金屬氫化物熱泵在制冷中的應用

鮑宏宇　蘭少娟

摘 要：當前，工廠在生產的過程中往往存在大量的余熱浪費，金屬氫化物的出現在相當程度上改善了浪費狀況，有利于能源節約和環境保護。基于此，文章將對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行探究和分析。

關鍵詞：金屬氫化物;熱泵;制冷技術

金屬氫化物應用技術的一項重點內容是金屬氫化物化學熱泵，該技術能夠以工廠的低品位熱能為介質來制冷，對工廠自身的工作條件及其他環境條件加以改善，但是熱泵的造價相對較高，效率偏低，在實際應用中還存在著一些問題。

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推動氫氣的流動。金屬氫化物在同氫進行化學反應時，會產生相應的熱效應—放氫吸熱[1]。因此，在熱泵的實際工作中，為了確保反應的順利進行，需要不斷排除吸氫側的熱量，并且為放氫側提供足夠的熱能。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。用于化學熱泵的金屬氫化物需要大量的有效吸氫量，因為有效吸氫量會對所需的金屬氫化物的量產生直接影響，金屬氫化物的價格一般較高，因此在選擇時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，縮短循環操作的實際時間，以實現單位時間之內熱泵制冷量的提升。金屬氫化物在吸氫和放氫的環節中會出現粉化現象，粉化結果是使金屬氫化物的傳熱系數降低至與玻璃相近。金屬氫化物同氫之間反應時，會產生熱效應，為此，要及時提供所需熱量，取走多余熱量，確保反應的順利進行。氫化物粉化結果能夠在相當程度上減緩對熱量的供給和取走，因此，為了進一步加快熱泵的反應速度，必須不斷提升金屬氫化物的傳熱系數。主要有以下兩種方式：（1）對金屬氫化物自身的傳熱進行強化，盡可能避免氫化物發生粉化。（2）對金屬氫化物層的傳熱進行強化，目的在于通過增加金屬氫化物層的厚度來降低傳熱效果，主要是做好反應器的強化傳熱設計。

金屬氫化物自身傳熱研究的結果豐富了氫化物新的結構形狀，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程中出現粉化問題。流體狀金屬氫化物是將一定量的有機液體加入到氫化物的粉末中，獲得具有流動性的氫化物漿[2]。薄膜化金屬氫化物是通過離子濺射噴鍍以及離子擴散滲鍍的方式，將金屬氫化物支撐薄膜狀所獲得的。此外，非晶態的技術氫化物是通過液體急冷法制得的，其自身不具有粉化的特點。以上新的結構形態中，多孔狀氫化物壓塊的導熱效果更為優良，其壓制形狀可以根據實際需要進行相應改變，對合金原本的吸氫和放氫能力不會造成影響，并且還能夠較好地解決吸氫放氫循環過程中的粉化問題，因此，氫化物壓塊的實用價值相對較高，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，但是就當前的實際應用而言，其普及度仍然與氫化物壓塊存在差距。要想對金屬氫化物的傳熱系數進行提升，還可以通過對金屬氫化物反應器進行強化傳熱設計來實現，這也是當前世界競爭最為激烈的研究和開發領域之一。利用該技術制造的產品傳熱效果相當可觀，但是，就金屬氫化物層對冷卻水的平均傳熱系數而言，仍然有待改善和加強。總之，金屬氫化物反應器還有許多不同的結構形式，對于最佳的反應器而言，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

通過對金屬氫化物的吸氫和放氫特性進行有意識的改善，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曲線的平臺傾斜與其吸氫、放氫的可逆性直接相關，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。利用已開發的合金對其他元素進行置換或者添加，進而形成多元合金，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的可逆性帶來明顯改善，有效緩解反應出現滯后性的問題。此外，將不同特性的金屬氫化物混合使用，同樣可以對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，并且減弱反應之后的現象。

3 ? ?結語

綜上所述，金屬氫化物熱泵在制冷中具有十分可觀的應用前景，并且具有較高的經濟價值。對制冷型熱泵的技術研究與開發是一個關鍵的課題，要不斷擴展和優化其反應途徑，更為高效、經濟地應用于對金屬氫化物熱泵進行制冷。

[參考文獻]

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

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

作者簡介：鮑宏宇（1974— ），男，漢族，遼寧本溪人，學士;研究方向：制冷設備研發。