Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite dugmad Prethodno i Sljedeće da se krećete kroz tri slajda odjednom ili koristite dugmad klizača na kraju da se krećete kroz tri slajda odjednom.
Metalni hidridi (MH) su prepoznati kao jedna od najpogodnijih grupa materijala za skladištenje vodonika zbog velikog kapaciteta skladištenja vodonika, niskog radnog pritiska i visoke sigurnosti.Međutim, njihova spora kinetika uzimanja vodika uvelike smanjuje performanse skladištenja.Brže uklanjanje topline iz MH skladišta moglo bi igrati važnu ulogu u povećanju njegove stope uzimanja vodonika, što rezultira poboljšanim performansama skladištenja.S tim u vezi, ova studija je imala za cilj poboljšanje karakteristika prijenosa topline kako bi se pozitivno utjecalo na stopu uzimanja vodonika u sistem za skladištenje MH.Nova polucilindrična zavojnica je prvo razvijena i optimizirana za skladištenje vodonika i ugrađena kao unutrašnji izmjenjivač zraka kao topline (HTF).Na osnovu različitih veličina koraka, analizira se učinak nove konfiguracije izmjenjivača topline i upoređuje se sa konvencionalnom geometrijom spiralnog namotaja.Pored 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 performanse MH spremnika mogu značajno poboljšati korištenjem polucilindričnog spiralnog izmjenjivača topline (SCHE).U poređenju sa konvencionalnim spiralnim izmjenjivačima topline, trajanje apsorpcije vodonika je smanjeno za 59%.Najmanja udaljenost između SCHE zavojnica rezultirala je smanjenjem vremena apsorpcije za 61%.Što se tiče radnih parametara skladištenja MG sa SHE, svi odabrani parametri dovode do značajnog poboljšanja procesa apsorpcije vodonika, posebno temperature na ulazu u HTS.
Postoji globalna tranzicija sa energije zasnovane na fosilnim gorivima na obnovljivu energiju.Budući da mnogi oblici obnovljive energije daju energiju na dinamičan način, skladištenje energije je neophodno za balansiranje opterećenja.Skladištenje energije na bazi vodika privuklo je veliku pažnju u ovu svrhu, posebno jer se vodonik zbog svojih svojstava i prenosivosti može koristiti kao „zeleno“ alternativno gorivo i energent.Osim toga, vodonik također nudi veći sadržaj energije po jedinici mase u odnosu na fosilna goriva2.Postoje četiri glavna tipa skladištenja energije vodika: skladište komprimovanog gasa, podzemno skladište, skladištenje tečnosti i skladištenje u čvrstom stanju.Komprimirani vodonik je glavni tip koji se koristi u vozilima na gorive ćelije kao što su autobusi i viljuškari.Međutim, ovo skladište pruža nisku nasipnu gustinu vodonika (približno 0,089 kg/m3) i ima sigurnosne probleme povezane s visokim radnim pritiskom3.Na osnovu procesa konverzije na niskoj temperaturi i pritisku okoline, tečno skladište će skladištiti vodonik u tečnom obliku.Međutim, kada je ukapljeno, oko 40% energije se gubi.Osim toga, poznato je da je ova tehnologija energetski i radno intenzivnija u usporedbi s čvrstim tehnologijama skladištenja4.Čvrsto skladištenje je održiva opcija za ekonomiju vodika, koja pohranjuje vodonik ugradnjom vodonika u čvrste materijale kroz apsorpciju i oslobađanjem vodika kroz desorpciju.Metal hidrid (MH), tehnologija skladištenja čvrstog materijala, nedavno je od interesa za aplikacije gorivnih ćelija zbog svog visokog kapaciteta vodika, niskog radnog pritiska i niske cene u poređenju sa skladištenjem tečnosti, a pogodan je za stacionarne i mobilne aplikacije6,7 In Osim toga, MH materijali također pružaju sigurnosna svojstva kao što je efikasno skladištenje velikog kapaciteta8.Međutim, postoji problem koji ograničava produktivnost MG: niska toplotna provodljivost MG reaktora dovodi do spore apsorpcije i desorpcije vodonika.
Pravilan prijenos topline tokom egzotermnih i endotermnih reakcija je ključ za poboljšanje performansi MH reaktora.Za proces punjenja vodonika, stvorena toplina mora biti uklonjena iz reaktora kako bi se kontrolirao tok punjenja vodonika željenom brzinom uz maksimalni kapacitet skladištenja.Umjesto toga, potrebna je toplina da bi se povećala brzina evolucije vodonika tokom pražnjenja.Kako bi poboljšali performanse prijenosa topline i mase, mnogi istraživači su proučavali dizajn i optimizaciju na osnovu više faktora kao što su radni parametri, struktura MG i optimizacija MG11.MG optimizacija se može izvršiti dodavanjem materijala visoke toplotne provodljivosti kao što su pjenasti metali u MG slojeve 12,13.Tako se efektivna toplotna provodljivost može povećati sa 0,1 na 2 W/mK10.Međutim, dodavanje čvrstih materijala značajno smanjuje snagu MN reaktora.Što se tiče radnih parametara, poboljšanja se mogu postići optimizacijom početnih radnih uslova MG sloja i rashladnog sredstva (HTF).Struktura MG može se optimizirati zbog geometrije reaktora i dizajna izmjenjivača topline.Što se tiče konfiguracije izmjenjivača topline MH reaktora, metode se mogu podijeliti u dva tipa.To su unutrašnji izmjenjivači topline ugrađeni u MO sloj i vanjski izmjenjivači topline koji pokrivaju MO sloj, kao što su rebra, rashladni omotači i vodene kupke.Što se tiče vanjskog izmjenjivača topline, Kaplan16 je analizirao rad MH reaktora, koristeći rashladnu vodu kao plašt za smanjenje temperature unutar reaktora.Rezultati su upoređeni sa reaktorom sa 22 okrugla rebra i drugim reaktorom hlađenim prirodnom konvekcijom.Oni navode da prisustvo rashladnog omotača značajno smanjuje temperaturu MH, čime se povećava brzina apsorpcije.Numeričke studije MH reaktora sa vodenim omotačem od strane Patila i Gopala17 pokazale su da su pritisak dovoda vodonika i temperatura HTF ključni parametri koji utiču na brzinu uzimanja i desorpcije vodonika.
Povećanje površine prenosa toplote dodavanjem rebara i izmenjivača toplote ugrađenih u MH je ključ za poboljšanje performansi prenosa toplote i mase, a time i performansi skladištenja MH18.Nekoliko unutrašnjih konfiguracija izmjenjivača topline (ravna cijev i spiralni namotaj) je dizajnirano da cirkuliše rashladno sredstvo u reaktoru MH19,20,21,22,23,24,25,26.Koristeći unutrašnji izmjenjivač topline, tekućina za hlađenje ili grijanje će prenijeti lokalnu toplinu unutar MH reaktora tokom procesa adsorpcije vodonika.Raju i Kumar [27] su koristili nekoliko ravnih cijevi kao izmjenjivača topline kako bi poboljšali performanse MG.Njihovi rezultati su pokazali da je vrijeme apsorpcije smanjeno kada su ravne cijevi korištene kao izmjenjivači topline.Osim toga, upotreba ravnih cijevi skraćuje vrijeme desorpcije vodonika28.Veće brzine protoka rashladne tečnosti povećavaju brzinu punjenja i pražnjenja vodonika29.Međutim, povećanje broja rashladnih cijevi ima pozitivan učinak na performanse MH, a ne na brzinu protoka rashladne tekućine30,31.Raju et al.32 koristili su LaMi4.7Al0.3 kao MH materijal za proučavanje performansi višecijevnih izmjenjivača topline u reaktorima.Izvijestili su da su radni parametri značajno utjecali na proces apsorpcije, posebno na ulazni pritisak, a zatim i na brzinu protoka HTF-a.Međutim, ispostavilo se da je temperatura apsorpcije manje kritična.
Performanse MH reaktora su dodatno poboljšane upotrebom spiralnog spiralnog izmjenjivača topline zbog njegovog poboljšanog prijenosa topline u odnosu na ravne cijevi.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, distribucija cijevi za izmjenu topline je također ravnomjernija33.Wang et al.34 proučavao je efekat trajanja upijanja vodonika dodavanjem spiralne zavojnice u MH reaktor.Njihovi rezultati pokazuju da kako se koeficijent prijenosa topline rashladne tekućine povećava, vrijeme apsorpcije se smanjuje.Wu et al.25 istraživali su performanse MH reaktora na bazi Mg2Ni i izmjenjivača topline sa namotanim zavojnicama.Njihove numeričke studije su pokazale smanjenje vremena reakcije.Poboljšanje mehanizma prijenosa topline u MN reaktoru zasniva se na manjem omjeru koraka zavrtnja i koraka vijka i bezdimenzionalnom koraku vijka.Eksperimentalna studija Melloulija et al.21 koja koristi zavojnicu kao unutrašnji izmjenjivač topline pokazala je da početna temperatura HTF-a ima značajan utjecaj na poboljšanje uzimanja vodonika i vremena desorpcije.Kombinacije različitih unutrašnjih izmjenjivača topline provedene su u nekoliko studija.Eisapur et al.35 proučavao skladištenje vodonika koristeći spiralni spiralni izmjenjivač topline sa središnjom povratnom cijevi kako bi se poboljšao proces apsorpcije vodonika.Njihovi rezultati su pokazali da spiralna cijev i središnja povratna cijev značajno poboljšavaju prijenos topline između rashladne tekućine i MG.Manji korak i veći prečnik spiralne cijevi povećavaju brzinu prijenosa topline i mase.Ardahaie et al.36 koristile 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 unutrašnjih izmjenjivača topline provedene su u nekoliko studija.Dhau et al.37 je poboljšao performanse MH koristeći namotani izmjenjivač topline i rebra.Njihovi rezultati pokazuju da ova metoda smanjuje vrijeme punjenja vodonikom za faktor 2 u odnosu na slučaj bez rebara.Prstenasta rebra su kombinovana sa rashladnim cevima i ugrađena u MN reaktor.Rezultati ovog istraživanja pokazuju da ova kombinovana metoda omogućava ravnomerniji prenos toplote u odnosu na MH reaktor bez rebara.Međutim, kombinovanje različitih izmjenjivača topline negativno će utjecati na težinu i volumen MH reaktora.Wu et al.18 upoređivali su različite konfiguracije izmjenjivača topline.To uključuje ravne cijevi, peraje i spiralne zavojnice.Autori navode da spiralni zavojnici pružaju najbolja poboljšanja u prijenosu topline i mase.Osim toga, u poređenju s ravnim cijevima, namotanim cijevima i ravnim cijevima u kombinaciji sa namotanim cijevima, dvostruki zavojnici imaju bolji učinak na poboljšanje prijenosa topline.Studija Sekhara et al.40 je pokazalo da je slično poboljšanje u preuzimanju vodonika postignuto korištenjem spiralnog namotaja kao unutrašnjeg izmjenjivača topline i rebrastog vanjskog omotača za hlađenje.
Od gore navedenih primjera, upotreba spiralnih namotaja kao unutrašnjih 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 spiralnog namotaja kako bi se poboljšale performanse prijenosa topline.Po prvi put je razvijena nova polucilindrična zavojnica zasnovana na konvencionalnoj spiralnoj zavojnici za skladištenje MH.Očekuje se da će ova studija poboljšati performanse skladištenja vodonika razmatranjem novog dizajna izmjenjivača topline s boljim rasporedom zone prijenosa topline koju obezbjeđuje konstantna zapremina MH sloja i HTF cijevi.Performanse skladištenja ovog novog izmjenjivača topline su zatim upoređene sa konvencionalnim spiralnim izmjenjivačima topline zasnovanim na različitim koracima namotaja.Prema postojećoj literaturi, radni uslovi i razmak kalemova su glavni faktori koji utiču na performanse MH reaktora.Kako bi se optimizirao dizajn ovog novog izmjenjivača topline, istražen je utjecaj razmaka namotaja na vrijeme uzimanja vodonika i zapreminu MH.Osim toga, kako bi se razumio odnos između novih polucilindričnih 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.
Performanse uređaja za skladištenje energije vodika u ovoj studiji istražuju se na osnovu dvije konfiguracije izmjenjivača topline (uključujući spiralne cijevi u slučajevima 1 do 3 i polucilindrične cijevi u slučajevima od 4 do 6) i analize osjetljivosti radnih parametara.Operativnost MH reaktora je po prvi put testirana upotrebom spiralne cijevi kao izmjenjivača topline.I cijev za rashladno ulje i MH reaktorska posuda su izrađeni od nehrđajućeg čelika.Treba napomenuti da su dimenzije MG reaktora i promjer GTF cijevi bili konstantni u svim slučajevima, dok su veličine koraka GTF-a varirale.Ovaj odjeljak analizira utjecaj veličine koraka HTF zavojnica.Visina i vanjski promjer reaktora iznosili su 110 mm, odnosno 156 mm.Promjer cijevi za ulje koje provodi toplinu je postavljen na 6 mm.Pogledajte Dodatni odjeljak za detalje o dijagramu kola MH reaktora sa spiralnim cijevima i dvije polucilindrične cijevi.
Na sl.1a prikazuje MH spiralni cijevni reaktor i njegove dimenzije.Svi geometrijski parametri su dati u tabeli.1. Ukupna zapremina spirale i zapremina ZG su približno 100 cm3 i 2000 cm3, respektivno.Iz ovog MH reaktora, zrak u obliku HTF-a je dovođen u porozni MH reaktor odozdo kroz spiralnu cijev, a vodonik je uveden sa gornje površine reaktora.
Karakterizacija odabranih geometrija za metal-hidridne reaktore.a) sa spiralno-cevastim izmenjivačem toplote, b) sa polucilindričnim cevastim izmenjivačem toplote.
Drugi dio ispituje rad MH reaktora na bazi polucilindrične cijevi kao izmjenjivača topline.Na sl.1b prikazuje MN reaktor sa dvije polucilindrične cijevi i njihove dimenzije.U tabeli 1 navedeni su svi geometrijski parametri polucilindričnih cijevi, koji ostaju konstantni, s izuzetkom udaljenosti između njih.Treba napomenuti da je polucilindrična cijev u slučaju 4 dizajnirana sa konstantnom zapreminom HTF cijevi i MH legure u namotanoj cijevi (opcija 3).Što se tiče sl.1b, zrak je također uveden sa dna dvije polucilindrične HTF cijevi, a vodonik je uveden iz suprotnog smjera od MH reaktora.
Zbog novog dizajna izmjenjivača topline, svrha ovog odjeljka je određivanje odgovarajućih početnih 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 niskog utjecaja na okoliš.Zbog visokog raspona radnih temperatura legura na bazi magnezijuma, u ovoj studiji kao rashladno sredstvo je izabran vazduh.Osim toga, također ima bolje karakteristike protoka od drugih tekućih metala i rastopljenih soli41.Tabela 2 navodi svojstva vazduha na 573 K. Za analizu osetljivosti u ovom odeljku, primenjuju se samo najbolje konfiguracije opcija performansi MH-SCHE (u slučajevima 4 do 6).Procjene u ovom odjeljku su zasnovane na različitim radnim parametrima, uključujući početnu temperaturu MH reaktora, pritisak punjenja vodonika, ulaznu temperaturu HTF-a i Reynoldsov broj izračunat promjenom brzine HTF-a.Tabela 3 sadrži sve radne parametre koji se koriste za analizu osjetljivosti.
Ovaj dio opisuje sve potrebne kontrolne jednačine za proces apsorpcije vodonika, turbulencije i prijenosa topline rashladnih tekućina.
Da bi se pojednostavilo rješenje reakcije preuzimanja vodonika, napravljene su i navedene sljedeće pretpostavke;
Tokom apsorpcije, termofizička svojstva vodonika i metalnih hidrida su konstantna.
Vodik se smatra idealnim gasom, pa se uzimaju u obzir lokalni uslovi toplotne ravnoteže43,44.
gdje je \({L}_{gas}\) polumjer rezervoara, a \({L}_{heat}\) aksijalna visina rezervoara.Kada je N manji od 0,0146, protok vodonika u rezervoaru se može zanemariti u simulaciji bez značajne greške.Prema trenutnim istraživanjima, N je mnogo niži od 0,1.Zbog toga se efekat gradijenta pritiska može zanemariti.
Zidovi reaktora su u svim slučajevima bili dobro izolovani.Zbog toga nema razmene toplote 47 između reaktora i okoline.
Dobro je poznato da legure na bazi Mg imaju dobre karakteristike hidrogenizacije i visok kapacitet skladištenja vodonika do 7,6 tež%8.U smislu aplikacija za skladištenje vodonika u čvrstom stanju, ove legure su poznate i kao lagani materijali.Osim toga, imaju odličnu otpornost na toplinu i dobru obradivost8.Među nekoliko legura na bazi Mg, MgNi legura na bazi Mg2Ni jedna je od najpogodnijih opcija za skladištenje MH zbog svog kapaciteta skladištenja vodonika do 6 tež.%.Legure Mg2Ni takođe pružaju bržu kinetiku adsorpcije i desorpcije u poređenju sa legurom MgH48.Stoga je Mg2Ni odabran kao materijal metal-hidrida u ovoj studiji.
Energetska jednadžba je izražena kao 25 na osnovu ravnoteže topline između vodika i Mg2Ni hidrida:
X je količina vodonika apsorbovanog na površini metala, jedinica je \(težina\%\), izračunata iz kinetičke jednačine \(\frac{dX}{dt}\) tokom apsorpcije na sljedeći način49:
gdje je \({C}_{a}\) brzina reakcije, a \({E}_{a}\) energija aktivacije.\({P}_{a,eq}\) je ravnotežni pritisak unutar metal-hidridnog reaktora tokom procesa apsorpcije, dat Van't Hoffovom jednačinom kako slijedi25:
Gdje je \({P}_{ref}\) referentni pritisak od 0,1 MPa.\(\Delta H\) i \(\Delta S\) su entalpija i entropija reakcije, respektivno.Svojstva legura Mg2Ni i vodonika prikazana su u tabeli.4. Imenovana lista se može naći u dodatnom odjeljku.
Protok fluida se smatra turbulentnim jer su njegova brzina i Reynoldsov broj (Re) 78,75 ms-1 i 14000, respektivno.U ovoj studiji odabran je ostvarivi k-ε model turbulencije.Primećeno je da ova metoda obezbeđuje veću tačnost u poređenju sa drugim k-ε metodama, a takođe zahteva manje vremena računanja od RNG k-ε50,51 metoda.Pogledajte Dodatni odjeljak za detalje o osnovnim jednadžbama za fluide za prijenos topline.
U početku je temperaturni režim u MN reaktoru bio ujednačen, a prosječna koncentracija vodonika 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 vodonika u reaktoru.Mg2Ni legura 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 su pokazale da se maksimalni kapacitet skladištenja Mg2Ni za skladištenje vodonika može postići pri radnoj temperaturi od 573 K, što odgovara njegovom teoretskom kapacitetu.Stoga je za početnu temperaturu MN reaktora u ovoj studiji odabrana temperatura od 573 K.
Kreirajte različite veličine mreže za validaciju i pouzdane rezultate.Na sl.2 prikazuje prosječnu temperaturu na odabranim lokacijama u procesu apsorpcije vodika iz četiri različita elementa.Vrijedi napomenuti da je samo jedan slučaj svake konfiguracije odabran za testiranje neovisnosti mreže zbog slične geometrije.Ista metoda mreže se primjenjuje iu drugim slučajevima.Stoga odaberite opciju 1 za spiralnu cijev i opciju 4 za polucilindričnu cijev.Na sl.2a, b prikazuje prosječnu temperaturu u reaktoru za opciju 1 i 4.Tri odabrane lokacije predstavljaju konture temperature sloja na vrhu, sredini i dnu reaktora.Na osnovu temperaturnih kontura na odabranim lokacijama, prosječna temperatura postaje stabilna i pokazuje malu promjenu u brojevima elemenata 428,891 i 430,599 za slučajeve 1 i 4, respektivno.Stoga su ove veličine mreže odabrane za daljnje proračunske proračune.Detaljne informacije o prosječnoj temperaturi sloja za proces apsorpcije vodonika za različite veličine ćelija i sukcesivno rafinirane mreže za oba slučaja date su u dodatnom odjeljku.
Prosječna temperatura sloja na odabranim točkama u procesu apsorpcije vodonika u metal-hidridnom reaktoru s različitim brojevima mreže.(a) Prosječna temperatura na odabranim lokacijama za slučaj 1 i (b) Prosječna temperatura na odabranim lokacijama za slučaj 4.
Metal-hidridni reaktor na bazi Mg u ovoj studiji testiran je na osnovu eksperimentalnih rezultata Muthukumara et al.53.U svom istraživanju koristili su leguru Mg2Ni za skladištenje vodika u cijevima od nehrđajućeg čelika.Bakarna rebra se koriste za poboljšanje prijenosa topline unutar reaktora.Na sl.3a prikazuje usporedbu prosječne temperature sloja procesa apsorpcije između eksperimentalne studije i ove studije.Radni uslovi odabrani za ovaj eksperiment su: MG početna temperatura 573 K i ulazni pritisak 2 MPa.Od sl.3a može se jasno pokazati da se ovaj eksperimentalni rezultat dobro slaže sa sadašnjim s obzirom na prosječnu temperaturu sloja.
Verifikacija modela.(a) Verifikacija koda Mg2Ni metal-hidridnog reaktora upoređivanjem trenutne studije s eksperimentalnim radom Muthukumara et al.52, i (b) verifikacija modela turbulentnog strujanja spiralne cijevi upoređivanjem trenutne studije s onom Kumara et al. .Istraživanje.54.
Kako bi se testirao model turbulencije, rezultati ove studije su upoređeni s eksperimentalnim rezultatima Kumara i sur.54 kako bi se potvrdila ispravnost odabranog modela turbulencije.Kumar et al.54 proučavali su turbulentno strujanje u spiralnom izmjenjivaču topline cijev u cijevi.Voda se koristi kao topli i hladni fluid koji se ubrizgava sa suprotnih strana.Temperature tople i hladne tečnosti su 323 K i 300 K, respektivno.Reynoldsovi brojevi se kreću od 3100 do 5700 za vruće tečnosti i od 21 000 do 35 000 za hladne tečnosti.Brojevi dekana su 550-1000 za tople tečnosti i 3600-6000 za hladne tečnosti.Prečnici unutrašnje cevi (za toplu tečnost) i spoljne cevi (za hladnu tečnost) su 0,0254 m i 0,0508 m, respektivno.Prečnik i korak spiralne zavojnice su 0,762 m, odnosno 0,100 m.Na sl.3b prikazuje poređenje eksperimentalnih i trenutnih rezultata za različite parove Nusselt i Dean brojeva za rashladnu tekućinu u unutrašnjoj cijevi.Implementirana su tri različita modela turbulencije i upoređena s eksperimentalnim rezultatima.Kao što je prikazano na sl.3b, rezultati dostižnog k-ε modela turbulencije su u dobroj saglasnosti sa eksperimentalnim podacima.Stoga je ovaj model odabran u ovoj studiji.
Numeričke simulacije u ovoj studiji izvedene su pomoću ANSYS Fluent 2020 R2.Napišite korisnički definiranu funkciju (UDF) i koristite je kao ulazni član energetske jednačine za izračunavanje kinetike procesa apsorpcije.Krug PRESTO55 i metoda PISO56 koriste se za komunikaciju tlak-brzina i korekciju tlaka.Odaberite Greene-Gauss ćelijsku bazu za promjenjivi gradijent.Jednačine impulsa i energije rješavaju se metodom drugog reda uz vjetar.Što se tiče koeficijenata nedovoljne relaksacije, komponente pritiska, brzine i energije su postavljene na 0,5, 0,7 i 0,7, respektivno.Standardne zidne funkcije se primjenjuju na HTF u modelu turbulencije.
U ovom dijelu su prikazani rezultati numeričke simulacije poboljšanog unutrašnjeg prijenosa topline MH reaktora korištenjem izmjenjivača topline sa spiralnom spiralom (HCHE) i spiralnog izmjenjivača topline (SCHE) tokom apsorpcije vodonika.Analiziran je uticaj HTF smole na temperaturu sloja reaktora i trajanje apsorpcije.Glavni radni parametri procesa apsorpcije su proučavani i predstavljeni u dijelu analize osjetljivosti.
Kako bi se istražio utjecaj razmaka zavojnica na prijenos topline u MH reaktoru, istražene su tri konfiguracije izmjenjivača topline s različitim koracima.Tri različita nagiba od 15 mm, 12,86 mm i 10 mm su označene kao tijelo 1, tijelo 2 i tijelo 3.Treba napomenuti da je promjer cijevi fiksiran na 6 mm pri početnoj temperaturi od 573 K i pritisku opterećenja od 1,8 MPa u svim slučajevima.Na sl.4 prikazuje prosječnu temperaturu sloja i koncentraciju vodonika u MH sloju tokom procesa apsorpcije vodonika u slučajevima 1 do 3. Tipično, reakcija između metalnog hidrida i vodonika 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 dostigne maksimalnu vrijednost, a zatim se postepeno smanjuje kako toplinu odvodi rashladna tekućina, koja 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 zasniva na temperaturi sloja MH reaktora.Kada prosječna temperatura sloja padne na određenu temperaturu, metalna površina apsorbira vodonik.To je zbog ubrzanja procesa fiziorpcije, hemisorpcije, difuzije vodika i stvaranja njegovih hidrida u reaktoru.Od sl.4b vidi se da je brzina apsorpcije vodonika u slučaju 3 niža nego u ostalim slučajevima zbog manje vrijednosti koraka izmjenjivača topline namotaja.Ovo rezultira dužom ukupnom dužinom cijevi i većom površinom prijenosa topline za HTF cijevi.Sa prosječnom koncentracijom vodonika od 90%, vrijeme apsorpcije za slučaj 1 je 46.276 sekundi.U poređenju sa trajanjem apsorpcije u slučaju 1, trajanje apsorpcije u slučajevima 2 i 3 smanjeno je za 724 s, odnosno 1263 s.Dodatni dio predstavlja konture temperature i koncentracije vodika za odabrane lokacije u HCHE-MH sloju.
Utjecaj udaljenosti između zavojnica na prosječnu temperaturu sloja i koncentraciju vodonika.(a) Prosječna temperatura sloja za spiralne zavojnice, (b) koncentracija vodonika za spiralne zavojnice, (c) prosječna temperatura sloja za hemi-cilindrične zavojnice, i (d) koncentracija vodonika za hemi-cilindrične zavojnice.
Da bi se poboljšale karakteristike prijenosa topline MG reaktora, dizajnirana su dva HFC-a za konstantnu zapreminu MG (2000 cm3) i spiralni izmjenjivač topline (100 cm3) opcije 3. Ovaj dio također razmatra efekat udaljenosti između namotaji od 15 mm za slučaj 4, 12,86 mm za slučaj 5 i 10 mm za slučaj 6. Na sl.4c,d prikazuju prosječnu temperaturu sloja i koncentraciju procesa apsorpcije vodonika pri početnoj temperaturi od 573 K i pritisku opterećenja od 1,8 MPa.Prema prosječnoj temperaturi sloja na slici 4c, manji razmak između zavojnica u slučaju 6 značajno smanjuje temperaturu u odnosu na druga dva slučaja.Za slučaj 6, niža temperatura sloja rezultira višom koncentracijom vodonika (vidi sliku 4d).Vrijeme uzimanja vodonika za varijantu 4 je 19542 s, što je više od 2 puta manje nego za varijante 1-3 koje koriste HCH.Osim toga, u poređenju sa slučajem 4, vrijeme apsorpcije je također smanjeno za 378 s i 1515 s u slučajevima 5 i 6 sa manjim udaljenostima.Dodatni dio predstavlja konture temperature i koncentracije vodika za odabrane lokacije u sloju SCHE-MH.
Za proučavanje performansi dvije konfiguracije izmjenjivača topline, ovaj odjeljak prikazuje i prikazuje krivulje temperature na tri odabrane lokacije.MH reaktor sa HCHE iz slučaja 3 odabran je za poređenje sa MH reaktorom koji sadrži SCHE u slučaju 4 jer ima konstantan volumen MH i zapreminu cijevi.Radni uvjeti za ovo poređenje bili su početna temperatura od 573 K i pritisak opterećenja od 1,8 MPa.Na sl.Na slikama 5a i 5b prikazana su sva tri odabrana položaja temperaturnih profila u slučajevima 3 i 4, redom.Na sl.5c prikazuje profil temperature i koncentraciju sloja nakon 20.000 s uzimanja vodonika.Prema liniji 1 na slici 5c, temperatura oko TTF-a iz opcija 3 i 4 opada zbog konvektivnog prijenosa topline rashladnog sredstva.To rezultira višom koncentracijom vodonika oko ovog područja.Međutim, upotreba dva SCHE rezultira višom koncentracijom sloja.Brži kinetički odgovori su pronađeni u području HTF-a u slučaju 4. Osim toga, maksimalna koncentracija od 100% također je pronađena u ovoj regiji.Sa linije 2 koja se nalazi u sredini reaktora, temperatura slučaja 4 je znatno niža od temperature slučaja 3 na svim mjestima osim u centru reaktora.Ovo rezultira maksimalnom koncentracijom vodonika za slučaj 4, osim za područje blizu centra reaktora daleko od HTF-a.Međutim, koncentracija slučaja 3 nije se mnogo promijenila.Uočena je velika razlika u temperaturi i koncentraciji sloja u liniji 3 blizu ulaza u GTS.Temperatura sloja u slučaju 4 se značajno smanjila, što je rezultiralo najvećom koncentracijom vodika u ovom području, dok je linija koncentracije u slučaju 3 još uvijek fluktuirala.To je zbog ubrzanja prijenosa topline SCHE.Detalji i diskusija o poređenju prosječne temperature MH sloja i HTF cijevi između slučaja 3 i slučaja 4 dati su u dodatnom odjeljku.
Temperaturni profil i koncentracija sloja na odabranim lokacijama u metal-hidridnom reaktoru.(a) Odabrane lokacije za slučaj 3, (b) Odabrane lokacije za slučaj 4, i (c) Profil temperature i koncentracija sloja na odabranim lokacijama nakon 20.000 s za proces uzimanja vodonika u slučajevima 3 i 4.
Na sl.Slika 6 prikazuje poređenje prosječne temperature sloja (vidi sliku 6a) i koncentracije vodonika (vidi sliku 6b) za apsorpciju HCH i SHE.Iz ove slike se može vidjeti da temperatura MG sloja značajno opada zbog povećanja površine razmjene topline.Uklanjanje više topline iz reaktora rezultira većom stopom uzimanja vodonika.Iako dvije konfiguracije izmjenjivača topline imaju iste zapremine u poređenju sa korištenjem HCHE kao opcije 3, SCHE-ovo vrijeme upijanja vodonika na osnovu opcije 4 značajno je smanjeno za 59%.Za detaljniju analizu, koncentracije vodonika za dvije konfiguracije izmjenjivača topline prikazane su kao izolinije na slici 7. Ova slika pokazuje da u oba slučaja vodonik počinje da se apsorbira odozdo oko ulaza za HTF.Veće koncentracije su nađene u području HTF, dok su niže koncentracije uočene u centru MH reaktora zbog njegove udaljenosti od izmjenjivača topline.Nakon 10.000 s, koncentracija vodonika u slučaju 4 je značajno veća nego u slučaju 3. Nakon 20.000 sekundi, prosječna koncentracija vodonika u reaktoru je porasla na 90% u slučaju 4 u poređenju sa 50% vodonika u slučaju 3. To može biti zbog na veći efektivni kapacitet hlađenja kombinovanjem dva SCHE, što rezultira nižom temperaturom unutar MH sloja.Posljedično, ravnotežniji tlak pada unutar MG sloja, što dovodi do brže apsorpcije vodonika.
Slučaj 3 i Slučaj 4 Poređenje prosječne temperature sloja i koncentracije vodonika između dvije konfiguracije izmjenjivača topline.
Poređenje koncentracije vodika nakon 500, 2000, 5000, 10000 i 20000 s nakon početka procesa apsorpcije vodika u slučaju 3 i 4.
Tabela 5 sumira trajanje uzimanja vodonika za sve slučajeve.Osim toga, u tabeli je prikazano i vrijeme apsorpcije vodonika, izraženo u procentima.Ovaj procenat je izračunat na osnovu vremena apsorpcije slučaja 1. Iz ove tabele, 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 poređenju sa slučajem 1, vrijeme apsorpcije u slučaju 2 i 3 je smanjeno za samo 1,6% odnosno 2,7%.Kada se koristi SCHE umjesto HCHE, vrijeme apsorpcije je značajno smanjeno od slučaja 4 do slučaja 6, sa 58% na 61%.Jasno je da dodavanje SCHE u MH reaktor uvelike poboljšava proces apsorpcije vodonika i performanse MH reaktora.Iako ugradnja izmjenjivača topline unutar MH reaktora smanjuje kapacitet skladištenja, ova tehnologija pruža značajno poboljšanje u prijenosu topline u odnosu na druge tehnologije.Također, smanjenje vrijednosti visine tona će povećati volumen SCHE, što će rezultirati smanjenjem volumena MH.U slučaju 6 sa najvećom zapreminom SCHE, zapreminski kapacitet MH je smanjen samo za 5% u poređenju sa slučajem 1 sa najmanjom zapreminom HCHE.Osim toga, tokom apsorpcije, slučaj 6 pokazao je brže i bolje performanse sa 61% smanjenjem vremena apsorpcije.Stoga je slučaj 6 odabran za dalje istraživanje u analizi osjetljivosti.Treba napomenuti da je dugo vrijeme upijanja vodonika povezano sa spremnikom koji sadrži MH zapreminu od oko 2000 cm3.
Radni parametri tokom reakcije su važni faktori koji pozitivno ili negativno utiču na performanse MH reaktora u realnim uslovima.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 osnovu optimalne konfiguracije reaktora u slučaju 6. Rezultati za sve radne uvjete prikazani su u Slika 8.
Grafikon koncentracije vodonika u različitim radnim uvjetima pri korištenju izmjenjivača topline sa polucilindričnim namotajem.(a) pritisak opterećenja, (b) početna temperatura sloja, (c) Reynoldsov broj rashladne tečnosti i (d) ulazna temperatura rashladne tečnosti.
Na osnovu konstantne početne temperature od 573 K i brzine protoka rashladnog sredstva s Reynoldsovim brojem od 14.000, odabrana su četiri različita pritiska opterećenja: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa i 3,0 MPa.Na sl.8a prikazuje uticaj pritiska opterećenja i SCHE na koncentraciju vodonika tokom vremena.Vrijeme apsorpcije se smanjuje s povećanjem pritiska opterećenja.Upotreba primijenjenog tlaka vodonika od 1,2 MPa je najgori slučaj za proces apsorpcije vodonika, a trajanje apsorpcije prelazi 26.000 s da bi se postigla 90% apsorpcije vodonika.Međutim, veći pritisak opterećenja rezultirao je smanjenjem vremena apsorpcije za 32-42% sa 1,8 na 3,0 MPa.To je zbog većeg početnog pritiska vodonika, što rezultira većom razlikom između ravnotežnog pritiska i primijenjenog tlaka.Stoga, ovo stvara veliku pokretačku snagu za kinetiku uzimanja vodonika.U početnom trenutku, gasoviti vodonik se brzo apsorbuje zbog velike razlike između ravnotežnog pritiska i primenjenog pritiska57.Pri pritisku opterećenja od 3,0 MPa, 18% vodonika se brzo akumuliralo tokom prvih 10 sekundi.Vodonik je pohranjen u 90% reaktora u završnoj fazi 15460 s.Međutim, pri pritisku opterećenja od 1,2 do 1,8 MPa, vrijeme apsorpcije je značajno smanjeno za 32%.Drugi viši pritisci imali su manji učinak na poboljšanje vremena apsorpcije.Stoga se preporučuje da pritisak punjenja MH-SCHE reaktora bude 1,8 MPa.Dodatni dio prikazuje konture koncentracije vodika za različite pritiske opterećenja na 15500 s.
Odabir odgovarajuće početne temperature MH reaktora jedan je od glavnih faktora koji utiču na proces adsorpcije vodonika, jer utječe na pokretačku snagu reakcije stvaranja hidrida.Za proučavanje uticaja SCHE na početnu temperaturu MH reaktora, izabrane su četiri različite temperature pri konstantnom pritisku opterećenja od 1,8 MPa i Reynoldsovom broju od 14 000 HTF.Na sl.Slika 8b prikazuje poređenje različitih početnih temperatura, uključujući 473K, 523K, 573K i 623K.U stvari, kada je temperatura viša od 230°C ili 503K58, legura Mg2Ni ima efektivne karakteristike za proces apsorpcije vodonika.Međutim, u početnom trenutku ubrizgavanja vodonika, temperatura brzo raste.Posljedično, temperatura MG sloja će premašiti 523 K. Zbog toga je stvaranje hidrida olakšano zbog povećane brzine apsorpcije53.Od sl.Sa slike 8b se može vidjeti da se vodonik apsorbira brže kako se početna temperatura MB sloja smanjuje.Niži ravnotežni pritisci nastaju kada je početna temperatura niža.Što je veća razlika u pritisku između ravnotežnog pritiska i primenjenog pritiska, to je brži proces apsorpcije vodonika.Na početnoj temperaturi od 473 K, vodonik se brzo apsorbuje do 27% tokom prvih 18 sekundi.Osim toga, vrijeme apsorpcije je također smanjeno sa 11% na 24% na nižoj početnoj temperaturi u odnosu na početnu temperaturu od 623 K. Vrijeme apsorpcije na najnižoj početnoj temperaturi od 473 K je 15247 s, što je slično najboljem pritisak punjenja kućišta, međutim, smanjenje početne temperature reaktorske temperature dovodi do smanjenja kapaciteta skladištenja vodika.Početna temperatura MN reaktora mora biti najmanje 503 K53.Osim toga, na početnoj temperaturi od 573 K53, može se postići maksimalni kapacitet skladištenja vodonika od 3,6 tež.%.Što se tiče kapaciteta skladištenja vodonika 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 odnosu na pritisak opterećenja.Dodatni dio prikazuje konture koncentracije vodika za različite početne temperature na 15500 s.
Brzina protoka je jedan od glavnih parametara hidrogenacije i dehidrogenacije jer može uticati na turbulenciju i uklanjanje ili unos toplote tokom hidrogenacije i dehidrogenacije59.Visoke brzine protoka će stvoriti turbulentne faze i rezultirati bržim protokom tekućine kroz HTF cijev.Ova reakcija će rezultirati bržim prijenosom topline.Različite ulazne brzine za HTF se izračunavaju na osnovu Reynoldsovih brojeva od 10.000, 14.000, 18.000 i 22.000.Početna temperatura MG sloja bila je fiksirana na 573 K, a pritisak opterećenja na 1,8 MPa.Rezultati na sl.8c pokazuju da korištenje većeg Reynoldsovog broja u kombinaciji sa SCHE rezultira većom stopom usvajanja.Kako se Reynoldsov broj povećava sa 10.000 na 22.000, vrijeme apsorpcije se smanjuje za oko 28-50%.Vrijeme apsorpcije kod Reynoldsovog broja od 22.000 je 12.505 sekundi, što je manje nego pri različitim početnim temperaturama i pritiscima.Konture koncentracije vodika za različite Reynoldsove brojeve za GTP na 12500 s prikazane su u dodatnom odjeljku.
Uticaj SCHE na početnu temperaturu HTF je analiziran i prikazan na slici 8d.Pri početnoj MG temperaturi od 573 K i pritisku punjenja vodonika od 1,8 MPa, za ovu analizu su izabrane četiri početne temperature: 373 K, 473 K, 523 K i 573 K. 8d pokazuje da smanjenje temperature rashladnog sredstva na ulazu dovodi do smanjenja vremena apsorpcije.U poređenju sa osnovnim slučajem sa ulaznom temperaturom od 573 K, vreme apsorpcije je smanjeno za približno 20%, 44% i 56% za ulazne temperature od 523 K, 473 K i 373 K, respektivno.Na 6917 s, početna temperatura GTF-a je 373 K, koncentracija vodonika u reaktoru je 90%.Ovo se može objasniti poboljšanim konvektivnim prijenosom topline između MG sloja i HCS-a.Niže HTF temperature će povećati rasipanje topline i rezultirati povećanim unosom vodonika.Među svim radnim parametrima, poboljšanje performansi MH-SCHE reaktora povećanjem ulazne temperature HTF-a bila je najpogodnija metoda, budući da je krajnje vrijeme procesa apsorpcije bilo manje od 7000 s, dok je najkraće vrijeme apsorpcije kod ostalih 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 izmjenjivač topline integriran u jedinicu za pohranu metal-hidrida.Ispitivana je sposobnost predloženog sistema da apsorbuje vodonik sa različitim konfiguracijama izmenjivača toplote.Istražen je utjecaj parametara rada na izmjenu topline između sloja metal-hidrida i rashladne tekućine kako bi se pronašli optimalni uvjeti za skladištenje metalnih hidrida pomoću novog izmjenjivača topline.Glavni nalazi ove studije sumirani su na sljedeći način:
Sa polucilindričnim izmjenjivačem topline, učinak prijenosa topline je poboljšan jer ima ravnomjerniju distribuciju topline u reaktoru sloja magnezija, što rezultira boljom brzinom apsorpcije vodonika.Pod uslovom da volumen cijevi za izmjenu topline i metalnog hidrida ostane nepromijenjen, vrijeme reakcije apsorpcije je značajno smanjeno za 59% u poređenju sa konvencionalnim izmjenjivačem topline sa namotanim spiralom.
Vrijeme objave: Jan-15-2023