Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
Metalni hidridi (MH) prepoznati su kao jedna od najprikladnijih grupa materijala za skladištenje vodika zbog velikog kapaciteta skladištenja vodika, niskog radnog tlaka i visoke sigurnosti.Međutim, njihova spora kinetika upijanja vodika uvelike smanjuje učinkovitost skladištenja.Brže uklanjanje topline iz skladišta MH moglo bi igrati važnu ulogu u povećanju njegove stope unosa vodika, što bi rezultiralo poboljšanim performansama skladištenja.U tom smislu, ova je studija bila usmjerena na poboljšanje karakteristika prijenosa topline kako bi se pozitivno utjecalo na stopu unosa vodika u sustavu za pohranu MH.Nova polucilindrična zavojnica najprije je razvijena i optimizirana za skladištenje vodika i ugrađena kao unutarnji izmjenjivač topline zrak (HTF).Na temelju različitih veličina koraka analizira se učinak nove konfiguracije izmjenjivača topline i uspoređuje se s konvencionalnom spiralnom geometrijom svitka.Osim toga, numerički su proučavani radni parametri skladišta MG i GTP kako bi se dobile optimalne vrijednosti.Za numeričku simulaciju koristi se ANSYS Fluent 2020 R2.Rezultati ove studije pokazuju da se izvedba MH spremnika za pohranu može značajno poboljšati korištenjem polucilindričnog spiralnog izmjenjivača topline (SCHE).U usporedbi s konvencionalnim spiralnim izmjenjivačima topline, trajanje apsorpcije vodika smanjeno je za 59%.Najmanja udaljenost između SCHE zavojnica rezultirala je smanjenjem vremena apsorpcije od 61%.Što se tiče radnih parametara skladištenja MG pomoću SHE, svi odabrani parametri dovode do značajnog poboljšanja u procesu apsorpcije vodika, posebice temperature na ulazu u HTS.
Postoji globalni prijelaz s energije temeljene na fosilnim gorivima na obnovljivu energiju.Budući da mnogi oblici obnovljive energije daju energiju na dinamičan način, skladištenje energije je neophodno za uravnoteženje opterećenja.Skladištenje energije na bazi vodika privuklo je veliku pozornost za ovu namjenu, posebice zato što se vodik zbog svojih svojstava i prenosivosti može koristiti kao “zeleno” alternativno gorivo i nositelj energije.Uz to, vodik također nudi veći sadržaj energije po jedinici mase u usporedbi s fosilnim gorivima2.Postoje četiri glavne vrste pohrane vodikove energije: pohrana stlačenog plina, podzemna pohrana, pohrana u tekućem stanju i pohrana u čvrstom stanju.Komprimirani vodik glavna je vrsta koja se koristi u vozilima s gorivnim ćelijama kao što su autobusi i viličari.Međutim, ovo skladište pruža nisku nasipnu gustoću vodika (otprilike 0,089 kg/m3) i ima sigurnosnih problema povezanih s visokim radnim tlakom3.Na temelju procesa pretvorbe pri niskoj temperaturi i tlaku okoline, spremnik za tekućinu pohranit će vodik u tekućem obliku.Međutim, kada se ukapi, gubi se oko 40% energije.Osim toga, poznato je da je ova tehnologija energetski i radno intenzivnija u usporedbi s tehnologijama pohrane u čvrstom stanju4.Skladištenje u čvrstom stanju je održiva opcija za vodikovo gospodarstvo, koje skladišti vodik ugradnjom vodika u čvrste materijale kroz apsorpciju i otpuštanje vodika kroz desorpciju.Metalni hidrid (MH), tehnologija skladištenja čvrstog materijala, od nedavno je zanimljiva u primjenama gorivih ćelija zbog svog velikog kapaciteta vodika, niskog radnog tlaka i niske cijene u usporedbi sa skladištenjem tekućine, te je pogodna za stacionarne i mobilne primjene6,7 u Osim toga, MH materijali također pružaju sigurnosna svojstva kao što je učinkovito skladištenje velikog kapaciteta8.Međutim, postoji problem koji ograničava produktivnost MG reaktora: niska toplinska vodljivost MG reaktora dovodi do spore apsorpcije i desorpcije vodika.
Pravilan prijenos topline tijekom egzotermnih i endotermnih reakcija ključ je za poboljšanje učinka MH reaktora.Za proces punjenja vodikom, stvorena toplina mora se ukloniti iz reaktora kako bi se kontrolirao protok punjenja vodika željenom brzinom s maksimalnim kapacitetom skladištenja.Umjesto toga, potrebna je toplina za povećanje brzine razvijanja vodika tijekom pražnjenja.Kako bi poboljšali izvedbu prijenosa topline i mase, mnogi su istraživači proučavali dizajn i optimizaciju na temelju više čimbenika kao što su radni parametri, struktura MG i optimizacija MG11.MG optimizacija se može izvesti dodavanjem materijala visoke toplinske vodljivosti kao što su pjenasti metali u MG slojeve 12,13.Tako se efektivna toplinska vodljivost može povećati s 0,1 na 2 W/mK10.Međutim, dodavanje krutih materijala značajno smanjuje snagu MN reaktora.Što se tiče radnih parametara, poboljšanja se mogu postići optimizacijom početnih radnih uvjeta MG sloja i rashladnog sredstva (HTF).Struktura MG može se optimizirati zahvaljujući geometriji reaktora i dizajnu izmjenjivača topline.S obzirom na konfiguraciju izmjenjivača topline MH reaktora, metode se mogu podijeliti u dvije vrste.To su unutarnji izmjenjivači topline ugrađeni u MO sloj i vanjski izmjenjivači topline koji pokrivaju MO sloj kao što su rebra, rashladni omotači i vodene kupke.S obzirom na vanjski izmjenjivač topline, Kaplan16 je analizirao rad MH reaktora, koristeći vodu za hlađenje kao omotač za smanjenje temperature unutar reaktora.Rezultati su uspoređeni s reaktorom s 22 okrugla rebra i drugim reaktorom hlađenim prirodnom konvekcijom.Oni navode da prisutnost rashladnog plašta značajno smanjuje temperaturu MH, čime se povećava stopa apsorpcije.Numeričke studije MH reaktora s vodenim omotačem koje su proveli Patil i Gopal17 pokazale su da su dovodni tlak vodika i HTF temperatura ključni parametri koji utječu na brzinu upijanja i desorpcije vodika.
Povećanje područja prijenosa topline dodavanjem rebara i izmjenjivača topline ugrađenih u MH je ključ za poboljšanje performansi prijenosa topline i mase, a time i performansi pohranjivanja MH18.Nekoliko konfiguracija unutarnjeg izmjenjivača topline (ravna cijev i spiralna zavojnica) dizajnirano je za cirkulaciju rashladnog sredstva u reaktoru MH19,20,21,22,23,24,25,26.Korištenjem unutarnjeg izmjenjivača topline, tekućina za hlađenje ili grijanje prenijet će lokalnu toplinu unutar MH reaktora tijekom procesa adsorpcije vodika.Raju i Kumar [27] koristili su nekoliko ravnih cijevi kao izmjenjivače topline kako bi poboljšali performanse MG-a.Njihovi su rezultati pokazali da su vremena apsorpcije smanjena kada su ravne cijevi korištene kao izmjenjivači topline.Osim toga, uporaba ravnih cijevi skraćuje vrijeme desorpcije vodika28.Veći protok rashladnog sredstva povećava brzinu punjenja i pražnjenja vodika29.Međutim, povećanje broja rashladnih cijevi ima pozitivan učinak na performanse MH, a ne na brzinu protoka rashladnog sredstva30,31.Raju i dr.32 koristili su LaMi4.7Al0.3 kao MH materijal za proučavanje performansi višecijevnih izmjenjivača topline u reaktorima.Izvijestili su da su radni parametri imali značajan utjecaj na proces apsorpcije, posebno tlak punjenja, a potom i brzina protoka HTF-a.Međutim, pokazalo se da je temperatura apsorpcije manje kritična.
Učinkovitost MH reaktora dodatno je poboljšana upotrebom spiralnog spiralnog izmjenjivača topline zbog njegovog poboljšanog prijenosa topline u usporedbi s ravnim cijevima.To je zato što sekundarni ciklus može bolje ukloniti toplinu iz reaktora25.Osim toga, spiralne cijevi pružaju veliku površinu za prijenos topline od MH sloja do rashladnog sredstva.Kada se ova metoda uvede unutar reaktora, raspodjela cijevi za izmjenu topline također je ravnomjernija33.Wang i sur.34 proučavao je učinak trajanja apsorpcije vodika dodavanjem spiralne zavojnice u MH reaktor.Njihovi rezultati pokazuju da kako se koeficijent prijenosa topline rashladne tekućine povećava, vrijeme apsorpcije se smanjuje.Wu i sur.25 istraživao je rad MH reaktora na bazi Mg2Ni i izmjenjivača topline sa zavojnicom.Njihove numeričke studije pokazale su smanjenje vremena reakcije.Poboljšanje mehanizma prijenosa topline u MN reaktoru temelji se na manjem omjeru koraka vijaka i koraka vijaka i bezdimenzionalnom koraku vijaka.Eksperimentalna studija Melloulija i suradnika21 koja je koristila zavojnicu kao unutarnji izmjenjivač topline pokazala je da početna temperatura HTF-a ima značajan učinak na poboljšanje vremena apsorpcije vodika i desorpcije.Kombinacije različitih unutarnjih izmjenjivača topline provedene su u nekoliko studija.Eisapur i sur.35 proučavali su skladištenje vodika pomoću spiralnog izmjenjivača topline sa središnjom povratnom cijevi za poboljšanje procesa apsorpcije vodika.Njihovi rezultati pokazali su da spiralna cijev i središnja povratna cijev značajno poboljšavaju prijenos topline između rashladne tekućine i MG.Manji korak i veći promjer spiralne cijevi povećavaju brzinu prijenosa topline i mase.Ardahaie i sur.36 koristio je ravne spiralne cijevi kao izmjenjivače topline za poboljšanje prijenosa topline unutar reaktora.Izvijestili su da je trajanje apsorpcije smanjeno povećanjem broja ravnina spljoštenih spiralnih cijevi.Kombinacije različitih unutarnjih izmjenjivača topline provedene su u nekoliko studija.Dhau i sur.37 poboljšao je performanse MH-a korištenjem spiralnog izmjenjivača topline i rebara.Njihovi rezultati pokazuju da ova metoda smanjuje vrijeme punjenja vodikom za faktor 2 u usporedbi s kućištem bez peraja.Prstenasta rebra kombinirana su s rashladnim cijevima i ugrađena u MN reaktor.Rezultati ove studije pokazuju da ova kombinirana metoda omogućuje ravnomjerniji prijenos topline u usporedbi s MH reaktorom bez rebara.Međutim, kombiniranje različitih izmjenjivača topline negativno će utjecati na težinu i volumen MH reaktora.Wu et al.18 usporedili su različite konfiguracije izmjenjivača topline.To uključuje ravne cijevi, rebra i spiralne zavojnice.Autori izvješćuju da spiralne zavojnice pružaju najbolja poboljšanja u prijenosu topline i mase.Osim toga, u usporedbi s ravnim cijevima, zavojnim cijevima i ravnim cijevima u kombinaciji s zavojnim cijevima, dvostruki zavojnici imaju bolji učinak na poboljšanje prijenosa topline.Studija koju su proveli Sekhar i sur.40 pokazalo je da je slično poboljšanje u unosu vodika postignuto korištenjem spiralne zavojnice kao unutarnjeg izmjenjivača topline i rebrastog vanjskog rashladnog plašta.
Od gore navedenih primjera, upotreba spiralnih zavojnica kao unutarnjih izmjenjivača topline osigurava bolja poboljšanja prijenosa topline i mase od drugih izmjenjivača topline, posebno ravnih cijevi i rebara.Stoga je cilj ove studije bio daljnji razvoj spiralne zavojnice kako bi se poboljšao učinak prijenosa topline.Po prvi put razvijena je nova polucilindrična zavojnica koja se temelji na konvencionalnoj spiralnoj zavojnici za pohranjivanje MH.Očekuje se da će ova studija poboljšati performanse skladištenja vodika razmatranjem novog dizajna izmjenjivača topline s boljim rasporedom zone prijenosa topline koju osigurava konstantan volumen sloja MH i HTF cijevi.Učinkovitost skladištenja ovog novog izmjenjivača topline zatim je uspoređena s konvencionalnim izmjenjivačima topline sa spiralnom zavojnicom na temelju različitih koraka zavojnice.Prema postojećoj literaturi, radni uvjeti i razmak zavojnica glavni su čimbenici koji utječu na performanse MH reaktora.Kako bi se optimizirao dizajn ovog novog izmjenjivača topline, ispitan je učinak razmaka zavojnica na vrijeme unosa vodika i volumen MH.Osim toga, kako bi se razumio odnos između novih hemi-cilindričnih zavojnica i radnih uvjeta, sekundarni cilj ove studije bio je proučavanje karakteristika reaktora prema različitim rasponima radnih parametara i određivanje odgovarajućih vrijednosti za svaki radni način rada.parametar.
Izvedba uređaja za pohranu vodikove energije u ovoj se studiji istražuje na temelju dvije konfiguracije izmjenjivača topline (uključujući spiralne cijevi u slučajevima 1 do 3 i polucilindrične cijevi u slučajevima 4 do 6) i analize osjetljivosti radnih parametara.Prvi put je ispitana operativnost MH reaktora korištenjem spiralne cijevi kao izmjenjivača topline.I cijev za rashladno ulje i MH reaktorska posuda izrađeni su od nehrđajućeg čelika.Treba napomenuti da su dimenzije MG reaktora i promjer GTF cijevi bili konstantni u svim slučajevima, dok su veličine koraka GTF varirale.Ovaj odjeljak analizira učinak veličine koraka HTF zavojnica.Visina i vanjski promjer reaktora bili su 110 mm, odnosno 156 mm.Promjer cijevi za ulje koje provodi toplinu postavljen je na 6 mm.Pogledajte Dopunski odjeljak za detalje o dijagramu kruga MH reaktora sa spiralnim cijevima i dvije polucilindrične cijevi.
Na sl.Slika 1a prikazuje MH spiralni cijevni reaktor i njegove dimenzije.Svi geometrijski parametri dani su u tablici.1. Ukupni volumen zavojnice i volumen ZG su približno 100 cm3 odnosno 2000 cm3.Iz ovog MH reaktora, zrak u obliku HTF je doveden u porozni MH reaktor odozdo kroz spiralnu cijev, a vodik je uveden s gornje površine reaktora.
Karakterizacija odabranih geometrija za reaktore s metalnim hidridom.a) sa spiralno-cijevnim izmjenjivačem topline, b) s polucilindričnim cijevnim izmjenjivačem topline.
Drugi dio ispituje rad MH reaktora koji se temelji na polucilindričnoj cijevi kao izmjenjivaču topline.Na sl.Slika 1b prikazuje MN reaktor s dvije polucilindrične cijevi i njihove dimenzije.U tablici 1 navedeni su svi geometrijski parametri polucilindričnih cijevi, koji ostaju konstantni, s izuzetkom međusobne udaljenosti.Treba napomenuti da je polucilindrična cijev u slučaju 4 dizajnirana s konstantnim volumenom HTF cijevi i MH legure u namotanoj cijevi (opcija 3).Što se tiče fig.Na slici 1b, zrak je također uveden s dna dviju polucilindričnih HTF cijevi, a vodik je uveden iz suprotnog smjera od MH reaktora.
Zbog novog dizajna izmjenjivača topline, svrha ovog odjeljka je odrediti odgovarajuće početne vrijednosti za radne parametre MH reaktora u kombinaciji sa SCHE.U svim slučajevima, zrak je korišten kao rashladno sredstvo za uklanjanje topline iz reaktora.Među uljima za prijenos topline, zrak i voda se obično biraju kao ulja za prijenos topline za MH reaktore zbog njihove niske cijene i malog utjecaja na okoliš.Zbog visokog raspona radnih temperatura legura na bazi magnezija, u ovom je istraživanju kao rashladno sredstvo odabran zrak.Osim toga, također ima bolje karakteristike protoka od drugih tekućih metala i rastaljenih soli41.Tablica 2 navodi svojstva zraka na 573 K. Za analizu osjetljivosti u ovom odjeljku primjenjuju se samo najbolje konfiguracije opcija izvedbe MH-SCHE (u slučajevima 4 do 6).Procjene u ovom odjeljku temelje se na različitim radnim parametrima, uključujući početnu temperaturu MH reaktora, tlak punjenja vodikom, ulaznu temperaturu HTF-a i Reynoldsov broj izračunat promjenom brzine HTF-a.Tablica 3 sadrži sve radne parametre korištene za analizu osjetljivosti.
Ovaj odjeljak opisuje sve potrebne jednadžbe upravljanja za proces apsorpcije vodika, turbulencije i prijenosa topline rashladnih sredstava.
Kako bi se pojednostavilo rješenje reakcije preuzimanja vodika, napravljene su i dane sljedeće pretpostavke;
Tijekom apsorpcije termofizička svojstva vodika i metalnih hidrida su konstantna.
Vodik se smatra idealnim plinom, pa se uzimaju u obzir uvjeti lokalne toplinske ravnoteže43,44.
gdje je \({L}_{gas}\) polumjer spremnika, a \({L}_{toplina}\) aksijalna visina spremnika.Kada je N manji od 0,0146, protok vodika u spremniku može se zanemariti u simulaciji bez značajne pogreške.Prema sadašnjim istraživanjima, N je puno niži od 0,1.Stoga se učinak gradijenta tlaka može zanemariti.
Zidovi reaktora su u svim slučajevima bili dobro izolirani.Stoga nema izmjene topline 47 između reaktora i okoline.
Dobro je poznato da legure na bazi magnezija imaju dobre hidrogenacijske karakteristike i visok kapacitet skladištenja vodika do 7,6 wt%8.U smislu primjene za pohranu vodika u čvrstom stanju, ove legure su također poznate kao lagani materijali.Osim toga, imaju izvrsnu otpornost na toplinu i dobru preradljivost8.Među nekoliko legura na bazi Mg, legura MgNi na bazi Mg2Ni jedna je od najprikladnijih opcija za pohranjivanje MH zbog svog kapaciteta pohranjivanja vodika do 6 tež.%.Legure Mg2Ni također pružaju bržu kinetiku adsorpcije i desorpcije u usporedbi s legurom MgH48.Stoga je Mg2Ni odabran kao metalni hidridni materijal u ovoj studiji.
Energetska jednadžba izražena je kao 25 na temelju toplinske ravnoteže između vodika i Mg2Ni hidrida:
X je količina vodika apsorbiranog na površini metala, jedinica je \(težina\%\), izračunata iz kinetičke jednadžbe \(\frac{dX}{dt}\) tijekom apsorpcije na sljedeći način49:
gdje je \({C}_{a}\) brzina reakcije i \({E}_{a}\) energija aktivacije.\({P}_{a,eq}\) je ravnotežni tlak unutar reaktora metalnog hidrida tijekom procesa apsorpcije, dan van't Hoffovom jednadžbom na sljedeći način25:
Gdje je \({P}_{ref}\) referentni tlak od 0,1 MPa.\(\Delta H\) i \(\Delta S\) su entalpija odnosno entropija reakcije.Svojstva legura Mg2Ni i vodika prikazana su u tablici.4. Imenovani popis nalazi se u dopunskom dijelu.
Protok tekućine se smatra turbulentnim jer su njegova brzina 78,75 ms-1 i Reynoldsov broj (Re) 14000.U ovom istraživanju odabran je ostvarivi k-ε model turbulencije.Napominje se da ova metoda pruža veću točnost u usporedbi s drugim k-ε metodama, a također zahtijeva manje vremena izračuna od RNG k-ε50,51 metoda.Pogledajte Dopunski odjeljak za detalje o osnovnim jednadžbama za tekućine za prijenos topline.
U početku je temperaturni režim u MN reaktoru bio ujednačen, a prosječna koncentracija vodika bila je 0,043.Pretpostavlja se da je vanjska granica MH reaktora dobro izolirana.Legure na bazi magnezija obično zahtijevaju visoke radne temperature reakcije za skladištenje i oslobađanje vodika u reaktoru.Legura Mg2Ni zahtijeva temperaturni raspon od 523-603 K za maksimalnu apsorpciju i temperaturni raspon od 573-603 K za potpunu desorpciju52.Međutim, eksperimentalne studije Muthukumara et al.53 pokazale su da se maksimalni kapacitet skladištenja Mg2Ni za skladištenje vodika može postići pri radnoj temperaturi od 573 K, što odgovara njegovom teoretskom kapacitetu.Stoga je u ovom istraživanju kao početna temperatura MN reaktora odabrana temperatura od 573 K.
Stvorite različite veličine mreže za provjeru valjanosti i pouzdane rezultate.Na sl.Slika 2 prikazuje prosječnu temperaturu na odabranim mjestima u procesu apsorpcije vodika iz četiri različita elementa.Vrijedno je napomenuti da je samo jedan slučaj svake konfiguracije odabran za testiranje neovisnosti mreže zbog slične geometrije.Ista metoda spajanja mreže primjenjuje se iu drugim slučajevima.Stoga odaberite opciju 1 za spiralnu cijev i opciju 4 za polucilindričnu cijev.Na sl.Slika 2a, b prikazuje prosječnu temperaturu u reaktoru za opcije 1, odnosno 4.Tri odabrane lokacije predstavljaju konture temperature sloja na vrhu, sredini i dnu reaktora.Na temelju kontura temperature na odabranim mjestima, prosječna temperatura postaje stabilna i pokazuje male promjene u brojevima elemenata 428,891 i 430,599 za slučajeve 1 i 4, respektivno.Stoga su te veličine rešetke odabrane za daljnje proračune.Detaljne informacije o prosječnoj temperaturi sloja za proces apsorpcije vodika za različite veličine ćelija i sukcesivno pročišćene mreže za oba slučaja dane su u dodatnom odjeljku.
Prosječna temperatura sloja u odabranim točkama u procesu apsorpcije vodika u reaktoru s metalnim hidridom s različitim brojevima mreže.(a) Prosječna temperatura na odabranim mjestima za slučaj 1 i (b) Prosječna temperatura na odabranim mjestima za slučaj 4.
Metalni hidridni reaktor na bazi magnezija u ovoj studiji testiran je na temelju eksperimentalnih rezultata Muthukumara et al.53.U svojoj studiji koristili su leguru Mg2Ni za skladištenje vodika u cijevima od nehrđajućeg čelika.Bakrena rebra koriste se za poboljšanje prijenosa topline unutar reaktora.Na sl.Slika 3a prikazuje usporedbu prosječne temperature sloja procesa apsorpcije između eksperimentalne studije i ove studije.Radni uvjeti odabrani za ovaj eksperiment su: početna temperatura MG 573 K i ulazni tlak 2 MPa.Od fig.3a može se jasno pokazati da se ovaj eksperimentalni rezultat dobro slaže sa sadašnjim s obzirom na prosječnu temperaturu sloja.
Provjera modela.(a) Provjera koda reaktora metalnog hidrida Mg2Ni usporedbom trenutne studije s eksperimentalnim radom Muthukumara et al.52, i (b) provjera modela turbulentnog protoka spiralne cijevi usporedbom trenutne studije s onom Kumara et al. .Istraživanje.54.
Za testiranje modela turbulencije, rezultati ove studije uspoređeni su s eksperimentalnim rezultatima Kumara i suradnika54 kako bi se potvrdila ispravnost odabranog modela turbulencije.Kumar et al.54 proučavali su turbulentno strujanje u spiralnom izmjenjivaču topline tipa cijev u cijevi.Voda se koristi kao topla i hladna tekućina ubrizgana sa suprotnih strana.Temperature vruće i hladne tekućine su 323 K, odnosno 300 K.Reynoldsovi brojevi kreću se od 3100 do 5700 za vruće tekućine i od 21 000 do 35 000 za hladne tekućine.Dekanovi brojevi su 550-1000 za vruće tekućine i 3600-6000 za hladne tekućine.Promjer unutarnje cijevi (za vruću tekućinu) i vanjske cijevi (za hladnu tekućinu) je 0,0254 m, odnosno 0,0508 m.Promjer i korak spiralne zavojnice su 0,762 m, odnosno 0,100 m.Na sl.Slika 3b prikazuje usporedbu eksperimentalnih i trenutnih rezultata za različite parove Nusseltovih i Deanovih brojeva za rashladnu tekućinu u zračnici.Implementirana su tri različita modela turbulencije i uspoređena s eksperimentalnim rezultatima.Kao što je prikazano na sl.Na slici 3b, rezultati dostižnog k-ε modela turbulencije dobro se slažu s eksperimentalnim podacima.Stoga je ovaj model odabran u ovoj studiji.
Numeričke simulacije u ovoj studiji provedene su korištenjem ANSYS Fluent 2020 R2.Napišite korisnički definiranu funkciju (UDF) i upotrijebite je kao ulazni član energetske jednadžbe za izračun kinetike procesa apsorpcije.Krug PRESTO55 i metoda PISO56 koriste se za komunikaciju tlak-brzina i korekciju tlaka.Odaberite bazu Greene-Gaussove ćelije za varijabilni gradijent.Jednadžbe količine gibanja i energije rješavaju se metodom drugog reda uz vjetar.Što se tiče koeficijenata nedovoljne relaksacije, komponente tlaka, brzine i energije postavljene su na 0,5, 0,7, odnosno 0,7.Standardne zidne funkcije primjenjuju se na HTF u modelu turbulencije.
Ovaj odjeljak predstavlja rezultate numeričkih simulacija poboljšanog unutarnjeg prijenosa topline MH reaktora pomoću spiralnog izmjenjivača topline (HCHE) i spiralnog spiralnog izmjenjivača topline (SCHE) tijekom apsorpcije vodika.Analiziran je utjecaj HTF smole na temperaturu sloja reaktora i trajanje apsorpcije.Glavni radni parametri procesa apsorpcije proučavani su i prikazani u odjeljku analize osjetljivosti.
Kako bi se istražio učinak razmaka zavojnica na prijenos topline u MH reaktoru, ispitane su tri konfiguracije izmjenjivača topline s različitim koracima.Tri različita koraka od 15 mm, 12,86 mm i 10 mm označena su tijelom 1, tijelom 2 i tijelom 3.Treba napomenuti da je promjer cijevi bio fiksiran na 6 mm pri početnoj temperaturi od 573 K i tlaku opterećenja od 1,8 MPa u svim slučajevima.Na sl.Slika 4 prikazuje prosječnu temperaturu sloja i koncentraciju vodika u MH sloju tijekom procesa apsorpcije vodika u slučajevima 1 do 3. Tipično, reakcija između metalnog hidrida i vodika je egzotermna u odnosu na proces apsorpcije.Zbog toga temperatura sloja brzo raste zbog početnog trenutka kada se vodik prvi put uvodi u reaktor.Temperatura sloja se povećava dok ne dosegne maksimalnu vrijednost, a zatim se postupno smanjuje kako toplinu odnosi rashladno sredstvo, koje ima nižu temperaturu i djeluje kao rashladno sredstvo.Kao što je prikazano na sl.4a, zbog prethodnog objašnjenja, temperatura sloja brzo raste i kontinuirano opada.Koncentracija vodika za proces apsorpcije obično se temelji na temperaturi sloja MH reaktora.Kada prosječna temperatura sloja padne na određenu temperaturu, metalna površina apsorbira vodik.To je zbog ubrzanja procesa fizisorpcije, kemisorpcije, difuzije vodika i stvaranja njegovih hidrida u reaktoru.Od fig.Na slici 4b može se vidjeti da je brzina apsorpcije vodika u slučaju 3 niža nego u drugim slučajevima zbog manje vrijednosti koraka izmjenjivača topline zavojnice.To rezultira dužom ukupnom duljinom cijevi i većim područjem prijenosa topline za HTF cijevi.S prosječnom koncentracijom vodika od 90%, vrijeme apsorpcije za slučaj 1 je 46,276 sekundi.U usporedbi s trajanjem apsorpcije u slučaju 1, trajanje apsorpcije u slučajevima 2 i 3 smanjeno je za 724 s, odnosno 1263 s.Dodatni odjeljak predstavlja konture temperature i koncentracije vodika za odabrana mjesta u sloju HCHE-MH.
Utjecaj udaljenosti između zavojnica na prosječnu temperaturu sloja i koncentraciju vodika.(a) Prosječna temperatura sloja za spiralne zavojnice, (b) koncentracija vodika za spiralne zavojnice, (c) prosječna temperatura sloja za hemi-cilindrične zavojnice, i (d) koncentracija vodika za hemi-cilindrične zavojnice.
Kako bi se poboljšale karakteristike prijenosa topline MG reaktora, dizajnirana su dva HFC-a za konstantan volumen MG-a (2000 cm3) i spiralni izmjenjivač topline (100 cm3) opcije 3. Ovaj odjeljak također razmatra učinak udaljenosti između zavojnice od 15 mm za kućište 4, 12,86 mm za kućište 5 i 10 mm za kućište 6. Na sl.Slike 4c,d prikazuju prosječnu temperaturu sloja i koncentraciju procesa apsorpcije vodika pri početnoj temperaturi od 573 K i tlaku opterećenja od 1,8 MPa.Prema prosječnoj temperaturi sloja na slici 4c, manja udaljenost između zavojnica u slučaju 6 značajno smanjuje temperaturu u usporedbi s druga dva slučaja.Za slučaj 6, niža temperatura sloja rezultira višom koncentracijom vodika (vidi sliku 4d).Vrijeme unosa vodika za varijantu 4 je 19542 s, što je više od 2 puta manje nego za varijante 1-3 koje koriste HCH.Osim toga, u usporedbi sa slučajem 4, vrijeme apsorpcije također je smanjeno za 378 s i 1515 s u slučajevima 5 i 6 s manjim udaljenostima.Dodatni odjeljak predstavlja konture temperature i koncentracije vodika za odabrana mjesta u sloju SCHE-MH.
Za proučavanje performansi dvije konfiguracije izmjenjivača topline, ovaj odjeljak iscrtava i prikazuje temperaturne krivulje na tri odabrana mjesta.MH reaktor s HCHE iz slučaja 3 odabran je za usporedbu s MH reaktorom koji sadrži SCHE u slučaju 4 jer ima konstantan MH volumen i volumen cijevi.Radni uvjeti za ovu usporedbu bili su početna temperatura od 573 K i tlak opterećenja od 1,8 MPa.Na sl.Slike 5a i 5b prikazuju sva tri odabrana položaja temperaturnih profila u slučajevima 3, odnosno 4.Na sl.Slika 5c prikazuje temperaturni profil i koncentraciju slojeva nakon 20 000 s unosa vodika.Prema liniji 1 na slici 5c, temperatura oko TTF-a iz opcija 3 i 4 smanjuje se zbog konvektivnog prijenosa topline rashladnog sredstva.To rezultira većom koncentracijom vodika oko ovog područja.Međutim, korištenje dvaju SCHE rezultira većom koncentracijom slojeva.Brži kinetički odgovori pronađeni su oko HTF regije u slučaju 4. Osim toga, maksimalna koncentracija od 100% također je pronađena u ovoj regiji.Od linije 2 koja se nalazi u sredini reaktora, temperatura slučaja 4 je značajno niža od temperature slučaja 3 na svim mjestima osim u središtu reaktora.To rezultira maksimalnom koncentracijom vodika za slučaj 4, osim za područje blizu središta reaktora daleko od HTF-a.Međutim, koncentracija slučaja 3 nije se puno promijenila.Velika razlika u temperaturi i koncentraciji sloja uočena je u liniji 3 kod ulaza u GTS.Temperatura sloja u slučaju 4 značajno se smanjila, što je rezultiralo najvećom koncentracijom vodika u ovom području, dok je koncentracijska linija u slučaju 3 još uvijek fluktuirala.To je zbog ubrzanja prijenosa topline SCHE.Pojedinosti i rasprava o usporedbi prosječne temperature MH sloja i HTF cijevi između slučaja 3 i slučaja 4 navedeni su u dodatnom odjeljku.
Profil temperature i koncentracija sloja na odabranim mjestima u reaktoru metalnog hidrida.(a) Odabrane lokacije za slučaj 3, (b) Odabrane lokacije za slučaj 4, i (c) Profil temperature i koncentracija slojeva na odabranim mjestima nakon 20 000 s za proces unosa vodika u slučajevima 3 i 4.
Na sl.Slika 6 prikazuje usporedbu prosječne temperature sloja (vidi sliku 6a) i koncentracije vodika (vidi sliku 6b) za apsorpciju HCH i SHE.Iz ove slike se može vidjeti da se temperatura MG sloja značajno smanjuje zbog povećanja površine izmjene topline.Uklanjanje više topline iz reaktora rezultira većom stopom unosa vodika.Iako dvije konfiguracije izmjenjivača topline imaju iste volumene u usporedbi s korištenjem HCHE kao Opcije 3, SCHE-ovo vrijeme unosa vodika temeljeno na Opciji 4 značajno je smanjeno za 59%.Za detaljniju analizu, koncentracije vodika za dvije konfiguracije izmjenjivača topline prikazane su kao izolinije na slici 7. Ova slika pokazuje da se u oba slučaja vodik počinje apsorbirati odozdo oko ulaza HTF-a.Više koncentracije su nađene u HTF području, dok su niže koncentracije uočene u središtu MH reaktora zbog njegove udaljenosti od izmjenjivača topline.Nakon 10 000 s, koncentracija vodika u slučaju 4 značajno je viša nego u slučaju 3. Nakon 20 000 sekundi prosječna koncentracija vodika u reaktoru porasla je na 90% u slučaju 4 u usporedbi s 50% vodika u slučaju 3. To može biti posljedica do većeg učinkovitog rashladnog kapaciteta kombiniranja dva SCHE, što rezultira nižom temperaturom unutar MH sloja.Posljedično, ravnotežniji tlak pada unutar MG sloja, što dovodi do brže apsorpcije vodika.
Slučaj 3 i slučaj 4 Usporedba prosječne temperature sloja i koncentracije vodika između dvije konfiguracije izmjenjivača topline.
Usporedba koncentracije vodika nakon 500, 2000, 5000, 10000 i 20000 s nakon početka procesa apsorpcije vodika u slučaju 3 i slučaju 4.
Tablica 5 sažima trajanje uzimanja vodika za sve slučajeve.Osim toga, u tablici je prikazano i vrijeme apsorpcije vodika, izraženo u postocima.Ovaj se postotak izračunava na temelju vremena apsorpcije u slučaju 1. Iz ove tablice, vrijeme apsorpcije MH reaktora koji koristi HCHE je oko 45 000 do 46 000 s, a vrijeme apsorpcije uključujući SCHE je oko 18 000 do 19 000 s.U usporedbi sa slučajem 1, vrijeme apsorpcije u slučaju 2 i slučaju 3 smanjeno je za samo 1,6% odnosno 2,7%.Kada se koristi SCHE umjesto HCHE, vrijeme apsorpcije značajno je smanjeno od slučaja 4 do slučaja 6, s 58% na 61%.Jasno je da dodavanje SCHE u MH reaktor uvelike poboljšava proces apsorpcije vodika i performanse MH reaktora.Iako ugradnja izmjenjivača topline unutar MH reaktora smanjuje kapacitet skladištenja, ova tehnologija omogućuje značajno poboljšanje prijenosa topline u usporedbi s drugim tehnologijama.Također, smanjenje vrijednosti tona će povećati glasnoću SCHE, što će rezultirati smanjenjem glasnoće MH.U slučaju 6 s najvećim volumenom SCHE, volumenski kapacitet MH smanjen je samo za 5% u usporedbi sa slučajem 1 s najnižim volumenom HCHE.Osim toga, tijekom apsorpcije, slučaj 6 pokazao je brže i bolje performanse sa 61% smanjenjem vremena apsorpcije.Stoga je slučaj 6 odabran za daljnje ispitivanje u analizi osjetljivosti.Treba napomenuti da je dugo vrijeme unosa vodika povezano sa spremnikom za pohranu koji sadrži MH volumen od oko 2000 cm3.
Radni parametri tijekom reakcije važni su čimbenici koji pozitivno ili negativno utječu na performanse MH reaktora u stvarnim uvjetima.Ova studija razmatra analizu osjetljivosti za određivanje odgovarajućih početnih radnih parametara za MH reaktor u kombinaciji sa SCHE, a ovaj odjeljak istražuje četiri glavna radna parametra na temelju optimalne konfiguracije reaktora u slučaju 6. Rezultati za sve radne uvjete prikazani su u Slika 8.
Grafikon koncentracije vodika u različitim radnim uvjetima pri uporabi izmjenjivača topline s polucilindričnim svitkom.(a) tlak punjenja, (b) početna temperatura sloja, (c) Reynoldsov broj rashladnog sredstva i (d) ulazna temperatura rashladnog sredstva.
Na temelju konstantne početne temperature od 573 K i protoka rashladnog sredstva s Reynoldsovim brojem od 14 000, odabrana su četiri različita tlaka opterećenja: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa i 3,0 MPa.Na sl.Slika 8a prikazuje učinak pritiska opterećenja i SCHE na koncentraciju vodika tijekom vremena.Vrijeme upijanja smanjuje se s povećanjem tlaka opterećenja.Korištenje primijenjenog tlaka vodika od 1,2 MPa najgori je slučaj za proces apsorpcije vodika, a trajanje apsorpcije prelazi 26 000 s da bi se postiglo 90% apsorpcije vodika.Međutim, veći tlak opterećenja rezultirao je 32-42% smanjenjem vremena apsorpcije s 1,8 na 3,0 MPa.To je zbog većeg početnog tlaka vodika, što rezultira većom razlikom između ravnotežnog tlaka i primijenjenog tlaka.Stoga ovo stvara veliku pokretačku silu za kinetiku uzimanja vodika.U početnom trenutku plin vodik se brzo apsorbira zbog velike razlike između ravnotežnog tlaka i primijenjenog tlaka57.Pri tlaku punjenja od 3,0 MPa, 18% vodika brzo se nakupilo tijekom prvih 10 sekundi.Vodik je pohranjen u 90% reaktora u završnoj fazi 15460 s.Međutim, pri tlaku opterećenja od 1,2 do 1,8 MPa, vrijeme apsorpcije značajno je smanjeno za 32%.Ostali viši pritisci imali su manji učinak na poboljšanje vremena apsorpcije.Stoga se preporučuje da tlak punjenja MH-SCHE reaktora bude 1,8 MPa.Dodatni dio prikazuje konture koncentracije vodika za različite pritiske opterećenja pri 15500 s.
Odabir odgovarajuće početne temperature MH reaktora jedan je od glavnih čimbenika koji utječu na proces adsorpcije vodika, budući da utječe na pokretačku snagu reakcije stvaranja hidrida.Za proučavanje učinka SCHE na početnu temperaturu MH reaktora odabrane su četiri različite temperature pri konstantnom tlaku punjenja od 1,8 MPa i Reynoldsovom broju od 14 000 HTF.Na sl.Slika 8b prikazuje usporedbu različitih početnih temperatura, uključujući 473K, 523K, 573K i 623K.Zapravo, kada je temperatura viša od 230°C ili 503K58, legura Mg2Ni ima učinkovite karakteristike za proces apsorpcije vodika.Međutim, u početnom trenutku ubrizgavanja vodika temperatura brzo raste.Posljedično, temperatura MG sloja će premašiti 523 K. Stoga je stvaranje hidrida olakšano zbog povećane brzine apsorpcije53.Od fig.Iz slike 8b vidljivo je da se vodik brže apsorbira kako se početna temperatura sloja MB smanjuje.Niži ravnotežni tlakovi javljaju se kada je početna temperatura niža.Što je veća razlika tlaka između ravnotežnog tlaka i primijenjenog tlaka, to je proces apsorpcije vodika brži.Na početnoj temperaturi od 473 K, vodik se brzo apsorbira do 27% tijekom prvih 18 sekundi.Osim toga, vrijeme apsorpcije također je smanjeno s 11% na 24% pri nižoj početnoj temperaturi u usporedbi s početnom temperaturom od 623 K. Vrijeme apsorpcije pri najnižoj početnoj temperaturi od 473 K iznosi 15247 s, što je slično najboljem Međutim, smanjenje početne temperature temperature reaktora dovodi do smanjenja kapaciteta skladištenja vodika.Početna temperatura MN reaktora mora biti najmanje 503 K53.Osim toga, pri početnoj temperaturi od 573 K53, može se postići maksimalni kapacitet skladištenja vodika od 3,6 tež.%.Što se tiče kapaciteta skladištenja vodika i trajanja apsorpcije, temperature između 523 i 573 K skraćuju vrijeme za samo 6%.Stoga se kao početna temperatura MH-SCHE reaktora predlaže temperatura od 573 K.Međutim, učinak početne temperature na proces apsorpcije bio je manje značajan u usporedbi s tlakom opterećenja.Dodatni odjeljak prikazuje konture koncentracije vodika za različite početne temperature na 15500 s.
Brzina protoka jedan je od glavnih parametara hidrogenacije i dehidrogenacije jer može utjecati na turbulenciju i odvođenje ili unos topline tijekom hidrogenacije i dehidrogenacije59.Visoke brzine protoka će stvoriti turbulentne faze i rezultirati bržim protokom tekućine kroz HTF cijevi.Ova reakcija će rezultirati bržim prijenosom topline.Različite ulazne brzine za HTF izračunavaju se na temelju Reynoldsovih brojeva od 10 000, 14 000, 18 000 i 22 000.Početna temperatura MG sloja bila je fiksirana na 573 K, a tlak opterećenja na 1,8 MPa.Rezultati na sl.Slike 8c pokazuju da uporaba višeg Reynoldsovog broja u kombinaciji sa SCHE rezultira većom stopom unosa.Kako se Reynoldsov broj povećava s 10 000 na 22 000, vrijeme apsorpcije smanjuje se za oko 28-50%.Vrijeme apsorpcije pri Reynoldsovom broju od 22 000 iznosi 12 505 sekundi, što je manje nego pri različitim početnim temperaturama i pritiscima opterećenja.Konture koncentracije vodika za različite Reynoldsove brojeve za GTP pri 12500 s prikazane su u dodatnom odjeljku.
Učinak SCHE na početnu temperaturu HTF-a je analiziran i prikazan na slici 8d.Pri početnoj temperaturi MG od 573 K i tlaku punjenja vodika od 1,8 MPa, četiri početne temperature odabrane su za ovu analizu: 373 K, 473 K, 523 K i 573 K. 8d pokazuje da smanjenje temperature rashladne tekućine na ulazu dovodi do smanjenja vremena apsorpcije.U usporedbi s osnovnim slučajem s ulaznom temperaturom od 573 K, vrijeme apsorpcije je smanjeno za približno 20%, 44% i 56% za ulazne temperature od 523 K, 473 K, odnosno 373 K.Na 6917 s početna temperatura GTF-a je 373 K, koncentracija vodika u reaktoru je 90%.To se može objasniti pojačanim konvektivnim prijenosom topline između MG sloja i HCS.Niže temperature HTF-a povećat će rasipanje topline i rezultirati povećanim unosom vodika.Među svim radnim parametrima, poboljšanje performansi reaktora MH-SCHE povećanjem ulazne temperature HTF bila je najprikladnija metoda, budući da je vrijeme završetka procesa apsorpcije bilo manje od 7000 s, dok je najkraće vrijeme apsorpcije drugih metoda bilo više od 10000 s.Prikazane su konture koncentracije vodika za različite početne temperature GTP-a za 7000 s.
Ova studija po prvi put predstavlja novi polucilindrični spiralni izmjenjivač topline integriran u jedinicu za pohranu metalnog hidrida.Sposobnost predloženog sustava da apsorbira vodik ispitana je s različitim konfiguracijama izmjenjivača topline.Istražen je utjecaj radnih parametara na izmjenu topline između metalhidridnog sloja i rashladnog sredstva kako bi se pronašli optimalni uvjeti za skladištenje metalnih hidrida pomoću novog izmjenjivača topline.Glavni nalazi ove studije sažeti su kako slijedi:
S polucilindričnim spiralnim izmjenjivačem topline, performanse prijenosa topline su poboljšane jer ima ravnomjerniju raspodjelu topline u reaktoru sa slojem magnezija, što rezultira boljom stopom apsorpcije vodika.Pod uvjetom da volumen cijevi za izmjenu topline i metalnog hidrida ostane nepromijenjen, vrijeme reakcije apsorpcije značajno je smanjeno za 59% u usporedbi s konvencionalnim spiralnim izmjenjivačem topline.
Vrijeme objave: 15. siječnja 2023