多种金属或合金可与氢气发生可逆反应,其产物统称为金属氢化物。利用该反应热量的金属氢化物热泵(MHHP)可实现升温、增热和制冷等多种目的,系统可完全由热量驱动,具有环境友好、工作范围宽等多种优点,特别是在中低温废热回收方面显示了很大的应用潜力。为改善热泵系统的性能、推动其应用发展,本文针对给定工作条件下的升温型MHHP进行了全面的优化研究,主要内容包括:(1)提出了一种基于两步法思路的热泵配对合金筛选步骤,在保证技术可行的基础上强调了系统的综合性能。第一步以工作温度下的氢化/脱氢平衡压力水平为依据,采用演绎法对耦合反应过程的压差推动力进行了分析,将单级循环自然地推广到两级循环,得到可行的配对合金完备集。第二步则是围绕着性能系数(COP)、单位质量合金输出功率(SHP)等指标展开的,首先通过热力学计算得到各组可行配对的单项指标值,进而用多准则决策中常用的层次分析法(AHP)加以综合,选择出最优的一组配对。(2)建立了装填LaNi5的金属氢化物反应器氢化/脱氢过程的二维动态数学模型,通过商业软件COMSOL Multiphysics 3.5a实现求解并进行了数值验证。以常用的管式反应器为例,讨论了床层通过泡沫铝或压块等方式进行强化传热的影响。数值模拟和热力学分析结合的计算结果表明,进行强化传热处理后,反应在整个床层内进行得更趋均匀,这对于系统操作较为有利;由于附加热容造成的显热损失,热泵系统的COP略有降低(<3%);强化传热提高了实际反应速度,循环时间大为缩短,SHP明显增大,因此综合效果是正面的。在宽广的操作压力范围(0.3~1.1MPa)内床层强化传热都可以显著改善反应速度,但当外部对流传热条件恶化时这种效果将有一定程度的削弱。(3)金属氢化物反应器氢化/脱氢是典型的多物理耦合过程,实际反应速度常受传递特别是传热过程制约。本文通过理论推导定义了传热控制反应速率rh和传质控制反应速率rm两个特征参数,包含了多种设计和操作条件的作用,其数值可通过简单的代数计算得到。比较rh、rm与本征反应速度rk的大小即可判断耦合过程的控制环节,并对实际反应速度作出粗略的估计。论文分别通过参数分析和数值模拟讨论了反应器形式(管式/盘式/环盘式)、设计参数(床层厚度/氢管直径)、操作参数(流体温度/外加压力)等对实际反应速度的影响,比较结果显示两者的结论是定性一致的。(4)在单反应器模型的基础上扩展、完善,建立了升温型热泵系统循环工作过程的动态数学模型,耦合反应器分别装填了LaNi5和LaNi4.7Al0.3材料,床层采用泡沫铝强化传热。模型全面地考虑了影响热泵工作的各种因素,包括耦合反应器的相互作用、分布及各向异性物性的影响、壁面及床层的流量连续、预冷/预热过程中的局部反应等。模型方程的离散求解是基于经典的有限容积法(FVM)实现的,整体步骤类似不可压缩流动中的SIMPLE类算法,但本文中的氢气具有弱可压缩性,因此压力修正值同时用于密度和速度修正。编程计算与文献实验数据的比较显示,本文模型具有较高精度,可以用于实际系统的分析和优化。(5)氢化物材料反应分数和温度的变化情况对容器的受力和材料的循环寿命具有影响,因此获取系统工作过程中的相关信息是重要的。本文进行了多次热泵工作循环的模拟计算,结果显示反应和传热在床层内进行得并不均匀,但局部状态都呈明显的周期性变化;床层外侧靠近流体进口的位置反应很快,而其它位置的反应则进行较慢。装填LaNi5和LaNi4.7Al0.3的反应器的分布特性也有所差别:前者在预热/预冷过程中发生了明显的局部反应,床层个别位置的反应分数变化幅度很大(~0.8),可能造成应力集中问题;而后者局部反应不显著,床层各处反应分数的变化幅度相差很小。(6)在COP和SHP之外增加了平均升温幅度和输出标准差两个体现输出特性的性能指标,通过设计和操作参数的敏感度分析对升温型热泵系统的性能进行了深入的分析和讨论。模拟结果显示,对于COP指标而言影响最大的是循环转移氢量,两者之间成正比;其次是与显热损失有关的因素,包括壁面材料、操作温度等,当显热损失增大时性能系数将会降低;其它因素如初始反应分数等影响很小。对于SHP指标而言,当循环转移氢量一定时其变化趋势很大程度上决定于循环时间,时间越短则其值越高,其它因素的影响相对较弱。平均升温幅度和输出标准差两个指标的变化趋势具有很大的一致性,一般当前者增加时后者也随之增加,即输出的波动幅度变大。通过上述工作内容的开展,本文构建了升温型金属氢化物热泵系统优化设计的工作框架。研究有助于人们更深刻地理解氢化物反应体系多物理耦合的复杂特征,提出的理论方法和模拟结论可望在金属氢化物热泵开发的工程实践中发挥指导作用。