金属氢化物热泵在制冷中的应用

鲍宏宇　兰少娟

摘 要：当前，工厂在生产的过程中往往存在大量的余热浪费，金属氢化物的出现在相当程度上改善了浪费状况，有利于能源节约和环境保护。基于此，文章将对金属氢化物热泵的制冷原理、提高热泵制冷效率的可能性措施进行探究和分析。

关键词：金属氢化物;热泵;制冷技术

金属氢化物应用技术的一项重点内容是金属氢化物化学热泵，该技术能够以工厂的低品位热能为介质来制冷，对工厂自身的工作条件及其他环境条件加以改善，但是热泵的造价相对较高，效率偏低，在实际应用中还存在着一些问题。

1    金属氢化物热泵的制冷原理

金属氢化物热泵由两种相同温度之下具有不同离解压的金属氢化物组合而成，利用两种氢化物的离解压差来推动氢气的流动。金属氢化物在同氢进行化学反应时，会产生相应的热效应—放氢吸热[1]。因此，在热泵的实际工作中，为了确保反应的顺利进行，需要不断排除吸氢侧的热量，并且为放氢侧提供足够的热能。金属氢化物热泵包括3种操作方式：温度提高型、热量获得型、制冷型。用于化学热泵的金属氢化物需要大量的有效吸氢量，因为有效吸氢量会对所需的金属氢化物的量产生直接影响，金属氢化物的价格一般较高，因此在选择时要尽量使用吸氢量较大的金属氢化物，从而减少热泵所需要的氢化物，在更大程度上减少热泵的制造成本。

2    提高热泵制冷效率的可能性措施

2.1  强化金属氢化物的传热

提升金属氢化物的传热能力主要是为了提高金属氢化物的吸氢和放氢速率，缩短循环操作的實际时间，以实现单位时间之内热泵制冷量的提升。金属氢化物在吸氢和放氢的环节中会出现粉化现象，粉化结果是使金属氢化物的传热系数降低至与玻璃相近。金属氢化物同氢之间反应时，会产生热效应，为此，要及时提供所需热量，取走多余热量，确保反应的顺利进行。氢化物粉化结果能够在相当程度上减缓对热量的供给和取走，因此，为了进一步加快热泵的反应速度，必须不断提升金属氢化物的传热系数。主要有以下两种方式：（1）对金属氢化物自身的传热进行强化，尽可能避免氢化物发生粉化。（2）对金属氢化物层的传热进行强化，目的在于通过增加金属氢化物层的厚度来降低传热效果，主要是做好反应器的强化传热设计。

金属氢化物自身传热研究的结果丰富了氢化物新的结构形状，其中，多孔状金属氢化物压块是将金属氢化物的粉末同Cu，Al，Ni等粉末混合，并压制成块状，以防止在吸氢和放氢的过程中出现粉化问题。流体状金属氢化物是将一定量的有机液体加入到氢化物的粉末中，获得具有流动性的氢化物浆[2]。薄膜化金属氢化物是通过离子溅射喷镀以及离子扩散渗镀的方式，将金属氢化物支撑薄膜状所获得的。此外，非晶态的技术氢化物是通过液体急冷法制得的，其自身不具有粉化的特点。以上新的结构形态中，多孔状氢化物压块的导热效果更为优良，其压制形状可以根据实际需要进行相应改变，对合金原本的吸氢和放氢能力不会造成影响，并且还能够较好地解决吸氢放氢循环过程中的粉化问题，因此，氢化物压块的实用价值相对较高，更加适用于制冷型热泵。除此之外，流体状金属氢化物也同样适用于热泵，传热效果较高，但是就当前的实际应用而言，其普及度仍然与氢化物压块存在差距。要想对金属氢化物的传热系数进行提升，还可以通过对金属氢化物反应器进行强化传热设计来实现，这也是当前世界竞争最为激烈的研究和开发领域之一。利用该技术制造的产品传热效果相当可观，但是，就金属氢化物层对冷却水的平均传热系数而言，仍然有待改善和加强。总之，金属氢化物反应器还有许多不同的结构形式，对于最佳的反应器而言，一定要保证其具有最大的传热面积、最大的金属氢化物填充体积以及最小的热容量，进而在最大程度上提高吸氢和放氢的速率。

2.2  改善金属氢化物的吸氢、放氢特性

通过对金属氢化物的吸氢和放氢特性进行有意识的改善，不仅可以提高热泵的COP值，还可以提高氢化物的有效吸氢量。金属氢化物P-C-T曲线的平台倾斜与其吸氢、放氢的可逆性直接相关，倾斜越小，可逆性越高，并且COP的值同金属氢化物的有效吸氢量成正比，金属氢化物的有效吸氢量与所使用的合金量成反比。利用已开发的合金对其他元素进行置换或者添加，进而形成多元合金，是一种十分有效的改善金属氢化物性能途径。在置换后，可以为合金与氢反应的可逆性带来明显改善，有效缓解反应出现滞后性的问题。此外，将不同特性的金属氢化物混合使用，同样可以对金属氢化物的吸氢和放氢特性起到较大的改善作用，有效提高氢化物的吸氢量，并且减弱反应之后的现象。

3    结语

综上所述，金属氢化物热泵在制冷中具有十分可观的应用前景，并且具有较高的经济价值。对制冷型热泵的技术研究与开发是一个关键的课题，要不断扩展和优化其反应途径，更为高效、经济地应用于对金属氢化物热泵进行制冷。

[参考文献]

[1]周承商，刘煌，刘咏.金属氢化物热能储存及其研究进展[J].粉末冶金材料科学与工程，2019（5）：391-399.

[2]王文琪.浅析空调制冷的物理学原理[J].中学物理教学参考，2018（24）：32-33.

作者简介：鲍宏宇（1974— ），男，汉族，辽宁本溪人，学士;研究方向：制冷设备研发。