Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Металните хидриди (MH) са признати за една от най-подходящите групи материали за съхранение на водород поради техния голям капацитет за съхранение на водород, ниско работно налягане и висока безопасност.Въпреки това, тяхната бавна кинетика на усвояване на водород значително намалява производителността на съхранение.По-бързото отстраняване на топлината от съхранението на MH може да играе важна роля за увеличаване на скоростта на усвояване на водород, което води до подобрена производителност на съхранение.В тази връзка, това проучване беше насочено към подобряване на характеристиките на топлопреминаване, за да повлияе положително скоростта на поглъщане на водород от системата за съхранение на MH.Новата полуцилиндрична бобина за първи път е разработена и оптимизирана за съхранение на водород и е включена като вътрешен въздух-като-топлообменник (HTF).Въз основа на различните размери на стъпките, ефектът от новата конфигурация на топлообменника се анализира и сравнява с конвенционалната геометрия на спирална намотка.В допълнение, работните параметри на съхранението на MG и GTP бяха числено изследвани, за да се получат оптимални стойности.За числена симулация се използва ANSYS Fluent 2020 R2.Резултатите от това проучване показват, че работата на резервоара за съхранение на MH може да бъде значително подобрена чрез използване на полуцилиндричен топлообменник (SCHE).В сравнение с конвенционалните спираловидни топлообменници, продължителността на абсорбцията на водород е намалена с 59%.Най-малкото разстояние между намотките SCHE доведе до 61% намаление на времето за абсорбиране.Що се отнася до работните параметри на съхранението на MG с помощта на SHE, всички избрани параметри водят до значително подобрение в процеса на абсорбция на водород, особено температурата на входа на HTS.
Налице е глобален преход от енергия, базирана на изкопаеми горива, към възобновяема енергия.Тъй като много форми на възобновяема енергия осигуряват енергия по динамичен начин, съхранението на енергия е необходимо, за да се балансира натоварването.Базираното на водород съхранение на енергия привлече много внимание за тази цел, особено защото водородът може да се използва като „зелено“ алтернативно гориво и носител на енергия поради своите свойства и преносимост.Освен това водородът предлага и по-високо енергийно съдържание на единица маса в сравнение с изкопаемите горива2.Съществуват четири основни вида съхранение на водородна енергия: съхранение на сгъстен газ, подземно съхранение, съхранение в течност и съхранение в твърдо състояние.Сгъстеният водород е основният тип, използван в превозни средства с горивни клетки като автобуси и мотокари.Това съхранение обаче осигурява ниска насипна плътност на водород (приблизително 0,089 kg/m3) и има проблеми с безопасността, свързани с високото работно налягане3.Въз основа на процес на преобразуване при ниска околна температура и налягане, хранилището за течност ще съхранява водород в течна форма.При втечняване обаче около 40% от енергията се губи.Освен това е известно, че тази технология е по-енергийно и трудоемка в сравнение с технологиите за съхранение в твърдо състояние4.Твърдото съхранение е жизнеспособна опция за водородна икономика, която съхранява водород чрез включване на водород в твърди материали чрез абсорбция и освобождаване на водород чрез десорбция.Металният хидрид (MH), технология за съхранение на твърди материали, е от скорошен интерес в приложенията на горивните клетки поради високия си водороден капацитет, ниското работно налягане и ниската цена в сравнение с течното съхранение и е подходящ за стационарни и мобилни приложения6,7 в Освен това, MH материалите също осигуряват свойства за безопасност, като например ефективно съхранение на голям капацитет8.Съществува обаче проблем, който ограничава производителността на MG: ниската топлопроводимост на MG реактора води до бавна абсорбция и десорбция на водорода.
Правилният пренос на топлина по време на екзотермични и ендотермични реакции е ключът към подобряване на работата на МН реакторите.За процеса на зареждане с водород, генерираната топлина трябва да бъде отстранена от реактора, за да се контролира потокът за зареждане с водород с желаната скорост с максимален капацитет за съхранение.Вместо това е необходима топлина, за да се увеличи скоростта на отделяне на водород по време на разреждане.За да се подобри ефективността на преноса на топлина и маса, много изследователи са проучили дизайна и оптимизацията въз основа на множество фактори като работни параметри, структура на MG и оптимизация на MG11.Оптимизирането на MG може да бъде направено чрез добавяне на материали с висока топлопроводимост като пенометали към MG слоеве 12,13.Така ефективната топлопроводимост може да се увеличи от 0,1 до 2 W/mK10.Добавянето на твърди материали обаче значително намалява мощността на MN реактора.По отношение на работните параметри, подобрения могат да бъдат постигнати чрез оптимизиране на първоначалните работни условия на слоя MG и охлаждащата течност (HTF).Структурата на MG може да бъде оптимизирана благодарение на геометрията на реактора и конструкцията на топлообменника.По отношение на конфигурацията на топлообменника на MH реактора, методите могат да бъдат разделени на два типа.Това са вътрешни топлообменници, вградени в слоя MO и външни топлообменници, покриващи слоя MO, като ребра, охлаждащи кожуси и водни бани.По отношение на външния топлообменник Kaplan16 анализира работата на MH реактора, използвайки охлаждаща вода като кожух за намаляване на температурата вътре в реактора.Резултатите бяха сравнени с реактор с 22 кръгли перки и друг реактор, охлаждан чрез естествена конвекция.Те заявяват, че наличието на охлаждаща риза значително намалява температурата на MH, като по този начин увеличава степента на абсорбция.Числените изследвания на MH реактора с водна риза от Patil и Gopal17 показват, че налягането на подаване на водород и температурата на HTF са ключови параметри, влияещи върху скоростта на поглъщане и десорбция на водород.
Увеличаването на площта за пренос на топлина чрез добавяне на ребра и топлообменници, вградени в MH, е ключът към подобряване на ефективността на пренос на топлина и маса и следователно на производителността на съхранение на MH18.Няколко вътрешни конфигурации на топлообменник (права тръба и спирална намотка) са проектирани за циркулация на охлаждащата течност в реактора MH19,20,21,22,23,24,25,26.Използвайки вътрешен топлообменник, охлаждащата или нагряващата течност ще пренася локална топлина вътре в МН реактора по време на процеса на адсорбция на водород.Раджу и Кумар [27] използваха няколко прави тръби като топлообменници, за да подобрят работата на MG.Техните резултати показват, че времето на абсорбция е намалено, когато прави тръби се използват като топлообменници.В допълнение, използването на прави тръби съкращава времето за десорбция на водорода28.По-високите скорости на потока на охлаждащата течност увеличават скоростта на зареждане и изпразване на водород29.Увеличаването на броя на охлаждащите тръби обаче има положителен ефект върху производителността на MH, а не върху скоростта на потока на охлаждащата течност30,31.Raju et al.32 използва LaMi4.7Al0.3 като MH материал за изследване на работата на многотръбни топлообменници в реактори.Те съобщават, че работните параметри имат значителен ефект върху процеса на абсорбция, особено налягането на захранване и след това скоростта на потока на HTF.Температурата на абсорбция обаче се оказва по-малко критична.
Ефективността на реактора MH е допълнително подобрена чрез използването на топлообменник със спирална намотка поради подобрения пренос на топлина в сравнение с правите тръби.Това е така, защото вторичният цикъл може по-добре да отстрани топлината от реактора25.В допълнение, спиралните тръби осигуряват голяма повърхност за пренос на топлина от MH слоя към охлаждащата течност.Когато този метод се въведе вътре в реактора, разпределението на топлообменните тръби също е по-равномерно33.Wang и др.34 изследва ефекта от продължителността на поемане на водород чрез добавяне на спирална намотка към MH реактор.Техните резултати показват, че с увеличаването на коефициента на топлопреминаване на охлаждащата течност времето за абсорбция намалява.Wu и др.25 изследва работата на базирани на Mg2Ni MH реактори и спирални топлообменници.Техните числени изследвания показват намаляване на времето за реакция.Подобряването на механизма за пренос на топлина в реактора MN се основава на по-малко съотношение на стъпката на винта към стъпката на винта и безразмерна стъпка на винта.Експериментално проучване от Mellouli et al.21, използващо намотка като вътрешен топлообменник, показа, че началната температура на HTF има значителен ефект върху подобряването на времето за усвояване на водород и десорбция.Комбинации от различни вътрешни топлообменници са извършени в няколко проучвания.Eisapur и др.35 изследва съхранението на водород, използвайки топлообменник със спирална намотка с централна връщаща тръба за подобряване на процеса на абсорбция на водород.Техните резултати показаха, че спиралната тръба и централната връщаща тръба значително подобряват преноса на топлина между охлаждащата течност и MG.По-малката стъпка и по-големият диаметър на спиралната тръба увеличават скоростта на пренос на топлина и маса.Ardahaie и др.36 използва плоски спирални тръби като топлообменници за подобряване на преноса на топлина в реактора.Те съобщават, че продължителността на абсорбцията е намалена чрез увеличаване на броя на сплесканите равнини на спирални тръби.Комбинации от различни вътрешни топлообменници са извършени в няколко проучвания.Dhau и др.37 подобри работата на MH с помощта на топлообменник със спирала и ребра.Техните резултати показват, че този метод намалява времето за пълнене с водород с коефициент 2 в сравнение с случая без перки.Пръстеновидните ребра са комбинирани с охлаждащи тръби и са вградени в MN реактора.Резултатите от това проучване показват, че този комбиниран метод осигурява по-равномерен топлопренос в сравнение с реактора MH без ребра.Комбинирането на различни топлообменници обаче ще се отрази негативно на теглото и обема на реактора MH.Wu et al.18 сравняват различни конфигурации на топлообменника.Те включват прави тръби, перки и спирални намотки.Авторите съобщават, че спиралните намотки осигуряват най-добрите подобрения в преноса на топлина и маса.Освен това, в сравнение с прави тръби, навити тръби и прави тръби, комбинирани със навити тръби, двойните намотки имат по-добър ефект върху подобряването на преноса на топлина.Проучване на Sekhar et al.40 показа, че подобно подобрение в усвояването на водород е постигнато с помощта на спирална намотка като вътрешен топлообменник и оребрена външна охлаждаща риза.
От примерите, споменати по-горе, използването на спираловидни намотки като вътрешни топлообменници осигурява по-добри подобрения на топло- и масовия трансфер в сравнение с други топлообменници, особено прави тръби и перки.Следователно целта на това проучване беше да се доразработи спиралната намотка, за да се подобри ефективността на топлопреноса.За първи път е разработена нова полуцилиндрична намотка, базирана на конвенционалната спирална намотка за съхранение на MH.Очаква се това проучване да подобри производителността на съхранение на водород чрез разглеждане на нов дизайн на топлообменник с по-добро разположение на зоната за пренос на топлина, осигурено от постоянен обем на MH легло и HTF тръби.Ефективността на съхранение на този нов топлообменник след това беше сравнена с конвенционалните топлообменници със спирална намотка, базирани на различни стъпки на намотка.Според съществуващата литература условията на работа и разстоянието между намотките са основните фактори, влияещи върху работата на реакторите MH.За оптимизиране на дизайна на този нов топлообменник беше изследван ефектът от разстоянието между серпентините върху времето за поемане на водород и обема на МН.Освен това, за да се разбере връзката между новите полуцилиндрични намотки и работните условия, вторична цел на това изследване беше да се изследват характеристиките на реактора според различните диапазони на работните параметри и да се определят подходящите стойности за всяка работна режим.параметър.
Ефективността на устройството за съхранение на водородна енергия в това проучване се изследва въз основа на две конфигурации на топлообменник (включително спирални тръби в случаи 1 до 3 и полуцилиндрични тръби в случаи 4 до 6) и анализ на чувствителността на работните параметри.Работоспособността на реактора MH беше тествана за първи път с помощта на спирална тръба като топлообменник.Както тръбата за охлаждащата течност, така и корпусът на реактора MH са направени от неръждаема стомана.Трябва да се отбележи, че размерите на MG реактора и диаметърът на GTF тръбите са постоянни във всички случаи, докато размерите на стъпките на GTF варират.Този раздел анализира ефекта от размера на стъпката на HTF намотките.Височината и външният диаметър на реактора са съответно 110 mm и 156 mm.Диаметърът на топлопроводимата маслена тръба е зададен на 6 mm.Вижте допълнителен раздел за подробности относно електрическата схема на MH реактора със спирални тръби и две полуцилиндрични тръби.
На фиг.1а показва спираловидния тръбен реактор MH и неговите размери.Всички геометрични параметри са дадени в табл.1. Общият обем на спиралата и обемът на ZG са съответно приблизително 100 cm3 и 2000 cm3.От този МН реактор въздухът под формата на HTF се подава в порестия МН реактор отдолу през спирална тръба и водородът се въвежда от горната повърхност на реактора.
Характеризиране на избрани геометрии за металохидридни реактори.а) със спираловидно-тръбен топлообменник, б) с полуцилиндричен тръбен топлообменник.
Втората част разглежда работата на реактора MH, базиран на полуцилиндрична тръба като топлообменник.На фиг.1b показва MN реактор с две полуцилиндрични тръби и техните размери.В таблица 1 са посочени всички геометрични параметри на полуцилиндричните тръби, които остават постоянни, с изключение на разстоянието между тях.Трябва да се отбележи, че полуцилиндричната тръба в случай 4 е проектирана с постоянен обем от HTF тръба и MH сплав в спираловидната тръба (вариант 3).Що се отнася до фиг.1b, въздухът също беше въведен от дъното на двете полуцилиндрични HTF тръби и водородът беше въведен от противоположната посока на МН реактора.
Поради новия дизайн на топлообменника, целта на този раздел е да се определят подходящите начални стойности за работните параметри на реактора MH в комбинация със SCHE.Във всички случаи въздухът е използван като охлаждаща течност за отстраняване на топлината от реактора.Сред маслата за пренос на топлина въздухът и водата обикновено се избират като масла за пренос на топлина за MH реактори поради тяхната ниска цена и ниско въздействие върху околната среда.Поради високия работен температурен диапазон на магнезиеви сплави, въздухът е избран като охлаждаща течност в това изследване.В допълнение, той също има по-добри характеристики на потока от други течни метали и разтопени соли41.Таблица 2 изброява свойствата на въздуха при 573 К. За анализа на чувствителността в този раздел се прилагат само най-добрите конфигурации на опциите за производителност на MH-SCHE (в случаи 4 до 6).Оценките в този раздел се основават на различни работни параметри, включително началната температура на реактора MH, налягането на зареждане с водород, температурата на входа на HTF и числото на Рейнолдс, изчислено чрез промяна на скоростта на HTF.Таблица 3 съдържа всички работни параметри, използвани за анализ на чувствителността.
Този раздел описва всички необходими уравнения за управление на процеса на абсорбция на водород, турбулентност и пренос на топлина на охлаждащи течности.
За да се опрости решението на реакцията на поглъщане на водород, са направени и предоставени следните допускания;
По време на абсорбцията термофизичните свойства на водорода и металните хидриди са постоянни.
Водородът се счита за идеален газ, така че се вземат предвид местните условия на топлинно равновесие43,44.
където \({L}_{gas}\) е радиусът на резервоара, а \({L}_{heat}\) е аксиалната височина на резервоара.Когато N е по-малко от 0,0146, потокът на водород в резервоара може да бъде игнориран в симулацията без значителна грешка.Според настоящите изследвания N е много по-нисък от 0,1.Следователно ефектът на градиента на налягането може да бъде пренебрегнат.
Стените на реактора бяха добре изолирани във всички случаи.Следователно няма топлообмен 47 между реактора и околната среда.
Добре известно е, че сплавите на основата на Mg имат добри характеристики на хидрогениране и висок капацитет за съхранение на водород до 7,6 тегл.%8.По отношение на приложенията за съхранение на водород в твърдо състояние, тези сплави са известни също като леки материали.В допълнение, те имат отлична топлоустойчивост и добра обработваемост8.Сред няколко сплави на основата на Mg, MgNi сплавта на основата на Mg2Ni е една от най-подходящите опции за съхранение на MH поради нейния капацитет за съхранение на водород до 6 тегл.%.Mg2Ni сплавите също осигуряват по-бърза кинетика на адсорбция и десорбция в сравнение със сплавта MgH48.Следователно Mg2Ni беше избран като метален хидрид в това изследване.
Енергийното уравнение се изразява като 25 въз основа на топлинния баланс между водород и Mg2Ni хидрид:
X е количеството водород, абсорбирано върху металната повърхност, единицата е \(тегло\%\), изчислено от кинетичното уравнение \(\frac{dX}{dt}\) по време на абсорбция, както следва49:
където \({C}_{a}\) е скоростта на реакцията и \({E}_{a}\) е енергията на активиране.\({P}_{a,eq}\) е равновесното налягане вътре в реактора с метален хидрид по време на процеса на абсорбция, дадено от уравнението на Van't Hoff, както следва25:
Където \({P}_{ref}\) е еталонното налягане от 0,1 MPa.\(\Delta H\) и \(\Delta S\) са съответно енталпията и ентропията на реакцията.Свойствата на сплавите Mg2Ni и водород са представени в табл.4. Поименният списък може да бъде намерен в допълнителната секция.
Потокът на течността се счита за турбулентен, тъй като неговата скорост и числото на Рейнолдс (Re) са съответно 78,75 ms-1 и 14000.В това изследване беше избран постижим k-ε модел на турбулентност.Отбелязва се, че този метод осигурява по-висока точност в сравнение с други методи k-ε и също така изисква по-малко време за изчисление от методите RNG k-ε50,51.Вижте Допълнителния раздел за подробности относно основните уравнения за топлопреносни течности.
Първоначално температурният режим в MN реактора беше равномерен, а средната концентрация на водород беше 0,043.Предполага се, че външната граница на реактора MH е добре изолирана.Сплавите на основата на магнезий обикновено изискват високи работни температури на реакцията, за да съхраняват и освобождават водород в реактора.Сплавта Mg2Ni изисква температурен диапазон от 523–603 K за максимална абсорбция и температурен диапазон от 573–603 K за пълна десорбция52.Въпреки това, експериментални изследвания от Muthukumar et al.53 показаха, че максималният капацитет за съхранение на Mg2Ni за съхранение на водород може да бъде постигнат при работна температура от 573 К, което съответства на неговия теоретичен капацитет.Следователно температурата от 573 K беше избрана като начална температура на MN реактора в това изследване.
Създайте различни размери на мрежата за валидиране и надеждни резултати.На фиг.2 показва средната температура на избрани места в процеса на абсорбция на водород от четири различни елемента.Струва си да се отбележи, че само един случай от всяка конфигурация е избран за тестване за независимост на мрежата поради подобна геометрия.Същият метод на свързване се прилага и в други случаи.Затова изберете опция 1 за спираловидната тръба и опция 4 за полуцилиндричната тръба.На фиг.2а, б показва средната температура в реактора съответно за варианти 1 и 4.Трите избрани места представляват температурни контури на слоя в горната, средната и долната част на реактора.Въз основа на температурните контури на избраните места, средната температура става стабилна и показва малка промяна в номерата на елементите 428,891 и 430,599 съответно за случаи 1 и 4.Следователно тези размери на мрежата бяха избрани за по-нататъшни изчислителни изчисления.Подробна информация за средната температура на слоя за процеса на абсорбция на водород за различни размери на клетките и последователно рафинирани мрежи за двата случая е дадена в допълнителния раздел.
Средна температура на слоя в избрани точки в процеса на абсорбция на водород в реактор с метален хидрид с различни номера на мрежата.(a) Средна температура на избрани места за случай 1 и (b) Средна температура на избрани места за случай 4.
Реакторът на метален хидрид на основата на Mg в това изследване е тестван въз основа на експерименталните резултати на Muthukumar et al.53.В своето изследване те използваха сплав Mg2Ni за съхранение на водород в тръби от неръждаема стомана.Медните ребра се използват за подобряване на преноса на топлина вътре в реактора.На фиг.3а показва сравнение на средната температура на слоя на процеса на абсорбция между експерименталното изследване и това изследване.Избраните работни условия за този експеримент са: начална температура на MG 573 K и входно налягане 2 MPa.От фиг.3а може ясно да се покаже, че този експериментален резултат е в добро съответствие с настоящия по отношение на средната температура на слоя.
Проверка на модела.(a) Проверка на кода на реактора с метален хидрид Mg2Ni чрез сравняване на текущото изследване с експерименталната работа на Muthukumar et al.52, и (b) проверка на модела на турбулентния поток на спиралната тръба чрез сравняване на настоящото изследване с това на Kumar et al. .Проучване.54.
За да се тества моделът на турбулентност, резултатите от това изследване бяха сравнени с експерименталните резултати на Kumar et al.54, за да се потвърди правилността на избрания модел на турбулентност.Kumar et al.54 изследва турбулентен поток в спирален топлообменник тип тръба в тръба.Водата се използва като гореща и студена течност, инжектирана от противоположни страни.Температурите на горещата и студената течност са съответно 323 K и 300 K.Числата на Рейнолдс варират от 3100 до 5700 за горещи течности и от 21 000 до 35 000 за студени течности.Числата на Dean са 550-1000 за горещи течности и 3600-6000 за студени течности.Диаметрите на вътрешната тръба (за гореща течност) и външната тръба (за студена течност) са съответно 0,0254 m и 0,0508 m.Диаметърът и стъпката на спиралната намотка са съответно 0,762 m и 0,100 m.На фиг.3b показва сравнение на експериментални и текущи резултати за различни двойки числа на Нуселт и Дийн за охлаждащата течност във вътрешната тръба.Приложени са три различни модела на турбулентност и са сравнени с експерименталните резултати.Както е показано на фиг.3b, резултатите от постижимия модел на турбулентност k-ε са в добро съответствие с експерименталните данни.Ето защо този модел беше избран в това проучване.
Числените симулации в това проучване са извършени с помощта на ANSYS Fluent 2020 R2.Напишете дефинирана от потребителя функция (UDF) и я използвайте като входен член на енергийното уравнение за изчисляване на кинетиката на процеса на абсорбция.Веригата PRESTO55 и методът PISO56 се използват за комуникация налягане-скорост и корекция на налягането.Изберете клетъчна основа на Грийн-Гаус за променливия градиент.Уравненията на импулса и енергията се решават по метода на вятъра от втори ред.Що се отнася до коефициентите на недостатъчна релаксация, компонентите на налягането, скоростта и енергията са настроени съответно на 0,5, 0,7 и 0,7.Стандартните стенни функции се прилагат към HTF в модела на турбулентност.
Този раздел представя резултатите от числени симулации на подобрен вътрешен топлопренос на MH реактор, използващ топлообменник със спирална намотка (HCHE) и топлообменник със спирална намотка (SCHE) по време на абсорбция на водород.Ефектът на HTF терена върху температурата на слоя на реактора и продължителността на абсорбцията беше анализиран.Основните работни параметри на процеса на абсорбция са изследвани и представени в раздела за анализ на чувствителността.
За да се изследва ефектът от разстоянието между намотките върху преноса на топлина в MH реактор, бяха изследвани три конфигурации на топлообменника с различни стъпки.Трите различни стъпки от 15 мм, 12,86 мм и 10 мм са обозначени съответно с тяло 1, тяло 2 и тяло 3.Трябва да се отбележи, че диаметърът на тръбата е фиксиран на 6 mm при начална температура от 573 K и налягане на натоварване от 1, 8 MPa във всички случаи.На фиг.4 показва средната температура на слоя и концентрацията на водород в МН слоя по време на процеса на абсорбция на водород в случаи 1 до 3. Обикновено реакцията между металния хидрид и водорода е екзотермична спрямо процеса на абсорбция.Поради това температурата на слоя се повишава бързо поради началния момент, когато водородът за първи път се въвежда в реактора.Температурата на леглото се повишава, докато достигне максимална стойност и след това постепенно намалява, тъй като топлината се отвежда от охлаждащата течност, която има по-ниска температура и действа като охлаждаща течност.Както е показано на фиг.4а, поради предишното обяснение, температурата на слоя нараства бързо и намалява непрекъснато.Концентрацията на водород за процеса на абсорбция обикновено се основава на температурата на слоя на МН реактора.Когато средната температура на слоя падне до определена температура, металната повърхност абсорбира водород.Това се дължи на ускоряването на процесите на физиосорбция, хемосорбция, дифузия на водород и образуването на неговите хидриди в реактора.От фиг.4b може да се види, че скоростта на абсорбция на водород в случай 3 е по-ниска, отколкото в други случаи поради по-малката стойност на стъпката на топлообменника на намотката.Това води до по-голяма обща дължина на тръбата и по-голяма топлообменна площ за HTF тръбите.При средна концентрация на водород от 90%, времето за абсорбция за случай 1 е 46 276 секунди.В сравнение с продължителността на абсорбция в случай 1, продължителността на абсорбция в случаи 2 и 3 е намалена съответно със 724 s и 1263 s.Допълнителният раздел представя контурите на температурата и концентрацията на водород за избрани места в слоя HCHE-MH.
Влияние на разстоянието между намотките върху средната температура на слоя и концентрацията на водород.(a) Средна температура на слоя за спирални намотки, (b) концентрация на водород за спирални намотки, (c) средна температура на слоя за полуцилиндрични намотки и (d) концентрация на водород за полуцилиндрични намотки.
За да се подобрят характеристиките на топлопренос на реактора MG, са проектирани два HFC за постоянен обем на MG (2000 cm3) и спирален топлообменник (100 cm3) от Вариант 3. Този раздел също така разглежда ефекта от разстоянието между намотки от 15 мм за корпус 4, 12,86 мм за корпус 5 и 10 мм за корпус 6. На фиг.4c, d показват средната температура на слоя и концентрацията на процеса на абсорбция на водород при начална температура от 573 K и налягане на натоварване от 1, 8 MPa.Според средната температура на слоя на Фиг. 4с, по-малкото разстояние между намотките в случай 6 намалява значително температурата в сравнение с другите два случая.За случай 6 по-ниската температура на слоя води до по-висока концентрация на водород (виж Фиг. 4d).Времето за поглъщане на водород за Вариант 4 е 19542 s, което е повече от 2 пъти по-малко от това за Варианти 1-3, използващи HCH.В допълнение, в сравнение със случай 4, времето на абсорбция също беше намалено с 378 s и 1515 s в случаи 5 и 6 с по-ниски разстояния.Допълнителният раздел представя контурите на температурата и концентрацията на водород за избрани места в слоя SCHE-MH.
За да се проучи работата на две конфигурации на топлообменник, този раздел чертае и представя температурни криви на три избрани места.MH реакторът с HCHE от случай 3 беше избран за сравнение с MH реактора, съдържащ SCHE в случай 4, тъй като има постоянен MH обем и обем на тръбата.Работните условия за това сравнение бяха начална температура от 573 K и налягане на натоварване от 1,8 MPa.На фиг.5а и 5b показват всичките три избрани позиции на температурните профили в случаи 3 и 4, съответно.На фиг.5с показва температурния профил и концентрацията на слоя след 20 000 s поглъщане на водород.Съгласно ред 1 на Фиг. 5c, температурата около TTF от опции 3 и 4 намалява поради конвективния топлопренос на охлаждащата течност.Това води до по-висока концентрация на водород около тази област.Въпреки това, използването на два SCHE води до по-висока концентрация на слоя.По-бързи кинетични реакции бяха открити около HTF региона в случай 4. В допълнение, максимална концентрация от 100% също беше открита в този регион.От линия 2, разположена в средата на реактора, температурата на случай 4 е значително по-ниска от температурата на случай 3 на всички места, с изключение на центъра на реактора.Това води до максимална концентрация на водород за случай 4, с изключение на областта близо до центъра на реактора, далеч от HTF.Концентрацията на случай 3 обаче не се промени много.Голяма разлика в температурата и концентрацията на слоя се наблюдава в линия 3 близо до входа на GTS.Температурата на слоя в случай 4 намалява значително, което води до най-високата концентрация на водород в този регион, докато концентрационната линия в случай 3 все още се колебае.Това се дължи на ускоряването на топлообмена на SCHE.Подробности и обсъждане на сравнението на средната температура на слоя MH и HTF тръбата между случай 3 и случай 4 са предоставени в допълнителния раздел.
Температурен профил и концентрация в слоя на избрани места в реактора за метален хидрид.(a) Избрани места за случай 3, (b) Избрани места за случай 4 и (c) Температурен профил и концентрация на слоя в избрани места след 20 000 s за процеса на поглъщане на водород в случаи 3 и 4.
На фиг.Фигура 6 показва сравнение на средната температура на слоя (вижте Фигура 6а) и концентрацията на водород (вижте Фигура 6b) за абсорбцията на HCH и SHE.От тази фигура може да се види, че температурата на слоя MG намалява значително поради увеличаване на площта на топлообмен.Отстраняването на повече топлина от реактора води до по-висока скорост на усвояване на водород.Въпреки че двете конфигурации на топлообменника имат еднакви обеми в сравнение с използването на HCHE като Вариант 3, времето за усвояване на водород на SCHE въз основа на Вариант 4 беше значително намалено с 59%.За по-подробен анализ, концентрациите на водород за двете конфигурации на топлообменника са показани като изолинии на Фигура 7. Тази фигура показва, че и в двата случая водородът започва да се абсорбира отдолу около входа на HTF.По-високи концентрации бяха открити в HTF региона, докато по-ниски концентрации бяха наблюдавани в центъра на МН реактора поради разстоянието му от топлообменника.След 10 000 s концентрацията на водород в случай 4 е значително по-висока, отколкото в случай 3. След 20 000 секунди средната концентрация на водород в реактора се е повишила до 90% в случай 4 в сравнение с 50% водород в случай 3. Това може да се дължи на към по-високия ефективен капацитет на охлаждане при комбинирането на два SCHE, което води до по-ниска температура вътре в слоя MH.Следователно, по-равновесно налягане пада вътре в MG слоя, което води до по-бърза абсорбция на водород.
Случай 3 и Случай 4 Сравнение на средната температура на слоя и концентрацията на водород между две конфигурации на топлообменника.
Сравнение на концентрацията на водород след 500, 2000, 5000, 10000 и 20000 s след началото на процеса на абсорбция на водород в случай 3 и случай 4.
Таблица 5 обобщава продължителността на поглъщане на водород за всички случаи.Освен това таблицата показва и времето на абсорбция на водород, изразено в проценти.Този процент се изчислява въз основа на времето на абсорбция на Случай 1. От тази таблица времето на абсорбция на МН реактора, използващ HCHE, е около 45 000 до 46 000 s, а времето на абсорбция, включително SCHE, е около 18 000 до 19 000 s.В сравнение със Случай 1, времето за усвояване в Случай 2 и Случай 3 е намалено съответно само с 1,6% и 2,7%.Когато се използва SCHE вместо HCHE, времето за абсорбция е значително намалено от случай 4 до случай 6, от 58% на 61%.Ясно е, че добавянето на SCHE към MH реактора значително подобрява процеса на абсорбция на водород и работата на MH реактора.Въпреки че инсталирането на топлообменник вътре в реактора MH намалява капацитета за съхранение, тази технология осигурява значително подобрение в преноса на топлина в сравнение с други технологии.Също така, намаляването на стойността на височината ще увеличи силата на звука на SCHE, което ще доведе до намаляване на силата на звука на MH.В случай 6 с най-висок обем SCHE, обемният капацитет на MH е намален само с 5% в сравнение със случай 1 с най-нисък обем HCHE.В допълнение, по време на абсорбцията, случай 6 показа по-бързо и по-добро представяне с 61% намаление на времето за абсорбция.Следователно случай 6 беше избран за по-нататъшно изследване в анализа на чувствителността.Трябва да се отбележи, че дългото време за поглъщане на водород е свързано с резервоар за съхранение, съдържащ MH обем от около 2000 cm3.
Работните параметри по време на реакцията са важни фактори, които влияят положително или отрицателно на работата на реактора MH при реални условия.Това проучване разглежда анализ на чувствителността за определяне на подходящите първоначални работни параметри за MH реактор в комбинация с SCHE и този раздел изследва четирите основни работни параметъра въз основа на оптималната конфигурация на реактора в случай 6. Резултатите за всички работни условия са показани в Фиг. 8.
Графика на концентрацията на водород при различни работни условия при използване на топлообменник с полуцилиндрична намотка.(a) налягане при натоварване, (b) начална температура на слоя, (c) число на Рейнолдс на охлаждащата течност и (d) температура на входа на охлаждащата течност.
Въз основа на постоянна начална температура от 573 К и скорост на потока на охлаждащата течност с число на Рейнолдс 14 000, бяха избрани четири различни налягания на натоварване: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa и 3,0 MPa.На фиг.8а показва ефекта от налягането на натоварване и SCHE върху концентрацията на водород във времето.Времето за абсорбиране намалява с увеличаване на налягането на натоварване.Използването на приложено налягане на водорода от 1,2 MPa е най-лошият случай за процеса на абсорбция на водород, а продължителността на абсорбция надхвърля 26 000 s, за да се постигне 90% абсорбция на водород.Въпреки това, по-високото налягане на натоварване доведе до 32-42% намаление на времето за абсорбция от 1,8 до 3,0 MPa.Това се дължи на по-високото начално налягане на водорода, което води до по-голяма разлика между равновесното налягане и приложеното налягане.Следователно, това създава голяма движеща сила за кинетиката на поглъщане на водород.В началния момент водородният газ се абсорбира бързо поради голямата разлика между равновесното налягане и приложеното налягане57.При налягане на натоварване от 3,0 MPa, 18% водород бързо се натрупва през първите 10 секунди.Водородът се съхранява в 90% от реакторите на последния етап за 15460 s.Въпреки това, при налягане на натоварване от 1,2 до 1,8 MPa, времето за абсорбция е значително намалено с 32%.Други по-високи налягания имат по-малък ефект върху подобряването на времето на абсорбция.Поради това се препоръчва налягането на натоварване на реактора MH-SCHE да бъде 1,8 MPa.Допълнителният раздел показва контурите на концентрацията на водород за различни налягания на натоварване при 15500 s.
Изборът на подходяща начална температура на МН реактора е един от основните фактори, влияещи върху процеса на адсорбция на водород, тъй като влияе върху движещата сила на реакцията на образуване на хидрид.За изследване на ефекта на SCHE върху началната температура на реактора MH бяха избрани четири различни температури при постоянно налягане на натоварване от 1,8 MPa и число на Рейнолдс от 14 000 HTF.На фиг.Фигура 8b показва сравнение на различни начални температури, включително 473K, 523K, 573K и 623K.Всъщност, когато температурата е по-висока от 230°C или 503K58, сплавта Mg2Ni има ефективни характеристики за процеса на абсорбция на водород.Въпреки това, в началния момент на впръскване на водород, температурата се повишава бързо.Следователно температурата на MG слоя ще надвиши 523 К. Следователно образуването на хидриди се улеснява поради повишената скорост на абсорбция53.От фиг.Може да се види от фиг. 8b, че водородът се абсорбира по-бързо, когато началната температура на MB слоя намалява.По-ниски равновесни налягания възникват, когато началната температура е по-ниска.Колкото по-голяма е разликата в налягането между равновесното налягане и приложеното налягане, толкова по-бърз е процесът на абсорбция на водород.При начална температура от 473 K, водородът се абсорбира бързо до 27% през първите 18 секунди.В допълнение, времето на абсорбция също беше намалено от 11% на 24% при по-ниска начална температура в сравнение с началната температура от 623 K. Времето на абсорбция при най-ниската начална температура от 473 K е 15247 s, което е подобно на най-доброто В случай на натоварване при налягане, обаче, намаляването на първоначалната температура на температурата на реактора води до намаляване на капацитета за съхранение на водород.Началната температура на MN реактора трябва да бъде най-малко 503 K53.В допълнение, при начална температура от 573 К53 може да се постигне максимален капацитет за съхранение на водород от 3,6 тегл.%.По отношение на капацитета за съхранение на водород и продължителността на абсорбция, температурите между 523 и 573 K съкращават времето само с 6%.Следователно температура от 573 K се предлага като начална температура на реактора MH-SCHE.Въпреки това, ефектът от началната температура върху процеса на абсорбция е по-малко значим в сравнение с налягането на натоварване.Допълнителният раздел показва контурите на концентрацията на водород за различни начални температури при 15500 s.
Скоростта на потока е един от основните параметри на хидрогенирането и дехидрогенирането, тъй като може да повлияе на турбуленцията и отделянето на топлина или входящата енергия по време на хидрогениране и дехидрогениране59.Високите скорости на потока ще създадат турбулентни фази и ще доведат до по-бърз поток на флуида през HTF тръбата.Тази реакция ще доведе до по-бърз пренос на топлина.Различните скорости на влизане за HTF се изчисляват въз основа на числата на Рейнолдс от 10 000, 14 000, 18 000 и 22 000.Началната температура на слоя MG беше фиксирана на 573 K и налягането на натоварване на 1, 8 MPa.Резултатите на фиг.8c показват, че използването на по-високо число на Рейнолдс в комбинация със SCHE води до по-висока степен на усвояване.Тъй като числото на Рейнолдс нараства от 10 000 на 22 000, времето за абсорбция намалява с около 28-50%.Времето на абсорбция при число на Рейнолдс от 22 000 е 12 505 секунди, което е по-малко, отколкото при различни първоначални температури и налягания на натоварване.Контурите на концентрацията на водород за различни числа на Рейнолдс за GTP при 12500 s са представени в допълнителния раздел.
Ефектът на SCHE върху началната температура на HTF е анализиран и показан на Фиг. 8d.При начална температура на MG от 573 K и налягане на натоварване с водород от 1,8 MPa, четири начални температури бяха избрани за този анализ: 373 K, 473 K, 523 K и 573 K. 8d показва, че намаляването на температурата на охлаждащата течност на входа води до намаляване на времето за абсорбция.В сравнение с основния случай с входяща температура от 573 K, времето на абсорбция е намалено с приблизително 20%, 44% и 56% за входни температури от 523 K, 473 K и 373 K, съответно.При 6917 s началната температура на GTF е 373 K, концентрацията на водород в реактора е 90%.Това може да се обясни с подобрен конвективен пренос на топлина между слоя MG и HCS.По-ниските температури на HTF ще увеличат разсейването на топлината и ще доведат до повишено усвояване на водород.Сред всички работни параметри, подобряването на производителността на реактора MH-SCHE чрез повишаване на температурата на входа на HTF беше най-подходящият метод, тъй като крайното време на процеса на абсорбция беше по-малко от 7000 s, докато най-краткото време на абсорбция на други методи беше повече от 10000 s.Контурите на концентрацията на водород са представени за различни начални температури на GTP за 7000 s.
Това проучване представя за първи път нов топлообменник с полуцилиндрична намотка, интегриран в устройство за съхранение на метален хидрид.Способността на предложената система да абсорбира водород беше изследвана с различни конфигурации на топлообменника.Изследвано е влиянието на работните параметри върху топлообмена между слоя метален хидрид и охлаждащата течност, за да се намерят оптималните условия за съхранение на метални хидриди с помощта на нов топлообменник.Основните констатации от това проучване са обобщени, както следва:
С топлообменник с полуцилиндрична намотка, ефективността на топлопреноса е подобрена, тъй като има по-равномерно разпределение на топлината в реактора с магнезиев слой, което води до по-добра степен на абсорбция на водород.При условие, че обемът на топлообменната тръба и металния хидрид остават непроменени, времето за реакция на абсорбция е значително намалено с 59% в сравнение с конвенционален спираловиден топлообменник.
Време на публикуване: 15 януари 2023 г