Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Olyan böngészőverziót használ, amely korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Ezenkívül a folyamatos támogatás érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Egyszerre három diából álló körhinta jeleníti meg.Az Előző és a Következő gombokkal egyszerre három dián lépkedhet, vagy a végén lévő csúszkagombokkal egyszerre három dián.
A fém-hidrideket (MH) a hidrogéntárolás egyik legalkalmasabb anyagcsoportjaként ismerik el nagy hidrogéntároló kapacitásuk, alacsony üzemi nyomásuk és nagy biztonságuk miatt.A lassú hidrogénfelvételi kinetikájuk azonban nagymértékben csökkenti a tárolási teljesítményt.A gyorsabb hőelvonás az MH-tárolóból fontos szerepet játszhat a hidrogénfelvételi sebesség növelésében, ami javítja a tárolási teljesítményt.Ebben a tekintetben jelen tanulmány célja a hőátadási jellemzők javítása volt annak érdekében, hogy pozitívan befolyásolja az MH tárolórendszer hidrogénfelvételi sebességét.Az új félhengeres tekercset először a hidrogén tárolására fejlesztették ki és optimalizálták, és belső levegő-hőcserélőként (HTF) építették be.A különböző osztásméretek alapján elemzik az új hőcserélő konfiguráció hatását, és összehasonlítják a hagyományos spirális tekercs geometriával.Ezen túlmenően az MG és a GTP tárolásának működési paramétereit numerikusan vizsgáltuk, hogy optimális értékeket kapjunk.A numerikus szimulációhoz az ANSYS Fluent 2020 R2-t használják.A tanulmány eredményei azt mutatják, hogy egy MH tároló tartály teljesítménye jelentősen javítható félhengeres hőcserélő (SCHE) használatával.A hagyományos spirál tekercses hőcserélőkhöz képest a hidrogénfelvétel időtartama 59%-kal csökken.Az SCHE tekercsek közötti legkisebb távolság 61%-kal csökkentette az abszorpciós időt.Ami az SHE-t használó MG-tároló üzemi paramétereit illeti, az összes kiválasztott paraméter jelentős javulást eredményez a hidrogén abszorpciós folyamatában, különösen a HTS bemeneti hőmérsékletén.
Globális átállás zajlik a fosszilis tüzelőanyagokon alapuló energiáról a megújuló energiára.Mivel a megújuló energia számos formája dinamikusan szolgáltat áramot, a terhelés kiegyenlítéséhez energiatárolásra van szükség.A hidrogén alapú energiatárolás nagy figyelmet keltett erre a célra, különösen azért, mert a hidrogén tulajdonságai és hordozhatósága miatt „zöld” alternatív üzemanyagként és energiahordozóként is használható.Ezenkívül a hidrogén egységnyi tömegre vetített energiatartalma is magasabb, mint a fosszilis tüzelőanyagok2.A hidrogénenergia tárolásának négy fő típusa van: sűrített gáztároló, földalatti tároló, folyadéktároló és szilárdanyagtároló.A sűrített hidrogén a fő típus, amelyet üzemanyagcellás járművekben, például buszokban és targoncákban használnak.Ez a tároló azonban alacsony térfogatsűrűséget biztosít a hidrogénnek (körülbelül 0,089 kg/m3), és a magas üzemi nyomáshoz kapcsolódó biztonsági problémák is vannak3.Alacsony környezeti hőmérsékleten és nyomáson végrehajtott átalakítási folyamat alapján a folyadéktároló a hidrogént folyékony formában tárolja.Cseppfolyósításkor azonban az energia körülbelül 40%-a elvész.Ezenkívül ez a technológia köztudottan energia- és munkaigényesebb a szilárdtestalapú tárolási technológiákhoz képest4.A szilárd anyagok tárolása egy életképes lehetőség a hidrogéngazdaság számára, amely úgy tárolja a hidrogént, hogy abszorpción keresztül hidrogént épít be szilárd anyagokba, és deszorpcióval hidrogént szabadít fel.A fém-hidrid (MH), egy szilárd anyagok tárolási technológiája, amely nagy hidrogénkapacitása, alacsony üzemi nyomása és a folyadéktároláshoz képest alacsony költsége miatt a közelmúltban az üzemanyagcellás alkalmazások iránti érdeklődésre tart számot, és alkalmas helyhez kötött és mobil alkalmazásokhoz6,7 In Ezenkívül az MH anyagok olyan biztonsági tulajdonságokat is biztosítanak, mint például a nagy kapacitású hatékony tárolás8.Van azonban egy probléma, amely korlátozza az MG termelékenységét: az MG reaktor alacsony hővezető képessége a hidrogén lassú abszorpciójához és deszorpciójához vezet.
Az exoterm és endoterm reakciók során a megfelelő hőátadás a kulcs az MH reaktorok teljesítményének javításához.A hidrogén töltési folyamathoz a keletkező hőt el kell távolítani a reaktorból, hogy a hidrogén töltési áramlását a kívánt sebességgel, maximális tárolókapacitás mellett szabályozzuk.Ehelyett hőre van szükség a hidrogénfejlődés sebességének növeléséhez a kisülés során.A hő- és tömegátadási teljesítmény javítása érdekében sok kutató tanulmányozta a tervezést és az optimalizálást több tényező alapján, mint például a működési paraméterek, az MG szerkezet és az MG11 optimalizálása.Az MG optimalizálása úgy végezhető el, hogy nagy hővezető képességű anyagokat, például fémhabot adnak a 12, 13 MG rétegekhez.Így az effektív hővezető képesség 0,1-ről 2 W/mK10-re növelhető.A szilárd anyagok hozzáadása azonban jelentősen csökkenti az MN reaktor teljesítményét.Az üzemi paraméterek tekintetében az MG réteg és a hűtőfolyadék (HTF) kezdeti működési feltételeinek optimalizálásával lehet fejlesztéseket elérni.Az MG szerkezete a reaktor geometriája és a hőcserélő kialakítása miatt optimalizálható.Az MH reaktor hőcserélő konfigurációját tekintve a módszerek két típusra oszthatók.Ezek az MO rétegbe épített belső hőcserélők és az MO réteget lefedő külső hőcserélők, például bordák, hűtőköpenyek és vízfürdők.A külső hőcserélő kapcsán a Kaplan16 az MH reaktor működését elemezte, hűtővíz köpenyként a reaktoron belüli hőmérséklet csökkentésére.Az eredményeket egy 22 körbordású reaktorral és egy másik természetes konvekcióval hűtött reaktorral hasonlították össze.Azt állítják, hogy a hűtőköpeny jelenléte jelentősen csökkenti az MH hőmérsékletét, ezáltal növeli az abszorpciós sebességet.A vízköpenyes MH reaktor Patil és Gopal által végzett numerikus vizsgálatai17 kimutatták, hogy a hidrogénellátási nyomás és a HTF hőmérséklet kulcsfontosságú paraméterek, amelyek befolyásolják a hidrogénfelvétel és a deszorpció sebességét.
A hőátadó terület növelése az MH-ba épített bordák és hőcserélők hozzáadásával a kulcsa az MH18 hő- és tömegátadási teljesítményének, és ezáltal tárolási teljesítményének javításához.Számos belső hőcserélő konfigurációt (egyenes cső és spirál tekercs) terveztek a hűtőközeg keringtetésére az MH19,20,21,22,23,24,25,26 reaktorban.Egy belső hőcserélő segítségével a hűtő- vagy fűtőfolyadék helyi hőt ad át az MH reaktoron belül a hidrogén adszorpciós folyamata során.Raju és Kumar [27] több egyenes csövet használt hőcserélőként az MG teljesítményének javítására.Eredményeik azt mutatták, hogy az abszorpciós idők csökkentek, ha egyenes csöveket használtak hőcserélőként.Ezenkívül az egyenes csövek használata lerövidíti a hidrogén deszorpciós idejét28.A hűtőfolyadék nagyobb áramlási sebessége növeli a hidrogén feltöltésének és kiürítésének sebességét29.A hűtőcsövek számának növelése azonban inkább az MH teljesítményére van pozitív hatással, mint a hűtőfolyadék áramlási sebességére30,31.Raju és munkatársai 32 LaMi4.7Al0.3-at használtak MH anyagként a reaktorok többcsöves hőcserélőinek teljesítményének tanulmányozására.Beszámoltak arról, hogy az üzemi paraméterek jelentős hatással voltak az abszorpciós folyamatra, különösen a betáplálási nyomásra, majd a HTF áramlási sebességére.Az abszorpciós hőmérséklet azonban kevésbé kritikusnak bizonyult.
Az MH reaktor teljesítményét tovább javítja a spirális tekercses hőcserélő alkalmazása, köszönhetően az egyenes csövekhez képest jobb hőátadásnak.Ennek az az oka, hogy a másodlagos ciklus jobban el tudja távolítani a hőt a reaktorból25.Ezenkívül a spirálcsövek nagy felületet biztosítanak a hőátvitelhez az MH rétegből a hűtőközegbe.Ha ezt a módszert bevezetjük a reaktorba, a hőcserélő csövek eloszlása is egyenletesebb33.Wang és mtsai.34 tanulmányozta a hidrogénfelvétel időtartamának hatását egy spirális tekercs hozzáadásával egy MH reaktorhoz.Eredményeik azt mutatják, hogy a hűtőfolyadék hőátbocsátási tényezőjének növekedésével az abszorpciós idő csökken.Wu és mtsai.25 Mg2Ni alapú MH reaktorok és tekercses hőcserélők teljesítményét vizsgáltam.Numerikus vizsgálataik a reakcióidő csökkenését mutatták ki.Az MN reaktor hőátadási mechanizmusának fejlesztése a csavarmenet- és csavaremelkedési arány kisebb arányán és a méret nélküli csavaremelkedésen alapul.Mellouli és munkatársai21 kísérleti tanulmánya, amelyben belső hőcserélőként tekercses tekercset alkalmaztak, kimutatta, hogy a HTF indulási hőmérséklete jelentős hatással van a hidrogénfelvétel és a deszorpciós idő javulására.Különböző belső hőcserélők kombinációit számos tanulmányban végezték el.Eisapur et al.35 tanulmányozta a hidrogén tárolását spirális tekercses hőcserélő segítségével, központi visszatérő csővel a hidrogén abszorpciós folyamatának javítása érdekében.Eredményeik azt mutatták, hogy a spirálcső és a központi visszatérő cső jelentősen javítja a hűtőfolyadék és az MG közötti hőátadást.A spirálcső kisebb menetemelkedése és nagyobb átmérője növeli a hő- és tömegátadás sebességét.Ardahaie et al.36 lapos spirálcsöveket használt hőcserélőként a reaktoron belüli hőátadás javítására.Beszámoltak arról, hogy az abszorpciós időtartamot csökkentették a lapított spirálcsősíkok számának növelésével.Különböző belső hőcserélők kombinációit számos tanulmányban végezték el.Dhau et al.37 javította az MH teljesítményét egy tekercses hőcserélő és bordák segítségével.Eredményeik azt mutatják, hogy ez a módszer 2-szeresére csökkenti a hidrogén töltési idejét a bordák nélküli esethez képest.A gyűrű alakú bordákat hűtőcsövekkel kombinálják, és beépítik az MN reaktorba.A tanulmány eredményei azt mutatják, hogy ez a kombinált módszer egyenletesebb hőátadást biztosít, mint a bordák nélküli MH reaktor.A különböző hőcserélők kombinálása azonban negatívan befolyásolja az MH reaktor tömegét és térfogatát.Wu et al.18 különböző hőcserélő konfigurációkat hasonlított össze.Ide tartoznak az egyenes csövek, bordák és spiráltekercsek.A szerzők arról számolnak be, hogy a spiráltekercsek biztosítják a legjobb javulást a hő- és tömegátadásban.Ezenkívül az egyenes csövekkel, a tekercses csövekkel és a tekercses csövekkel kombinált egyenes csövekkel összehasonlítva a kettős tekercsek jobb hatással vannak a hőátadás javítására.Sekhar et al.A 40. ábra azt mutatta, hogy a hidrogénfelvételben hasonló javulást értek el belső hőcserélőként spirális tekercs és bordázott külső hűtőköpeny használatával.
A fent említett példák közül a spirális tekercsek belső hőcserélőként való alkalmazása jobb hő- és tömegátadási javulást biztosít, mint más hőcserélők, különösen az egyenes csövek és bordák.Ezért ennek a tanulmánynak a célja a spirális tekercs továbbfejlesztése volt a hőátadási teljesítmény javítása érdekében.Első alkalommal fejlesztettek ki új félhengeres tekercset a hagyományos MH tároló spirális tekercs alapján.Ez a tanulmány várhatóan javítja a hidrogéntárolási teljesítményt azáltal, hogy egy új hőcserélő-konstrukciót vesz figyelembe, jobb hőátadási zónaelrendezéssel, amelyet állandó térfogatú MH ágy és HTF csövek biztosítanak.Ennek az új hőcserélőnek a tárolási teljesítményét ezután összehasonlították a hagyományos spirális tekercses hőcserélőkkel, amelyek különböző tekercsemelkedéseken alapulnak.A rendelkezésre álló szakirodalom szerint az üzemi feltételek és a tekercsek távolsága a fő tényezők, amelyek befolyásolják az MH reaktorok teljesítményét.Ennek az új hőcserélőnek a kialakításának optimalizálása érdekében megvizsgáltuk a tekercstávolság hatását a hidrogénfelvételi időre és az MH térfogatra.Ezen túlmenően, az új félhengeres tekercsek és az üzemi feltételek közötti kapcsolat megértése érdekében a tanulmány másodlagos célja a reaktor jellemzőinek tanulmányozása volt a különböző üzemi paraméter-tartományok szerint, és meghatározni a megfelelő értékeket az egyes működési módokhoz. mód.paraméter.
Ebben a tanulmányban a hidrogénenergia-tároló berendezés teljesítményét két hőcserélő-konfiguráció (beleértve a spirálcsöveket az 1-3. esetben és a félhengeres csöveket a 4-6. esetben) és a működési paraméterek érzékenységi elemzése alapján vizsgáltam.Az MH reaktor működőképességét először spirálcsővel, mint hőcserélővel teszteltük.Mind a hűtőfolyadék-olajcső, mind az MH reaktortartály rozsdamentes acélból készül.Megjegyzendő, hogy az MG reaktor méretei és a GTF csövek átmérője minden esetben állandó volt, míg a GTF lépésméretei változtak.Ez a rész a HTF tekercsek osztástávolságának hatását elemzi.A reaktor magassága 110 mm, külső átmérője 156 mm volt.A hővezető olajcső átmérője 6 mm-re van beállítva.A spirálcsövekkel és két félhengeres csővel ellátott MH reaktor kapcsolási rajzának részleteiért lásd a Kiegészítő részt.
ábrán.Az 1a. ábra az MH spirálcsöves reaktort és annak méreteit mutatja.Az összes geometriai paramétert a táblázat tartalmazza.1. A hélix teljes térfogata körülbelül 100 cm3, a ZG térfogata pedig 2000 cm3.Ebből az MH reaktorból a porózus MH reaktorba alulról egy spirálcsövön keresztül HTF formájában levegőt vezettek be, és a reaktor felső felületéről vezették be a hidrogént.
Fémhidrid reaktorok kiválasztott geometriáinak jellemzése.a) spirálcsöves hőcserélővel, b) félhengeres cső alakú hőcserélővel.
A második rész a félhengeres csőre épülő MH reaktor működését vizsgálja hőcserélőként.ábrán.Az 1b. ábra az MN reaktort mutatja két félhengeres csővel és azok méreteit.Az 1. táblázat felsorolja a félhengeres csövek összes geometriai paraméterét, amelyek állandóak maradnak, kivéve a köztük lévő távolságot.Meg kell jegyezni, hogy a 4. eset félhengeres csövét állandó térfogatú HTF-csővel és MH-ötvözettel tervezték a tekercselt csőben (3. lehetőség).Ami az ábrát illeti.Az 1b. ábrán a két félhengeres HTF cső aljáról levegőt, az MH reaktor ellenkező irányából pedig hidrogént vezettek be.
A hőcserélő új kialakítása miatt ennek a fejezetnek az a célja, hogy meghatározzuk a megfelelő kezdeti értékeket az MH reaktor üzemi paramétereihez a SCHE-vel kombinálva.Minden esetben levegőt használtak hűtőközegként a reaktor hő eltávolítására.A hőhordozó olajok közül alacsony költségük és csekély környezetterhelésük miatt általában a levegőt és a vizet választják hőhordozó olajként MH reaktorokhoz.A magnézium alapú ötvözetek magas üzemi hőmérséklet-tartománya miatt a levegőt választottuk hűtőközegként ebben a vizsgálatban.Ezenkívül jobb folyási jellemzőkkel rendelkezik, mint más folyékony fémek és olvadt sók41.A 2. táblázat felsorolja a levegő tulajdonságait 573 K hőmérsékleten. Az ebben a szakaszban szereplő érzékenységelemzéshez csak az MH-SCHE teljesítményopciók legjobb konfigurációit alkalmazzuk (a 4–6. esetekben).Az ebben a szakaszban szereplő becslések különböző működési paramétereken alapulnak, beleértve az MH reaktor kezdeti hőmérsékletét, a hidrogén terhelési nyomását, a HTF bemeneti hőmérsékletét és a HTF sebesség változtatásával számított Reynolds-számot.A 3. táblázat tartalmazza az érzékenységi elemzéshez használt összes működési paramétert.
Ez a rész leírja a hűtőfolyadékok hidrogénabszorpciójának, turbulenciájának és hőátadásának folyamatához szükséges összes szabályozási egyenletet.
A hidrogénfelvételi reakció megoldásának egyszerűsítése érdekében a következő feltételezéseket tesszük és adjuk meg;
Az abszorpció során a hidrogén és a fém-hidridek termofizikai tulajdonságai állandóak.
A hidrogént ideális gáznak tekintik, ezért figyelembe veszik a helyi termikus egyensúlyi viszonyokat43,44.
ahol \({L}_{gas}\) a tartály sugara, és \({L}_{heat}\) a tartály tengelyirányú magassága.Ha N kisebb, mint 0,0146, a tartályban lévő hidrogénáramlás jelentős hiba nélkül figyelmen kívül hagyható a szimulációban.A jelenlegi kutatások szerint az N jóval alacsonyabb, mint 0,1.Ezért a nyomásgradiens hatás elhanyagolható.
A reaktor falai minden esetben jól szigeteltek.Ezért nincs 47 hőcsere a reaktor és a környezet között.
Köztudott, hogy a Mg-alapú ötvözetek jó hidrogénezési jellemzőkkel és nagy hidrogéntároló kapacitással rendelkeznek, akár 7,6 tömeg%8-ig.A szilárd halmazállapotú hidrogéntároló alkalmazások szempontjából ezek az ötvözetek könnyű anyagokként is ismertek.Ezen kívül kiváló hőállósággal és jó feldolgozhatósággal rendelkeznek8.Számos Mg alapú ötvözet közül a Mg2Ni alapú MgNi ötvözet az egyik legmegfelelőbb lehetőség az MH tárolására akár 6 tömeg%-os hidrogéntároló kapacitása miatt.A Mg2Ni ötvözetek gyorsabb adszorpciós és deszorpciós kinetikát is biztosítanak az MgH48 ötvözethez képest.Ezért ebben a vizsgálatban a Mg2Ni-t választották fém-hidrid anyagnak.
Az energiaegyenletet 25-tel fejezzük ki a hidrogén és a Mg2Ni-hidrid közötti hőegyensúly alapján:
X a fémfelületen elnyelt hidrogén mennyisége, mértékegysége \(súly\%\), a \(\frac{dX}{dt}\) kinetikai egyenletből számítva az abszorpció során a következőképpen49:
ahol \({C}_{a}\) a reakciósebesség és \({E}_{a}\) az aktiválási energia.\({P}_{a,eq}\) az egyensúlyi nyomás a fém-hidrid reaktorban az abszorpciós folyamat során, amelyet a van't Hoff-egyenlet ad meg a következőképpen25:
Ahol \({P}_{ref}\) a 0,1 MPa referencianyomás.\(\Delta H\) és \(\Delta S\) a reakció entalpiája, illetve entrópiája.Az Mg2Ni és a hidrogén ötvözetek tulajdonságait a táblázat tartalmazza.4. A megnevezett lista a kiegészítő részben található.
A folyadék áramlását turbulensnek tekintik, mert sebessége és Reynolds-száma (Re) 78,75 ms-1, illetve 14000.Ebben a vizsgálatban egy elérhető k-ε turbulencia modellt választottunk.Megjegyzendő, hogy ez a módszer nagyobb pontosságot biztosít a többi k-ε módszerhez képest, és kevesebb számítási időt igényel, mint az RNG k-ε50,51 módszerek.A hőátadó folyadékokra vonatkozó alapvető egyenletek részleteiért lásd a Kiegészítő részt.
Kezdetben az MN reaktorban a hőmérséklet egyenletes volt, és az átlagos hidrogénkoncentráció 0,043 volt.Feltételezhető, hogy az MH reaktor külső határa jól szigetelt.A magnézium alapú ötvözetek általában magas reakcióhőmérsékletet igényelnek a hidrogén reaktorban való tárolásához és felszabadításához.A Mg2Ni ötvözet 523–603 K hőmérsékleti tartományt igényel a maximális abszorpcióhoz, és 573–603 K hőmérséklet-tartományt a teljes deszorpcióhoz52.Azonban Muthukumar és munkatársai53 kísérleti tanulmányai kimutatták, hogy a hidrogén tárolására szolgáló Mg2Ni maximális tárolási kapacitása 573 K üzemi hőmérsékleten érhető el, ami megfelel az elméleti kapacitásának.Ezért ebben a vizsgálatban az 573 K hőmérsékletet választottuk az MN reaktor kezdeti hőmérsékletének.
Hozzon létre különböző méretű rácsokat az érvényesítés és a megbízható eredmények érdekében.ábrán.A 2. ábra az átlagos hőmérsékletet mutatja a hidrogénabszorpciós folyamat kiválasztott helyein négy különböző elemből.Érdemes megjegyezni, hogy minden konfigurációból csak egy eset van kiválasztva a rácsfüggetlenség tesztelésére a hasonló geometria miatt.Ugyanezt a hálózási módszert alkalmazzák más esetekben is.Ezért válassza az 1-es opciót a spirálcsőhöz és a 4-es lehetőséget a félhengeres csőhöz.ábrán.A 2a, b ábrák a reaktor átlagos hőmérsékletét mutatják az 1. és 4. lehetőség esetén.A három kiválasztott hely a reaktor tetején, közepén és alján található ágyhőmérséklet-kontúrokat ábrázolja.A kiválasztott helyeken a hőmérsékleti kontúrok alapján az átlaghőmérséklet stabilizálódik, és kis változást mutat a 428 891 és 430 599 elemszámokban az 1. és 4. esetben.Ezért ezeket a rácsméreteket választottuk a további számítási számításokhoz.A hidrogénabszorpciós folyamat átlagos ágyhőmérsékletéről a különböző cellaméretek és az egymást követően finomított hálók esetében mindkét esetben a kiegészítő részben található részletes információ.
Átlagos ágyhőmérséklet a hidrogénabszorpciós folyamat kiválasztott pontjain különböző rácsszámú fémhidrid-reaktorban.(a) Átlaghőmérséklet a kiválasztott helyeken az 1. esetnél és (b) Átlaghőmérséklet a kiválasztott helyeken a 4. esetnél.
Ebben a tanulmányban a Mg alapú fémhidrid reaktort Muthukumar et al.53 kísérleti eredményei alapján teszteltük.Vizsgálatuk során Mg2Ni ötvözetet használtak a hidrogén tárolására rozsdamentes acélcsövekben.A rézbordákat a reaktoron belüli hőátadás javítására használják.ábrán.A 3a. ábra az abszorpciós folyamatágy átlagos hőmérsékletének összehasonlítását mutatja a kísérleti vizsgálat és a jelen vizsgálat között.A kísérlethez választott üzemi feltételek a következők: MG kezdeti hőmérséklet 573 K és bemeneti nyomás 2 MPa.ábrából.A 3a. ábrán jól látható, hogy ez a kísérleti eredmény az átlagos réteghőmérséklet tekintetében jó egyezést mutat a jelenlegivel.
Modellellenőrzés.(a) A Mg2Ni fémhidrid reaktor kódellenőrzése a jelenlegi tanulmány összehasonlításával Muthukumar et al.52 kísérleti munkájával, és (b) a spirálcső turbulens áramlási modelljének ellenőrzése a jelenlegi tanulmány összehasonlításával Kumar és munkatársaival. .Kutatás.54.
A turbulencia modell teszteléséhez ennek a tanulmánynak az eredményeit összehasonlítottuk Kumar és munkatársai54 kísérleti eredményeivel, hogy megerősítsük a választott turbulencia modell helyességét.Kumar és munkatársai54 turbulens áramlást tanulmányoztak cső-a csőben spirális hőcserélőben.A vizet hideg és meleg folyadékként használják, amelyet ellentétes oldalról fecskendeznek be.A meleg és hideg folyadék hőmérséklete 323 K, illetve 300 K.A Reynolds-számok 3100-tól 5700-ig terjednek forró folyadékok esetén, és 21 000 és 35 000 között hideg folyadékok esetén.A dékánszámok 550-1000 a forró folyadékok és 3600-6000 a hideg folyadékok esetében.A belső cső (forró folyadékhoz) és a külső cső (hideg folyadékhoz) átmérője 0,0254 m, illetve 0,0508 m.A spirális tekercs átmérője 0,762 m, illetve 0,100 m osztásköze.ábrán.A 3b. ábra a belső csőben lévő hűtőfolyadékra vonatkozó Nusselt és Dean számok különböző párjaira vonatkozó kísérleti és jelenlegi eredmények összehasonlítását mutatja.Három különböző turbulenciamodellt valósítottam meg, és hasonlították össze a kísérleti eredményekkel.ábrán látható módon.A 3b. ábrán látható, hogy az elérhető k-ε turbulencia modell eredményei jó összhangban vannak a kísérleti adatokkal.Ezért ebben a tanulmányban ezt a modellt választottuk.
Ebben a tanulmányban a numerikus szimulációkat az ANSYS Fluent 2020 R2 segítségével végeztük.Írjon egy felhasználó által meghatározott függvényt (UDF), és használja azt az energiaegyenlet bemeneti tagjaként az abszorpciós folyamat kinetikájának kiszámításához.A PRESTO55 áramkör és a PISO56 módszer nyomás-sebesség kommunikációra és nyomáskorrekcióra szolgál.Válasszon ki egy Greene-Gauss cellaalapot a változó gradienshez.Az impulzus- és energiaegyenleteket a másodrendű ellenszél módszerrel oldjuk meg.Ami az alul-relaxációs együtthatókat illeti, a nyomás-, sebesség- és energiakomponensek 0,5, 0,7 és 0,7 értékre vannak állítva.A turbulencia modellben a HTF-re a standard falfunkciókat alkalmazzuk.
Ez a rész egy MH reaktor javított belső hőátadásának numerikus szimulációinak eredményeit mutatja be tekercses hőcserélő (HCHE) és spirális tekercs hőcserélő (SCHE) segítségével a hidrogén abszorpciója során.Elemeztük a HTF szurok hatását a reaktorágy hőmérsékletére és az abszorpció időtartamára.Az abszorpciós folyamat fő működési paramétereit az érzékenységelemzés részben tanulmányozzuk és mutatjuk be.
A tekercstávolságnak a hőátadásra gyakorolt hatásának vizsgálatára egy MH reaktorban három, különböző menetemelkedésű hőcserélő konfigurációt vizsgáltunk.A három különböző, 15 mm-es, 12,86 mm-es és 10 mm-es osztásközt test 1-nek, 2-es testnek és 3-as testnek jelölik.Megjegyzendő, hogy a csőátmérőt minden esetben 6 mm-re rögzítették 573 K kezdeti hőmérsékleten és 1,8 MPa terhelési nyomáson.ábrán.A 4. ábra az átlagos ágyhőmérsékletet és a hidrogénkoncentrációt mutatja az MH-rétegben a hidrogénabszorpciós folyamat során az 1-3. esetekben. A fém-hidrid és a hidrogén közötti reakció jellemzően exoterm az abszorpciós folyamathoz képest.Ezért az ágy hőmérséklete gyorsan megemelkedik annak a kezdeti pillanatnak köszönhetően, amikor a hidrogént először vezetik be a reaktorba.Az ágyhőmérséklet addig növekszik, amíg el nem éri a maximális értéket, majd fokozatosan csökken, ahogy az alacsonyabb hőmérsékletű és hűtőközegként működő hűtőfolyadék hőt visz el.ábrán látható módon.A 4a. ábrán az előző magyarázatnak köszönhetően a réteg hőmérséklete gyorsan növekszik és folyamatosan csökken.Az abszorpciós folyamat hidrogénkoncentrációja általában az MH reaktor ágyhőmérsékletén alapul.Amikor az átlagos réteghőmérséklet egy bizonyos hőmérsékletre csökken, a fémfelület elnyeli a hidrogént.Ennek oka a fiziszorpciós, kemiszorpciós, a hidrogén diffúziós folyamatainak felgyorsulása és a hidrogén hidridjei képződése a reaktorban.ábrából.A 4b. ábrán látható, hogy a hidrogénabszorpció sebessége a 3. esetben kisebb, mint más esetekben a tekercses hőcserélő kisebb lépésértéke miatt.Ez hosszabb teljes csőhosszt és nagyobb hőátadási területet eredményez a HTF csövek esetében.90%-os átlagos hidrogénkoncentráció mellett az 1. eset abszorpciós ideje 46 276 másodperc.Az 1. esetben a felszívódás időtartamához képest a 2. és 3. esetben a felszívódás időtartama 724 másodperccel, illetve 1263 másodperccel csökkent.A kiegészítő rész a HCHE-MH réteg kiválasztott helyeinek hőmérsékleti és hidrogénkoncentráció-kontúrjait mutatja be.
A tekercsek közötti távolság befolyása az átlagos réteghőmérsékletre és a hidrogénkoncentrációra.(a) Átlagos ágyhőmérséklet spirális tekercseknél, (b) hidrogénkoncentráció spirális tekercseknél, (c) átlagos ágyhőmérséklet félhengeres tekercseknél és (d) hidrogénkoncentráció félhengeres tekercseknél.
Az MG reaktor hőátadási jellemzőinek javítása érdekében két HFC-t terveztek az MG állandó térfogatára (2000 cm3) és egy spirális hőcserélőt (100 cm3) a 3. lehetőség szerint. Ez a szakasz figyelembe veszi a reaktorok közötti távolság hatását is. 15 mm-es tekercsek a 4-es, 12,86 mm-es az 5-ös tokhoz és 10 mm-es tekercsek a 6-os tokhoz.A 4c, d ábra a hidrogénabszorpciós folyamat átlagos ágyhőmérsékletét és koncentrációját mutatja 573 K kezdeti hőmérsékleten és 1,8 MPa terhelési nyomáson.A 4c. ábrán látható átlagos réteghőmérséklet szerint a tekercsek közötti kisebb távolság a 6. esetben jelentősen csökkenti a hőmérsékletet a másik két esethez képest.A 6. esetben az alacsonyabb ágyhőmérséklet magasabb hidrogénkoncentrációt eredményez (lásd a 4d. ábrát).A 4. változat hidrogénfelvételi ideje 19542 s, ami több mint 2-szer alacsonyabb, mint a HCH-t használó 1-3.Ezenkívül a 4. esethez képest az abszorpciós idő is csökkent 378 másodperccel, illetve 1515 másodperccel az 5. és 6. esetben kisebb távolságokkal.A kiegészítő rész a SCHE-MH réteg kiválasztott helyeinek hőmérsékleti és hidrogénkoncentrációs kontúrjait mutatja be.
Két hőcserélő-konfiguráció teljesítményének tanulmányozásához ez a szakasz három kiválasztott helyen hőmérsékleti görbéket ábrázol és mutat be.A 3. esetből származó HCHE-t tartalmazó MH reaktort a 4. eset SCHE-t tartalmazó MH reaktorával való összehasonlításra választottuk, mivel állandó MH térfogatú és csőtérfogatú.Az összehasonlítás működési feltételei 573 K kezdeti hőmérséklet és 1,8 MPa terhelési nyomás voltak.ábrán.Az 5a. és 5b. ábra a hőmérsékleti profilok mindhárom kiválasztott pozícióját mutatja a 3. és 4. esetben.ábrán.Az 5c. ábra a hőmérsékleti profilt és a rétegkoncentrációt mutatja 20 000 másodperces hidrogénfelvétel után.Az 5c. ábra 1. sora szerint a 3. és 4. lehetőség TTF körüli hőmérséklete csökken a hűtőfolyadék konvektív hőátadása miatt.Ez magasabb hidrogénkoncentrációt eredményez ezen a területen.Két SCHE használata azonban magasabb rétegkoncentrációt eredményez.A 4. esetben a HTF régió környékén gyorsabb kinetikai válaszokat találtunk. Ezen kívül ebben a régióban is 100%-os maximális koncentrációt találtunk.A reaktor közepén elhelyezett 2. vezetékből a 4. ház hőmérséklete a reaktor közepén kívül mindenhol lényegesen alacsonyabb, mint a 3. ház hőmérséklete.Ez a 4. esetben a maximális hidrogénkoncentrációt eredményezi, kivéve a reaktor közepéhez közeli, a HTF-től távol eső régiót.A 3. eset koncentrációja azonban nem sokat változott.A réteg hőmérsékletében és koncentrációjában nagy különbség volt megfigyelhető a GTS bejárata közelében lévő 3. vonalon.A réteg hőmérséklete a 4. esetben jelentősen csökkent, így ebben a régióban volt a legmagasabb hidrogénkoncentráció, míg a 3. esetben a koncentrációvonal továbbra is ingadozott.Ennek oka a SCHE hőátadás felgyorsulása.Az MH réteg és a HTF cső átlaghőmérsékletének 3. és 4. eset közötti összehasonlításának részleteit és tárgyalását a kiegészítő rész tartalmazza.
Hőmérsékletprofil és ágykoncentráció a fém-hidrid reaktor kiválasztott helyein.(a) Kiválasztott helyek a 3. esethez, (b) Kiválasztott helyek a 4. esethez és (c) Hőmérsékletprofil és rétegkoncentráció a kiválasztott helyeken 20 000 másodperc után a hidrogénfelvételi folyamathoz a 3. és 4. esetben.
ábrán.A 6. ábra az átlagos ágyhőmérséklet (lásd a 6a. ábrát) és a hidrogénkoncentráció (lásd a 6b. ábrát) összehasonlítását mutatja a HCH és SHE abszorpciójára vonatkozóan.Ebből az ábrából látható, hogy az MG réteg hőmérséklete jelentősen csökken a hőcserélő terület növekedése miatt.Több hő eltávolítása a reaktorból nagyobb hidrogénfelvételi sebességet eredményez.Bár a két hőcserélő-konfiguráció térfogata megegyezik a HCHE 3. opcióként történő használatával, az SCHE hidrogénfelvételi ideje a 4. lehetőség alapján jelentősen, 59%-kal csökkent.A részletesebb elemzéshez a 7. ábrán a két hőcserélő-konfiguráció hidrogénkoncentrációja izolált vonalként látható. Ez az ábra azt mutatja, hogy a hidrogén mindkét esetben alulról kezd felszívódni a HTF bemenet körül.Magasabb koncentrációkat a HTF régióban, míg alacsonyabb koncentrációt az MH reaktor közepén tapasztaltunk a hőcserélőtől való távolság miatt.10 000 s után a hidrogénkoncentráció a 4. esetben lényegesen magasabb, mint a 3. esetben. 20 000 másodperc elteltével az átlagos hidrogénkoncentráció a reaktorban a 4. esetben 90%-ra emelkedett, míg a 3. esetben a hidrogénkoncentráció 50%-a. Ennek oka lehet. két SCHE kombinálásának nagyobb effektív hűtőteljesítményéhez, ami alacsonyabb hőmérsékletet eredményez az MH rétegen belül.Következésképpen az MG réteg belsejében egyensúlyibb nyomás esik, ami a hidrogén gyorsabb abszorpciójához vezet.
3. és 4. eset Az átlagos ágyhőmérséklet és a hidrogénkoncentráció összehasonlítása két hőcserélő konfiguráció között.
A hidrogénkoncentráció összehasonlítása 500, 2000, 5000, 10000 és 20000 mp után a hidrogénabszorpciós folyamat megkezdése után a 3. és a 4. esetben.
Az 5. táblázat minden esetben összefoglalja a hidrogénfelvétel időtartamát.Ezenkívül a táblázat a hidrogén abszorpciós idejét is mutatja, százalékban kifejezve.Ezt a százalékot az 1. eset abszorpciós ideje alapján számítjuk ki. Ebből a táblázatból a HCHE-t használó MH reaktor abszorpciós ideje körülbelül 45 000-46 000 s, és az abszorpciós ideje SCHE-vel együtt körülbelül 18 000-19 000 s.Az 1. esethez képest a felszívódási idő a 2. és a 3. esetben mindössze 1,6%-kal, illetve 2,7%-kal csökkent.Ha SCHE-t használunk HCHE helyett, az abszorpciós idő jelentősen csökkent a 4. esetről a 6. esetre, 58%-ról 61%-ra.Nyilvánvaló, hogy az SCHE hozzáadása az MH reaktorhoz nagymértékben javítja a hidrogén abszorpciós folyamatát és az MH reaktor teljesítményét.Bár az MH reaktor belsejében hőcserélő telepítése csökkenti a tárolókapacitást, ez a technológia jelentős javulást biztosít a hőátadásban más technológiákhoz képest.Ezenkívül a hangmagasság értékének csökkentése növeli a SCHE hangerejét, ami az MH hangerejének csökkenését eredményezi.A legnagyobb SCHE-térfogatú 6. esetben az MH térfogati kapacitása csak 5%-kal csökkent az 1. esethez képest, ahol a HCHE mennyisége a legalacsonyabb.Ezenkívül az abszorpció során a 6. eset gyorsabb és jobb teljesítményt mutatott, 61%-kal csökkentve az abszorpciós időt.Ezért a 6. esetet választottuk az érzékenységi elemzés további vizsgálatára.Megjegyzendő, hogy a hosszú hidrogénfelvételi idő körülbelül 2000 cm3 MH térfogatú tárolótartályhoz kapcsolódik.
A reakció során a működési paraméterek fontos tényezők, amelyek pozitívan vagy negatívan befolyásolják az MH reaktor teljesítményét valós körülmények között.Ez a tanulmány egy érzékenységi elemzést vesz figyelembe az MH reaktor megfelelő kezdeti üzemi paramétereinek meghatározására az SCHE-vel kombinálva, és ez a szakasz a négy fő működési paramétert vizsgálja a 6. esetben az optimális reaktorkonfiguráció alapján. Az összes működési körülményre vonatkozó eredmények a 8. ábra.
A hidrogénkoncentráció grafikonja különböző üzemi körülmények között félhengeres tekercses hőcserélő használatakor.(a) terhelési nyomás, (b) kezdeti ágyhőmérséklet, (c) hűtőfolyadék Reynolds-száma és (d) hűtőközeg bemeneti hőmérséklete.
Az állandó 573 K kezdeti hőmérséklet és a 14 000 Reynolds-számú hűtőfolyadék áramlási sebessége alapján négy különböző terhelési nyomást választottak ki: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa és 3,0 MPa.ábrán.A 8a. ábra a terhelési nyomás és az SCHE hatását mutatja a hidrogénkoncentrációra az idő függvényében.Az abszorpciós idő a terhelési nyomás növekedésével csökken.Az alkalmazott 1,2 MPa hidrogénnyomás alkalmazása a hidrogénabszorpciós folyamat legrosszabb esete, és az abszorpció időtartama meghaladja a 26 000 s-ot a 90%-os hidrogénabszorpció eléréséhez.A nagyobb terhelési nyomás azonban az abszorpciós idő 32-42%-os csökkenését eredményezte 1,8 MPa-ról 3,0 MPa-ra.Ennek oka a hidrogén magasabb kezdeti nyomása, ami nagyobb különbséget eredményez az egyensúlyi nyomás és az alkalmazott nyomás között.Ezért ez nagy hajtóerőt hoz létre a hidrogénfelvétel kinetikájában.A kezdeti pillanatban a hidrogéngáz gyorsan elnyelődik az egyensúlyi nyomás és az alkalmazott nyomás közötti nagy különbség miatt57.3,0 MPa terhelési nyomáson az első 10 másodpercben gyorsan 18% hidrogén halmozódott fel.A hidrogént a reaktorok 90%-ában a végső szakaszban 15460 másodpercig tárolták.1,2-1,8 MPa terhelési nyomáson azonban az abszorpciós idő jelentősen, 32%-kal csökkent.Más nagyobb nyomások kevésbé befolyásolták az abszorpciós idők javulását.Ezért javasolt, hogy az MH-SCHE reaktor terhelési nyomása 1,8 MPa legyen.A kiegészítő szakasz a hidrogénkoncentráció kontúrjait mutatja különböző terhelési nyomásokhoz 15500 s-nál.
Az MH reaktor megfelelő kezdeti hőmérsékletének megválasztása az egyik fő tényező a hidrogén adszorpciós folyamatában, mivel ez befolyásolja a hidridképzési reakció hajtóerejét.Az SCHE MH reaktor kezdeti hőmérsékletére gyakorolt hatásának vizsgálatához négy különböző hőmérsékletet választottunk állandó 1,8 MPa terhelési nyomás és 14 000 HTF Reynolds-szám mellett.ábrán.A 8b. ábra különböző kiindulási hőmérsékletek összehasonlítását mutatja, beleértve a 473K, 523K, 573K és 623K.Valójában, ha a hőmérséklet magasabb, mint 230 °C vagy 503K58, a Mg2Ni ötvözet hatékony jellemzőkkel rendelkezik a hidrogén abszorpciós folyamatában.A hidrogén befecskendezésének kezdeti pillanatában azonban a hőmérséklet gyorsan emelkedik.Következésképpen az MG-réteg hőmérséklete meghaladja az 523 K-t. Ezért a megnövekedett abszorpciós sebességnek köszönhetően a hidridek képződése elősegíti53.ábrából.A 8b. ábrán látható, hogy a hidrogén gyorsabban szívódik fel, ahogy az MB réteg kezdeti hőmérséklete csökken.Alacsonyabb egyensúlyi nyomás akkor következik be, ha a kezdeti hőmérséklet alacsonyabb.Minél nagyobb a nyomáskülönbség az egyensúlyi nyomás és az alkalmazott nyomás között, annál gyorsabb a hidrogénabszorpció folyamata.473 K kezdeti hőmérsékleten a hidrogén az első 18 másodpercben gyorsan, akár 27%-ig abszorbeálódik.Ezenkívül az abszorpciós idő is csökkent 11%-ról 24%-ra alacsonyabb kezdeti hőmérsékleten, mint a 623 K kezdeti hőmérséklet. Az abszorpciós idő a legalacsonyabb, 473 K kezdeti hőmérsékleten 15247 s, ami hasonló a legjobbhoz terhelési nyomás azonban a reaktor kezdeti hőmérsékletének csökkenése a hidrogéntároló kapacitás csökkenéséhez vezet.Az MN reaktor kezdeti hőmérsékletének legalább 503 K53-nak kell lennie.Ezenkívül 573 K53 kezdeti hőmérsékleten 3,6 tömeg%-os maximális hidrogéntároló kapacitás érhető el.A hidrogén tárolási kapacitását és abszorpciós időtartamát tekintve az 523 és 573 K közötti hőmérséklet mindössze 6%-kal rövidíti le az időt.Ezért az MH-SCHE reaktor kezdeti hőmérsékleteként 573 K hőmérsékletet javasolunk.A kezdeti hőmérséklet hatása az abszorpciós folyamatra azonban kevésbé volt jelentős, mint a terhelési nyomás.A kiegészítő szakasz a hidrogénkoncentráció körvonalait mutatja különböző kezdeti hőmérsékletekre 15500 s-nál.
Az áramlási sebesség a hidrogénezés és dehidrogénezés egyik fő paramétere, mert befolyásolhatja a turbulenciát és a hőelvonást vagy a hidrogénezés és dehidrogénezés során bekövetkező hőbevitelt59.A nagy áramlási sebesség turbulens fázisokat hoz létre, és gyorsabb folyadékáramlást eredményez a HTF csövön keresztül.Ez a reakció gyorsabb hőátadást eredményez.A HTF különböző belépési sebességeit a 10 000, 14 000, 18 000 és 22 000 Reynolds-számok alapján számítják ki.Az MG-réteg kezdeti hőmérsékletét 573 K-re, a terhelési nyomást 1,8 MPa-ra rögzítettük.ábrán látható eredmények.A 8c. ábra azt mutatja, hogy a magasabb Reynolds-szám SCHE-vel kombinálva nagyobb felvételi arányt eredményez.Ahogy a Reynolds-szám 10 000-ről 22 000-re nő, az abszorpciós idő körülbelül 28-50%-kal csökken.Az abszorpciós idő 22 000 Reynolds-szám mellett 12 505 másodperc, ami kevesebb, mint különböző kezdeti terhelési hőmérsékleteken és nyomásokon.A különböző Reynolds-számokhoz tartozó hidrogénkoncentráció kontúrjai GTP-re 12500 s-nál a kiegészítő részben találhatók.
A SCHE hatását a HTF kezdeti hőmérsékletére elemezzük és a 8d. ábrán mutatjuk be.573 K kezdeti MG-hőmérséklet és 1,8 MPa hidrogénterhelési nyomás mellett négy kezdeti hőmérsékletet választottunk ehhez az elemzéshez: 373 K, 473 K, 523 K és 573 K. A 8d azt mutatja, hogy a hűtőfolyadék hőmérséklete csökken a bemenetnél az abszorpciós idő csökkenéséhez vezet.Az 573 K bemeneti hőmérsékletű alapesethez képest az abszorpciós idő körülbelül 20%-kal, 44%-kal, illetve 56%-kal csökkent az 523 K, 473 K és 373 K bemeneti hőmérsékletek esetén.6917 s-nál a GTF kezdeti hőmérséklete 373 K, a hidrogénkoncentráció a reaktorban 90%.Ez az MG réteg és a HCS közötti fokozott konvektív hőátadással magyarázható.Az alacsonyabb HTF-hőmérséklet növeli a hőleadást, és megnövekedett hidrogénfelvételt eredményez.Az összes működési paraméter közül az MH-SCHE reaktor teljesítményének növelése a HTF bemeneti hőmérséklet emelésével volt a legalkalmasabb módszer, mivel az abszorpciós folyamat befejezési ideje kevesebb, mint 7000 s, míg a többi módszernél a legrövidebb abszorpciós idő hosszabb volt. mint 10000 s.A hidrogénkoncentráció kontúrjai a GTP különböző kezdeti hőmérsékleteire vonatkoznak 7000 másodpercig.
Ez a tanulmány először mutat be egy új, félhengeres tekercses hőcserélőt egy fémhidrid tárolóegységbe integrálva.A javasolt rendszer hidrogénelnyelő képességét a hőcserélő különféle konfigurációival vizsgáltuk.Megvizsgáltuk az üzemi paraméterek hatását a fémhidrid réteg és a hűtőközeg közötti hőcserére, hogy megtaláljuk a fémhidridek tárolásának optimális feltételeit egy új hőcserélővel.A tanulmány főbb megállapításait a következőkben foglaljuk össze:
A félhengeres tekercses hőcserélő javítja a hőátadási teljesítményt, mert egyenletesebb a hőeloszlás a magnéziumrétegű reaktorban, ami jobb hidrogénfelvételi sebességet eredményez.Feltéve, hogy a hőcserélő cső és a fémhidrid térfogata változatlan marad, az abszorpciós reakcióidő jelentősen, 59%-kal csökken a hagyományos tekercses hőcserélőhöz képest.
Feladás időpontja: 2023. január 15