收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于数值模拟的升温型金属氢化物热泵系统优化研究

杨福胜  
【摘要】:多种金属或合金可与氢气发生可逆反应,其产物统称为金属氢化物。利用该反应热量的金属氢化物热泵(MHHP)可实现升温、增热和制冷等多种目的,系统可完全由热量驱动,具有环境友好、工作范围宽等多种优点,特别是在中低温废热回收方面显示了很大的应用潜力。为改善热泵系统的性能、推动其应用发展,本文针对给定工作条件下的升温型MHHP进行了全面的优化研究,主要内容包括: (1)提出了一种基于两步法思路的热泵配对合金筛选步骤,在保证技术可行的基础上强调了系统的综合性能。第一步以工作温度下的氢化/脱氢平衡压力水平为依据,采用演绎法对耦合反应过程的压差推动力进行了分析,将单级循环自然地推广到两级循环,得到可行的配对合金完备集。第二步则是围绕着性能系数(COP)、单位质量合金输出功率(SHP)等指标展开的,首先通过热力学计算得到各组可行配对的单项指标值,进而用多准则决策中常用的层次分析法(AHP)加以综合,选择出最优的一组配对。 (2)建立了装填LaNi5的金属氢化物反应器氢化/脱氢过程的二维动态数学模型,通过商业软件COMSOL Multiphysics 3.5a实现求解并进行了数值验证。以常用的管式反应器为例,讨论了床层通过泡沫铝或压块等方式进行强化传热的影响。数值模拟和热力学分析结合的计算结果表明,进行强化传热处理后,反应在整个床层内进行得更趋均匀,这对于系统操作较为有利;由于附加热容造成的显热损失,热泵系统的COP略有降低(3%);强化传热提高了实际反应速度,循环时间大为缩短,SHP明显增大,因此综合效果是正面的。在宽广的操作压力范围(0.3~1.1MPa)内床层强化传热都可以显著改善反应速度,但当外部对流传热条件恶化时这种效果将有一定程度的削弱。 (3)金属氢化物反应器氢化/脱氢是典型的多物理耦合过程,实际反应速度常受传递特别是传热过程制约。本文通过理论推导定义了传热控制反应速率rh和传质控制反应速率rm两个特征参数,包含了多种设计和操作条件的作用,其数值可通过简单的代数计算得到。比较rh、rm与本征反应速度rk的大小即可判断耦合过程的控制环节,并对实际反应速度作出粗略的估计。论文分别通过参数分析和数值模拟讨论了反应器形式(管式/盘式/环盘式)、设计参数(床层厚度/氢管直径)、操作参数(流体温度/外加压力)等对实际反应速度的影响,比较结果显示两者的结论是定性一致的。 (4)在单反应器模型的基础上扩展、完善,建立了升温型热泵系统循环工作过程的动态数学模型,耦合反应器分别装填了LaNi5和LaNi4.7Al0.3材料,床层采用泡沫铝强化传热。模型全面地考虑了影响热泵工作的各种因素,包括耦合反应器的相互作用、分布及各向异性物性的影响、壁面及床层的流量连续、预冷/预热过程中的局部反应等。模型方程的离散求解是基于经典的有限容积法(FVM)实现的,整体步骤类似不可压缩流动中的SIMPLE类算法,但本文中的氢气具有弱可压缩性,因此压力修正值同时用于密度和速度修正。编程计算与文献实验数据的比较显示,本文模型具有较高精度,可以用于实际系统的分析和优化。 (5)氢化物材料反应分数和温度的变化情况对容器的受力和材料的循环寿命具有影响,因此获取系统工作过程中的相关信息是重要的。本文进行了多次热泵工作循环的模拟计算,结果显示反应和传热在床层内进行得并不均匀,但局部状态都呈明显的周期性变化;床层外侧靠近流体进口的位置反应很快,而其它位置的反应则进行较慢。装填LaNi5和LaNi4.7Al0.3的反应器的分布特性也有所差别:前者在预热/预冷过程中发生了明显的局部反应,床层个别位置的反应分数变化幅度很大(~0.8),可能造成应力集中问题;而后者局部反应不显著,床层各处反应分数的变化幅度相差很小。 (6)在COP和SHP之外增加了平均升温幅度和输出标准差两个体现输出特性的性能指标,通过设计和操作参数的敏感度分析对升温型热泵系统的性能进行了深入的分析和讨论。模拟结果显示,对于COP指标而言影响最大的是循环转移氢量,两者之间成正比;其次是与显热损失有关的因素,包括壁面材料、操作温度等,当显热损失增大时性能系数将会降低;其它因素如初始反应分数等影响很小。对于SHP指标而言,当循环转移氢量一定时其变化趋势很大程度上决定于循环时间,时间越短则其值越高,其它因素的影响相对较弱。平均升温幅度和输出标准差两个指标的变化趋势具有很大的一致性,一般当前者增加时后者也随之增加,即输出的波动幅度变大。 通过上述工作内容的开展,本文构建了升温型金属氢化物热泵系统优化设计的工作框架。研究有助于人们更深刻地理解氢化物反应体系多物理耦合的复杂特征,提出的理论方法和模拟结论可望在金属氢化物热泵开发的工程实践中发挥指导作用。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 刘庆宾;;氢的制取及储存技术探讨[J];中国新技术新产品;2011年17期
2 方芳;姚国富;刘斌;任镍;;潜艇燃料电池AIP系统技术发展现状[J];船电技术;2011年08期
3 赵军;单晓亮;;氢氧能源在鱼雷动力系统的应用途径与前景展望[J];鱼雷技术;2011年04期
4 叶旭峰;安越;许筠芸;孔文静;徐国华;;乙基咔唑液相循环储放氢性能研究[J];化学工程;2011年06期
5 ;[J];;年期
6 ;[J];;年期
7 ;[J];;年期
8 ;[J];;年期
9 ;[J];;年期
10 ;[J];;年期
11 ;[J];;年期
12 ;[J];;年期
13 ;[J];;年期
14 ;[J];;年期
15 ;[J];;年期
16 ;[J];;年期
17 ;[J];;年期
18 ;[J];;年期
19 ;[J];;年期
20 ;[J];;年期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈虎翅;魏肯堂;;LaNi_(4.7)Al_(0.3)H_x去氢化过程的计算机模拟[A];中国工程物理研究院科技年报(2001)[C];2001年
2 王新华;葛红卫;李寿权;陈长聘;;金属氢化物氢泵作为燃料电池电动车加氢站核心设备[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
3 严密;除长聘;吴京;王启东;;改善氢化物热泵床体的内部传热[A];首届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1992年
4 陆光达;李赣;蒋国强;;金属氢化物柱内氢氘间的排代[A];加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策(下册)[C];2002年
5 彭述明;杨茂年;龙兴贵;赵鹏骥;罗顺忠;徐志磊;;Bcc和Laves相结构合金及其氢化物的第一原理[A];中国工程物理研究院科技年报(1999)[C];1999年
6 蒋利军;屠海令;黄倬;詹锋;尉秀英;秦光荣;苑鹏;郑强;康志君;杜军;;燃料电池用金属氢化物的氢罐的研究[A];第三届全国氢能学术会议论文集[C];2001年
7 蒋利军;屠海令;黄倬;詹锋;尉秀英;秦光荣;苑鹏;郑强;康志君;杜军;;燃料电池用金属氢化物的氢罐的研究[A];中国太阳能学会2001年学术会议论文摘要集[C];2001年
8 倪久建;杨涛;陈江平;陈芝久;;利用汽车尾气余热驱动的金属氢化物制冷循环[A];上海市制冷学会二○○三年学术年会论文集[C];2003年
9 王新华;李惠;杨敬葵;陈立新;李寿权;葛红卫;陈长聘;郑津洋;;高压金属氢化物复合式储氢器的研究[A];2008 International Hydrogen Forum Programme and Abstract[C];2008年
10 李刚;刘华军;李来风;;金属氢化物空调模拟样机设计与性能[A];第六届全国低温与制冷工程大会会议论文集[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨福胜;基于数值模拟的升温型金属氢化物热泵系统优化研究[D];西安交通大学;2010年
2 李冰;(金属—氢)体系的高压研究[D];吉林大学;2011年
3 张小东;B基配位金属氢化物的物理性质以及储氢性能的第一性原理研究[D];西北大学;2012年
4 伞晓娇;典型金属氢化物及其相关体系高压行为的理论研究[D];吉林大学;2008年
5 黄存可;掺杂Ti的NaAlH_4相关系和缺陷热力学的第一原理研究[D];华南理工大学;2009年
6 刘志明;缺陷和外界压力对几种典型材料物理性质的影响[D];吉林大学;2009年
7 邴文增;钛铪合金吸放氘行为和相变[D];中国工程物理研究院;2010年
8 刘绍军;原子间相互作用势函数的若干理论与应用研究[D];北京师范大学;2001年
9 张健;镁及其合金氢化物吸放氢性能及电子机制研究[D];湖南大学;2009年
10 罗德礼;金属氢化物的分子结构、分子反应动力学和Ni_4团簇的分子结构[D];四川大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 胡晓晨;基于金属氢化物的两级氢气压缩机特性研究[D];上海交通大学;2012年
2 朱春野;三元碱金属氢化物高压相变的第一性原理研究[D];延边大学;2011年
3 张建洪;金属氢化物镍电池工艺研究[D];浙江大学;2002年
4 刘欢欢;碱土金属氢化物Ca(BH_4)_2高压相变的第一性原理研究[D];延边大学;2012年
5 王佳骥;金属氢化物热泵制冷系统用贮氢合金及其性能研究[D];沈阳工业大学;2007年
6 阳明;35MPa金属氢化物氢气热压缩机研究[D];上海交通大学;2009年
7 吴强;纳米碱金属氢化物的性能应用及纳米镧系金属粉末的制备[D];辽宁师范大学;2003年
8 於晓川;单管氢化物反应器的传热研究[D];大连海事大学;2007年
9 张静云;碱金属氢化物高压相变的第一性原理研究[D];吉林大学;2008年
10 张育森;La-Y-Ni-Mn-Al的储氢性能研究[D];南京理工大学;2008年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 陈丹;金属贮氢:助力氢燃料汽车推广[N];科技日报;2006年
2 刘宝海;创新设计在德国[N];人民日报;2006年
3 羽佳;储氢材料 21世纪新能源的“储蓄所”[N];中国有色金属报;2002年
4 本报记者  孙红;“氢经济”欲寻中国机遇[N];中国工业报;2006年
5 李想;储能材料:有色金属扮主角[N];中国有色金属报;2006年
6 梁曦 刘勇;前景无限 蓬勃发展[N];科技日报;2000年
7 记者  徐瑞哲;氢动力车有望甩掉大高罐[N];解放日报;2006年
8 曹鹏程;各国竞相开发氢能源[N];人民日报;2006年
9 北京化工大学炭纤维及复合材料研究所 张学军;燃料电池挺进微型时代[N];计算机世界;2004年
10 北京化工大学炭纤维及复合材料研究所 张学军;未来谁给我们供电?[N];计算机世界;2004年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978