Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Viser en karusell med tre lysbilder samtidig.Bruk Forrige og Neste-knappene for å gå gjennom tre lysbilder om gangen, eller bruk skyveknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
Metallhydrider (MH) er anerkjent som en av de best egnede materialgruppene for hydrogenlagring på grunn av deres store hydrogenlagringskapasitet, lave driftstrykk og høye sikkerhet.Imidlertid reduserer deres trege hydrogenopptakskinetikk i stor grad lagringsytelsen.Raskere varmefjerning fra MH-lageret kan spille en viktig rolle i å øke hydrogenopptakshastigheten, noe som resulterer i forbedret lagringsytelse.I denne forbindelse var denne studien rettet mot å forbedre varmeoverføringsegenskapene for å positivt påvirke hydrogenopptakshastigheten til MH-lagringssystemet.Den nye halvsylindriske spolen ble først utviklet og optimalisert for hydrogenlagring og innlemmet som en intern luft-som-varmeveksler (HTF).Basert på de forskjellige tonehøydestørrelsene analyseres effekten av den nye varmevekslerkonfigurasjonen og sammenlignes med den konvensjonelle spiralformede spolegeometrien.I tillegg ble driftsparametrene for lagring av MG og GTP numerisk studert for å oppnå optimale verdier.For numerisk simulering brukes ANSYS Fluent 2020 R2.Resultatene av denne studien viser at ytelsen til en MH lagertank kan forbedres betydelig ved å bruke en semi-sylindrisk spolevarmeveksler (SCHE).Sammenlignet med konvensjonelle spiralspiral varmevekslere, er varigheten av hydrogenabsorpsjon redusert med 59 %.Den minste avstanden mellom SCHE-spolene resulterte i en 61 % reduksjon i absorpsjonstid.Når det gjelder driftsparametrene for MG-lagring ved bruk av SHE, fører alle de valgte parameterne til en betydelig forbedring i hydrogenabsorpsjonsprosessen, spesielt temperaturen ved innløpet til HTS.
Det er en global overgang fra energi basert på fossilt brensel til fornybar energi.Fordi mange former for fornybar energi gir kraft på en dynamisk måte, er energilagring nødvendig for å balansere belastningen.Hydrogenbasert energilagring har tiltrukket seg mye oppmerksomhet for dette formålet, spesielt fordi hydrogen kan brukes som et "grønt" alternativt drivstoff og energibærer på grunn av dets egenskaper og portabilitet.I tillegg gir hydrogen også et høyere energiinnhold per masseenhet sammenlignet med fossilt brensel2.Det er fire hovedtyper av energilagring av hydrogen: lagring av komprimert gass, underjordisk lagring, væskelagring og fast lagring.Komprimert hydrogen er hovedtypen som brukes i brenselcellekjøretøyer som busser og gaffeltrucker.Imidlertid gir dette lageret en lav bulktetthet av hydrogen (omtrent 0,089 kg/m3) og har sikkerhetsproblemer forbundet med høyt driftstrykk3.Basert på en konverteringsprosess ved lav omgivelsestemperatur og lavt trykk vil væskelageret lagre hydrogen i flytende form.Men når den blir flytende, går omtrent 40 % av energien tapt.I tillegg er denne teknologien kjent for å være mer energi- og arbeidskrevende sammenlignet med solid state-lagringsteknologier4.Fast lagring er et levedyktig alternativ for en hydrogenøkonomi, som lagrer hydrogen ved å inkorporere hydrogen i faste materialer gjennom absorpsjon og frigjøring av hydrogen gjennom desorpsjon.Metallhydrid (MH), en teknologi for lagring av fast materiale, er av nyere interesse i brenselcelleapplikasjoner på grunn av sin høye hydrogenkapasitet, lave driftstrykk og lave kostnader sammenlignet med væskelagring, og er egnet for stasjonære og mobile applikasjoner6,7 In I tillegg gir MH-materialer også sikkerhetsegenskaper som effektiv lagring av stor kapasitet8.Imidlertid er det et problem som begrenser produktiviteten til MG: den lave termiske ledningsevnen til MG-reaktoren fører til langsom absorpsjon og desorpsjon av hydrogen.
Riktig varmeoverføring under eksoterme og endoterme reaksjoner er nøkkelen til å forbedre ytelsen til MH-reaktorer.For hydrogenlastingsprosessen må den genererte varmen fjernes fra reaktoren for å kontrollere hydrogenbelastningsstrømmen med ønsket hastighet med maksimal lagringskapasitet.I stedet kreves varme for å øke hastigheten på hydrogenutviklingen under utslipp.For å forbedre varme- og masseoverføringsytelsen har mange forskere studert design og optimalisering basert på flere faktorer som driftsparametere, MG-struktur og MG11-optimalisering.MG-optimalisering kan gjøres ved å legge til materialer med høy varmeledningsevne som skummetaller til MG-lagene 12,13.Dermed kan den effektive varmeledningsevnen økes fra 0,1 til 2 W/mK10.Tilsetning av faste materialer reduserer imidlertid kraften til MN-reaktoren betydelig.Med hensyn til driftsparametere kan forbedringer oppnås ved å optimalisere de innledende driftsforholdene til MG-laget og kjølevæsken (HTF).Strukturen til MG kan optimaliseres på grunn av reaktorens geometri og utformingen av varmeveksleren.Når det gjelder konfigurasjonen av MH-reaktorvarmeveksleren, kan metodene deles inn i to typer.Dette er interne varmevekslere innebygd i MO-laget og eksterne varmevekslere som dekker MO-laget som finner, kjølekapper og vannbad.Når det gjelder den eksterne varmeveksleren, analyserte Kaplan16 driften av MH-reaktoren ved å bruke kjølevann som en kappe for å redusere temperaturen inne i reaktoren.Resultatene ble sammenlignet med en reaktor med 22 runde finner og en annen reaktor avkjølt ved naturlig konveksjon.De sier at tilstedeværelsen av en kjølejakke reduserer temperaturen på MH betydelig, og øker dermed absorpsjonshastigheten.Numeriske studier av den vannkappede MH-reaktoren av Patil og Gopal17 har vist at hydrogentilførselstrykk og HTF-temperatur er nøkkelparametere som påvirker hastigheten på hydrogenopptak og desorpsjon.
Å øke varmeoverføringsområdet ved å legge til finner og varmevekslere innebygd i MH er nøkkelen til å forbedre varme- og masseoverføringsytelsen og dermed lagringsytelsen til MH18.Flere interne varmevekslerkonfigurasjoner (rett rør og spiralspiral) er designet for å sirkulere kjølevæsken i MH19,20,21,22,23,24,25,26 reaktoren.Ved å bruke en intern varmeveksler vil kjøle- eller oppvarmingsvæsken overføre lokal varme inne i MH-reaktoren under hydrogenadsorpsjonsprosessen.Raju og Kumar [27] brukte flere rette rør som varmevekslere for å forbedre ytelsen til MG.Resultatene deres viste at absorpsjonstiden ble redusert når rette rør ble brukt som varmevekslere.I tillegg forkorter bruken av rette rør hydrogendesorpsjonstiden28.Høyere strømningshastigheter for kjølevæske øker hastigheten på lading og utslipp av hydrogen29.Økning av antall kjølerør har imidlertid en positiv effekt på MH-ytelsen i stedet for kjølevæskestrømningshastigheten30,31.Raju et al.32 brukte LaMi4.7Al0.3 som et MH-materiale for å studere ytelsen til flerrørsvarmevekslere i reaktorer.De rapporterte at driftsparametrene hadde en betydelig effekt på absorpsjonsprosessen, spesielt matetrykket og deretter strømningshastigheten til HTF.Absorpsjonstemperaturen viste seg imidlertid å være mindre kritisk.
Ytelsen til MH-reaktoren er ytterligere forbedret ved bruk av en spiralspiral varmeveksler på grunn av dens forbedrede varmeoverføring sammenlignet med rette rør.Dette er fordi sekundærsyklusen bedre kan fjerne varme fra reaktoren25.I tillegg gir spiralrørene et stort overflateareal for varmeoverføring fra MH-laget til kjølevæsken.Når denne metoden introduseres inne i reaktoren, er fordelingen av varmevekslerrør også mer jevn33.Wang et al.34 studerte effekten av hydrogenopptakets varighet ved å legge til en spiralformet spole til en MH-reaktor.Resultatene deres viser at når varmeoverføringskoeffisienten til kjølevæsken øker, reduseres absorpsjonstiden.Wu et al.25 undersøkte ytelsen til Mg2Ni-baserte MH-reaktorer og spiralvarmevekslere.Deres numeriske studier har vist en reduksjon i reaksjonstid.Forbedringen av varmeoverføringsmekanismen i MN-reaktoren er basert på et mindre forhold mellom skruestigning og skruestigning og en dimensjonsløs skruestigning.En eksperimentell studie av Mellouli et al.21 ved bruk av en coiled coil som en intern varmeveksler viste at HTF starttemperatur har en betydelig effekt på å forbedre hydrogenopptak og desorpsjonstid.Kombinasjoner av ulike interne varmevekslere er utført i flere studier.Eisapur et al.35 studerte hydrogenlagring ved å bruke en spiralspiral varmeveksler med et sentralt returrør for å forbedre hydrogenabsorpsjonsprosessen.Resultatene deres viste at spiralrøret og det sentrale returrøret forbedrer varmeoverføringen mellom kjølevæsken og MG betydelig.Den mindre stigningen og større diameteren til spiralrøret øker hastigheten på varme- og masseoverføring.Ardahaie et al.36 brukte flate spiralrør som varmevekslere for å forbedre varmeoverføringen i reaktoren.De rapporterte at absorpsjonsvarigheten ble redusert ved å øke antall flate spiralrørplan.Kombinasjoner av ulike interne varmevekslere er utført i flere studier.Dhau et al.37 forbedret ytelsen til MH ved å bruke en spiralvarmeveksler og finner.Resultatene deres viser at denne metoden reduserer hydrogenfyllingstiden med en faktor på 2 sammenlignet med tilfellet uten finner.De ringformede finnene er kombinert med kjølerør og bygget inn i MN-reaktoren.Resultatene av denne studien viser at denne kombinerte metoden gir mer jevn varmeoverføring sammenlignet med MH-reaktoren uten finner.Men å kombinere ulike varmevekslere vil negativt påvirke vekten og volumet til MH-reaktoren.Wu et al.18 sammenlignet forskjellige varmevekslerkonfigurasjoner.Disse inkluderer rette rør, finner og spiralspiraler.Forfatterne rapporterer at spiralspoler gir de beste forbedringene i varme- og masseoverføring.I tillegg, sammenlignet med rette rør, kveilrør og rette rør kombinert med kveilrør, har doble spiraler en bedre effekt på å forbedre varmeoverføringen.En studie av Sekhar et al.40 viste at en tilsvarende forbedring i hydrogenopptak ble oppnådd ved bruk av en spiralspiral som intern varmeveksler og en utvendig kjølekappe med ribber.
Av eksemplene nevnt ovenfor gir bruk av spiralspoler som interne varmevekslere bedre varme- og masseoverføringsforbedringer enn andre varmevekslere, spesielt rette rør og finner.Derfor var målet med denne studien å videreutvikle spiralspolen for å forbedre varmeoverføringsytelsen.For første gang er det utviklet en ny halvsylindrisk spole basert på den konvensjonelle MH-lagringsspiralformede spiralen.Denne studien forventes å forbedre hydrogenlagringsytelsen ved å vurdere en ny varmevekslerdesign med en bedre varmeoverføringssoneoppsett gitt av et konstant volum av MH-seng og HTF-rør.Lagringsytelsen til denne nye varmeveksleren ble deretter sammenlignet med konvensjonelle spiralbatterivarmevekslere basert på forskjellige spiralstigninger.I følge eksisterende litteratur er driftsforhold og avstand mellom spoler hovedfaktorene som påvirker ytelsen til MH-reaktorer.For å optimalisere utformingen av denne nye varmeveksleren, ble effekten av spoleavstand på hydrogenopptakstid og MH-volum undersøkt.I tillegg, for å forstå forholdet mellom de nye halvsylindriske spolene og driftsforholdene, var et sekundært mål med denne studien å studere egenskapene til reaktoren i henhold til forskjellige driftsparameterområder og bestemme passende verdier for hver operasjon. modus.parameter.
Ytelsen til lagringsenheten for hydrogenenergi i denne studien er undersøkt basert på to varmevekslerkonfigurasjoner (inkludert spiralrør i tilfelle 1 til 3 og halvsylindriske rør i tilfeller 4 til 6) og en sensitivitetsanalyse av driftsparametere.Driftsevnen til MH-reaktoren ble testet for første gang ved bruk av et spiralrør som varmeveksler.Både kjølevæskeoljerøret og MH-reaktorbeholderen er laget av rustfritt stål.Det skal bemerkes at dimensjonene til MG-reaktoren og diameteren på GTF-rørene var konstante i alle tilfeller, mens trinnstørrelsene til GTF varierte.Denne delen analyserer effekten av tonehøydestørrelsen til HTF-spoler.Høyden og ytre diameteren til reaktoren var henholdsvis 110 mm og 156 mm.Diameteren på det varmeledende oljerøret er satt til 6 mm.Se tilleggsseksjonen for detaljer om MH-reaktorkretsdiagrammet med spiralrør og to halvsylindriske rør.
På fig.1a viser MH spiralrørreaktoren og dens dimensjoner.Alle geometriske parametere er gitt i tabell.1. Det totale volumet av helixen og volumet til ZG er henholdsvis ca. 100 cm3 og 2000 cm3.Fra denne MH-reaktoren ble luft i form av HTF matet inn i den porøse MH-reaktoren nedenfra gjennom et spiralrør, og hydrogen ble innført fra reaktorens toppflate.
Karakterisering av utvalgte geometrier for metallhydridreaktorer.a) med en spiralrørformet varmeveksler, b) med en halvsylindrisk rørformet varmeveksler.
Den andre delen undersøker driften av MH-reaktoren basert på et halvsylindrisk rør som varmeveksler.På fig.1b viser MN-reaktoren med to halvsylindriske rør og deres dimensjoner.Tabell 1 viser alle de geometriske parameterne til halvsylindriske rør, som forblir konstante, med unntak av avstanden mellom dem.Det skal bemerkes at det halvsylindriske røret i Case 4 ble designet med et konstant volum av HTF-rør og MH-legering i kveilrøret (alternativ 3).Når det gjelder fig.1b ble det også innført luft fra bunnen av de to halvsylindriske HTF-rørene, og hydrogen ble innført fra motsatt retning av MH-reaktoren.
På grunn av den nye utformingen av varmeveksleren, er formålet med denne delen å bestemme de riktige startverdiene for driftsparametrene til MH-reaktoren i kombinasjon med SCHE.I alle tilfeller ble luft brukt som kjølemiddel for å fjerne varme fra reaktoren.Blant varmeoverføringsoljene er luft og vann ofte valgt som varmeoverføringsoljer for MH-reaktorer på grunn av deres lave kostnader og lave miljøpåvirkninger.På grunn av det høye driftstemperaturområdet til magnesiumbaserte legeringer, ble luft valgt som kjølevæske i denne studien.I tillegg har den også bedre flytegenskaper enn andre flytende metaller og smeltede salter41.Tabell 2 viser egenskapene til luft ved 573 K. For sensitivitetsanalysen i denne delen brukes kun de beste konfigurasjonene av MH-SCHE-ytelsesalternativene (i tilfeller 4 til 6).Estimatene i denne delen er basert på ulike driftsparametre, inkludert starttemperaturen til MH-reaktoren, hydrogenbelastningstrykket, HTF-innløpstemperaturen og Reynolds-tallet beregnet ved å endre HTF-hastigheten.Tabell 3 inneholder alle driftsparametere som brukes for sensitivitetsanalyse.
Denne delen beskriver alle nødvendige kontrollligninger for prosessen med hydrogenabsorpsjon, turbulens og varmeoverføring av kjølevæsker.
For å forenkle løsningen av hydrogenopptaksreaksjonen, er følgende antakelser gjort og gitt;
Under absorpsjon er de termofysiske egenskapene til hydrogen og metallhydrider konstante.
Hydrogen anses som en ideell gass, så lokale termiske likevektsforhold43,44 er tatt i betraktning.
der \({L}_{gas}\) er radiusen til tanken, og \({L}_{heat}\) er den aksiale høyden til tanken.Når N er mindre enn 0,0146, kan hydrogenstrømmen i tanken ignoreres i simuleringen uten vesentlig feil.I følge dagens forskning er N mye lavere enn 0,1.Derfor kan trykkgradienteffekten neglisjeres.
Reaktorveggene var godt isolert i alle tilfeller.Derfor er det ingen varmeveksling 47 mellom reaktoren og omgivelsene.
Det er velkjent at Mg-baserte legeringer har gode hydrogeneringsegenskaper og høy hydrogenlagringskapasitet opp til 7,6 vekt%8.Når det gjelder lagring av hydrogen i fast form, er disse legeringene også kjent som lette materialer.I tillegg har de utmerket varmebestandighet og god bearbeidbarhet8.Blant flere Mg-baserte legeringer er Mg2Ni-basert MgNi-legering et av de best egnede alternativene for MH-lagring på grunn av sin hydrogenlagringskapasitet på opptil 6 vekt%.Mg2Ni-legeringer gir også raskere adsorpsjons- og desorpsjonskinetikk sammenlignet med MgH48-legering.Derfor ble Mg2Ni valgt som metallhydridmateriale i denne studien.
Energiligningen er uttrykt som 25 basert på varmebalansen mellom hydrogen og Mg2Ni-hydrid:
X er mengden hydrogen absorbert på metalloverflaten, enheten er \(vekt\%\), beregnet fra den kinetiske ligningen \(\frac{dX}{dt}\) under absorpsjon som følger49:
hvor \({C}_{a}\) er reaksjonshastigheten og \({E}_{a}\) er aktiveringsenergien.\({P}_{a,eq}\) er likevektstrykket inne i metallhydridreaktoren under absorpsjonsprosessen, gitt av van't Hoff-ligningen som følger25:
Hvor \({P}_{ref}\) er referansetrykket på 0,1 MPa.\(\Delta H\) og \(\Delta S\) er henholdsvis entalpien og entropien til reaksjonen.Egenskaper til legeringer Mg2Ni og hydrogen er presentert i tabellen.4. Den navngitte listen finner du i tilleggsdelen.
Væskestrømmen anses som turbulent fordi dens hastighet og Reynolds-tall (Re) er henholdsvis 78,75 ms-1 og 14000.I denne studien ble en oppnåelig k-ε turbulensmodell valgt.Det bemerkes at denne metoden gir høyere nøyaktighet sammenlignet med andre k-ε-metoder, og krever også mindre beregningstid enn RNG k-ε50,51-metoder.Se tilleggsdelen for detaljer om de grunnleggende ligningene for varmeoverføringsvæsker.
Til å begynne med var temperaturregimet i MN-reaktoren ensartet, og gjennomsnittlig hydrogenkonsentrasjon var 0,043.Det antas at den ytre grensen til MH-reaktoren er godt isolert.Magnesiumbaserte legeringer krever vanligvis høye reaksjonsdriftstemperaturer for å lagre og frigjøre hydrogen i reaktoren.Mg2Ni-legeringen krever et temperaturområde på 523–603 K for maksimal absorpsjon og et temperaturområde på 573–603 K for fullstendig desorpsjon52.Imidlertid viste eksperimentelle studier av Muthukumar et al.53 at maksimal lagringskapasitet for Mg2Ni for hydrogenlagring kan oppnås ved en driftstemperatur på 573 K, som tilsvarer dens teoretiske kapasitet.Derfor ble temperaturen på 573 K valgt som starttemperaturen til MN-reaktoren i denne studien.
Lag forskjellige rutenettstørrelser for validering og pålitelige resultater.På fig.2 viser gjennomsnittstemperaturen på utvalgte steder i hydrogenabsorpsjonsprosessen fra fire forskjellige grunnstoffer.Det er verdt å merke seg at bare ett tilfelle av hver konfigurasjon er valgt for å teste for rutenettuavhengighet på grunn av lignende geometri.Den samme meshing-metoden brukes i andre tilfeller.Velg derfor alternativ 1 for spiralrøret og alternativ 4 for halvsylindrisk rør.På fig.2a, b viser gjennomsnittstemperaturen i reaktoren for henholdsvis alternativ 1 og 4.De tre valgte plasseringene representerer lagtemperaturkonturer på toppen, midten og bunnen av reaktoren.Basert på temperaturkonturene på de valgte stedene blir gjennomsnittstemperaturen stabil og viser liten endring i elementnummer 428.891 og 430.599 for henholdsvis tilfelle 1 og 4.Derfor ble disse rutenettstørrelsene valgt for videre beregninger.Detaljert informasjon om gjennomsnittlig sjikttemperatur for hydrogenabsorpsjonsprosessen for ulike cellestørrelser og suksessivt raffinerte masker for begge tilfeller er gitt i tilleggsdelen.
Gjennomsnittlig sjikttemperatur på utvalgte punkter i hydrogenabsorpsjonsprosessen i en metallhydridreaktor med forskjellige rutetall.(a) Gjennomsnittstemperatur på utvalgte steder for tilfelle 1 og (b) Gjennomsnittstemperatur på utvalgte steder for tilfelle 4.
Den Mg-baserte metallhydridreaktoren i denne studien ble testet basert på de eksperimentelle resultatene til Muthukumar et al.53.I sin studie brukte de en Mg2Ni-legering for å lagre hydrogen i rustfrie stålrør.Kobberfinner brukes til å forbedre varmeoverføringen inne i reaktoren.På fig.3a viser en sammenligning av gjennomsnittstemperaturen til absorpsjonsprosesssjiktet mellom den eksperimentelle studien og denne studien.Driftsbetingelsene som er valgt for dette eksperimentet er: MG starttemperatur 573 K og innløpstrykk 2 MPa.Fra fig.3a kan det tydelig vises at dette forsøksresultatet er i god overensstemmelse med det nåværende med hensyn til gjennomsnittlig lagtemperatur.
Modellverifisering.(a) Kodeverifisering av Mg2Ni metallhydridreaktoren ved å sammenligne den nåværende studien med eksperimentelle arbeidet til Muthukumar et al.52, og (b) verifisering av den turbulente strømningsmodellen for spiralrør ved å sammenligne den nåværende studien med den til Kumar et al. .Forskning.54.
For å teste turbulensmodellen ble resultatene av denne studien sammenlignet med de eksperimentelle resultatene til Kumar et al.54 for å bekrefte riktigheten av den valgte turbulensmodellen.Kumar et al.54 studerte turbulent strømning i en rør-i-rør spiral varmeveksler.Vann brukes som varm og kald væske injisert fra motsatte sider.De varme og kalde væsketemperaturene er henholdsvis 323 K og 300 K.Reynolds tall varierer fra 3100 til 5700 for varme væsker og fra 21 000 til 35 000 for kalde væsker.Deannummer er 550-1000 for varme væsker og 3600-6000 for kalde væsker.Diametrene på det indre røret (for varm væske) og det ytre røret (for kald væske) er henholdsvis 0,0254 m og 0,0508 m.Diameteren og stigningen til den spiralformede spolen er henholdsvis 0,762 m og 0,100 m.På fig.3b viser en sammenligning av eksperimentelle og nåværende resultater for forskjellige par av Nusselt- og Dean-tall for kjølevæsken i det indre røret.Tre ulike turbulensmodeller ble implementert og sammenlignet med eksperimentelle resultater.Som vist i fig.3b er resultatene av den oppnåelige k-ε-turbulensmodellen i god overensstemmelse med de eksperimentelle dataene.Derfor ble denne modellen valgt i denne studien.
Numeriske simuleringer i denne studien ble utført ved bruk av ANSYS Fluent 2020 R2.Skriv en brukerdefinert funksjon (UDF) og bruk den som inputleddet til energiligningen for å beregne kinetikken til absorpsjonsprosessen.PRESTO55-kretsen og PISO56-metoden brukes for trykk-hastighetskommunikasjon og trykkkorreksjon.Velg en Greene-Gauss-cellebase for den variable gradienten.Momentum- og energiligningene løses med andreordens oppvindsmetoden.Når det gjelder underrelaksasjonskoeffisientene, er trykk-, hastighets- og energikomponentene satt til henholdsvis 0,5, 0,7 og 0,7.Standard veggfunksjoner brukes på HTF i turbulensmodellen.
Denne delen presenterer resultatene av numeriske simuleringer av forbedret intern varmeoverføring av en MH-reaktor ved bruk av en spiralvarmeveksler (HCHE) og en spiralformet spolevarmeveksler (SCHE) under hydrogenabsorpsjon.Effekten av HTF-bek på temperaturen i reaktorlaget og varigheten av absorpsjon ble analysert.De viktigste driftsparametrene for absorpsjonsprosessen studeres og presenteres i sensitivitetsanalysedelen.
For å undersøke effekten av spoleavstand på varmeoverføring i en MH-reaktor, ble tre varmevekslerkonfigurasjoner med forskjellige stigninger undersøkt.De tre forskjellige stigningene på 15 mm, 12,86 mm og 10 mm er betegnet med henholdsvis kropp 1, kropp 2 og kropp 3.Det skal bemerkes at rørdiameteren ble festet til 6 mm ved en starttemperatur på 573 K og et lastetrykk på 1,8 MPa i alle tilfeller.På fig.4 viser gjennomsnittlig sjikttemperatur og hydrogenkonsentrasjon i MH-laget under hydrogenabsorpsjonsprosessen i tilfellene 1 til 3. Typisk er reaksjonen mellom metallhydridet og hydrogen eksoterm for absorpsjonsprosessen.Derfor stiger temperaturen i sjiktet raskt på grunn av det første øyeblikket når hydrogen først innføres i reaktoren.Sengetemperaturen øker til den når en maksimal verdi og avtar deretter gradvis etter hvert som varme føres bort av kjølevæsken, som har lavere temperatur og fungerer som kjølevæske.Som vist i fig.4a, på grunn av den forrige forklaringen, øker temperaturen i laget raskt og synker kontinuerlig.Hydrogenkonsentrasjonen for absorpsjonsprosessen er vanligvis basert på sjikttemperaturen til MH-reaktoren.Når den gjennomsnittlige lagtemperaturen synker til en viss temperatur, absorberer metalloverflaten hydrogen.Dette skyldes akselerasjonen av prosessene med fysisorpsjon, kjemisorpsjon, diffusjon av hydrogen og dannelsen av dets hydrider i reaktoren.Fra fig.4b kan det sees at graden av hydrogenabsorpsjon i tilfelle 3 er lavere enn i andre tilfeller på grunn av den mindre trinnverdien til spiralvarmeveksleren.Dette resulterer i en lengre total rørlengde og et større varmeoverføringsområde for HTF-rør.Med en gjennomsnittlig hydrogenkonsentrasjon på 90 % er absorpsjonstiden for Case 1 46 276 sekunder.Sammenlignet med absorpsjonsvarigheten i tilfelle 1, ble absorpsjonsvarigheten i tilfelle 2 og 3 redusert med henholdsvis 724 s og 1263 s.Den supplerende delen presenterer temperatur- og hydrogenkonsentrasjonskonturer for utvalgte steder i HCHE-MH-laget.
Påvirkning av avstand mellom spoler på gjennomsnittlig lagtemperatur og hydrogenkonsentrasjon.(a) Gjennomsnittlig sjikttemperatur for spiralformede spoler, (b) hydrogenkonsentrasjon for spiralformede spiraler, (c) gjennomsnittlig sjikttemperatur for halvsylindriske spiraler, og (d) hydrogenkonsentrasjon for halvsylindriske spiraler.
For å forbedre varmeoverføringsegenskapene til MG-reaktoren ble to HFC-er designet for et konstant volum av MG (2000 cm3) og en spiralvarmeveksler (100 cm3) i alternativ 3. Denne delen tar også for seg effekten av avstanden mellom spoler på 15 mm for kasse 4, 12,86 mm for kasse 5 og 10 mm for kasse 6. På fig.4c,d viser gjennomsnittlig sjikttemperatur og konsentrasjon av hydrogenabsorpsjonsprosessen ved en starttemperatur på 573 K og et lastetrykk på 1,8 MPa.I henhold til den gjennomsnittlige lagtemperaturen i fig. 4c, reduserer den mindre avstanden mellom spolene i tilfelle 6 temperaturen betydelig sammenlignet med de to andre tilfellene.For tilfelle 6 resulterer en lavere sjikttemperatur i en høyere hydrogenkonsentrasjon (se fig. 4d).Hydrogenopptakstiden for variant 4 er 19542 s, som er mer enn 2 ganger lavere enn for variant 1-3 ved bruk av HCH.I tillegg, sammenlignet med tilfelle 4, ble absorpsjonstiden også redusert med 378 s og 1515 s i tilfelle 5 og 6 med lavere avstander.Den supplerende delen presenterer temperatur- og hydrogenkonsentrasjonskonturer for utvalgte steder i SCHE-MH-laget.
For å studere ytelsen til to varmevekslerkonfigurasjoner, plotter og presenterer denne delen temperaturkurver på tre utvalgte steder.MH-reaktoren med HCHE fra tilfelle 3 ble valgt for sammenligning med MH-reaktoren som inneholder SCHE i tilfelle 4 fordi den har konstant MH-volum og rørvolum.Driftsbetingelsene for denne sammenligningen var en starttemperatur på 573 K og et lastetrykk på 1,8 MPa.På fig.5a og 5b viser alle tre valgte posisjoner av temperaturprofilene i henholdsvis tilfelle 3 og 4.På fig.5c viser temperaturprofilen og lagkonsentrasjonen etter 20 000 s med hydrogenopptak.I henhold til linje 1 i fig. 5c synker temperaturen rundt TTF fra alternativene 3 og 4 på grunn av den konvektive varmeoverføringen av kjølevæsken.Dette resulterer i en høyere konsentrasjon av hydrogen rundt dette området.Bruk av to SCHE-er resulterer imidlertid i en høyere lagkonsentrasjon.Raskere kinetiske responser ble funnet rundt HTF-regionen i tilfelle 4. I tillegg ble det også funnet en maksimal konsentrasjon på 100 % i denne regionen.Fra linje 2 som ligger midt i reaktoren, er temperaturen på case 4 betydelig lavere enn temperaturen på case 3 alle steder bortsett fra midten av reaktoren.Dette resulterer i maksimal hydrogenkonsentrasjon for tilfelle 4 bortsett fra området nær sentrum av reaktoren borte fra HTF.Konsentrasjonen av sak 3 endret seg imidlertid ikke mye.En stor forskjell i temperatur og konsentrasjon av laget ble observert i linje 3 nær inngangen til GTS.Temperaturen på laget i tilfelle 4 sank betydelig, noe som resulterte i den høyeste hydrogenkonsentrasjonen i denne regionen, mens konsentrasjonslinjen i tilfelle 3 fortsatt svingte.Dette skyldes akselerasjonen av SCHE varmeoverføring.Detaljer og diskusjon av sammenligningen av gjennomsnittstemperaturen til MH-laget og HTF-røret mellom case 3 og case 4 er gitt i tilleggsdelen.
Temperaturprofil og sjiktkonsentrasjon på utvalgte steder i metallhydridreaktoren.(a) Utvalgte steder for tilfelle 3, (b) Utvalgte steder for tilfelle 4, og (c) Temperaturprofil og lagkonsentrasjon på utvalgte steder etter 20 000 s for hydrogenopptaksprosessen i tilfelle 3 og 4.
På fig.Figur 6 viser en sammenligning av gjennomsnittlig sjikttemperatur (se figur 6a) og hydrogenkonsentrasjon (se figur 6b) for absorpsjon av HCH og SHE.Det kan sees fra denne figuren at temperaturen i MG-laget synker betydelig på grunn av en økning i varmevekslingsområdet.Fjerning av mer varme fra reaktoren resulterer i en høyere hydrogenopptakshastighet.Selv om de to varmevekslerkonfigurasjonene har samme volum sammenlignet med bruk av HCHE som alternativ 3, ble SCHEs hydrogenopptakstid basert på alternativ 4 betydelig redusert med 59 %.For en mer detaljert analyse er hydrogenkonsentrasjonene for de to varmevekslerkonfigurasjonene vist som isoliner i figur 7. Denne figuren viser at i begge tilfeller begynner hydrogen å bli absorbert nedenfra rundt HTF-innløpet.Høyere konsentrasjoner ble funnet i HTF-regionen, mens lavere konsentrasjoner ble observert i sentrum av MH-reaktoren på grunn av avstanden fra varmeveksleren.Etter 10 000 s er hydrogenkonsentrasjonen i tilfelle 4 betydelig høyere enn i tilfelle 3. Etter 20 000 sekunder har gjennomsnittlig hydrogenkonsentrasjon i reaktoren steget til 90 % i tilfelle 4 mot 50 % hydrogen i tilfelle 3. Dette kan skyldes til den høyere effektive kjølekapasiteten ved å kombinere to SCHE-er, noe som resulterer i en lavere temperatur inne i MH-laget.Følgelig faller et mer likevektstrykk inne i MG-laget, noe som fører til en raskere absorpsjon av hydrogen.
Case 3 og Case 4 Sammenligning av gjennomsnittlig sjikttemperatur og hydrogenkonsentrasjon mellom to varmevekslerkonfigurasjoner.
Sammenligning av hydrogenkonsentrasjonen etter 500, 2000, 5000, 10000 og 20000 s etter starten av hydrogenabsorpsjonsprosessen i tilfelle 3 og tilfelle 4.
Tabell 5 oppsummerer varigheten av hydrogenopptaket for alle tilfeller.I tillegg viser tabellen også tidspunktet for absorpsjon av hydrogen, uttrykt i prosent.Denne prosentandelen er beregnet basert på absorpsjonstiden i tilfelle 1. Fra denne tabellen er absorpsjonstiden til MH-reaktoren ved bruk av HCHE ca. 45.000 til 46.000 s, og absorpsjonstiden inkludert SCHE er ca. 18.000 til 19.000 s.Sammenlignet med Case 1 ble absorpsjonstiden i Case 2 og Case 3 redusert med henholdsvis 1,6 % og 2,7 %.Ved bruk av SCHE i stedet for HCHE ble absorpsjonstiden betydelig redusert fra tilfelle 4 til tilfelle 6, fra 58 % til 61 %.Det er klart at tilsetningen av SCHE til MH-reaktoren i stor grad forbedrer hydrogenabsorpsjonsprosessen og ytelsen til MH-reaktoren.Selv om installasjonen av en varmeveksler inne i MH-reaktoren reduserer lagringskapasiteten, gir denne teknologien en betydelig forbedring i varmeoverføringen sammenlignet med andre teknologier.En reduksjon av tonehøydeverdien vil også øke volumet til SCHE, noe som resulterer i en reduksjon i volumet til MH.I tilfelle 6 med det høyeste SCHE-volumet ble MH-volumetrisk kapasitet kun redusert med 5 % sammenlignet med tilfelle 1 med det laveste HCHE-volumet.I tillegg, under absorpsjon, viste case 6 raskere og bedre ytelse med 61 % reduksjon i absorpsjonstid.Derfor ble case 6 valgt for videre undersøkelse i sensitivitetsanalysen.Det skal bemerkes at den lange hydrogenopptakstiden er knyttet til en lagertank som inneholder et MH-volum på ca. 2000 cm3.
Driftsparametrene under reaksjonen er viktige faktorer som positivt eller negativt påvirker ytelsen til MH-reaktoren under reelle forhold.Denne studien vurderer en sensitivitetsanalyse for å bestemme de riktige initiale driftsparametrene for en MH-reaktor i kombinasjon med SCHE, og denne delen undersøker de fire hoveddriftsparametrene basert på den optimale reaktorkonfigurasjonen i tilfelle 6. Resultatene for alle driftsforhold er vist i Fig. 8.
Graf over hydrogenkonsentrasjon under ulike driftsforhold ved bruk av varmeveksler med halvsylindrisk spole.(a) lastetrykk, (b) innledende sjikttemperatur, (c) kjølevæske Reynolds-tall, og (d) kjølevæskeinnløpstemperatur.
Basert på en konstant starttemperatur på 573 K og en kjølevæskestrømningshastighet med et Reynolds-tall på 14 000, ble fire forskjellige belastningstrykk valgt: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa og 3,0 MPa.På fig.8a viser effekten av lastetrykk og SCHE på hydrogenkonsentrasjon over tid.Absorpsjonstiden avtar med økende lastetrykk.Bruk av et påført hydrogentrykk på 1,2 MPa er det verste tilfellet for hydrogenabsorpsjonsprosessen, og absorpsjonsvarigheten overstiger 26 000 s for å oppnå 90 % hydrogenabsorpsjon.Det høyere belastningstrykket resulterte imidlertid i en 32-42 % reduksjon i absorpsjonstid fra 1,8 til 3,0 MPa.Dette skyldes det høyere starttrykket av hydrogen, som resulterer i en større forskjell mellom likevektstrykket og det påførte trykket.Derfor skaper dette en stor drivkraft for hydrogenopptakskinetikken.I det første øyeblikket absorberes hydrogengass raskt på grunn av den store forskjellen mellom likevektstrykket og det påførte trykket57.Ved et lastetrykk på 3,0 MPa akkumulerte 18 % hydrogen raskt i løpet av de første 10 sekundene.Hydrogen ble lagret i 90 % av reaktorene i sluttfasen i 15460 s.Ved et lastetrykk på 1,2 til 1,8 MPa ble imidlertid absorpsjonstiden betydelig redusert med 32 %.Andre høyere trykk hadde mindre effekt på å forbedre absorpsjonstiden.Derfor anbefales det at lastetrykket til MH-SCHE-reaktoren er 1,8 MPa.Tilleggsdelen viser hydrogenkonsentrasjonskonturene for ulike lastetrykk ved 15500 s.
Valget av en passende starttemperatur for MH-reaktoren er en av hovedfaktorene som påvirker hydrogenadsorpsjonsprosessen, ettersom den påvirker drivkraften til hydriddannelsesreaksjonen.For å studere effekten av SCHE på starttemperaturen til MH-reaktoren, ble fire forskjellige temperaturer valgt ved et konstant lastetrykk på 1,8 MPa og et Reynolds-tall på 14 000 HTF.På fig.Figur 8b viser en sammenligning av forskjellige starttemperaturer, inkludert 473K, 523K, 573K og 623K.Faktisk, når temperaturen er høyere enn 230 °C eller 503K58, har Mg2Ni-legeringen effektive egenskaper for hydrogenabsorpsjonsprosessen.Imidlertid, i det første øyeblikket av hydrogeninjeksjon, stiger temperaturen raskt.Følgelig vil temperaturen på MG-laget overstige 523 K. Derfor forenkles dannelsen av hydrider på grunn av den økte absorpsjonshastigheten53.Fra fig.Det kan ses av fig. 8b at hydrogen absorberes raskere når starttemperaturen til MB-laget synker.Lavere likevektstrykk oppstår når starttemperaturen er lavere.Jo større trykkforskjellen er mellom likevektstrykket og det påførte trykket, desto raskere er prosessen med hydrogenabsorpsjon.Ved en starttemperatur på 473 K absorberes hydrogen raskt opp til 27 % i løpet av de første 18 sekundene.I tillegg ble absorpsjonstiden også redusert fra 11 % til 24 % ved en lavere starttemperatur sammenlignet med starttemperaturen på 623 K. Absorpsjonstiden ved den laveste starttemperaturen på 473 K er 15247 s, som er lik den beste I tilfelle belastningstrykk fører imidlertid reduksjonen i reaktortemperaturen til starttemperatur til en reduksjon i hydrogenlagringskapasitet.Starttemperaturen til MN-reaktoren må være minst 503 K53.I tillegg, ved en starttemperatur på 573 K53, kan en maksimal hydrogenlagringskapasitet på 3,6 vekt% oppnås.Når det gjelder hydrogenlagringskapasitet og absorpsjonsvarighet, forkorter temperaturer mellom 523 og 573 K tiden med bare 6 %.Derfor foreslås en temperatur på 573 K som starttemperatur for MH-SCHE-reaktoren.Effekten av starttemperaturen på absorpsjonsprosessen var imidlertid mindre signifikant sammenlignet med lastetrykket.Tilleggsseksjonen viser konturene av hydrogenkonsentrasjonen for forskjellige starttemperaturer ved 15500 s.
Strømningshastigheten er en av hovedparametrene for hydrogenering og dehydrogenering fordi den kan påvirke turbulens og varmefjerning eller tilførsel under hydrogenering og dehydrogenering59.Høye strømningshastigheter vil skape turbulente faser og resultere i raskere væskestrøm gjennom HTF-røret.Denne reaksjonen vil resultere i raskere varmeoverføring.Ulike inngangshastigheter for HTF beregnes basert på Reynolds tall på 10 000, 14 000, 18 000 og 22 000.Starttemperaturen til MG-laget ble fastsatt til 573 K og lastetrykket til 1,8 MPa.Resultatene i fig.8c viser at bruk av et høyere Reynolds-tall i kombinasjon med SCHE resulterer i en høyere opptakshastighet.Når Reynolds-tallet øker fra 10 000 til 22 000, reduseres absorpsjonstiden med ca. 28-50%.Absorpsjonstiden ved et Reynolds-tall på 22.000 er 12.505 sekunder, som er mindre enn ved forskjellige innledende belastningstemperaturer og trykk.Hydrogenkonsentrasjonskonturer for ulike Reynolds-tall for GTP ved 12500 s er presentert i tilleggsdelen.
Effekten av SCHE på starttemperaturen til HTF er analysert og vist i fig. 8d.Ved en initial MG-temperatur på 573 K og et hydrogenbelastningstrykk på 1,8 MPa, ble fire starttemperaturer valgt for denne analysen: 373 K, 473 K, 523 K og 573 K. 8d viser at en reduksjon i kjølevæskens temperatur ved innløpet fører til en reduksjon i absorpsjonstiden.Sammenlignet med basistilfellet med en innløpstemperatur på 573 K, ble absorpsjonstiden redusert med ca. 20 %, 44 % og 56 % for innløpstemperaturer på henholdsvis 523 K, 473 K og 373 K.Ved 6917 s er starttemperaturen til GTF 373 K, hydrogenkonsentrasjonen i reaktoren er 90%.Dette kan forklares med forbedret konvektiv varmeoverføring mellom MG-laget og HCS.Lavere HTF-temperaturer vil øke varmespredningen og gi økt hydrogenopptak.Blant alle driftsparametre var forbedring av ytelsen til MH-SCHE-reaktoren ved å øke HTF-innløpstemperaturen den mest passende metoden, siden slutttiden for absorpsjonsprosessen var mindre enn 7000 s, mens den korteste absorpsjonstiden for andre metoder var mer. enn 10 000 s.Hydrogenkonsentrasjonskonturer er presentert for forskjellige starttemperaturer for GTP i 7000 s.
Denne studien presenterer for første gang en ny halvsylindrisk spolevarmeveksler integrert i en metallhydridlagringsenhet.Evnen til det foreslåtte systemet til å absorbere hydrogen ble undersøkt med ulike konfigurasjoner av varmeveksleren.Påvirkningen av driftsparametrene på varmevekslingen mellom metallhydridlaget og kjølevæsken ble undersøkt for å finne de optimale forholdene for lagring av metallhydrider ved bruk av en ny varmeveksler.Hovedfunnene i denne studien er oppsummert som følger:
Med en halvsylindrisk spolevarmeveksler forbedres varmeoverføringsytelsen fordi den har en jevnere varmefordeling i magnesiumlagreaktoren, noe som resulterer i en bedre hydrogenabsorpsjonshastighet.Forutsatt at volumet av varmevekslerrøret og metallhydrid forblir uendret, reduseres absorpsjonsreaksjonstiden betydelig med 59 % sammenlignet med en konvensjonell kveilvarmeveksler.
Innleggstid: 15-jan-2023