Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Wyświetla karuzelę z trzema slajdami jednocześnie.Użyj przycisków Poprzedni i Następny, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie, lub użyj przycisków suwaka na końcu, aby przejść przez trzy slajdy jednocześnie.
Wodorki metali (MH) uznawane są za jedną z najodpowiedniejszych grup materiałów do magazynowania wodoru ze względu na ich dużą zdolność magazynowania wodoru, niskie ciśnienie robocze i wysokie bezpieczeństwo.Jednakże ich powolna kinetyka absorpcji wodoru znacznie zmniejsza wydajność przechowywania.Szybsze usuwanie ciepła z magazynu MH może odegrać ważną rolę w zwiększeniu szybkości absorpcji wodoru, co skutkuje poprawą wydajności przechowywania.W związku z tym niniejsze badanie miało na celu poprawę charakterystyki wymiany ciepła, aby pozytywnie wpłynąć na szybkość pobierania wodoru przez układ magazynowania MH.Nowa półcylindryczna wężownica została najpierw opracowana i zoptymalizowana pod kątem magazynowania wodoru i zastosowana jako wewnętrzny wymiennik ciepła powietrze-powietrze (HTF).W oparciu o różne rozmiary podziałki analizowany jest wpływ nowej konfiguracji wymiennika ciepła i porównywany z konwencjonalną geometrią spiralnej cewki.Dodatkowo zbadano numerycznie parametry eksploatacyjne magazynu MG i GTP w celu uzyskania optymalnych wartości.Do symulacji numerycznej wykorzystywany jest ANSYS Fluent 2020 R2.Wyniki tego badania pokazują, że wydajność zbiornika magazynowego MH można znacznie poprawić, stosując półcylindryczny wężownicowy wymiennik ciepła (SCHE).W porównaniu do konwencjonalnych wymienników ciepła z wężownicą spiralną, czas absorpcji wodoru jest krótszy o 59%.Najmniejsza odległość pomiędzy cewkami SCHE spowodowała redukcję czasu absorpcji o 61%.Jeśli chodzi o parametry eksploatacyjne magazynu MG z wykorzystaniem SHE, wszystkie wybrane parametry prowadzą do istotnej poprawy procesu absorpcji wodoru, zwłaszcza temperatury na wlocie do HTS.
Następuje globalne przejście od energii opartej na paliwach kopalnych do energii odnawialnej.Ponieważ wiele form energii odnawialnej dostarcza energię w sposób dynamiczny, konieczne jest magazynowanie energii w celu zrównoważenia obciążenia.Magazynowanie energii wodorowej cieszy się w tym zakresie dużym zainteresowaniem, zwłaszcza że wodór ze względu na swoje właściwości i przenośność może być stosowany jako „zielone” alternatywne paliwo i nośnik energii.Ponadto wodór oferuje również wyższą zawartość energii na jednostkę masy w porównaniu z paliwami kopalnymi2.Istnieją cztery główne typy magazynowania energii wodorowej: magazynowanie sprężonego gazu, magazynowanie podziemne, magazynowanie cieczy i magazynowanie substancji stałych.Wodór sprężony jest głównym typem wodoru stosowanym w pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi, takich jak autobusy i wózki widłowe.Jednakże takie magazynowanie zapewnia niską gęstość nasypową wodoru (około 0,089 kg/m3) i wiąże się z problemami bezpieczeństwa związanymi z wysokim ciśnieniem roboczym3.W oparciu o proces konwersji w niskiej temperaturze i ciśnieniu otoczenia, magazyn cieczy będzie przechowywać wodór w postaci ciekłej.Jednak po skropleniu traci się około 40% energii.Ponadto wiadomo, że technologia ta jest bardziej energochłonna i pracochłonna w porównaniu z technologiami magazynowania w stanie stałym4.Magazynowanie w postaci stałej to realna opcja gospodarki wodorowej, która polega na magazynowaniu wodoru poprzez wprowadzanie go do materiałów stałych w drodze absorpcji i uwalnianie wodoru w drodze desorpcji.Wodorek metalu (MH), technologia magazynowania materiałów stałych, cieszy się ostatnio dużym zainteresowaniem w zastosowaniach w ogniwach paliwowych ze względu na dużą pojemność wodorową, niskie ciśnienie robocze i niski koszt w porównaniu z magazynowaniem cieczy, a także nadaje się do zastosowań stacjonarnych i mobilnych6,7 In Ponadto materiały MH zapewniają również właściwości bezpieczeństwa, takie jak efektywne przechowywanie dużej pojemności8.Istnieje jednak problem ograniczający wydajność MG: niska przewodność cieplna reaktora MG prowadzi do powolnej absorpcji i desorpcji wodoru.
Właściwy transfer ciepła podczas reakcji egzotermicznych i endotermicznych jest kluczem do poprawy wydajności reaktorów MH.W procesie ładowania wodoru wytworzone ciepło należy usunąć z reaktora, aby kontrolować przepływ ładowania wodoru z żądaną szybkością i maksymalną pojemnością magazynowania.Zamiast tego potrzebne jest ciepło, aby zwiększyć szybkość wydzielania się wodoru podczas rozładowania.Aby poprawić wydajność wymiany ciepła i masy, wielu badaczy badało projekt i optymalizację w oparciu o wiele czynników, takich jak parametry operacyjne, struktura MG i optymalizacja MG11.Optymalizację MG można przeprowadzić poprzez dodanie materiałów o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak metale piankowe, do warstw MG 12,13.W ten sposób można zwiększyć efektywną przewodność cieplną z 0,1 do 2 W/mK10.Jednakże dodatek materiałów stałych znacznie zmniejsza moc reaktora MN.W zakresie parametrów eksploatacyjnych poprawę można osiągnąć poprzez optymalizację początkowych warunków pracy warstwy MG i chłodziwa (HTF).Strukturę MG można zoptymalizować ze względu na geometrię reaktora i konstrukcję wymiennika ciepła.Jeśli chodzi o konfigurację wymiennika ciepła reaktora MH, metody można podzielić na dwa typy.Są to wewnętrzne wymienniki ciepła wbudowane w warstwę MO oraz zewnętrzne wymienniki ciepła pokrywające warstwę MO, takie jak żebra, płaszcze chłodzące i łaźnie wodne.W odniesieniu do zewnętrznego wymiennika ciepła Kaplan16 przeprowadził analizę pracy reaktora MH, wykorzystując wodę chłodzącą jako płaszcz w celu obniżenia temperatury wewnątrz reaktora.Wyniki porównano z reaktorem z 22 okrągłymi żebrami i innym reaktorem chłodzonym metodą konwekcji naturalnej.Twierdzą, że obecność płaszcza chłodzącego znacznie obniża temperaturę MH, zwiększając w ten sposób szybkość absorpcji.Badania numeryczne reaktora MH z płaszczem wodnym przeprowadzone przez Patila i Gopala17 wykazały, że ciśnienie zasilania wodorem i temperatura HTF są kluczowymi parametrami wpływającymi na szybkość pobierania i desorpcji wodoru.
Zwiększenie powierzchni wymiany ciepła poprzez dodanie żeberek i wymienników ciepła wbudowanych w MH jest kluczem do poprawy wydajności wymiany ciepła i masy, a tym samym wydajności magazynowania MH18.Zaprojektowano kilka konfiguracji wewnętrznego wymiennika ciepła (prosta rura i wężownica spiralna) w celu zapewnienia cyrkulacji chłodziwa w reaktorze MH19,20,21,22,23,24,25,26.Wykorzystując wewnętrzny wymiennik ciepła, ciecz chłodząca lub grzewcza będzie przenosić lokalne ciepło wewnątrz reaktora MH podczas procesu adsorpcji wodoru.Raju i Kumar [27] użyli kilku prostych rurek jako wymienników ciepła, aby poprawić wydajność MG.Wyniki wykazały, że czasy absorpcji uległy skróceniu, gdy jako wymienniki ciepła zastosowano proste rury.Dodatkowo zastosowanie rur prostych skraca czas desorpcji wodoru28.Wyższe natężenia przepływu chłodziwa zwiększają szybkość ładowania i rozładowywania wodoru29.Jednakże zwiększenie liczby rurek chłodzących ma pozytywny wpływ na wydajność MH, a nie na natężenie przepływu chłodziwa30,31.Raju i wsp.32 wykorzystali LaMi4.7Al0.3 jako materiał MH do badania wydajności wielorurowych wymienników ciepła w reaktorach.Poinformowali, że istotny wpływ na proces absorpcji miały parametry eksploatacyjne, zwłaszcza ciśnienie zasilania, a następnie natężenie przepływu HTF.Jednakże temperatura absorpcji okazała się mniej krytyczna.
Wydajność reaktora MH można dodatkowo poprawić dzięki zastosowaniu wymiennika ciepła z wężownicą spiralną, dzięki lepszemu przenoszeniu ciepła w porównaniu z rurami prostymi.Dzieje się tak dlatego, że cykl wtórny może lepiej usuwać ciepło z reaktora25.Ponadto rury spiralne zapewniają dużą powierzchnię przenoszenia ciepła z warstwy MH do chłodziwa.Po wprowadzeniu tej metody wewnątrz reaktora rozkład rur wymiany ciepła jest również bardziej równomierny33.Wang i in.34 badali wpływ czasu pobierania wodoru przez dodanie spiralnej cewki do reaktora MH.Wyniki ich badań pokazują, że wraz ze wzrostem współczynnika przenikania ciepła chłodziwa czas absorpcji maleje.Wu i in.25 zbadali wydajność reaktorów MH na bazie Mg2Ni i wymienników ciepła z wężownicą.Ich badania numeryczne wykazały skrócenie czasu reakcji.Udoskonalenie mechanizmu wymiany ciepła w reaktorze MN polega na zmniejszeniu stosunku skoku ślimaka do skoku ślimaka oraz na bezwymiarowym skoku ślimaka.Badanie eksperymentalne przeprowadzone przez Mellouli i wsp.21 z wykorzystaniem wężownicy jako wewnętrznego wymiennika ciepła wykazało, że temperatura początkowa HTF ma znaczący wpływ na poprawę czasu absorpcji i desorpcji wodoru.W kilku badaniach przeprowadzono kombinacje różnych wewnętrznych wymienników ciepła.Eisapur i in.35 badali magazynowanie wodoru przy użyciu wymiennika ciepła z wężownicą spiralną i centralną rurą powrotną, aby usprawnić proces absorpcji wodoru.Wyniki wykazały, że rura spiralna i centralna rura powrotna znacznie poprawiają wymianę ciepła pomiędzy chłodziwem a MG.Mniejszy skok i większa średnica rury spiralnej zwiększają szybkość wymiany ciepła i masy.Ardahaie i in.W projekcie 36 zastosowano płaskie rurki spiralne jako wymienniki ciepła, aby poprawić wymianę ciepła w reaktorze.Poinformowali, że czas absorpcji został skrócony poprzez zwiększenie liczby spłaszczonych płaszczyzn spiralnych rurek.W kilku badaniach przeprowadzono kombinacje różnych wewnętrznych wymienników ciepła.Dhau i in.37 poprawił wydajność MH dzięki zastosowaniu wymiennika ciepła i żeberek z wężownicą.Ich wyniki pokazują, że metoda ta skraca czas napełniania wodorem 2-krotnie w porównaniu z obudową bez żeberek.Pierścieniowe żebra są połączone z rurami chłodzącymi i wbudowane w reaktor MN.Wyniki tego badania pokazują, że ta łączona metoda zapewnia bardziej równomierne przenoszenie ciepła w porównaniu z reaktorem MH bez żeber.Jednakże łączenie różnych wymienników ciepła będzie miało negatywny wpływ na masę i objętość reaktora MH.Wu i wsp.18 porównali różne konfiguracje wymienników ciepła.Należą do nich proste rury, żebra i cewki spiralne.Autorzy podają, że cewki spiralne zapewniają najlepszą poprawę wymiany ciepła i masy.Ponadto w porównaniu z rurami prostymi, rurami zwijanymi i rurami prostymi połączonymi z rurami zwijanymi, podwójne wężownice mają lepszy wpływ na poprawę wymiany ciepła.Badanie przeprowadzone przez Sekhara i in.40 pokazało, że podobną poprawę poboru wodoru uzyskano stosując spiralną wężownicę jako wewnętrzny wymiennik ciepła i żebrowany zewnętrzny płaszcz chłodzący.
Spośród powyższych przykładów zastosowanie wężownic spiralnych jako wewnętrznych wymienników ciepła zapewnia lepszą poprawę wymiany ciepła i masy niż inne wymienniki ciepła, zwłaszcza proste rurki i żebra.Dlatego celem tego badania był dalszy rozwój wężownicy spiralnej w celu poprawy wydajności wymiany ciepła.Po raz pierwszy opracowano nową cewkę półcylindryczną opartą na konwencjonalnej spiralnej cewce magazynującej MH.Oczekuje się, że badanie to poprawi wydajność magazynowania wodoru poprzez rozważenie nowej konstrukcji wymiennika ciepła z lepszym układem stref wymiany ciepła zapewnionym przez stałą objętość złoża MH i rur HTF.Następnie porównano wydajność magazynowania tego nowego wymiennika ciepła z konwencjonalnymi wymiennikami ciepła z wężownicą spiralną, opartymi na różnych skokach wężownicy.Według istniejącej literatury, głównymi czynnikami wpływającymi na wydajność reaktorów MH są warunki pracy i rozstaw cewek.Aby zoptymalizować konstrukcję nowego wymiennika ciepła, zbadano wpływ rozstawu wężownic na czas pobierania wodoru i objętość MH.Ponadto, aby zrozumieć związek pomiędzy nowymi cewkami półcylindrycznymi a warunkami pracy, drugorzędnym celem tego badania było zbadanie charakterystyki reaktora według różnych zakresów parametrów pracy i określenie odpowiednich wartości dla każdego działania tryb.parametr.
Wydajność urządzenia do magazynowania energii wodorowej w tym badaniu badano w oparciu o dwie konfiguracje wymienników ciepła (w tym rury spiralne w przypadkach 1 do 3 i rury półcylindryczne w przypadkach 4 do 6) oraz analizę wrażliwości parametrów roboczych.Po raz pierwszy sprawdzono działanie reaktora MH, stosując rurę spiralną jako wymiennik ciepła.Zarówno rura oleju chłodzącego, jak i zbiornik reaktora MH są wykonane ze stali nierdzewnej.Należy zauważyć, że wymiary reaktora MG i średnica rur GTF były we wszystkich przypadkach stałe, natomiast wielkości stopni GTF były zróżnicowane.W tej części analizowany jest wpływ wielkości podziałki cewek HTF.Wysokość i średnica zewnętrzna reaktora wynosiły odpowiednio 110 mm i 156 mm.Średnicę rury olejowej przewodzącej ciepło ustalono na 6 mm.Szczegółowe informacje na temat schematu obwodu reaktora MH z rurami spiralnymi i dwiema rurami półcylindrycznymi można znaleźć w sekcji dodatkowej.
Na ryc.1a przedstawia reaktor z rurą spiralną MH i jego wymiary.Wszystkie parametry geometryczne podano w tabeli.1. Całkowita objętość helisy i objętość ZG wynoszą odpowiednio około 100 cm3 i 2000 cm3.Z tego reaktora MH powietrze w postaci HTF wprowadzano do porowatego reaktora MH od dołu przez spiralną rurę, a wodór wprowadzano od górnej powierzchni reaktora.
Charakterystyka wybranych geometrii reaktorów wodorkowych.a) ze spiralno-rurowym wymiennikiem ciepła, b) z półcylindrycznym rurowym wymiennikiem ciepła.
W drugiej części zbadano działanie reaktora MH opartego na półcylindrycznej rurze jako wymienniku ciepła.Na ryc.1b przedstawia reaktor MN z dwiema półcylindrycznymi rurami i ich wymiary.W tabeli 1 zestawiono wszystkie parametry geometryczne rur półcylindrycznych, które pozostają stałe, z wyjątkiem odległości między nimi.Należy zauważyć, że rura półcylindryczna w Przypadku 4 została zaprojektowana ze stałą objętością rury HTF i stopu MH w zwiniętej rurze (opcja 3).Jeśli chodzi o rys.1b, powietrze wprowadzano także od spodu dwóch półcylindrycznych rur HTF, a wodór wprowadzano z kierunku przeciwnego do reaktora MH.
Ze względu na nową konstrukcję wymiennika ciepła celem tego rozdziału jest określenie odpowiednich wartości początkowych parametrów pracy reaktora MH w połączeniu z SCHE.We wszystkich przypadkach powietrze służyło jako chłodziwo do usuwania ciepła z reaktora.Wśród olejów do przenoszenia ciepła, powietrze i woda są powszechnie wybierane jako oleje do przenoszenia ciepła w reaktorach MH ze względu na ich niski koszt i niewielki wpływ na środowisko.Ze względu na wysoki zakres temperatur pracy stopów na bazie magnezu, w badaniach jako chłodziwo wybrano powietrze.Ponadto ma również lepszą charakterystykę płynięcia niż inne ciekłe metale i stopione sole41.W tabeli 2 przedstawiono właściwości powietrza w temperaturze 573 K. Do analizy wrażliwości w tej sekcji zastosowano wyłącznie najlepsze konfiguracje opcji wydajności MH-SCHE (w przypadkach 4 do 6).Szacunki w tej sekcji opierają się na różnych parametrach operacyjnych, w tym na początkowej temperaturze reaktora MH, ciśnieniu ładowania wodoru, temperaturze na wlocie HTF i liczbie Reynoldsa obliczonej poprzez zmianę szybkości HTF.Tabela 3 zawiera wszystkie parametry operacyjne użyte do analizy wrażliwości.
W tej sekcji opisano wszystkie niezbędne równania sterujące procesem absorpcji wodoru, turbulencji i wymiany ciepła przez chłodziwa.
Aby uprościć rozwiązanie reakcji poboru wodoru, przyjmuje się i podaje następujące założenia;
Podczas absorpcji właściwości termofizyczne wodoru i wodorków metali są stałe.
Wodór uważany jest za gaz doskonały, dlatego uwzględniane są lokalne warunki równowagi termicznej43,44.
gdzie \({L}_{gaz}\) to promień zbiornika, a \({L}_{ciepło}\) to wysokość osiowa zbiornika.Gdy N jest mniejsze niż 0,0146, przepływ wodoru w zbiorniku można pominąć w symulacji bez znaczącego błędu.Według aktualnych badań N jest znacznie mniejsze niż 0,1.Dlatego można pominąć efekt gradientu ciśnienia.
We wszystkich przypadkach ściany reaktora były dobrze izolowane.Dlatego nie ma wymiany ciepła 47 pomiędzy reaktorem a otoczeniem.
Powszechnie wiadomo, że stopy na bazie Mg mają dobre właściwości uwodornienia i wysoką zdolność magazynowania wodoru do 7,6% wag.8.Jeśli chodzi o zastosowania do przechowywania wodoru w stanie stałym, stopy te są również znane jako materiały lekkie.Ponadto mają doskonałą odporność na ciepło i dobrą przetwarzalność8.Spośród kilku stopów na bazie Mg, stop MgNi na bazie Mg2Ni jest jedną z najbardziej odpowiednich opcji do przechowywania MH ze względu na jego zdolność magazynowania wodoru wynoszącą do 6% wag.Stopy Mg2Ni zapewniają także szybszą kinetykę adsorpcji i desorpcji w porównaniu ze stopem MgH48.Dlatego w tym badaniu jako materiał wodorkowy metalu wybrano Mg2Ni.
Równanie energii wyraża się jako 25 w oparciu o bilans cieplny pomiędzy wodorem i wodorkiem Mg2Ni:
X to ilość wodoru zaabsorbowanego na powierzchni metalu, jednostką jest \(waga\%\), obliczona z równania kinetycznego \(\frac{dX}{dt}\) podczas absorpcji w następujący sposób49:
gdzie \({C}_{a}\) to szybkość reakcji, a \({E}_{a}\) to energia aktywacji.\({P}_{a,eq}\) to ciśnienie równowagowe wewnątrz reaktora wodorku metalu podczas procesu absorpcji, określone równaniem van't Hoffa w następujący sposób25:
Gdzie \({P}_{ref}\) jest ciśnieniem odniesienia wynoszącym 0,1 MPa.\(\Delta H\) i \(\Delta S\) są odpowiednio entalpią i entropią reakcji.Właściwości stopów Mg2Ni i wodoru przedstawiono w tabeli.4. Imienna lista znajduje się w dziale uzupełniającym.
Przepływ płynu uważa się za turbulentny, ponieważ jego prędkość i liczba Reynoldsa (Re) wynoszą odpowiednio 78,75 ms-1 i 14000.W niniejszym badaniu wybrano osiągalny model turbulencji k-ε.Należy zauważyć, że metoda ta zapewnia większą dokładność w porównaniu do innych metod k-ε, a także wymaga mniejszego czasu obliczeń niż metody RNG k-ε50,51.Szczegółowe informacje na temat podstawowych równań płynów przenoszących ciepło można znaleźć w sekcji dodatkowej.
Początkowo reżim temperaturowy w reaktorze MN był jednolity, a średnie stężenie wodoru wynosiło 0,043.Zakłada się, że zewnętrzna granica reaktora MH jest dobrze izolowana.Stopy na bazie magnezu zazwyczaj wymagają wysokich temperatur roboczych reakcji do magazynowania i uwalniania wodoru w reaktorze.Stop Mg2Ni wymaga zakresu temperatur 523–603 K dla maksymalnej absorpcji i zakresu temperatur 573–603 K dla całkowitej desorpcji52.Jednakże badania eksperymentalne Muthukumara i in.53 wykazały, że maksymalną pojemność magazynowania Mg2Ni do magazynowania wodoru można osiągnąć przy temperaturze roboczej 573 K, co odpowiada jego teoretycznej pojemności.Dlatego w niniejszym badaniu jako temperaturę początkową reaktora MN przyjęto temperaturę 573 K.
Twórz siatki o różnych rozmiarach w celu walidacji i wiarygodnych wyników.Na ryc.2 przedstawia średnią temperaturę w wybranych miejscach procesu absorpcji wodoru z czterech różnych pierwiastków.Warto zauważyć, że do badania niezależności sieci ze względu na podobną geometrię wybierany jest tylko jeden przypadek każdej konfiguracji.Tę samą metodę tworzenia siatki stosuje się w innych przypadkach.Dlatego wybierz opcję 1 dla rury spiralnej i opcję 4 dla rury półcylindrycznej.Na ryc.Na rysunkach 2a, b przedstawiono średnią temperaturę w reaktorze odpowiednio dla opcji 1 i 4.Trzy wybrane lokalizacje reprezentują kontury temperatury złoża na górze, w środku i na dole reaktora.Na podstawie konturów temperatur w wybranych lokalizacjach średnia temperatura stabilizuje się i wykazuje niewielką zmianę liczb pierwiastków 428 891 i 430 599 odpowiednio dla przypadków 1 i 4.W związku z tym do dalszych obliczeń obliczeniowych wybrano te wielkości siatki.Szczegółowe informacje na temat średniej temperatury złoża dla procesu absorpcji wodoru dla różnych rozmiarów ogniw i sukcesywnie rozdrobnionych oczek dla obu przypadków podano w części dodatkowej.
Średnia temperatura złoża w wybranych punktach procesu absorpcji wodoru w reaktorze wodorkowym o różnej liczbie siatek.(a) Średnia temperatura w wybranych lokalizacjach dla przypadku 1 oraz (b) Średnia temperatura w wybranych lokalizacjach dla przypadku 4.
Reaktor wodorku metalu na bazie Mg w tym badaniu został przetestowany w oparciu o wyniki eksperymentalne Muthukumara i in.53.W swoich badaniach wykorzystali stop Mg2Ni do przechowywania wodoru w rurach ze stali nierdzewnej.Aby poprawić wymianę ciepła wewnątrz reaktora, zastosowano żebra miedziane.Na ryc.Na rys. 3a przedstawiono porównanie średniej temperatury złoża absorpcyjnego pomiędzy badaniem eksperymentalnym i niniejszym.Warunki pracy wybrane do tego doświadczenia to: temperatura początkowa MG 573 K i ciśnienie wlotowe 2 MPa.Z rys.3a można wyraźnie wykazać, że ten wynik eksperymentu jest zgodny z obecnym w odniesieniu do średniej temperatury warstwy.
Weryfikacja modelu.(a) Weryfikacja kodu reaktora wodorku metalu Mg2Ni poprzez porównanie bieżących badań z pracami eksperymentalnymi Muthukumara i in.52 oraz (b) weryfikacja modelu przepływu turbulentnego w rurze spiralnej poprzez porównanie bieżących badań z badaniami Kumara i in. .Badania.54.
Aby przetestować model turbulencji, wyniki tego badania porównano z wynikami eksperymentalnymi Kumara i in.54, aby potwierdzić poprawność wybranego modelu turbulencji.Kumar i wsp.54 badali przepływ turbulentny w spiralnym wymienniku ciepła typu rura w rurze.Woda stosowana jest w postaci gorącego i zimnego płynu wtryskiwanego z przeciwnych stron.Temperatura gorącej i zimnej cieczy wynosi odpowiednio 323 K i 300 K.Liczby Reynoldsa wahają się od 3100 do 5700 dla gorących cieczy i od 21 000 do 35 000 dla zimnych cieczy.Liczby dziekańskie wynoszą 550-1000 dla gorących płynów i 3600-6000 dla zimnych płynów.Średnice rury wewnętrznej (dla gorącej cieczy) i zewnętrznej (dla zimnej cieczy) wynoszą odpowiednio 0,0254 m i 0,0508 m.Średnica i skok spiralnej cewki wynoszą odpowiednio 0,762 m i 0,100 m.Na ryc.Na rys. 3b przedstawiono porównanie wyników eksperymentalnych i bieżących dla różnych par liczb Nusselta i Deana dla chłodziwa w dętce.Zastosowano trzy różne modele turbulencji i porównano je z wynikami eksperymentalnymi.Jak pokazano na ryc.3b wyniki osiągalnego modelu turbulencji k-ε są dobrze zgodne z danymi eksperymentalnymi.Dlatego też w niniejszym badaniu wybrano ten model.
Symulacje numeryczne w tym badaniu przeprowadzono przy użyciu programu ANSYS Fluent 2020 R2.Napisz funkcję zdefiniowaną przez użytkownika (UDF) i użyj jej jako składnika wejściowego równania energii do obliczenia kinetyki procesu absorpcji.Do komunikacji ciśnienie-prędkość i korekcji ciśnienia stosuje się obwód PRESTO55 i metodę PISO56.Wybierz bazę komórek Greene'a-Gaussa dla zmiennego gradientu.Równania pędu i energii rozwiązuje się metodą drugiego rzędu pod wiatr.Jeśli chodzi o współczynniki niedostatecznego rozluźnienia, składowe ciśnienia, prędkości i energii ustala się odpowiednio na 0,5, 0,7 i 0,7.Standardowe funkcje ścian są stosowane do HTF w modelu turbulencji.
W tej części przedstawiono wyniki symulacji numerycznych poprawy wewnętrznego przenoszenia ciepła w reaktorze MH z wykorzystaniem wymiennika ciepła z wężownicą (HCHE) i wymiennika ciepła ze spiralną wężownicą (SCHE) podczas absorpcji wodoru.Przeanalizowano wpływ paku HTF na temperaturę złoża reaktora i czas absorpcji.Główne parametry operacyjne procesu absorpcji są badane i prezentowane w części poświęconej analizie wrażliwości.
Aby zbadać wpływ odstępu między wężownicami na wymianę ciepła w reaktorze MH, zbadano trzy konfiguracje wymienników ciepła o różnych skokach.Trzy różne podziałki 15 mm, 12,86 mm i 10 mm są oznaczone odpowiednio jako korpus 1, korpus 2 i korpus 3.Należy zauważyć, że średnica rury została ustalona na 6 mm przy temperaturze początkowej 573 K i ciśnieniu obciążenia 1,8 MPa we wszystkich przypadkach.Na ryc.Fig. 4 przedstawia średnią temperaturę złoża i stężenie wodoru w warstwie MH podczas procesu absorpcji wodoru w przypadkach 1 do 3. Zazwyczaj reakcja pomiędzy wodorkiem metalu i wodorem jest egzotermiczna w stosunku do procesu absorpcji.Dlatego temperatura złoża gwałtownie wzrasta ze względu na początkowy moment pierwszego wprowadzenia wodoru do reaktora.Temperatura złoża wzrasta aż do osiągnięcia wartości maksymalnej, a następnie stopniowo maleje w miarę odprowadzania ciepła przez chłodziwo, które ma niższą temperaturę i pełni rolę chłodziwa.Jak pokazano na ryc.4a, zgodnie z wcześniejszym wyjaśnieniem, temperatura warstwy szybko rośnie i stale maleje.Stężenie wodoru w procesie absorpcji opiera się zwykle na temperaturze złoża reaktora MH.Kiedy średnia temperatura warstwy spada do określonej temperatury, powierzchnia metalu pochłania wodór.Dzieje się tak na skutek przyspieszenia procesów fizysorpcji, chemisorpcji, dyfuzji wodoru i powstawania jego wodorków w reaktorze.Z rys.Na rys. 4b widać, że stopień absorpcji wodoru w przypadku 3 jest mniejszy niż w pozostałych przypadkach ze względu na mniejszą wartość skoku wężowego wymiennika ciepła.Skutkuje to dłuższą całkowitą długością rury i większą powierzchnią wymiany ciepła w przypadku rur HTF.Przy średnim stężeniu wodoru wynoszącym 90% czas absorpcji w przypadku 1 wynosi 46 276 sekund.W porównaniu z czasem trwania absorpcji w przypadku 1, czas absorpcji w przypadkach 2 i 3 uległ skróceniu odpowiednio o 724 s i 1263 s.W części dodatkowej przedstawiono kontury temperatury i stężenia wodoru dla wybranych lokalizacji warstwy HCHE-MH.
Wpływ odległości pomiędzy zwojami na średnią temperaturę warstwy i stężenie wodoru.(a) średnia temperatura złoża dla cewek śrubowych, (b) stężenie wodoru dla cewek śrubowych, (c) średnia temperatura złoża dla cewek półcylindrycznych oraz (d) stężenie wodoru dla cewek półcylindrycznych.
Aby poprawić charakterystykę wymiany ciepła reaktora MG, zaprojektowano dwa HFC dla stałej objętości MG (2000 cm3) i spiralnego wymiennika ciepła (100 cm3) w Opcji 3. W tej sekcji rozważono również wpływ odległości pomiędzy cewki 15 mm dla przypadku 4, 12,86 mm dla przypadku 5 i 10 mm dla przypadku 6. Na ryc.Rysunki 4c,d przedstawiają średnią temperaturę złoża i stężenie procesu absorpcji wodoru w temperaturze początkowej 573 K i ciśnieniu obciążenia 1,8 MPa.Jak wynika ze średniej temperatury warstwy na rys. 4c, mniejsza odległość między zwojami w przypadku 6 powoduje znaczne obniżenie temperatury w porównaniu z dwoma pozostałymi przypadkami.W przypadku 6 niższa temperatura złoża powoduje wyższe stężenie wodoru (patrz rys. 4d).Czas poboru wodoru dla Wariantu 4 wynosi 19542 s i jest ponad 2 razy krótszy niż dla Wariantów 1-3 z wykorzystaniem HCH.Dodatkowo, w porównaniu do przypadku 4, czas absorpcji uległ również skróceniu o 378 s i 1515 s w przypadkach 5 i 6 przy mniejszych odległościach.W części uzupełniającej przedstawiono wykresy temperatury i stężenia wodoru dla wybranych lokalizacji warstwy SCHE-MH.
Aby zbadać wydajność dwóch konfiguracji wymienników ciepła, w tej sekcji wykreślono i przedstawiono krzywe temperatury w trzech wybranych lokalizacjach.Do porównania wybrano reaktor MH z HCHE z przypadku 3 z reaktorem MH zawierającym SCHE w przypadku 4, ponieważ ma on stałą objętość MH i objętość rury.Warunki pracy dla tego porównania to temperatura początkowa 573 K i ciśnienie obciążenia 1,8 MPa.Na ryc.Na rysunkach 5a i 5b przedstawiono wszystkie trzy wybrane położenia profili temperatur odpowiednio w przypadkach 3 i 4.Na ryc.Fig. 5c przedstawia profil temperaturowy i stężenie warstw po 20 000 s poboru wodoru.Zgodnie z linią 1 na ryc. 5c temperatura wokół TTF z opcji 3 i 4 spada z powodu konwekcyjnego przenoszenia ciepła przez chłodziwo.Powoduje to wyższe stężenie wodoru wokół tego obszaru.Jednakże zastosowanie dwóch SCHE skutkuje większym stężeniem w warstwie.Szybsze odpowiedzi kinetyczne stwierdzono wokół obszaru HTF w przypadku 4. Ponadto w tym obszarze stwierdzono również maksymalne stężenie wynoszące 100%.Z linii 2 zlokalizowanej w środku reaktora temperatura w obudowie 4 jest znacznie niższa od temperatury w obudowie 3 we wszystkich miejscach z wyjątkiem środka reaktora.Prowadzi to do maksymalnego stężenia wodoru w przypadku 4, z wyjątkiem obszaru w pobliżu środka reaktora, z dala od HTF.Jednakże stężenie przypadku 3 nie uległo większym zmianom.Dużą różnicę temperatury i stężenia warstwy zaobserwowano w linii 3 w pobliżu wejścia do GTS.Temperatura warstwy w przypadku 4 znacznie spadła, co skutkowało najwyższym stężeniem wodoru w tym obszarze, podczas gdy linia stężenia w przypadku 3 nadal się wahała.Wynika to z przyspieszenia wymiany ciepła SCHE.Szczegóły i omówienie porównania średniej temperatury warstwy MH i rury HTF pomiędzy przypadkiem 3 i przypadkiem 4 znajdują się w części dodatkowej.
Profil temperaturowy i stężenie złoża w wybranych miejscach reaktora wodorkowego.(a) Wybrane lokalizacje dla przypadku 3, (b) Wybrane lokalizacje dla przypadku 4 oraz (c) Profil temperaturowy i stężenie warstw w wybranych lokalizacjach po 20 000 s dla procesu absorpcji wodoru w przypadkach 3 i 4.
Na ryc.Rysunek 6 przedstawia porównanie średniej temperatury złoża (patrz rys. 6a) i stężenia wodoru (patrz rys. 6b) dla absorpcji HCH i SHE.Z rysunku widać, że temperatura warstwy MG znacznie spada w wyniku wzrostu powierzchni wymiany ciepła.Usunięcie większej ilości ciepła z reaktora skutkuje wyższą szybkością poboru wodoru.Chociaż dwie konfiguracje wymienników ciepła mają te same objętości w porównaniu z zastosowaniem HCHE jako Opcji 3, czas poboru wodoru w SCHE w oparciu o Opcję 4 został znacznie skrócony o 59%.W celu bardziej szczegółowej analizy stężenia wodoru dla dwóch konfiguracji wymienników ciepła pokazano w postaci izolinii na rysunku 7. Rysunek ten pokazuje, że w obu przypadkach wodór zaczyna być absorbowany od dołu wokół wlotu HTF.Wyższe stężenia stwierdzono w rejonie HTF, natomiast niższe w centrum reaktora MH ze względu na jego odległość od wymiennika ciepła.Po 10 000 s stężenie wodoru w przypadku 4 jest znacznie wyższe niż w przypadku 3. Po 20 000 sekund średnie stężenie wodoru w reaktorze wzrosło do 90% w przypadku 4 w porównaniu do 50% wodoru w przypadku 3. Może to być spowodowane na wyższą efektywną wydajność chłodzenia połączenia dwóch SCHE, co skutkuje niższą temperaturą wewnątrz warstwy MH.W rezultacie wewnątrz warstwy MG panuje bardziej równowagowe ciśnienie, co prowadzi do szybszej absorpcji wodoru.
Przypadek 3 i Przypadek 4 Porównanie średniej temperatury złoża i stężenia wodoru pomiędzy dwiema konfiguracjami wymienników ciepła.
Porównanie stężenia wodoru po 500, 2000, 5000, 10000 i 20000 s od rozpoczęcia procesu absorpcji wodoru w przypadku 3 i 4.
Tabela 5 podsumowuje czas absorpcji wodoru we wszystkich przypadkach.Dodatkowo w tabeli podano także czas absorpcji wodoru, wyrażony w procentach.Procent ten oblicza się na podstawie czasu absorpcji w Przypadku 1. Z tej tabeli wynika, że czas absorpcji reaktora MH przy użyciu HCHE wynosi około 45 000 do 46 000 s, a czas absorpcji łącznie z SCHE wynosi około 18 000 do 19 000 s.W porównaniu z Przypadkiem 1, czas absorpcji w Przypadku 2 i Przypadku 3 został skrócony odpowiednio jedynie o 1,6% i 2,7%.W przypadku stosowania SCHE zamiast HCHE czas absorpcji uległ znacznemu skróceniu od przypadku 4 do przypadku 6, z 58% do 61%.Oczywiste jest, że dodatek SCHE do reaktora MH znacznie poprawia proces absorpcji wodoru i wydajność reaktora MH.Choć zainstalowanie wymiennika ciepła wewnątrz reaktora MH zmniejsza pojemność akumulacyjną, technologia ta zapewnia znaczną poprawę wymiany ciepła w porównaniu do innych technologii.Ponadto zmniejszenie wartości wysokości dźwięku spowoduje zwiększenie głośności SCHE, co spowoduje zmniejszenie głośności MH.W przypadku 6 z największą objętością SCHE, pojemność objętościowa MH została zmniejszona jedynie o 5% w porównaniu do przypadku 1 z najmniejszą objętością HCHE.Ponadto podczas absorpcji przypadek 6 wykazał szybszą i lepszą wydajność przy 61% skróceniu czasu absorpcji.Dlatego też do dalszego badania w analizie wrażliwości wybrano przypadek 6.Należy zaznaczyć, że długi czas poboru wodoru związany jest ze zbiornikiem magazynującym o objętości MH wynoszącej około 2000 cm3.
Parametry pracy podczas reakcji są ważnymi czynnikami, które pozytywnie lub negatywnie wpływają na pracę reaktora MH w rzeczywistych warunkach.W tym badaniu rozważono analizę wrażliwości w celu określenia odpowiednich początkowych parametrów roboczych reaktora MH w połączeniu z SCHE, a w tej sekcji zbadano cztery główne parametry operacyjne w oparciu o optymalną konfigurację reaktora w przypadku 6. Wyniki dla wszystkich warunków pracy przedstawiono w Ryc. 8.
Wykres stężenia wodoru w różnych warunkach pracy przy zastosowaniu wymiennika ciepła z wężownicą półcylindryczną.(a) ciśnienie ładowania, (b) początkowa temperatura złoża, (c) liczba Reynoldsa chłodziwa i (d) temperatura na wlocie chłodziwa.
Bazując na stałej temperaturze początkowej wynoszącej 573 K i natężeniu przepływu chłodziwa o liczbie Reynoldsa wynoszącej 14 000, wybrano cztery różne ciśnienia obciążenia: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa i 3,0 MPa.Na ryc.8a pokazuje wpływ ciśnienia ładowania i SCHE na stężenie wodoru w czasie.Czas absorpcji zmniejsza się wraz ze wzrostem ciśnienia obciążenia.Stosowanie przyłożonego ciśnienia wodoru wynoszącego 1,2 MPa jest najgorszym przypadkiem dla procesu absorpcji wodoru, a czas absorpcji przekracza 26 000 s, aby osiągnąć 90% absorpcji wodoru.Jednakże wyższe ciśnienie obciążenia spowodowało zmniejszenie czasu absorpcji o 32-42% z 1,8 do 3,0 MPa.Dzieje się tak na skutek wyższego ciśnienia początkowego wodoru, co skutkuje większą różnicą pomiędzy ciśnieniem równowagowym a ciśnieniem przyłożonym.Dlatego stwarza to dużą siłę napędową kinetyki absorpcji wodoru.W początkowej chwili wodór jest szybko absorbowany ze względu na dużą różnicę pomiędzy ciśnieniem równowagowym a przyłożonym ciśnieniem57.Przy ciśnieniu obciążenia 3,0 MPa w ciągu pierwszych 10 sekund szybko zgromadziło się 18% wodoru.Wodór magazynowano w 90% reaktorów końcowego stopnia przez 15460 s.Jednakże przy ciśnieniu obciążenia od 1,2 do 1,8 MPa czas absorpcji uległ znacznemu skróceniu o 32%.Inne wyższe ciśnienia miały mniejszy wpływ na poprawę czasów absorpcji.Dlatego zaleca się, aby ciśnienie ładowania reaktora MH-SCHE wynosiło 1,8 MPa.W części dodatkowej przedstawiono kontury stężeń wodoru dla różnych ciśnień obciążenia w czasie 15500 s.
Wybór odpowiedniej temperatury początkowej reaktora MH jest jednym z głównych czynników wpływających na proces adsorpcji wodoru, gdyż wpływa na siłę napędową reakcji powstawania wodorku.Aby zbadać wpływ SCHE na początkową temperaturę reaktora MH, wybrano cztery różne temperatury przy stałym ciśnieniu obciążenia wynoszącym 1,8 MPa i liczbie Reynoldsa wynoszącej 14 000 HTF.Na ryc.Rysunek 8b przedstawia porównanie różnych temperatur początkowych, w tym 473 K, 523 K, 573 K i 623 K.W rzeczywistości, gdy temperatura jest wyższa niż 230°C lub 503K58, stop Mg2Ni ma efektywną charakterystykę procesu absorpcji wodoru.Jednak w początkowym momencie wtrysku wodoru temperatura gwałtownie rośnie.W konsekwencji temperatura warstwy MG przekroczy 523 K. Dlatego powstawanie wodorków jest ułatwione dzięki zwiększonej szybkości absorpcji53.Z rys.Z rys. 8b widać, że wodór jest absorbowany szybciej wraz ze spadkiem temperatury początkowej warstwy MB.Niższe ciśnienia równowagowe występują, gdy temperatura początkowa jest niższa.Im większa jest różnica ciśnień pomiędzy ciśnieniem równowagowym a ciśnieniem przyłożonym, tym szybszy jest proces absorpcji wodoru.W początkowej temperaturze 473 K wodór jest szybko wchłaniany do 27% w ciągu pierwszych 18 sekund.Dodatkowo skrócono także czas absorpcji z 11% do 24% przy niższej temperaturze początkowej w porównaniu do temperatury początkowej 623 K. Czas absorpcji w najniższej temperaturze początkowej 473 K wynosi 15247 s, co jest wartością zbliżoną do najlepszej w przypadku ciśnienia ładowania, jednakże spadek temperatury początkowej, temperatura reaktora prowadzi do zmniejszenia zdolności magazynowania wodoru.Początkowa temperatura reaktora MN musi wynosić co najmniej 503 K53.Ponadto przy temperaturze początkowej 573 K53 można osiągnąć maksymalną zdolność magazynowania wodoru wynoszącą 3,6% wag.Pod względem pojemności magazynowania wodoru i czasu absorpcji temperatury pomiędzy 523 a 573 K skracają ten czas jedynie o 6%.Dlatego też jako temperaturę początkową reaktora MH-SCHE proponuje się temperaturę 573 K.Jednakże wpływ temperatury początkowej na proces absorpcji był mniej istotny w porównaniu z ciśnieniem obciążenia.W części dodatkowej przedstawiono kontury stężenia wodoru dla różnych temperatur początkowych dla czasu 15500 s.
Natężenie przepływu jest jednym z głównych parametrów uwodornienia i odwodornienia, ponieważ może wpływać na turbulencje i usuwanie ciepła lub wprowadzanie ciepła podczas uwodornienia i odwodornienia59.Wysokie natężenia przepływu powodują powstawanie turbulentnych faz i powodują szybszy przepływ płynu przez rurkę HTF.Reakcja ta spowoduje szybsze przekazywanie ciepła.Różne prędkości wejścia dla HTF są obliczane na podstawie liczb Reynoldsa wynoszących 10 000, 14 000, 18 000 i 22 000.Temperaturę początkową warstwy MG ustalono na 573 K, a ciśnienie obciążające na 1,8 MPa.Wyniki na ryc.8c pokazuje, że zastosowanie wyższej liczby Reynoldsa w połączeniu z SCHE skutkuje wyższym współczynnikiem absorpcji.Wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa z 10 000 do 22 000 czas absorpcji maleje o około 28-50%.Czas absorpcji przy liczbie Reynoldsa wynoszącej 22 000 wynosi 12 505 sekund, czyli mniej niż przy różnych początkowych temperaturach i ciśnieniach obciążenia.W części dodatkowej przedstawiono krzywe stężenia wodoru dla różnych liczb Reynoldsa dla GTP przy 12500 s.
Przeanalizowano wpływ SCHE na początkową temperaturę HTF i pokazano na rys. 8d.Przy początkowej temperaturze MG wynoszącej 573 K i ciśnieniu obciążenia wodorem 1,8 MPa do analizy wybrano cztery temperatury początkowe: 373 K, 473 K, 523 K i 573 K. 8d pokazuje, że spadek temperatury chłodziwa na wlocie prowadzi do skrócenia czasu absorpcji.W porównaniu do wersji podstawowej z temperaturą na wlocie 573 K, czas absorpcji został skrócony o około 20%, 44% i 56% dla temperatur na wlocie odpowiednio 523 K, 473 K i 373 K.W czasie 6917 s początkowa temperatura GTF wynosi 373 K, stężenie wodoru w reaktorze wynosi 90%.Można to wytłumaczyć zwiększonym konwekcyjnym przenoszeniem ciepła pomiędzy warstwą MG i HCS.Niższe temperatury HTF zwiększą rozpraszanie ciepła i spowodują zwiększone pobór wodoru.Spośród wszystkich parametrów eksploatacyjnych najbardziej odpowiednią metodą była poprawa wydajności reaktora MH-SCHE poprzez podwyższenie temperatury na wlocie HTF, ponieważ czas zakończenia procesu absorpcji był krótszy niż 7000 s, podczas gdy najkrótszy czas absorpcji w przypadku innych metod był dłuższy niż 10000 s.Zaprezentowano kontury stężeń wodoru dla różnych temperatur początkowych GTP dla 7000 s.
W niniejszym badaniu po raz pierwszy przedstawiono nowy półcylindryczny wymiennik ciepła z wężownicą zintegrowany z modułem magazynowania wodorku metalu.Badano zdolność proponowanego układu do absorpcji wodoru przy różnych konfiguracjach wymiennika ciepła.Badano wpływ parametrów pracy na wymianę ciepła pomiędzy warstwą wodorków metali a chłodziwem w celu znalezienia optymalnych warunków magazynowania wodorków metali przy zastosowaniu nowego wymiennika ciepła.Główne wnioski z tego badania podsumowano w następujący sposób:
W przypadku półcylindrycznego wymiennika ciepła z wężownicą poprawia się wydajność wymiany ciepła, ponieważ ma on bardziej równomierny rozkład ciepła w reaktorze z warstwą magnezu, co skutkuje lepszą szybkością absorpcji wodoru.Pod warunkiem, że objętość rury wymiany ciepła i wodorku metalu pozostanie niezmieniona, czas reakcji absorpcji ulega znacznemu skróceniu o 59% w porównaniu z konwencjonalnym wymiennikiem ciepła z wężownicą.
Czas publikacji: 15 stycznia 2023 r