反应床B1连通高压膨胀机11进行高压膨胀循环时，氢反应床A2和氢反应床B2连通低压膨胀机12进行低压膨胀循环；下一个时序，当氢反应床A1和氢反应床B1切换连通低压膨胀机12进行低压膨胀循环时，氢反应床A2和氢反应床B2相应地切换连通高压膨胀机11进行高压膨胀循环；两组交替循环进行。
氢反应床A1和氢反应床B1在进行高压膨胀循环时，见状态图8，其具体过程为：氢反应床A1在10℃，0.5MPa下进行放氢，放出的氢气进入高压膨胀机11膨胀做功，高压膨胀机11的出口氢气-55.7℃，0.2MPa进入空气换热器，与环境换热，升温到19℃，进入氢反应床B1在0.2MPa，19℃下吸收氢气，同时氢反应床B1吸氢时放出的热量通过1号液体换热介质循环泵17传递给氢反应床A1吸氢使用。此时氢反应床A2和氢反应床B2在相应地进行低压膨胀循环，其具体过程为：氢反应床B2在0.005MPa，-259℃下放氢，放出的氢气进入低压膨胀机12膨胀做功发电，低压膨胀机12出口的氢气-262.3℃，0.002MPa进入冷却器29的管程入口，与空气和外来氢气进行换热，升温到-250℃，然后从冷却器29的管程出口进入氢反应床A2再进行吸氢，氢反应床A2在-250℃，0.002MPa下进行吸氢，同时氢反应床A2吸氢时放出的热量通过2号液体换热介质循环泵18传递给氢反应床B2放氢使用。
氢反应床A1和氢反应床B1在进行低压膨胀循环时，其具体过程为：氢反应床B1在0.005MPa，-259℃下放氢，放出的氢气进入低压膨胀机12膨胀做功发电，低压膨胀机12出口的氢气-262.3℃，0.002MPa进入冷却器29的管程入口，与空气和外来氢气进行换热，升温到-250℃，然后从冷却器29的管程出口进入氢反应床A2再进行吸氢，氢反应床A1在-250℃，0.002MPa下进行吸氢，同时氢反应床A1吸氢时放出的热量通过2号液体换热介质循环泵18传递给氢反应床B1放氢使用。此时氢反应床A2和氢反应床B2在相应地进行高压膨胀循环，其具体过程为：氢反应床A2在10℃，0.5MPa下进行放氢，放出的氢气进入高压膨胀机11膨胀做功，高压膨胀机11的出口氢气-55.7℃，0.2MPa进入空气换热器，与环境换热，升温到19℃，进入氢反应床B2在0.2MPa，19℃下吸收氢气，同时氢反应床B2吸氢时放出的热量通过1号液体换热介质循环泵17传递给氢反应床A2吸氢使用。通过以上循环往复，高压膨胀机11和低压膨胀机12连续做功。氢反应床A1和氢反应床B1在进行低压膨胀循环时，氢反应床A2和氢反应床B2进行高压膨胀循环，氢反应床A1和氢反应床B1在进行高压膨胀循环时，氢反应床A2和氢反应床B2在进行低压膨胀循环。高低压膨胀循环交替进行，高低压膨胀机连续运转。
各氢反应床氢气出口设置过滤膜23，只容许氢气通过不容许液氢通过。各氢反应床液氢出口设置气液分离器27，只容许液氢通过不容许氢气通过。
本实施例采用的高低温换热介质均为液氢，高温换热介质工作在10~19℃区间，低温换热介质工作在-250~-259℃区间。由于换热介质的循环过程具有很高的频率，大约每分钟需要进行600次以上切换，因此换热介质在10~19℃的高温工作区间的停留时间非常短暂，从而使换热介质来不及汽化就进入-250~-259℃的低温工作区间。通过换热介质的高频快速切换，能够使本实施例在使用液氢作为换热介质的情况下，始终保持液态而不气化，或者有很少的汽化。液氢罐30中存储的液氢可为换热介质提供液氢消耗补充。
本申请实施例还提出了重心温度的概念。具体的，重心温度可以用于识别处于温度循环转化过程中的换热物质的气液状态。重心温度是在温度循环转化全区间内使用的参数，是温差的函数，还与换热物质的温度转换频率及换热物质本身的性质有关。重心温度是温度循环变化区间内的一点，往往重心温度能够决定换热介质在温度循环转化过程中的气液状态。重心温度与换热物质在温度循环变化区间中各个温度点的停留时间有关。在确定的温度循环变化区间内，换热物质在其重心温度的停留时间最长。
在本实施例中，作为换热物质的液氢的温度循环变化区间为19~-259℃，当温度转换频率为每分钟进行600次温度循环时，换热物质液氢的重心温度约为-253℃，其重心温度决定了液氢在19~-259℃及每分钟600次温度循环过程中，能够始终处于液态而不汽化或少量汽化。
此外，在实际应用中还需要在保护罩28内充填系统补热氢气，温度为22℃。因为发电机4对外做功，使系统补热氢气温度不断降低，需要通过温度调节器26从环境温度取热，使高温高压换热循环温度保持恒定，系统补热氢气通过内置换热器传递进系统内。系统通过外置换热器从环境中直接吸收热量，把冷量传递给环境中需要冷量的设备。系统补热氢气包括但不限于氢气以外的其他气体或液体或固体，或以上两两混合物，或三项混合物。
实施例4：
本实施例提供的液体换热介质做功系统结构如图9所示，与实施例3类似，不同之处在于：一、液体换热介质由液氢改为丁烷。二、金属储氢材料反应床A装载的金属氢化物，如状态点图10，在10℃，0.5MPa下进行放氢，在-209℃，0.03MPa下进行吸氢；金属储氢材料反应床B装载的金属氢化物在19℃，0.2MPa下吸收氢气，在-200℃，0.012MPa下放氢，具体的温度-压力状态点如图10所示。三、从冷却器29壳程进口进入的只有空气，空气被冷凝后从冷却器29的壳程液体空气出口进入液氮、液氧分离制备系统36，分离后液氮进入液氮罐37作为产品，液氧进入液氧罐38作为产品。
具体工作流程为：
如图9所示，当氢反应床A1和氢反应床B1连通高压膨胀机11进行高压膨胀循环时，氢反应床A2和氢反应床B2连通低压膨胀机12进行低压膨胀循环.下一个时序，当氢反应床A1和氢反应床B1切换连通低压膨胀机12进行低压膨胀循环时，氢反应床A2和氢反应床B2相应地切换连通高压膨胀机11进行高压膨胀循环；两组交替循环进行。
氢反应床A1和氢反应床B1在进行高压膨胀循环时，其具体过程为：氢反应床A1在10℃，0.5MPa下进行放氢，放出的氢气进入高压膨胀机11膨胀做功，高压膨胀机11的出口氢气-55.7℃，0.2MPa，进入内置换热器，与环境换热，升温到19℃，进入氢反应床B1在0.2MPa，19℃下吸收氢气，同时氢反应床B1吸氢时放出的热量通过1号液体换热介质循环泵17传递给氢反应床A1吸氢使用。此时氢反应床A2和氢反应床B2在相应地进行低压膨胀循环，其具体过程为：氢反应床B2在0.03MPa，-209℃下放氢，放出的氢气进入低压膨胀机12膨胀做功发电，低压膨胀机12出口的氢气-223.9℃，0.012MPa，进入冷却器29的管程入口，与空气进行换热，升温到-200℃，然后从冷却器29的管程出口进入氢反应床A2再进行吸氢，氢反应床A2在-200℃，0.012MPa下进行吸氢，同时氢反应床A2吸氢时放出的热量通过2号液体换热介质循环泵18传递给氢反应床B2放氢使用。
氢反应床A1和氢反应床B1在进行低压膨胀循环时，其具体过程为：氢反应床B1在0.03MPa，-209℃下放氢，放出的氢气进入低压膨胀机12膨胀做功发电，低压膨胀机12出口的氢气-223.9℃，0.012MPa，进入冷却器29的管程入口，与空气进行换热，升温到-200℃，然后从冷却器29的管程出口进入氢反应床A1再进行吸氢，氢反应床A1在-200℃，0.012MPa下进行吸氢，同时氢反应床A1吸氢时放出的热量通过2号液体换热介质循环泵18传递给氢反应床B1放氢使用。此时氢反应床A2和氢反应床B2在相应地进行高压膨胀循环，其具体过程为：氢反应床A2在10℃，0.5MPa下进行放氢，放出的氢气进入高压膨胀机11膨胀做功，高压膨胀机11的出口氢气-55.7℃，0.2MPa进入内置换热器，与环境换热，升温到19℃，进入氢反应床B2在0.2MPa，19℃下吸收氢气，同时氢反应床B2吸氢时放出的热量通过1号液体换热介质循环泵17传递给氢反应床A2吸氢使用。通过以上循环往复，高压膨胀机11和低压膨胀机12连续做功。
氢反应床A1和氢反应床B1在进行低压膨胀循环时，氢反应床A2和氢反应床B2进行高压膨胀循环，氢反应床A1和氢反应床B1在进行高压膨胀循环时，氢反应床A2和氢反应床B2在进行低压膨胀循环。高低压膨胀循环交替进行，高低压膨胀机连续运转。
本实施例高低温换热介质均为液态正丁烷，高温换热介质工作在10~19℃区间，低温换热介质工作在-200~-209℃区间。由于换热介质的循环过程具有很高的频率，大约每分钟需要进行200次以上切换，因此换热介质在10~19℃的高温工作区间的停留时间非常短暂，从而使换热介质来不及汽化就进入-200~-209℃的低温工作区间。通过换热介质的高频快速切换，能够使本实施例在使用的液态正丁烷作为换热介质的情况下，始终保持液态不气化页不成为固态。重心温度为-50℃。
各氢反应床氢气出口设置过滤膜23，只容许氢气通过不容许正丁烷通过。各氢反应床液体出口设置气液分离器27，只容许正丁烷通过不容许氢气通过。
本实施例中，金属储氢材料吸收/放出氢气的流量为0.064kg/s，循环换热为液态正丁烷，系统平均输出功为62kw，正向流动300ms反向流动300ms切换一次，运行频率每分钟200次，冗余当量为25倍（1倍冗余当量是指金属储氢材料在整个一个完整工序循环内单次吸氢饱和时的所需最少金属储氢材料的量），每个氢反应床中的金属储氢材料的量为17.6L。金属氢化物平均粒径500nm。在每个变温器进出口设置格栅装置，格栅装置仅允许氢气通过，不允许金属氢化物颗粒从格栅内泄露。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
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