金屬氫化物反應器吸氫過程的熱質傳遞特性分析

鮑澤威　楊福勝　吳震　張早校

金屬氫化物可以與氫氣發生可逆的化學反應，在儲氫、熱泵、蓄熱和氫氣熱壓縮等領域具有重要應用價值，金屬氫化物材料必須裝填在相應的反應器內才能實現其功能，金屬氫化物反應器是整個系統的核心部件，其設計和運行方式對上述系統的性能影響極大，因此，深刻理解反應器內熱質傳遞特性及其強化規律，提出有針對性的改進措施，對推動金屬氫化物的實際應用具有重要意義，考慮成本和安全性等因素，數值模擬是研究金屬氫化物反應器性能的有效方法，為此，國內外的研究者提出了很多金屬氫化物反應器模型，早在1983年，EI-Osery就建立了金屬氫化物反應器的一維模型，但此模型較簡單，只包含傳熱方程和反應動力學方程，Jemni等基于體積平均法建立了圓柱形反應器的二維模型，此模型更加嚴密，包括了氣固相傳熱方程、氣固相連續性方程、氣相傳質方程和反應動力學方程，并得到了實驗驗證，隨后，Aldas等把二維模型擴展到三維，其結果表明，在換熱壁面處吸氫反應比較快，而在中心區域則反應比較慢，王玉琪等提出了一種新型的環盤式金屬氫化物反應器，并采用有限容積法對反應器的非局部熱平衡模型進行了離散求解，模擬結果證明了新型反應器的工作過程較為快速和均勻，MacDonald等建立了金屬氫化物反應器的二維模型，此模型中采用了一維能量方程來描述換熱流體的溫度變化，Ye等建立了圓柱形金屬氫化物儲氫反應器的二維模型并采用有限差分方法進行求解，其結果表明：增大氫氣供給壓力和降低冷卻流體溫度，可以加速吸氫反應過程。