Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
Гідриди металів (МГ) визнані однією з найбільш придатних груп матеріалів для зберігання водню завдяки великій ємності зберігання водню, низькому робочому тиску та високій безпеці.Однак їх повільна кінетика поглинання водню значно знижує продуктивність зберігання.Швидше відведення тепла зі сховища MH може зіграти важливу роль у збільшенні швидкості поглинання водню, що призведе до покращення продуктивності зберігання.У зв’язку з цим це дослідження було спрямоване на покращення характеристик теплопередачі з метою позитивного впливу на швидкість поглинання водню системою зберігання MH.Нова напівциліндрична спіраль була спочатку розроблена та оптимізована для зберігання водню та включена як внутрішній повітряно-теплообмінник (HTF).На основі різних розмірів кроку, ефект нової конфігурації теплообмінника аналізується та порівнюється зі звичайною спіральною геометрією змійовика.Крім того, чисельно досліджено робочі параметри сховища МГ і ГТП для отримання оптимальних значень.Для чисельного моделювання використовується ANSYS Fluent 2020 R2.Результати цього дослідження показують, що продуктивність резервуара для зберігання MH можна значно покращити за допомогою напівциліндричного змійовикового теплообмінника (SCHE).У порівнянні зі звичайними спіральними теплообмінниками тривалість поглинання водню зменшена на 59%.Найменша відстань між котушками SCHE призвела до скорочення часу поглинання на 61%.Що стосується робочих параметрів зберігання МГ з використанням ТВО, то всі обрані параметри призводять до значного покращення процесу поглинання водню, особливо температури на вході в ВТП.
Відбувається глобальний перехід від енергії на основі викопного палива до відновлюваної енергії.Оскільки багато форм відновлюваної енергії забезпечують енергію динамічно, накопичення енергії необхідно для балансування навантаження.Акумуляції енергії на основі водню привернули велику увагу для цієї мети, особливо тому, що водень можна використовувати як «зелене» альтернативне паливо та енергоносій завдяки своїм властивостям і портативності.Крім того, водень також пропонує більший вміст енергії на одиницю маси порівняно з викопним паливом2.Існує чотири основних типи зберігання водневої енергії: зберігання стисненого газу, підземне зберігання, зберігання рідини та зберігання твердої речовини.Стиснений водень є основним типом, який використовується в транспортних засобах на паливних елементах, таких як автобуси та навантажувачі.Однак це сховище забезпечує низьку насипну щільність водню (приблизно 0,089 кг/м3) і має проблеми безпеки, пов’язані з високим робочим тиском3.Завдяки процесу перетворення при низькій температурі та тиску навколишнього середовища рідинне сховище зберігатиме водень у рідкій формі.Однак при зрідженні втрачається близько 40% енергії.Крім того, відомо, що ця технологія є більш енергоємною та трудомісткою порівняно з технологіями твердотільного накопичувача4.Зберігання в твердих речовинах є життєздатним варіантом для водневої економіки, яка зберігає водень шляхом включення водню в тверді матеріали шляхом абсорбції та вивільнення водню шляхом десорбції.Металогідрид (МГ), технологія зберігання твердих матеріалів, останнім часом викликає інтерес у застосуваннях паливних елементів завдяки високій водневій потужності, низькому робочому тиску та низькій вартості порівняно з рідинним зберіганням, і підходить для стаціонарних і мобільних застосувань6,7 У Крім того, матеріали MH також забезпечують безпечні властивості, такі як ефективне зберігання великої ємності8.Однак існує проблема, яка обмежує продуктивність МГ: низька теплопровідність реактора МГ призводить до повільного поглинання та десорбції водню.
Належний теплообмін під час екзотермічних та ендотермічних реакцій є ключем до покращення продуктивності реакторів MH.Для процесу завантаження водню утворене тепло має бути видалено з реактора, щоб контролювати потік завантаження водню з бажаною швидкістю з максимальною ємністю зберігання.Натомість для збільшення швидкості виділення водню під час розряду потрібне тепло.Щоб покращити тепло- та масообмін, багато дослідників вивчали дизайн та оптимізацію на основі багатьох факторів, таких як робочі параметри, структура MG та оптимізація MG11.Оптимізацію MG можна здійснити шляхом додавання матеріалів з високою теплопровідністю, таких як спінені метали, до шарів MG 12, 13.Таким чином ефективну теплопровідність можна підвищити від 0,1 до 2 Вт/мК10.Однак додавання твердих матеріалів значно знижує потужність реактора МН.Що стосується робочих параметрів, покращень можна досягти шляхом оптимізації початкових робочих умов шару MG і теплоносія (HTF).Конструкцію МГ можна оптимізувати за рахунок геометрії реактора та конструкції теплообмінника.Що стосується конфігурації теплообмінника реактора MH, методи можна розділити на два типи.Це внутрішні теплообмінники, вбудовані в шар МО, і зовнішні теплообмінники, що покривають шар МО, такі як ребра, охолоджувальні сорочки та водяні бані.Що стосується зовнішнього теплообмінника, Kaplan16 проаналізував роботу реактора MH, використовуючи охолоджуючу воду як сорочку для зниження температури всередині реактора.Результати порівнювали з реактором із 22 круглими ребрами та іншим реактором, охолоджуваним природною конвекцією.Вони стверджують, що наявність сорочки охолодження значно знижує температуру MH, тим самим збільшуючи швидкість поглинання.Чисельні дослідження МН-реактора з водяною сорочкою, проведені Патілом і Гопалом17, показали, що тиск подачі водню та температура HTF є ключовими параметрами, що впливають на швидкість поглинання та десорбції водню.
Збільшення площі теплообміну шляхом додавання ребер і теплообмінників, вбудованих у MH, є ключем до покращення продуктивності тепло- та масообміну, а отже, продуктивності зберігання MH18.Для циркуляції теплоносія в реакторі MH19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 розроблено кілька внутрішніх конфігурацій теплообмінника (пряма труба та спіральна спіральна спіраль).Використовуючи внутрішній теплообмінник, охолоджувальна або нагрівальна рідина буде передавати локальне тепло всередині реактора MH під час процесу адсорбції водню.Раджу та Кумар [27] використовували кілька прямих трубок як теплообмінники для покращення продуктивності MG.Їхні результати показали, що час поглинання зменшується, коли прямі труби використовуються як теплообмінники.Крім того, використання прямих труб скорочує час десорбції водню28.Вищі швидкості потоку охолоджуючої рідини збільшують швидкість заряджання та випускання водню29.Однак збільшення кількості охолоджуючих труб позитивно впливає на продуктивність MH, а не на швидкість потоку теплоносія30,31.Raju та ін.32 використовували LaMi4.7Al0.3 як матеріал MH для вивчення продуктивності багатотрубних теплообмінників у реакторах.Вони повідомили, що робочі параметри мали значний вплив на процес абсорбції, особливо тиск подачі, а потім швидкість потоку HTF.Проте температура поглинання виявилася менш критичною.
Продуктивність реактора MH додатково покращується завдяки використанню спірального теплообмінника завдяки його покращеній теплопередачі порівняно з прямими трубами.Це тому, що вторинний цикл може краще відводити тепло від реактора25.Крім того, спіральні труби забезпечують велику площу поверхні для передачі тепла від шару MH до теплоносія.Коли цей метод впроваджується всередині реактора, розподіл теплообмінних труб також більш рівномірний33.Wang та ін.34 досліджував вплив тривалості поглинання водню шляхом додавання спіральної котушки до реактора MH.Їх результати показують, що зі збільшенням коефіцієнта теплопередачі теплоносія час поглинання зменшується.Ву та ін.25 досліджували продуктивність Mg2Ni-реакторів MH і спіральних теплообмінників.Їх численні дослідження показали скорочення часу реакції.Удосконалення механізму теплопередачі в реакторі МН базується на меншому відношенні кроку шнека до кроку шнека та безрозмірному кроку шнека.Експериментальне дослідження Mellouli та ін.21 з використанням змійовика як внутрішнього теплообмінника показало, що початкова температура HTF має значний вплив на покращення поглинання водню та часу десорбції.У кількох дослідженнях було проведено комбінації різних внутрішніх теплообмінників.Ейсапур та ін.35 вивчав зберігання водню за допомогою спірального теплообмінника з центральною зворотною трубою для покращення процесу поглинання водню.Їх результати показали, що спіральна труба і центральна зворотна труба значно покращують теплообмін між теплоносієм і MG.Менший крок і більший діаметр спіральної трубки збільшують швидкість тепло- і масообміну.Ardahaie та ін.36 використовували плоскі спіральні труби як теплообмінники для покращення теплопередачі всередині реактора.Вони повідомили, що тривалість поглинання була зменшена за рахунок збільшення кількості сплощених площин спіральних трубок.У кількох дослідженнях було проведено комбінації різних внутрішніх теплообмінників.Дхау та ін.37 покращив продуктивність MH за допомогою спірального теплообмінника та ребер.Їх результати показують, що цей метод скорочує час заповнення воднем у 2 рази порівняно з корпусом без ребер.Кільцеві ребра об'єднані з охолоджуючими трубами і вбудовані в реактор МН.Результати цього дослідження показують, що цей комбінований метод забезпечує більш рівномірний теплообмін порівняно з реактором MH без ребер.Однак комбінування різних теплообмінників негативно вплине на вагу та об’єм реактора MH.Wu et al.18 порівнювали різні конфігурації теплообмінника.До них відносяться прямі труби, ребра та спіральні котушки.Автори повідомляють, що спіральні котушки забезпечують найкраще покращення тепло- та масообміну.Крім того, порівняно з прямими трубами, змійовими трубами та прямими трубами в поєднанні зі змійовими трубами подвійні змійовики мають кращий вплив на покращення теплопередачі.Дослідження Sekhar та ін.40 показали, що подібне покращення поглинання водню було досягнуто за допомогою спіральної котушки як внутрішнього теплообмінника та зовнішньої сорочки охолодження з ребрами.
Із згаданих вище прикладів використання спіральних змійовиків як внутрішніх теплообмінників забезпечує кращі покращення тепло- та масообміну, ніж інші теплообмінники, особливо прямі труби та ребра.Тому метою цього дослідження була подальша розробка спіральної спіралі для покращення ефективності теплопередачі.Вперше була розроблена нова напівциліндрична котушка на основі традиційної накопичувальної спіральної котушки MH.Очікується, що це дослідження покращить продуктивність зберігання водню шляхом розгляду нової конструкції теплообмінника з кращим розташуванням зони теплопередачі, що забезпечується постійним об’ємом шару MH і труб HTF.Після цього порівнювали продуктивність зберігання цього нового теплообмінника зі звичайними теплообмінниками зі спіральними змійовиками з різним кроком змійовика.Згідно з існуючою літературою, умови експлуатації та відстань між змійовиками є основними факторами, що впливають на продуктивність реакторів MH.Щоб оптимізувати конструкцію цього нового теплообмінника, було досліджено вплив відстані між змійовиками на час поглинання водню та об’єм MH.Крім того, щоб зрозуміти взаємозв’язок між новими напівциліндричними змійовиками та умовами експлуатації, другорядною метою цього дослідження було вивчення характеристик реактора відповідно до різних діапазонів робочих параметрів і визначення відповідних значень для кожного робочого режиму. режим.параметр.
Продуктивність накопичувача водневої енергії в цьому дослідженні досліджується на основі двох конфігурацій теплообмінника (включаючи спіральні трубки у випадках 1–3 і напівциліндричні трубки у випадках 4–6) та аналізу чутливості робочих параметрів.Вперше перевірено працездатність реактора МГ з використанням спіральної труби як теплообмінника.І труба охолоджуючої рідини, і корпус реактора MH виготовлені з нержавіючої сталі.Слід зазначити, що розміри реактора МГ і діаметр труб ГТЗ у всіх випадках були постійними, а розміри кроків ГТЗ змінювалися.У цьому розділі аналізується вплив розміру кроку котушок HTF.Висота і зовнішній діаметр реактора становили 110 мм і 156 мм відповідно.Діаметр теплопровідної масляної труби встановлено 6 мм.Див. Додатковий розділ для отримання детальної інформації про електричну схему реактора MH зі спіральними трубами та двома напівциліндричними трубами.
На рис.1а показано спіральний трубчастий реактор MH і його розміри.Всі геометричні параметри наведені в табл.1. Загальний об’єм спіралі дорівнює приблизно 100 см3 і об’єм ЗГ 2000 см3.З цього реактора MH повітря у формі HTF подавали в пористий реактор MH знизу через спіральну трубку, а водень вводили з верхньої поверхні реактора.
Характеристика вибраних геометрій металогідридних реакторів.а) зі спірально-трубчастим теплообмінником, б) з напівциліндричним трубчастим теплообмінником.
У другій частині розглядається робота реактора МГ на основі напівциліндричної труби як теплообмінника.На рис.1б показано реактор МН з двома напівциліндричними трубами та їх розміри.У таблиці 1 наведені всі геометричні параметри напівциліндричних труб, які залишаються постійними, за винятком відстані між ними.Слід зазначити, що напівциліндрична труба у випадку 4 була розроблена з постійним об’ємом HTF труби та сплаву MH у згорнутій трубі (варіант 3).Що стосується рис.1b, повітря також вводилося знизу двох напівциліндричних труб HTF, а водень вводився з протилежного напрямку реактора MH.
Через нову конструкцію теплообмінника метою цього розділу є визначення відповідних початкових значень робочих параметрів реактора MH у поєднанні з SCHE.У всіх випадках повітря використовувалося як теплоносій для відведення тепла від реактора.Серед масел-теплоносіїв повітря та воду зазвичай вибирають як мастила-теплоносії для реакторів MH через їх низьку вартість і низький вплив на навколишнє середовище.Через високий діапазон робочих температур сплавів на основі магнію в якості теплоносія в цьому дослідженні було обрано повітря.Крім того, він також має кращі характеристики текучості, ніж інші рідкі метали та розплавлені солі41.У таблиці 2 наведено властивості повітря при 573 К. Для аналізу чутливості в цьому розділі застосовуються лише найкращі конфігурації варіантів продуктивності MH-SCHE (у випадках 4–6).Оцінки в цьому розділі базуються на різних робочих параметрах, включаючи початкову температуру реактора MH, тиск завантаження водню, температуру на вході HTF і число Рейнольдса, розраховане шляхом зміни швидкості HTF.Таблиця 3 містить усі робочі параметри, використані для аналізу чутливості.
У цьому розділі описані всі необхідні рівняння керування процесом поглинання водню, турбулентності та тепловіддачі теплоносіїв.
Щоб спростити розв’язання реакції поглинання водню, зроблено та надано наступні припущення;
Під час поглинання теплофізичні властивості водню та гідридів металів постійні.
Водень вважається ідеальним газом, тому враховуються локальні умови теплової рівноваги43,44.
де \({L}_{gas}\) — радіус резервуара, а \({L}_{heat}\) — осьова висота резервуара.Коли N менше 0,0146, потік водню в резервуарі можна проігнорувати в моделюванні без суттєвої помилки.Згідно з поточними дослідженнями, N значно нижчий за 0,1.Тому ефектом градієнта тиску можна знехтувати.
У всіх випадках стіни реактора були добре ізольовані.Тому теплообмін 47 між реактором і навколишнім середовищем відсутній.
Добре відомо, що сплави на основі магнію мають хороші характеристики гідрування та високу здатність накопичувати водень до 7,6 мас.%8.З точки зору твердотільного зберігання водню, ці сплави також відомі як легкі матеріали.Крім того, вони мають чудову термостійкість і хорошу технологічність8.Серед кількох сплавів на основі Mg сплав MgNi на основі Mg2Ni є одним із найбільш підходящих варіантів для зберігання MH завдяки його місткості накопичення водню до 6 мас.%.Сплави Mg2Ni також забезпечують швидшу кінетику адсорбції та десорбції порівняно зі сплавом MgH48.Тому в якості металогідридного матеріалу в цьому дослідженні було обрано Mg2Ni.
Рівняння енергії виражається як 25 на основі теплового балансу між воднем і гідридом Mg2Ni:
X — це кількість водню, поглиненого поверхнею металу, одиниця \(вага\%\), розрахована з кінетичного рівняння \(\frac{dX}{dt}\) під час поглинання таким чином49:
де \({C}_{a}\) — швидкість реакції, а \({E}_{a}\) — енергія активації.\({P}_{a,eq}\) — це рівноважний тиск у металогідридному реакторі під час процесу абсорбції, заданий рівнянням Вант-Гоффа таким чином25:
Де \({P}_{ref}\) є опорним тиском 0,1 МПа.\(\Delta H\) і \(\Delta S\) — ентальпія та ентропія реакції відповідно.Властивості сплавів Mg2Ni і водню представлені в табл.4. Іменний перелік можна знайти в додатковому розділі.
Потік рідини вважається турбулентним, оскільки його швидкість і число Рейнольдса (Re) становлять 78,75 мс-1 і 14000 відповідно.У цьому дослідженні була обрана досяжна k-ε модель турбулентності.Зазначається, що цей метод забезпечує більш високу точність порівняно з іншими методами k-ε, а також вимагає менше часу на обчислення, ніж методи RNG k-ε50,51.Дивіться Додатковий розділ, щоб отримати докладніші відомості про основні рівняння для теплоносіїв.
Спочатку температурний режим в реакторі МН був рівномірним, а середня концентрація водню становила 0,043.Передбачається, що зовнішня межа реактора МГ добре ізольована.Для сплавів на основі магнію зазвичай потрібні високі робочі температури реакції для зберігання та виділення водню в реакторі.Для сплаву Mg2Ni потрібен діапазон температур 523–603 К для максимального поглинання та діапазон температур 573–603 К для повної десорбції52.Проте експериментальні дослідження Muthukumar et al.53 показали, що максимальна ємність Mg2Ni для зберігання водню може бути досягнута при робочій температурі 573 K, що відповідає його теоретичній ємності.Тому в даному дослідженні в якості початкової температури реактора МН було обрано температуру 573 К.
Створіть різні розміри сітки для перевірки та надійних результатів.На рис.2 показано середню температуру в обраних місцях процесу поглинання водню з чотирьох різних елементів.Варто зазначити, що лише один випадок кожної конфігурації вибрано для перевірки незалежності від сітки через подібну геометрію.Такий самий метод сітки застосовується в інших випадках.Тому виберіть варіант 1 для спіральної труби та варіант 4 для напівциліндричної труби.На рис.2а, б показано середню температуру в реакторі для варіантів 1 і 4 відповідно.Три вибрані місця представляють контури температури шару у верхній, середній і нижній частині реактора.Виходячи з температурних контурів у вибраних місцях, середня температура стає стабільною і показує незначні зміни в номерах елементів 428,891 і 430,599 для випадків 1 і 4 відповідно.Тому ці розміри сітки були обрані для подальших обчислювальних розрахунків.Детальну інформацію про середню температуру шару для процесу поглинання водню для різних розмірів комірок і послідовного уточнення сіток для обох випадків наведено в додатковому розділі.
Середня температура шару в обраних точках процесу абсорбції водню в металогідридному реакторі з різними номерами сітки.(a) Середня температура у вибраних місцях для випадку 1 та (b) Середня температура у вибраних місцях для випадку 4.
Металогідридний реактор на основі магнію в цьому дослідженні було протестовано на основі експериментальних результатів Мутукумара та ін.53.У своєму дослідженні вони використовували сплав Mg2Ni для зберігання водню в трубах з нержавіючої сталі.Для поліпшення теплообміну всередині реактора використовуються мідні ребра.На рис.3а показано порівняння середньої температури шару процесу абсорбції між експериментальним дослідженням і цим дослідженням.Робочі умови, обрані для цього експерименту: початкова температура MG 573 К і вхідний тиск 2 МПа.З рис.3а можна чітко показати, що цей експериментальний результат добре узгоджується з поточним щодо середньої температури шару.
Перевірка моделі.(a) Перевірка коду металогідридного реактора Mg2Ni шляхом порівняння поточного дослідження з експериментальною роботою Muthukumar et al.52, і (b) перевірка моделі турбулентного потоку спіральної труби шляхом порівняння поточного дослідження з дослідженням Kumar et al. .Дослідження.54.
Щоб перевірити модель турбулентності, результати цього дослідження порівнювали з експериментальними результатами Кумара та ін.54, щоб підтвердити правильність обраної моделі турбулентності.Кумар та ін.54 досліджували турбулентний потік у спіральному теплообміннику типу «труба в трубі».Вода використовується як гаряча і холодна рідина, що впорскується з протилежних сторін.Температури гарячої та холодної рідини 323 К і 300 К відповідно.Числа Рейнольдса коливаються від 3100 до 5700 для гарячих рідин і від 21000 до 35000 для холодних рідин.Номери декана 550-1000 для гарячих рідин і 3600-6000 для холодних рідин.Діаметри внутрішньої труби (для гарячої рідини) і зовнішньої труби (для холодної рідини) дорівнюють відповідно 0,0254 м і 0,0508 м.Діаметр і крок спіральної котушки 0,762 м і 0,100 м відповідно.На рис.3b показано порівняння експериментальних і поточних результатів для різних пар чисел Нуссельта і Діна для теплоносія у внутрішній трубці.Було реалізовано три різні моделі турбулентності та порівняно з експериментальними результатами.Як показано на рис.3b, результати досяжної моделі турбулентності k-ε добре узгоджуються з експериментальними даними.Тому в цьому дослідженні була обрана ця модель.
Чисельне моделювання в цьому дослідженні проводилося за допомогою ANSYS Fluent 2020 R2.Напишіть визначену користувачем функцію (UDF) і використовуйте її як вхідний елемент рівняння енергії для обчислення кінетики процесу поглинання.Схема PRESTO55 і метод PISO56 використовуються для обміну інформацією про тиск і швидкість і корекції тиску.Виберіть основу комірки Гріна-Гаусса для змінного градієнта.Рівняння імпульсу та енергії розв’язуються методом проти вітру другого порядку.Що стосується коефіцієнтів недостатньої релаксації, компоненти тиску, швидкості та енергії встановлені на 0,5, 0,7 та 0,7 відповідно.Стандартні стінкові функції застосовуються до HTF у моделі турбулентності.
У цьому розділі представлені результати чисельного моделювання покращеної внутрішньої теплопередачі реактора MH з використанням спірального теплообмінника (HCHE) і спірального теплообмінника (SCHE) під час поглинання водню.Проаналізовано вплив пеку HTF на температуру шару реактора та тривалість абсорбції.Основні робочі параметри процесу абсорбції вивчені та представлені в розділі аналізу чутливості.
Щоб дослідити вплив відстані між змійовиками на теплопередачу в реакторі MH, було досліджено три конфігурації теплообмінника з різним кроком.Три різні кроки 15 мм, 12,86 мм і 10 мм позначаються корпусом 1, корпусом 2 і корпусом 3 відповідно.Слід зазначити, що діаметр труби був зафіксований на рівні 6 мм при початковій температурі 573 К і тиску навантаження 1,8 МПа у всіх випадках.На рис.4 показує середню температуру шару та концентрацію водню в шарі MH під час процесу абсорбції водню у випадках 1-3. Як правило, реакція між гідридом металу та воднем є екзотермічною до процесу абсорбції.Тому температура шару швидко зростає через початковий момент, коли водень вперше вводиться в реактор.Температура шару підвищується, поки не досягне максимального значення, а потім поступово знижується, оскільки тепло переноситься теплоносієм, який має нижчу температуру і діє як охолоджувач.Як показано на рис.4а, завдяки попередньому поясненню, температура шару швидко зростає і безперервно знижується.Концентрація водню для процесу абсорбції зазвичай базується на температурі шару реактора MH.Коли середня температура шару падає до певної температури, поверхня металу поглинає водень.Це відбувається за рахунок прискорення процесів фізисорбції, хемосорбції, дифузії водню та утворення його гідридів у реакторі.З рис.4b видно, що швидкість поглинання водню у випадку 3 нижча, ніж в інших випадках через меншу величину кроку теплообмінника змійовика.Це призводить до більшої загальної довжини труби та більшої площі теплопередачі для труб HTF.При середній концентрації водню 90% час поглинання для випадку 1 становить 46 276 секунд.Порівняно з тривалістю поглинання у випадку 1 тривалість поглинання у випадках 2 і 3 зменшилася на 724 с і 1263 с відповідно.У додатковому розділі представлені контури температури та концентрації водню для вибраних місць у шарі HCHE-MH.
Вплив відстані між витками на середню температуру шару та концентрацію водню.(a) Середня температура шару для спіральних змійовиків, (b) концентрація водню для спіральних змійовиків, (c) середня температура шару для напівциліндричних змійовиків і (d) концентрація водню для напівциліндричних змійовиків.
Для покращення теплообмінних характеристик реактора МГ розроблено два ГФУ для постійного об’єму МГ (2000 см3) і спіральний теплообмінник (100 см3) варіанту 3. У цьому розділі також розглядається вплив відстані між котушки 15 мм для корпусу 4, 12,86 мм для корпусу 5 і 10 мм для корпусу 6. На рис.4c,d показано середню температуру шару та концентрацію процесу поглинання водню при початковій температурі 573 К і тиску навантаження 1,8 МПа.Відповідно до середньої температури шару на рис. 4c, менша відстань між котушками у випадку 6 значно знижує температуру порівняно з двома іншими випадками.Для випадку 6 нижча температура шару призводить до вищої концентрації водню (див. рис. 4d).Час поглинання водню для варіанту 4 становить 19542 с, що більш ніж у 2 рази менше, ніж для варіантів 1-3 з використанням ГХГ.Крім того, порівняно з випадком 4, час поглинання також був зменшений на 378 с і 1515 с у випадках 5 і 6 з меншими відстанями.У додатковому розділі представлені контури температури та концентрації водню для вибраних місць у шарі SCHE-MH.
Щоб вивчити продуктивність двох конфігурацій теплообмінника, у цьому розділі нанесено та представлено температурні криві в трьох вибраних місцях.Реактор MH з HCHE з випадку 3 був обраний для порівняння з реактором MH, що містить SCHE у випадку 4, оскільки він має постійний об’єм MH та об’єм труби.Робочими умовами для цього порівняння були початкова температура 573 К і тиск навантаження 1,8 МПа.На рис.5а і 5б показані всі три вибрані положення температурних профілів у випадках 3 і 4 відповідно.На рис.5c показує температурний профіль і концентрацію шару після 20 000 с поглинання водню.Відповідно до рядка 1 на рис. 5в, температура навколо ТТФ з варіантів 3 і 4 зменшується за рахунок конвективного теплообміну теплоносія.Це призводить до більшої концентрації водню навколо цієї області.Однак використання двох SCHE призводить до більшої концентрації шару.Швидші кінетичні реакції були виявлені навколо області HTF у випадку 4. Крім того, максимальна концентрація 100% також була виявлена в цій області.З лінії 2, розташованої в середині реактора, температура корпусу 4 значно нижча, ніж температура корпусу 3 у всіх місцях, крім центру реактора.Це призводить до максимальної концентрації водню для випадку 4, за винятком області поблизу центру реактора від HTF.Однак концентрація випадку 3 не сильно змінилася.Велика різниця в температурі і концентрації шару спостерігалася в лінії 3 біля входу в ГТС.Температура шару у випадку 4 значно знизилася, що призвело до найвищої концентрації водню в цій області, тоді як концентраційна лінія у випадку 3 все ще коливалася.Це пов'язано з прискоренням тепловіддачі ЩЕ.Деталі та обговорення порівняння середньої температури шару MH і труби HTF між випадками 3 і 4 наведено в додатковому розділі.
Температурний профіль і концентрація шару в обраних місцях металогідридного реактора.(a) Вибрані місця для випадку 3, (b) Вибрані місця для випадку 4, і (c) Температурний профіль і концентрація шару в обраних місцях після 20 000 с для процесу поглинання водню у випадках 3 і 4.
На рис.На рисунку 6 показано порівняння середньої температури шару (див. рис. 6а) і концентрації водню (див. рис. 6b) для поглинання ГХЦГ і ТВГ.З цього рисунка видно, що температура шару МГ значно знижується за рахунок збільшення площі теплообміну.Видалення більшої кількості тепла з реактора призводить до вищої швидкості поглинання водню.Незважаючи на те, що дві конфігурації теплообмінника мають однакові об’єми порівняно з використанням HCHE як Варіант 3, час поглинання водню SCHE на основі Варіанта 4 було значно зменшено на 59%.Для більш детального аналізу концентрації водню для двох конфігурацій теплообмінника показані як ізолінії на малюнку 7. На цьому малюнку показано, що в обох випадках водень починає поглинатися знизу навколо входу HTF.Більш високі концентрації були виявлені в області HTF, тоді як нижчі концентрації спостерігалися в центрі реактора MH через його віддаленість від теплообмінника.Через 10 000 с концентрація водню у випадку 4 значно вища, ніж у випадку 3. Через 20 000 секунд середня концентрація водню в реакторі зросла до 90% у випадку 4 порівняно з 50% водню у випадку 3. Це може бути наслідком до вищої ефективної охолоджувальної здатності комбінування двох SCHE, що призводить до нижчої температури всередині шару MH.Отже, всередині шару MG падає більш рівноважний тиск, що призводить до більш швидкого поглинання водню.
Випадок 3 і Випадок 4 Порівняння середньої температури шару та концентрації водню між двома конфігураціями теплообмінника.
Порівняння концентрації водню через 500, 2000, 5000, 10000 і 20000 с після початку процесу поглинання водню у випадку 3 і випадку 4.
Таблиця 5 підсумовує тривалість поглинання водню для всіх випадків.Крім того, в таблиці також наведено час поглинання водню, виражений у відсотках.Цей відсоток розраховується на основі часу поглинання у випадку 1. З цієї таблиці час поглинання в реакторі MH з використанням HCHE становить приблизно 45 000–46 000 с, а час поглинання, включаючи SCHE, становить приблизно 18 000–19 000 с.Порівняно з випадком 1, час поглинання у випадку 2 і випадку 3 був зменшений лише на 1,6% і 2,7% відповідно.При використанні SCHE замість HCHE час поглинання значно скоротився від випадку 4 до випадку 6, з 58% до 61%.Зрозуміло, що додавання SCHE до реактора MH значно покращує процес поглинання водню та продуктивність реактора MH.Хоча встановлення теплообмінника всередині реактора MH зменшує ємність накопичувача, ця технологія забезпечує значне покращення теплопередачі порівняно з іншими технологіями.Крім того, зменшення значення висоти збільшить гучність SCHE, що призведе до зменшення гучності MH.У випадку 6 з найвищим об’ємом SCHE об’ємна ємність MH була зменшена лише на 5% порівняно з випадком 1 з найнижчим об’ємом HCHE.Крім того, під час поглинання випадок 6 продемонстрував швидшу та кращу продуктивність зі скороченням часу поглинання на 61%.Тому випадок 6 було обрано для подальшого дослідження в аналізі чутливості.Слід зазначити, що тривалий час поглинання водню пов'язаний з резервуаром для зберігання, що містить об'єм MH близько 2000 см3.
Робочі параметри під час реакції є важливими факторами, які позитивно чи негативно впливають на роботу реактора МГ у реальних умовах.У цьому дослідженні розглядається аналіз чутливості для визначення відповідних початкових робочих параметрів для реактора MH у поєднанні з SCHE, і в цьому розділі досліджуються чотири основні робочі параметри на основі оптимальної конфігурації реактора у випадку 6. Результати для всіх робочих умов показані в Рис. 8.
Графік концентрації водню при різних режимах роботи при використанні теплообмінника з напівциліндричним змійовиком.(a) тиск навантаження, (b) початкова температура шару, (c) число Рейнольдса теплоносія та (d) температура теплоносія на вході.
Базуючись на постійній початковій температурі 573 К і швидкості потоку теплоносія з числом Рейнольдса 14 000, було обрано чотири різних тиску навантаження: 1,2 МПа, 1,8 МПа, 2,4 МПа і 3,0 МПа.На рис.8a показує вплив тиску навантаження та SCHE на концентрацію водню з часом.Час поглинання зменшується зі збільшенням тиску навантаження.Використання прикладеного тиску водню 1,2 МПа є найгіршим випадком для процесу поглинання водню, а тривалість поглинання перевищує 26 000 с для досягнення 90% поглинання водню.Однак вищий тиск навантаження призвело до зменшення часу поглинання на 32-42% з 1,8 до 3,0 МПа.Це пов’язано з вищим початковим тиском водню, що призводить до більшої різниці між рівноважним тиском і прикладеним тиском.Таким чином, це створює велику рушійну силу для кінетики поглинання водню.У початковий момент газоподібний водень швидко поглинається через велику різницю між рівноважним тиском і прикладеним тиском57.При тиску навантаження 3,0 МПа протягом перших 10 секунд швидко накопичувалося 18% водню.У 90% реакторів на кінцевій стадії водень зберігався 15460 с.Однак при тиску навантаження від 1,2 до 1,8 МПа час поглинання значно зменшився на 32%.Інші вищі тиски мали менший вплив на покращення часу поглинання.Тому рекомендується, щоб тиск завантаження реактора MH-SCHE становив 1,8 МПа.У додатковому розділі показано контури концентрації водню для різних тисків навантаження при 15500 с.
Вибір відповідної початкової температури реактора МГ є одним із основних факторів, що впливають на процес адсорбції водню, оскільки впливає на рушійну силу реакції утворення гідриду.Для дослідження впливу SCHE на початкову температуру реактора MH було обрано чотири різні температури при постійному тиску навантаження 1,8 МПа та числі Рейнольдса 14 000 HTF.На рис.На малюнку 8b показано порівняння різних початкових температур, включаючи 473K, 523K, 573K і 623K.Насправді, коли температура вища за 230°C або 503K58, сплав Mg2Ni має ефективні характеристики для процесу поглинання водню.Однак у початковий момент впорскування водню температура швидко зростає.Отже, температура шару МГ буде перевищувати 523 К. Отже, утворення гідридів полегшується за рахунок збільшення швидкості поглинання53.З рис.Як видно з рис. 8b, водень поглинається швидше при зниженні початкової температури шару MB.Нижчий рівноважний тиск виникає, коли початкова температура нижча.Чим більше різниця тиску між рівноважним тиском і прикладеним тиском, тим швидше відбувається процес поглинання водню.При початковій температурі 473 К водень швидко поглинається до 27% протягом перших 18 секунд.Крім того, час поглинання також було зменшено з 11% до 24% при нижчій початковій температурі порівняно з початковою температурою 623 К. Час поглинання при найнижчій початковій температурі 473 К становить 15247 с, що подібно до найкращого. тиску завантаження корпусу, однак зниження початкової температури температури реактора призводить до зменшення ємності зберігання водню.Початкова температура реактора МН повинна бути не менше 503 К53.Крім того, при початковій температурі 573 K53 можна досягти максимальної ємності для накопичення водню 3,6% мас.З точки зору здатності до зберігання водню та тривалості поглинання, температури від 523 до 573 K скорочують час лише на 6%.Тому в якості початкової температури реактора MH-SCHE пропонується температура 573 К.Однак вплив початкової температури на процес абсорбції був менш значним порівняно з тиском навантаження.У додатковому розділі показано контури концентрації водню для різних початкових температур при 15500 с.
Швидкість потоку є одним із основних параметрів гідрування та дегідрування, оскільки вона може впливати на турбулентність і відведення або надходження тепла під час гідрування та дегідрування59.Високі швидкості потоку створюють турбулентні фази та призводять до швидшого потоку рідини через трубку HTF.Ця реакція призведе до швидшого теплообміну.Різні швидкості входу для HTF розраховуються на основі чисел Рейнольдса 10 000, 14 000, 18 000 і 22 000.Початкова температура шару МГ була фіксована на рівні 573 К, а тиск навантаження – 1,8 МПа.Результати на рис.8c демонструють, що використання більш високого числа Рейнольдса в поєднанні з SCHE призводить до більш високого рівня поглинання.Коли число Рейнольдса збільшується від 10 000 до 22 000, час поглинання зменшується приблизно на 28-50%.Час поглинання при числі Рейнольдса 22 000 становить 12 505 секунд, що менше, ніж при різних початкових температурах і тисках навантаження.Контури концентрації водню для різних чисел Рейнольдса для GTP при 12500 с представлені в додатковому розділі.
Вплив SCHE на початкову температуру HTF проаналізовано та показано на рис. 8d.При початковій температурі MG 573 К і тиску завантаження водню 1,8 МПа для цього аналізу було обрано чотири початкові температури: 373 К, 473 К, 523 К і 573 К. 8d показує, що зниження температури теплоносія на вході призводить до скорочення часу абсорбції.Порівняно з базовим сценарієм із температурою на вході 573 К, час поглинання було зменшено приблизно на 20%, 44% та 56% для температур на вході 523 К, 473 К та 373 К відповідно.При 6917 с початкова температура ГТФ 373 К, концентрація водню в реакторі 90%.Це можна пояснити посиленням конвективного теплообміну між шаром MG і HCS.Нижчі температури HTF збільшать розсіювання тепла та призведуть до збільшення поглинання водню.Серед усіх робочих параметрів покращення продуктивності реактора MH-SCHE за рахунок підвищення температури на вході HTF було найбільш придатним методом, оскільки час закінчення процесу абсорбції становив менше 7000 с, тоді як найкоротший час абсорбції інших методів був більшим. ніж 10000 с.Наведено контури концентрації водню для різних початкових температур ГТФ протягом 7000 с.
У цьому дослідженні вперше представлено новий напівциліндричний змійовий теплообмінник, інтегрований у металогідридний накопичувач.Здатність запропонованої системи поглинати водень була досліджена з різними конфігураціями теплообмінника.Досліджено вплив робочих параметрів на теплообмін між металогідридним шаром і теплоносієм з метою пошуку оптимальних умов зберігання металгідридів за допомогою нового теплообмінника.Основні висновки цього дослідження підсумовані таким чином:
Завдяки теплообміннику з напівциліндричною спіралью ефективність теплопередачі покращується, оскільки він має більш рівномірний розподіл тепла в реакторі з магнієвим шаром, що призводить до кращої швидкості поглинання водню.За умови незмінності об’єму теплообмінної трубки та гідриду металу час реакції абсорбції значно скорочується на 59% у порівнянні зі звичайним теплообмінником зі змійовиком.
Час публікації: 15 січня 2023 р