第31卷第6期華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)VoL31. No 62004年l1月Journal of North China Electric Power UniversityNov,2004廢熱驅(qū)動(dòng)金屬氫化物熱變換器的性能分析肖躍雷,傅秦生,張?jiān)缧?張計(jì)鵬(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西西安710049)摘要:以LaNⅰ4.5Al.5/LaNi5為金屬氫化物熱變換器的工質(zhì)對(duì),建立了考慮反應(yīng)器相對(duì)質(zhì)量和比熱容、熱回收率等因素的金屬氬化物熱變換器能量分析和烱分析模型,分析了熱源溫度、反應(yīng)器相對(duì)質(zhì)量和比熱容熱回收率以及氬氣的轉(zhuǎn)化率對(duì)系統(tǒng)性能的影響,并提岀了相應(yīng)的改進(jìn)措施,從而提高了金屬氫化物熱變換器的性能關(guān)健詞:金屬氬化物;熱變換器;嫻分析中圖分類號(hào):TK123文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-2691(2004)06-0047-04Performance analysis of a metal-hydride heat transformer driven by waste heatXIAO Yue-ei, FU Qin-sheng, ZHANG Zao-Xiao, ZHANG Ji-peng(School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)Abstract: The energy-analysis and its model are established for a metal-hydride heat transformerLaNi45A105/ Lani5 as working media, in which the relative mass and specific heat capacity of reactorsefficiency of sensible-heat recovery etc. are considered. The effects of heat source temperature, the relative massand specific heat capacity of reactors, the efficiency of sensible-heat recovery and the ratio of hydrogen transfer onsystem s performance are investigated. Some measures are proposed for improving the performance of metalhydride heat transformerKey words: metal hydride; heat transformer; exergy analysis上,本文建立了金屬氫化物熱變換器的能量分析和引言爛分析模型,分析了熱源溫度、反應(yīng)器的比熱容和相對(duì)質(zhì)量、氫氣的轉(zhuǎn)化率以及熱回收率對(duì)系統(tǒng)性能熱泵(熱變換器〕技術(shù)作為一種重要的節(jié)能技的影響,并提出了提高系統(tǒng)性能的措施術(shù)在廢熱回收上起著重要的作用。熱泵的形式有多種多樣,其中金屬氫化物熱泵(氫工質(zhì)化學(xué)熱泵)1金屬氫化物熱變換器的工作原理有著溫度范圍廣、無機(jī)動(dòng)部件等眾多優(yōu)點(diǎn)",因而受到了國內(nèi)外研究開發(fā)的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[2]在金屬氫化物熱變換器是以氫氣作為工作工質(zhì)建立的工質(zhì)對(duì)LaN4.77A0.23/LaN5熱泵系統(tǒng)的以貯氫材料作為能量轉(zhuǎn)換材料,由同溫度下分解壓性能模型的基礎(chǔ)上,提出利用反應(yīng)器之間的熱量回不同的兩種貯氫合金M和M組成的熱力學(xué)循環(huán)系收方法來提高性能系數(shù)COP。文獻(xiàn)[3]提出了熱統(tǒng)。利用它們的平衡氫壓差來驅(qū)動(dòng)氫氣流動(dòng),使兩源溫度,氫氣的轉(zhuǎn)化率以及反應(yīng)器的比熱容、相對(duì)種氫化物分別處于吸氫(放熱)和放氫(吸熱)狀質(zhì)量對(duì)性能系數(shù)COP的影響。在以上研究的基礎(chǔ)態(tài),中國煤化工化物熱變換器的CNMHG收稿日期:200408-01基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50276052)作者簡介:肖躍雷(1979-),男,西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院碩土研究生華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)2004年工作原理如圖1所示。MQM=a△H2aMHM00mx7n-x)1-9。(3)dap.bydy(1)~(3)式中cnh為高溫側(cè)氫化物的比定壓熱容;m為反應(yīng)器的相對(duì)質(zhì)量(對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的最大工作氫容量為1mol的情況);c,為反應(yīng)器的比定壓熱容為熱回收率;ΔH為高溫側(cè)中溫?zé)嵩刺庉斎氲慕馕鼰?ΔH為高溫側(cè)高溫?zé)嵩刺幏懦龅奈諢釡囟圈低溫側(cè)中溫?zé)嵩刺庉斎氲慕馕鼰?Md為高圖1金屬氫化物熱變換器的工作原理溫側(cè)氫化物的摩爾質(zhì)量。氫化物和合金的比定壓熱容可利用 Nenumann-Kopp, Dulong-Pett法則求得為了連續(xù)獲得高溫?zé)?組成熱變換器時(shí)采用2根據(jù)能量平衡可求得實(shí)際循環(huán)的COP值對(duì)以上的貯氫合金切換對(duì),并使每切換對(duì)循環(huán)錯(cuò)開由各切換對(duì)交替獲得高溫?zé)帷＠?對(duì)貯氫合金切COP=Qn/(QM+Q)。換對(duì)構(gòu)成的金屬氫化物熱變換器原理圖如圖2所示金屬氫化物熱變換器的理論COP值為COPhup.ma =TH(TM-TL)/TM(TH-TM)].(5)若對(duì)整個(gè)循環(huán)過程采用黑箱模型,則熱變換器的煙效率為TH(OMI+OM假設(shè)T,TM和T為恒溫?zé)嵩?循環(huán)的娚分析灰箱模型如圖3所示,則循環(huán)內(nèi)部各個(gè)過程的嫻損失為A:高溫(T)熱源B:中溫《)熱源C:低溫(T)熱源D:反應(yīng)器間的換熱(1)T→T的預(yù)熱過程圖2金屬氫化物熱變換器的原理圖(TH-TM(T. To2金屬氫化物熱變換器的能量和嫻分析式中7m取7和7的算術(shù)平均溫度忽略氫氣所攜帶的熱能,設(shè)循環(huán)的最大工作氫容量為1mol,在反應(yīng)器A和B中分別存放M和M,則這兩種氫化物的摩爾數(shù)分別為mM和化學(xué)HM,[HMx和HM分別為兩種氫化物E|反應(yīng)系統(tǒng)的吸氫量,表示每摩爾氫化物的氫原子數(shù)。令a為EC|EuE細(xì)氫氣的轉(zhuǎn)化率,同時(shí)假設(shè)4個(gè)反應(yīng)器的質(zhì)量和比熱容都相等,則系統(tǒng)向T高溫?zé)嵩摧敵龅母邷責(zé)釣镼=a△Hn(BM,150b+圖3熱變換器的斕分析的灰箱模型2(1-aMhm+mc|(Tn-T)(1-。(1)中國煤化工T中溫?zé)嵩聪蛳到y(tǒng)輸入的廢熱分別為CNMHG-p,Qw1=a△H"+HH/M hi(TM-T)(1M0m(rn-rX1-=9.(2)第6期肖躍雷等:廢熱驅(qū)動(dòng)金屬氫化物熱變換器的性能分析(3)化學(xué)反應(yīng)過程的姐損失比較大,這部分嫻損失以目前的技術(shù)還無法根據(jù)圖3中化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的嫻平衡關(guān)系,則其使之減少,預(yù)熱、預(yù)冷過程的損失也占一定的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)平衡方程式為比例,可以通過減小傳熱溫差來減少過程的損失。EHae+Ex)+EM-Ehd=a(△H-T0△S)+E,3,(8)在不考慮熱回收率并設(shè)氫氣的轉(zhuǎn)化率a=1的前提下,若考慮熱源溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響,則在低溫式中E如,EN,E和E如分別為高溫端輸出熱源溫度7為303K的條件下,取用滿足溫度范圍吸收熱嫻,低溫端輸入的解吸熱嫻,高溫端輸入的的高溫?zé)嵩礈囟?和中溫?zé)嵩礈囟?計(jì)算可得圖4和解吸熱和低溫端輸出的吸收熱。圖5所示結(jié)果。若考慮反應(yīng)器的質(zhì)量和比熱容對(duì)系(4)Tw→T的預(yù)冷過程統(tǒng)性能的影響,則通過計(jì)算可得圖6和圖7所示結(jié)果。zaMbIaE+{HMJ1000H/My1000(-x1-(-(5)TH→TM的預(yù)冷過程(Tn-TM)(1-4)(10)根據(jù)上述公式,可求得金屬氫化物熱變換器在定操作溫度下的理論和實(shí)際COP值、嫻效率和循環(huán)各個(gè)過程的損失。依據(jù)金屬氫化物熱變換器的COP值和效率,可得出熱源溫度、反應(yīng)器的圖4熱源溫度對(duì)COP值的影響相對(duì)質(zhì)量和比熱容、氫氣的轉(zhuǎn)化率以及熱回收率對(duì)系統(tǒng)性能的影響。3計(jì)算實(shí)例對(duì)以LaNi4 sAlos/ lani為工質(zhì)對(duì)的金屬氫化物熱變換器進(jìn)行分析計(jì)算。前者為高溫端合金,標(biāo)準(zhǔn)焓變和熵變H2為20.5kJ/mol和69,6J/(Kmol),吸氫量[HMyd]=4.0:后者為低溫端合金,標(biāo)準(zhǔn)焓變和熵變?yōu)?0.1kJ/(molH2)和105.1J/( K. molD2),吸氫量H/Myd]=4.5。取操作溫度TH,Tw,T分別為圖5熱源溫度對(duì)斕效率的影響423K,353K,303K,設(shè)最大工作氫容量為1mol以及反應(yīng)器的質(zhì)量為0.1kg,反應(yīng)器的比定壓熱容為0.46J/(gK)。不考慮熱回收率,并設(shè)氫氣的轉(zhuǎn)-. COP化率a=1,經(jīng)計(jì)算可得該熱變換器的COP值和效0率以及各個(gè)過程的損失如表1所示。表1金屬氫化物熱變換器的計(jì)算結(jié)果中國煤化工COPbasma COPhup E,ll E,1: EL3 E,A Ers ECNMHG25 0300.8560.2620.54904540.9380.4300.7833.1540.498表1中,熱變換器的實(shí)際COP值較小,有待于進(jìn)一步提高。在循環(huán)的內(nèi)部嫻損失中,化學(xué)反應(yīng)過程圖6反應(yīng)器的相對(duì)質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)2004年示。從圖8和圖9可知,采用熱回收可使系統(tǒng)的性能得到較大的改善,提高氫氣的轉(zhuǎn)化率也能較大地改善系統(tǒng)的性能4結(jié)論(1)金屬氫化物熱變換器的內(nèi)部損失有溫差傳熱姐損失和化學(xué)反應(yīng)嫻損失,化學(xué)反應(yīng)嫻損失所C/(g-K-)占比例較大,可通過調(diào)節(jié)溫度或選用合適的合金對(duì)圖7反應(yīng)器的比熱容對(duì)系統(tǒng)性能的影響來減少這部分損失,溫差傳熱嫻損失也占有一定從圖4和圖5可以看出:高溫?zé)嵩礈囟群椭袦氐谋壤?可通過減小傳熱溫差來減少嫻損失。熱源溫度較小的交叉區(qū)域的COP值和效率比較(2)適當(dāng)降低高溫?zé)嵩礈囟群椭袦責(zé)嵩礈囟?大,所以適當(dāng)?shù)亟档透邷責(zé)嵩礈囟群椭袦責(zé)嵩礈囟仁箖烧叩慕徊纥c(diǎn)在較高值區(qū)域,可在一定程度上改可以改善熱變換器的性能。善系統(tǒng)的性能。從圖6和圖7可看出,反應(yīng)器的質(zhì)量和比熱容(3)在其他條件不變的情況下,選用相對(duì)質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)性能影響比較大,選用相對(duì)質(zhì)量和比熱容小和比熱容小的材料做反應(yīng)器、采用熱回收以及提高的材料做反應(yīng)器的材料能有效地提高系統(tǒng)的性能。氫氣轉(zhuǎn)化率都能有效地提高系統(tǒng)的性能。根據(jù)文獻(xiàn)[8],氫氣轉(zhuǎn)化率和熱回收率是影響參考文獻(xiàn)系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要因素。本文考慮了熱回收率和氫氣轉(zhuǎn)化率對(duì)系統(tǒng)性能的影響,在操作溫度不變的l]胡子龍儲(chǔ)氫材料[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002情況下計(jì)算了系統(tǒng)的COP和嫻效率,其結(jié)果如圖[2] Nishizaki T,, Miyamoto K, Yoshida K. Less-Common(氫氣的轉(zhuǎn)化率為1.0)、圖9(不采用熱回收)所Metals,1983,89:550-559[3] Da WeSun. Thermodynamic Analysis of the Operation ofCOPTwo-stage Metal-Hydride Heat Pump [J]. Applied Energy,1996,54(1):29-47[4]王榮明.儲(chǔ)氫材料及載能系統(tǒng)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,19985] Nakagawa T, Inomataalysisof heat and mass transfer characteristics in the metal hydridebed [J]. Intermational Journal of Hydrogen Energy, 2000, 25[6] Kang B H, Yabe A. Performance analysis of a Metal-hydride熱回收率heat transformer for waste heat recovery [J]. Applied Ther圖8熱回收率對(duì)系統(tǒng)性能的影響mal Engineering, 1996, 16(8): 677-690]楊平輝,曾令平.苯加氫合成環(huán)已烷系統(tǒng)有效能分析門18 Da WeSun. Thermodynamic analysis of the operation of two-stage metal-hydride heat pump []. Applied Energy, 1996,54:29-340.3-(賁任編輯:馬坤英)中國煤化工CNMHG氫氣的轉(zhuǎn)化率圖9氫氣的轉(zhuǎn)化率對(duì)系統(tǒng)性能的影響