Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Prikaže vrtiljak treh diapozitivov hkrati.Uporabite gumba Prejšnji in Naslednji, da se premikate po treh diapozitivih hkrati, ali pa uporabite gumbe drsnika na koncu, da se premikate skozi tri diapozitive hkrati.
Kovinski hidridi (MH) so zaradi velike zmogljivosti shranjevanja vodika, nizkega delovnega tlaka in visoke varnosti priznani kot ena najprimernejših skupin materialov za shranjevanje vodika.Vendar pa njihova počasna kinetika privzema vodika močno zmanjša zmogljivost shranjevanja.Hitrejše odstranjevanje toplote iz shranjevanja MH bi lahko imelo pomembno vlogo pri povečanju stopnje privzema vodika, kar bi imelo za posledico izboljšano zmogljivost shranjevanja.V zvezi s tem je bila ta študija namenjena izboljšanju značilnosti prenosa toplote, da bi pozitivno vplivali na stopnjo privzema vodika v sistemu za shranjevanje MH.Nova polcilindrična tuljava je bila najprej razvita in optimizirana za shranjevanje vodika ter vključena kot notranji izmenjevalnik zraka kot toplote (HTF).Na podlagi različnih velikosti korakov je analiziran učinek nove konfiguracije toplotnega izmenjevalnika in primerjan s konvencionalno spiralno geometrijo tuljave.Poleg tega so bili numerično raziskani parametri delovanja shranjevanja MG in GTP, da bi dobili optimalne vrednosti.Za numerično simulacijo se uporablja ANSYS Fluent 2020 R2.Rezultati te študije kažejo, da je mogoče zmogljivost hranilnika MH znatno izboljšati z uporabo polcilindričnega izmenjevalnika toplote (SCHE).V primerjavi z običajnimi toplotnimi izmenjevalniki s spiralno tuljavo je trajanje absorpcije vodika skrajšano za 59 %.Najmanjša razdalja med tuljavama SCHE je povzročila 61-odstotno zmanjšanje časa absorpcije.Kar zadeva obratovalne parametre shranjevanja MG z uporabo SHE, vsi izbrani parametri vodijo do bistvenega izboljšanja procesa absorpcije vodika, predvsem temperature na vstopu v HTS.
Obstaja globalni prehod iz energije, ki temelji na fosilnih gorivih, na obnovljivo energijo.Ker številne oblike obnovljive energije zagotavljajo moč na dinamičen način, je shranjevanje energije potrebno za uravnoteženje obremenitve.Skladiščenje energije na osnovi vodika je v ta namen pritegnilo veliko pozornosti, še posebej zato, ker se lahko vodik zaradi svojih lastnosti in prenosljivosti uporablja kot »zeleno« alternativno gorivo in nosilec energije.Poleg tega ima vodik tudi višjo vsebnost energije na enoto mase v primerjavi s fosilnimi gorivi2.Obstajajo štiri glavne vrste shranjevanja vodikove energije: skladiščenje stisnjenega plina, podzemno shranjevanje, tekoče skladiščenje in trdno skladiščenje.Stisnjen vodik je glavna vrsta, ki se uporablja v vozilih na gorivne celice, kot so avtobusi in viličarji.Vendar pa to skladiščenje zagotavlja nizko nasipno gostoto vodika (približno 0,089 kg/m3) in ima varnostne težave, povezane z visokim delovnim tlakom3.Na podlagi procesa pretvorbe pri nizki temperaturi in tlaku okolja bo skladišče tekočine hranilo vodik v tekoči obliki.Vendar pa se pri utekočinjenju izgubi približno 40% energije.Poleg tega je znano, da je ta tehnologija bolj energetsko in delovno intenzivna v primerjavi s tehnologijami polprevodniškega shranjevanja4.Skladiščenje v trdnih snoveh je izvedljiva možnost za vodikovo gospodarstvo, ki vodik shranjuje z vključitvijo vodika v trdne materiale z absorpcijo in sproščanjem vodika z desorpcijo.Kovinski hidrid (MH), tehnologija shranjevanja trdnih materialov, je v zadnjem času zanimiva za aplikacije gorivnih celic zaradi svoje velike zmogljivosti vodika, nizkega delovnega tlaka in nizkih stroškov v primerjavi s shranjevanjem tekočine ter je primerna za stacionarne in mobilne aplikacije6,7 v Poleg tega materiali MH zagotavljajo tudi varnostne lastnosti, kot je učinkovito shranjevanje velike kapacitete8.Vendar pa obstaja težava, ki omejuje produktivnost MG: nizka toplotna prevodnost reaktorja MG povzroči počasno absorpcijo in desorpcijo vodika.
Ustrezen prenos toplote med eksotermnimi in endotermnimi reakcijami je ključ do izboljšanja učinkovitosti MH reaktorjev.Pri procesu polnjenja z vodikom je treba ustvarjeno toploto odstraniti iz reaktorja, da se nadzoruje tok polnjenja z vodikom pri želeni hitrosti z največjo zmogljivostjo shranjevanja.Namesto tega je potrebna toplota za povečanje hitrosti razvijanja vodika med praznjenjem.Da bi izboljšali prenos toplote in mase, je veliko raziskovalcev preučevalo načrtovanje in optimizacijo na podlagi več dejavnikov, kot so delovni parametri, struktura MG in optimizacija MG11.Optimizacijo MG je mogoče izvesti z dodajanjem materialov z visoko toplotno prevodnostjo, kot so peneče kovine, v plasti MG 12,13.Tako lahko povečamo efektivno toplotno prevodnost od 0,1 do 2 W/mK10.Dodatek trdnih materialov pa bistveno zmanjša moč MN reaktorja.Glede delovnih parametrov je izboljšave mogoče doseči z optimizacijo začetnih delovnih pogojev plasti MG in hladilne tekočine (HTF).Strukturo MG je mogoče optimizirati zaradi geometrije reaktorja in zasnove toplotnega izmenjevalnika.Glede na konfiguracijo toplotnega izmenjevalnika MH reaktorja lahko metode razdelimo na dve vrsti.To so notranji izmenjevalniki toplote, vgrajeni v plast MO, in zunanji toplotni izmenjevalniki, ki pokrivajo plast MO, kot so rebra, hladilni plašči in vodne kopeli.V zvezi z zunanjim toplotnim izmenjevalnikom je Kaplan16 analiziral delovanje MH reaktorja z uporabo hladilne vode kot plašča za znižanje temperature v reaktorju.Rezultate smo primerjali z reaktorjem z 22 okroglimi rebri in drugim reaktorjem, hlajenim z naravno konvekcijo.Navajajo, da prisotnost hladilnega plašča znatno zniža temperaturo MH in s tem poveča stopnjo absorpcije.Numerične študije MH reaktorja z vodnim plaščem, ki sta jih izvedla Patil in Gopal17, so pokazale, da sta dovodni tlak vodika in temperatura HTF ključna parametra, ki vplivata na hitrost privzema in desorpcije vodika.
Povečanje območja prenosa toplote z dodajanjem reber in toplotnih izmenjevalnikov, vgrajenih v MH, je ključno za izboljšanje zmogljivosti prenosa toplote in mase ter s tem zmogljivosti shranjevanja MH18.Za kroženje hladilne tekočine v reaktorju MH19,20,21,22,23,24,25,26 je bilo zasnovanih več notranjih konfiguracij toplotnega izmenjevalnika (ravna cev in spiralna tuljava).Z uporabo notranjega toplotnega izmenjevalnika bo hladilna ali grelna tekočina med postopkom adsorpcije vodika prenašala lokalno toploto znotraj reaktorja MH.Raju in Kumar [27] sta za izboljšanje delovanja MG uporabila več ravnih cevi kot toplotne izmenjevalnike.Njihovi rezultati so pokazali, da so bili absorpcijski časi skrajšani, če so bile kot toplotni izmenjevalniki uporabljene ravne cevi.Poleg tega uporaba ravnih cevi skrajša čas desorpcije vodika28.Višje stopnje pretoka hladilne tekočine povečajo hitrost polnjenja in praznjenja vodika29.Vendar ima povečanje števila hladilnih cevi pozitiven učinek na delovanje MH in ne na pretok hladilne tekočine30,31.Raju et al.32 so uporabili LaMi4.7Al0.3 kot MH material za preučevanje delovanja večcevnih izmenjevalnikov toplote v reaktorjih.Poročali so, da so imeli obratovalni parametri pomemben vpliv na absorpcijski proces, zlasti dovodni tlak in nato hitrost pretoka HTF.Izkazalo pa se je, da je absorpcijska temperatura manj kritična.
Učinkovitost reaktorja MH je dodatno izboljšana z uporabo toplotnega izmenjevalnika s spiralno tuljavo zaradi izboljšanega prenosa toplote v primerjavi z ravnimi cevmi.To je zato, ker lahko sekundarni cikel bolje odvaja toploto iz reaktorja25.Poleg tega spiralne cevi zagotavljajo veliko površino za prenos toplote s plasti MH na hladilno tekočino.Ko je ta metoda uvedena znotraj reaktorja, je tudi porazdelitev cevi za izmenjavo toplote bolj enakomerna33.Wang et al.34 je proučeval učinek trajanja privzema vodika z dodajanjem spiralne tuljave v MH reaktor.Njihovi rezultati kažejo, da ko se koeficient prenosa toplote hladilne tekočine poveča, se čas absorpcije zmanjša.Wu et al.25 je raziskoval delovanje MH reaktorjev na osnovi Mg2Ni in toplotnih izmenjevalnikov z navitjem.Njihove numerične študije so pokazale skrajšanje reakcijskega časa.Izboljšava mehanizma prenosa toplote v reaktorju MN temelji na manjšem razmerju koraka vijaka proti koraku vijaka in brezdimenzijskem koraku vijaka.Eksperimentalna študija, ki so jo opravili Mellouli et al.21 z uporabo navite tuljave kot notranjega toplotnega izmenjevalnika, je pokazala, da začetna temperatura HTF pomembno vpliva na izboljšanje privzema vodika in časa desorpcije.Kombinacije različnih notranjih izmenjevalnikov toplote so bile izvedene v več študijah.Eisapur et al.35 je proučeval shranjevanje vodika z uporabo toplotnega izmenjevalnika spiralne tuljave s centralno povratno cevjo za izboljšanje procesa absorpcije vodika.Njihovi rezultati so pokazali, da spiralna cev in osrednja povratna cev bistveno izboljšata prenos toplote med hladilno tekočino in MG.Manjši korak in večji premer spiralne cevi povečata hitrost prenosa toplote in mase.Ardahaie et al.36 uporabil ravne spiralne cevi kot toplotne izmenjevalce za izboljšanje prenosa toplote v reaktorju.Poročali so, da se je trajanje absorpcije zmanjšalo s povečanjem števila ravnin sploščenih spiralnih cevi.Kombinacije različnih notranjih izmenjevalnikov toplote so bile izvedene v več študijah.Dhau et al.37 je izboljšal delovanje MH z uporabo toplotnega izmenjevalnika z navitjem in rebri.Njihovi rezultati kažejo, da ta metoda skrajša čas polnjenja z vodikom za faktor 2 v primerjavi z ohišjem brez plavuti.Obročasta rebra so kombinirana s hladilnimi cevmi in vgrajena v MN reaktor.Rezultati te študije kažejo, da ta kombinirana metoda zagotavlja enakomernejši prenos toplote v primerjavi z MH reaktorjem brez reber.Vendar pa bo kombiniranje različnih izmenjevalnikov toplote negativno vplivalo na težo in prostornino reaktorja MH.Wu et al.18 so primerjali različne konfiguracije izmenjevalnika toplote.Sem spadajo ravne cevi, rebra in spiralne tuljave.Avtorji poročajo, da spiralne tuljave zagotavljajo najboljše izboljšave pri prenosu toplote in mase.Poleg tega imajo dvojne tuljave v primerjavi z ravnimi cevmi, zvitimi cevmi in ravnimi cevmi v kombinaciji z zvitimi cevmi boljši učinek na izboljšanje prenosa toplote.Študija Sekharja et al.40 je pokazalo, da je bilo podobno izboljšanje privzema vodika doseženo z uporabo spiralne tuljave kot notranjega izmenjevalnika toplote in rebrastega zunanjega hladilnega plašča.
Od zgoraj omenjenih primerov uporaba spiralnih tuljav kot notranjih toplotnih izmenjevalcev zagotavlja boljše izboljšave prenosa toplote in mase kot drugi toplotni izmenjevalniki, zlasti ravne cevi in rebra.Zato je bil cilj te študije nadaljnji razvoj spiralne tuljave za izboljšanje učinkovitosti prenosa toplote.Prvič je bila razvita nova polcilindrična tuljava, ki temelji na običajni hranilni spiralni tuljavi MH.Pričakuje se, da bo ta študija izboljšala zmogljivost shranjevanja vodika z upoštevanjem nove zasnove toplotnega izmenjevalnika z boljšo razporeditvijo območja prenosa toplote, ki jo zagotavlja konstantna prostornina postelje MH in cevi HTF.Zmogljivost shranjevanja tega novega izmenjevalnika toplote je bila nato primerjana z običajnimi toplotnimi izmenjevalniki s spiralno tuljavo, ki temeljijo na različnih korakih tuljave.Glede na obstoječo literaturo so pogoji delovanja in razmik tuljav glavni dejavniki, ki vplivajo na delovanje MH reaktorjev.Za optimizacijo zasnove tega novega toplotnega izmenjevalnika je bil raziskan učinek razmika tuljav na čas privzema vodika in prostornino MH.Poleg tega je bil sekundarni cilj te študije, da bi razumeli razmerje med novimi hemicilindričnimi tuljavami in pogoji delovanja, preučiti značilnosti reaktorja glede na različna območja obratovalnih parametrov in določiti ustrezne vrednosti za vsako delovanje način.parameter.
Učinkovitost naprave za shranjevanje vodikove energije v tej študiji je raziskana na podlagi dveh konfiguracij izmenjevalnika toplote (vključno s spiralnimi cevmi v primerih 1 do 3 in polcilindričnimi cevmi v primerih 4 do 6) in analizo občutljivosti delovnih parametrov.Delovanje reaktorja MH je bilo prvič preizkušeno z uporabo spiralne cevi kot toplotnega izmenjevalnika.Tako cev za hladilno olje kot reaktorska posoda MH sta izdelani iz nerjavečega jekla.Opozoriti je treba, da so bile dimenzije reaktorja MG in premer cevi GTF v vseh primerih konstantne, medtem ko so se velikosti korakov GTF spreminjale.V tem razdelku je analiziran učinek velikosti koraka tuljav HTF.Višina in zunanji premer reaktorja sta bila 110 mm oziroma 156 mm.Premer cevi za toplotno prevodno olje je nastavljen na 6 mm.Za podrobnosti o shemi vezja reaktorja MH s spiralnimi cevmi in dvema polcilindričnima cevema glejte Dodatni razdelek.
Na sl.1a prikazuje MH spiralno cevni reaktor in njegove mere.Vsi geometrijski parametri so podani v tabeli.1. Celotna prostornina vijačnice je približno 100 cm3, prostornina ZG pa 2000 cm3.Iz tega MH reaktorja je bil zrak v obliki HTF doveden v porozni MH reaktor od spodaj skozi spiralno cev, vodik pa je bil uveden z zgornje površine reaktorja.
Karakterizacija izbranih geometrij za reaktorje s kovinskim hidridom.a) s spiralno-cevnim toplotnim izmenjevalnikom, b) s polcilindričnim cevnim toplotnim izmenjevalnikom.
Drugi del obravnava delovanje MH reaktorja, ki temelji na polcilindrični cevi kot toplotnem izmenjevalniku.Na sl.1b prikazuje MN reaktor z dvema polcilindričnima cevkama in njune mere.V tabeli 1 so navedeni vsi geometrijski parametri polcilindričnih cevi, ki ostanejo konstantni, z izjemo razdalje med njimi.Opozoriti je treba, da je bila polcilindrična cev v primeru 4 zasnovana s konstantnim volumnom cevi HTF in zlitine MH v zviti cevi (možnost 3).Kar zadeva sl.Kot je prikazano na sliki 1b, je bil zrak doveden tudi z dna dveh polcilindričnih HTF cevi, vodik pa iz nasprotne smeri reaktorja MH.
Zaradi nove zasnove toplotnega izmenjevalnika je namen tega razdelka določiti ustrezne začetne vrednosti za obratovalne parametre reaktorja MH v kombinaciji s SCHE.V vseh primerih je bil zrak uporabljen kot hladilno sredstvo za odvajanje toplote iz reaktorja.Med olji za prenos toplote sta zrak in voda običajno izbrana kot olja za prenos toplote za reaktorje MH zaradi nizkih stroškov in majhnega vpliva na okolje.Zaradi visokega delovnega temperaturnega območja zlitin na osnovi magnezija je bil v tej študiji kot hladilno sredstvo izbran zrak.Poleg tega ima tudi boljše lastnosti pretoka kot druge tekoče kovine in staljene soli41.Tabela 2 navaja lastnosti zraka pri 573 K. Za analizo občutljivosti v tem razdelku so uporabljene le najboljše konfiguracije možnosti delovanja MH-SCHE (v primerih od 4 do 6).Ocene v tem razdelku temeljijo na različnih delovnih parametrih, vključno z začetno temperaturo reaktorja MH, polnilnim tlakom vodika, vstopno temperaturo HTF in Reynoldsovim številom, izračunanim s spremembo stopnje HTF.Tabela 3 vsebuje vse parametre delovanja, uporabljene za analizo občutljivosti.
V tem razdelku so opisane vse potrebne krmilne enačbe za proces absorpcije vodika, turbulence in prenosa toplote hladilnih tekočin.
Za poenostavitev rešitve reakcije privzema vodika so narejene in podane naslednje predpostavke;
Med absorpcijo so termofizikalne lastnosti vodika in kovinskih hidridov konstantne.
Vodik velja za idealen plin, zato so upoštevani pogoji lokalnega toplotnega ravnotežja43,44.
kjer je \({L}_{gas}\) polmer rezervoarja in \({L}_{heat}\) osna višina rezervoarja.Kadar je N manjši od 0,0146, se lahko pretok vodika v rezervoarju v simulaciji zanemari brez večje napake.Po trenutnih raziskavah je N veliko nižji od 0,1.Zato lahko učinek gradienta tlaka zanemarimo.
Stene reaktorja so bile v vseh primerih dobro izolirane.Zato ni izmenjave toplote 47 med reaktorjem in okoljem.
Dobro je znano, da imajo zlitine na osnovi Mg dobre lastnosti hidrogeniranja in visoko zmogljivost shranjevanja vodika do 7,6 mas.%8.Kar zadeva aplikacije za shranjevanje vodika v trdnem stanju, so te zlitine znane tudi kot lahki materiali.Poleg tega imajo odlično toplotno odpornost in dobro obdelavo8.Med več zlitinami na osnovi Mg je zlitina MgNi na osnovi Mg2Ni ena najprimernejših možnosti za shranjevanje MH zaradi svoje zmogljivosti shranjevanja vodika do 6 mas.%.Zlitine Mg2Ni zagotavljajo tudi hitrejšo kinetiko adsorpcije in desorpcije v primerjavi z zlitino MgH48.Zato je bil Mg2Ni izbran kot kovinski hidridni material v tej študiji.
Energijska enačba je izražena kot 25 na podlagi toplotne bilance med vodikom in Mg2Ni hidridom:
X je količina vodika, absorbiranega na kovinski površini, enota je \(masa\%\), izračunana iz kinetične enačbe \(\frac{dX}{dt}\) med absorpcijo, kot sledi49:
kjer je \({C}_{a}\) hitrost reakcije in \({E}_{a}\) aktivacijska energija.\({P}_{a,eq}\) je ravnotežni tlak v reaktorju kovinskega hidrida med postopkom absorpcije, podan z van't Hoffovo enačbo, kot sledi25:
Kjer je \({P}_{ref}\) referenčni tlak 0,1 MPa.\(\Delta H\) in \(\Delta S\) sta entalpija oziroma entropija reakcije.Lastnosti zlitin Mg2Ni in vodika so predstavljene v tabeli.4. Poimenovani seznam najdete v dopolnilnem delu.
Tok tekočine velja za turbulentnega, ker sta njegova hitrost 78,75 ms-1 in Reynoldsovo število (Re) 14000.V tej študiji je bil izbran dosegljiv k-ε turbulenčni model.Opozoriti je treba, da ta metoda zagotavlja večjo natančnost v primerjavi z drugimi metodami k-ε in zahteva tudi manj časa izračuna kot metode RNG k-ε50,51.Za podrobnosti o osnovnih enačbah za tekočine za prenos toplote glejte Dodatni razdelek.
Sprva je bil temperaturni režim v reaktorju MN enoten, povprečna koncentracija vodika pa je bila 0,043.Predpostavlja se, da je zunanja meja reaktorja MH dobro izolirana.Zlitine na osnovi magnezija običajno zahtevajo visoke reakcijske delovne temperature za shranjevanje in sproščanje vodika v reaktorju.Zlitina Mg2Ni zahteva temperaturno območje 523–603 K za največjo absorpcijo in temperaturno območje 573–603 K za popolno desorpcijo52.Vendar pa so eksperimentalne študije Muthukumarja et al.53 pokazale, da je največjo zmogljivost shranjevanja Mg2Ni za shranjevanje vodika mogoče doseči pri delovni temperaturi 573 K, kar ustreza njegovi teoretični zmogljivosti.Zato je bila v tej študiji kot začetna temperatura MN reaktorja izbrana temperatura 573 K.
Ustvarite različne velikosti mreže za preverjanje in zanesljive rezultate.Na sl.2 prikazuje povprečno temperaturo na izbranih mestih v procesu absorpcije vodika iz štirih različnih elementov.Omeniti velja, da je zaradi podobne geometrije izbran samo en primer vsake konfiguracije za testiranje neodvisnosti omrežja.Ista metoda mreženja se uporablja v drugih primerih.Zato izberite možnost 1 za spiralno cev in možnost 4 za polcilindrično cev.Na sl.2a, b prikazujeta povprečno temperaturo v reaktorju za možnosti 1 oziroma 4.Tri izbrane lokacije predstavljajo obrise temperature plasti na vrhu, sredini in dnu reaktorja.Na podlagi temperaturnih obrisov na izbranih lokacijah postane povprečna temperatura stabilna in kaže majhne spremembe v številkah elementov 428,891 in 430,599 za primera 1 oziroma 4.Zato so bile te velikosti mreže izbrane za nadaljnje računske izračune.Podrobne informacije o povprečni temperaturi sloja za postopek absorpcije vodika za različne velikosti celic in zaporedoma prečiščena očesa za oba primera so podane v dodatnem razdelku.
Povprečna temperatura plasti na izbranih točkah v procesu absorpcije vodika v reaktorju s kovinskim hidridom z različnimi številkami mreže.(a) Povprečna temperatura na izbranih lokacijah za primer 1 in (b) Povprečna temperatura na izbranih lokacijah za primer 4.
Kovinski hidridni reaktor na osnovi Mg v tej študiji je bil testiran na podlagi eksperimentalnih rezultatov Muthukumarja et al.53.V svoji študiji so uporabili zlitino Mg2Ni za shranjevanje vodika v ceveh iz nerjavečega jekla.Bakrena rebra se uporabljajo za izboljšanje prenosa toplote v reaktorju.Na sl.Slika 3a prikazuje primerjavo povprečne temperature sloja absorpcijskega procesa med eksperimentalno študijo in to študijo.Pogoji delovanja, izbrani za ta poskus, so: začetna temperatura MG 573 K in vstopni tlak 2 MPa.Iz sl.3a je mogoče jasno pokazati, da se ta eksperimentalni rezultat dobro ujema s sedanjim glede na povprečno temperaturo plasti.
Preverjanje modela.(a) Preverjanje kode reaktorja s kovinskim hidridom Mg2Ni s primerjavo trenutne študije z eksperimentalnim delom Muthukumarja et al.52 in (b) preverjanje modela turbulentnega toka spiralne cevi s primerjavo trenutne študije s študijo Kumarja et al. .Raziskovanje.54.
Za testiranje modela turbulence smo rezultate te študije primerjali z eksperimentalnimi rezultati Kumarja et al.54, da bi potrdili pravilnost izbranega modela turbulence.Kumar et al.54 so proučevali turbulentni tok v spiralnem izmenjevalniku toplote cev v cevi.Voda se uporablja kot vroča in hladna tekočina, vbrizgana z nasprotnih strani.Temperatura vroče in hladne tekočine je 323 K oziroma 300 K.Reynoldsova števila se gibljejo od 3100 do 5700 za vroče tekočine in od 21.000 do 35.000 za hladne tekočine.Dekanske številke so 550-1000 za vroče tekočine in 3600-6000 za hladne tekočine.Premera notranje cevi (za vročo tekočino) in zunanje cevi (za hladno tekočino) sta 0,0254 m oziroma 0,0508 m.Premer in korak vijačne tuljave sta 0,762 m oziroma 0,100 m.Na sl.3b prikazuje primerjavo eksperimentalnih in trenutnih rezultatov za različne pare Nusseltovih in Deanovih števil za hladilno tekočino v zračnici.Uporabili smo tri različne modele turbulence in jih primerjali z eksperimentalnimi rezultati.Kot je prikazano na sl.Kot je prikazano na sliki 3b, se rezultati dosegljivega modela turbulence k-ε dobro ujemajo z eksperimentalnimi podatki.Zato je bil v tej študiji izbran ta model.
Numerične simulacije v tej študiji so bile izvedene z uporabo ANSYS Fluent 2020 R2.Napišite uporabniško definirano funkcijo (UDF) in jo uporabite kot vhodni člen energijske enačbe za izračun kinetike procesa absorpcije.Vezje PRESTO55 in metoda PISO56 se uporabljata za komunikacijo tlak-hitrost in korekcijo tlaka.Izberite osnovo Greene-Gaussove celice za spremenljivi gradient.Enačbe gibalne količine in energije se rešujejo z metodo proti vetru drugega reda.Kar zadeva koeficiente premajhne sprostitve, so komponente tlaka, hitrosti in energije nastavljene na 0,5, 0,7 oziroma 0,7.Standardne stenske funkcije se uporabljajo za HTF v turbulenčnem modelu.
V tem razdelku so predstavljeni rezultati numeričnih simulacij izboljšanega notranjega prenosa toplote MH reaktorja z uporabo toplotnega izmenjevalnika s tuljavo (HCHE) in toplotnega izmenjevalnika s spiralno tuljavo (SCHE) med absorpcijo vodika.Analiziran je bil vpliv smole HTF na temperaturo reaktorske plasti in trajanje absorpcije.Glavni parametri delovanja absorpcijskega procesa so preučeni in predstavljeni v razdelku analize občutljivosti.
Da bi raziskali učinek razmika tuljav na prenos toplote v reaktorju MH, so bile raziskane tri konfiguracije izmenjevalnika toplote z različnimi koraki.Trije različni razmiki 15 mm, 12,86 mm in 10 mm so označeni kot telo 1, telo 2 in telo 3.Upoštevati je treba, da je bil premer cevi v vseh primerih fiksiran na 6 mm pri začetni temperaturi 573 K in obremenitvenem tlaku 1,8 MPa.Na sl.Slika 4 prikazuje povprečno temperaturo sloja in koncentracijo vodika v plasti MH med postopkom absorpcije vodika v primerih 1 do 3. Tipično je reakcija med kovinskim hidridom in vodikom eksotermna glede na proces absorpcije.Zato se temperatura plasti hitro dvigne zaradi začetnega trenutka, ko vodik prvič vnesemo v reaktor.Temperatura postelje narašča, dokler ne doseže največje vrednosti, nato pa postopoma pada, ko toploto odvaja hladilno sredstvo, ki ima nižjo temperaturo in deluje kot hladilno sredstvo.Kot je prikazano na sl.4a, zaradi prejšnje razlage temperatura plasti hitro narašča in nenehno pada.Koncentracija vodika za absorpcijski proces običajno temelji na temperaturi sloja MH reaktorja.Ko povprečna temperatura plasti pade na določeno temperaturo, kovinska površina absorbira vodik.To je posledica pospeševanja procesov fizisorpcije, kemisorpcije, difuzije vodika in tvorbe njegovih hidridov v reaktorju.Iz sl.4b je razvidno, da je stopnja absorpcije vodika v primeru 3 nižja kot v drugih primerih zaradi manjše vrednosti koraka toplotnega izmenjevalnika tuljave.Posledica tega je daljša skupna dolžina cevi in večja površina prenosa toplote za cevi HTF.Pri povprečni koncentraciji vodika 90 % je čas absorpcije za primer 1 46.276 sekund.V primerjavi s trajanjem absorpcije v primeru 1 se je trajanje absorpcije v primerih 2 in 3 zmanjšalo za 724 s oziroma 1263 s.Dodatni razdelek predstavlja konture temperature in koncentracije vodika za izbrane lokacije v plasti HCHE-MH.
Vpliv razdalje med tuljavami na povprečno temperaturo plasti in koncentracijo vodika.(a) Povprečna temperatura sloja za vijačne tuljave, (b) koncentracija vodika za vijačne tuljave, (c) povprečna temperatura sloja za hemi-cilindrične tuljave in (d) koncentracija vodika za hemi-cilindrične tuljave.
Za izboljšanje značilnosti prenosa toplote reaktorja MG sta bila zasnovana dva HFC za konstantno prostornino MG (2000 cm3) in spiralni toplotni izmenjevalnik (100 cm3) možnosti 3. Ta razdelek obravnava tudi učinek razdalje med tuljave 15 mm za ohišje 4, 12,86 mm za ohišje 5 in 10 mm za ohišje 6. Na sl.4c, d prikazujeta povprečno temperaturo sloja in koncentracijo procesa absorpcije vodika pri začetni temperaturi 573 K in obremenitvenem tlaku 1, 8 MPa.Glede na povprečno temperaturo plasti na sliki 4c manjša razdalja med tuljavama v primeru 6 znatno zniža temperaturo v primerjavi z drugima dvema primeroma.Za primer 6 nižja temperatura sloja povzroči višjo koncentracijo vodika (glej sliko 4d).Čas privzema vodika za varianto 4 je 19542 s, kar je več kot 2-krat manj kot za variante 1-3 z uporabo HCH.Poleg tega se je v primerjavi s primerom 4 čas absorpcije zmanjšal tudi za 378 s in 1515 s v primerih 5 in 6 z nižjimi razdaljami.Dodatni razdelek predstavlja konture temperature in koncentracije vodika za izbrane lokacije v plasti SCHE-MH.
Za proučevanje delovanja dveh konfiguracij toplotnega izmenjevalnika ta razdelek izriše in predstavi temperaturne krivulje na treh izbranih lokacijah.MH reaktor s HCHE iz primera 3 je bil izbran za primerjavo z MH reaktorjem, ki vsebuje SCHE v primeru 4, ker ima konstanten volumen MH in prostornino cevi.Delovni pogoji za to primerjavo so bili začetna temperatura 573 K in obremenitveni tlak 1,8 MPa.Na sl.5a in 5b prikazujeta vse tri izbrane položaje temperaturnih profilov v primerih 3 oziroma 4.Na sl.5c prikazuje temperaturni profil in koncentracijo plasti po 20.000 s privzema vodika.V skladu s črto 1 na sliki 5c se temperatura okoli TTF iz možnosti 3 in 4 zmanjša zaradi konvektivnega prenosa toplote hladilne tekočine.Posledica tega je večja koncentracija vodika okoli tega območja.Vendar pa uporaba dveh SCHE povzroči višjo koncentracijo plasti.Hitrejše kinetične odzive so našli okoli regije HTF v primeru 4. Poleg tega je bila v tej regiji ugotovljena tudi najvišja koncentracija 100 %.Iz linije 2, ki se nahaja na sredini reaktorja, je temperatura primera 4 znatno nižja od temperature primera 3 na vseh mestih, razen v središču reaktorja.Posledica tega je največja koncentracija vodika za primer 4, razen za območje blizu središča reaktorja stran od HTF.Vendar se koncentracija primera 3 ni bistveno spremenila.Velika razlika v temperaturi in koncentraciji plasti je bila opažena v liniji 3 ob vhodu v GTS.Temperatura plasti v primeru 4 se je znatno znižala, kar je povzročilo najvišjo koncentracijo vodika v tem območju, medtem ko je koncentracijska črta v primeru 3 še vedno nihala.To je posledica pospeševanja prenosa toplote SCHE.Podrobnosti in razprava o primerjavi povprečne temperature sloja MH in cevi HTF med primeroma 3 in primerom 4 so na voljo v dodatnem razdelku.
Temperaturni profil in koncentracija plasti na izbranih mestih v reaktorju s kovinskim hidridom.(a) Izbrane lokacije za primer 3, (b) Izbrane lokacije za primer 4 in (c) Temperaturni profil in koncentracija plasti na izbranih lokacijah po 20.000 s za postopek privzema vodika v primerih 3 in 4.
Na sl.Slika 6 prikazuje primerjavo povprečne temperature plasti (glej sliko 6a) in koncentracije vodika (glej sliko 6b) za absorpcijo HCH in SHE.Iz te slike je razvidno, da se temperatura plasti MG znatno zmanjša zaradi povečanja območja izmenjave toplote.Odstranjevanje več toplote iz reaktorja povzroči večjo stopnjo privzema vodika.Čeprav imata konfiguraciji izmenjevalnika toplote enake prostornine v primerjavi z uporabo HCHE kot možnosti 3, je bil čas privzema vodika SCHE na podlagi možnosti 4 znatno zmanjšan za 59 %.Za podrobnejšo analizo so koncentracije vodika za obe konfiguraciji izmenjevalnika toplote prikazane kot izolinije na sliki 7. Ta slika kaže, da se vodik v obeh primerih začne absorbirati od spodaj okoli vhoda HTF.Višje koncentracije so bile ugotovljene v območju HTF, medtem ko so bile nižje koncentracije opažene v središču MH reaktorja zaradi njegove oddaljenosti od izmenjevalnika toplote.Po 10.000 s je koncentracija vodika v primeru 4 znatno višja kot v primeru 3. Po 20.000 sekundah se je povprečna koncentracija vodika v reaktorju dvignila na 90 % v primeru 4 v primerjavi s 50 % vodika v primeru 3. To je lahko posledica do višje učinkovite hladilne zmogljivosti združevanja dveh SCHE, kar ima za posledico nižjo temperaturo znotraj plasti MH.Posledično pade v plast MG bolj ravnotežni tlak, kar povzroči hitrejšo absorpcijo vodika.
Primer 3 in primer 4 Primerjava povprečne temperature sloja in koncentracije vodika med dvema konfiguracijama izmenjevalnika toplote.
Primerjava koncentracije vodika po 500, 2000, 5000, 10000 in 20000 s po začetku procesa absorpcije vodika v primeru 3 in primeru 4.
Tabela 5 povzema trajanje privzema vodika za vse primere.Poleg tega tabela prikazuje tudi čas absorpcije vodika, izražen v odstotkih.Ta odstotek je izračunan na podlagi absorpcijskega časa primera 1. Iz te tabele je absorpcijski čas MH reaktorja, ki uporablja HCHE, približno 45.000 do 46.000 s, absorpcijski čas, vključno s SCHE, pa približno 18.000 do 19.000 s.V primerjavi s primerom 1 se je čas absorpcije v primeru 2 in primeru 3 zmanjšal le za 1,6 % oziroma 2,7 %.Pri uporabi SCHE namesto HCHE se je čas absorpcije znatno zmanjšal od primera 4 do primera 6, z 58 % na 61 %.Jasno je, da dodatek SCHE v MH reaktor močno izboljša proces absorpcije vodika in učinkovitost MH reaktorja.Čeprav namestitev toplotnega izmenjevalnika znotraj MH reaktorja zmanjša kapaciteto shranjevanja, ta tehnologija omogoča znatno izboljšanje prenosa toplote v primerjavi z drugimi tehnologijami.Prav tako bo zmanjšanje vrednosti tona povečalo glasnost SCHE, kar bo povzročilo zmanjšanje glasnosti MH.V primeru 6 z najvišjo prostornino SCHE se je volumetrična zmogljivost MH zmanjšala le za 5 % v primerjavi s primerom 1 z najnižjo prostornino HCHE.Poleg tega je primer 6 med absorpcijo pokazal hitrejšo in boljšo učinkovitost z 61-odstotnim zmanjšanjem časa absorpcije.Zato je bil primer 6 izbran za nadaljnjo preiskavo v analizi občutljivosti.Opozoriti je treba, da je dolg čas privzema vodika povezan s skladiščnim rezervoarjem, ki vsebuje prostornino MH približno 2000 cm3.
Parametri delovanja med reakcijo so pomembni dejavniki, ki pozitivno ali negativno vplivajo na delovanje MH reaktorja v realnih pogojih.Ta študija obravnava analizo občutljivosti za določitev ustreznih začetnih obratovalnih parametrov za reaktor MH v kombinaciji s SCHE, ta razdelek pa raziskuje štiri glavne parametre delovanja na podlagi optimalne konfiguracije reaktorja v primeru 6. Rezultati za vse pogoje delovanja so prikazani v Slika 8.
Graf koncentracije vodika pri različnih pogojih delovanja pri uporabi toplotnega izmenjevalnika s polcilindrično tuljavo.(a) polnilni tlak, (b) začetna temperatura sloja, (c) Reynoldsovo število hladilne tekočine in (d) vstopna temperatura hladilne tekočine.
Na podlagi konstantne začetne temperature 573 K in pretoka hladilne tekočine z Reynoldsovim številom 14.000 so bili izbrani štirje različni tlaki obremenitve: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa in 3,0 MPa.Na sl.8a prikazuje učinek obremenitvenega tlaka in SCHE na koncentracijo vodika skozi čas.Absorpcijski čas se zmanjšuje z naraščajočim obremenitvenim tlakom.Uporaba uporabljenega vodikovega tlaka 1,2 MPa je najslabši primer za postopek absorpcije vodika, trajanje absorpcije pa presega 26.000 s, da se doseže 90-odstotna absorpcija vodika.Vendar pa je višji obremenitveni tlak povzročil 32-42-odstotno zmanjšanje absorpcijskega časa z 1,8 na 3,0 MPa.To je posledica višjega začetnega tlaka vodika, kar povzroči večjo razliko med ravnotežnim tlakom in uporabljenim tlakom.Zato to ustvarja veliko gonilno silo za kinetiko privzema vodika.V začetnem trenutku se plin vodik hitro absorbira zaradi velike razlike med ravnotežnim tlakom in uporabljenim tlakom57.Pri obremenitvenem tlaku 3,0 MPa se je v prvih 10 sekundah hitro nabralo 18 % vodika.Vodik je bil v končni fazi shranjen v 90 % reaktorjev 15460 s.Pri obremenitvenem tlaku od 1,2 do 1,8 MPa pa se je absorpcijski čas bistveno zmanjšal za 32 %.Drugi višji pritiski so imeli manjši učinek na izboljšanje absorpcijskih časov.Zato je priporočljivo, da je polnilni tlak reaktorja MH-SCHE 1,8 MPa.Dodatni del prikazuje konture koncentracije vodika za različne obremenitvene tlake pri 15500 s.
Izbira ustrezne začetne temperature reaktorja MH je eden glavnih dejavnikov, ki vplivajo na proces adsorpcije vodika, saj vpliva na gonilno silo reakcije tvorbe hidrida.Za preučevanje učinka SCHE na začetno temperaturo reaktorja MH so bile izbrane štiri različne temperature pri konstantnem obremenitvenem tlaku 1,8 MPa in Reynoldsovem številu 14.000 HTF.Na sl.Slika 8b prikazuje primerjavo različnih začetnih temperatur, vključno s 473 K, 523 K, 573 K in 623 K.Ko je temperatura višja od 230 °C ali 503K58, ima zlitina Mg2Ni učinkovite lastnosti za proces absorpcije vodika.Vendar se v začetnem trenutku vbrizgavanja vodika temperatura hitro dvigne.Posledično bo temperatura plasti MG presegla 523 K. Zato je tvorba hidridov olajšana zaradi povečane stopnje absorpcije53.Iz sl.Iz slike 8b je razvidno, da se vodik hitreje absorbira, ko se zniža začetna temperatura plasti MB.Nižji ravnotežni tlaki nastanejo, ko je začetna temperatura nižja.Večja kot je razlika v tlaku med ravnotežnim tlakom in uporabljenim tlakom, hitrejši je proces absorpcije vodika.Pri začetni temperaturi 473 K se vodik v prvih 18 sekundah hitro absorbira do 27 %.Poleg tega se je zmanjšal tudi absorpcijski čas z 11 % na 24 % pri nižji začetni temperaturi v primerjavi z začetno temperaturo 623 K. Absorpcijski čas pri najnižji začetni temperaturi 473 K je 15247 s, kar je podobno najboljšemu Vendar pa znižanje začetne temperature reaktorja vodi do zmanjšanja zmogljivosti shranjevanja vodika.Začetna temperatura reaktorja MN mora biti vsaj 503 K53.Poleg tega je pri začetni temperaturi 573 K53 mogoče doseči največjo kapaciteto shranjevanja vodika 3,6 mas. %.Kar zadeva kapaciteto shranjevanja vodika in trajanje absorpcije, temperature med 523 in 573 K skrajšajo čas le za 6 %.Zato je predlagana temperatura 573 K kot začetna temperatura reaktorja MH-SCHE.Vendar pa je bil učinek začetne temperature na proces absorpcije manj pomemben v primerjavi z obremenitvenim tlakom.Dodatni del prikazuje obrise koncentracije vodika za različne začetne temperature pri 15500 s.
Hitrost pretoka je eden glavnih parametrov hidrogeniranja in dehidrogeniranja, ker lahko vpliva na turbulenco in odvajanje ali vnos toplote med hidrogeniranjem in dehidrogeniranjem59.Visoke stopnje pretoka bodo povzročile turbulentne faze in povzročile hitrejši pretok tekočine skozi cev HTF.Ta reakcija bo povzročila hitrejši prenos toplote.Različne vstopne hitrosti za HTF so izračunane na podlagi Reynoldsovih števil 10.000, 14.000, 18.000 in 22.000.Začetna temperatura plasti MG je bila fiksirana na 573 K, obremenitveni tlak pa na 1,8 MPa.Rezultati na sl.8c prikazujejo, da uporaba višjega Reynoldsovega števila v kombinaciji s SCHE povzroči višjo stopnjo privzema.Ko se Reynoldsovo število poveča z 10.000 na 22.000, se čas absorpcije skrajša za približno 28-50 %.Absorpcijski čas pri Reynoldsovem številu 22.000 je 12.505 sekund, kar je manj kot pri različnih začetnih temperaturah in tlakih obremenitve.Konture koncentracije vodika za različna Reynoldsova števila za GTP pri 12500 s so predstavljene v dodatnem delu.
Učinek SCHE na začetno temperaturo HTF je analiziran in prikazan na sliki 8d.Pri začetni temperaturi MG 573 K in obremenitvenem tlaku vodika 1,8 MPa so bile za to analizo izbrane štiri začetne temperature: 373 K, 473 K, 523 K in 573 K. 8d kaže, da znižanje temperature hladilne tekočine na vstopu vodi do zmanjšanja časa absorpcije.V primerjavi z osnovnim primerom z vstopno temperaturo 573 K se je čas absorpcije zmanjšal za približno 20 %, 44 % oziroma 56 % za vstopne temperature 523 K, 473 K oziroma 373 K.Pri 6917 s je začetna temperatura GTF 373 K, koncentracija vodika v reaktorju je 90 %.To je mogoče razložiti z izboljšanim konvektivnim prenosom toplote med plastjo MG in HCS.Nižje temperature HTF bodo povečale odvajanje toplote in povzročile večji vnos vodika.Med vsemi parametri delovanja je bila izboljšanje zmogljivosti reaktorja MH-SCHE s povečanjem vstopne temperature HTF najprimernejša metoda, saj je bil končni čas absorpcijskega procesa krajši od 7000 s, medtem ko je bil najkrajši absorpcijski čas drugih metod več kot 10000 s.Konture koncentracije vodika so predstavljene za različne začetne temperature GTP za 7000 s.
Ta študija prvič predstavlja nov izmenjevalnik toplote s polcilindrično tuljavo, ki je integriran v enoto za shranjevanje kovinskega hidrida.Sposobnost predlaganega sistema za absorpcijo vodika smo raziskali z različnimi konfiguracijami izmenjevalnika toplote.Raziskovali smo vpliv obratovalnih parametrov na izmenjavo toplote med plastjo kovinskega hidrida in hladilno tekočino, da bi našli optimalne pogoje za shranjevanje kovinskih hidridov z uporabo novega toplotnega izmenjevalnika.Glavne ugotovitve te študije so povzete, kot sledi:
S toplotnim izmenjevalnikom s polcilindrično tuljavo je učinkovitost prenosa toplote izboljšana, ker ima bolj enakomerno porazdelitev toplote v reaktorju z magnezijevo plastjo, kar ima za posledico boljšo stopnjo absorpcije vodika.Pod pogojem, da prostornina cevi za izmenjavo toplote in kovinskega hidrida ostane nespremenjena, se absorpcijski reakcijski čas znatno zmanjša za 59 % v primerjavi s konvencionalnim toplotnim izmenjevalnikom z navitjem.
Čas objave: 15. januarja 2023