鮑澤威,楊福勝,吳震,張早校

(1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,610065,成都;2.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,710049,西安)

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金屬氫化物熱泵反應(yīng)器吸氫過程的溫度變化特性

鮑澤威1,楊福勝2,吳震2,張早校2

(1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,610065,成都;2.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,710049,西安)

為了研究金屬氫化物反應(yīng)器的溫度變化趨勢與規(guī)律,搭建了反應(yīng)器性能測試裝置,通過實驗獲得了吸氫反應(yīng)過程中氫化物床層和換熱流體的溫度變化數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明:床層最高溫度和換熱流體出口溫度都隨著供氫壓力的增大而升高。當(dāng)供氫壓力從0.6 MPa提高到1.0 MPa時,床層最高溫度從56.6 ℃提高到71.8 ℃?？紤]到經(jīng)濟性與安全性等問題,對于鑭基金屬氫化物反應(yīng)器其供氫壓力最好限定在1.6 MPa以下。換熱流體流量越大則床層溫度下降得越快,但其強化效果有限。流體出口溫度升高幅度則隨著流量增大而顯著降低,但床層最高溫度幾乎無變化。氫氣注入流量越大,反應(yīng)器內(nèi)氫氣壓力升高得越快,相應(yīng)地氫化反應(yīng)越快。通過改變氫氣流量可以控制放熱反應(yīng)過程,從而更好地適應(yīng)用熱需求。

金屬氫化物;反應(yīng)器;熱泵;溫度變化

金屬氫化物熱泵具有無運動部件、無污染、無噪聲等優(yōu)點,在中低溫余熱回收領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力。美國的Terry最早提出了金屬氫化物熱泵的概念,Gruen等建造了第一臺金屬氫化物熱泵樣機[1]。隨后,各國研究者分別在材料開發(fā)[2]、反應(yīng)器優(yōu)化[3-4]、熱泵系統(tǒng)動態(tài)模擬[5-6]和系統(tǒng)樣機性能測試[7]等領(lǐng)域開展了相關(guān)研究工作。金屬氫化物反應(yīng)器是整個熱泵系統(tǒng)的核心部件,其設(shè)計和運行方式對系統(tǒng)性能影響極大[8],因此開展金屬氫化物反應(yīng)器研究,對推動金屬氫化物熱泵的實際應(yīng)用具有重要意義。Yang等討論了氫化物床層采用泡沫鋁或壓塊等強化傳熱措施對熱泵系統(tǒng)性能的影響,結(jié)果表明進行強化傳熱處理后,反應(yīng)分數(shù)和溫度在整個反應(yīng)器床層內(nèi)的分布更趨均勻,這對于系統(tǒng)操作較為有利[3]。Sekhar等采用數(shù)值模擬方法對4種不同反應(yīng)器換熱結(jié)構(gòu)進行了對比研究,最終發(fā)現(xiàn)采用外部冷卻方式并安裝翅片的結(jié)構(gòu)是最有效的[4]。

盡管研究者們對金屬氫化物反應(yīng)器進行了較多研究,但對不同操作條件下反應(yīng)器內(nèi)溫度變化趨勢的研究還比較少,特別是對反應(yīng)器內(nèi)換熱流體溫度變化情況研究還未見報道。實際上,對于金屬氫化物熱泵系統(tǒng),換熱流體流過反應(yīng)器后的溫度升高幅度決定了所能利用熱量的品位。本文建立了金屬氫化物反應(yīng)器性能測試實驗臺,測量了反應(yīng)器床層和換熱流體的溫度,研究了吸氫壓力、換熱流體流量和氫氣流量變化時反應(yīng)器內(nèi)的溫度變化特性,以期為金屬氫化物反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 實驗方案

實驗采用的氫氣純度(體積分數(shù))達到99.999%,LaNi5儲氫合金由北京有色金屬研究院提供,反應(yīng)器內(nèi)共裝填640 g的LaNi5合金材料。金屬氫化物反應(yīng)器性能測試裝置如圖1所示。在吸氫反應(yīng)過程中,氫氣經(jīng)減壓器減壓后通過截止閥(V1和V2)和氣體過濾器流入反應(yīng)器內(nèi)與LaNi5合金反應(yīng);在放氫反應(yīng)過程中,金屬氫化物吸熱分解后釋放的氫氣經(jīng)過氣體過濾器和截止閥(V2、V3和V5)直接排空,或經(jīng)過截止閥(V2、V3和V4)和真空泵后排空。所采用的換熱流體為水,水在恒溫循環(huán)器內(nèi)保持在設(shè)定溫度,恒溫水通過球閥和流量計流入反應(yīng)器內(nèi),之后再流回恒溫循環(huán)器內(nèi)。供氫壓力和反應(yīng)器內(nèi)氫氣壓力分別由兩個絕對壓力變送器(P)測量。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖

所采用的金屬氫化物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。此反應(yīng)器為中心安裝有換熱管的圓柱形反應(yīng)器,采用不銹鋼316制造。反應(yīng)器內(nèi)徑為50 mm,內(nèi)部金屬氫化物床層高度為80 mm,換熱管外徑為6 mm,內(nèi)徑為4 mm。在反應(yīng)器頂端安裝有兩支熱電阻插入到反應(yīng)器內(nèi),用于測量床層的溫度變化,所測量位置分別被命名為T1和T2處。換熱管進出口安裝有熱電阻(T)用于測量換熱流體進出口的溫度變化。整個反應(yīng)器被放置在一個65 mm厚的石棉保溫夾套內(nèi),同時換熱流體接管外也安裝了保溫棉以減少熱損失。所有溫度、壓力和流量數(shù)據(jù)采集到安捷倫數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34980A)后由工控機進行處理。實驗中采用的絕對壓力變送器滿量程為2 MPa,精度為±0.25%,熱電阻測量范圍為-200～300 ℃,測量精度為±(0.15 ℃+0.002|T|)。測量換熱流體流量的為兩臺玻璃轉(zhuǎn)子流量計,測量范圍分別為1～10 L/h和6～60 L/h,精度為±2.5%。

圖2 金屬氫化物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 活化過程

金屬氫化物材料使用前必須經(jīng)過活化,使其吸放氫性能逐漸提高并達到穩(wěn)定。在活化過程中,吸氫溫度設(shè)為30 ℃,供氫壓力設(shè)為1.2 MPa;放氫溫度設(shè)為65 ℃,放氫壓力設(shè)為0。圖3給出了隨著吸放氫反應(yīng)進行氫化物床層T1和T2處最高溫度的變化趨勢。因為前兩次吸氫反應(yīng)的反應(yīng)速率依然很小,床層溫度變化不明顯,所以圖3中只給出了第3次吸放氫循環(huán)之后的實驗結(jié)果。從圖3中可以發(fā)現(xiàn),隨著吸放氫循環(huán)次數(shù)的增加,吸氫過程中T1和T2處最高溫度逐漸升高,這是因為材料在活化過程中吸氫速率逐漸增大,使得放熱功率逐漸增大。但是,當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到8次以后,變化已經(jīng)很小,說明吸氫性能已比較穩(wěn)定,可以認為材料的活化過程已經(jīng)完成。

圖3 活化過程床層最高溫度變化

從圖3中可知,在前9次反應(yīng)循環(huán)中T1處的溫度比T2處要高一些,直到進行到10次之后兩者才比較接近。分析其原因,可能是因為材料活化過程是從反應(yīng)器底部到頂部逐漸完成的,當(dāng)循環(huán)到第10次時此區(qū)域材料才完成活化過程。LaNi5合金活化后即粉化為數(shù)微米到數(shù)十微米的粉末,導(dǎo)致反應(yīng)床層傳熱性能惡化[9]。粉末壓塊可能是解決這一問題的有效方法。Kim等采用鍍銅的鑭基儲氫合金粉末制成多孔壓塊,其有效導(dǎo)熱系數(shù)達到6 W/(m·K),經(jīng)過3 000次循環(huán)之后依然可以保持初始形狀而避免粉化[10]。

2.2 供氫壓力變化

下面的實驗中除非特別注明,否則操作參數(shù)設(shè)定為:換熱流體入口溫度和流量分別設(shè)為30 ℃和6 L/h,供氫壓力設(shè)為1.0 MPa。

圖4給出了不同供氫壓力下氫化物床層的溫度變化趨勢。從圖中可知,供氫壓力越高,床層T1和T2處的最高溫度越高。當(dāng)供氫壓力為1.0 MPa時,床層T1處的最高溫度為71.8 ℃,而當(dāng)供氫壓力下降到0.6 MPa時,床層最高溫度為56.6 ℃,大約下降了15.2 ℃。同樣,床層T2處的最高溫度為70.5 ℃,而當(dāng)供氫壓力下降到0.6 MPa時,床層最高溫度降低到56.4 ℃。這是因為吸氫反應(yīng)是放熱過程,反應(yīng)開始后床層溫度急劇升高,當(dāng)溫度升高到供氫壓力所對應(yīng)的平衡溫度后吸氫反應(yīng)停止,床層溫度不再升高,而供氫壓力越高則對應(yīng)的反應(yīng)平衡溫度越高,此床層最高溫度也會越高。圖4還顯示,供氫壓力升高后,床層溫度下降得更快速。這是因為床層溫度的升高使得反應(yīng)床與換熱流體之間的傳熱溫差增大,從而提高了傳熱效率,這就使得床層冷卻得更快。

(a)T1處

(b)T2處圖4 不同供氫壓力下的床層溫度變化

圖5給出了不同供氫壓力下?lián)Q熱流體出口溫度的變化趨勢。從圖中可知,供氫壓力越高則換熱流體出口溫度越高。究其原因,提高供氫壓力可以增大吸氫反應(yīng)的本征反應(yīng)速率,促進吸氫反應(yīng)進行,相應(yīng)地使得放熱功率更高。此外,供氫壓力越高則床層溫度越高,相應(yīng)地換熱流體出口溫度也會升高。不過從圖5還可以發(fā)現(xiàn),流體出口溫度升高的幅度是很小的,在供氫壓力為1.0 MPa時最高也僅僅升高了1.7 ℃,這與文獻[11]中的數(shù)值模擬結(jié)果是相一致的。這主要是由于此反應(yīng)器的床層導(dǎo)熱系數(shù)太低[12],使得反應(yīng)熱不能高效地傳遞給換熱流體,此外換熱流體與床層之間的換熱面積較小也是一個重要原因。還需要說明的是,圖5中的換熱流體溫度波動比較大,這是因為在實驗中為了能夠測量出流體溫度變化數(shù)據(jù),所設(shè)定的流量較小,因此其受到的外界影響較大使其波動較大,測量誤差也比較大。綜上所述,供氫壓力越高則反應(yīng)器的性能越好,不過壓力越高則反應(yīng)器加工成本越高,根據(jù)我國壓力容器分類方法限定在1.6 MPa以內(nèi)比較合理。

圖5 不同供氫壓力下的換熱流體出口溫度變化

2.3 換熱流體流量變化

圖6給出了不同換熱流體流量下床層T1和T2處溫度的變化趨勢。從圖中可知,當(dāng)換熱流體流量變化時,床層T1和T2處的最高溫度幾乎是沒有變化的。床層最高溫度取決于供氫壓力所對應(yīng)的吸氫反應(yīng)平衡溫度,是由供氫壓力決定的,因此換熱流體流量變化不會影響到床層T1和T2處的最高溫度。圖6顯示,換熱流體流量越大,則床層溫度降低得越快。這是因為隨著流量的增大,換熱管內(nèi)的流速增大了,根據(jù)傳熱學(xué)原理[13]可知,管內(nèi)換熱系數(shù)隨著流速增大而增大,因此最終導(dǎo)致床層冷卻更快。不過需要注意的是,當(dāng)換熱流體流量從6 L/h提高到60 L/h時,床層冷卻速率增加得很小。這是因為所研究反應(yīng)器床層導(dǎo)熱系數(shù)較低,而且氫化物與換熱管之間的接觸熱阻也較大,因此提高管內(nèi)換熱系數(shù)的強化效果是很有限的。

不同換熱流體流量下,換熱流體出口溫度的變化如圖7所示。圖7顯示,換熱流體流量越大則其出口溫度越低。這是因為隨著換熱流體流量增大單位質(zhì)量流體所能吸收的熱量減少,因此其出口溫度降低。需要指出的是,在流體流量更大時雖然流體出口溫度降低,但總的換熱功率是增大的。當(dāng)換熱流體的流量為60 L/h時,管內(nèi)的流速大約為1.3 m/s,這是換熱管內(nèi)流體常用的設(shè)計流速,但此時的流體溫升幅度低于0.5 ℃,是沒有利用價值的。因此,金屬氫化物反應(yīng)器換熱管內(nèi)流體流速取為換熱器設(shè)計的經(jīng)驗流速值可能是不恰當(dāng)?shù)?。不過測量結(jié)果說明了降低流體流量可以顯著提高流體出口溫度,這是后續(xù)研究需要考慮的優(yōu)化參數(shù)。

(a)T1處

(b)T2處圖6 不同換熱流體流量下的床層溫度變化

圖7 不同換熱流體流量下的流體出口溫度變化

2.4 氫氣流量變化

在截止閥V2和壓力變送器P(見圖1)之間管路安裝氣體質(zhì)量流量控制器(七星電子CS200A)后,可以精確地控制氫氣的供給流量。此氣體質(zhì)量流量控制器測量與控制范圍為0～30 L/h,精度為±1.5%。不同氫氣供給流量下,床層溫度變化如圖8所示。圖8顯示,與恒定壓力供氫相比,床層的最高溫度有所降低,最高僅僅為54.5 ℃,而且氫化反應(yīng)時間更長,當(dāng)氫氣流量取為最高的36 L/h時,至少需要13 ks才能反應(yīng)完成。從圖8可知,氫氣流量越高,床層最高溫度越高,氫化反應(yīng)越快。可以注意到的是,采用等氫氣流量供氫方式的床層溫度變化更平穩(wěn),而且通過改變氫氣流量可以控制放熱反應(yīng)過程,從而更好地適應(yīng)應(yīng)用場合的需要。

(a)T1處

(b)T2處圖8 不同氫氣供給流量下的床層溫度變化

當(dāng)需要放大反應(yīng)器尺寸時,氫化物床層厚度會增加,因而吸氫反應(yīng)時間會有所增加,但供氫壓力、換熱流體流量與氫氣流量變化對反應(yīng)器性能的影響規(guī)律不會改變,只是金屬氫化物床層溫度與換熱流體出口溫度數(shù)值會發(fā)生變化。

3 結(jié) 論

本文搭建了金屬氫化物反應(yīng)器性能測試平臺,測量了不同操作條件下反應(yīng)器內(nèi)床層溫度和換熱流體出口溫度的變化趨勢,所獲得的主要結(jié)論如下。

(1)床層最高溫度和換熱流體出口溫度隨著供氫壓力的增大而升高。當(dāng)供氫壓力從0.6 MPa提高到1.0 MPa時,床層的最高溫度從56.6 ℃提高到71.8 ℃。當(dāng)供氫壓力為1.0 MPa時,流體出口溫度最高為31.7 ℃。不過對于鑭基氫化物反應(yīng)器,考慮到加工成本與安全性等問題,供氫壓力最好限定在1.6 MPa以下。

(2)隨著換熱流體流量增大,床層T1和T2處的最高溫度幾乎是相同的,但床層冷卻逐漸加快,不過這種強化效果很有限。流體出口溫度升高幅度則隨著其流量增大而顯著降低。對于金屬氫化物熱泵反應(yīng)器,換熱流體設(shè)計流速取為換熱器設(shè)計的經(jīng)驗流速值可能是不恰當(dāng)?shù)?需要結(jié)合反應(yīng)器的特點優(yōu)化設(shè)計。

(3)等流量供氫方式與恒定壓力供氫方式相比,床層的最高溫度有所降低,而且氫化反應(yīng)時間更長。通過改變氫氣流量可以方便地控制放熱反應(yīng)過程,從而更好地適應(yīng)應(yīng)用場合的需要。

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(編輯 荊樹蓉)

Temperature Variation Characteristics of Metal Hydride Heat Pump Reactor in Hydrogen Adsorption

BAO Zewei1,YANG Fusheng2,WU Zhen2,ZHANG Zaoxiao2

(1. College of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2. School of Chemical Engineering and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In order to study the temperature variation of metal hydride heat pump reactor, an experimental setup for performance test of the heat pump reactor was built. The temperature variation of the hydride bed and heat transfer fluid in hydrogen adsorption reaction was measured. The experimental results show that both the maximum temperature of the hydride bed and outlet temperature of heat transfer fluid rise with the increase of the hydrogen supply pressure. When the hydrogen supply pressure increases from 0.6 MPa to 1.0 MPa, the maximum temperature of the bed rises from 56.6 to 71.8 ℃. Considering cost and safety, hydrogen supply pressure should be lower than 1.6 MPa for La-based metal hydride reactor. The higher the flow rate of heat transfer fluid is, the faster the bed temperature drops, but this heat transfer enhancement effect is very limited. When the fluid flow rate increases, the temperature rising magnitude of the fluid reduces remarkably, while the maximum temperature of the bed basically keeps unchanged. It can also be found that the higher the hydrogen injection flow rate is, the faster the hydrogen pressure in the reactor rises, resulting in faster hydrogenation reaction. The exothermic reaction process can be controlled by changing the hydrogen flow rate, thus more favorably meeting the demand for heat application.

metal hydride; reactor; heat pump; temperature variation

10.7652/xjtuxb201603012

2015-07-24。 作者簡介:鮑澤威(1985—),男,講師;張早校(通信作者),男,教授。 基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51106118);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2014SCU11022)。

時間:2015-12-08

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151208.1638.002.html

TQ052.5

:A

:0253-987X(2016)03-0076-05