金属氢化物热泵空调制冷循环的研究

摘要

很多种合金都可以与氢反应生成金属氢化物，像稀土类这样的金属在与氢反应过程中产生的较高化学能可以被用来实现制冷或制热的功能。特别是在氟利昂类制冷工质退出历史舞台，各种各样新型的替代物不断涌现出来的今天，以金属氢化物为工质的热泵空调因其出色的环保和可利用低品位能源的性质，越来越受到人们的关注。目前，金属氢化物热泵空调正处于研发阶段，为了更好的指导样机的开发，应该首先进行完善的理论研究。 本文在介绍金属氢化物的特性的基础上，结合国内外现有的研究成果，分析了金属氢化物热泵空调循环的原理和特点，并指出了其在应用中存在的问题和需要改进的方向。在对金属氢化物反应的热力学和动力学性能研究进行了深入总结和分析之后，建立了金属氢化物制冷循环的动态集总参数法理论模型，利用一对金属氢化物MmNi4.5Al0.5/MmNi4.2Al0.1Fe0.7作为工质对进行模拟，得到了各个参数在整个循环过程中的动态参数变化情况。为了验证理论模型的正确性，搭建了以LaNi5/LaNi4.7Al0.3为工质对的金属氢化物制冷循环的实验台进行了验证性实验，测量了整个循环过程中的各步骤的反应时间及温度和压力的变化趋势，实验结果的变化趋势与理论模型的分析结果基本一致。通过改变输入参数的方法，利用模拟程序，对金属氢化物制冷循环效果产生影响的控制和输入因素进行了逐一分析，得到了各个参数对系统性能的影响趋势。根据参数分析的结果，对系统的参数进行优化后，在不改变工质对的条件下对制冷循环性能进行了重新计算。 结果表明，参数的优化能使制冷循环的效果大大提高。这些参数中，对制冷效果影响最大的是制冷过程时间和反应器的传热特性，由于制冷过程时间仅为控制因素，因而传热特性的提高才是金属氢化物反应器性能优化的关键。

目录

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第一章绪论

1.1金属氢化物热泵空调系统

1.2金属氢化物工质

1.2.1金属氢化物和氢的反应机理

1.2.2金属氢化物与氢反应的P-C-T特性

1.2.3金属氢化物和氢反应的热力学性质

1.2.4金属氢化物的和氢反应的动力学描述

1.2.5金属氢化物的种类与开发现状

1.2.6金属氢化物在热泵空调中的应用与存在的问题

1.2.7金属氢化物反应器

1.3金属氢化物热泵空调循环的分类

1.4金属氢化物热泵空调系统的工作原理

1.5金属氢化物热泵空调的特点

1.6金属氢化物热泵空调的性能评价标准

1.7金属氢化物对的选择

1.8国内外研究开发情况

1.9金属氢化物热泵空调研究中存在的问题

1.10本课题的研究内容和意义

1.11本章小结

第二章 金属氢化物制冷循环系统的理论集总参数模型研究

2.1模型的建立

2.2反应器系统的控制方程

2.2.1传质方程

2.2.2传热方程

2.2.3氢气管路系统的数学模型

2.2.4整个系统的数学模型

2.3集总参数模型的数值解法

2.4制冷循环的性能模拟

2.5性能参数的计算

2.6本章小结

第三章 金属氢化物制冷循环实验台的建立

3.1实验台的研究内容

3.2氢化物对的选择

3.3氢化物反应温度的选择

3.4实验台设计

3.5实验步骤

3.6本章小结

第四章 理论计算及实验结果分析

4.1理论计算结果分析

4.2实验结果分析

4.2.1制冷量的测定

4.2.2反应器内压力变化及壁温变化

4.2.3实验结果准确性影响因素分析

4.3本章小结

第五章 各参数对系统整体性能的影响

5.1制冷过程持续时间

5.2高温热源温度

5.3中温热源温度

5.4氢化物反应器的传热性能

5.5换热流体流量比

5.6反应器的热容量

5.7氢化物的特性

5.8系统参数的优化

5.9本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录符号说明

发表论文和参加科研情况说明

致 谢