Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).For at sikre løbende support viser vi desuden siden uden styles og JavaScript.
Viser en karrusel med tre dias på én gang.Brug knapperne Forrige og Næste til at flytte gennem tre dias ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at flytte gennem tre dias ad gangen.
Metalhydrider (MH) er anerkendt som en af de bedst egnede materialegrupper til brintlagring på grund af deres store brintlagringskapacitet, lave driftstryk og høje sikkerhed.Imidlertid reducerer deres langsomme brintoptagelseskinetik i høj grad lagringsydelsen.Hurtigere varmefjernelse fra MH-lageret kan spille en vigtig rolle i at øge dets brintoptagelseshastighed, hvilket resulterer i forbedret opbevaringsydelse.I denne henseende var denne undersøgelse rettet mod at forbedre varmeoverførselsegenskaberne for positivt at påvirke hydrogenoptagelseshastigheden af MH-lagringssystemet.Den nye halvcylindriske spole blev først udviklet og optimeret til brintlagring og indbygget som en intern luft-som-varmeveksler (HTF).Baseret på de forskellige pitchstørrelser analyseres effekten af den nye varmevekslerkonfiguration og sammenlignes med den konventionelle spiralformede spolegeometri.Derudover blev driftsparametrene for lagring af MG og GTP numerisk undersøgt for at opnå optimale værdier.Til numerisk simulering anvendes ANSYS Fluent 2020 R2.Resultaterne af denne undersøgelse viser, at ydeevnen af en MH lagertank kan forbedres væsentligt ved at bruge en semi-cylindrisk spolevarmeveksler (SCHE).Sammenlignet med konventionelle spiral spiral varmevekslere, er varigheden af brint absorption reduceret med 59%.Den mindste afstand mellem SCHE-spolerne resulterede i en 61% reduktion i absorptionstid.Med hensyn til driftsparametrene for MG-lagring ved brug af SHE, fører alle de valgte parametre til en væsentlig forbedring af brintabsorptionsprocessen, især temperaturen ved indløbet til HTS.
Der er en global overgang fra energi baseret på fossile brændstoffer til vedvarende energi.Fordi mange former for vedvarende energi giver strøm på en dynamisk måde, er energilagring nødvendig for at balancere belastningen.Brintbaseret energilagring har tiltrukket sig stor opmærksomhed til dette formål, især fordi brint kan bruges som et "grønt" alternativt brændstof og energibærer på grund af dets egenskaber og bærbarhed.Derudover giver brint også et højere energiindhold pr. masseenhed sammenlignet med fossile brændstoffer2.Der er fire hovedtyper af brintenergilagring: komprimeret gaslagring, underjordisk lagring, væskelagring og fast lagring.Komprimeret brint er hovedtypen, der anvendes i brændselscellekøretøjer såsom busser og gaffeltrucks.Dette lager giver dog en lav bulkdensitet af brint (ca. 0,089 kg/m3) og har sikkerhedsproblemer forbundet med højt driftstryk3.Baseret på en omdannelsesproces ved lav omgivelsestemperatur og lavt tryk vil væskelageret lagre brint i flydende form.Men når den gøres flydende, går omkring 40 % af energien tabt.Derudover er denne teknologi kendt for at være mere energi- og arbejdsintensiv sammenlignet med solid state-lagringsteknologier4.Fast opbevaring er en levedygtig mulighed for en brintøkonomi, som lagrer brint ved at inkorporere brint i faste materialer gennem absorption og frigivelse af brint gennem desorption.Metalhydrid (MH), en teknologi til opbevaring af fast materiale, er af nyere interesse i brændselscelleapplikationer på grund af dets høje brintkapacitet, lave driftstryk og lave omkostninger sammenlignet med væskeopbevaring og er velegnet til stationære og mobile applikationer6,7 In Derudover giver MH-materialer også sikkerhedsegenskaber såsom effektiv opbevaring af stor kapacitet8.Der er dog et problem, der begrænser MG'ens produktivitet: MG-reaktorens lave varmeledningsevne fører til langsom absorption og desorption af brint.
Korrekt varmeoverførsel under eksoterme og endoterme reaktioner er nøglen til at forbedre ydeevnen af MH-reaktorer.Til brintladningsprocessen skal den genererede varme fjernes fra reaktoren for at styre brintbelastningsstrømmen med den ønskede hastighed med maksimal lagerkapacitet.I stedet kræves varme for at øge brintudviklingshastigheden under udledning.For at forbedre varme- og masseoverførselsydelsen har mange forskere studeret design og optimering baseret på flere faktorer såsom driftsparametre, MG-struktur og MG11-optimering.MG-optimering kan udføres ved at tilføje materialer med høj varmeledningsevne såsom skummetaller til MG-lag 12,13.Således kan den effektive varmeledningsevne øges fra 0,1 til 2 W/mK10.Men tilsætningen af faste materialer reducerer MN-reaktorens kraft betydeligt.Med hensyn til driftsparametre kan der opnås forbedringer ved at optimere de indledende driftsbetingelser for MG-laget og kølevæsken (HTF).Strukturen af MG kan optimeres på grund af reaktorens geometri og varmevekslerens design.Med hensyn til konfigurationen af MH-reaktorvarmeveksleren kan metoderne opdeles i to typer.Det er interne varmevekslere indbygget i MO-laget og eksterne varmevekslere, der dækker MO-laget såsom finner, kølekapper og vandbade.Med hensyn til den eksterne varmeveksler analyserede Kaplan16 driften af MH-reaktoren ved at bruge kølevand som en kappe for at reducere temperaturen inde i reaktoren.Resultaterne blev sammenlignet med en reaktor med 22 runde finner og en anden reaktor afkølet ved naturlig konvektion.De anfører, at tilstedeværelsen af en kølejakke reducerer temperaturen på MH betydeligt og derved øger absorptionshastigheden.Numeriske undersøgelser af den vandkappede MH-reaktor af Patil og Gopal17 har vist, at brintforsyningstryk og HTF-temperatur er nøgleparametre, der påvirker hastigheden af brintoptagelse og desorption.
Forøgelse af varmeoverførselsområdet ved at tilføje finner og varmevekslere indbygget i MH er nøglen til at forbedre varme- og masseoverførselsydelsen og dermed opbevaringsydelsen af MH18.Adskillige interne varmevekslerkonfigurationer (lige rør og spiralspiral) er designet til at cirkulere kølevæsken i MH19,20,21,22,23,24,25,26 reaktoren.Ved hjælp af en intern varmeveksler vil køle- eller opvarmningsvæsken overføre lokal varme inde i MH-reaktoren under brintadsorptionsprocessen.Raju og Kumar [27] brugte flere lige rør som varmevekslere for at forbedre ydeevnen af MG.Deres resultater viste, at absorptionstider blev reduceret, når lige rør blev brugt som varmevekslere.Derudover forkorter brugen af lige rør hydrogendesorptionstiden28.Højere kølevæskestrømningshastigheder øger hastigheden af brintpåfyldning og -udledning29.En forøgelse af antallet af kølerør har dog en positiv effekt på MH-ydelse frem for kølevæskestrømningshastighed30,31.Raju et al.32 brugte LaMi4.7Al0.3 som et MH-materiale til at studere ydeevnen af flerrørsvarmevekslere i reaktorer.De rapporterede, at driftsparametrene havde en signifikant effekt på absorptionsprocessen, især fødetrykket og derefter flowhastigheden af HTF'en.Absorptionstemperaturen viste sig imidlertid at være mindre kritisk.
Ydeevnen af MH-reaktoren forbedres yderligere ved brugen af en spiralspiral varmeveksler på grund af dens forbedrede varmeoverførsel sammenlignet med lige rør.Dette skyldes, at den sekundære cyklus bedre kan fjerne varme fra reaktoren25.Derudover giver spiralrørene et stort overfladeareal til varmeoverførsel fra MH-laget til kølevæsken.Når denne metode indføres inde i reaktoren, er fordelingen af varmevekslerrør også mere ensartet33.Wang et al.34 undersøgte effekten af brintoptagelsesvarighed ved at tilføje en spiralformet spole til en MH-reaktor.Deres resultater viser, at når varmeoverførselskoefficienten for kølevæsken stiger, falder absorptionstiden.Wu et al.25 undersøgte ydeevnen af Mg2Ni-baserede MH-reaktorer og spiralvarmevekslere.Deres numeriske undersøgelser har vist en reduktion i reaktionstiden.Forbedringen af varmeoverførselsmekanismen i MN-reaktoren er baseret på et mindre forhold mellem skruestigning og skruestigning og en dimensionsløs skruestigning.En eksperimentel undersøgelse foretaget af Mellouli et al.21 med en oprullet spole som intern varmeveksler viste, at HTF-starttemperatur har en signifikant effekt på at forbedre brintoptagelse og desorptionstid.Kombinationer af forskellige interne varmevekslere er blevet udført i flere undersøgelser.Eisapur et al.35 undersøgte brintlagring ved hjælp af en spiralspiral varmeveksler med et centralt returrør for at forbedre brintabsorptionsprocessen.Deres resultater viste, at spiralrøret og det centrale returrør signifikant forbedrer varmeoverførslen mellem kølevæsken og MG.Den mindre stigning og større diameter af spiralrøret øger hastigheden af varme- og masseoverførsel.Ardahaie et al.36 brugte flade spiralrør som varmevekslere for at forbedre varmeoverførslen i reaktoren.De rapporterede, at absorptionsvarigheden blev reduceret ved at øge antallet af fladtrykte spiralrørsplaner.Kombinationer af forskellige interne varmevekslere er blevet udført i flere undersøgelser.Dhau et al.37 forbedrede ydeevnen af MH ved hjælp af en oprullet spolevarmeveksler og finner.Deres resultater viser, at denne metode reducerer brintpåfyldningstiden med en faktor 2 i forhold til tilfældet uden finner.De ringformede finner er kombineret med kølerør og indbygget i MN-reaktoren.Resultaterne af denne undersøgelse viser, at denne kombinerede metode giver mere ensartet varmeoverførsel sammenlignet med MH-reaktoren uden finner.Dog vil kombination af forskellige varmevekslere påvirke vægten og volumen af MH-reaktoren negativt.Wu et al.18 sammenlignede forskellige varmevekslerkonfigurationer.Disse omfatter lige rør, finner og spiralspiraler.Forfatterne rapporterer, at spiralspoler giver de bedste forbedringer i varme- og masseoverførsel.Sammenlignet med lige rør, oprullede rør og lige rør kombineret med oprullede rør, har dobbeltspoler en bedre effekt på at forbedre varmeoverførslen.En undersøgelse af Sekhar et al.40 viste, at en lignende forbedring i brintoptagelsen blev opnået ved at bruge en spiralspole som den indvendige varmeveksler og en udvendig kølekappe med ribber.
Af de ovenfor nævnte eksempler giver brugen af spiralspiraler som interne varmevekslere bedre varme- og masseoverførselsforbedringer end andre varmevekslere, især lige rør og finner.Derfor var formålet med denne undersøgelse at videreudvikle spiralspolen for at forbedre varmeoverførselsydelsen.For første gang er der udviklet en ny halvcylindrisk spole baseret på den konventionelle MH-lagringsspiralformede spole.Denne undersøgelse forventes at forbedre brintlagringsydelsen ved at overveje et nyt varmevekslerdesign med et bedre varmeoverførselszonelayout leveret af et konstant volumen af MH-seng og HTF-rør.Opbevaringsydelsen af denne nye varmeveksler blev derefter sammenlignet med konventionelle spiral spiral varmevekslere baseret på forskellige spiral stigninger.Ifølge eksisterende litteratur er driftsbetingelser og afstand mellem spoler de vigtigste faktorer, der påvirker ydeevnen af MH-reaktorer.For at optimere designet af denne nye varmeveksler blev effekten af spoleafstand på brintoptagelsestid og MH-volumen undersøgt.For at forstå forholdet mellem de nye halvcylindriske spoler og driftsbetingelser var et sekundært mål med denne undersøgelse desuden at studere reaktorens egenskaber i henhold til forskellige driftsparametre og bestemme de passende værdier for hver drift mode.parameter.
Ydeevnen af brintenergilagringsenheden i denne undersøgelse er undersøgt baseret på to varmevekslerkonfigurationer (inklusive spiralrør i tilfælde 1 til 3 og halvcylindriske rør i tilfælde 4 til 6) og en følsomhedsanalyse af driftsparametre.Driftsevnen af MH-reaktoren blev testet for første gang ved brug af et spiralrør som varmeveksler.Både kølevæskeolierøret og MH-reaktorbeholderen er lavet af rustfrit stål.Det skal bemærkes, at dimensionerne af MG-reaktoren og diameteren af GTF-rørene var konstante i alle tilfælde, mens trinstørrelserne af GTF varierede.Dette afsnit analyserer effekten af pitchstørrelsen af HTF-spoler.Reaktorens højde og ydre diameter var henholdsvis 110 mm og 156 mm.Diameteren af det varmeledende olierør er indstillet til 6 mm.Se det supplerende afsnit for detaljer om MH-reaktorkredsløbsdiagrammet med spiralrør og to halvcylindriske rør.
På fig.1a viser MH spiralrørsreaktoren og dens dimensioner.Alle geometriske parametre er angivet i tabel.1. Det samlede volumen af helixen og volumenet af ZG er henholdsvis ca. 100 cm3 og 2000 cm3.Fra denne MH-reaktor blev luft i form af HTF tilført den porøse MH-reaktor nedefra gennem et spiralrør, og brint blev indført fra reaktorens øverste overflade.
Karakterisering af udvalgte geometrier for metalhydridreaktorer.a) med en spiral-rørformet varmeveksler, b) med en semi-cylindrisk rørformet varmeveksler.
Anden del undersøger driften af MH-reaktoren baseret på et halvcylindrisk rør som varmeveksler.På fig.1b viser MN-reaktoren med to halvcylindriske rør og deres dimensioner.Tabel 1 viser alle de geometriske parametre for halvcylindriske rør, som forbliver konstante, med undtagelse af afstanden mellem dem.Det skal bemærkes, at det halvcylindriske rør i Case 4 er designet med et konstant volumen af HTF-rør og MH-legering i det oprullede rør (mulighed 3).Hvad angår fig.1b blev der også indført luft fra bunden af de to halvcylindriske HTF-rør, og hydrogen blev indført fra den modsatte retning af MH-reaktoren.
På grund af det nye design af varmeveksleren er formålet med dette afsnit at bestemme de passende startværdier for driftsparametrene for MH-reaktoren i kombination med SCHE.I alle tilfælde blev luft brugt som kølemiddel til at fjerne varme fra reaktoren.Blandt varmeoverførselsolier er luft og vand almindeligvis valgt som varmeoverførselsolier til MH-reaktorer på grund af deres lave omkostninger og lave miljøpåvirkninger.På grund af det høje driftstemperaturområde for magnesiumbaserede legeringer blev luft valgt som kølemiddel i denne undersøgelse.Derudover har det også bedre flydeegenskaber end andre flydende metaller og smeltede salte41.Tabel 2 viser egenskaberne for luft ved 573 K. Til følsomhedsanalysen i dette afsnit anvendes kun de bedste konfigurationer af MH-SCHE-ydeevnemulighederne (i tilfælde 4 til 6).Estimaterne i dette afsnit er baseret på forskellige driftsparametre, herunder starttemperaturen for MH-reaktoren, hydrogenbelastningstrykket, HTF-indløbstemperaturen og Reynolds-tallet beregnet ved at ændre HTF-hastigheden.Tabel 3 indeholder alle driftsparametre, der anvendes til følsomhedsanalyse.
Dette afsnit beskriver alle de nødvendige kontrolligninger for processen med brintabsorption, turbulens og varmeoverførsel af kølemidler.
For at forenkle løsningen af hydrogenoptagelsesreaktionen er følgende antagelser lavet og givet;
Under absorption er de termofysiske egenskaber af brint og metalhydrider konstante.
Brint betragtes som en ideel gas, så lokale termiske ligevægtsforhold43,44 tages i betragtning.
hvor \({L}_{gas}\) er tankens radius, og \({L}_{varme}\) er tankens aksiale højde.Når N er mindre end 0,0146, kan brintflowet i tanken ignoreres i simuleringen uden væsentlig fejl.Ifølge nuværende forskning er N meget lavere end 0,1.Derfor kan trykgradienteffekten negligeres.
Reaktorvæggene var i alle tilfælde godt isolerede.Derfor er der ingen varmeudveksling 47 mellem reaktoren og miljøet.
Det er velkendt, at Mg-baserede legeringer har gode hydrogeneringsegenskaber og høj brintlagringskapacitet op til 7,6 vægt%8.Med hensyn til lagring af brint i fast form er disse legeringer også kendt som lette materialer.Derudover har de fremragende varmebestandighed og god bearbejdelighed8.Blandt flere Mg-baserede legeringer er Mg2Ni-baseret MgNi-legering en af de bedst egnede muligheder for MH-lagring på grund af dens brintlagringskapacitet på op til 6 vægt%.Mg2Ni-legeringer giver også hurtigere adsorptions- og desorptionskinetik sammenlignet med MgH48-legering.Derfor blev Mg2Ni valgt som metalhydridmaterialet i denne undersøgelse.
Energiligningen er udtrykt som 25 baseret på varmebalancen mellem brint og Mg2Ni-hydrid:
X er mængden af brint absorberet på metaloverfladen, enheden er \(vægt\%\), beregnet ud fra den kinetiske ligning \(\frac{dX}{dt}\) under absorption som følger49:
hvor \({C}_{a}\) er reaktionshastigheden og \({E}_{a}\) er aktiveringsenergien.\({P}_{a,eq}\) er ligevægtstrykket inde i metalhydridreaktoren under absorptionsprocessen, givet af van't Hoff-ligningen som følger25:
Hvor \({P}_{ref}\) er referencetrykket på 0,1 MPa.\(\Delta H\) og \(\Delta S\) er henholdsvis entalpien og entropien af reaktionen.Egenskaber for legeringer Mg2Ni og hydrogen er vist i tabel.4. Den navngivne liste findes i det supplerende afsnit.
Væskestrømmen anses for turbulent, fordi dens hastighed og Reynolds-tal (Re) er henholdsvis 78,75 ms-1 og 14000.I denne undersøgelse blev en opnåelig k-ε turbulensmodel valgt.Det bemærkes, at denne metode giver højere nøjagtighed sammenlignet med andre k-ε-metoder og også kræver mindre beregningstid end RNG k-ε50,51-metoder.Se det supplerende afsnit for detaljer om de grundlæggende ligninger for varmeoverførselsvæsker.
Til at begynde med var temperaturregimet i MN-reaktoren ensartet, og den gennemsnitlige brintkoncentration var 0,043.Det antages, at MH-reaktorens ydre grænse er godt isoleret.Magnesiumbaserede legeringer kræver typisk høje reaktionsdriftstemperaturer for at opbevare og frigive brint i reaktoren.Mg2Ni-legeringen kræver et temperaturområde på 523-603 K for maksimal absorption og et temperaturområde på 573-603 K for fuldstændig desorption52.Eksperimentelle undersøgelser af Muthukumar et al.53 viste dog, at den maksimale lagerkapacitet af Mg2Ni til brintlagring kan opnås ved en driftstemperatur på 573 K, hvilket svarer til dens teoretiske kapacitet.Derfor blev temperaturen på 573 K valgt som starttemperaturen for MN-reaktoren i denne undersøgelse.
Opret forskellige gitterstørrelser for validering og pålidelige resultater.På fig.2 viser gennemsnitstemperaturen på udvalgte steder i brintabsorptionsprocessen fra fire forskellige grundstoffer.Det er værd at bemærke, at kun ét tilfælde af hver konfiguration er valgt til at teste for netuafhængighed på grund af lignende geometri.Den samme meshing-metode anvendes i andre tilfælde.Vælg derfor mulighed 1 for spiralrøret og mulighed 4 for det halvcylindriske rør.På fig.2a, b viser gennemsnitstemperaturen i reaktoren for henholdsvis valgmulighed 1 og 4.De tre udvalgte placeringer repræsenterer lejetemperaturkonturer i toppen, midten og bunden af reaktoren.Baseret på temperaturkonturerne på de udvalgte steder, bliver gennemsnitstemperaturen stabil og viser en lille ændring i elementnummer 428.891 og 430.599 for henholdsvis tilfælde 1 og 4.Derfor blev disse gitterstørrelser valgt til yderligere beregninger.Detaljerede oplysninger om den gennemsnitlige lejetemperatur for hydrogenabsorptionsprocessen for forskellige cellestørrelser og successivt raffinerede masker for begge tilfælde er givet i det supplerende afsnit.
Gennemsnitlig lejetemperatur på udvalgte punkter i hydrogenabsorptionsprocessen i en metalhydridreaktor med forskellige gitternumre.(a) Gennemsnitstemperatur på udvalgte steder for tilfælde 1 og (b) Gennemsnitstemperatur på udvalgte steder for tilfælde 4.
Den Mg-baserede metalhydridreaktor i denne undersøgelse blev testet baseret på de eksperimentelle resultater af Muthukumar et al.53.I deres undersøgelse brugte de en Mg2Ni-legering til at opbevare brint i rustfri stålrør.Kobberfinner bruges til at forbedre varmeoverførslen inde i reaktoren.På fig.3a viser en sammenligning af gennemsnitstemperaturen af absorptionsproceslejet mellem den eksperimentelle undersøgelse og denne undersøgelse.De valgte driftsbetingelser for dette eksperiment er: MG begyndelsestemperatur 573 K og indløbstryk 2 MPa.Fra fig.3a kan det tydeligt påvises, at dette forsøgsresultat er i god overensstemmelse med det foreliggende med hensyn til den gennemsnitlige lagtemperatur.
Model verifikation.(a) Kodeverifikation af Mg2Ni-metalhydridreaktoren ved at sammenligne den nuværende undersøgelse med Muthukumar et al.s eksperimentelle arbejde, og (b) verifikation af den turbulente strømningsmodel med spiralrør ved at sammenligne den nuværende undersøgelse med den af Kumar et al. .Forskning.54.
For at teste turbulensmodellen blev resultaterne af denne undersøgelse sammenlignet med de eksperimentelle resultater af Kumar et al.54 for at bekræfte rigtigheden af den valgte turbulensmodel.Kumar et al.54 undersøgte turbulent flow i en rør-i-rør spiral varmeveksler.Vand bruges som varm og kold væske indsprøjtet fra modsatte sider.De varme og kolde væsketemperaturer er henholdsvis 323 K og 300 K.Reynolds tal spænder fra 3100 til 5700 for varme væsker og fra 21.000 til 35.000 for kolde væsker.Deantal er 550-1000 for varme væsker og 3600-6000 for kolde væsker.Diametrene på det indre rør (til varm væske) og det ydre rør (til kold væske) er henholdsvis 0,0254 m og 0,0508 m.Diameteren og stigningen af den spiralformede spole er henholdsvis 0,762 m og 0,100 m.På fig.3b viser en sammenligning af eksperimentelle og aktuelle resultater for forskellige par af Nusselt- og Dean-tal for kølevæsken i det indre rør.Tre forskellige turbulensmodeller blev implementeret og sammenlignet med eksperimentelle resultater.Som vist i fig.3b er resultaterne af den opnåelige k-ε turbulensmodel i god overensstemmelse med de eksperimentelle data.Derfor er denne model valgt i denne undersøgelse.
Numeriske simuleringer i denne undersøgelse blev udført ved hjælp af ANSYS Fluent 2020 R2.Skriv en brugerdefineret funktion (UDF) og brug den som inputleddet i energiligningen til at beregne kinetikken af absorptionsprocessen.PRESTO55-kredsløbet og PISO56-metoden bruges til tryk-hastighedskommunikation og trykkorrektion.Vælg en Greene-Gauss cellebase for den variable gradient.Momentum- og energiligningerne løses ved andenordens opvindsmetoden.Med hensyn til underrelaksationskoefficienterne er tryk-, hastigheds- og energikomponenterne sat til henholdsvis 0,5, 0,7 og 0,7.Standard vægfunktionerne anvendes på HTF i turbulensmodellen.
Dette afsnit præsenterer resultaterne af numeriske simuleringer af forbedret intern varmeoverførsel af en MH-reaktor ved brug af en spoleformet varmeveksler (HCHE) og en spiralformet spolevarmeveksler (SCHE) under brintabsorption.Virkningen af HTF-beg på temperaturen af reaktorlejet og varigheden af absorption blev analyseret.De vigtigste driftsparametre for absorptionsprocessen studeres og præsenteres i følsomhedsanalyseafsnittet.
For at undersøge effekten af spoleafstand på varmeoverførsel i en MH-reaktor, blev tre varmevekslerkonfigurationer med forskellige stigninger undersøgt.De tre forskellige stigninger på 15 mm, 12,86 mm og 10 mm er betegnet henholdsvis krop 1, krop 2 og krop 3.Det skal bemærkes, at rørdiameteren blev fastsat til 6 mm ved en starttemperatur på 573 K og et belastningstryk på 1,8 MPa i alle tilfælde.På fig.4 viser den gennemsnitlige lejetemperatur og hydrogenkoncentration i MH-laget under hydrogenabsorptionsprocessen i tilfælde 1 til 3. Typisk er reaktionen mellem metalhydridet og hydrogen eksoterm i forhold til absorptionsprocessen.Derfor stiger lejets temperatur hurtigt på grund af det første øjeblik, hvor brint først indføres i reaktoren.Sengetemperaturen stiger, indtil den når en maksimal værdi og falder derefter gradvist, efterhånden som varme føres væk af kølevæsken, som har en lavere temperatur og fungerer som kølevæske.Som vist i fig.4a, på grund af den foregående forklaring, stiger lagets temperatur hurtigt og falder kontinuerligt.Brintkoncentrationen for absorptionsprocessen er sædvanligvis baseret på lejetemperaturen i MH-reaktoren.Når den gennemsnitlige lagtemperatur falder til en vis temperatur, absorberer metaloverfladen brint.Dette skyldes accelerationen af processerne med fysisorption, kemisorption, diffusion af brint og dannelsen af dets hydrider i reaktoren.Fra fig.4b kan det ses, at brintabsorptionshastigheden i tilfælde 3 er lavere end i andre tilfælde på grund af den mindre trinværdi af spolevarmeveksleren.Dette resulterer i en længere samlet rørlængde og et større varmeoverførselsområde for HTF-rør.Med en gennemsnitlig brintkoncentration på 90% er absorptionstiden for Case 1 46.276 sekunder.Sammenlignet med varigheden af absorption i tilfælde 1 blev absorptionsvarigheden i tilfælde 2 og 3 reduceret med henholdsvis 724 s og 1263 s.Det supplerende afsnit præsenterer temperatur- og brintkoncentrationskonturer for udvalgte steder i HCHE-MH-laget.
Indflydelse af afstand mellem spoler på gennemsnitlig lagtemperatur og brintkoncentration.(a) Gennemsnitlig lejetemperatur for spiralformede spoler, (b) hydrogenkoncentration for spiralformede spoler, (c) gennemsnitlig lejetemperatur for halvcylindriske spoler og (d) brintkoncentration for halvcylindriske spoler.
For at forbedre MG-reaktorens varmeoverførselskarakteristika blev to HFC'er designet til et konstant volumen af MG'en (2000 cm3) og en spiralvarmeveksler (100 cm3) af mulighed 3. Dette afsnit overvejer også virkningen af afstanden mellem spoler på 15 mm til kasse 4, 12,86 mm til kasse 5 og 10 mm til kasse 6. I fig.4c,d viser den gennemsnitlige lejetemperatur og koncentration af hydrogenabsorptionsprocessen ved en begyndelsestemperatur på 573 K og et belastningstryk på 1,8 MPa.Ifølge den gennemsnitlige lagtemperatur i fig. 4c reducerer den mindre afstand mellem spolerne i tilfælde 6 temperaturen betydeligt sammenlignet med de to andre tilfælde.For tilfælde 6 resulterer en lavere lejetemperatur i en højere hydrogenkoncentration (se fig. 4d).Brintoptagelsestiden for Variant 4 er 19542 s, hvilket er mere end 2 gange lavere end for Variant 1-3 ved brug af HCH.Derudover blev absorptionstiden i forhold til tilfælde 4 også reduceret med 378 s og 1515 s i tilfælde 5 og 6 med lavere afstande.Det supplerende afsnit præsenterer temperatur- og brintkoncentrationskonturer for udvalgte steder i SCHE-MH-laget.
For at studere ydeevnen af to varmevekslerkonfigurationer plotter og præsenterer dette afsnit temperaturkurver på tre udvalgte steder.MH-reaktoren med HCHE fra tilfælde 3 blev valgt til sammenligning med MH-reaktoren indeholdende SCHE i tilfælde 4, fordi den har et konstant MH-volumen og rørvolumen.Driftsbetingelserne for denne sammenligning var en starttemperatur på 573 K og et belastningstryk på 1,8 MPa.På fig.5a og 5b viser alle tre valgte positioner af temperaturprofilerne i henholdsvis tilfælde 3 og 4.På fig.5c viser temperaturprofilen og lagkoncentrationen efter 20.000 s brintoptagelse.Ifølge linje 1 i fig. 5c falder temperaturen omkring TTF'en fra valgmulighed 3 og 4 på grund af kølevæskens konvektiv varmeoverførsel.Dette resulterer i en højere koncentration af brint omkring dette område.Imidlertid resulterer brugen af to SCHE'er i en højere lagkoncentration.Der blev fundet hurtigere kinetiske responser omkring HTF-regionen i tilfælde 4. Derudover blev der også fundet en maksimal koncentration på 100 % i denne region.Fra linje 2 placeret i midten af reaktoren er temperaturen i case 4 væsentligt lavere end temperaturen i case 3 alle steder undtagen reaktorens centrum.Dette resulterer i den maksimale hydrogenkoncentration for tilfælde 4 bortset fra området nær midten af reaktoren væk fra HTF'en.Koncentrationen af case 3 ændrede sig dog ikke meget.En stor forskel i lagets temperatur og koncentration blev observeret i linje 3 nær indgangen til GTS.Temperaturen af laget i tilfælde 4 faldt betydeligt, hvilket resulterede i den højeste brintkoncentration i denne region, mens koncentrationslinjen i tilfælde 3 stadig svingede.Dette skyldes accelerationen af SCHE varmeoverførsel.Detaljer og diskussion af sammenligningen af den gennemsnitlige temperatur af MH-laget og HTF-røret mellem case 3 og case 4 er givet i det supplerende afsnit.
Temperaturprofil og lejekoncentration på udvalgte steder i metalhydridreaktoren.(a) Udvalgte placeringer for tilfælde 3, (b) Udvalgte placeringer for tilfælde 4, og (c) Temperaturprofil og lagkoncentration på udvalgte steder efter 20.000 s for brintoptagelsesprocessen i tilfælde 3 og 4.
På fig.Figur 6 viser en sammenligning af den gennemsnitlige lejetemperatur (se figur 6a) og hydrogenkoncentration (se figur 6b) for absorptionen af HCH og SHE.Det kan ses af denne figur, at temperaturen i MG-laget falder væsentligt på grund af en stigning i varmevekslingsarealet.Fjernelse af mere varme fra reaktoren resulterer i en højere brintoptagelseshastighed.Selvom de to varmevekslerkonfigurationer har samme volumen sammenlignet med at bruge HCHE som mulighed 3, blev SCHE's brintoptagelsestid baseret på mulighed 4 væsentligt reduceret med 59 %.For en mere detaljeret analyse er brintkoncentrationerne for de to varmevekslerkonfigurationer vist som isoliner i figur 7. Denne figur viser, at i begge tilfælde begynder brint at blive absorberet nedefra omkring HTF-indløbet.Højere koncentrationer blev fundet i HTF-regionen, mens lavere koncentrationer blev observeret i midten af MH-reaktoren på grund af dens afstand fra varmeveksleren.Efter 10.000 s er brintkoncentrationen i tilfælde 4 væsentligt højere end i tilfælde 3. Efter 20.000 sekunder er den gennemsnitlige brintkoncentration i reaktoren steget til 90 % i tilfælde 4 sammenlignet med 50 % brint i tilfælde 3. Dette kan skyldes til den højere effektive kølekapacitet ved at kombinere to SCHE'er, hvilket resulterer i en lavere temperatur inde i MH-laget.Som følge heraf falder et mere ligevægtstryk inde i MG-laget, hvilket fører til en hurtigere absorption af brint.
Case 3 og Case 4 Sammenligning af gennemsnitlig lejetemperatur og brintkoncentration mellem to varmevekslerkonfigurationer.
Sammenligning af brintkoncentrationen efter 500, 2000, 5000, 10000 og 20000 s efter starten af brintabsorptionsprocessen i tilfælde 3 og tilfælde 4.
Tabel 5 opsummerer varigheden af hydrogenoptagelse for alle tilfælde.Derudover viser tabellen også tidspunktet for absorption af brint, udtrykt i procent.Denne procentdel er beregnet ud fra absorptionstiden i tilfælde 1. Fra denne tabel er absorptionstiden for MH-reaktoren, der anvender HCHE, ca. 45.000 til 46.000 s, og absorptionstiden inklusive SCHE er ca. 18.000 til 19.000 s.I forhold til Case 1 blev absorptionstiden i Case 2 og Case 3 kun reduceret med henholdsvis 1,6 % og 2,7 %.Ved anvendelse af SCHE i stedet for HCHE blev absorptionstiden signifikant reduceret fra tilfælde 4 til tilfælde 6, fra 58 % til 61 %.Det er klart, at tilsætningen af SCHE til MH-reaktoren i høj grad forbedrer hydrogenabsorptionsprocessen og ydeevnen af MH-reaktoren.Selvom installationen af en varmeveksler inde i MH-reaktoren reducerer lagerkapaciteten, giver denne teknologi en væsentlig forbedring af varmeoverførslen sammenlignet med andre teknologier.Reduktion af tonehøjdeværdien vil også øge volumen af SCHE, hvilket resulterer i et fald i volumen af MH.I tilfælde 6 med det højeste SCHE-volumen blev den volumetriske MH-kapacitet kun reduceret med 5 % sammenlignet med tilfælde 1 med det laveste HCHE-volumen.Derudover viste case 6 under absorption hurtigere og bedre ydeevne med en 61 % reduktion i absorptionstid.Derfor blev case 6 valgt til yderligere undersøgelse i følsomhedsanalysen.Det skal bemærkes, at den lange brintoptagelsestid er forbundet med en lagertank indeholdende et MH-volumen på omkring 2000 cm3.
Driftsparametrene under reaktionen er vigtige faktorer, der positivt eller negativt påvirker MH-reaktorens ydeevne under virkelige forhold.Denne undersøgelse overvejer en følsomhedsanalyse for at bestemme de passende indledende driftsparametre for en MH-reaktor i kombination med SCHE, og dette afsnit undersøger de fire hoveddriftsparametre baseret på den optimale reaktorkonfiguration i case 6. Resultaterne for alle driftsbetingelser er vist i Fig. 8.
Graf over brintkoncentration under forskellige driftsforhold ved brug af en varmeveksler med en halvcylindrisk spole.(a) belastningstryk, (b) indledende lejetemperatur, (c) kølevæske Reynolds-tal og (d) kølevæskeindløbstemperatur.
Baseret på en konstant starttemperatur på 573 K og en kølevæskestrømningshastighed med et Reynolds-tal på 14.000 blev der valgt fire forskellige belastningstryk: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa og 3,0 MPa.På fig.8a viser virkningen af ladetryk og SCHE på hydrogenkoncentration over tid.Absorptionstiden falder med stigende læssetryk.Brug af et påført brinttryk på 1,2 MPa er det værste tilfælde for brintabsorptionsprocessen, og absorptionsvarigheden overstiger 26.000 s for at opnå 90 % brintabsorption.Det højere belastningstryk resulterede imidlertid i et 32-42% fald i absorptionstid fra 1,8 til 3,0 MPa.Dette skyldes det højere starttryk af brint, hvilket resulterer i en større forskel mellem ligevægtstrykket og det påførte tryk.Derfor skaber dette en stor drivkraft for brintoptagelseskinetikken.I det første øjeblik absorberes brintgas hurtigt på grund af den store forskel mellem ligevægtstrykket og det påførte tryk57.Ved et belastningstryk på 3,0 MPa akkumuleredes 18 % brint hurtigt i løbet af de første 10 sekunder.Brint blev lagret i 90% af reaktorerne i slutfasen i 15460 s.Ved et belastningstryk på 1,2 til 1,8 MPa blev absorptionstiden dog væsentligt reduceret med 32 %.Andre højere tryk havde mindre effekt på at forbedre absorptionstider.Derfor anbefales det, at ladetrykket for MH-SCHE-reaktoren er 1,8 MPa.Det supplerende afsnit viser brintkoncentrationskonturerne for forskellige belastningstryk ved 15500 s.
Valget af en passende starttemperatur for MH-reaktoren er en af de vigtigste faktorer, der påvirker hydrogenadsorptionsprocessen, da det påvirker drivkraften af hydriddannelsesreaktionen.For at studere effekten af SCHE på starttemperaturen af MH-reaktoren blev fire forskellige temperaturer valgt ved et konstant ladetryk på 1,8 MPa og et Reynolds-tal på 14.000 HTF.På fig.Figur 8b viser en sammenligning af forskellige starttemperaturer, herunder 473K, 523K, 573K og 623K.Faktisk, når temperaturen er højere end 230°C eller 503K58, har Mg2Ni-legeringen effektive egenskaber for hydrogenabsorptionsprocessen.Men i det første øjeblik af brintinjektion stiger temperaturen hurtigt.Følgelig vil temperaturen af MG-laget overstige 523 K. Derfor lettes dannelsen af hydrider på grund af den øgede absorptionshastighed53.Fra fig.Det kan ses af fig. 8b, at brint absorberes hurtigere, når MB-lagets begyndelsestemperatur falder.Lavere ligevægtstryk opstår, når starttemperaturen er lavere.Jo større trykforskellen mellem ligevægtstrykket og det påførte tryk er, jo hurtigere er brintabsorptionsprocessen.Ved en starttemperatur på 473 K absorberes brint hurtigt op til 27 % i løbet af de første 18 sekunder.Derudover blev absorptionstiden også reduceret fra 11 % til 24 % ved en lavere starttemperatur sammenlignet med starttemperaturen på 623 K. Absorptionstiden ved den laveste starttemperatur på 473 K er 15247 s, hvilket svarer til de bedste I tilfælde af belastningstryk fører faldet i reaktortemperaturen til starttemperaturen imidlertid til et fald i brintlagerkapaciteten.Starttemperaturen for MN-reaktoren skal være mindst 503 K53.Derudover kan der ved en starttemperatur på 573 K53 opnås en maksimal brintlagringskapacitet på 3,6 vægt%.Med hensyn til brintlagringskapacitet og absorptionsvarighed forkorter temperaturer mellem 523 og 573 K tiden med kun 6 %.Derfor foreslås en temperatur på 573 K som starttemperatur for MH-SCHE-reaktoren.Imidlertid var virkningen af starttemperaturen på absorptionsprocessen mindre signifikant sammenlignet med belastningstrykket.Det supplerende afsnit viser konturerne af brintkoncentrationen for forskellige starttemperaturer ved 15500 s.
Strømningshastigheden er en af hovedparametrene for hydrogenering og dehydrogenering, fordi den kan påvirke turbulens og varmefjernelse eller input under hydrogenering og dehydrogenering59.Høje strømningshastigheder vil skabe turbulente faser og resultere i hurtigere væskestrøm gennem HTF-slangen.Denne reaktion vil resultere i hurtigere varmeoverførsel.Forskellige indgangshastigheder for HTF beregnes baseret på Reynolds tal på 10.000, 14.000, 18.000 og 22.000.Starttemperaturen af MG-laget blev fastsat til 573 K og belastningstrykket på 1,8 MPa.Resultaterne i fig.8c viser, at brug af et højere Reynolds-tal i kombination med SCHE resulterer i en højere optagelseshastighed.Når Reynolds-tallet stiger fra 10.000 til 22.000, falder absorptionstiden med omkring 28-50%.Absorptionstiden ved et Reynolds-tal på 22.000 er 12.505 sekunder, hvilket er mindre end ved forskellige indledende belastningstemperaturer og tryk.Brintkoncentrationskonturer for forskellige Reynolds-tal for GTP ved 12500 s er præsenteret i det supplerende afsnit.
Virkningen af SCHE på starttemperaturen af HTF'en analyseres og vises i fig. 8d.Ved en initial MG-temperatur på 573 K og et hydrogenbelastningstryk på 1,8 MPa blev der valgt fire starttemperaturer til denne analyse: 373 K, 473 K, 523 K og 573 K. 8d viser, at et fald i kølevæskens temperatur ved indløbet fører til en reduktion af absorptionstiden.Sammenlignet med basistilfældet med en indløbstemperatur på 573 K blev absorptionstiden reduceret med ca. 20 %, 44 % og 56 % for indløbstemperaturer på henholdsvis 523 K, 473 K og 373 K.Ved 6917 s er starttemperaturen for GTF 373 K, hydrogenkoncentrationen i reaktoren er 90%.Dette kan forklares ved forbedret konvektiv varmeoverførsel mellem MG-laget og HCS.Lavere HTF-temperaturer vil øge varmeafgivelsen og resultere i øget brintoptagelse.Blandt alle driftsparametre var forbedring af MH-SCHE-reaktorens ydeevne ved at øge HTF-indløbstemperaturen den mest egnede metode, da sluttidspunktet for absorptionsprocessen var mindre end 7000 s, mens den korteste absorptionstid af andre metoder var mere end 10000 s.Brintkoncentrationskonturer præsenteres for forskellige begyndelsestemperaturer for GTP i 7000 s.
Denne undersøgelse præsenterer for første gang en ny halvcylindrisk spolevarmeveksler integreret i en metalhydridlagringsenhed.Det foreslåede systems evne til at absorbere brint blev undersøgt med forskellige konfigurationer af varmeveksleren.Driftsparametrenes indflydelse på varmeudvekslingen mellem metalhydridlaget og kølevæsken blev undersøgt for at finde de optimale betingelser for opbevaring af metalhydrider ved brug af en ny varmeveksler.Hovedresultaterne af denne undersøgelse er opsummeret som følger:
Med en halvcylindrisk spolevarmeveksler forbedres varmeoverførselsydelsen, fordi den har en mere ensartet varmefordeling i magnesiumlagsreaktoren, hvilket resulterer i en bedre brintabsorptionshastighed.Forudsat at volumenet af varmevekslerrøret og metalhydrid forbliver uændret, reduceres absorptionsreaktionstiden betydeligt med 59 % sammenlignet med en konventionel spiralvarmeveksler.
Indlægstid: 15-jan-2023