金屬氫化物熱泵在制冷中的應(yīng)用

鮑宏宇　蘭少娟

摘 要：當(dāng)前，工廠在生產(chǎn)的過(guò)程中往往存在大量的余熱浪費(fèi)，金屬氫化物的出現(xiàn)在相當(dāng)程度上改善了浪費(fèi)狀況，有利于能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)?；诖?，文章將對(duì)金屬氫化物熱泵的制冷原理、提高熱泵制冷效率的可能性措施進(jìn)行探究和分析。

關(guān)鍵詞：金屬氫化物;熱泵;制冷技術(shù)

金屬氫化物應(yīng)用技術(shù)的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容是金屬氫化物化學(xué)熱泵，該技術(shù)能夠以工廠的低品位熱能為介質(zhì)來(lái)制冷，對(duì)工廠自身的工作條件及其他環(huán)境條件加以改善，但是熱泵的造價(jià)相對(duì)較高，效率偏低，在實(shí)際應(yīng)用中還存在著一些問(wèn)題。

1 ? ?金屬氫化物熱泵的制冷原理

金屬氫化物熱泵由兩種相同溫度之下具有不同離解壓的金屬氫化物組合而成，利用兩種氫化物的離解壓差來(lái)推動(dòng)氫氣的流動(dòng)。金屬氫化物在同氫進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱效應(yīng)—放氫吸熱[1]。因此，在熱泵的實(shí)際工作中，為了確保反應(yīng)的順利進(jìn)行，需要不斷排除吸氫側(cè)的熱量，并且為放氫側(cè)提供足夠的熱能。金屬氫化物熱泵包括3種操作方式：溫度提高型、熱量獲得型、制冷型。用于化學(xué)熱泵的金屬氫化物需要大量的有效吸氫量，因?yàn)橛行鼩淞繒?huì)對(duì)所需的金屬氫化物的量產(chǎn)生直接影響，金屬氫化物的價(jià)格一般較高，因此在選擇時(shí)要盡量使用吸氫量較大的金屬氫化物，從而減少熱泵所需要的氫化物，在更大程度上減少熱泵的制造成本。

2 ? ?提高熱泵制冷效率的可能性措施

2.1 ?強(qiáng)化金屬氫化物的傳熱

提升金屬氫化物的傳熱能力主要是為了提高金屬氫化物的吸氫和放氫速率，縮短循環(huán)操作的實(shí)際時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間之內(nèi)熱泵制冷量的提升。金屬氫化物在吸氫和放氫的環(huán)節(jié)中會(huì)出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，粉化結(jié)果是使金屬氫化物的傳熱系數(shù)降低至與玻璃相近。金屬氫化物同氫之間反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，為此，要及時(shí)提供所需熱量，取走多余熱量，確保反應(yīng)的順利進(jìn)行。氫化物粉化結(jié)果能夠在相當(dāng)程度上減緩對(duì)熱量的供給和取走，因此，為了進(jìn)一步加快熱泵的反應(yīng)速度，必須不斷提升金屬氫化物的傳熱系數(shù)。主要有以下兩種方式：（1）對(duì)金屬氫化物自身的傳熱進(jìn)行強(qiáng)化，盡可能避免氫化物發(fā)生粉化。（2）對(duì)金屬氫化物層的傳熱進(jìn)行強(qiáng)化，目的在于通過(guò)增加金屬氫化物層的厚度來(lái)降低傳熱效果，主要是做好反應(yīng)器的強(qiáng)化傳熱設(shè)計(jì)。

金屬氫化物自身傳熱研究的結(jié)果豐富了氫化物新的結(jié)構(gòu)形狀，其中，多孔狀金屬氫化物壓塊是將金屬氫化物的粉末同Cu，Al，Ni等粉末混合，并壓制成塊狀，以防止在吸氫和放氫的過(guò)程中出現(xiàn)粉化問(wèn)題。流體狀金屬氫化物是將一定量的有機(jī)液體加入到氫化物的粉末中，獲得具有流動(dòng)性的氫化物漿[2]。薄膜化金屬氫化物是通過(guò)離子濺射噴鍍以及離子擴(kuò)散滲鍍的方式，將金屬氫化物支撐薄膜狀所獲得的。此外，非晶態(tài)的技術(shù)氫化物是通過(guò)液體急冷法制得的，其自身不具有粉化的特點(diǎn)。以上新的結(jié)構(gòu)形態(tài)中，多孔狀氫化物壓塊的導(dǎo)熱效果更為優(yōu)良，其壓制形狀可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)改變，對(duì)合金原本的吸氫和放氫能力不會(huì)造成影響，并且還能夠較好地解決吸氫放氫循環(huán)過(guò)程中的粉化問(wèn)題，因此，氫化物壓塊的實(shí)用價(jià)值相對(duì)較高，更加適用于制冷型熱泵。除此之外，流體狀金屬氫化物也同樣適用于熱泵，傳熱效果較高，但是就當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用而言，其普及度仍然與氫化物壓塊存在差距。要想對(duì)金屬氫化物的傳熱系數(shù)進(jìn)行提升，還可以通過(guò)對(duì)金屬氫化物反應(yīng)器進(jìn)行強(qiáng)化傳熱設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這也是當(dāng)前世界競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域之一。利用該技術(shù)制造的產(chǎn)品傳熱效果相當(dāng)可觀，但是，就金屬氫化物層對(duì)冷卻水的平均傳熱系數(shù)而言，仍然有待改善和加強(qiáng)。總之，金屬氫化物反應(yīng)器還有許多不同的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于最佳的反應(yīng)器而言，一定要保證其具有最大的傳熱面積、最大的金屬氫化物填充體積以及最小的熱容量，進(jìn)而在最大程度上提高吸氫和放氫的速率。

2.2 ?改善金屬氫化物的吸氫、放氫特性

通過(guò)對(duì)金屬氫化物的吸氫和放氫特性進(jìn)行有意識(shí)的改善，不僅可以提高熱泵的COP值，還可以提高氫化物的有效吸氫量。金屬氫化物P-C-T曲線的平臺(tái)傾斜與其吸氫、放氫的可逆性直接相關(guān)，傾斜越小，可逆性越高，并且COP的值同金屬氫化物的有效吸氫量成正比，金屬氫化物的有效吸氫量與所使用的合金量成反比。利用已開(kāi)發(fā)的合金對(duì)其他元素進(jìn)行置換或者添加，進(jìn)而形成多元合金，是一種十分有效的改善金屬氫化物性能途徑。在置換后，可以為合金與氫反應(yīng)的可逆性帶來(lái)明顯改善，有效緩解反應(yīng)出現(xiàn)滯后性的問(wèn)題。此外，將不同特性的金屬氫化物混合使用，同樣可以對(duì)金屬氫化物的吸氫和放氫特性起到較大的改善作用，有效提高氫化物的吸氫量，并且減弱反應(yīng)之后的現(xiàn)象。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬氫化物熱泵在制冷中具有十分可觀的應(yīng)用前景，并且具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對(duì)制冷型熱泵的技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)是一個(gè)關(guān)鍵的課題，要不斷擴(kuò)展和優(yōu)化其反應(yīng)途徑，更為高效、經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于對(duì)金屬氫化物熱泵進(jìn)行制冷。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周承商，劉煌，劉詠.金屬氫化物熱能儲(chǔ)存及其研究進(jìn)展[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2019（5）：391-399.

[2]王文琪.淺析空調(diào)制冷的物理學(xué)原理[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（24）：32-33.

作者簡(jiǎn)介：鮑宏宇（1974— ），男，漢族，遼寧本溪人，學(xué)士;研究方向：制冷設(shè)備研發(fā)。