Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Zobrazuje karusel troch snímok naraz.Pomocou tlačidiel Predchádzajúci a Ďalší sa môžete pohybovať po troch snímkach naraz alebo pomocou posúvacích tlačidiel na konci môžete prechádzať tromi snímkami naraz.
Hydridy kovov (MH) sú uznávané ako jedna z najvhodnejších materiálových skupín na skladovanie vodíka kvôli ich veľkej kapacite skladovania vodíka, nízkemu prevádzkovému tlaku a vysokej bezpečnosti.Avšak ich pomalá kinetika absorpcie vodíka výrazne znižuje výkon skladovania.Rýchlejší odvod tepla zo zásobníka MH by mohol hrať dôležitú úlohu pri zvyšovaní jeho spotreby vodíka, čo by malo za následok zlepšený výkon zásobníka.V tomto ohľade bola táto štúdia zameraná na zlepšenie charakteristík prenosu tepla s cieľom pozitívne ovplyvniť rýchlosť absorpcie vodíka v systéme skladovania MH.Nová polvalcová špirála bola prvýkrát vyvinutá a optimalizovaná na skladovanie vodíka a začlenená ako vnútorný vzduchový výmenník tepla (HTF).Na základe rôznych veľkostí rozstupov sa analyzuje účinok novej konfigurácie výmenníka tepla a porovnáva sa s konvenčnou geometriou špirálovej cievky.Okrem toho boli numericky študované prevádzkové parametre skladovania MG a GTP, aby sa získali optimálne hodnoty.Na numerickú simuláciu sa používa ANSYS Fluent 2020 R2.Výsledky tejto štúdie ukazujú, že výkon MH zásobníka možno výrazne zlepšiť použitím polovalcového špirálového výmenníka tepla (SCHE).V porovnaní s konvenčnými špirálovými výmenníkmi tepla je doba absorpcie vodíka znížená o 59 %.Najmenšia vzdialenosť medzi cievkami SCHE viedla k 61% skráteniu doby absorpcie.Čo sa týka prevádzkových parametrov zásobníka MG pomocou SHE, všetky zvolené parametre vedú k výraznému zlepšeniu procesu absorpcie vodíka, najmä teploty na vstupe do HTS.
Nastáva globálny prechod od energie založenej na fosílnych palivách k obnoviteľnej energii.Pretože mnohé formy obnoviteľnej energie poskytujú energiu dynamickým spôsobom, skladovanie energie je nevyhnutné na vyváženie záťaže.Skladovanie energie na báze vodíka pritiahlo na tento účel veľkú pozornosť, najmä preto, že vodík môže byť vďaka svojim vlastnostiam a prenosnosti použitý ako „zelené“ alternatívne palivo a nosič energie.Okrem toho vodík ponúka aj vyšší obsah energie na jednotku hmotnosti v porovnaní s fosílnymi palivami2.Existujú štyri hlavné typy skladovania vodíkovej energie: skladovanie stlačeného plynu, podzemné skladovanie, skladovanie tekutín a skladovanie pevných látok.Stlačený vodík je hlavným typom používaným vo vozidlách s palivovými článkami, ako sú autobusy a vysokozdvižné vozíky.Toto skladovanie však poskytuje nízku objemovú hmotnosť vodíka (približne 0,089 kg/m3) a má bezpečnostné problémy spojené s vysokým prevádzkovým tlakom3.Na základe procesu premeny pri nízkej okolitej teplote a tlaku bude kvapalina skladovať vodík v kvapalnej forme.Pri skvapalnení sa však stratí asi 40 % energie.Okrem toho je známe, že táto technológia je v porovnaní s technológiami skladovania v pevnej fáze náročnejšia na energiu a prácu4.Pevné skladovanie je životaschopnou možnosťou pre vodíkovú ekonomiku, ktorá ukladá vodík začlenením vodíka do pevných materiálov absorpciou a uvoľňovaním vodíka desorpciou.Metal hydrid (MH), technológia skladovania pevných materiálov, je v poslednom čase predmetom záujmu v aplikáciách palivových článkov vďaka svojej vysokej kapacite vodíka, nízkemu prevádzkovému tlaku a nízkym nákladom v porovnaní so skladovaním kvapalín a je vhodný pre stacionárne a mobilné aplikácie6,7 In Okrem toho, MH materiály tiež poskytujú bezpečnostné vlastnosti, ako je efektívne skladovanie veľkej kapacity8.Existuje však problém, ktorý obmedzuje produktivitu MG: nízka tepelná vodivosť MG reaktora vedie k pomalej absorpcii a desorpcii vodíka.
Správny prenos tepla počas exotermických a endotermických reakcií je kľúčom k zlepšeniu výkonu MH reaktorov.Pre proces plnenia vodíka sa musí z reaktora odoberať vytvorené teplo, aby sa reguloval prietok vodíka požadovanou rýchlosťou s maximálnou skladovacou kapacitou.Namiesto toho je potrebné teplo na zvýšenie rýchlosti vývoja vodíka počas vybíjania.Aby sa zlepšil výkon prenosu tepla a hmoty, mnohí výskumníci študovali dizajn a optimalizáciu na základe viacerých faktorov, ako sú prevádzkové parametre, štruktúra MG a optimalizácia MG11.Optimalizácia MG sa môže uskutočniť pridaním materiálov s vysokou tepelnou vodivosťou, ako sú penové kovy, do vrstiev 12, 13 MG.Efektívna tepelná vodivosť sa tak môže zvýšiť z 0,1 na 2 W/mK10.Prídavok pevných materiálov však výrazne znižuje výkon MN reaktora.Pokiaľ ide o prevádzkové parametre, zlepšenia možno dosiahnuť optimalizáciou počiatočných prevádzkových podmienok vrstvy MG a chladiacej kvapaliny (HTF).Štruktúra MG môže byť optimalizovaná vďaka geometrii reaktora a konštrukcii výmenníka tepla.Pokiaľ ide o konfiguráciu výmenníka tepla reaktora MH, metódy možno rozdeliť do dvoch typov.Ide o vnútorné výmenníky tepla zabudované do vrstvy MO a vonkajšie výmenníky tepla pokrývajúce vrstvu MO, ako sú rebrá, chladiace plášte a vodné kúpele.Pokiaľ ide o externý výmenník tepla, Kaplan16 analyzoval prevádzku MH reaktora s použitím chladiacej vody ako plášťa na zníženie teploty vo vnútri reaktora.Výsledky boli porovnané s reaktorom s 22 kruhovými rebrami a ďalším reaktorom chladeným prirodzenou konvekciou.Uvádzajú, že prítomnosť chladiaceho plášťa výrazne znižuje teplotu MH, čím sa zvyšuje rýchlosť absorpcie.Numerické štúdie MH reaktora s vodným plášťom od Patil a Gopal17 ukázali, že tlak prívodu vodíka a teplota HTF sú kľúčové parametre ovplyvňujúce rýchlosť absorpcie a desorpcie vodíka.
Zväčšenie plochy prenosu tepla pridaním rebier a výmenníkov tepla zabudovaných do MH je kľúčom k zlepšeniu výkonu prenosu tepla a hmoty a tým aj akumulačného výkonu MH18.Na cirkuláciu chladiva v reaktore MH19,20,21,22,23,24,25,26 bolo navrhnutých niekoľko konfigurácií vnútorných výmenníkov tepla (priama rúrka a špirálová špirála).Pomocou vnútorného výmenníka tepla bude chladiaca alebo vykurovacia kvapalina prenášať lokálne teplo vo vnútri MH reaktora počas procesu adsorpcie vodíka.Raju a Kumar [27] použili niekoľko priamych rúrok ako výmenníkov tepla na zlepšenie výkonu MG.Ich výsledky ukázali, že časy absorpcie sa skrátili, keď sa ako výmenníky tepla použili rovné rúrky.Okrem toho použitie priamych rúrok skracuje čas desorpcie vodíka28.Vyššie prietoky chladiacej kvapaliny zvyšujú rýchlosť nabíjania a vybíjania vodíka29.Zvýšenie počtu chladiacich rúrok má však pozitívny vplyv skôr na výkon MH ako na prietok chladiacej kvapaliny30,31.Raju a kol.32 použili LaMi4.7Al0.3 ako MH materiál na štúdium výkonu viacrúrových výmenníkov tepla v reaktoroch.Uviedli, že prevádzkové parametre mali významný vplyv na absorpčný proces, najmä tlak privádzania a potom prietokovú rýchlosť HTF.Teplota absorpcie sa však ukázala ako menej kritická.
Výkon MH reaktora je ďalej vylepšený použitím špirálového špirálového výmenníka tepla vďaka zlepšenému prenosu tepla v porovnaní s priamymi rúrkami.Sekundárny cyklus totiž dokáže lepšie odoberať teplo z reaktora25.Špirálové rúrky navyše poskytujú veľkú plochu na prenos tepla z vrstvy MH do chladiacej kvapaliny.Keď sa tento spôsob zavedie do reaktora, distribúcia teplovýmenných rúrok je tiež rovnomernejšia33.Wang a kol.34 študoval účinok trvania absorpcie vodíka pridaním špirálovej cievky do MH reaktora.Ich výsledky ukazujú, že so zvyšujúcim sa koeficientom prestupu tepla chladiacej kvapaliny klesá doba absorpcie.Wu a kol.25 skúmala výkonnosť MH reaktorov na báze Mg2Ni a špirálových výmenníkov tepla.Ich numerické štúdie ukázali skrátenie reakčného času.Zlepšenie mechanizmu prenosu tepla v MN reaktore je založené na menšom pomere stúpania závitoviek k stúpaniu závitoviek a bezrozmernom stúpaní závitoviek.Experimentálna štúdia od Mellouliho a spol.21 s použitím špirálovej cievky ako vnútorného výmenníka tepla ukázala, že počiatočná teplota HTF má významný vplyv na zlepšenie absorpcie vodíka a času desorpcie.V niekoľkých štúdiách sa uskutočnili kombinácie rôznych vnútorných výmenníkov tepla.Eisapur a kol.35 študoval skladovanie vodíka pomocou špirálového špirálového výmenníka tepla s centrálnou spätnou rúrkou na zlepšenie procesu absorpcie vodíka.Ich výsledky ukázali, že špirálová trubica a centrálna spätná trubica výrazne zlepšujú prenos tepla medzi chladivom a MG.Menšie stúpanie a väčší priemer špirálovej rúrky zvyšujú rýchlosť prenosu tepla a hmoty.Ardahaie a kol.36 použil ploché špirálové rúrky ako výmenníky tepla na zlepšenie prenosu tepla v reaktore.Uviedli, že trvanie absorpcie sa znížilo zvýšením počtu sploštených rovín špirálových rúrok.V niekoľkých štúdiách sa uskutočnili kombinácie rôznych vnútorných výmenníkov tepla.Dhau a kol.37 zlepšil výkon MH pomocou špirálového výmenníka tepla a rebier.Ich výsledky ukazujú, že táto metóda znižuje čas plnenia vodíka o faktor 2 v porovnaní s puzdrom bez rebier.Prstencové rebrá sú spojené s chladiacimi rúrkami a zabudované do MN reaktora.Výsledky tejto štúdie ukazujú, že táto kombinovaná metóda poskytuje rovnomernejší prenos tepla v porovnaní s MH reaktorom bez rebier.Kombinácia rôznych výmenníkov tepla však negatívne ovplyvní hmotnosť a objem MH reaktora.Wu a kol.18 porovnávali rôzne konfigurácie výmenníkov tepla.Patria sem priame rúrky, rebrá a špirálové cievky.Autori uvádzajú, že špirálové cievky poskytujú najlepšie zlepšenie prenosu tepla a hmoty.Okrem toho v porovnaní s rovnými rúrami, stočenými rúrkami a rovnými rúrkami kombinovanými so stočenými rúrkami majú dvojité cievky lepší účinok na zlepšenie prenosu tepla.Štúdia Sekhara et al.40 ukázali, že podobné zlepšenie absorpcie vodíka sa dosiahlo použitím špirálovej cievky ako vnútorného výmenníka tepla a rebrovaného vonkajšieho chladiaceho plášťa.
Z vyššie uvedených príkladov použitie špirálových vinutí ako vnútorných výmenníkov tepla poskytuje lepšie zlepšenie prenosu tepla a hmoty ako iné výmenníky tepla, najmä priame rúrky a rebrá.Preto bolo cieľom tejto štúdie ďalej vyvinúť špirálovú cievku, aby sa zlepšil výkon prenosu tepla.Prvýkrát bola vyvinutá nová polvalcová cievka založená na konvenčnej MH špirálovej cievke.Očakáva sa, že táto štúdia zlepší výkon skladovania vodíka zvážením nového dizajnu výmenníka tepla s lepším usporiadaním zóny prenosu tepla, ktorú poskytuje konštantný objem lôžka MH a rúr HTF.Akumulačný výkon tohto nového výmenníka tepla bol potom porovnaný s konvenčnými špirálovými špirálovými výmenníkmi tepla založenými na rôznych rozstupoch špirál.Podľa existujúcej literatúry sú prevádzkové podmienky a rozstupy cievok hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi výkon reaktorov MH.Na optimalizáciu konštrukcie tohto nového výmenníka tepla sa skúmal vplyv rozmiestnenia cievok na čas spotreby vodíka a objem MH.Okrem toho, aby sme pochopili vzťah medzi novými polovalcovými cievkami a prevádzkovými podmienkami, sekundárnym cieľom tejto štúdie bolo študovať charakteristiky reaktora podľa rôznych rozsahov prevádzkových parametrov a určiť vhodné hodnoty pre každý prevádzkový režim.parameter.
Výkon zariadenia na uchovávanie vodíkovej energie v tejto štúdii je skúmaný na základe dvoch konfigurácií výmenníka tepla (vrátane špirálových rúr v prípadoch 1 až 3 a polvalcových rúr v prípadoch 4 až 6) a analýzy citlivosti prevádzkových parametrov.Funkčnosť MH reaktora bola prvýkrát testovaná s použitím špirálovej rúrky ako výmenníka tepla.Potrubie chladiaceho oleja aj nádoba reaktora MH sú vyrobené z nehrdzavejúcej ocele.Treba poznamenať, že rozmery reaktora MG a priemer rúr GTF boli vo všetkých prípadoch konštantné, zatiaľ čo veľkosti krokov GTF sa menili.Táto časť analyzuje vplyv veľkosti rozstupu HTF cievok.Výška a vonkajší priemer reaktora boli 110 mm a 156 mm.Priemer teplovodivého olejového potrubia je nastavený na 6 mm.Podrobnosti o schéme zapojenia reaktora MH so špirálovými rúrkami a dvoma polvalcovými rúrkami nájdete v doplnkovej časti.
Na obr.la je znázornený špirálový rúrkový reaktor MH a jeho rozmery.Všetky geometrické parametre sú uvedené v tabuľke.1. Celkový objem špirály je približne 100 cm3 a objem ZG je približne 2000 cm3.Z tohto MH reaktora bol vzduch vo forme HTF privádzaný do pórovitého MH reaktora zospodu cez špirálovú rúrku a vodík bol zavádzaný z horného povrchu reaktora.
Charakterizácia vybraných geometrií pre metalhydridové reaktory.a) so špirálovo-rúrkovým výmenníkom tepla, b) s polvalcovým rúrkovým výmenníkom tepla.
Druhá časť skúma činnosť MH reaktora na báze polvalcovej rúrky ako výmenníka tepla.Na obr.1b znázorňuje MN reaktor s dvoma polvalcovými rúrami a ich rozmery.Tabuľka 1 uvádza všetky geometrické parametre polvalcových rúr, ktoré zostávajú konštantné, s výnimkou vzdialenosti medzi nimi.Treba poznamenať, že polvalcová trubica v prípade 4 bola navrhnutá s konštantným objemom trubice HTF a zliatiny MH vo stočenej trubici (možnosť 3).Pokiaľ ide o obr.1b, vzduch bol tiež privádzaný zospodu dvoch polvalcových HTF trubíc a vodík bol zavádzaný z opačného smeru od MH reaktora.
Vzhľadom na novú konštrukciu výmenníka tepla je účelom tejto časti určiť vhodné počiatočné hodnoty pre prevádzkové parametre MZ reaktora v kombinácii s SCHE.Vo všetkých prípadoch sa ako chladivo na odvádzanie tepla z reaktora použil vzduch.Spomedzi olejov na prenos tepla sa vzduch a voda bežne vyberajú ako oleje na prenos tepla pre reaktory MH kvôli ich nízkej cene a nízkemu vplyvu na životné prostredie.Vzhľadom na vysoký rozsah prevádzkových teplôt zliatin na báze horčíka bol v tejto štúdii ako chladivo zvolený vzduch.Okrem toho má tiež lepšie tokové vlastnosti ako iné tekuté kovy a roztavené soli41.Tabuľka 2 uvádza vlastnosti vzduchu pri 573 K. Na analýzu citlivosti v tejto časti sa použijú len najlepšie konfigurácie možností výkonu MH-SCHE (v prípadoch 4 až 6).Odhady v tejto časti sú založené na rôznych prevádzkových parametroch, vrátane počiatočnej teploty MH reaktora, tlaku vodíka, vstupnej teploty HTF a Reynoldsovho čísla vypočítaného zmenou rýchlosti HTF.Tabuľka 3 obsahuje všetky prevádzkové parametre použité na analýzu citlivosti.
Táto časť popisuje všetky potrebné riadiace rovnice pre proces absorpcie vodíka, turbulencie a prenosu tepla chladiva.
Na zjednodušenie riešenia reakcie absorpcie vodíka sú vytvorené a poskytnuté nasledujúce predpoklady;
Počas absorpcie sú termofyzikálne vlastnosti vodíka a hydridov kovov konštantné.
Vodík sa považuje za ideálny plyn, preto sa berú do úvahy miestne podmienky tepelnej rovnováhy43,44.
kde \({L}_{plyn}\) je polomer nádrže a \({L}_{teplo}\) je axiálna výška nádrže.Keď je N menšie ako 0,0146, prietok vodíka v nádrži môže byť v simulácii ignorovaný bez významnej chyby.Podľa súčasného výskumu je N oveľa nižší ako 0,1.Preto možno efekt tlakového gradientu zanedbať.
Steny reaktora boli vo všetkých prípadoch dobre izolované.Preto nedochádza k výmene 47 tepla medzi reaktorom a okolím.
Je dobre známe, že zliatiny na báze Mg majú dobré hydrogenačné charakteristiky a vysokú kapacitu skladovania vodíka až do 7,6 % hmotn.8.Pokiaľ ide o aplikácie skladovania vodíka v tuhom stave, tieto zliatiny sú tiež známe ako ľahké materiály.Okrem toho majú vynikajúcu tepelnú odolnosť a dobrú spracovateľnosť8.Spomedzi viacerých zliatin na báze Mg je zliatina MgNi na báze Mg2Ni jednou z najvhodnejších možností pre skladovanie MH vďaka svojej kapacite skladovania vodíka až 6 hm.Zliatiny Mg2Ni tiež poskytujú rýchlejšiu kinetiku adsorpcie a desorpcie v porovnaní so zliatinou MgH48.Preto bol Mg2Ni vybraný ako kovový hydridový materiál v tejto štúdii.
Energetická rovnica je vyjadrená ako 25 na základe tepelnej bilancie medzi vodíkom a hydridom Mg2Ni:
X je množstvo vodíka absorbovaného na povrchu kovu, jednotka je \(hmotnosť\%\), vypočítaná z kinetickej rovnice \(\frac{dX}{dt}\) počas absorpcie takto49:
kde \({C}_{a}\) je rýchlosť reakcie a \({E}_{a}\) je aktivačná energia.\({P}_{a,eq}\) je rovnovážny tlak vo vnútri reaktora na hydrid kovu počas absorpčného procesu, daný van't Hoffovou rovnicou takto25:
Kde \({P}_{ref}\) je referenčný tlak 0,1 MPa.\(\Delta H\) a \(\Delta S\) sú entalpia a entropia reakcie.Vlastnosti zliatin Mg2Ni a vodíka sú uvedené v tabuľke.4. Uvedený zoznam nájdete v doplnkovej časti.
Prúd tekutiny sa považuje za turbulentný, pretože jeho rýchlosť a Reynoldsovo číslo (Re) sú 78,75 ms-1 a 14 000.V tejto štúdii bol zvolený dosiahnuteľný model k-ε turbulencie.Je potrebné poznamenať, že táto metóda poskytuje vyššiu presnosť v porovnaní s inými metódami k-ε a tiež vyžaduje kratší výpočtový čas ako metódy RNG k-ε50,51.Podrobnosti o základných rovniciach pre teplonosné kvapaliny nájdete v doplnkovej časti.
Spočiatku bol teplotný režim v MN reaktore jednotný a priemerná koncentrácia vodíka bola 0,043.Predpokladá sa, že vonkajšie ohraničenie MH reaktora je dobre izolované.Zliatiny na báze horčíka zvyčajne vyžadujú vysoké reakčné prevádzkové teploty na skladovanie a uvoľňovanie vodíka v reaktore.Zliatina Mg2Ni vyžaduje teplotný rozsah 523–603 K pre maximálnu absorpciu a teplotný rozsah 573–603 K pre úplnú desorpciu52.Experimentálne štúdie Muthukumara et al.53 však ukázali, že maximálnu skladovaciu kapacitu Mg2Ni na skladovanie vodíka je možné dosiahnuť pri prevádzkovej teplote 573 K, čo zodpovedá jeho teoretickej kapacite.Preto bola v tejto štúdii ako počiatočná teplota MN reaktora zvolená teplota 573 K.
Vytvorte rôzne veľkosti mriežky pre overenie a spoľahlivé výsledky.Na obr.2 ukazuje priemernú teplotu na vybraných miestach procesu absorpcie vodíka zo štyroch rôznych prvkov.Stojí za zmienku, že iba jeden prípad každej konfigurácie je vybraný na testovanie nezávislosti siete kvôli podobnej geometrii.Rovnaká metóda sieťovania sa používa v iných prípadoch.Preto zvoľte možnosť 1 pre špirálovú rúrku a možnosť 4 pre polvalcovú rúrku.Na obr.2a, b znázorňuje priemernú teplotu v reaktore pre možnosti 1 a 4, v tomto poradí.Tri vybrané miesta predstavujú teplotné obrysy lôžka v hornej, strednej a spodnej časti reaktora.Na základe teplotných obrysov na vybraných miestach sa priemerná teplota ustáli a vykazuje malú zmenu v číslach prvkov 428 891 a 430 599 pre prípady 1 a 4, v tomto poradí.Preto boli tieto veľkosti mriežky zvolené pre ďalšie výpočtové výpočty.Podrobné informácie o priemernej teplote lôžka pre proces absorpcie vodíka pre rôzne veľkosti buniek a postupne rafinované siete pre oba prípady sú uvedené v doplnkovej časti.
Priemerná teplota lôžka vo vybraných bodoch procesu absorpcie vodíka v reaktore s hydridom kovu s rôznymi číslami mriežky.(a) Priemerná teplota na vybraných miestach pre prípad 1 a (b) Priemerná teplota na vybraných miestach pre prípad 4.
Reaktor s hydridom kovu na báze Mg v tejto štúdii bol testovaný na základe experimentálnych výsledkov Muthukumara et al.53.Vo svojej štúdii použili zliatinu Mg2Ni na skladovanie vodíka v rúrkach z nehrdzavejúcej ocele.Medené rebrá sa používajú na zlepšenie prenosu tepla vo vnútri reaktora.Na obr.3a ukazuje porovnanie priemernej teploty lôžka absorpčného procesu medzi experimentálnou štúdiou a touto štúdiou.Prevádzkové podmienky zvolené pre tento experiment sú: počiatočná teplota MG 573 K a vstupný tlak 2 MPa.Z obr.3a je možné jasne ukázať, že tento experimentálny výsledok je v dobrej zhode s týmto, pokiaľ ide o priemernú teplotu vrstvy.
Overenie modelu.(a) Overenie kódu reaktora s hydridom kovu Mg2Ni porovnaním súčasnej štúdie s experimentálnou prácou Muthukumara a kol.52 a (b) overenie modelu turbulentného prúdenia v špirálovej rúrke porovnaním súčasnej štúdie so štúdiou Kumara a kol. .Výskum.54.
Na testovanie modelu turbulencie boli výsledky tejto štúdie porovnané s experimentálnymi výsledkami Kumara et al.54, aby sa potvrdila správnosť zvoleného modelu turbulencie.Kumar et al.54 študovali turbulentné prúdenie v špirálovom výmenníku tepla typu tube-in-pipe.Voda sa používa ako horúca a studená kvapalina vstrekovaná z opačných strán.Teplota horúcej a studenej kvapaliny je 323 K a 300 K.Reynoldsove čísla sa pohybujú od 3100 do 5700 pre horúce tekutiny a od 21 000 do 35 000 pre studené tekutiny.Deanova čísla sú 550-1000 pre horúce tekutiny a 3600-6000 pre studené tekutiny.Priemery vnútorného potrubia (pre horúcu kvapalinu) a vonkajšieho potrubia (pre studenú kvapalinu) sú 0,0254 ma 0,0508 m.Priemer a stúpanie špirálovej cievky sú 0,762 ma 0,100 m.Na obr.3b ukazuje porovnanie experimentálnych a aktuálnych výsledkov pre rôzne dvojice Nusseltových a Deanových čísel pre chladivo vo vnútornej trubici.Boli implementované tri rôzne modely turbulencie a porovnané s experimentálnymi výsledkami.Ako je znázornené na obr.3b sú výsledky dosiahnuteľného modelu turbulencie k-ε v dobrej zhode s experimentálnymi údajmi.Preto bol v tejto štúdii zvolený tento model.
Numerické simulácie v tejto štúdii boli vykonané pomocou ANSYS Fluent 2020 R2.Napíšte užívateľom definovanú funkciu (UDF) a použite ju ako vstupný člen energetickej rovnice na výpočet kinetiky absorpčného procesu.Pre komunikáciu tlak-rýchlosť a korekciu tlaku sa používa obvod PRESTO55 a metóda PISO56.Vyberte základňu Greene-Gaussovej bunky pre variabilný gradient.Rovnice hybnosti a energie sa riešia metódou protivetru druhého rádu.Čo sa týka koeficientov nedostatočnej relaxácie, zložky tlaku, rýchlosti a energie sú nastavené na 0,5, 0,7 a 0,7.Štandardné stenové funkcie sú aplikované na HTF v modeli turbulencie.
Táto časť prezentuje výsledky numerických simulácií zlepšeného vnútorného prenosu tepla MH reaktora pomocou špirálového výmenníka tepla (HCHE) a špirálového špirálového výmenníka tepla (SCHE) počas absorpcie vodíka.Analyzoval sa vplyv smoly HTF na teplotu lôžka reaktora a trvanie absorpcie.Hlavné prevádzkové parametre absorpčného procesu sú študované a prezentované v časti analýzy citlivosti.
Aby sa preskúmal vplyv rozmiestnenia cievok na prenos tepla v reaktore MH, skúmali sa tri konfigurácie výmenníkov tepla s rôznymi rozstupmi.Tri rôzne rozstupy 15 mm, 12,86 mm a 10 mm sú označené ako teleso 1, teleso 2 a teleso 3.Je potrebné poznamenať, že priemer potrubia bol vo všetkých prípadoch fixovaný na 6 mm pri počiatočnej teplote 573 K a zaťažovacom tlaku 1,8 MPa.Na obr.4 ukazuje priemernú teplotu lôžka a koncentráciu vodíka v MH vrstve počas procesu absorpcie vodíka v prípadoch 1 až 3. Typicky je reakcia medzi hydridom kovu a vodíkom exotermická pre absorpčný proces.Preto teplota lôžka rýchlo stúpa v dôsledku počiatočného okamihu, keď sa do reaktora prvýkrát zavádza vodík.Teplota lôžka sa zvyšuje, kým nedosiahne maximálnu hodnotu, a potom postupne klesá, pretože teplo je odvádzané chladivom, ktoré má nižšiu teplotu a pôsobí ako chladivo.Ako je znázornené na obr.4a, v dôsledku predchádzajúceho vysvetlenia sa teplota vrstvy rýchlo zvyšuje a neustále klesá.Koncentrácia vodíka pre absorpčný proces je zvyčajne založená na teplote lôžka MH reaktora.Keď priemerná teplota vrstvy klesne na určitú teplotu, kovový povrch absorbuje vodík.Je to spôsobené zrýchlením procesov fyzisorpcie, chemisorpcie, difúzie vodíka a tvorby jeho hydridov v reaktore.Z obr.4b je možné vidieť, že rýchlosť absorpcie vodíka v prípade 3 je nižšia ako v iných prípadoch v dôsledku menšej hodnoty kroku špirálového výmenníka tepla.Výsledkom je dlhšia celková dĺžka potrubia a väčšia plocha prenosu tepla pre HTF potrubia.Pri priemernej koncentrácii vodíka 90% je čas absorpcie pre Prípad 1 46 276 sekúnd.V porovnaní s trvaním absorpcie v prípade 1 sa trvanie absorpcie v prípade 2 a 3 skrátilo o 724 s a 1263 s.Doplnková časť predstavuje priebehy teploty a koncentrácie vodíka pre vybrané miesta vo vrstve HCHE-MH.
Vplyv vzdialenosti medzi cievkami na priemernú teplotu vrstvy a koncentráciu vodíka.(a) Priemerná teplota lôžka pre špirálové špirály, (b) koncentrácia vodíka pre špirálové špirály, (c) priemerná teplota lôžka pre polvalcové špirály a (d) koncentrácia vodíka pre polvalcové špirály.
Na zlepšenie charakteristík prenosu tepla reaktora MG boli navrhnuté dva HFC pre konštantný objem MG (2000 cm3) a špirálový výmenník tepla (100 cm3) možnosti 3. Táto časť tiež zvažuje vplyv vzdialenosti medzi cievky 15 mm pre puzdro 4, 12,86 mm pre puzdro 5 a 10 mm pre puzdro 6. Na obr.4c,d ukazujú priemernú teplotu lôžka a koncentráciu procesu absorpcie vodíka pri počiatočnej teplote 573 K a zaťažovacom tlaku 1,8 MPa.Podľa priemernej teploty vrstvy na obr. 4c menšia vzdialenosť medzi cievkami v prípade 6 výrazne znižuje teplotu v porovnaní s ďalšími dvoma prípadmi.V prípade 6 má nižšia teplota lôžka za následok vyššiu koncentráciu vodíka (pozri obr. 4d).Čas spotreby vodíka pre Variant 4 je 19542 s, čo je viac ako 2-krát menej ako pre Varianty 1-3 s použitím HCH.Okrem toho sa v porovnaní s prípadom 4 skrátil aj čas absorpcie o 378 s a 1515 s v prípadoch 5 a 6 s nižšími vzdialenosťami.Doplnková časť predstavuje priebehy teploty a koncentrácie vodíka pre vybrané miesta vo vrstve SCHE-MH.
Na štúdium výkonu dvoch konfigurácií výmenníkov tepla táto časť zobrazuje a prezentuje teplotné krivky na troch vybraných miestach.MH reaktor s HCHE z prípadu 3 bol vybraný na porovnanie s MH reaktorom obsahujúcim SCHE v prípade 4, pretože má konštantný MH objem a objem potrubia.Prevádzkové podmienky pre toto porovnanie boli počiatočná teplota 573 K a zaťažovací tlak 1,8 MPa.Na obr.5a a 5b znázorňujú všetky tri zvolené polohy teplotných profilov v prípadoch 3 a 4, v tomto poradí.Na obr.5c ukazuje teplotný profil a koncentráciu vrstvy po 20 000 s absorpcie vodíka.Podľa čiary 1 na obr. 5c teplota okolo TTF z možností 3 a 4 klesá v dôsledku prenosu tepla chladiva konvekciou.To má za následok vyššiu koncentráciu vodíka okolo tejto oblasti.Použitie dvoch SCHE však vedie k vyššej koncentrácii vrstvy.Rýchlejšie kinetické odozvy sa našli okolo oblasti HTF v prípade 4. Okrem toho bola v tejto oblasti tiež zistená maximálna koncentrácia 100 %.Z vedenia 2 umiestneného v strede reaktora je teplota skrine 4 výrazne nižšia ako teplota skrine 3 na všetkých miestach okrem stredu reaktora.Výsledkom je maximálna koncentrácia vodíka pre prípad 4 s výnimkou oblasti blízko stredu reaktora vzdialenej od HTF.Koncentrácia prípadu 3 sa však príliš nezmenila.Veľký rozdiel v teplote a koncentrácii vrstvy bol pozorovaný v línii 3 blízko vstupu do GTS.Teplota vrstvy v prípade 4 výrazne klesla, čo viedlo k najvyššej koncentrácii vodíka v tejto oblasti, zatiaľ čo koncentračná čiara v prípade 3 stále kolísala.Je to spôsobené zrýchlením prenosu tepla SCHE.Podrobnosti a diskusia o porovnaní priemernej teploty MH vrstvy a HTF potrubia medzi prípadom 3 a prípadom 4 sú uvedené v doplnkovej časti.
Teplotný profil a koncentrácia lôžka na vybraných miestach v reaktore s hydridom kovu.(a) vybrané miesta pre prípad 3, (b) vybrané miesta pre prípad 4 a (c) teplotný profil a koncentrácia vrstvy na vybraných miestach po 20 000 s pre proces absorpcie vodíka v prípadoch 3 a 4.
Na obr.Obrázok 6 ukazuje porovnanie priemernej teploty lôžka (pozri obrázok 6a) a koncentrácie vodíka (pozri obrázok 6b) pre absorpciu HCH a SHE.Z tohto obrázku je vidieť, že teplota MG vrstvy výrazne klesá v dôsledku zväčšenia teplovýmennej plochy.Odstránenie väčšieho množstva tepla z reaktora má za následok vyššiu spotrebu vodíka.Hoci dve konfigurácie výmenníkov tepla majú rovnaké objemy v porovnaní s použitím HCHE ako možnosť 3, čas spotreby vodíka SCHE na základe možnosti 4 sa výrazne skrátil o 59 %.Pre podrobnejšiu analýzu sú koncentrácie vodíka pre dve konfigurácie výmenníkov tepla znázornené ako izočiary na obrázku 7. Tento obrázok ukazuje, že v oboch prípadoch sa vodík začína absorbovať zdola okolo vstupu HTF.Vyššie koncentrácie boli zistené v oblasti HTF, zatiaľ čo nižšie koncentrácie boli pozorované v strede MH reaktora v dôsledku jeho vzdialenosti od výmenníka tepla.Po 10 000 s je koncentrácia vodíka v prípade 4 výrazne vyššia ako v prípade 3. Po 20 000 sekundách sa priemerná koncentrácia vodíka v reaktore zvýšila na 90 % v prípade 4 v porovnaní s 50 % vodíka v prípade 3. k vyššej efektívnej chladiacej kapacite pri kombinácii dvoch SCHE, čo vedie k nižšej teplote vo vnútri MH vrstvy.V dôsledku toho vo vrstve MG klesá rovnovážnejší tlak, čo vedie k rýchlejšej absorpcii vodíka.
Prípad 3 a Prípad 4 Porovnanie priemernej teploty lôžka a koncentrácie vodíka medzi dvoma konfiguráciami výmenníkov tepla.
Porovnanie koncentrácie vodíka po 500, 2000, 5000, 10000 a 20000 s po začatí procesu absorpcie vodíka v prípade 3 a prípade 4.
Tabuľka 5 sumarizuje trvanie absorpcie vodíka pre všetky prípady.Okrem toho je v tabuľke uvedený aj čas absorpcie vodíka, vyjadrený v percentách.Toto percento je vypočítané na základe absorpčného času Prípadu 1. Z tejto tabuľky je absorpčný čas MH reaktora s použitím HCHE približne 45 000 až 46 000 s a absorpčný čas vrátane SCHE je približne 18 000 až 19 000 s.V porovnaní s Prípadom 1 sa doba absorpcie v Prípade 2 a Prípade 3 skrátila len o 1,6 % a 2,7 %.Pri použití SCHE namiesto HCHE sa čas absorpcie výrazne skrátil z prípadu 4 na prípad 6, z 58 % na 61 %.Je zrejmé, že pridanie SCHE do MH reaktora výrazne zlepšuje proces absorpcie vodíka a výkon MH reaktora.Inštalácia výmenníka tepla vo vnútri MH reaktora síce znižuje akumulačnú kapacitu, ale táto technológia poskytuje výrazné zlepšenie prenosu tepla v porovnaní s inými technológiami.Zníženie hodnoty výšky tónu tiež zvýši hlasitosť SCHE, čo vedie k zníženiu objemu MH.V prípade 6 s najvyšším objemom SCHE sa objemová kapacita MH znížila iba o 5% v porovnaní s prípadom 1 s najnižším objemom HCHE.Okrem toho, počas absorpcie, puzdro 6 vykazovalo rýchlejší a lepší výkon so 61% skrátením času absorpcie.Preto bol na ďalšie skúmanie v analýze citlivosti vybraný prípad 6.Treba poznamenať, že dlhá doba spotreby vodíka je spojená so zásobníkom s objemom MH približne 2000 cm3.
Prevádzkové parametre počas reakcie sú dôležitými faktormi, ktoré pozitívne alebo negatívne ovplyvňujú výkon MZ reaktora v reálnych podmienkach.Táto štúdia zvažuje analýzu citlivosti na určenie vhodných počiatočných prevádzkových parametrov pre MH reaktor v kombinácii s SCHE a táto časť skúma štyri hlavné prevádzkové parametre založené na optimálnej konfigurácii reaktora v prípade 6. Výsledky pre všetky prevádzkové podmienky sú uvedené v Obr. 8.
Graf koncentrácie vodíka pri rôznych prevádzkových podmienkach pri použití výmenníka tepla s polvalcovou špirálou.(a) plniaci tlak, (b) počiatočná teplota lôžka, (c) Reynoldsovo číslo chladiacej kvapaliny a (d) vstupná teplota chladiacej kvapaliny.
Na základe konštantnej počiatočnej teploty 573 K a prietoku chladiacej kvapaliny s Reynoldsovým číslom 14 000 boli zvolené štyri rôzne zaťažovacie tlaky: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa a 3,0 MPa.Na obr.8a ukazuje vplyv plniaceho tlaku a SCHE na koncentráciu vodíka v priebehu času.Čas absorpcie klesá so zvyšujúcim sa zaťažovacím tlakom.Použitie aplikovaného tlaku vodíka 1,2 MPa je najhorší prípad pre proces absorpcie vodíka a trvanie absorpcie presahuje 26 000 s na dosiahnutie 90 % absorpcie vodíka.Vyšší zaťažovací tlak však viedol k 32 až 42 % zníženiu doby absorpcie z 1,8 na 3,0 MPa.Je to spôsobené vyšším počiatočným tlakom vodíka, čo má za následok väčší rozdiel medzi rovnovážnym tlakom a aplikovaným tlakom.Preto to vytvára veľkú hnaciu silu pre kinetiku absorpcie vodíka.V počiatočnom momente sa plynný vodík rýchlo absorbuje v dôsledku veľkého rozdielu medzi rovnovážnym tlakom a aplikovaným tlakom57.Pri zaťažovacom tlaku 3,0 MPa sa počas prvých 10 sekúnd rýchlo nahromadilo 18 % vodíka.Vodík sa skladoval v 90 % reaktorov v konečnom štádiu na 15 460 s.Avšak pri zaťažovacom tlaku 1,2 až 1,8 MPa sa doba absorpcie výrazne skrátila o 32 %.Ostatné vyššie tlaky mali menší vplyv na zlepšenie absorpčných časov.Preto sa odporúča, aby plniaci tlak reaktora MH-SCHE bol 1,8 MPa.Doplnková časť zobrazuje obrysy koncentrácie vodíka pre rôzne tlaky zaťaženia pri 15 500 s.
Voľba vhodnej počiatočnej teploty MH reaktora je jedným z hlavných faktorov ovplyvňujúcich proces adsorpcie vodíka, pretože ovplyvňuje hnaciu silu reakcie tvorby hydridu.Na štúdium vplyvu SCHE na počiatočnú teplotu MH reaktora boli zvolené štyri rôzne teploty pri konštantnom zaťažovacom tlaku 1,8 MPa a Reynoldsovom čísle 14 000 HTF.Na obr.Obrázok 8b ukazuje porovnanie rôznych počiatočných teplôt vrátane 473 K, 523 K, 573 K a 623 K.V skutočnosti, keď je teplota vyššia ako 230 °C alebo 503K58, zliatina Mg2Ni má účinné vlastnosti pre proces absorpcie vodíka.V počiatočnom momente vstrekovania vodíka však teplota rýchlo stúpa.V dôsledku toho teplota MG vrstvy prekročí 523 K. Preto je tvorba hydridov uľahčená v dôsledku zvýšenej rýchlosti absorpcie53.Z obr.Z obr. 8b je vidieť, že vodík sa absorbuje rýchlejšie, keď počiatočná teplota vrstvy MB klesá.Nižšie rovnovážne tlaky nastávajú, keď je počiatočná teplota nižšia.Čím väčší je tlakový rozdiel medzi rovnovážnym tlakom a aplikovaným tlakom, tým rýchlejší je proces absorpcie vodíka.Pri počiatočnej teplote 473 K sa vodík rýchlo absorbuje až o 27 % počas prvých 18 sekúnd.Okrem toho sa tiež znížil čas absorpcie z 11% na 24% pri nižšej počiatočnej teplote v porovnaní s počiatočnou teplotou 623 K. Čas absorpcie pri najnižšej počiatočnej teplote 473 K je 15247 s, čo je podobné ako pri najlepšom tlak v prípade, avšak zníženie počiatočnej teploty reaktorovej teploty vedie k zníženiu kapacity skladovania vodíka.Počiatočná teplota MN reaktora musí byť aspoň 503 K53.Okrem toho pri počiatočnej teplote 573 K53 je možné dosiahnuť maximálnu skladovaciu kapacitu vodíka 3,6 % hmotn.Z hľadiska kapacity skladovania vodíka a trvania absorpcie skracujú teploty medzi 523 a 573 K čas len o 6 %.Preto sa ako počiatočná teplota reaktora MH-SCHE navrhuje teplota 573 K.Vplyv počiatočnej teploty na absorpčný proces bol však v porovnaní so zaťažovacím tlakom menej významný.Doplnková časť ukazuje obrysy koncentrácie vodíka pre rôzne počiatočné teploty pri 15 500 s.
Prietok je jedným z hlavných parametrov hydrogenácie a dehydrogenácie, pretože môže ovplyvniť turbulenciu a odvod alebo vstup tepla počas hydrogenácie a dehydrogenácie59.Vysoké prietokové rýchlosti vytvoria turbulentné fázy a budú mať za následok rýchlejší prietok tekutiny cez hadičku HTF.Výsledkom tejto reakcie bude rýchlejší prenos tepla.Rôzne vstupné rýchlosti pre HTF sú vypočítané na základe Reynoldsových čísel 10 000, 14 000, 18 000 a 22 000.Počiatočná teplota vrstvy MG bola fixovaná na 573 K a zaťažovací tlak na 1,8 MPa.Výsledky na obr.8c ukazujú, že použitie vyššieho Reynoldsovho čísla v kombinácii s SCHE vedie k vyššej rýchlosti absorpcie.Keď sa Reynoldsovo číslo zvýši z 10 000 na 22 000, doba absorpcie sa zníži približne o 28 – 50 %.Absorpčný čas pri Reynoldsovom čísle 22 000 je 12 505 sekúnd, čo je menej ako pri rôznych počiatočných teplotách a tlakoch.Obrysy koncentrácie vodíka pre rôzne Reynoldsove čísla pre GTP pri 12 500 s sú uvedené v doplnkovej časti.
Vplyv SCHE na počiatočnú teplotu HTF je analyzovaný a znázornený na obr. 8d.Pri počiatočnej teplote MG 573 K a zaťažujúcom tlaku vodíka 1,8 MPa boli pre túto analýzu zvolené štyri počiatočné teploty: 373 K, 473 K, 523 K a 573 K. 8d ukazuje, že pokles teploty chladiacej kvapaliny na vstupe vedie k skráteniu doby absorpcie.V porovnaní so základným prípadom so vstupnou teplotou 573 K sa doba absorpcie skrátila približne o 20 %, 44 % a 56 % pre vstupné teploty 523 K, 473 K a 373 K.Pri 6917 s je počiatočná teplota GTF 373 K, koncentrácia vodíka v reaktore je 90 %.To možno vysvetliť zvýšeným prenosom tepla konvekciou medzi vrstvou MG a HCS.Nižšie teploty HTF zvýšia odvod tepla a budú mať za následok zvýšenú spotrebu vodíka.Spomedzi všetkých prevádzkových parametrov bolo najvhodnejšou metódou zlepšenie výkonu reaktora MH-SCHE zvýšením vstupnej teploty HTF, keďže čas ukončenia absorpčného procesu bol kratší ako 7000 s, zatiaľ čo najkratší absorpčný čas ostatných metód bol viac ako 10 000 s.Obrysy koncentrácie vodíka sú prezentované pre rôzne počiatočné teploty GTP počas 7000 s.
Táto štúdia po prvýkrát predstavuje nový polvalcový špirálový výmenník tepla integrovaný do kovovej hydridovej akumulačnej jednotky.Schopnosť navrhovaného systému absorbovať vodík bola skúmaná s rôznymi konfiguráciami výmenníka tepla.Bol skúmaný vplyv prevádzkových parametrov na výmenu tepla medzi vrstvou hydridu kovu a chladivom s cieľom nájsť optimálne podmienky pre skladovanie hydridov kovov pomocou nového výmenníka tepla.Hlavné zistenia tejto štúdie sú zhrnuté takto:
S polvalcovým špirálovým výmenníkom tepla sa zlepšuje výkon prenosu tepla, pretože má rovnomernejšiu distribúciu tepla v reaktore s horčíkovou vrstvou, čo vedie k lepšej rýchlosti absorpcie vodíka.Za predpokladu, že objem teplovýmennej trubice a kovového hydridu zostane nezmenený, reakčný čas absorpcie sa výrazne zníži o 59% v porovnaní s konvenčným špirálovým výmenníkom tepla.
Čas odoslania: 15. januára 2023