Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Afișează un carusel de trei diapozitive simultan.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
Hidrururile metalice (MH) sunt recunoscute ca una dintre cele mai potrivite grupuri de materiale pentru stocarea hidrogenului datorită capacității lor mari de stocare a hidrogenului, presiunii scăzute de funcționare și siguranței ridicate.Cu toate acestea, cinetica lor lentă de absorbție a hidrogenului reduce foarte mult performanța de stocare.Eliminarea mai rapidă a căldurii din depozitul MH ar putea juca un rol important în creșterea ratei de absorbție a hidrogenului, ceea ce duce la îmbunătățirea performanței de stocare.În acest sens, acest studiu a avut ca scop îmbunătățirea caracteristicilor transferului de căldură pentru a influența pozitiv rata de absorbție a hidrogenului a sistemului de stocare MH.Noua bobină semicilindrică a fost mai întâi dezvoltată și optimizată pentru stocarea hidrogenului și încorporată ca schimbător intern de aer ca și căldură (HTF).Pe baza diferitelor dimensiuni de pas, efectul noii configurații a schimbătorului de căldură este analizat și comparat cu geometria bobinei elicoidale convenționale.În plus, parametrii de funcționare ai stocării MG și GTP au fost studiați numeric pentru a obține valori optime.Pentru simularea numerică, se folosește ANSYS Fluent 2020 R2.Rezultatele acestui studiu arată că performanța unui rezervor de stocare MH poate fi îmbunătățită semnificativ prin utilizarea unui schimbător de căldură cu serpentine semicilindrice (SCHE).În comparație cu schimbătoarele de căldură spiralate convenționale, durata de absorbție a hidrogenului este redusă cu 59%.Cea mai mică distanță dintre bobinele SCHE a dus la o reducere cu 61% a timpului de absorbție.În ceea ce privește parametrii de funcționare ai stocării MG folosind SHE, toți parametrii selectați conduc la o îmbunătățire semnificativă a procesului de absorbție a hidrogenului, în special a temperaturii la intrarea în HTS.
Există o tranziție globală de la energia bazată pe combustibili fosili la energia regenerabilă.Deoarece multe forme de energie regenerabilă furnizează energie într-o manieră dinamică, stocarea energiei este necesară pentru a echilibra sarcina.Stocarea energiei pe bază de hidrogen a atras multă atenție în acest scop, mai ales că hidrogenul poate fi folosit ca combustibil alternativ „verde” și purtător de energie datorită proprietăților și portabilității sale.În plus, hidrogenul oferă și un conținut de energie mai mare pe unitatea de masă în comparație cu combustibilii fosili2.Există patru tipuri principale de stocare a energiei cu hidrogen: stocarea gazelor comprimate, stocarea subterană, stocarea lichidelor și stocarea solidelor.Hidrogenul comprimat este principalul tip utilizat în vehiculele cu celule de combustibil, cum ar fi autobuzele și stivuitoarele.Cu toate acestea, această stocare oferă o densitate în vrac scăzută a hidrogenului (aproximativ 0,089 kg/m3) și are probleme de siguranță asociate cu presiunea ridicată de funcționare3.Pe baza unui proces de conversie la temperatură și presiune ambientală scăzută, depozitul de lichid va stoca hidrogenul sub formă lichidă.Cu toate acestea, atunci când este lichefiat, se pierde aproximativ 40% din energie.În plus, se știe că această tehnologie consumă mai mult energie și forță de muncă în comparație cu tehnologiile de stocare în stare solidă4.Stocarea solidă este o opțiune viabilă pentru o economie a hidrogenului, care stochează hidrogen prin încorporarea hidrogenului în materiale solide prin absorbție și eliberarea hidrogenului prin desorbție.Hidrura metalică (MH), o tehnologie de stocare a materialelor solide, este de interes recent în aplicațiile pilelor de combustie datorită capacității sale mari de hidrogen, presiunii scăzute de operare și costului scăzut în comparație cu stocarea lichidelor și este potrivită pentru aplicații staționare și mobile6,7 În În plus, materialele MH oferă, de asemenea, proprietăți de siguranță, cum ar fi depozitarea eficientă de capacitate mare8.Cu toate acestea, există o problemă care limitează productivitatea MG: conductivitatea termică scăzută a reactorului MG duce la absorbția și desorbția lentă a hidrogenului.
Transferul adecvat de căldură în timpul reacțiilor exoterme și endoterme este cheia îmbunătățirii performanței reactoarelor MH.Pentru procesul de încărcare cu hidrogen, căldura generată trebuie îndepărtată din reactor pentru a controla fluxul de încărcare cu hidrogen la debitul dorit cu capacitate maximă de stocare.În schimb, căldura este necesară pentru a crește rata de degajare a hidrogenului în timpul descărcării.Pentru a îmbunătăți performanța transferului de căldură și masă, mulți cercetători au studiat proiectarea și optimizarea pe mai mulți factori, cum ar fi parametrii de funcționare, structura MG și optimizarea MG11.Optimizarea MG se poate face prin adăugarea de materiale cu conductivitate termică ridicată, cum ar fi metalele spumante, la straturile MG 12,13.Astfel, conductivitatea termică efectivă poate fi crescută de la 0,1 la 2 W/mK10.Cu toate acestea, adăugarea de materiale solide reduce semnificativ puterea reactorului MN.În ceea ce privește parametrii de funcționare, îmbunătățirile pot fi obținute prin optimizarea condițiilor inițiale de funcționare a stratului MG și a lichidului de răcire (HTF).Structura MG poate fi optimizată datorită geometriei reactorului și designului schimbătorului de căldură.În ceea ce privește configurația schimbătorului de căldură reactor MH, metodele pot fi împărțite în două tipuri.Acestea sunt schimbătoare de căldură interne încorporate în stratul MO și schimbătoare de căldură externe care acoperă stratul MO, cum ar fi aripioare, mantale de răcire și băi de apă.În ceea ce privește schimbătorul de căldură extern, Kaplan16 a analizat funcționarea reactorului MH, folosind apa de răcire ca manta pentru a reduce temperatura din interiorul reactorului.Rezultatele au fost comparate cu un reactor cu 22 de aripioare rotunde și un alt reactor răcit prin convecție naturală.Ei afirmă că prezența unei cămașe de răcire reduce semnificativ temperatura MH, crescând astfel rata de absorbție.Studiile numerice ale reactorului MH cu manta de apă de către Patil și Gopal17 au arătat că presiunea de alimentare cu hidrogen și temperatura HTF sunt parametri cheie care influențează rata de absorbție și desorbție a hidrogenului.
Creșterea zonei de transfer de căldură prin adăugarea de aripioare și schimbătoare de căldură încorporate în MH este cheia pentru îmbunătățirea performanței de transfer de căldură și de masă și, prin urmare, performanța de stocare a MH18.Mai multe configurații interne de schimbător de căldură (tub drept și serpentină spirală) au fost proiectate pentru a circula lichidul de răcire în reactorul MH19,20,21,22,23,24,25,26.Folosind un schimbător de căldură intern, lichidul de răcire sau de încălzire va transfera căldură locală în interiorul reactorului MH în timpul procesului de adsorbție a hidrogenului.Raju și Kumar [27] au folosit mai multe tuburi drepte ca schimbătoare de căldură pentru a îmbunătăți performanța MG.Rezultatele lor au arătat că timpii de absorbție au fost redusi atunci când tuburile drepte au fost folosite ca schimbătoare de căldură.În plus, utilizarea tuburilor drepte scurtează timpul de desorbție a hidrogenului28.Debitele mai mari de lichid de răcire cresc viteza de încărcare și descărcare a hidrogenului29.Cu toate acestea, creșterea numărului de tuburi de răcire are un efect pozitiv asupra performanței MH mai degrabă decât asupra debitului de lichid de răcire30,31.Raju et al.32 au folosit LaMi4.7Al0.3 ca material MH pentru a studia performanța schimbătoarelor de căldură cu mai multe tuburi în reactoare.Ei au raportat că parametrii de funcționare au avut un efect semnificativ asupra procesului de absorbție, în special presiunea de alimentare și apoi debitul HTF.Cu toate acestea, temperatura de absorbție s-a dovedit a fi mai puțin critică.
Performanța reactorului MH este îmbunătățită și mai mult prin utilizarea unui schimbător de căldură spiralat datorită transferului de căldură îmbunătățit în comparație cu tuburile drepte.Acest lucru se datorează faptului că ciclul secundar poate elimina mai bine căldura din reactor25.În plus, tuburile spiralate oferă o suprafață mare pentru transferul de căldură de la stratul MH la lichidul de răcire.Când această metodă este introdusă în interiorul reactorului, distribuția tuburilor de schimb de căldură este de asemenea mai uniformă33.Wang şi colab.34 au studiat efectul duratei absorbției hidrogenului prin adăugarea unei bobine elicoidale la un reactor MH.Rezultatele lor arată că pe măsură ce coeficientul de transfer de căldură al lichidului de răcire crește, timpul de absorbție scade.Wu şi colab.25 a investigat performanța reactoarelor MH pe bază de Mg2Ni și a schimbătoarelor de căldură cu serpentină.Studiile lor numerice au arătat o reducere a timpului de reacție.Îmbunătățirea mecanismului de transfer de căldură în reactorul MN se bazează pe un raport mai mic dintre pasul șurubului și pasul șurubului și un pas fără dimensiune a șurubului.Un studiu experimental realizat de Mellouli et al.21 folosind o bobină spiralată ca schimbător de căldură intern a arătat că temperatura de pornire a HTF are un efect semnificativ asupra îmbunătățirii absorbției hidrogenului și a timpului de desorbție.Combinații de diferite schimbătoare de căldură interne au fost realizate în mai multe studii.Eisapur și colab.35 au studiat stocarea hidrogenului folosind un schimbător de căldură spiralat cu tub de retur central pentru a îmbunătăți procesul de absorbție a hidrogenului.Rezultatele lor au arătat că tubul spiralat și tubul de retur central îmbunătățesc semnificativ transferul de căldură între lichid de răcire și MG.Pasul mai mic și diametrul mai mare al tubului spirală măresc rata de transfer de căldură și masă.Ardahaie et al.36 au folosit tuburi spiralate plate ca schimbătoare de căldură pentru a îmbunătăți transferul de căldură în interiorul reactorului.Ei au raportat că durata de absorbție a fost redusă prin creșterea numărului de planuri tubulare spiralate aplatizate.Combinații de diferite schimbătoare de căldură interne au fost realizate în mai multe studii.Dhau et al.37 a îmbunătățit performanța MH folosind un schimbător de căldură cu serpentină și aripioare.Rezultatele lor arată că această metodă reduce timpul de umplere cu hidrogen cu un factor de 2 în comparație cu carcasa fără aripioare.Aripioarele inelare sunt combinate cu tuburi de răcire și încorporate în reactorul MN.Rezultatele acestui studiu arată că această metodă combinată oferă un transfer de căldură mai uniform în comparație cu reactorul MH fără aripioare.Cu toate acestea, combinarea diferitelor schimbătoare de căldură va afecta negativ greutatea și volumul reactorului MH.Wu et al.18 au comparat diferite configurații ale schimbătoarelor de căldură.Acestea includ tuburi drepte, aripioare și spirale.Autorii raportează că bobinele spiralate oferă cele mai bune îmbunătățiri în transferul de căldură și masă.În plus, în comparație cu tuburile drepte, tuburile spiralate și tuburile drepte combinate cu tuburile spiralate, bobinele duble au un efect mai bun asupra îmbunătățirii transferului de căldură.Un studiu realizat de Sekhar et al.40 a arătat că o îmbunătățire similară a absorbției hidrogenului a fost obținută folosind o bobină spirală ca schimbător de căldură intern și o manta de răcire externă cu aripioare.
Dintre exemplele menționate mai sus, utilizarea serpentinelor spiralate ca schimbătoare de căldură interne oferă îmbunătățiri mai bune ale transferului de căldură și de masă decât alte schimbătoare de căldură, în special tuburi drepte și aripioare.Prin urmare, scopul acestui studiu a fost dezvoltarea în continuare a spiralei pentru a îmbunătăți performanța transferului de căldură.Pentru prima dată, a fost dezvoltată o nouă bobină semicilindrica pe baza bobinei elicoidale convenționale de stocare MH.Se așteaptă ca acest studiu să îmbunătățească performanța de stocare a hidrogenului prin luarea în considerare a unui nou design de schimbător de căldură cu un aspect mai bun al zonei de transfer de căldură oferit de un volum constant de pat MH și tuburi HTF.Performanța de stocare a acestui nou schimbător de căldură a fost apoi comparată cu schimbătoarele de căldură convenționale cu serpentine spiralate bazate pe diferite pasi ale bateriei.Conform literaturii existente, condițiile de funcționare și distanța dintre bobine sunt principalii factori care afectează performanța reactoarelor MH.Pentru a optimiza proiectarea acestui nou schimbător de căldură, a fost investigat efectul distanței bobinelor asupra timpului de absorbție a hidrogenului și volumului MH.În plus, pentru a înțelege relația dintre noile bobine semi-cilindrice și condițiile de funcționare, un scop secundar al acestui studiu a fost studierea caracteristicilor reactorului în funcție de diferite game de parametri de funcționare și determinarea valorilor adecvate pentru fiecare funcționare. modul.parametru.
Performanța dispozitivului de stocare a energiei cu hidrogen în acest studiu este investigată pe baza a două configurații de schimbător de căldură (inclusiv tuburi spiralate în cazurile 1 până la 3 și tuburi semicilindrice în cazurile 4 până la 6) și o analiză de sensibilitate a parametrilor de funcționare.Operabilitatea reactorului MH a fost testată pentru prima dată folosind un tub spiralat ca schimbător de căldură.Atât conducta de ulei de răcire, cât și vasul reactorului MH sunt realizate din oțel inoxidabil.Trebuie remarcat faptul că dimensiunile reactorului MG și diametrul conductelor GTF au fost constante în toate cazurile, în timp ce dimensiunile treptelor GTF au variat.Această secțiune analizează efectul dimensiunii pasului bobinelor HTF.Înălțimea și diametrul exterior al reactorului au fost de 110 mm și, respectiv, 156 mm.Diametrul conductei de ulei termoconductoare este setat la 6 mm.Consultați Secțiunea suplimentară pentru detalii despre schema circuitului reactorului MH cu tuburi spiralate și două tuburi semicilindrice.
Pe fig.1a prezintă reactorul cu tub spiralat MH și dimensiunile acestuia.Toți parametrii geometrici sunt dați în tabel.1. Volumul total al helixului și volumul ZG sunt de aproximativ 100 cm3 și, respectiv, 2000 cm3.Din acest reactor MH, aer sub formă de HTF a fost alimentat în reactorul MH poros de dedesubt printr-un tub spiralat, iar hidrogenul a fost introdus de pe suprafața superioară a reactorului.
Caracterizarea geometriilor selectate pentru reactoare cu hidrură metalică.a) cu un schimbător de căldură tubular spiral, b) cu un schimbător de căldură tubular semicilindric.
A doua parte examinează funcționarea reactorului MH bazat pe un tub semicilindric ca schimbător de căldură.Pe fig.1b prezintă reactorul MN cu două tuburi semicilindrice și dimensiunile acestora.Tabelul 1 enumeră toți parametrii geometrici ai țevilor semicilindrice, care rămân constanți, cu excepția distanței dintre ele.Trebuie remarcat faptul că tubul semicilindric din cazul 4 a fost proiectat cu un volum constant de tub HTF și aliaj MH în tubul spiralat (opțiunea 3).Cât despre fig.1b, aer a fost introdus și din partea inferioară a celor două tuburi HTF semicilindrice, iar hidrogenul a fost introdus din direcția opusă reactorului MH.
Datorită noului design al schimbătorului de căldură, scopul acestei secțiuni este de a determina valorile inițiale adecvate pentru parametrii de funcționare ai reactorului MH în combinație cu SCHE.În toate cazurile, aerul a fost folosit ca lichid de răcire pentru a îndepărta căldura din reactor.Dintre uleiurile de transfer de căldură, aerul și apa sunt în mod obișnuit alese ca uleiuri de transfer de căldură pentru reactoarele MH datorită costului scăzut și impactului redus asupra mediului.Datorită intervalului ridicat de temperatură de funcționare a aliajelor pe bază de magneziu, aerul a fost ales ca lichid de răcire în acest studiu.În plus, are și caracteristici de curgere mai bune decât alte metale lichide și săruri topite41.Tabelul 2 enumeră proprietățile aerului la 573 K. Pentru analiza sensibilității din această secțiune, sunt aplicate numai cele mai bune configurații ale opțiunilor de performanță MH-SCHE (în cazurile de la 4 la 6).Estimările din această secțiune se bazează pe diferiți parametri de funcționare, inclusiv temperatura inițială a reactorului MH, presiunea de încărcare a hidrogenului, temperatura de intrare a HTF și numărul Reynolds calculat prin modificarea ratei HTF.Tabelul 3 conține toți parametrii de funcționare utilizați pentru analiza sensibilității.
Această secțiune descrie toate ecuațiile de control necesare pentru procesul de absorbție a hidrogenului, turbulența și transferul de căldură al lichidelor de răcire.
Pentru a simplifica soluția reacției de absorbție a hidrogenului, sunt făcute și furnizate următoarele ipoteze;
În timpul absorbției, proprietățile termofizice ale hidrogenului și hidrurilor metalice sunt constante.
Hidrogenul este considerat un gaz ideal, deci se iau în considerare condițiile de echilibru termic local43,44.
unde \({L}_{gaz}\) este raza rezervorului și \({L}_{căldură}\) este înălțimea axială a rezervorului.Când N este mai mic de 0,0146, debitul de hidrogen din rezervor poate fi ignorat în simulare fără erori semnificative.Conform cercetărilor actuale, N este mult mai mic decât 0,1.Prin urmare, efectul gradientului de presiune poate fi neglijat.
Pereții reactorului au fost bine izolați în toate cazurile.Prin urmare, nu există schimb de căldură 47 între reactor și mediu.
Este bine cunoscut faptul că aliajele pe bază de Mg au caracteristici bune de hidrogenare și capacitate mare de stocare a hidrogenului de până la 7,6% în greutate8.În ceea ce privește aplicațiile de stocare a hidrogenului în stare solidă, aceste aliaje sunt cunoscute și ca materiale ușoare.În plus, au rezistență excelentă la căldură și procesabilitate bună8.Printre mai multe aliaje pe bază de Mg, aliajul MgNi pe bază de Mg2Ni este una dintre cele mai potrivite opțiuni pentru stocarea MH datorită capacității sale de stocare a hidrogenului de până la 6% în greutate.Aliajele Mg2Ni oferă, de asemenea, o cinetică de adsorbție și desorbție mai rapidă în comparație cu aliajul MgH48.Prin urmare, Mg2Ni a fost ales ca material hidrură metalică în acest studiu.
Ecuația energiei este exprimată ca 25 pe baza echilibrului termic dintre hidrogen și hidrura de Mg2Ni:
X este cantitatea de hidrogen absorbită pe suprafața metalului, unitatea este \(greutatea\%\), calculată din ecuația cinetică \(\frac{dX}{dt}\) în timpul absorbției, după cum urmează49:
unde \({C}_{a}\) este viteza de reacție și \({E}_{a}\) este energia de activare.\({P}_{a,eq}\) este presiunea de echilibru în interiorul reactorului cu hidrură metalică în timpul procesului de absorbție, dată de ecuația van't Hoff după cum urmează25:
Unde \({P}_{ref}\) este presiunea de referință de 0,1 MPa.\(\Delta H\) și \(\Delta S\) sunt entalpia și, respectiv, entropia reacției.Proprietățile aliajelor Mg2Ni și hidrogen sunt prezentate în tabel.4. Lista numită poate fi găsită în secțiunea suplimentară.
Fluxul fluidului este considerat turbulent deoarece viteza și numărul Reynolds (Re) sunt 78,75 ms-1 și, respectiv, 14000.În acest studiu, a fost ales un model de turbulență k-ε realizabil.Se observă că această metodă oferă o precizie mai mare în comparație cu alte metode k-ε și, de asemenea, necesită mai puțin timp de calcul decât metodele RNG k-ε50,51.Consultați Secțiunea suplimentară pentru detalii despre ecuațiile de bază pentru fluidele de transfer de căldură.
Inițial, regimul de temperatură în reactorul MN a fost uniform, iar concentrația medie de hidrogen a fost de 0,043.Se presupune că granița exterioară a reactorului MH este bine izolată.Aliajele pe bază de magneziu necesită în mod obișnuit temperaturi ridicate de funcționare de reacție pentru a stoca și elibera hidrogenul în reactor.Aliajul Mg2Ni necesită un interval de temperatură de 523–603 K pentru o absorbție maximă și un interval de temperatură de 573–603 K pentru o desorbție completă52.Totuși, studii experimentale ale lui Muthukumar și colab.53 au arătat că capacitatea maximă de stocare a Mg2Ni pentru stocarea hidrogenului poate fi atinsă la o temperatură de funcționare de 573 K, ceea ce corespunde capacității sale teoretice.Prin urmare, temperatura de 573 K a fost aleasă ca temperatură inițială a reactorului MN în acest studiu.
Creați diferite dimensiuni de grilă pentru validare și rezultate fiabile.Pe fig.2 arată temperatura medie în locații selectate în procesul de absorbție a hidrogenului din patru elemente diferite.Este de remarcat faptul că doar un caz din fiecare configurație este selectat pentru a testa independența rețelei datorită geometriei similare.Aceeași metodă de plasare se aplică și în alte cazuri.Prin urmare, alegeți opțiunea 1 pentru țeava spirală și opțiunea 4 pentru țeavă semicilindrică.Pe fig.2a, b arată temperatura medie în reactor pentru opțiunile 1 și, respectiv, 4.Cele trei locații selectate reprezintă contururile temperaturii patului în partea de sus, mijloc și inferioară a reactorului.Pe baza contururilor de temperatură din locațiile selectate, temperatura medie devine stabilă și prezintă o mică schimbare în elementele cu numerele 428.891 și 430.599 pentru cazurile 1 și, respectiv, 4.Prin urmare, aceste dimensiuni ale grilei au fost alese pentru calcule computaționale ulterioare.Informații detaliate despre temperatura medie a patului pentru procesul de absorbție a hidrogenului pentru diferite dimensiuni de celule și rețele rafinate succesiv pentru ambele cazuri sunt date în secțiunea suplimentară.
Temperatura medie a patului în punctele selectate în procesul de absorbție a hidrogenului într-un reactor cu hidrură metalică cu numere diferite de grilă.(a) Temperatura medie în locații selectate pentru cazul 1 și (b) Temperatura medie în locații selectate pentru cazul 4.
Reactorul de hidrură metalică pe bază de Mg din acest studiu a fost testat pe baza rezultatelor experimentale ale lui Muthukumar et al.53.În studiul lor, au folosit un aliaj de Mg2Ni pentru a stoca hidrogenul în tuburi din oțel inoxidabil.Aripioarele de cupru sunt folosite pentru a îmbunătăți transferul de căldură în interiorul reactorului.Pe fig.3a prezintă o comparație a temperaturii medii a patului procesului de absorbție între studiul experimental și acest studiu.Condițiile de funcționare alese pentru acest experiment sunt: MG temperatura inițială 573 K și presiunea de intrare 2 MPa.Din fig.3a se poate arăta clar că acest rezultat experimental este în bună concordanță cu cel prezent în ceea ce privește temperatura medie a stratului.
Verificarea modelului.(a) Verificarea codului reactorului cu hidrură metalică Mg2Ni prin compararea studiului curent cu munca experimentală a lui Muthukumar și colab.52 și (b) verificarea modelului de curgere turbulentă a tubului spiralat prin compararea studiului curent cu cel al lui Kumar și colab. .Cercetare.54.
Pentru a testa modelul de turbulență, rezultatele acestui studiu au fost comparate cu rezultatele experimentale ale lui Kumar și colab.54 pentru a confirma corectitudinea modelului de turbulență ales.Kumar și colab.54 au studiat fluxul turbulent într-un schimbător de căldură spiralat tub-în-țeavă.Apa este folosită ca fluid cald și rece injectat din părți opuse.Temperaturile lichidului cald și rece sunt de 323 K și, respectiv, 300 K.Numerele Reynolds variază de la 3100 la 5700 pentru lichidele fierbinți și de la 21.000 la 35.000 pentru lichidele reci.Numerele decanilor sunt 550-1000 pentru lichide fierbinți și 3600-6000 pentru lichide reci.Diametrele conductei interioare (pentru lichid fierbinte) și ale conductei exterioare (pentru lichid rece) sunt de 0,0254 m, respectiv 0,0508 m.Diametrul și pasul bobinei elicoidale sunt de 0,762 m, respectiv 0,100 m.Pe fig.3b prezintă o comparație a rezultatelor experimentale și curente pentru diferite perechi de numere Nusselt și Dean pentru lichidul de răcire din tubul interior.Au fost implementate trei modele diferite de turbulență și comparate cu rezultatele experimentale.După cum se arată în fig.3b, rezultatele modelului de turbulență k-ε realizabil sunt în acord cu datele experimentale.Prin urmare, acest model a fost ales în acest studiu.
Simulările numerice din acest studiu au fost efectuate folosind ANSYS Fluent 2020 R2.Scrieți o funcție definită de utilizator (UDF) și utilizați-o ca termen de intrare al ecuației de energie pentru a calcula cinetica procesului de absorbție.Circuitul PRESTO55 și metoda PISO56 sunt utilizate pentru comunicarea presiune-viteză și corecția presiunii.Selectați o bază de celule Greene-Gauss pentru gradientul variabil.Ecuațiile de impuls și energie sunt rezolvate prin metoda vântului de ordinul doi.În ceea ce privește coeficienții de subrelaxare, componentele de presiune, viteză și energie sunt setate la 0,5, 0,7 și, respectiv, 0,7.Funcțiile standard ale peretelui sunt aplicate HTF în modelul de turbulență.
Această secțiune prezintă rezultatele simulărilor numerice ale transferului intern de căldură îmbunătățit al unui reactor MH folosind un schimbător de căldură cu serpentină (HCHE) și un schimbător de căldură cu serpentin elicoidal (SCHE) în timpul absorbției hidrogenului.A fost analizat efectul pitch-ului HTF asupra temperaturii patului reactorului și asupra duratei de absorbție.Principalii parametri de funcționare ai procesului de absorbție sunt studiați și prezentați în secțiunea de analiză a sensibilității.
Pentru a investiga efectul distanței bobinelor asupra transferului de căldură într-un reactor MH, au fost investigate trei configurații de schimbător de căldură cu pasuri diferite.Cele trei pasuri diferite de 15 mm, 12,86 mm și 10 mm sunt desemnate corp 1, corp 2 și, respectiv, corp 3.Trebuie remarcat faptul că diametrul conductei a fost fixat la 6 mm la o temperatură inițială de 573 K și o presiune de încărcare de 1,8 MPa în toate cazurile.Pe fig.4 prezintă temperatura medie a patului și concentrația de hidrogen în stratul MH în timpul procesului de absorbție a hidrogenului în cazurile 1 până la 3. De obicei, reacția dintre hidrura metalică și hidrogen este exotermă la procesul de absorbție.Prin urmare, temperatura patului crește rapid datorită momentului inițial când hidrogenul este introdus pentru prima dată în reactor.Temperatura patului crește până când atinge o valoare maximă și apoi scade treptat pe măsură ce căldura este transportată de lichidul de răcire, care are o temperatură mai scăzută și acționează ca un lichid de răcire.După cum se arată în fig.4a, datorită explicației anterioare, temperatura stratului crește rapid și scade continuu.Concentrația de hidrogen pentru procesul de absorbție se bazează de obicei pe temperatura patului reactorului MH.Când temperatura medie a stratului scade la o anumită temperatură, suprafața metalului absoarbe hidrogenul.Acest lucru se datorează accelerării proceselor de fizisorbție, chemisorbție, difuzie a hidrogenului și formării hidrurilor acestuia în reactor.Din fig.4b se poate observa că viteza de absorbție a hidrogenului în cazul 3 este mai mică decât în alte cazuri datorită valorii de treaptă mai mică a schimbătorului de căldură cu serpentină.Acest lucru are ca rezultat o lungime totală mai mare a țevii și o zonă de transfer de căldură mai mare pentru țevile HTF.Cu o concentrație medie de hidrogen de 90%, timpul de absorbție pentru cazul 1 este de 46.276 de secunde.Comparativ cu durata absorbției în cazul 1, durata absorbției în cazurile 2 și 3 a fost redusă cu 724 s, respectiv 1263 s.Secțiunea suplimentară prezintă contururile de temperatură și concentrație de hidrogen pentru locații selectate din stratul HCHE-MH.
Influența distanței dintre bobine asupra temperaturii medii a stratului și a concentrației de hidrogen.(a) Temperatura medie a patului pentru bobinele elicoidale, (b) concentrația de hidrogen pentru bobinele elicoidale, (c) temperatura medie a patului pentru bobinele semicilindrice și (d) concentrația de hidrogen pentru bobinele semicilindrice.
Pentru a îmbunătăți caracteristicile de transfer de căldură ale reactorului MG, două HFC au fost proiectate pentru un volum constant al MG (2000 cm3) și un schimbător de căldură spiralat (100 cm3) din Opțiunea 3. Această secțiune ia în considerare și efectul distanței dintre bobine de 15 mm pentru carcasa 4, 12,86 mm pentru carcasa 5 și 10 mm pentru carcasa 6. În fig.4c,d arată temperatura medie a patului și concentrația procesului de absorbție a hidrogenului la o temperatură inițială de 573 K și o presiune de încărcare de 1,8 MPa.Conform temperaturii medii a stratului din Fig. 4c, distanța mai mică dintre bobine în cazul 6 reduce temperatura semnificativ în comparație cu celelalte două cazuri.Pentru cazul 6, o temperatură mai scăzută a patului are ca rezultat o concentrație mai mare de hidrogen (vezi Fig. 4d).Timpul de absorbție a hidrogenului pentru Varianta 4 este de 19542 s, care este de peste 2 ori mai mic decât pentru Variantele 1-3 folosind HCH.În plus, comparativ cu cazul 4, timpul de absorbție a fost redus și cu 378 s și 1515 s în cazurile 5 și 6 cu distanțe mai mici.Secțiunea suplimentară prezintă contururile de temperatură și concentrație de hidrogen pentru locații selectate din stratul SCHE-MH.
Pentru a studia performanța a două configurații de schimbător de căldură, această secțiune trasează și prezintă curbele de temperatură în trei locații selectate.Reactorul MH cu HCHE din cazul 3 a fost ales pentru comparație cu reactorul MH care conține SCHE din cazul 4 deoarece are un volum MH și un volum constant al conductei.Condițiile de funcționare pentru această comparație au fost o temperatură inițială de 573 K și o presiune de încărcare de 1,8 MPa.Pe fig.5a și 5b arată toate cele trei poziții selectate ale profilurilor de temperatură în cazurile 3 și, respectiv, 4.Pe fig.5c prezintă profilul de temperatură și concentrația stratului după 20.000 s de absorbție a hidrogenului.Conform liniei 1 din Fig. 5c, temperatura din jurul TTF din opțiunile 3 și 4 scade din cauza transferului de căldură convectiv al lichidului de răcire.Acest lucru are ca rezultat o concentrație mai mare de hidrogen în jurul acestei zone.Cu toate acestea, utilizarea a două SCHE-uri are ca rezultat o concentrație mai mare a stratului.S-au găsit răspunsuri cinetice mai rapide în jurul regiunii HTF în cazul 4. În plus, în această regiune a fost găsită o concentrație maximă de 100%.De la linia 2 situată în mijlocul reactorului, temperatura cazului 4 este semnificativ mai mică decât temperatura cazului 3 în toate locurile, cu excepția centrului reactorului.Aceasta are ca rezultat concentrația maximă de hidrogen pentru cazul 4, cu excepția regiunii din apropierea centrului reactorului, departe de HTF.Cu toate acestea, concentrarea cazului 3 nu s-a schimbat prea mult.O diferență mare de temperatură și concentrație a stratului a fost observată în linia 3 lângă intrarea în GTS.Temperatura stratului din cazul 4 a scăzut semnificativ, rezultând cea mai mare concentrație de hidrogen din această regiune, în timp ce linia de concentrație din cazul 3 era încă fluctuantă.Acest lucru se datorează accelerării transferului de căldură SCHE.Detalii și discuții despre compararea temperaturii medii a stratului MH și conductei HTF între cazul 3 și cazul 4 sunt furnizate în secțiunea suplimentară.
Profilul temperaturii și concentrația în pat în locații selectate din reactorul cu hidrură metalică.(a) Locații selectate pentru cazul 3, (b) Locații selectate pentru cazul 4 și (c) Profilul temperaturii și concentrația stratului în locații selectate după 20.000 s pentru procesul de absorbție a hidrogenului în cazurile 3 și 4.
Pe fig.Figura 6 prezintă o comparație a temperaturii medii a patului (vezi Fig. 6a) și a concentrației de hidrogen (vezi Fig. 6b) pentru absorbția HCH și SHE.Din această figură se poate observa că temperatura stratului de MG scade semnificativ datorită creșterii zonei de schimb de căldură.Îndepărtarea mai multă căldură din reactor are ca rezultat o viteză mai mare de absorbție a hidrogenului.Deși cele două configurații de schimbător de căldură au aceleași volume în comparație cu utilizarea HCHE ca Opțiunea 3, timpul de absorbție a hidrogenului SCHE bazat pe Opțiunea 4 a fost redus semnificativ cu 59%.Pentru o analiză mai detaliată, concentrațiile de hidrogen pentru cele două configurații ale schimbătorului de căldură sunt prezentate ca izolinii în Figura 7. Această figură arată că, în ambele cazuri, hidrogenul începe să fie absorbit de dedesubt în jurul intrării HTF.S-au găsit concentrații mai mari în regiunea HTF, în timp ce concentrații mai mici au fost observate în centrul reactorului MH datorită distanței sale de schimbătorul de căldură.După 10.000 s, concentrația de hidrogen în cazul 4 este semnificativ mai mare decât în cazul 3. După 20.000 de secunde, concentrația medie de hidrogen din reactor a crescut la 90% în cazul 4 față de 50% hidrogen în cazul 3. Acest lucru se poate datora la capacitatea de răcire efectivă mai mare a combinării a două SCHE-uri, rezultând o temperatură mai scăzută în interiorul stratului MH.În consecință, o presiune mai echilibrată cade în interiorul stratului de MG, ceea ce duce la o absorbție mai rapidă a hidrogenului.
Cazul 3 și Cazul 4 Comparația temperaturii medii a patului și a concentrației de hidrogen între două configurații de schimbător de căldură.
Comparația concentrației de hidrogen după 500, 2000, 5000, 10000 și 20000 s după începerea procesului de absorbție a hidrogenului în cazul 3 și cazul 4.
Tabelul 5 rezumă durata absorbției hidrogenului pentru toate cazurile.În plus, tabelul arată și timpul de absorbție a hidrogenului, exprimat în procente.Acest procent este calculat pe baza timpului de absorbție din Cazul 1. Din acest tabel, timpul de absorbție al reactorului MH folosind HCHE este de aproximativ 45.000 până la 46.000 s, iar timpul de absorbție incluzând SCHE este de aproximativ 18.000 până la 19.000 s.Comparativ cu Cazul 1, timpul de absorbție în Cazul 2 și Cazul 3 a fost redus cu doar 1,6% și, respectiv, 2,7%.Când se utilizează SCHE în loc de HCHE, timpul de absorbție a fost redus semnificativ de la cazul 4 la cazul 6, de la 58% la 61%.Este clar că adăugarea de SCHE la reactorul MH îmbunătățește foarte mult procesul de absorbție a hidrogenului și performanța reactorului MH.Deși instalarea unui schimbător de căldură în interiorul reactorului MH reduce capacitatea de stocare, această tehnologie asigură o îmbunătățire semnificativă a transferului de căldură în comparație cu alte tehnologii.De asemenea, scăderea valorii pitch va crește volumul SCHE, rezultând o scădere a volumului MH.În cazul 6 cu cel mai mare volum SCHE, capacitatea volumetrică MH a fost redusă doar cu 5% comparativ cu cazul 1 cu cel mai mic volum HCHE.În plus, în timpul absorbției, cazul 6 a arătat o performanță mai rapidă și mai bună, cu o reducere cu 61% a timpului de absorbție.Prin urmare, cazul 6 a fost ales pentru investigații suplimentare în analiza de sensibilitate.Trebuie remarcat faptul că timpul lung de absorbție a hidrogenului este asociat cu un rezervor de stocare care conține un volum MH de aproximativ 2000 cm3.
Parametrii de funcționare în timpul reacției sunt factori importanți care afectează pozitiv sau negativ performanța reactorului MH în condiții reale.Acest studiu ia în considerare o analiză de sensibilitate pentru a determina parametrii de funcționare inițiali adecvați pentru un reactor MH în combinație cu SCHE, iar această secțiune investighează cei patru parametri principali de funcționare pe baza configurației optime a reactorului în cazul 6. Rezultatele pentru toate condițiile de operare sunt prezentate în Fig. 8.
Graficul concentrației de hidrogen în diferite condiții de funcționare atunci când se utilizează un schimbător de căldură cu o bobină semicilindrica.(a) presiunea de încărcare, (b) temperatura inițială a patului, (c) numărul Reynolds al agentului de răcire și (d) temperatura de intrare a lichidului de răcire.
Pe baza unei temperaturi inițiale constante de 573 K și a unui debit de lichid de răcire cu un număr Reynolds de 14.000, au fost selectate patru presiuni de încărcare diferite: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa și 3,0 MPa.Pe fig.8a arată efectul presiunii de încărcare și SCHE asupra concentrației de hidrogen în timp.Timpul de absorbție scade odată cu creșterea presiunii de încărcare.Utilizarea unei presiuni de hidrogen aplicată de 1,2 MPa este cel mai rău caz pentru procesul de absorbție a hidrogenului, iar durata de absorbție depășește 26.000 s pentru a obține o absorbție de hidrogen de 90%.Cu toate acestea, presiunea de încărcare mai mare a dus la o scădere cu 32-42% a timpului de absorbție de la 1,8 la 3,0 MPa.Acest lucru se datorează presiunii inițiale mai mari a hidrogenului, care are ca rezultat o diferență mai mare între presiunea de echilibru și presiunea aplicată.Prin urmare, aceasta creează o forță motrice mare pentru cinetica de absorbție a hidrogenului.În momentul inițial, hidrogenul gazos este absorbit rapid datorită diferenței mari dintre presiunea de echilibru și presiunea aplicată57.La o presiune de încărcare de 3,0 MPa, 18% hidrogen sa acumulat rapid în primele 10 secunde.Hidrogenul a fost stocat în 90% din reactoare în etapa finală timp de 15460 s.Cu toate acestea, la o presiune de încărcare de 1,2 până la 1,8 MPa, timpul de absorbție a fost redus semnificativ cu 32%.Alte presiuni mai mari au avut un efect mai mic asupra îmbunătățirii timpilor de absorbție.Prin urmare, se recomandă ca presiunea de încărcare a reactorului MH-SCHE să fie de 1,8 MPa.Secțiunea suplimentară arată contururile concentrației de hidrogen pentru diferite presiuni de încărcare la 15500 s.
Alegerea unei temperaturi inițiale adecvate a reactorului MH este unul dintre principalii factori care afectează procesul de adsorbție a hidrogenului, deoarece afectează forța motrice a reacției de formare a hidrurii.Pentru a studia efectul SCHE asupra temperaturii inițiale a reactorului MH, au fost alese patru temperaturi diferite la o presiune de încărcare constantă de 1,8 MPa și un număr Reynolds de 14.000 HTF.Pe fig.Figura 8b prezintă o comparație a diferitelor temperaturi de pornire, inclusiv 473K, 523K, 573K și 623K.De fapt, atunci când temperatura este mai mare de 230°C sau 503K58, aliajul Mg2Ni are caracteristici eficiente pentru procesul de absorbție a hidrogenului.Cu toate acestea, în momentul inițial al injectării hidrogenului, temperatura crește rapid.În consecință, temperatura stratului de MG va depăși 523 K. Prin urmare, formarea hidrurilor este facilitată datorită ratei de absorbție crescute53.Din fig.Se poate observa din Fig. 8b că hidrogenul este absorbit mai repede pe măsură ce temperatura inițială a stratului de MB scade.Presiunile de echilibru mai scăzute apar atunci când temperatura inițială este mai scăzută.Cu cât diferența de presiune dintre presiunea de echilibru și presiunea aplicată este mai mare, cu atât procesul de absorbție a hidrogenului este mai rapid.La o temperatură inițială de 473 K, hidrogenul este absorbit rapid până la 27% în primele 18 secunde.În plus, timpul de absorbție a fost, de asemenea, redus de la 11% la 24% la o temperatură inițială mai mică comparativ cu temperatura inițială de 623 K. Timpul de absorbție la cea mai scăzută temperatură inițială de 473 K este de 15247 s, care este similar cu cel mai bun presiunea de încărcare a cazului, totuși, scăderea temperaturii inițiale a temperaturii reactorului duce la o scădere a capacității de stocare a hidrogenului.Temperatura inițială a reactorului MN trebuie să fie de cel puțin 503 K53.În plus, la o temperatură inițială de 573 K53, poate fi atinsă o capacitate maximă de stocare a hidrogenului de 3,6% în greutate.În ceea ce privește capacitatea de stocare a hidrogenului și durata de absorbție, temperaturile cuprinse între 523 și 573 K scurtează timpul cu doar 6%.Prin urmare, se propune o temperatură de 573 K ca temperatură inițială a reactorului MH-SCHE.Totuși, efectul temperaturii inițiale asupra procesului de absorbție a fost mai puțin semnificativ în comparație cu presiunea de încărcare.Secțiunea suplimentară arată contururile concentrației de hidrogen pentru diferite temperaturi inițiale la 15500 s.
Debitul este unul dintre principalii parametri ai hidrogenării și dehidrogenării deoarece poate afecta turbulența și îndepărtarea sau aportul de căldură în timpul hidrogenării și dehidrogenării59.Debitele mari vor crea faze turbulente și vor duce la un flux mai rapid de fluid prin tubulatura HTF.Această reacție va duce la un transfer de căldură mai rapid.Diferite viteze de intrare pentru HTF sunt calculate pe baza numerelor Reynolds de 10.000, 14.000, 18.000 și 22.000.Temperatura inițială a stratului de MG a fost fixată la 573 K și presiunea de încărcare la 1,8 MPa.Rezultatele din fig.8c demonstrează că utilizarea unui număr Reynolds mai mare în combinație cu SCHE are ca rezultat o rată de absorbție mai mare.Pe măsură ce numărul Reynolds crește de la 10.000 la 22.000, timpul de absorbție scade cu aproximativ 28-50%.Timpul de absorbție la un număr Reynolds de 22.000 este de 12.505 secunde, ceea ce este mai mic decât la diferite temperaturi și presiuni inițiale de încărcare.Contururile concentrației de hidrogen pentru diferite numere Reynolds pentru GTP la 12500 s sunt prezentate în secțiunea suplimentară.
Efectul SCHE asupra temperaturii inițiale a HTF este analizat și prezentat în Fig. 8d.La o temperatură inițială MG de 573 K și o presiune de încărcare cu hidrogen de 1,8 MPa, pentru această analiză au fost alese patru temperaturi inițiale: 373 K, 473 K, 523 K și 573 K. 8d arată că o scădere a temperaturii lichidului de răcire la intrare duce la o reducere a timpului de absorbtie.Comparativ cu cazul de bază cu o temperatură de intrare de 573 K, timpul de absorbție a fost redus cu aproximativ 20%, 44% și 56% pentru temperaturile de intrare de 523 K, 473 K și, respectiv, 373 K.La 6917 s, temperatura inițială a GTF este de 373 K, concentrația de hidrogen în reactor este de 90%.Acest lucru poate fi explicat prin transferul de căldură convectiv îmbunătățit între stratul MG și HCS.Temperaturile mai scăzute ale HTF vor crește disiparea căldurii și vor duce la o absorbție crescută de hidrogen.Dintre toți parametrii de funcționare, îmbunătățirea performanței reactorului MH-SCHE prin creșterea temperaturii de intrare a HTF a fost metoda cea mai potrivită, deoarece timpul de sfârșit al procesului de absorbție a fost mai mic de 7000 s, în timp ce cel mai scurt timp de absorbție al altor metode a fost mai mare. peste 10000 s.Contururile concentrației de hidrogen sunt prezentate pentru diferite temperaturi inițiale ale GTP pentru 7000 s.
Acest studiu prezinta pentru prima data un nou schimbator de caldura cu serpentina semicilindrica integrat intr-o unitate de stocare a hidrurii metalice.Capacitatea sistemului propus de a absorbi hidrogen a fost investigată cu diferite configurații ale schimbătorului de căldură.Influența parametrilor de funcționare asupra schimbului de căldură dintre stratul de hidrură metalică și lichidul de răcire a fost investigată pentru a găsi condițiile optime de depozitare a hidrurilor metalice folosind un schimbător de căldură nou.Principalele constatări ale acestui studiu sunt rezumate după cum urmează:
Cu un schimbător de căldură semicilindric, performanța transferului de căldură este îmbunătățită deoarece are o distribuție mai uniformă a căldurii în reactorul cu strat de magneziu, rezultând o rată de absorbție mai bună a hidrogenului.Cu condiția ca volumul tubului de schimb de căldură și al hidrurii metalice să rămână neschimbate, timpul de reacție de absorbție este redus semnificativ cu 59% în comparație cu un schimbător de căldură cu serpentin convențional.
Ora postării: 15-ian-2023