废热驱动金属氢化物热变换器的性能分析

第31卷第6期华北电力大学学报VoL31. No 62004年l1月Journal of North China Electric Power UniversityNov,2004废热驱动金属氢化物热变换器的性能分析肖跃雷,傅秦生,张早校,张计鹏(西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049)摘要:以LaNⅰ4.5Al.5/LaNi5为金属氢化物热变换器的工质对,建立了考虑反应器相对质量和比热容、热回收率等因素的金属氩化物热变换器能量分析和烱分析模型,分析了热源温度、反应器相对质量和比热容热回收率以及氬气的转化率对系统性能的影响,并提岀了相应的改进措施,从而提高了金属氢化物热变换器的性能关健词:金属氬化物;热变换器;嫻分析中图分类号:TK123文献标识码:A文章编号: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,本文建立了金属氢化物热变换器的能量分析和引言爛分析模型,分析了热源温度、反应器的比热容和相对质量、氢气的转化率以及热回收率对系统性能热泵(热变换器〕技术作为一种重要的节能技的影响,并提出了提高系统性能的措施术在废热回收上起着重要的作用。热泵的形式有多种多样,其中金属氢化物热泵(氢工质化学热泵)1金属氢化物热变换器的工作原理有着温度范围广、无机动部件等众多优点",因而受到了国内外研究开发的广泛关注。文献[2]在金属氢化物热变换器是以氢气作为工作工质建立的工质对LaN4.77A0.23/LaN5热泵系统的以贮氢材料作为能量转换材料,由同温度下分解压性能模型的基础上,提出利用反应器之间的热量回不同的两种贮氢合金M和M组成的热力学循环系收方法来提高性能系数COP。文献[3]提出了热统。利用它们的平衡氢压差来驱动氢气流动,使两源温度,氢气的转化率以及反应器的比热容、相对种氢化物分别处于吸氢(放热)和放氢(吸热)状质量对性能系数COP的影响。在以上研究的基础态,中国煤化工化物热变换器的CNMHG收稿日期:200408-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(50276052)作者简介:肖跃雷(1979-),男,西安交通大学能源与动力工程学院硕土研究生华北电力大学学报2004年工作原理如图1所示。MQM=a△H2aMHM00mx7n-x)1-9。(3)dap.bydy(1)~(3)式中cnh为高温侧氢化物的比定压热容;m为反应器的相对质量(对应于系统的最大工作氢容量为1mol的情况);c,为反应器的比定压热容为热回收率;ΔH为高温侧中温热源处输入的解吸热;ΔH为高温侧高温热源处放出的吸收热温度ΔH低温侧中温热源处输入的解吸热;Md为高图1金属氢化物热变换器的工作原理温侧氢化物的摩尔质量。氢化物和合金的比定压热容可利用 Nenumann-Kopp, Dulong-Pett法则求得为了连续获得高温热,组成热变换器时采用2根据能量平衡可求得实际循环的COP值对以上的贮氢合金切换对,并使每切换对循环错开由各切换对交替获得高温热。利用2对贮氢合金切COP=Qn/(QM+Q)。换对构成的金属氢化物热变换器原理图如图2所示金属氢化物热变换器的理论COP值为COPhup.ma =TH(TM-TL)/TM(TH-TM)].(5)若对整个循环过程采用黑箱模型,则热变换器的烟效率为TH(OMI+OM假设T,TM和T为恒温热源,循环的娚分析灰箱模型如图3所示,则循环内部各个过程的娴损失为A:高温(T)热源B:中温《)热源C:低温(T)热源D:反应器间的换热(1)T→T的预热过程图2金属氢化物热变换器的原理图(TH-TM(T. To2金属氢化物热变换器的能量和娴分析式中7m取7和7的算术平均温度忽略氢气所携带的热能,设循环的最大工作氢容量为1mol,在反应器A和B中分别存放M和M,则这两种氢化物的摩尔数分别为mM和化学HM,[HMx和HM分别为两种氢化物E|反应系统的吸氢量,表示每摩尔氢化物的氢原子数。令a为EC|EuE細氢气的转化率,同时假设4个反应器的质量和比热容都相等,则系统向T高温热源输出的高温热为Q=a△Hn(BM,150b+图3热变换器的斓分析的灰箱模型2(1-aMhm+mc|(Tn-T)(1-。(1)中国煤化工T中温热源向系统输入的废热分别为CNMHG-p,Qw1=a△H"+HH/M hi(TM-T)(1M0m(rn-rX1-=9.(2)第6期肖跃雷等:废热驱动金属氢化物热变换器的性能分析(3)化学反应过程的姐损失比较大,这部分娴损失以目前的技术还无法根据图3中化学反应系统的娴平衡关系,则其使之减少,预热、预冷过程的损失也占一定的化学反应系统平衡方程式为比例,可以通过减小传热温差来减少过程的损失。EHae+Ex)+EM-Ehd=a(△H-T0△S)+E,3,(8)在不考虑热回收率并设氢气的转化率a=1的前提下,若考虑热源温度对系统性能的影响,则在低温式中E如,EN,E和E如分别为高温端输出热源温度7为303K的条件下,取用满足温度范围吸收热娴,低温端输入的解吸热娴,高温端输入的的高温热源温度7和中温热源温度7计算可得图4和解吸热和低温端输出的吸收热。图5所示结果。若考虑反应器的质量和比热容对系(4)Tw→T的预冷过程统性能的影响,则通过计算可得图6和图7所示结果。zaMbIaE+{HMJ1000H/My1000(-x1-(-(5)TH→TM的预冷过程(Tn-TM)(1-4)(10)根据上述公式,可求得金属氢化物热变换器在定操作温度下的理论和实际COP值、娴效率和循环各个过程的损失。依据金属氢化物热变换器的COP值和效率,可得出热源温度、反应器的图4热源温度对COP值的影响相对质量和比热容、氢气的转化率以及热回收率对系统性能的影响。3计算实例对以LaNi4 sAlos/ lani为工质对的金属氢化物热变换器进行分析计算。前者为高温端合金,标准焓变和熵变H2为20.5kJ/mol和69,6J/(Kmol),吸氢量[HMyd]=4.0:后者为低温端合金,标准焓变和熵变为30.1kJ/(molH2)和105.1J/( K. molD2),吸氢量H/Myd]=4.5。取操作温度TH,Tw,T分别为图5热源温度对斓效率的影响423K,353K,303K,设最大工作氢容量为1mol以及反应器的质量为0.1kg,反应器的比定压热容为0.46J/(gK)。不考虑热回收率,并设氢气的转-. COP化率a=1,经计算可得该热变换器的COP值和效0率以及各个过程的损失如表1所示。表1金属氢化物热变换器的计算结果中国煤化工COPbasma COPhup E,ll E,1: EL3 E,A Ers ECNMHG25 0300.8560.2620.54904540.9380.4300.7833.1540.498表1中,热变换器的实际COP值较小,有待于进一步提高。在循环的内部娴损失中,化学反应过程图6反应器的相对质量对系统性能的影响华北电力大学学报2004年示。从图8和图9可知,采用热回收可使系统的性能得到较大的改善,提高氢气的转化率也能较大地改善系统的性能4结论(1)金属氢化物热变换器的内部损失有温差传热姐损失和化学反应娴损失,化学反应娴损失所C/(g-K-)占比例较大,可通过调节温度或选用合适的合金对图7反应器的比热容对系统性能的影响来减少这部分损失,温差传热娴损失也占有一定从图4和图5可以看出:高温热源温度和中温的比例,可通过减小传热温差来减少娴损失。热源温度较小的交叉区域的COP值和效率比较(2)适当降低高温热源温度和中温热源温度,大,所以适当地降低高温热源温度和中温热源温度使两者的交叉点在较高值区域,可在一定程度上改可以改善热变换器的性能。善系统的性能。从图6和图7可看出,反应器的质量和比热容(3)在其他条件不变的情况下,选用相对质量对系统性能影响比较大,选用相对质量和比热容小和比热容小的材料做反应器、采用热回收以及提高的材料做反应器的材料能有效地提高系统的性能。氢气转化率都能有效地提高系统的性能。根据文献[8],氢气转化率和热回收率是影响参考文献系统性能的两个重要因素。本文考虑了热回收率和氢气转化率对系统性能的影响,在操作温度不变的l]胡子龙储氢材料[M]北京:化学工业出版社,2002情况下计算了系统的COP和娴效率,其结果如图[2] Nishizaki T,, Miyamoto K, Yoshida K. Less-Common(氢气的转化率为1.0)、图9(不采用热回收)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]王荣明.储氢材料及载能系统[M].重庆:重庆大学出版社,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热回收率heat transformer for waste heat recovery [J]. Applied Ther图8热回收率对系统性能的影响mal Engineering, 1996, 16(8): 677-690]杨平辉,曾令平.苯加氢合成环已烷系统有效能分析门18 Da WeSun. Thermodynamic analysis of the operation of two-stage metal-hydride heat pump []. Applied Energy, 1996,54:29-340.3-(贲任編辑:马坤英)中国煤化工CNMHG氢气的转化率图9氢气的转化率对系统性能的影响