Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Zobrazí karusel tří snímků najednou.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Kovové hydridy (MH) jsou uznávány jako jedna z nejvhodnějších skupin materiálů pro skladování vodíku díky své velké kapacitě skladování vodíku, nízkému provoznímu tlaku a vysoké bezpečnosti.Jejich pomalá kinetika absorpce vodíku však značně snižuje skladovací výkon.Rychlejší odvod tepla z úložiště MH by mohl hrát důležitou roli při zvýšení jeho rychlosti absorpce vodíku, což by mělo za následek zlepšení výkonu úložiště.V tomto ohledu byla tato studie zaměřena na zlepšení charakteristik přenosu tepla s cílem pozitivně ovlivnit rychlost absorpce vodíku MH skladovacím systémem.Nová poloválcová spirála byla poprvé vyvinuta a optimalizována pro skladování vodíku a začleněna jako vnitřní vzduchový výměník tepla (HTF).Na základě různých velikostí stoupání je analyzován účinek nové konfigurace výměníku tepla a porovnáván s konvenční spirálovou geometrií spirály.Kromě toho byly numericky studovány provozní parametry úložiště MG a GTP pro získání optimálních hodnot.Pro numerickou simulaci se používá ANSYS Fluent 2020 R2.Výsledky této studie ukazují, že výkon akumulační nádrže MH lze výrazně zlepšit použitím poloválcového spirálového výměníku tepla (SCHE).Ve srovnání s konvenčními spirálovými výměníky tepla je doba absorpce vodíku zkrácena o 59 %.Nejmenší vzdálenost mezi cívkami SCHE vedla k 61% zkrácení doby absorpce.Pokud jde o provozní parametry úložiště MG s využitím SHE, všechny zvolené parametry vedou k výraznému zlepšení procesu absorpce vodíku, zejména teploty na vstupu do HTS.
Dochází ke globálnímu přechodu od energie založené na fosilních palivech k obnovitelné energii.Vzhledem k tomu, že mnoho forem obnovitelné energie poskytuje energii dynamickým způsobem, je pro vyvážení zátěže nezbytné skladování energie.Skladování energie na bázi vodíku přitáhlo k tomuto účelu velkou pozornost, zejména proto, že vodík lze díky svým vlastnostem a přenosnosti využít jako „zelené“ alternativní palivo a nosič energie.Kromě toho vodík také nabízí vyšší energetický obsah na jednotku hmotnosti ve srovnání s fosilními palivy2.Existují čtyři hlavní typy skladování vodíkové energie: skladování stlačeného plynu, podzemní skladování, skladování kapaliny a skladování pevné látky.Stlačený vodík je hlavním typem používaným ve vozidlech s palivovými články, jako jsou autobusy a vysokozdvižné vozíky.Toto úložiště však poskytuje nízkou objemovou hmotnost vodíku (přibližně 0,089 kg/m3) a má bezpečnostní problémy spojené s vysokým provozním tlakem3.Na základě procesu přeměny při nízké okolní teplotě a tlaku bude kapalné úložiště skladovat vodík v kapalné formě.Při zkapalnění se však ztrácí asi 40 % energie.Navíc je o této technologii známo, že je energeticky a pracně náročnější ve srovnání s technologiemi ukládání v pevné fázi4.Pevné skladování je životaschopnou možností pro vodíkovou ekonomiku, která ukládá vodík začleněním vodíku do pevných materiálů prostřednictvím absorpce a uvolňováním vodíku desorpcí.Metal hydrid (MH), technologie skladování pevných materiálů, je v poslední době předmětem zájmu v aplikacích palivových článků díky své vysoké kapacitě vodíku, nízkému provoznímu tlaku a nízkým nákladům ve srovnání se skladováním kapalin a je vhodný pro stacionární a mobilní aplikace6,7 In materiály MH navíc poskytují bezpečnostní vlastnosti, jako je efektivní skladování velké kapacity8.Existuje však problém, který omezuje produktivitu MG: nízká tepelná vodivost MG reaktoru vede k pomalé absorpci a desorpci vodíku.
Správný přenos tepla během exotermických a endotermických reakcí je klíčem ke zlepšení výkonu MH reaktorů.Pro proces zavádění vodíku musí být vytvořené teplo odstraněno z reaktoru, aby bylo možné regulovat průtok vodíku požadovanou rychlostí s maximální skladovací kapacitou.Místo toho je zapotřebí teplo ke zvýšení rychlosti vývoje vodíku během vybíjení.Aby se zlepšil výkon přenosu tepla a hmoty, mnoho výzkumníků studovalo návrh a optimalizaci na základě více faktorů, jako jsou provozní parametry, struktura MG a optimalizace MG11.Optimalizace MG může být provedena přidáním materiálů s vysokou tepelnou vodivostí, jako jsou pěnové kovy, do MG vrstev 12, 13.Efektivní tepelná vodivost tak může být zvýšena z 0,1 na 2 W/mK10.Přídavek pevných látek však výrazně snižuje výkon MN reaktoru.S ohledem na provozní parametry lze zlepšení dosáhnout optimalizací počátečních provozních podmínek vrstvy MG a chladicí kapaliny (HTF).Struktura MG může být optimalizována díky geometrii reaktoru a konstrukci výměníku tepla.S ohledem na konfiguraci tepelného výměníku reaktoru MH lze metody rozdělit do dvou typů.Jedná se o vnitřní výměníky tepla zabudované do vrstvy MO a vnější výměníky tepla pokrývající vrstvu MO, jako jsou žebra, chladicí pláště a vodní lázně.Co se týče externího výměníku tepla, Kaplan16 analyzoval provoz MH reaktoru s použitím chladicí vody jako pláště pro snížení teploty uvnitř reaktoru.Výsledky byly porovnány s 22 kulatým žebrovým reaktorem a dalším reaktorem chlazeným přirozenou konvekcí.Uvádějí, že přítomnost chladicího pláště významně snižuje teplotu MH, čímž se zvyšuje rychlost absorpce.Numerické studie MH reaktoru s vodním pláštěm od Patil a Gopal17 ukázaly, že tlak přívodu vodíku a teplota HTF jsou klíčové parametry ovlivňující rychlost absorpce a desorpce vodíku.
Zvětšení teplosměnné plochy přidáním žeber a tepelných výměníků zabudovaných do MH je klíčem ke zlepšení výkonu přenosu tepla a hmoty a tím i akumulačního výkonu MH18.Pro cirkulaci chladiva v reaktoru MH19,20,21,22,23,24,25,26 bylo navrženo několik konfigurací vnitřních výměníků tepla (přímá trubka a spirálová spirála).Pomocí vnitřního výměníku tepla bude chladicí nebo topná kapalina přenášet místní teplo uvnitř MH reaktoru během procesu adsorpce vodíku.Raju a Kumar [27] použili několik přímých trubek jako výměníků tepla ke zlepšení výkonu MG.Jejich výsledky ukázaly, že časy absorpce se zkrátily, když byly jako výměníky tepla použity rovné trubky.Kromě toho použití rovných trubek zkracuje dobu desorpce vodíku28.Vyšší průtoky chladicí kapaliny zvyšují rychlost nabíjení a vybíjení vodíku29.Zvýšení počtu chladicích trubek má však pozitivní vliv na výkon MH spíše než na průtok chladicí kapaliny30,31.Raju et al.32 použili LaMi4.7Al0.3 jako MH materiál ke studiu výkonu vícetrubkových výměníků tepla v reaktorech.Uvedli, že provozní parametry měly významný vliv na absorpční proces, zejména vstupní tlak a poté průtok HTF.Absorpční teplota se však ukázala jako méně kritická.
Výkon MH reaktoru je dále zlepšen použitím spirálového spirálového výměníku tepla díky jeho zlepšenému přenosu tepla ve srovnání s rovnými trubkami.Sekundární cyklus totiž dokáže lépe odvádět teplo z reaktoru25.Spirálové trubky navíc poskytují velkou plochu pro přenos tepla z MH vrstvy do chladicí kapaliny.Když je tato metoda zavedena uvnitř reaktoru, distribuce teplosměnných trubek je také rovnoměrnější33.Wang a kol.34 studoval účinek trvání absorpce vodíku přidáním spirálové spirály do MH reaktoru.Jejich výsledky ukazují, že se zvyšujícím se koeficientem prostupu tepla chladicí kapaliny klesá doba absorpce.Wu a kol.25 zkoumal výkon MH reaktorů na bázi Mg2Ni a spirálových výměníků tepla.Jejich numerické studie prokázaly snížení reakční doby.Zlepšení mechanismu přenosu tepla v MN reaktoru je založeno na menším poměru stoupání šneku k stoupání šneku a bezrozměrném stoupání šneku.Experimentální studie Mellouliho a kol.21 používající spirálovou spirálu jako vnitřní výměník tepla ukázala, že počáteční teplota HTF má významný vliv na zlepšení příjmu vodíku a doby desorpce.V několika studiích byly provedeny kombinace různých vnitřních výměníků tepla.Eisapur a kol.35 studoval skladování vodíku pomocí spirálového výměníku tepla s centrální vratnou trubkou pro zlepšení procesu absorpce vodíku.Jejich výsledky ukázaly, že spirálová trubka a centrální vratná trubka výrazně zlepšují přenos tepla mezi chladicí kapalinou a MG.Menší rozteč a větší průměr spirálové trubky zvyšují rychlost přenosu tepla a hmoty.Ardahaie a kol.36 použil ploché spirálové trubky jako výměníky tepla pro zlepšení přenosu tepla v reaktoru.Uvedli, že doba absorpce byla snížena zvýšením počtu zploštělých spirálových trubic.V několika studiích byly provedeny kombinace různých vnitřních výměníků tepla.Dhau a kol.37 zlepšil výkon MH pomocí spirálového výměníku tepla a žeber.Jejich výsledky ukazují, že tato metoda zkracuje dobu plnění vodíkem o faktor 2 ve srovnání s pouzdrem bez žeber.Prstencová žebra jsou kombinována s chladicími trubkami a zabudována do MN reaktoru.Výsledky této studie ukazují, že tato kombinovaná metoda poskytuje rovnoměrnější přenos tepla ve srovnání s MH reaktorem bez žeber.Kombinace různých výměníků tepla však negativně ovlivní hmotnost a objem MH reaktoru.Wu a kol.18 porovnávali různé konfigurace výměníků tepla.Patří mezi ně přímé trubky, žebra a spirálové cívky.Autoři uvádějí, že spirálové cívky poskytují nejlepší zlepšení přenosu tepla a hmoty.Navíc ve srovnání s rovnými trubkami, stočenými trubkami a rovnými trubkami kombinovanými se stočenými trubkami mají dvojité spirály lepší účinek na zlepšení přenosu tepla.Studie Sekhara et al.40 ukázal, že podobného zlepšení absorpce vodíku bylo dosaženo použitím spirálové spirály jako vnitřního výměníku tepla a žebrovaného vnějšího chladicího pláště.
Z výše uvedených příkladů použití spirálových cívek jako vnitřních výměníků tepla poskytuje lepší zlepšení přenosu tepla a hmoty než jiné výměníky tepla, zejména přímé trubky a žebra.Proto bylo cílem této studie dále vyvinout spirálovou cívku pro zlepšení výkonu přenosu tepla.Poprvé byla vyvinuta nová poloválcová cívka založená na konvenční MH spirálové cívce.Očekává se, že tato studie zlepší výkon skladování vodíku zvážením nového designu výměníku tepla s lepším uspořádáním zóny přenosu tepla, kterou poskytuje konstantní objem lože MH a trubek HTF.Akumulační výkon tohoto nového tepelného výměníku byl poté porovnán s konvenčními spirálovými spirálovými výměníky tepla založenými na různých roztečích spirál.Podle existující literatury jsou provozní podmínky a rozteč cívek hlavními faktory ovlivňujícími výkon MH reaktorů.Pro optimalizaci návrhu tohoto nového tepelného výměníku byl zkoumán vliv rozteče cívek na dobu spotřeby vodíku a objem MH.Kromě toho, abychom porozuměli vztahu mezi novými poloválcovými spirálami a provozními podmínkami, sekundárním cílem této studie bylo studovat charakteristiky reaktoru podle různých rozsahů provozních parametrů a určit vhodné hodnoty pro každý provozní režimu.parametr.
Výkon vodíkového akumulátoru energie v této studii je zkoumán na základě dvou konfigurací výměníků tepla (včetně spirálových trubek v případech 1 až 3 a poloválcových trubek v případech 4 až 6) a citlivostní analýzy provozních parametrů.Provozuschopnost MH reaktoru byla poprvé testována pomocí spirálové trubky jako výměníku tepla.Potrubí chladicího oleje i nádoba reaktoru MH jsou vyrobeny z nerezové oceli.Je třeba poznamenat, že rozměry reaktoru MG a průměr potrubí GTF byly ve všech případech konstantní, zatímco velikosti kroků GTF se měnily.Tato část analyzuje vliv velikosti rozteče cívek HTF.Výška a vnější průměr reaktoru byly 110 mm, respektive 156 mm.Průměr teplovodivé olejové trubky je nastaven na 6mm.Podrobnosti o schématu zapojení reaktoru MH se spirálovými trubkami a dvěma půlválcovými trubicemi najdete v doplňkové části.
Na Obr.1a znázorňuje MH spirálový trubkový reaktor a jeho rozměry.Všechny geometrické parametry jsou uvedeny v tabulce.1. Celkový objem šroubovice je přibližně 100 cm3 a objem ZG je přibližně 2000 cm3.Z tohoto MH reaktoru byl vzduch ve formě HTF přiváděn do porézního MH reaktoru zespodu spirálovou trubicí a vodík byl zaváděn z horní plochy reaktoru.
Charakterizace vybraných geometrií pro metalhydridové reaktory.a) se spirálově trubkovým výměníkem tepla, b) s poloválcovým trubkovým výměníkem tepla.
Druhá část zkoumá provoz MH reaktoru založeného na půlválcové trubce jako výměníku tepla.Na Obr.1b znázorňuje MN reaktor se dvěma půlválcovými trubkami a jejich rozměry.Tabulka 1 uvádí všechny geometrické parametry poloválcových trubek, které zůstávají konstantní, s výjimkou vzdálenosti mezi nimi.Je třeba poznamenat, že poloválcová trubka v případě 4 byla navržena s konstantním objemem trubice HTF a slitiny MH ve stočené trubce (možnost 3).Pokud jde o Obr.1b, vzduch byl také zaváděn ze spodní části dvou poloválcových HTF trubek a vodík byl zaváděn z opačného směru od MH reaktoru.
Vzhledem k nové konstrukci výměníku je účelem této části stanovení vhodných výchozích hodnot pro provozní parametry reaktoru MH v kombinaci s SCHE.Ve všech případech byl jako chladivo k odvodu tepla z reaktoru použit vzduch.Mezi oleji pro přenos tepla se jako oleje pro přenos tepla pro MH reaktory běžně volí vzduch a voda kvůli jejich nízké ceně a nízkému dopadu na životní prostředí.Vzhledem k vysokému rozsahu provozních teplot slitin na bázi hořčíku byl v této studii jako chladicí kapalina zvolen vzduch.Kromě toho má také lepší tokové vlastnosti než jiné tekuté kovy a roztavené soli41.Tabulka 2 uvádí vlastnosti vzduchu při 573 K. Pro analýzu citlivosti v této části jsou použity pouze nejlepší konfigurace možností výkonu MH-SCHE (v případech 4 až 6).Odhady v této části jsou založeny na různých provozních parametrech, včetně počáteční teploty MH reaktoru, tlaku plnění vodíku, vstupní teploty HTF a Reynoldsova čísla vypočítaného změnou rychlosti HTF.Tabulka 3 obsahuje všechny provozní parametry použité pro analýzu citlivosti.
Tato část popisuje všechny potřebné řídicí rovnice pro proces absorpce vodíku, turbulence a přenosu tepla chladiva.
Pro zjednodušení řešení reakce absorpce vodíku jsou vytvořeny a poskytnuty následující předpoklady;
Během absorpce jsou termofyzikální vlastnosti vodíku a hydridů kovů konstantní.
Vodík je považován za ideální plyn, takže se berou v úvahu místní podmínky tepelné rovnováhy43,44.
kde \({L}_{plyn}\) je poloměr nádrže a \({L}_{teplo}\) je osová výška nádrže.Když je N menší než 0,0146, lze tok vodíku v nádrži v simulaci ignorovat bez významné chyby.Podle současných výzkumů je N mnohem nižší než 0,1.Proto lze efekt tlakového gradientu zanedbat.
Stěny reaktoru byly ve všech případech dobře izolovány.Proto nedochází k výměně 47 tepla mezi reaktorem a okolím.
Je dobře známo, že slitiny na bázi Mg mají dobré hydrogenační vlastnosti a vysokou kapacitu skladování vodíku až 7,6 % hmotn.8.Pokud jde o aplikace skladování vodíku v pevném stavu, jsou tyto slitiny také známé jako lehké materiály.Kromě toho mají vynikající tepelnou odolnost a dobrou zpracovatelnost8.Mezi několika slitinami na bázi Mg je slitina MgNi na bázi Mg2Ni jednou z nejvhodnějších možností pro skladování MH díky své kapacitě skladování vodíku až 6 hm.Slitiny Mg2Ni také poskytují rychlejší adsorpční a desorpční kinetiku ve srovnání se slitinou MgH48.Proto byl v této studii jako materiál hydridu kovu vybrán Mg2Ni.
Energetická rovnice je vyjádřena jako 25 na základě tepelné bilance mezi vodíkem a hydridem Mg2Ni:
X je množství vodíku absorbovaného na povrchu kovu, jednotka je \(hmotnost\%\), vypočtená z kinetické rovnice \(\frac{dX}{dt}\) během absorpce takto49:
kde \({C}_{a}\) je rychlost reakce a \({E}_{a}\) je aktivační energie.\({P}_{a,eq}\) je rovnovážný tlak uvnitř reaktoru na hydrid kovu během absorpčního procesu, daný van't Hoffovou rovnicí takto25:
Kde \({P}_{ref}\) je referenční tlak 0,1 MPa.\(\Delta H\) a \(\Delta S\) jsou entalpie a entropie reakce.Vlastnosti slitin Mg2Ni a vodíku jsou uvedeny v tabulce.4. Jmenovaný seznam naleznete v doplňkové části.
Proudění tekutiny je považováno za turbulentní, protože jeho rychlost a Reynoldsovo číslo (Re) jsou 78,75 ms-1 a 14 000, v tomto pořadí.V této studii byl zvolen dosažitelný model k-ε turbulence.Je třeba poznamenat, že tato metoda poskytuje vyšší přesnost ve srovnání s jinými metodami k-ε a také vyžaduje kratší dobu výpočtu než metody RNG k-ε50,51.Podrobnosti o základních rovnicích pro teplonosné kapaliny najdete v Doplňkové části.
Zpočátku byl teplotní režim v MN reaktoru jednotný a průměrná koncentrace vodíku byla 0,043.Předpokládá se, že vnější hranice MH reaktoru je dobře izolována.Slitiny na bázi hořčíku obvykle vyžadují vysoké reakční provozní teploty pro skladování a uvolňování vodíku v reaktoru.Slitina Mg2Ni vyžaduje pro maximální absorpci teplotní rozsah 523–603 K a pro úplnou desorpci teplotní rozsah 573–603 K52.Experimentální studie Muthukumara et al.53 však ukázaly, že maximální akumulační kapacity Mg2Ni pro skladování vodíku lze dosáhnout při provozní teplotě 573 K, což odpovídá jeho teoretické kapacitě.Proto byla v této studii jako počáteční teplota MN reaktoru zvolena teplota 573 K.
Vytvořte různé velikosti mřížky pro ověření a spolehlivé výsledky.Na Obr.2 ukazuje průměrnou teplotu ve vybraných místech procesu absorpce vodíku ze čtyř různých prvků.Stojí za zmínku, že je vybrán pouze jeden případ každé konfigurace pro testování nezávislosti na mřížce kvůli podobné geometrii.Stejná metoda sítě se používá v jiných případech.Proto zvolte možnost 1 pro spirálovou trubku a možnost 4 pro poloválcovou trubku.Na Obr.2a, b ukazuje průměrnou teplotu v reaktoru pro možnosti 1 a 4, v tomto pořadí.Tři vybraná místa představují teplotní obrysy lože v horní, střední a spodní části reaktoru.Na základě teplotních vrstev na vybraných místech se průměrná teplota ustálí a vykazuje malou změnu v číslech prvků 428,891 a 430,599 pro případy 1 a 4, v tomto pořadí.Proto byly pro další výpočetní výpočty zvoleny tyto velikosti mřížky.Podrobné informace o průměrné teplotě lože pro proces absorpce vodíku pro různé velikosti buněk a postupně rafinované sítě pro oba případy jsou uvedeny v doplňkové části.
Průměrná teplota lože ve vybraných bodech procesu absorpce vodíku v metalhydridovém reaktoru s různými čísly mřížky.(a) Průměrná teplota na vybraných místech pro případ 1 a (b) Průměrná teplota na vybraných místech pro případ 4.
Reaktor s hydridem kovu na bázi Mg v této studii byl testován na základě experimentálních výsledků Muthukumara et al.53.Ve své studii použili slitinu Mg2Ni pro skladování vodíku v trubkách z nerezové oceli.Měděná žebra se používají ke zlepšení přenosu tepla uvnitř reaktoru.Na Obr.3a ukazuje srovnání průměrné teploty lože absorpčního procesu mezi experimentální studií a touto studií.Pracovní podmínky zvolené pro tento experiment jsou: MG počáteční teplota 573 K a vstupní tlak 2 MPa.Z Obr.3a lze jasně ukázat, že tento experimentální výsledek je v dobré shodě se současným, pokud jde o průměrnou teplotu vrstvy.
Verifikace modelu.(a) Ověření kódu Mg2Ni metalhydridového reaktoru porovnáním současné studie s experimentální prací Muthukumara et al.52 a (b) ověření modelu turbulentního proudění ve spirálové trubici porovnáním současné studie se studií Kumara et al. .Výzkum.54.
Pro testování modelu turbulence byly výsledky této studie porovnány s experimentálními výsledky Kumara et al.54, aby se potvrdila správnost zvoleného modelu turbulence.Kumar et al.54 studovali turbulentní proudění ve spirálovém výměníku tepla trubka v potrubí.Voda se používá jako horká a studená kapalina vstřikovaná z opačných stran.Teplota horké a studené kapaliny je 323 K a 300 K.Reynoldsova čísla se pohybují od 3100 do 5700 pro horké kapaliny a od 21 000 do 35 000 pro studené kapaliny.Deanova čísla jsou 550-1000 pro horké tekutiny a 3600-6000 pro studené tekutiny.Průměry vnitřní trubky (pro horkou kapalinu) a vnější trubky (pro studenou kapalinu) jsou 0,0254 ma 0,0508 m, v tomto pořadí.Průměr a stoupání spirálové cívky jsou 0,762 m, respektive 0,100 m.Na Obr.3b ukazuje srovnání experimentálních a aktuálních výsledků pro různé dvojice Nusseltových a Deanových čísel pro chladicí kapalinu ve vnitřní trubce.Byly implementovány tři různé modely turbulence a porovnány s experimentálními výsledky.Jak je znázorněno na Obr.3b, výsledky dosažitelného modelu k-ε turbulence jsou v dobré shodě s experimentálními daty.Proto byl v této studii zvolen tento model.
Numerické simulace v této studii byly provedeny pomocí ANSYS Fluent 2020 R2.Napište User-Defined Function (UDF) a použijte ji jako vstupní člen energetické rovnice pro výpočet kinetiky absorpčního procesu.Pro komunikaci tlak-rychlost a korekci tlaku se používá obvod PRESTO55 a metoda PISO56.Vyberte základ Greene-Gaussovy buňky pro proměnný gradient.Hybnostní a energetické rovnice jsou řešeny protivětrnou metodou druhého řádu.Co se týče koeficientů nedostatečné relaxace, tlaková, rychlostní a energetická složka jsou nastaveny na 0,5, 0,7 a 0,7.Standardní stěnové funkce jsou aplikovány na HTF v modelu turbulence.
Tato část prezentuje výsledky numerických simulací zlepšeného vnitřního přenosu tepla MH reaktoru pomocí spirálového výměníku tepla (HCHE) a spirálového výměníku tepla (SCHE) během absorpce vodíku.Byl analyzován vliv HTF smoly na teplotu lože reaktoru a dobu trvání absorpce.Hlavní provozní parametry absorpčního procesu jsou studovány a prezentovány v části analýzy citlivosti.
Pro zkoumání vlivu rozteče cívek na přenos tepla v MH reaktoru byly zkoumány tři konfigurace výměníků tepla s různými stoupáními.Tři různé rozteče 15 mm, 12,86 mm a 10 mm jsou označeny těleso 1, těleso 2 a těleso 3 v tomto pořadí.Je třeba poznamenat, že průměr trubky byl ve všech případech fixován na 6 mm při počáteční teplotě 573 K a zatěžovacím tlaku 1,8 MPa.Na Obr.4 ukazuje průměrnou teplotu lože a koncentraci vodíku v MH vrstvě během procesu absorpce vodíku v případech 1 až 3. Typicky je reakce mezi hydridem kovu a vodíkem exotermická pro proces absorpce.Proto teplota lože rychle stoupá v důsledku počátečního okamžiku, kdy je do reaktoru poprvé zaveden vodík.Teplota lože se zvyšuje, dokud nedosáhne maximální hodnoty, a poté postupně klesá, jak je teplo odváděno chladicí kapalinou, která má nižší teplotu a působí jako chladicí kapalina.Jak je znázorněno na Obr.4a, v důsledku předchozího vysvětlení teplota vrstvy rychle roste a plynule klesá.Koncentrace vodíku pro absorpční proces je obvykle založena na teplotě lože MH reaktoru.Když průměrná teplota vrstvy klesne na určitou teplotu, kovový povrch absorbuje vodík.Je to způsobeno urychlením procesů fyzisorpce, chemisorpce, difúze vodíku a tvorby jeho hydridů v reaktoru.Z Obr.4b je vidět, že rychlost absorpce vodíku v případě 3 je nižší než v jiných případech v důsledku menší hodnoty kroku spirálového výměníku tepla.To má za následek delší celkovou délku potrubí a větší plochu pro přenos tepla u HTF potrubí.Při průměrné koncentraci vodíku 90 % je doba absorpce pro případ 1 46 276 sekund.V porovnání s délkou absorpce v případě 1 byla doba trvání absorpce v případě 2 a 3 zkrácena o 724 s a 1263 s.V doplňkové části jsou uvedeny průběhy teploty a koncentrace vodíku pro vybraná místa ve vrstvě HCHE-MH.
Vliv vzdálenosti mezi cívkami na průměrnou teplotu vrstvy a koncentraci vodíku.(a) Průměrná teplota lože pro spirálové spirály, (b) koncentrace vodíku pro spirálové spirály, (c) průměrná teplota lože pro poloválcové spirály a (d) koncentrace vodíku pro polocylindrické spirály.
Pro zlepšení charakteristik přenosu tepla reaktoru MG byly navrženy dva HFC pro konstantní objem MG (2000 cm3) a spirálový výměník tepla (100 cm3) varianty 3. Tato část také zvažuje vliv vzdálenosti mezi cívky 15 mm pro pouzdro 4, 12,86 mm pro pouzdro 5 a 10 mm pro pouzdro 6. Na Obr.4c,d ukazují průměrnou teplotu lože a koncentraci procesu absorpce vodíku při počáteční teplotě 573 K a zatěžovacím tlaku 1,8 MPa.Podle průměrné teploty vrstvy na obr. 4c menší vzdálenost mezi cívkami v případě 6 výrazně snižuje teplotu ve srovnání s ostatními dvěma případy.V případě 6 vede nižší teplota lože k vyšší koncentraci vodíku (viz obr. 4d).Doba absorpce vodíku u varianty 4 je 19542 s, což je více než 2krát méně než u variant 1-3 s použitím HCH.Navíc oproti případu 4 byla doba absorpce také zkrácena o 378 s a 1515 s v případech 5 a 6 s nižšími vzdálenostmi.V doplňkové části jsou uvedeny průběhy teploty a koncentrace vodíku pro vybraná místa ve vrstvě SCHE-MH.
Pro studium výkonu dvou konfigurací výměníků tepla tato část vykresluje a prezentuje teplotní křivky na třech vybraných místech.MH reaktor s HCHE z případu 3 byl vybrán pro srovnání s MH reaktorem obsahujícím SCHE v případu 4, protože má konstantní objem MH a objem potrubí.Provozní podmínky pro toto srovnání byly počáteční teplota 573 K a zatěžovací tlak 1,8 MPa.Na Obr.5a a 5b znázorňují všechny tři vybrané polohy teplotních profilů v případech 3 a 4, v tomto pořadí.Na Obr.5c ukazuje teplotní profil a koncentraci vrstvy po 20 000 s absorpce vodíku.Podle čáry 1 na obr. 5c se teplota kolem TTF z možností 3 a 4 snižuje v důsledku přenosu tepla chladicí kapalinou konvekcí.To má za následek vyšší koncentraci vodíku kolem této oblasti.Použití dvou SCHE však vede k vyšší koncentraci vrstvy.Rychlejší kinetické odezvy byly nalezeny kolem oblasti HTF v případě 4. Kromě toho byla v této oblasti také nalezena maximální koncentrace 100 %.Z vedení 2 umístěné uprostřed reaktoru je teplota skříně 4 výrazně nižší než teplota skříně 3 ve všech místech kromě středu reaktoru.To má za následek maximální koncentraci vodíku pro případ 4 s výjimkou oblasti blízko středu reaktoru mimo HTF.Koncentrace případu 3 se však příliš nezměnila.Velký rozdíl v teplotě a koncentraci vrstvy byl pozorován v linii 3 poblíž vstupu do GTS.Teplota vrstvy v případě 4 významně poklesla, což vedlo k nejvyšší koncentraci vodíku v této oblasti, zatímco koncentrační linie v případě 3 stále kolísala.To je způsobeno zrychlením přenosu tepla SCHE.Podrobnosti a diskuse o srovnání průměrné teploty MH vrstvy a HTF potrubí mezi případem 3 a případem 4 jsou uvedeny v doplňkové části.
Teplotní profil a koncentrace lože ve vybraných místech reaktoru s hydridem kovu.(a) Vybraná místa pro případ 3, (b) Vybraná místa pro případ 4 a (c) Teplotní profil a koncentrace vrstvy na vybraných místech po 20 000 s pro proces absorpce vodíku v případech 3 a 4.
Na Obr.Obrázek 6 ukazuje srovnání průměrné teploty lože (viz obr. 6a) a koncentrace vodíku (viz obr. 6b) pro absorpci HCH a SHE.Z tohoto obrázku je vidět, že teplota MG vrstvy výrazně klesá v důsledku zvětšení teplosměnné plochy.Odběr většího množství tepla z reaktoru má za následek vyšší spotřebu vodíku.Přestože dvě konfigurace výměníků tepla mají stejné objemy ve srovnání s použitím HCHE jako varianta 3, doba spotřeby vodíku SCHE založená na variantě 4 byla významně snížena o 59 %.Pro podrobnější analýzu jsou koncentrace vodíku pro dvě konfigurace výměníků tepla znázorněny jako izočáry na obrázku 7. Tento obrázek ukazuje, že v obou případech začíná být vodík absorbován zespodu kolem vstupu HTF.Vyšší koncentrace byly zjištěny v oblasti HTF, zatímco nižší koncentrace byly pozorovány ve středu MH reaktoru kvůli jeho vzdálenosti od tepelného výměníku.Po 10 000 s je koncentrace vodíku v případě 4 výrazně vyšší než v případě 3. Po 20 000 sekundách se průměrná koncentrace vodíku v reaktoru zvýšila na 90 % v případě 4 ve srovnání s 50 % vodíku v případě 3. k vyšší efektivní chladicí kapacitě při kombinaci dvou SCHE, což má za následek nižší teplotu uvnitř MH vrstvy.V důsledku toho do vrstvy MG spadá rovnovážnější tlak, což vede k rychlejší absorpci vodíku.
Případ 3 a Případ 4 Porovnání průměrné teploty lože a koncentrace vodíku mezi dvěma konfiguracemi výměníků tepla.
Porovnání koncentrace vodíku po 500, 2000, 5000, 10000 a 20000 s po zahájení procesu absorpce vodíku v případě 3 a případu 4.
Tabulka 5 shrnuje dobu trvání absorpce vodíku pro všechny případy.Kromě toho je v tabulce uvedena také doba absorpce vodíku, vyjádřená v procentech.Toto procento je vypočteno na základě doby absorpce Případu 1. Z této tabulky je doba absorpce MH reaktoru využívajícího HCHE asi 45 000 až 46 000 s a doba absorpce včetně SCHE je asi 18 000 až 19 000 s.V porovnání s Případem 1 byla doba absorpce v Případu 2 a Případu 3 zkrácena pouze o 1,6 % a 2,7 %.Při použití SCHE místo HCHE byla doba absorpce významně snížena z případu 4 na případ 6, z 58 % na 61 %.Je zřejmé, že přidání SCHE do MH reaktoru značně zlepšuje proces absorpce vodíku a výkon MH reaktoru.Instalace tepelného výměníku uvnitř MH reaktoru sice snižuje akumulační kapacitu, ale tato technologie poskytuje výrazné zlepšení přenosu tepla ve srovnání s jinými technologiemi.Také snížení hodnoty výšky tónu zvýší hlasitost SCHE, což má za následek snížení hlasitosti MH.V případě 6 s nejvyšším objemem SCHE byla objemová kapacita MH snížena pouze o 5 % ve srovnání s případem 1 s nejnižším objemem HCHE.Navíc během absorpce vykazoval případ 6 rychlejší a lepší výkon s 61% zkrácením doby absorpce.Proto byl pro další zkoumání v analýze citlivosti vybrán případ 6.Je třeba poznamenat, že dlouhá doba spotřeby vodíku je spojena se zásobní nádrží o objemu MH asi 2000 cm3.
Provozní parametry během reakce jsou důležitými faktory, které pozitivně či negativně ovlivňují výkon VT reaktoru v reálných podmínkách.Tato studie zvažuje analýzu citlivosti pro určení vhodných počátečních provozních parametrů pro MH reaktor v kombinaci s SCHE a tato část zkoumá čtyři hlavní provozní parametry založené na optimální konfiguraci reaktoru v případě 6. Výsledky pro všechny provozní podmínky jsou uvedeny v Obr. 8
Graf koncentrace vodíku za různých provozních podmínek při použití výměníku tepla s půlválcovou spirálou.(a) plnicí tlak, (b) počáteční teplota lože, (c) Reynoldsovo číslo chladicí kapaliny a (d) vstupní teplota chladicí kapaliny.
Na základě konstantní počáteční teploty 573 K a průtoku chladiva s Reynoldsovým číslem 14 000 byly zvoleny čtyři různé zatěžovací tlaky: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa a 3,0 MPa.Na Obr.8a ukazuje vliv plnicího tlaku a SCHE na koncentraci vodíku v průběhu času.Doba absorpce se snižuje s rostoucím zatěžovacím tlakem.Použití aplikovaného tlaku vodíku 1,2 MPa je nejhorší případ pro proces absorpce vodíku a doba absorpce přesahuje 26 000 s, aby bylo dosaženo 90% absorpce vodíku.Vyšší zatěžovací tlak však vedl k 32-42% snížení doby absorpce z 1,8 na 3,0 MPa.To je způsobeno vyšším počátečním tlakem vodíku, což má za následek větší rozdíl mezi rovnovážným tlakem a aplikovaným tlakem.Proto to vytváří velkou hnací sílu pro kinetiku příjmu vodíku.V počátečním okamžiku je plynný vodík rychle absorbován v důsledku velkého rozdílu mezi rovnovážným tlakem a aplikovaným tlakem57.Při plnicím tlaku 3,0 MPa se během prvních 10 sekund rychle nahromadilo 18 % vodíku.Vodík byl skladován v 90 % reaktorů v konečné fázi po dobu 15 460 s.Při zatěžovacím tlaku 1,2 až 1,8 MPa se však doba absorpce výrazně zkrátila o 32 %.Jiné vyšší tlaky měly menší vliv na zlepšení doby absorpce.Proto se doporučuje, aby zatěžovací tlak reaktoru MH-SCHE byl 1,8 MPa.V doplňkové části jsou znázorněny obrysy koncentrace vodíku pro různé tlaky zatížení při 15 500 s.
Volba vhodné počáteční teploty MH reaktoru je jedním z hlavních faktorů ovlivňujících proces adsorpce vodíku, protože ovlivňuje hnací sílu reakce tvorby hydridu.Pro studium vlivu SCHE na počáteční teplotu MH reaktoru byly zvoleny čtyři různé teploty při konstantním plnicím tlaku 1,8 MPa a Reynoldsově čísle 14 000 HTF.Na Obr.Obrázek 8b ukazuje srovnání různých počátečních teplot, včetně 473 K, 523 K, 573 K a 623 K.Ve skutečnosti, když je teplota vyšší než 230 °C nebo 503K58, slitina Mg2Ni má účinné vlastnosti pro proces absorpce vodíku.V počátečním okamžiku vstřikování vodíku však teplota rychle stoupá.V důsledku toho teplota vrstvy MG překročí 523 K. Tvorba hydridů je proto usnadněna díky zvýšené rychlosti absorpce53.Z Obr.Z obr. 8b je vidět, že vodík je absorbován rychleji, když se počáteční teplota vrstvy MB snižuje.Nižší rovnovážné tlaky nastávají, když je počáteční teplota nižší.Čím větší je tlakový rozdíl mezi rovnovážným tlakem a aplikovaným tlakem, tím rychlejší je proces absorpce vodíku.Při počáteční teplotě 473 K je vodík během prvních 18 sekund rychle absorbován až z 27 %.Kromě toho se také snížila doba absorpce z 11 % na 24 % při nižší počáteční teplotě ve srovnání s počáteční teplotou 623 K. Doba absorpce při nejnižší počáteční teplotě 473 K je 15247 s, což je obdoba nejlepších tlak nakládání, pokles počáteční teploty reaktorové teploty však vede ke snížení skladovací kapacity vodíku.Počáteční teplota MN reaktoru musí být alespoň 503 K53.Kromě toho lze při počáteční teplotě 573 K53 dosáhnout maximální skladovací kapacity vodíku 3,6 % hmotn.Pokud jde o kapacitu skladování vodíku a dobu absorpce, teploty mezi 523 a 573 K zkracují dobu pouze o 6 %.Proto je jako počáteční teplota reaktoru MH-SCHE navržena teplota 573 K.Vliv počáteční teploty na absorpční proces byl však méně významný ve srovnání se zatěžovacím tlakem.Doplňující část ukazuje obrysy koncentrace vodíku pro různé počáteční teploty při 15 500 s.
Průtok je jedním z hlavních parametrů hydrogenace a dehydrogenace, protože může ovlivnit turbulenci a odvod nebo přívod tepla během hydrogenace a dehydrogenace59.Vysoké průtoky budou vytvářet turbulentní fáze a budou mít za následek rychlejší proudění tekutiny hadicí HTF.Tato reakce povede k rychlejšímu přenosu tepla.Různé vstupní rychlosti pro HTF jsou vypočítány na základě Reynoldsových čísel 10 000, 14 000, 18 000 a 22 000.Počáteční teplota vrstvy MG byla fixována na 573 K a zatěžovací tlak na 1,8 MPa.Výsledky na Obr.8c ukazují, že použití vyššího Reynoldsova čísla v kombinaci s SCHE vede k vyšší rychlosti vychytávání.Jak se Reynoldsovo číslo zvyšuje z 10 000 na 22 000, doba absorpce se snižuje asi o 28-50 %.Absorpční doba při Reynoldsově čísle 22 000 je 12 505 sekund, což je méně než při různých počátečních teplotách a tlacích.Kontury koncentrace vodíku pro různá Reynoldsova čísla pro GTP při 12 500 s jsou uvedeny v doplňkové části.
Vliv SCHE na počáteční teplotu HTF je analyzován a znázorněn na obr. 8d.Při počáteční teplotě MG 573 K a tlaku vodíku 1,8 MPa byly pro tuto analýzu zvoleny čtyři počáteční teploty: 373 K, 473 K, 523 K a 573 K. 8d ukazuje, že pokles teploty chladicí kapaliny na vstupu vede ke zkrácení doby absorpce.Ve srovnání se základním případem se vstupní teplotou 573 K byla doba absorpce snížena přibližně o 20 %, 44 % a 56 % pro vstupní teploty 523 K, 473 K a 373 K, v tomto pořadí.V 6917 s je počáteční teplota GTF 373 K, koncentrace vodíku v reaktoru je 90 %.To lze vysvětlit zvýšeným přenosem tepla konvekcí mezi vrstvou MG a HCS.Nižší teploty HTF zvýší odvod tepla a povede ke zvýšené absorpci vodíku.Ze všech provozních parametrů bylo nejvhodnější metodou zlepšení výkonu reaktoru MH-SCHE zvýšením vstupní teploty HTF, protože doba ukončení absorpčního procesu byla kratší než 7000 s, zatímco nejkratší doba absorpce u ostatních metod byla více než 10 000 s.Kontury koncentrace vodíku jsou uvedeny pro různé počáteční teploty GTP po dobu 7000 s.
Tato studie poprvé představuje nový poloválcový spirálový výměník tepla integrovaný do kovové hydridové akumulační jednotky.Schopnost navrženého systému absorbovat vodík byla zkoumána s různými konfiguracemi výměníku tepla.Byl zkoumán vliv provozních parametrů na výměnu tepla mezi vrstvou hydridu kovu a chladivem za účelem nalezení optimálních podmínek pro skladování hydridů kovů pomocí nového výměníku tepla.Hlavní zjištění této studie jsou shrnuta takto:
S poloválcovým spirálovým výměníkem tepla je výkon přenosu tepla zlepšen, protože má rovnoměrnější rozložení tepla v reaktoru s hořčíkovou vrstvou, což má za následek lepší rychlost absorpce vodíku.Za předpokladu, že objem teplosměnné trubky a hydridu kovu zůstane nezměněn, je reakční doba absorpce výrazně snížena o 59 % ve srovnání s konvenčním spirálovým výměníkem tepla.
Čas odeslání: 15. ledna 2023