廢熱驅動(dòng)金屬氫化物熱變換器的性能分析

第31卷第6期華北電力大學(xué)學(xué)報VoL31. No 62004年l1月Journal of North China Electric Power UniversityNov,2004廢熱驅動(dòng)金屬氫化物熱變換器的性能分析肖躍雷,傅秦生,張早校,張計鵬(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L(fǎng)aNⅰ4.5Al.5/LaNi5為金屬氫化物熱變換器的工質(zhì)對,建立了考慮反應器相對質(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、反應器相對質(zhì)量和比熱容熱回收率以及氬氣的轉化率對系統性能的影響,并提岀了相應的改進(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(lèi)號:TK123文獻標識碼:A文章編號: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、反應器的比熱容和相對質(zhì)量、氫氣的轉化率以及熱回收率對系統性能熱泵(熱變換器〕技術(shù)作為一種重要的節能技的影響,并提出了提高系統性能的措施術(shù)在廢熱回收上起著(zhù)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(zhù)溫度范圍廣、無(wú)機動(dòng)部件等眾多優(yōu)點(diǎn)",因而受到了國內外研究開(kāi)發(fā)的廣泛關(guān)注。文獻[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LaN4.77A0.23/LaN5熱泵系統的以貯氫材料作為能量轉換材料,由同溫度下分解壓性能模型的基礎上,提出利用反應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(lái)提高性能系數COP。文獻[3]提出了熱統。利用它們的平衡氫壓差來(lái)驅動(dòng)氫氣流動(dòng),使兩源溫度,氫氣的轉化率以及反應器的比熱容、相對種氫化物分別處于吸氫(放熱)和放氫(吸熱)狀質(zhì)量對性能系數COP的影響。在以上研究的基礎態(tài),中國煤化工化物熱變換器的CNMHG收稿日期:200408-01基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50276052)作者簡(jiǎn)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為高溫側氫化物的比定壓熱容;m為反應器的相對質(zhì)量(對應于系統的最大工作氫容量為1mol的情況);c,為反應器的比定壓熱容為熱回收率;ΔH為高溫側中溫熱源處輸入的解吸熱;ΔH為高溫側高溫熱源處放出的吸收熱溫度ΔH低溫側中溫熱源處輸入的解吸熱;Md為高圖1金屬氫化物熱變換器的工作原理溫側氫化物的摩爾質(zhì)量。氫化物和合金的比定壓熱容可利用 Nenumann-Kopp, Dulong-Pett法則求得為了連續獲得高溫熱,組成熱變換器時(shí)采用2根據能量平衡可求得實(shí)際循環(huán)的COP值對以上的貯氫合金切換對,并使每切換對循環(huán)錯開(kāi)由各切換對交替獲得高溫熱。利用2對貯氫合金切COP=Qn/(QM+Q)。換對構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)若對整個(gè)循環(huán)過(guò)程采用黑箱模型,則熱變換器的煙效率為T(mén)H(OMI+OM假設T,TM和T為恒溫熱源,循環(huán)的娚分析灰箱模型如圖3所示,則循環(huán)內部各個(gè)過(guò)程的嫻損失為A:高溫(T)熱源B:中溫《)熱源C:低溫(T)熱源D:反應器間的換熱(1)T→T的預熱過(guò)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,設循環(huán)的最大工作氫容量為1mol,在反應器A和B中分別存放M和M,則這兩種氫化物的摩爾數分別為mM和化學(xué)HM,[HMx和HM分別為兩種氫化物E|反應系統的吸氫量,表示每摩爾氫化物的氫原子數。令a為EC|EuE細氫氣的轉化率,同時(shí)假設4個(gè)反應器的質(zhì)量和比熱容都相等,則系統向T高溫熱源輸出的高溫熱為Q=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中溫熱源向系統輸入的廢熱分別為CNMHG-p,Qw1=a△H"+HH/M hi(TM-T)(1M0m(rn-rX1-=9.(2)第6期肖躍雷等:廢熱驅動(dòng)金屬氫化物熱變換器的性能分析(3)化學(xué)反應過(guò)程的姐損失比較大,這部分嫻損失以目前的技術(shù)還無(wú)法根據圖3中化學(xué)反應系統的嫻平衡關(guān)系,則其使之減少,預熱、預冷過(guò)程的損失也占一定的化學(xué)反應系統平衡方程式為比例,可以通過(guò)減小傳熱溫差來(lái)減少過(guò)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氫氣的轉化率a=1的前提下,若考慮熱源溫度對系統性能的影響,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(mǎn)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熱源溫度7和中溫熱源溫度7計算可得圖4和解吸熱和低溫端輸出的吸收熱。圖5所示結果。若考慮反應器的質(zhì)量和比熱容對系(4)Tw→T的預冷過(guò)程統性能的影響,則通過(guò)計算可得圖6和圖7所示結果。zaMbIaE+{HMJ1000H/My1000(-x1-(-(5)TH→TM的預冷過(guò)程(Tn-TM)(1-4)(10)根據上述公式,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(guò)程的損失。依據金屬氫化物熱變換器的COP值和效率,可得出熱源溫度、反應器的圖4熱源溫度對COP值的影響相對質(zhì)量和比熱容、氫氣的轉化率以及熱回收率對系統性能的影響。3計算實(shí)例對以L(fǎng)aNi4 sAlos/ lani為工質(zhì)對的金屬氫化物熱變換器進(jìn)行分析計算。前者為高溫端合金,標準焓變和熵變H2為20.5kJ/mol和69,6J/(Kmol),吸氫量[HMyd]=4.0:后者為低溫端合金,標準焓變和熵變?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熱源溫度對斕效率的影響423K,353K,303K,設最大工作氫容量為1mol以及反應器的質(zhì)量為0.1kg,反應器的比定壓熱容為0.46J/(gK)。不考慮熱回收率,并設氫氣的轉-. COP化率a=1,經(jīng)計算可得該熱變換器的COP值和效0率以及各個(gè)過(guò)程的損失如表1所示。表1金屬氫化物熱變換器的計算結果中國煤化工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)的內部嫻損失中,化學(xué)反應過(guò)程圖6反應器的相對質(zhì)量對系統性能的影響華北電力大學(xué)學(xué)報2004年示。從圖8和圖9可知,采用熱回收可使系統的性能得到較大的改善,提高氫氣的轉化率也能較大地改善系統的性能4結論(1)金屬氫化物熱變換器的內部損失有溫差傳熱姐損失和化學(xué)反應嫻損失,化學(xué)反應嫻損失所C/(g-K-)占比例較大,可通過(guò)調節溫度或選用合適的合金對圖7反應器的比熱容對系統性能的影響來(lái)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:高溫熱源溫度和中溫的比例,可通過(guò)減小傳熱溫差來(lái)減少嫻損失。熱源溫度較小的交叉區域的COP值和效率比較(2)適當降低高溫熱源溫度和中溫熱源溫度,大,所以適當地降低高溫熱源溫度和中溫熱源溫度使兩者的交叉點(diǎn)在較高值區域,可在一定程度上改可以改善熱變換器的性能。善系統的性能。從圖6和圖7可看出,反應器的質(zhì)量和比熱容(3)在其他條件不變的情況下,選用相對質(zhì)量對系統性能影響比較大,選用相對質(zhì)量和比熱容小和比熱容小的材料做反應器、采用熱回收以及提高的材料做反應器的材料能有效地提高系統的性能。氫氣轉化率都能有效地提高系統的性能。根據文獻[8],氫氣轉化率和熱回收率是影響參考文獻系統性能的兩個(gè)重要因素。本文考慮了熱回收率和氫氣轉化率對系統性能的影響,在操作溫度不變的l]胡子龍儲氫材料[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002情況下計算了系統的COP和嫻效率,其結果如圖[2] Nishizaki T,, Miyamoto K, Yoshida K. Less-Common(氫氣的轉化率為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.儲氫材料及載能系統[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熱回收率對系統性能的影響mal Engineering, 1996, 16(8): 677-690]楊平輝,曾令平.苯加氫合成環(huán)已烷系統有效能分析門(mén)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氫氣的轉化率圖9氫氣的轉化率對系統性能的影響