Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Τα υδρίδια μετάλλων (MH) αναγνωρίζονται ως μία από τις πιο κατάλληλες ομάδες υλικών για αποθήκευση υδρογόνου λόγω της μεγάλης χωρητικότητας αποθήκευσης υδρογόνου, της χαμηλής πίεσης λειτουργίας και της υψηλής ασφάλειας.Ωστόσο, η υποτονική κινητική πρόσληψης υδρογόνου μειώνει σημαντικά την απόδοση αποθήκευσης.Η ταχύτερη απομάκρυνση θερμότητας από την αποθήκευση MH θα μπορούσε να παίξει σημαντικό ρόλο στην αύξηση του ρυθμού πρόσληψης υδρογόνου, με αποτέλεσμα βελτιωμένη απόδοση αποθήκευσης.Από αυτή την άποψη, αυτή η μελέτη είχε ως στόχο τη βελτίωση των χαρακτηριστικών μεταφοράς θερμότητας προκειμένου να επηρεαστεί θετικά ο ρυθμός πρόσληψης υδρογόνου του συστήματος αποθήκευσης MH.Το νέο ημικυλινδρικό πηνίο αναπτύχθηκε για πρώτη φορά και βελτιστοποιήθηκε για αποθήκευση υδρογόνου και ενσωματώθηκε ως εσωτερικός εναλλάκτης αέρα ως θερμότητας (HTF).Με βάση τα διαφορετικά μεγέθη βήματος, η επίδραση της νέας διαμόρφωσης εναλλάκτη θερμότητας αναλύεται και συγκρίνεται με τη συμβατική γεωμετρία του ελικοειδούς πηνίου.Επιπλέον, οι παράμετροι λειτουργίας της αποθήκευσης MG και GTP μελετήθηκαν αριθμητικά για να ληφθούν οι βέλτιστες τιμές.Για αριθμητική προσομοίωση, χρησιμοποιείται το ANSYS Fluent 2020 R2.Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι η απόδοση μιας δεξαμενής αποθήκευσης MH μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά χρησιμοποιώντας έναν ημικυλινδρικό εναλλάκτη θερμότητας πηνίου (SCHE).Σε σύγκριση με τους συμβατικούς εναλλάκτες θερμότητας σπειροειδούς πηνίου, η διάρκεια απορρόφησης υδρογόνου μειώνεται κατά 59%.Η μικρότερη απόσταση μεταξύ των πηνίων SCHE οδήγησε σε μείωση του χρόνου απορρόφησης κατά 61%.Όσον αφορά τις παραμέτρους λειτουργίας της αποθήκευσης MG με χρήση SHE, όλες οι επιλεγμένες παράμετροι οδηγούν σε σημαντική βελτίωση της διαδικασίας απορρόφησης υδρογόνου, ιδιαίτερα της θερμοκρασίας στην είσοδο στο HTS.
Υπάρχει μια παγκόσμια μετάβαση από την ενέργεια που βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα στην ανανεώσιμη ενέργεια.Επειδή πολλές μορφές ανανεώσιμης ενέργειας παρέχουν ισχύ με δυναμικό τρόπο, η αποθήκευση ενέργειας είναι απαραίτητη για την εξισορρόπηση του φορτίου.Η αποθήκευση ενέργειας με βάση το υδρογόνο έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή για το σκοπό αυτό, ειδικά επειδή το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως «πράσινο» εναλλακτικό καύσιμο και φορέας ενέργειας λόγω των ιδιοτήτων και της φορητότητάς του.Επιπλέον, το υδρογόνο προσφέρει επίσης υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα μάζας σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα2.Υπάρχουν τέσσερις κύριοι τύποι αποθήκευσης ενέργειας υδρογόνου: αποθήκευση πεπιεσμένου αερίου, υπόγεια αποθήκευση, αποθήκευση υγρών και αποθήκευση στερεών.Το συμπιεσμένο υδρογόνο είναι ο κύριος τύπος που χρησιμοποιείται σε οχήματα κυψελών καυσίμου όπως λεωφορεία και περονοφόρα ανυψωτικά.Ωστόσο, αυτή η αποθήκευση παρέχει χαμηλή χύδην πυκνότητα υδρογόνου (περίπου 0,089 kg/m3) και έχει προβλήματα ασφάλειας που σχετίζονται με υψηλή πίεση λειτουργίας3.Με βάση μια διαδικασία μετατροπής σε χαμηλή θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος, η αποθήκευση υγρού θα αποθηκεύει υδρογόνο σε υγρή μορφή.Ωστόσο, όταν υγροποιηθεί, χάνεται περίπου το 40% της ενέργειας.Επιπλέον, αυτή η τεχνολογία είναι γνωστό ότι είναι πιο εντάσεως ενέργειας και εργασίας σε σύγκριση με τις τεχνολογίες αποθήκευσης στερεάς κατάστασης4.Η αποθήκευση στερεών είναι μια βιώσιμη επιλογή για μια οικονομία υδρογόνου, η οποία αποθηκεύει υδρογόνο ενσωματώνοντας υδρογόνο σε στερεά υλικά μέσω απορρόφησης και απελευθερώνοντας υδρογόνο μέσω εκρόφησης.Το υδρίδιο μετάλλου (MH), μια τεχνολογία αποθήκευσης στερεών υλικών, παρουσιάζει πρόσφατο ενδιαφέρον σε εφαρμογές κυψελών καυσίμου λόγω της υψηλής χωρητικότητας υδρογόνου, της χαμηλής πίεσης λειτουργίας και του χαμηλού κόστους σε σύγκριση με την αποθήκευση υγρών, και είναι κατάλληλο για σταθερές και κινητές εφαρμογές6,7 Επιπλέον, τα υλικά MH παρέχουν επίσης ιδιότητες ασφαλείας, όπως αποτελεσματική αποθήκευση μεγάλης χωρητικότητας8.Ωστόσο, υπάρχει ένα πρόβλημα που περιορίζει την παραγωγικότητα του MG: η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα του αντιδραστήρα MG οδηγεί σε αργή απορρόφηση και εκρόφηση του υδρογόνου.
Η σωστή μεταφορά θερμότητας κατά τη διάρκεια εξώθερμων και ενδόθερμων αντιδράσεων είναι το κλειδί για τη βελτίωση της απόδοσης των αντιδραστήρων MH.Για τη διαδικασία φόρτωσης υδρογόνου, η παραγόμενη θερμότητα πρέπει να αφαιρεθεί από τον αντιδραστήρα προκειμένου να ελεγχθεί η ροή φόρτωσης υδρογόνου στον επιθυμητό ρυθμό με μέγιστη χωρητικότητα αποθήκευσης.Αντίθετα, απαιτείται θερμότητα για να αυξηθεί ο ρυθμός έκλυσης υδρογόνου κατά την εκκένωση.Προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση της μεταφοράς θερμότητας και μάζας, πολλοί ερευνητές έχουν μελετήσει τη σχεδίαση και τη βελτιστοποίηση με βάση πολλούς παράγοντες όπως οι παράμετροι λειτουργίας, η δομή MG και η βελτιστοποίηση MG11.Η βελτιστοποίηση MG μπορεί να γίνει με την προσθήκη υλικών υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, όπως αφρώδες μέταλλα στα στρώματα MG 12,13.Έτσι, η αποτελεσματική θερμική αγωγιμότητα μπορεί να αυξηθεί από 0,1 σε 2 W/mK10.Ωστόσο, η προσθήκη στερεών υλικών μειώνει σημαντικά την ισχύ του αντιδραστήρα MN.Όσον αφορά τις παραμέτρους λειτουργίας, μπορούν να επιτευχθούν βελτιώσεις βελτιστοποιώντας τις αρχικές συνθήκες λειτουργίας του στρώματος MG και του ψυκτικού (HTF).Η δομή του MG μπορεί να βελτιστοποιηθεί λόγω της γεωμετρίας του αντιδραστήρα και του σχεδιασμού του εναλλάκτη θερμότητας.Όσον αφορά τη διαμόρφωση του εναλλάκτη θερμότητας του αντιδραστήρα MH, οι μέθοδοι μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους.Αυτοί είναι εσωτερικοί εναλλάκτες θερμότητας ενσωματωμένοι στο στρώμα MO και εξωτερικοί εναλλάκτες θερμότητας που καλύπτουν το στρώμα MO, όπως πτερύγια, μπουφάν ψύξης και λουτρά νερού.Όσον αφορά τον εξωτερικό εναλλάκτη θερμότητας, ο Kaplan16 ανέλυσε τη λειτουργία του αντιδραστήρα MH, χρησιμοποιώντας νερό ψύξης ως μανδύα για τη μείωση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του αντιδραστήρα.Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με έναν αντιδραστήρα 22 στρογγυλών πτερυγίων και έναν άλλο αντιδραστήρα που ψύχθηκε με φυσική μεταφορά.Δηλώνουν ότι η παρουσία ενός χιτωνίου ψύξης μειώνει σημαντικά τη θερμοκρασία του MH, αυξάνοντας έτσι τον ρυθμό απορρόφησης.Αριθμητικές μελέτες του αντιδραστήρα MH με μανδύα νερού από τους Patil και Gopal17 έδειξαν ότι η πίεση παροχής υδρογόνου και η θερμοκρασία HTF είναι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν τον ρυθμό πρόσληψης και εκρόφησης υδρογόνου.
Η αύξηση της περιοχής μεταφοράς θερμότητας με την προσθήκη πτερυγίων και εναλλάκτη θερμότητας που είναι ενσωματωμένοι στο MH είναι το κλειδί για τη βελτίωση της απόδοσης μεταφοράς θερμότητας και μάζας και ως εκ τούτου της απόδοσης αποθήκευσης του MH18.Πολλές εσωτερικές διαμορφώσεις εναλλάκτη θερμότητας (ευθύς σωλήνας και σπειροειδές πηνίο) έχουν σχεδιαστεί για την κυκλοφορία του ψυκτικού στον αντιδραστήρα MH19,20,21,22,23,24,25,26.Χρησιμοποιώντας έναν εσωτερικό εναλλάκτη θερμότητας, το υγρό ψύξης ή θέρμανσης θα μεταφέρει τοπική θερμότητα μέσα στον αντιδραστήρα MH κατά τη διάρκεια της διαδικασίας προσρόφησης υδρογόνου.Οι Raju και Kumar [27] χρησιμοποίησαν αρκετούς ευθύγραμμους σωλήνες ως εναλλάκτες θερμότητας για να βελτιώσουν την απόδοση του MG.Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι οι χρόνοι απορρόφησης μειώθηκαν όταν χρησιμοποιήθηκαν ευθύγραμμοι σωλήνες ως εναλλάκτες θερμότητας.Επιπλέον, η χρήση ευθύγραμμων σωλήνων μειώνει τον χρόνο εκρόφησης υδρογόνου28.Οι υψηλότεροι ρυθμοί ροής ψυκτικού αυξάνουν τον ρυθμό φόρτισης και εκφόρτισης υδρογόνου29.Ωστόσο, η αύξηση του αριθμού των σωλήνων ψύξης έχει θετική επίδραση στην απόδοση ΜΗ και όχι στην ταχύτητα ροής ψυκτικού30,31.Οι Raju et al.32 χρησιμοποίησαν το LaMi4.7Al0.3 ως υλικό MH για να μελετήσουν την απόδοση των εναλλάκτη θερμότητας πολλαπλών σωλήνων σε αντιδραστήρες.Ανέφεραν ότι οι παράμετροι λειτουργίας είχαν σημαντική επίδραση στη διαδικασία απορρόφησης, ειδικά η πίεση τροφοδοσίας και στη συνέχεια ο ρυθμός ροής του HTF.Ωστόσο, η θερμοκρασία απορρόφησης αποδείχθηκε λιγότερο κρίσιμη.
Η απόδοση του αντιδραστήρα MH βελτιώνεται περαιτέρω με τη χρήση ενός εναλλάκτη θερμότητας σπειροειδούς πηνίου λόγω της βελτιωμένης μεταφοράς θερμότητας σε σύγκριση με τους ευθύγραμμους σωλήνες.Αυτό συμβαίνει επειδή ο δευτερεύων κύκλος μπορεί να αφαιρέσει καλύτερα τη θερμότητα από τον αντιδραστήρα25.Επιπλέον, οι σπειροειδείς σωλήνες παρέχουν μεγάλη επιφάνεια για μεταφορά θερμότητας από το στρώμα MH στο ψυκτικό.Όταν αυτή η μέθοδος εισάγεται μέσα στον αντιδραστήρα, η κατανομή των σωλήνων ανταλλαγής θερμότητας είναι επίσης πιο ομοιόμορφη33.Οι Wang et al.34 μελέτησε την επίδραση της διάρκειας πρόσληψης υδρογόνου προσθέτοντας ένα ελικοειδές πηνίο σε έναν αντιδραστήρα MH.Τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι όσο αυξάνεται ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας του ψυκτικού, ο χρόνος απορρόφησης μειώνεται.Οι Wu et al.25 ερεύνησε την απόδοση των αντιδραστήρων MH με βάση Mg2Ni και των εναλλάκτη θερμότητας με περιελίξεις.Οι αριθμητικές τους μελέτες έχουν δείξει μείωση του χρόνου αντίδρασης.Η βελτίωση του μηχανισμού μεταφοράς θερμότητας στον αντιδραστήρα MN βασίζεται σε μικρότερο λόγο βήματος βίδας προς βήμα βίδας και αδιάστατο βήμα βίδας.Μια πειραματική μελέτη από τους Mellouli et al.21 χρησιμοποιώντας ένα τυλιγμένο πηνίο ως εσωτερικό εναλλάκτη θερμότητας έδειξε ότι η θερμοκρασία έναρξης HTF έχει σημαντική επίδραση στη βελτίωση της πρόσληψης και του χρόνου εκρόφησης υδρογόνου.Συνδυασμοί διαφορετικών εσωτερικών εναλλάκτη θερμότητας έχουν πραγματοποιηθεί σε διάφορες μελέτες.Οι Eisapur et al.35 μελέτησε την αποθήκευση υδρογόνου χρησιμοποιώντας έναν εναλλάκτη θερμότητας σπειροειδούς πηνίου με κεντρικό σωλήνα επιστροφής για τη βελτίωση της διαδικασίας απορρόφησης υδρογόνου.Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι ο σπειροειδής σωλήνας και ο κεντρικός σωλήνας επιστροφής βελτιώνουν σημαντικά τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ του ψυκτικού και του MG.Το μικρότερο βήμα και η μεγαλύτερη διάμετρος του σπειροειδούς σωλήνα αυξάνουν τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας και μάζας.Οι Ardahaie et al.36 χρησιμοποίησαν επίπεδους σπειροειδείς σωλήνες ως εναλλάκτες θερμότητας για τη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας εντός του αντιδραστήρα.Ανέφεραν ότι η διάρκεια απορρόφησης μειώθηκε αυξάνοντας τον αριθμό των πεπλατυσμένων επιπέδων σπειροειδών σωλήνων.Συνδυασμοί διαφορετικών εσωτερικών εναλλάκτη θερμότητας έχουν πραγματοποιηθεί σε διάφορες μελέτες.Οι Dhau et al.37 βελτίωσε την απόδοση του MH χρησιμοποιώντας έναν εναλλάκτη θερμότητας με περιελίξεις και πτερύγια.Τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι αυτή η μέθοδος μειώνει τον χρόνο πλήρωσης υδρογόνου κατά 2 σε σύγκριση με την περίπτωση χωρίς πτερύγια.Τα δακτυλιοειδή πτερύγια συνδυάζονται με σωλήνες ψύξης και ενσωματώνονται στον αντιδραστήρα MN.Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι αυτή η συνδυασμένη μέθοδος παρέχει πιο ομοιόμορφη μεταφορά θερμότητας σε σύγκριση με τον αντιδραστήρα MH χωρίς πτερύγια.Ωστόσο, ο συνδυασμός διαφορετικών εναλλάκτη θερμότητας θα επηρεάσει αρνητικά το βάρος και τον όγκο του αντιδραστήρα MH.Οι Wu et al.18 συνέκριναν διαφορετικές διαμορφώσεις εναλλάκτη θερμότητας.Αυτά περιλαμβάνουν ευθύγραμμους σωλήνες, πτερύγια και σπειροειδή πηνία.Οι συγγραφείς αναφέρουν ότι τα σπειροειδή πηνία παρέχουν τις καλύτερες βελτιώσεις στη μεταφορά θερμότητας και μάζας.Επιπλέον, σε σύγκριση με τους ευθύγραμμους σωλήνες, τους κουλουριασμένους σωλήνες και τους ευθύγραμμους σωλήνες σε συνδυασμό με τους σωλήνες με σπειρώματα, τα διπλά πηνία έχουν καλύτερη επίδραση στη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας.Μια μελέτη από τους Sekhar et al.40 έδειξε ότι μια παρόμοια βελτίωση στην πρόσληψη υδρογόνου επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας ένα σπειροειδές πηνίο ως εσωτερικό εναλλάκτη θερμότητας και ένα εξωτερικό χιτώνιο ψύξης με πτερύγια.
Από τα παραδείγματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, η χρήση σπειροειδών πηνίων ως εσωτερικοί εναλλάκτες θερμότητας παρέχει καλύτερες βελτιώσεις στη μεταφορά θερμότητας και μάζας από άλλους εναλλάκτες θερμότητας, ειδικά ευθύγραμμους σωλήνες και πτερύγια.Ως εκ τούτου, ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν η περαιτέρω ανάπτυξη του σπειροειδούς πηνίου για τη βελτίωση της απόδοσης μεταφοράς θερμότητας.Για πρώτη φορά, ένα νέο ημικυλινδρικό πηνίο έχει αναπτυχθεί με βάση το συμβατικό ελικοειδές πηνίο αποθήκευσης MH.Αυτή η μελέτη αναμένεται να βελτιώσει την απόδοση αποθήκευσης υδρογόνου εξετάζοντας έναν νέο σχεδιασμό εναλλάκτη θερμότητας με καλύτερη διάταξη ζώνης μεταφοράς θερμότητας που παρέχεται από σταθερό όγκο κλίνης MH και σωλήνων HTF.Η απόδοση αποθήκευσης αυτού του νέου εναλλάκτη θερμότητας συγκρίθηκε στη συνέχεια με τους συμβατικούς εναλλάκτες θερμότητας σπειροειδούς πηνίου που βασίζονται σε διαφορετικά βήματα πηνίου.Σύμφωνα με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, οι συνθήκες λειτουργίας και η απόσταση των πηνίων είναι οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των αντιδραστήρων MH.Για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού αυτού του νέου εναλλάκτη θερμότητας, διερευνήθηκε η επίδραση της απόστασης των πηνίων στο χρόνο πρόσληψης υδρογόνου και στον όγκο MH.Επιπλέον, προκειμένου να κατανοηθεί η σχέση μεταξύ των νέων ημικυλινδρικών πηνίων και των συνθηκών λειτουργίας, ένας δευτερεύων στόχος αυτής της μελέτης ήταν να μελετήσει τα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα σύμφωνα με διαφορετικά εύρη παραμέτρων λειτουργίας και να καθορίσει τις κατάλληλες τιμές για κάθε λειτουργία τρόπος.παράμετρος.
Η απόδοση της συσκευής αποθήκευσης ενέργειας υδρογόνου σε αυτή τη μελέτη διερευνάται με βάση δύο διαμορφώσεις εναλλάκτη θερμότητας (συμπεριλαμβανομένων σπειροειδών σωλήνων στις περιπτώσεις 1 έως 3 και ημικυλινδρικών σωλήνων στις περιπτώσεις 4 έως 6) και μιας ανάλυσης ευαισθησίας των παραμέτρων λειτουργίας.Η λειτουργικότητα του αντιδραστήρα MH δοκιμάστηκε για πρώτη φορά χρησιμοποιώντας έναν σπειροειδή σωλήνα ως εναλλάκτη θερμότητας.Τόσο ο σωλήνας λαδιού ψυκτικού όσο και το δοχείο του αντιδραστήρα MH είναι κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα.Πρέπει να σημειωθεί ότι οι διαστάσεις του αντιδραστήρα MG και η διάμετρος των σωλήνων GTF ήταν σταθερές σε όλες τις περιπτώσεις, ενώ τα μεγέθη βημάτων του GTF διέφεραν.Αυτή η ενότητα αναλύει την επίδραση του μεγέθους του βήματος των πηνίων HTF.Το ύψος και η εξωτερική διάμετρος του αντιδραστήρα ήταν 110 mm και 156 mm, αντίστοιχα.Η διάμετρος του θερμοαγώγιμου σωλήνα λαδιού ορίζεται στα 6mm.Δείτε τη Συμπληρωματική Ενότητα για λεπτομέρειες σχετικά με το διάγραμμα κυκλώματος αντιδραστήρα MH με σπειροειδείς σωλήνες και δύο ημικυλινδρικούς σωλήνες.
Στο σχ.Το Σχήμα 1α δείχνει τον αντιδραστήρα σπειροειδούς σωλήνα MH και τις διαστάσεις του.Όλες οι γεωμετρικές παράμετροι δίνονται στον πίνακα.1. Ο συνολικός όγκος της έλικας και ο όγκος του ZG είναι περίπου 100 cm3 και 2000 cm3, αντίστοιχα.Από αυτόν τον αντιδραστήρα ΜΗ, αέρας με τη μορφή HTF τροφοδοτήθηκε στον πορώδες αντιδραστήρα ΜΗ από κάτω μέσω ενός σπειροειδούς σωλήνα και εισήχθη υδρογόνο από την επάνω επιφάνεια του αντιδραστήρα.
Χαρακτηρισμός επιλεγμένων γεωμετριών για αντιδραστήρες υδριδίου μετάλλου.α) με σπειροσωληνωτό εναλλάκτη θερμότητας, β) με ημικυλινδρικό σωληνωτό εναλλάκτη θερμότητας.
Το δεύτερο μέρος εξετάζει τη λειτουργία του αντιδραστήρα MH που βασίζεται σε ημικυλινδρικό σωλήνα ως εναλλάκτη θερμότητας.Στο σχ.Το 1b δείχνει τον αντιδραστήρα MN με δύο ημικυλινδρικούς σωλήνες και τις διαστάσεις τους.Ο Πίνακας 1 παραθέτει όλες τις γεωμετρικές παραμέτρους των ημικυλινδρικών σωλήνων, οι οποίες παραμένουν σταθερές, με εξαίρεση την μεταξύ τους απόσταση.Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο ημικυλινδρικός σωλήνας στην Περίπτωση 4 σχεδιάστηκε με σταθερό όγκο σωλήνα HTF και κράμα MH στον περιελιγμένο σωλήνα (επιλογή 3).Όσο για το σχ.1b, εισήχθη αέρας επίσης από τον πυθμένα των δύο ημικυλινδρικών σωλήνων HTF και υδρογόνο εισήχθη από την αντίθετη κατεύθυνση του αντιδραστήρα MH.
Λόγω του νέου σχεδιασμού του εναλλάκτη θερμότητας, σκοπός αυτής της ενότητας είναι ο προσδιορισμός των κατάλληλων αρχικών τιμών για τις παραμέτρους λειτουργίας του αντιδραστήρα MH σε συνδυασμό με το SCHE.Σε όλες τις περιπτώσεις, ο αέρας χρησιμοποιήθηκε ως ψυκτικό για την απομάκρυνση της θερμότητας από τον αντιδραστήρα.Μεταξύ των λιπαντικών μεταφοράς θερμότητας, ο αέρας και το νερό επιλέγονται συνήθως ως λάδια μεταφοράς θερμότητας για αντιδραστήρες MH λόγω του χαμηλού κόστους και των χαμηλών περιβαλλοντικών επιπτώσεων.Λόγω του υψηλού εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας των κραμάτων με βάση το μαγνήσιο, ο αέρας επιλέχθηκε ως ψυκτικό υγρό σε αυτή τη μελέτη.Επιπλέον, έχει επίσης καλύτερα χαρακτηριστικά ροής από άλλα υγρά μέταλλα και λιωμένα άλατα41.Ο Πίνακας 2 παραθέτει τις ιδιότητες του αέρα στους 573 K. Για την ανάλυση ευαισθησίας σε αυτήν την ενότητα, εφαρμόζονται μόνο οι καλύτερες διαμορφώσεις των επιλογών απόδοσης MH-SCHE (στις περιπτώσεις 4 έως 6).Οι εκτιμήσεις σε αυτήν την ενότητα βασίζονται σε διάφορες παραμέτρους λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένης της αρχικής θερμοκρασίας του αντιδραστήρα MH, της πίεσης φόρτωσης υδρογόνου, της θερμοκρασίας εισόδου HTF και του αριθμού Reynolds που υπολογίζεται αλλάζοντας τον ρυθμό HTF.Ο Πίνακας 3 περιέχει όλες τις παραμέτρους λειτουργίας που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση ευαισθησίας.
Αυτή η ενότητα περιγράφει όλες τις απαραίτητες εξισώσεις ελέγχου για τη διαδικασία απορρόφησης υδρογόνου, στροβιλισμού και μεταφοράς θερμότητας ψυκτικών υγρών.
Για να απλοποιηθεί η λύση της αντίδρασης πρόσληψης υδρογόνου, γίνονται και παρέχονται οι ακόλουθες υποθέσεις.
Κατά την απορρόφηση, οι θερμοφυσικές ιδιότητες του υδρογόνου και των υδριδίων μετάλλων είναι σταθερές.
Το υδρογόνο θεωρείται ιδανικό αέριο, επομένως λαμβάνονται υπόψη οι τοπικές συνθήκες θερμικής ισορροπίας43,44.
όπου \({L}_{αέριο}\) είναι η ακτίνα της δεξαμενής και \({L}_{θερμότητα}\) είναι το αξονικό ύψος της δεξαμενής.Όταν το Ν είναι μικρότερο από 0,0146, η ροή υδρογόνου στη δεξαμενή μπορεί να αγνοηθεί στην προσομοίωση χωρίς σημαντικό σφάλμα.Σύμφωνα με την τρέχουσα έρευνα, το N είναι πολύ χαμηλότερο από 0,1.Ως εκ τούτου, η επίδραση της κλίσης πίεσης μπορεί να παραμεληθεί.
Τα τοιχώματα του αντιδραστήρα ήταν καλά μονωμένα σε όλες τις περιπτώσεις.Επομένως, δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας 47 μεταξύ του αντιδραστήρα και του περιβάλλοντος.
Είναι ευρέως γνωστό ότι τα κράματα με βάση το Mg έχουν καλά χαρακτηριστικά υδρογόνωσης και υψηλή ικανότητα αποθήκευσης υδρογόνου έως 7,6 wt%8.Όσον αφορά τις εφαρμογές αποθήκευσης υδρογόνου σε στερεά κατάσταση, αυτά τα κράματα είναι επίσης γνωστά ως ελαφριά υλικά.Επιπλέον, έχουν εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα και καλή δυνατότητα επεξεργασίας8.Μεταξύ πολλών κραμάτων με βάση το Mg, το κράμα MgNi με βάση το Mg2Ni είναι μια από τις πιο κατάλληλες επιλογές για αποθήκευση MH λόγω της ικανότητας αποθήκευσης υδρογόνου έως και 6 wt%.Τα κράματα Mg2Ni παρέχουν επίσης ταχύτερη κινητική προσρόφησης και εκρόφησης σε σύγκριση με το κράμα MgH48.Ως εκ τούτου, το Mg2Ni επιλέχθηκε ως υλικό υδριδίου μετάλλου σε αυτή τη μελέτη.
Η εξίσωση ενέργειας εκφράζεται ως 25 με βάση το ισοζύγιο θερμότητας μεταξύ υδρογόνου και υδριδίου Mg2Ni:
X είναι η ποσότητα υδρογόνου που απορροφάται στην επιφάνεια του μετάλλου, η μονάδα είναι \(βάρος\%\), που υπολογίζεται από την κινητική εξίσωση \(\frac{dX}{dt}\) κατά την απορρόφηση ως εξής49:
όπου \({C}_{a}\) είναι ο ρυθμός αντίδρασης και \({E}_{a}\) είναι η ενέργεια ενεργοποίησης.\({P}_{a,eq}\) είναι η πίεση ισορροπίας μέσα στον αντιδραστήρα υδριδίου μετάλλου κατά τη διαδικασία απορρόφησης, που δίνεται από την εξίσωση van't Hoff ως εξής25:
Όπου \({P}_{ref}\) είναι η πίεση αναφοράς 0,1 MPa.Τα \(\Delta H\) και \(\Delta S\) είναι η ενθαλπία και η εντροπία της αντίδρασης, αντίστοιχα.Οι ιδιότητες των κραμάτων Mg2Ni και υδρογόνου παρουσιάζονται στον πίνακα.4. Η ονομαστική λίστα βρίσκεται στη συμπληρωματική ενότητα.
Η ροή του ρευστού θεωρείται τυρβώδης επειδή η ταχύτητά του και ο αριθμός Reynolds (Re) είναι 78,75 ms-1 και 14000, αντίστοιχα.Σε αυτή τη μελέτη, επιλέχθηκε ένα εφικτό μοντέλο τυρβώδους k-ε.Σημειώνεται ότι αυτή η μέθοδος παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια σε σύγκριση με άλλες μεθόδους k-ε, και απαιτεί επίσης λιγότερο χρόνο υπολογισμού από τις μεθόδους RNG k-ε50,51.Δείτε τη Συμπληρωματική Ενότητα για λεπτομέρειες σχετικά με τις βασικές εξισώσεις για τα ρευστά μεταφοράς θερμότητας.
Αρχικά, το καθεστώς θερμοκρασίας στον αντιδραστήρα ΜΝ ήταν ομοιόμορφο και η μέση συγκέντρωση υδρογόνου ήταν 0,043.Υποτίθεται ότι το εξωτερικό όριο του αντιδραστήρα MH είναι καλά μονωμένο.Τα κράματα με βάση το μαγνήσιο απαιτούν συνήθως υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας αντίδρασης για την αποθήκευση και την απελευθέρωση υδρογόνου στον αντιδραστήρα.Το κράμα Mg2Ni απαιτεί περιοχή θερμοκρασίας 523–603 K για μέγιστη απορρόφηση και εύρος θερμοκρασίας 573–603 K για πλήρη εκρόφηση52.Ωστόσο, πειραματικές μελέτες από τους Muthukumar et al.53 έδειξαν ότι η μέγιστη χωρητικότητα αποθήκευσης Mg2Ni για αποθήκευση υδρογόνου μπορεί να επιτευχθεί σε θερμοκρασία λειτουργίας 573 K, που αντιστοιχεί στη θεωρητική του ικανότητα.Ως εκ τούτου, η θερμοκρασία των 573 K επιλέχθηκε ως η αρχική θερμοκρασία του αντιδραστήρα MN σε αυτή τη μελέτη.
Δημιουργήστε διαφορετικά μεγέθη πλέγματος για επικύρωση και αξιόπιστα αποτελέσματα.Στο σχ.2 δείχνει τη μέση θερμοκρασία σε επιλεγμένες θέσεις στη διαδικασία απορρόφησης υδρογόνου από τέσσερα διαφορετικά στοιχεία.Αξίζει να σημειωθεί ότι μόνο μία περίπτωση από κάθε διαμόρφωση επιλέγεται για έλεγχο ανεξαρτησίας πλέγματος λόγω παρόμοιας γεωμετρίας.Η ίδια μέθοδος πλέγματος εφαρμόζεται και σε άλλες περιπτώσεις.Επομένως, επιλέξτε την επιλογή 1 για τον σπειροειδή σωλήνα και την επιλογή 4 για τον ημικυλινδρικό σωλήνα.Στο σχ.Τα σχήματα 2a, b δείχνουν τη μέση θερμοκρασία στον αντιδραστήρα για τις επιλογές 1 και 4, αντίστοιχα.Οι τρεις επιλεγμένες θέσεις αντιπροσωπεύουν περιγράμματα θερμοκρασίας κλίνης στο πάνω, στο μέσο και στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα.Με βάση τα περιγράμματα θερμοκρασίας στις επιλεγμένες θέσεις, η μέση θερμοκρασία γίνεται σταθερή και παρουσιάζει μικρή αλλαγή στους αριθμούς στοιχείων 428.891 και 430.599 για τις περιπτώσεις 1 και 4, αντίστοιχα.Επομένως, αυτά τα μεγέθη πλέγματος επιλέχθηκαν για περαιτέρω υπολογιστικούς υπολογισμούς.Λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τη μέση θερμοκρασία κλίνης για τη διαδικασία απορρόφησης υδρογόνου για διάφορα μεγέθη κυψελών και διαδοχικά ραφιναρισμένα πλέγματα και για τις δύο περιπτώσεις παρέχονται στη συμπληρωματική ενότητα.
Μέση θερμοκρασία κλίνης σε επιλεγμένα σημεία της διαδικασίας απορρόφησης υδρογόνου σε αντιδραστήρα μεταλλικού υδριδίου με διαφορετικούς αριθμούς πλέγματος.(α) Μέση θερμοκρασία σε επιλεγμένες τοποθεσίες για την περίπτωση 1 και (β) Μέση θερμοκρασία σε επιλεγμένες τοποθεσίες για την περίπτωση 4.
Ο αντιδραστήρας υδριδίου μετάλλου με βάση το Mg σε αυτή τη μελέτη δοκιμάστηκε με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα των Muthukumar et al.53.Στη μελέτη τους, χρησιμοποίησαν ένα κράμα Mg2Ni για την αποθήκευση υδρογόνου σε σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα.Τα χάλκινα πτερύγια χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας στο εσωτερικό του αντιδραστήρα.Στο σχ.Το Σχήμα 3α δείχνει μια σύγκριση της μέσης θερμοκρασίας της κλίνης της διαδικασίας απορρόφησης μεταξύ της πειραματικής μελέτης και αυτής της μελέτης.Οι συνθήκες λειτουργίας που επιλέχθηκαν για αυτό το πείραμα είναι: αρχική θερμοκρασία MG 573 K και πίεση εισόδου 2 MPa.Από το σχ.3α μπορεί να αποδειχθεί ξεκάθαρα ότι αυτό το πειραματικό αποτέλεσμα είναι σε καλή συμφωνία με το παρόν σε σχέση με τη μέση θερμοκρασία του στρώματος.
Επαλήθευση μοντέλου.(α) Επαλήθευση κωδικού του αντιδραστήρα υδριδίου μετάλλου Mg2Ni συγκρίνοντας την τρέχουσα μελέτη με την πειραματική εργασία των Muthukumar et al.52 και (β) επαλήθευση του μοντέλου τυρβώδους ροής σπειροειδούς σωλήνα συγκρίνοντας την τρέχουσα μελέτη με αυτή των Kumar et al. .Έρευνα.54.
Για να ελεγχθεί το μοντέλο αναταράξεων, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης συγκρίθηκαν με τα πειραματικά αποτελέσματα των Kumar et al.54 για να επιβεβαιωθεί η ορθότητα του επιλεγμένου μοντέλου αναταράξεων.Ο Kumar et al.54 μελέτησε την τυρβώδη ροή σε έναν σπειροειδή εναλλάκτη θερμότητας σωλήνα σε σωλήνα.Το νερό χρησιμοποιείται ως ζεστό και κρύο υγρό που εγχέεται από αντίθετες πλευρές.Οι θερμοκρασίες ζεστού και κρύου υγρού είναι 323 K και 300 K, αντίστοιχα.Οι αριθμοί Reynolds κυμαίνονται από 3100 έως 5700 για ζεστά υγρά και από 21.000 έως 35.000 για κρύα υγρά.Οι αριθμοί Dean είναι 550-1000 για ζεστά υγρά και 3600-6000 για κρύα υγρά.Οι διάμετροι του εσωτερικού σωλήνα (για ζεστό υγρό) και του εξωτερικού σωλήνα (για κρύο υγρό) είναι 0,0254 m και 0,0508 m, αντίστοιχα.Η διάμετρος και το βήμα του ελικοειδούς πηνίου είναι 0,762 m και 0,100 m, αντίστοιχα.Στο σχ.Το Σχήμα 3β δείχνει μια σύγκριση πειραματικών και τρεχόντων αποτελεσμάτων για διάφορα ζεύγη αριθμών Nusselt και Dean για το ψυκτικό υγρό στον εσωτερικό σωλήνα.Εφαρμόστηκαν τρία διαφορετικά μοντέλα αναταράξεων και συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα.Όπως φαίνεται στο σχ.3β, τα αποτελέσματα του επιτεύξιμου μοντέλου αναταράξεων k-ε είναι σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα.Ως εκ τούτου, αυτό το μοντέλο επιλέχθηκε σε αυτή τη μελέτη.
Οι αριθμητικές προσομοιώσεις σε αυτή τη μελέτη πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το ANSYS Fluent 2020 R2.Γράψτε μια συνάρτηση καθορισμένη από το χρήστη (UDF) και χρησιμοποιήστε την ως όρο εισόδου της εξίσωσης ενέργειας για να υπολογίσετε την κινητική της διαδικασίας απορρόφησης.Το κύκλωμα PRESTO55 και η μέθοδος PISO56 χρησιμοποιούνται για επικοινωνία πίεσης-ταχύτητας και διόρθωση πίεσης.Επιλέξτε μια βάση κελιών Greene-Gauss για τη μεταβλητή κλίση.Οι εξισώσεις ορμής και ενέργειας λύνονται με την αντίθετη μέθοδο δεύτερης τάξης.Όσον αφορά τους συντελεστές υπο-χαλάρωσης, οι συνιστώσες πίεσης, ταχύτητας και ενέργειας ορίζονται σε 0,5, 0,7 και 0,7, αντίστοιχα.Οι τυπικές λειτουργίες τοίχου εφαρμόζονται στο HTF στο μοντέλο στροβιλισμού.
Αυτή η ενότητα παρουσιάζει τα αποτελέσματα αριθμητικών προσομοιώσεων βελτιωμένης εσωτερικής μεταφοράς θερμότητας ενός αντιδραστήρα MH χρησιμοποιώντας έναν εναλλάκτη θερμότητας με περιελίξεις (HCHE) και έναν εναλλάκτη θερμότητας ελικοειδούς πηνίου (SCHE) κατά την απορρόφηση υδρογόνου.Η επίδραση του βήματος HTF στη θερμοκρασία της κλίνης του αντιδραστήρα και τη διάρκεια της απορρόφησης αναλύθηκε.Οι κύριες παράμετροι λειτουργίας της διαδικασίας απορρόφησης μελετώνται και παρουσιάζονται στην ενότητα ανάλυση ευαισθησίας.
Για να διερευνηθεί η επίδραση της απόστασης των πηνίων στη μεταφορά θερμότητας σε έναν αντιδραστήρα MH, διερευνήθηκαν τρεις διαμορφώσεις εναλλάκτη θερμότητας με διαφορετικά βήματα.Τα τρία διαφορετικά βήματα των 15mm, 12,86mm και 10mm χαρακτηρίζονται σώμα 1, σώμα 2 και σώμα 3 αντίστοιχα.Πρέπει να σημειωθεί ότι η διάμετρος του σωλήνα σταθεροποιήθηκε στα 6 mm σε αρχική θερμοκρασία 573 K και πίεση φόρτωσης 1,8 MPa σε όλες τις περιπτώσεις.Στο σχ.Το σχήμα 4 δείχνει τη μέση θερμοκρασία κλίνης και τη συγκέντρωση υδρογόνου στο στρώμα ΜΗ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απορρόφησης υδρογόνου στις περιπτώσεις 1 έως 3. Τυπικά, η αντίδραση μεταξύ του υδριδίου μετάλλου και του υδρογόνου είναι εξώθερμη στη διαδικασία απορρόφησης.Επομένως, η θερμοκρασία της κλίνης αυξάνεται γρήγορα λόγω της αρχικής στιγμής κατά την οποία εισάγεται για πρώτη φορά υδρογόνο στον αντιδραστήρα.Η θερμοκρασία της κλίνης αυξάνεται μέχρι να φτάσει σε μια μέγιστη τιμή και στη συνέχεια μειώνεται σταδιακά καθώς η θερμότητα μεταφέρεται από το ψυκτικό, το οποίο έχει χαμηλότερη θερμοκρασία και λειτουργεί ως ψυκτικό.Όπως φαίνεται στο σχ.4α, λόγω της προηγούμενης εξήγησης, η θερμοκρασία του στρώματος αυξάνεται γρήγορα και μειώνεται συνεχώς.Η συγκέντρωση υδρογόνου για τη διαδικασία απορρόφησης βασίζεται συνήθως στη θερμοκρασία κλίνης του αντιδραστήρα MH.Όταν η μέση θερμοκρασία του στρώματος πέσει σε μια ορισμένη θερμοκρασία, η μεταλλική επιφάνεια απορροφά υδρογόνο.Αυτό οφείλεται στην επιτάχυνση των διεργασιών φυσικορόφησης, χημειορόφησης, διάχυσης υδρογόνου και σχηματισμού των υδριδίων του στον αντιδραστήρα.Από το σχ.4b μπορεί να φανεί ότι ο ρυθμός απορρόφησης υδρογόνου στην περίπτωση 3 είναι χαμηλότερος από ό,τι σε άλλες περιπτώσεις λόγω της μικρότερης τιμής βήματος του εναλλάκτη θερμότητας πηνίου.Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερο συνολικό μήκος σωλήνα και μεγαλύτερη επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας για σωλήνες HTF.Με μέση συγκέντρωση υδρογόνου 90%, ο χρόνος απορρόφησης για την Περίπτωση 1 είναι 46.276 δευτερόλεπτα.Σε σύγκριση με τη διάρκεια της απορρόφησης στην περίπτωση 1, η διάρκεια της απορρόφησης στις περιπτώσεις 2 και 3 μειώθηκε κατά 724 s και 1263 s, αντίστοιχα.Η συμπληρωματική ενότητα παρουσιάζει περιγράμματα θερμοκρασίας και συγκέντρωσης υδρογόνου για επιλεγμένες θέσεις στο στρώμα HCHE-MH.
Επίδραση της απόστασης μεταξύ των πηνίων στη μέση θερμοκρασία του στρώματος και τη συγκέντρωση υδρογόνου.(α) Μέση θερμοκρασία κλίνης για ελικοειδή πηνία, (β) συγκέντρωση υδρογόνου για ελικοειδείς σπείρες, (γ) μέση θερμοκρασία κλίνης για ημικυλινδρικά πηνία και (δ) συγκέντρωση υδρογόνου για ημικυλινδρικά πηνία.
Για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών μεταφοράς θερμότητας του αντιδραστήρα MG, σχεδιάστηκαν δύο HFC για σταθερό όγκο του MG (2000 cm3) και ένας σπειροειδής εναλλάκτης θερμότητας (100 cm3) της Επιλογής 3. Αυτή η ενότητα εξετάζει επίσης την επίδραση της απόστασης μεταξύ των πηνία 15 mm για τη θήκη 4, 12,86 mm για τη θήκη 5 και 10 mm για τη θήκη 6. Στο σχ.Τα σχήματα 4c,d δείχνουν τη μέση θερμοκρασία κλίνης και τη συγκέντρωση της διαδικασίας απορρόφησης υδρογόνου σε αρχική θερμοκρασία 573 K και πίεση φόρτωσης 1,8 MPa.Σύμφωνα με τη μέση θερμοκρασία στρώματος στο Σχ. 4γ, η μικρότερη απόσταση μεταξύ των πηνίων στην περίπτωση 6 μειώνει σημαντικά τη θερμοκρασία σε σύγκριση με τις άλλες δύο περιπτώσεις.Για την περίπτωση 6, μια χαμηλότερη θερμοκρασία κλίνης οδηγεί σε υψηλότερη συγκέντρωση υδρογόνου (βλ. Εικ. 4δ).Ο χρόνος πρόσληψης υδρογόνου για την Παραλλαγή 4 είναι 19542 s, που είναι περισσότερο από 2 φορές χαμηλότερος από ό,τι για τις Παραλλαγές 1-3 που χρησιμοποιούν HCH.Επιπλέον, σε σύγκριση με την περίπτωση 4, ο χρόνος απορρόφησης μειώθηκε επίσης κατά 378 s και 1515 s στις περιπτώσεις 5 και 6 με μικρότερες αποστάσεις.Η συμπληρωματική ενότητα παρουσιάζει περιγράμματα θερμοκρασίας και συγκέντρωσης υδρογόνου για επιλεγμένες θέσεις στο στρώμα SCHE-MH.
Για τη μελέτη της απόδοσης δύο διαμορφώσεων εναλλάκτη θερμότητας, αυτή η ενότητα σχεδιάζει και παρουσιάζει καμπύλες θερμοκρασίας σε τρεις επιλεγμένες θέσεις.Ο αντιδραστήρας MH με HCHE από την περίπτωση 3 επιλέχθηκε για σύγκριση με τον αντιδραστήρα MH που περιέχει SCHE στην περίπτωση 4 επειδή έχει σταθερό όγκο ΜΗ και όγκο σωλήνα.Οι συνθήκες λειτουργίας για αυτή τη σύγκριση ήταν μια αρχική θερμοκρασία 573 K και μια πίεση φόρτωσης 1,8 MPa.Στο σχ.Τα σχήματα 5a και 5b δείχνουν και τις τρεις επιλεγμένες θέσεις των προφίλ θερμοκρασίας στις περιπτώσεις 3 και 4, αντίστοιχα.Στο σχ.Το 5c δείχνει το προφίλ θερμοκρασίας και τη συγκέντρωση του στρώματος μετά από 20.000 s πρόσληψης υδρογόνου.Σύμφωνα με τη γραμμή 1 στο Σχ. 5γ, η θερμοκρασία γύρω από το TTF από τις επιλογές 3 και 4 μειώνεται λόγω της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του ψυκτικού.Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη συγκέντρωση υδρογόνου γύρω από αυτήν την περιοχή.Ωστόσο, η χρήση δύο SCHE έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη συγκέντρωση στρώματος.Βρέθηκαν ταχύτερες κινητικές αποκρίσεις γύρω από την περιοχή HTF στην περίπτωση 4. Επιπλέον, μια μέγιστη συγκέντρωση 100% βρέθηκε επίσης σε αυτήν την περιοχή.Από τη γραμμή 2 που βρίσκεται στη μέση του αντιδραστήρα, η θερμοκρασία της περίπτωσης 4 είναι σημαντικά χαμηλότερη από τη θερμοκρασία της περίπτωσης 3 σε όλα τα σημεία εκτός από το κέντρο του αντιδραστήρα.Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μέγιστη συγκέντρωση υδρογόνου για την περίπτωση 4 εκτός από την περιοχή κοντά στο κέντρο του αντιδραστήρα μακριά από το HTF.Ωστόσο, η συγκέντρωση της περίπτωσης 3 δεν άλλαξε πολύ.Μεγάλη διαφορά στη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση του στρώματος παρατηρήθηκε στη γραμμή 3 κοντά στην είσοδο του GTS.Η θερμοκρασία του στρώματος στην περίπτωση 4 μειώθηκε σημαντικά, με αποτέλεσμα την υψηλότερη συγκέντρωση υδρογόνου σε αυτή την περιοχή, ενώ η γραμμή συγκέντρωσης στην περίπτωση 3 ήταν ακόμα κυμαινόμενη.Αυτό οφείλεται στην επιτάχυνση της μεταφοράς θερμότητας SCHE.Λεπτομέρειες και συζήτηση για τη σύγκριση της μέσης θερμοκρασίας του στρώματος MH και του σωλήνα HTF μεταξύ της περίπτωσης 3 και της περίπτωσης 4 παρέχονται στη συμπληρωματική ενότητα.
Προφίλ θερμοκρασίας και συγκέντρωση κλίνης σε επιλεγμένες θέσεις στον αντιδραστήρα μεταλλικού υδριδίου.(α) Επιλεγμένες θέσεις για την περίπτωση 3, (β) Επιλεγμένες θέσεις για την περίπτωση 4 και (γ) Προφίλ θερμοκρασίας και συγκέντρωση στρώματος σε επιλεγμένες θέσεις μετά από 20.000 s για τη διαδικασία πρόσληψης υδρογόνου στις περιπτώσεις 3 και 4.
Στο σχ.Το Σχήμα 6 δείχνει μια σύγκριση της μέσης θερμοκρασίας κλίνης (βλέπε Σχ. 6α) και της συγκέντρωσης υδρογόνου (βλ. Σχ. 6β) για την απορρόφηση των HCH και SHE.Μπορεί να φανεί από αυτό το σχήμα ότι η θερμοκρασία του στρώματος MG μειώνεται σημαντικά λόγω της αύξησης της περιοχής ανταλλαγής θερμότητας.Η αφαίρεση περισσότερης θερμότητας από τον αντιδραστήρα έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερο ρυθμό πρόσληψης υδρογόνου.Αν και οι δύο διαμορφώσεις εναλλάκτη θερμότητας έχουν τους ίδιους όγκους σε σύγκριση με τη χρήση του HCHE ως επιλογής 3, ο χρόνος πρόσληψης υδρογόνου της SCHE με βάση την επιλογή 4 μειώθηκε σημαντικά κατά 59%.Για μια πιο λεπτομερή ανάλυση, οι συγκεντρώσεις υδρογόνου για τις δύο διαμορφώσεις εναλλάκτη θερμότητας φαίνονται ως ισογραμμές στο Σχήμα 7. Αυτό το σχήμα δείχνει ότι και στις δύο περιπτώσεις, το υδρογόνο αρχίζει να απορροφάται από κάτω γύρω από την είσοδο HTF.Υψηλότερες συγκεντρώσεις βρέθηκαν στην περιοχή HTF, ενώ χαμηλότερες συγκεντρώσεις παρατηρήθηκαν στο κέντρο του αντιδραστήρα MH λόγω της απόστασής του από τον εναλλάκτη θερμότητας.Μετά από 10.000 s, η συγκέντρωση υδρογόνου στην περίπτωση 4 είναι σημαντικά υψηλότερη από ό,τι στην περίπτωση 3. Μετά από 20.000 δευτερόλεπτα, η μέση συγκέντρωση υδρογόνου στον αντιδραστήρα έχει αυξηθεί στο 90% στην περίπτωση 4 σε σύγκριση με το 50% υδρογόνο στην περίπτωση 3. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην υψηλότερη αποτελεσματική ικανότητα ψύξης του συνδυασμού δύο SCHE, με αποτέλεσμα χαμηλότερη θερμοκρασία μέσα στο στρώμα MH.Κατά συνέπεια, μια πιο πίεση ισορροπίας πέφτει μέσα στο στρώμα MG, η οποία οδηγεί σε πιο γρήγορη απορρόφηση του υδρογόνου.
Περίπτωση 3 και Περίπτωση 4 Σύγκριση μέσης θερμοκρασίας κλίνης και συγκέντρωσης υδρογόνου μεταξύ δύο διαμορφώσεων εναλλάκτη θερμότητας.
Σύγκριση της συγκέντρωσης υδρογόνου μετά από 500, 2000, 5000, 10000 και 20000 δευτερόλεπτα μετά την έναρξη της διαδικασίας απορρόφησης υδρογόνου στην περίπτωση 3 και 4.
Ο Πίνακας 5 συνοψίζει τη διάρκεια της πρόσληψης υδρογόνου για όλες τις περιπτώσεις.Επιπλέον, στον πίνακα φαίνεται και ο χρόνος απορρόφησης του υδρογόνου, εκφρασμένος ως ποσοστό.Αυτό το ποσοστό υπολογίζεται με βάση το χρόνο απορρόφησης της Περίπτωσης 1. Από αυτόν τον πίνακα, ο χρόνος απορρόφησης του αντιδραστήρα MH που χρησιμοποιεί HCHE είναι περίπου 45.000 έως 46.000 s και ο χρόνος απορρόφησης συμπεριλαμβανομένου του SCHE είναι περίπου 18.000 έως 19.000 s.Σε σύγκριση με την Περίπτωση 1, ο χρόνος απορρόφησης στην Περίπτωση 2 και στην Περίπτωση 3 μειώθηκε μόνο κατά 1,6% και 2,7%, αντίστοιχα.Όταν χρησιμοποιήθηκε το SCHE αντί του HCHE, ο χρόνος απορρόφησης μειώθηκε σημαντικά από την περίπτωση 4 στην περίπτωση 6, από 58% σε 61%.Είναι σαφές ότι η προσθήκη SCHE στον αντιδραστήρα MH βελτιώνει σημαντικά τη διαδικασία απορρόφησης υδρογόνου και την απόδοση του αντιδραστήρα MH.Αν και η εγκατάσταση ενός εναλλάκτη θερμότητας μέσα στον αντιδραστήρα MH μειώνει την ικανότητα αποθήκευσης, αυτή η τεχνολογία παρέχει σημαντική βελτίωση στη μεταφορά θερμότητας σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες.Επίσης, η μείωση της τιμής του βήματος θα αυξήσει τον όγκο του SCHE, με αποτέλεσμα τη μείωση του όγκου του MH.Στην περίπτωση 6 με τον υψηλότερο όγκο SCHE, η ογκομετρική χωρητικότητα MH μειώθηκε μόνο κατά 5% σε σύγκριση με την περίπτωση 1 με τον χαμηλότερο όγκο HCHE.Επιπλέον, κατά την απορρόφηση, η περίπτωση 6 έδειξε ταχύτερη και καλύτερη απόδοση με 61% μείωση του χρόνου απορρόφησης.Ως εκ τούτου, η περίπτωση 6 επιλέχθηκε για περαιτέρω διερεύνηση στην ανάλυση ευαισθησίας.Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο μεγάλος χρόνος πρόσληψης υδρογόνου σχετίζεται με μια δεξαμενή αποθήκευσης που περιέχει όγκο MH περίπου 2000 cm3.
Οι παράμετροι λειτουργίας κατά τη διάρκεια της αντίδρασης είναι σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν θετικά ή αρνητικά την απόδοση του αντιδραστήρα MH υπό πραγματικές συνθήκες.Αυτή η μελέτη εξετάζει μια ανάλυση ευαισθησίας για τον προσδιορισμό των κατάλληλων αρχικών παραμέτρων λειτουργίας για έναν αντιδραστήρα MH σε συνδυασμό με SCHE, και αυτή η ενότητα διερευνά τις τέσσερις κύριες παραμέτρους λειτουργίας με βάση τη βέλτιστη διαμόρφωση του αντιδραστήρα στην περίπτωση 6. Τα αποτελέσματα για όλες τις συνθήκες λειτουργίας φαίνονται στο Εικ. 8.
Γράφημα συγκέντρωσης υδρογόνου υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας όταν χρησιμοποιείται εναλλάκτης θερμότητας με ημικυλινδρικό πηνίο.(α) πίεση φόρτωσης, (β) αρχική θερμοκρασία κλίνης, (γ) αριθμός Reynolds ψυκτικού και (δ) θερμοκρασία εισόδου ψυκτικού.
Με βάση μια σταθερή αρχική θερμοκρασία 573 K και μια ταχύτητα ροής ψυκτικού με αριθμό Reynolds 14.000, επιλέχθηκαν τέσσερις διαφορετικές πιέσεις φόρτωσης: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa και 3,0 MPa.Στο σχ.Το 8a δείχνει την επίδραση της πίεσης φόρτωσης και του SCHE στη συγκέντρωση υδρογόνου με την πάροδο του χρόνου.Ο χρόνος απορρόφησης μειώνεται με την αύξηση της πίεσης φόρτισης.Η χρήση εφαρμοσμένης πίεσης υδρογόνου 1,2 MPa είναι η χειρότερη περίπτωση για τη διαδικασία απορρόφησης υδρογόνου και η διάρκεια απορρόφησης υπερβαίνει τα 26.000 s για να επιτευχθεί απορρόφηση υδρογόνου 90%.Ωστόσο, η υψηλότερη πίεση φόρτισης είχε ως αποτέλεσμα μια μείωση 32-42% του χρόνου απορρόφησης από 1,8 σε 3,0 MPa.Αυτό οφείλεται στην υψηλότερη αρχική πίεση του υδρογόνου, η οποία έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ της πίεσης ισορροπίας και της ασκούμενης πίεσης.Επομένως, αυτό δημιουργεί μια μεγάλη κινητήρια δύναμη για την κινητική πρόσληψης υδρογόνου.Στην αρχική στιγμή, το αέριο υδρογόνο απορροφάται γρήγορα λόγω της μεγάλης διαφοράς μεταξύ της πίεσης ισορροπίας και της εφαρμοζόμενης πίεσης57.Σε πίεση φόρτωσης 3,0 MPa, 18% υδρογόνο συσσωρεύτηκε γρήγορα κατά τα πρώτα 10 δευτερόλεπτα.Το υδρογόνο αποθηκεύτηκε στο 90% των αντιδραστήρων στο τελικό στάδιο για 15460 δευτερόλεπτα.Ωστόσο, σε πίεση φόρτωσης από 1,2 έως 1,8 MPa, ο χρόνος απορρόφησης μειώθηκε σημαντικά κατά 32%.Άλλες υψηλότερες πιέσεις είχαν μικρότερη επίδραση στη βελτίωση των χρόνων απορρόφησης.Επομένως, συνιστάται η πίεση φόρτισης του αντιδραστήρα MH-SCHE να είναι 1,8 MPa.Η συμπληρωματική ενότητα δείχνει τα περιγράμματα συγκέντρωσης υδρογόνου για διάφορες πιέσεις φόρτωσης στα 15500 s.
Η επιλογή της κατάλληλης αρχικής θερμοκρασίας του αντιδραστήρα MH είναι ένας από τους κύριους παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία προσρόφησης υδρογόνου, καθώς επηρεάζει την κινητήρια δύναμη της αντίδρασης σχηματισμού υδριδίου.Για να μελετηθεί η επίδραση του SCHE στην αρχική θερμοκρασία του αντιδραστήρα MH, επιλέχθηκαν τέσσερις διαφορετικές θερμοκρασίες σε σταθερή πίεση φόρτωσης 1,8 MPa και αριθμό Reynolds 14.000 HTF.Στο σχ.Το Σχήμα 8β δείχνει μια σύγκριση διαφόρων θερμοκρασιών έναρξης, συμπεριλαμβανομένων των 473Κ, 523Κ, 573Κ και 623Κ.Στην πραγματικότητα, όταν η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από 230°C ή 503K58, το κράμα Mg2Ni έχει αποτελεσματικά χαρακτηριστικά για τη διαδικασία απορρόφησης υδρογόνου.Ωστόσο, την αρχική στιγμή της έγχυσης υδρογόνου, η θερμοκρασία αυξάνεται γρήγορα.Κατά συνέπεια, η θερμοκρασία της στιβάδας MG θα ξεπεράσει τους 523 Κ. Επομένως, ο σχηματισμός υδριδίων διευκολύνεται λόγω του αυξημένου ρυθμού απορρόφησης53.Από το σχ.Μπορεί να φανεί από το Σχ. 8β ότι το υδρογόνο απορροφάται ταχύτερα καθώς μειώνεται η αρχική θερμοκρασία του στρώματος ΜΒ.Χαμηλότερες πιέσεις ισορροπίας συμβαίνουν όταν η αρχική θερμοκρασία είναι χαμηλότερη.Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά πίεσης μεταξύ της πίεσης ισορροπίας και της εφαρμοζόμενης πίεσης, τόσο πιο γρήγορη είναι η διαδικασία απορρόφησης υδρογόνου.Σε αρχική θερμοκρασία 473 Κ, το υδρογόνο απορροφάται γρήγορα έως και 27% κατά τα πρώτα 18 δευτερόλεπτα.Επιπλέον, ο χρόνος απορρόφησης μειώθηκε επίσης από 11% σε 24% σε χαμηλότερη αρχική θερμοκρασία σε σύγκριση με την αρχική θερμοκρασία των 623 K. Ο χρόνος απορρόφησης στη χαμηλότερη αρχική θερμοκρασία των 473 K είναι 15247 s, που είναι παρόμοιος με τον καλύτερο Η πίεση φόρτωσης της περίπτωσης, ωστόσο, η μείωση της αρχικής θερμοκρασίας της θερμοκρασίας του αντιδραστήρα οδηγεί σε μείωση της ικανότητας αποθήκευσης υδρογόνου.Η αρχική θερμοκρασία του αντιδραστήρα MN πρέπει να είναι τουλάχιστον 503 K53.Επιπλέον, σε αρχική θερμοκρασία 573 Κ53, μπορεί να επιτευχθεί μέγιστη χωρητικότητα αποθήκευσης υδρογόνου 3,6% κ.β.Όσον αφορά την ικανότητα αποθήκευσης υδρογόνου και τη διάρκεια απορρόφησης, οι θερμοκρασίες μεταξύ 523 και 573 K μειώνουν το χρόνο μόνο κατά 6%.Επομένως, ως αρχική θερμοκρασία του αντιδραστήρα MH-SCHE προτείνεται μια θερμοκρασία 573 K.Ωστόσο, η επίδραση της αρχικής θερμοκρασίας στη διαδικασία απορρόφησης ήταν λιγότερο σημαντική σε σύγκριση με την πίεση φόρτωσης.Η συμπληρωματική ενότητα δείχνει τα περιγράμματα της συγκέντρωσης υδρογόνου για διάφορες αρχικές θερμοκρασίες στα 15500 s.
Ο ρυθμός ροής είναι μία από τις κύριες παραμέτρους της υδρογόνωσης και της αφυδρογόνωσης, επειδή μπορεί να επηρεάσει την τύρβη και την απομάκρυνση ή την είσοδο θερμότητας κατά την υδρογόνωση και την αφυδρογόνωση59.Οι υψηλοί ρυθμοί ροής θα δημιουργήσουν τυρβώδεις φάσεις και θα οδηγήσουν σε ταχύτερη ροή ρευστού μέσω της σωλήνωσης HTF.Αυτή η αντίδραση θα έχει ως αποτέλεσμα ταχύτερη μεταφορά θερμότητας.Οι διαφορετικές ταχύτητες εισόδου για HTF υπολογίζονται με βάση τους αριθμούς Reynolds των 10.000, 14.000, 18.000 και 22.000.Η αρχική θερμοκρασία του στρώματος MG καθορίστηκε στους 573 Κ και η πίεση φόρτωσης στα 1,8 MPa.Τα αποτελέσματα στο σχ.8c καταδεικνύουν ότι η χρήση υψηλότερου αριθμού Reynolds σε συνδυασμό με SCHE οδηγεί σε υψηλότερο ρυθμό πρόσληψης.Καθώς ο αριθμός Reynolds αυξάνεται από 10.000 σε 22.000, ο χρόνος απορρόφησης μειώνεται κατά περίπου 28-50%.Ο χρόνος απορρόφησης σε έναν αριθμό Reynolds 22.000 είναι 12.505 δευτερόλεπτα, ο οποίος είναι μικρότερος από ό,τι σε διάφορες αρχικές θερμοκρασίες και πιέσεις φόρτωσης.Τα περιγράμματα συγκέντρωσης υδρογόνου για διάφορους αριθμούς Reynolds για GTP στα 12500 s παρουσιάζονται στη συμπληρωματική ενότητα.
Η επίδραση του SCHE στην αρχική θερμοκρασία του HTF αναλύεται και φαίνεται στο Σχ. 8δ.Σε αρχική θερμοκρασία MG 573 K και πίεση φόρτωσης υδρογόνου 1,8 MPa, επιλέχθηκαν τέσσερις αρχικές θερμοκρασίες για αυτήν την ανάλυση: 373 K, 473 K, 523 K και 573 K. Η 8d δείχνει ότι μια μείωση στη θερμοκρασία του ψυκτικού στην είσοδο οδηγεί σε μείωση του χρόνου απορρόφησης.Σε σύγκριση με τη βασική θήκη με θερμοκρασία εισόδου 573 K, ο χρόνος απορρόφησης μειώθηκε κατά περίπου 20%, 44% και 56% για θερμοκρασίες εισόδου 523 K, 473 K και 373 K, αντίστοιχα.Στα 6917 s, η αρχική θερμοκρασία του GTF είναι 373 K, η συγκέντρωση υδρογόνου στον αντιδραστήρα είναι 90%.Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την ενισχυμένη μεταφορά θερμότητας μεταξύ του στρώματος MG και του HCS.Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες HTF θα αυξήσουν τη διάχυση θερμότητας και θα οδηγήσουν σε αυξημένη πρόσληψη υδρογόνου.Μεταξύ όλων των παραμέτρων λειτουργίας, η βελτίωση της απόδοσης του αντιδραστήρα MH-SCHE με αύξηση της θερμοκρασίας εισόδου HTF ήταν η καταλληλότερη μέθοδος, καθώς ο χρόνος λήξης της διαδικασίας απορρόφησης ήταν μικρότερος από 7000 s, ενώ ο συντομότερος χρόνος απορρόφησης άλλων μεθόδων ήταν μεγαλύτερος. από 10000 δευτ.Παρουσιάζονται περιγράμματα συγκέντρωσης υδρογόνου για διάφορες αρχικές θερμοκρασίες GTP για 7000 s.
Αυτή η μελέτη παρουσιάζει για πρώτη φορά έναν νέο ημικυλινδρικό εναλλάκτη θερμότητας σε πηνίο ενσωματωμένο σε μονάδα αποθήκευσης υδριδίου μετάλλου.Η ικανότητα του προτεινόμενου συστήματος να απορροφά υδρογόνο διερευνήθηκε με διάφορες διαμορφώσεις του εναλλάκτη θερμότητας.Η επίδραση των παραμέτρων λειτουργίας στην ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του στρώματος υδριδίου μετάλλου και του ψυκτικού μέσου διερευνήθηκε προκειμένου να βρεθούν οι βέλτιστες συνθήκες αποθήκευσης υδριδίων μετάλλων χρησιμοποιώντας έναν νέο εναλλάκτη θερμότητας.Τα κύρια ευρήματα αυτής της μελέτης συνοψίζονται ως εξής:
Με έναν εναλλάκτη θερμότητας ημικυλινδρικού πηνίου, η απόδοση μεταφοράς θερμότητας βελτιώνεται επειδή έχει πιο ομοιόμορφη κατανομή θερμότητας στον αντιδραστήρα στρώματος μαγνησίου, με αποτέλεσμα καλύτερο ρυθμό απορρόφησης υδρογόνου.Με την προϋπόθεση ότι ο όγκος του σωλήνα ανταλλαγής θερμότητας και του υδριδίου μετάλλου παραμένουν αμετάβλητοι, ο χρόνος αντίδρασης απορρόφησης μειώνεται σημαντικά κατά 59% σε σύγκριση με έναν συμβατικό εναλλάκτη θερμότητας με περιελίξεις.
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-15-2023