Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli.Korraga kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage lõpus olevaid liugurinuppe.
Metallhüdriidid (MH) on tunnistatud üheks kõige sobivamaks materjalirühmaks vesiniku säilitamiseks tänu nende suurele vesiniku salvestamisvõimele, madalale töörõhule ja kõrgele ohutusele.Kuid nende aeglane vesiniku omastamise kineetika vähendab oluliselt salvestamise jõudlust.Kiirem soojuse eemaldamine MH-salvest võib mängida olulist rolli selle vesiniku omastamise kiiruse suurendamisel, mille tulemuseks on parem ladustamise jõudlus.Sellega seoses oli selle uuringu eesmärk parandada soojusülekande omadusi, et mõjutada positiivselt MH salvestussüsteemi vesiniku omastamise kiirust.Uus poolsilindriline spiraal töötati esmalt välja ja optimeeriti vesiniku salvestamiseks ning ühendati sisemise õhk-soojusvahetina (HTF).Erinevate sammude suuruste põhjal analüüsitakse uue soojusvaheti konfiguratsiooni mõju ja võrreldakse seda tavapärase spiraalse spiraali geomeetriaga.Lisaks uuriti optimaalsete väärtuste saamiseks arvuliselt MG ja GTP salvestusruumi tööparameetreid.Numbrilise simulatsiooni jaoks kasutatakse ANSYS Fluent 2020 R2.Selle uuringu tulemused näitavad, et MH akumulatsioonipaagi jõudlust saab oluliselt parandada poolsilindrilise spiraalsoojusvaheti (SCHE) kasutamisega.Võrreldes tavaliste spiraalspiraalsoojusvahetitega väheneb vesiniku neeldumise kestus 59%.Väikseim vahemaa SCHE mähiste vahel vähendas neeldumisaega 61%.Mis puudutab SHE-d kasutava MG-säilitamise tööparameetreid, siis kõik valitud parameetrid parandavad oluliselt vesiniku neeldumisprotsessi, eriti temperatuuri HTS-i sisselaskeava juures.
Toimub ülemaailmne üleminek fossiilkütustel põhinevalt energialt taastuvenergiale.Kuna paljud taastuvenergia vormid annavad energiat dünaamiliselt, on koormuse tasakaalustamiseks vajalik energia salvestamine.Vesinikupõhine energiasalvesti on selleks otstarbeks palju tähelepanu pälvinud eelkõige seetõttu, et vesinikku saab oma omaduste ja kaasaskantavuse tõttu kasutada “rohelise” alternatiivkütusena ja energiakandjana.Lisaks pakub vesinik võrreldes fossiilkütustega ka suuremat energiasisaldust massiühiku kohta2.Vesinikuenergia salvestamisel on neli peamist tüüpi: surugaasihoidla, maa-alune hoidla, vedelikuhoidla ja tahkete ainete hoidla.Kokkusurutud vesinik on peamine tüüp, mida kasutatakse kütuseelemendiga sõidukites, näiteks bussides ja tõstukites.See hoidla tagab aga väikese vesiniku puistetiheduse (ligikaudu 0,089 kg/m3) ja sellel on kõrge töörõhuga seotud ohutusprobleemid3.Põhinedes konversiooniprotsessil madalal ümbritseval temperatuuril ja rõhul, säilitab vedelikuhoidla vesinikku vedelal kujul.Vedeldamisel läheb aga kaotsi umbes 40% energiast.Lisaks on see tehnoloogia teadaolevalt energia- ja töömahukam võrreldes tahkissalvestustehnoloogiatega4.Tahkete ainete säilitamine on vesinikumajanduse jaoks elujõuline võimalus, mis salvestab vesinikku, lisades vesinikku absorptsiooni kaudu tahketesse materjalidesse ja vabastades vesinikku desorptsiooni kaudu.Metallhüdriid (MH), tahkete materjalide säilitamise tehnoloogia, pakub viimasel ajal huvi kütuseelementide rakendustes oma suure vesiniku mahu, madala töörõhu ja vedeliku ladustamisega võrreldes madalate kulude tõttu ning sobib nii statsionaarseteks kui ka mobiilseteks rakendusteks6,7 In Lisaks pakuvad MH materjalid ka ohutusomadusi, näiteks suure mahutavusega tõhusat ladustamist8.Siiski on probleem, mis piirab MG tootlikkust: MG reaktori madal soojusjuhtivus põhjustab vesiniku aeglast imendumist ja desorptsiooni.
Õige soojusülekanne eksotermiliste ja endotermiliste reaktsioonide ajal on MH-reaktorite jõudluse parandamise võti.Vesiniku laadimisprotsessi jaoks tuleb tekkiv soojus reaktorist eemaldada, et reguleerida vesiniku laadimisvoolu soovitud kiirusel maksimaalse salvestusvõimsusega.Selle asemel on vaja soojust, et suurendada vesiniku eraldumise kiirust tühjendamise ajal.Soojus- ja massiülekande jõudluse parandamiseks on paljud teadlased uurinud disaini ja optimeerimist, mis põhinevad mitmel teguril, nagu tööparameetrid, MG struktuur ja MG11 optimeerimine.MG optimeerimist saab teha suure soojusjuhtivusega materjalide, näiteks vahtmetallide lisamisega MG-kihtidele 12,13.Seega saab efektiivset soojusjuhtivust tõsta 0,1-lt 2 W/mK10-le.Tahkete materjalide lisamine aga vähendab oluliselt MN-reaktori võimsust.Tööparameetrite osas on täiustusi võimalik saavutada MG-kihi ja jahutusvedeliku (HTF) algsete töötingimuste optimeerimisega.MG struktuuri saab optimeerida tänu reaktori geomeetriale ja soojusvaheti konstruktsioonile.Seoses MH reaktori soojusvaheti konfiguratsiooniga võib meetodid jagada kahte tüüpi.Need on MO-kihti sisseehitatud sisemised soojusvahetid ja MO-kihti katvad välised soojusvahetid, nagu ribid, jahutussärgid ja veevannid.Välise soojusvaheti osas analüüsis Kaplan16 MH reaktori tööd, kasutades reaktori sisetemperatuuri alandamiseks mantelna jahutusvett.Tulemusi võrreldi 22 ümarribilise reaktoriga ja teise reaktoriga, mida jahutati loomuliku konvektsiooniga.Nad väidavad, et jahutussärgi olemasolu vähendab oluliselt MH temperatuuri, suurendades seeläbi neeldumiskiirust.Patil ja Gopal17 veesärgiga MH reaktori arvulised uuringud on näidanud, et vesiniku toiterõhk ja HTF temperatuur on peamised parameetrid, mis mõjutavad vesiniku omastamise ja desorptsiooni kiirust.
Soojusülekandeala suurendamine MH-sse sisseehitatud ribide ja soojusvahetite lisamisega on võti MH18 soojus- ja massiülekande jõudluse ning seega ka salvestusvõime parandamiseks.Jahutusvedeliku ringlemiseks reaktoris MH19,20,21,22,23,24,25,26 on kavandatud mitu sisemise soojusvaheti konfiguratsiooni (sirge toru ja spiraalmähis).Sisemise soojusvaheti abil kannab jahutus- või küttevedelik vesiniku adsorptsiooniprotsessi käigus MH reaktoris kohalikku soojust.Raju ja Kumar [27] kasutasid soojusvahetitena mitut sirget toru, et parandada MG jõudlust.Nende tulemused näitasid, et neeldumisajad vähenesid, kui soojusvahetitena kasutati sirgeid torusid.Lisaks lühendab sirgete torude kasutamine vesiniku desorptsiooniaega28.Suuremad jahutusvedeliku voolukiirused suurendavad vesiniku laadimise ja tühjendamise kiirust29.Jahutustorude arvu suurendamisel on aga positiivne mõju MH jõudlusele, mitte jahutusvedeliku voolukiirusele30,31.Raju jt.32 kasutasid LaMi4.7Al0.3 MH materjalina reaktorites mitme toruga soojusvahetite jõudluse uurimiseks.Nad teatasid, et tööparameetritel oli märkimisväärne mõju neeldumisprotsessile, eriti toiterõhule ja seejärel HTF-i voolukiirusele.Imendumistemperatuur osutus aga vähem kriitiliseks.
MH reaktori jõudlust parandab veelgi spiraalspiraalsoojusvaheti kasutamine tänu selle paranenud soojusülekandele võrreldes sirgete torudega.Seda seetõttu, et sekundaartsükkel suudab reaktorist soojust paremini eemaldada25.Lisaks pakuvad spiraalsed torud suure pindala soojusülekandeks MH-kihilt jahutusvedelikule.Selle meetodi kasutuselevõtmisel reaktorisse on ka soojusvahetustorude jaotus ühtlasem33.Wang et al.34 uuris vesiniku omastamise kestuse mõju, lisades MH reaktorile spiraalse spiraali.Nende tulemused näitavad, et jahutusvedeliku soojusülekandeteguri suurenedes väheneb neeldumisaeg.Wu et al.25 uuris Mg2Ni-põhiste MH-reaktorite ja spiraalsoojusvahetite jõudlust.Nende arvulised uuringud on näidanud reaktsiooniaja lühenemist.Soojusülekandemehhanismi täiustamine MN-reaktoris põhineb kruvi sammu ja kruvi sammu väiksemal suhtel ja dimensioonita kruvi sammul.Mellouli et al.21 eksperimentaalne uuring, milles kasutati spiraali sisemise soojusvahetina, näitas, et HTF-i käivitustemperatuuril on oluline mõju vesiniku omastamise ja desorptsiooniaja paranemisele.Mitmetes uuringutes on läbi viidud erinevate sisemiste soojusvahetite kombinatsioone.Eisapur et al.35 uuris vesiniku salvestamist, kasutades vesiniku neeldumisprotsessi parandamiseks spiraalset spiraalsoojusvahetit, millel oli tsentraalne tagasivoolutoru.Nende tulemused näitasid, et spiraaltoru ja keskne tagasivoolutoru parandavad oluliselt soojusülekannet jahutusvedeliku ja MG vahel.Spiraaltoru väiksem samm ja suurem läbimõõt suurendavad soojus- ja massiülekande kiirust.Ardahaie et al.36 kasutas soojusvahetitena lamedaid spiraaltorusid, et parandada soojusülekannet reaktoris.Nad teatasid, et lamestatud spiraaltoru tasapindade arvu suurendamise tõttu vähenes neeldumise kestus.Mitmetes uuringutes on läbi viidud erinevate sisemiste soojusvahetite kombinatsioone.Dhau et al.37 parandas MH jõudlust, kasutades spiraalsoojusvahetit ja ribisid.Nende tulemused näitavad, et see meetod vähendab vesiniku täitmise aega 2 korda võrreldes ilma ribideta juhtumiga.Rõngakujulised ribid on kombineeritud jahutustorudega ja ehitatud MN-reaktorisse.Selle uuringu tulemused näitavad, et see kombineeritud meetod tagab ühtlasema soojusülekande võrreldes ilma ribideta MH reaktoriga.Erinevate soojusvahetite kombineerimine mõjutab aga negatiivselt MH reaktori kaalu ja mahtu.Wu et al.18 võrdlesid erinevaid soojusvaheti konfiguratsioone.Nende hulka kuuluvad sirged torud, uimed ja spiraalsed mähised.Autorid teatavad, et spiraalsed mähised pakuvad parimat soojus- ja massiülekannet.Lisaks on topeltpoolidel parem soojusülekanne võrreldes sirgete, spiraaltorudega ja spiraaltorudega kombineeritud sirgete torudega.Sekhari jt uuring.40 näitas, et samasugune vesiniku omastamise paranemine saavutati, kasutades sisemise soojusvahetina spiraalset mähist ja ribilist välist jahutussärgi.
Ülalmainitud näidetest tagab spiraalsete mähiste kasutamine sisemiste soojusvahetitena parema soojus- ja massiülekande täiustused kui teised soojusvahetid, eriti sirged torud ja ribid.Seetõttu oli selle uuringu eesmärk spiraalset mähist edasi arendada, et parandada soojusülekande jõudlust.Esimest korda töötati välja uus poolsilindriline mähis, mis põhineb tavapärasel MH-spiraalmähisel.Eeldatakse, et see uuring parandab vesiniku salvestamise jõudlust, kaaludes uut soojusvaheti disaini, millel on parem soojusülekandetsooni paigutus, mida pakub konstantne maht MH-kihi ja HTF-torusid.Selle uue soojusvaheti salvestusvõimet võrreldi seejärel tavaliste spiraalspiraalsoojusvahetitega, mis põhinevad erineval mähise sammul.Olemasoleva kirjanduse kohaselt on MH-reaktorite jõudlust peamised tegurid töötingimused ja mähiste vahekaugus.Selle uue soojusvaheti konstruktsiooni optimeerimiseks uuriti spiraalide vahekauguse mõju vesiniku omastamise ajale ja MH mahule.Lisaks, et mõista seost uute poolsilindriliste pooliste ja töötingimuste vahel, oli selle uuringu teiseks eesmärgiks uurida reaktori omadusi vastavalt erinevatele tööparameetrite vahemikele ja määrata iga töökorra jaoks sobivad väärtused. režiimis.parameeter.
Vesiniku energiasalvesti jõudlust selles uuringus uuritakse kahe soojusvaheti konfiguratsiooni (sh spiraaltorud juhtudel 1 kuni 3 ja poolsilindrilised torud juhtudel 4 kuni 6) ja tööparameetrite tundlikkuse analüüsi põhjal.MH reaktori töövõimet testiti esmakordselt, kasutades soojusvahetina spiraaltoru.Nii jahutusvedeliku õlitoru kui ka MH reaktori anum on valmistatud roostevabast terasest.Tuleb märkida, et MG-reaktori mõõtmed ja GTF-i torude läbimõõt olid kõigil juhtudel konstantsed, samas kui GTF-i astmete suurused varieerusid.Selles jaotises analüüsitakse HTF-mähiste sammu suuruse mõju.Reaktori kõrgus ja välisläbimõõt olid vastavalt 110 mm ja 156 mm.Soojust juhtiva õlitoru läbimõõt on seatud 6 mm.Spiraalsete torude ja kahe poolsilindrilise toruga MH-reaktori vooluringi diagrammi kohta vaadake täiendavat jaotist.
Joonisel fig.1a on kujutatud MH spiraaltoru reaktor ja selle mõõtmed.Kõik geomeetrilised parameetrid on toodud tabelis.1. Heeliksi kogumaht ja ZG ruumala on vastavalt ligikaudu 100 cm3 ja 2000 cm3.Sellest MH reaktorist juhiti õhk HTF kujul spiraaltoru kaudu altpoolt poorsesse MH reaktorisse ja vesinikku juhiti reaktori ülemiselt pinnalt.
Metallhüdriidreaktorite valitud geomeetriate iseloomustus.a) spiraaltorukujulise soojusvahetiga, b) poolsilindrilise torukujulise soojusvahetiga.
Teises osas vaadeldakse poolsilindrilisel torul põhineva MH reaktori tööd soojusvahetina.Joonisel fig.1b on kujutatud kahe poolsilindrilise toruga MN-reaktorit ja nende mõõtmeid.Tabelis 1 on loetletud kõik poolsilindriliste torude geomeetrilised parameetrid, mis jäävad konstantseks, välja arvatud nendevaheline kaugus.Tuleb märkida, et 4. juhtumi poolsilindriline toru oli konstrueeritud nii, et mähitud torus oli konstantne maht HTF-toru ja MH-sulamiga (valik 3).Mis puudutab joonist fig.1b juhiti õhku ka kahe poolsilindrilise HTF-toru põhjast ja vesinikku juhiti MH-reaktori vastassuunast.
Soojusvaheti uue konstruktsiooni tõttu on selle jaotise eesmärk määrata sobivad algväärtused MH reaktori tööparameetritele koos SCHE-ga.Kõikidel juhtudel kasutati reaktorist soojuse eemaldamiseks jahutusvedelikuna õhku.Soojusülekandeõlidest valitakse MH reaktorite soojusülekandeõlidena tavaliselt õhk ja vesi nende madala hinna ja vähese keskkonnamõju tõttu.Magneesiumipõhiste sulamite kõrge töötemperatuurivahemiku tõttu valiti selles uuringus jahutusvedelikuks õhk.Lisaks on sellel paremad voolavusomadused kui teistel vedelatel metallidel ja sulasooladel41.Tabelis 2 on loetletud õhu omadused temperatuuril 573 K. Selle jaotise tundlikkuse analüüsi jaoks rakendatakse ainult parimaid MH-SCHE jõudlusvalikute konfiguratsioone (juhtudel 4 kuni 6).Selle jaotise hinnangud põhinevad erinevatel tööparameetritel, sealhulgas MH-reaktori algtemperatuuril, vesiniku laadimisrõhul, HTF-i sisselasketemperatuuril ja Reynoldsi arvul, mis on arvutatud HTF-i kiiruse muutmise teel.Tabel 3 sisaldab kõiki tundlikkusanalüüsiks kasutatud tööparameetreid.
Selles jaotises kirjeldatakse kõiki vajalikke juhtimisvõrrandeid jahutusvedelike vesiniku neeldumise, turbulentsi ja soojusülekande protsessi jaoks.
Vesiniku neeldumisreaktsiooni lahendamise lihtsustamiseks on tehtud ja esitatud järgmised eeldused;
Imendumisel on vesiniku ja metallhüdriidide termofüüsikalised omadused konstantsed.
Vesinikku peetakse ideaalseks gaasiks, seetõttu võetakse arvesse kohalikke termilise tasakaalu tingimusi43,44.
kus \({L}_{gas}\) on paagi raadius ja \({L}_{soojus}\) on paagi teljesuunaline kõrgus.Kui N on väiksem kui 0,0146, võib vesiniku voolu paagis ilma olulise veata simulatsioonis ignoreerida.Praeguste uuringute kohaselt on N palju madalam kui 0,1.Seetõttu võib rõhugradiendi efekti tähelepanuta jätta.
Reaktori seinad olid kõigil juhtudel hästi isoleeritud.Seetõttu ei toimu soojusvahetust 47 reaktori ja keskkonna vahel.
On hästi teada, et Mg-põhistel sulamitel on head hüdrogeenimisomadused ja suur vesiniku salvestamise võime kuni 7,6 massiprotsenti8.Tahkes olekus vesiniku salvestamise rakenduste osas tuntakse neid sulameid ka kergete materjalidena.Lisaks on neil suurepärane kuumakindlus ja hea töödeldavus8.Mitmete Mg-põhiste sulamite hulgas on Mg2Ni-põhine MgNi sulam üks sobivaimaid võimalusi MH säilitamiseks tänu oma kuni 6 massiprotsenti vesiniku säilitamisvõimele.Mg2Ni sulamid pakuvad ka kiiremat adsorptsiooni ja desorptsiooni kineetikat võrreldes MgH48 sulamiga.Seetõttu valiti selles uuringus metallhüdriidmaterjaliks Mg2Ni.
Energiavõrrand on väljendatud kui 25, mis põhineb vesiniku ja Mg2Ni hüdriidi soojusbilansil:
X on metalli pinnal neeldunud vesiniku kogus, ühik on \(mass\%\), mis arvutatakse neeldumise käigus kineetilisest võrrandist \(\frac{dX}{dt}\) järgmiselt49:
kus \({C}_{a}\) on reaktsioonikiirus ja \({E}_{a}\) on aktiveerimisenergia.\({P}_{a,eq}\) on tasakaalurõhk metallhüdriidreaktoris neeldumisprotsessi ajal, mis on antud van't Hoffi võrrandiga järgmiselt25:
Kus \({P}_{ref}\) on võrdlusrõhk 0,1 MPa.\(\Delta H\) ja \(\Delta S\) on vastavalt reaktsiooni entalpia ja entroopia.Sulamite Mg2Ni ja vesiniku omadused on toodud tabelis.4. Nimetatud loendi leiate täiendavast jaotisest.
Vedeliku voolu peetakse turbulentseks, kuna selle kiirus ja Reynoldsi arv (Re) on vastavalt 78,75 ms-1 ja 14000.Selles uuringus valiti saavutatav k-ε turbulentsi mudel.Tuleb märkida, et see meetod tagab teiste k-ε meetoditega võrreldes suurema täpsuse ja nõuab ka vähem arvutusaega kui RNG k-ε50,51 meetodid.Lisateavet soojusülekandevedelike põhivõrrandite kohta leiate lisaosast.
Algselt oli temperatuurirežiim MN-reaktoris ühtlane ja keskmine vesiniku kontsentratsioon oli 0,043.Eeldatakse, et MH reaktori välispiir on hästi isoleeritud.Magneesiumipõhised sulamid nõuavad vesiniku säilitamiseks ja vabastamiseks reaktoris tavaliselt kõrget reaktsiooni töötemperatuuri.Mg2Ni sulam vajab maksimaalseks neeldumiseks temperatuurivahemikku 523–603 K ja täielikuks desorptsiooniks temperatuurivahemikku 573–603 K52.Muthukumari jt eksperimentaalsed uuringud53 näitasid aga, et Mg2Ni maksimaalne salvestusmaht vesiniku säilitamiseks on saavutatav töötemperatuuril 573 K, mis vastab selle teoreetilisele mahutavusele.Seetõttu valiti selles uuringus MN-reaktori algtemperatuuriks temperatuur 573 K.
Valideerimiseks ja usaldusväärsete tulemuste saamiseks looge erineva suurusega ruudustik.Joonisel fig.2 näitab keskmist temperatuuri valitud kohtades neljast erinevast elemendist vesiniku neeldumisprotsessis.Väärib märkimist, et sarnase geomeetria tõttu valitakse võrgu sõltumatuse testimiseks igast konfiguratsioonist ainult üks juhtum.Sama sidumismeetodit kasutatakse ka muudel juhtudel.Seetõttu valige spiraaltoru jaoks variant 1 ja poolsilindrilise toru jaoks variant 4.Joonisel fig.2a, b näitavad vastavalt variantide 1 ja 4 keskmist temperatuuri reaktoris.Kolm valitud asukohta tähistavad kihi temperatuuri kontuure reaktori üla-, kesk- ja alaosas.Valitud asukohtade temperatuurikontuuride põhjal muutub keskmine temperatuur stabiilseks ja elementide numbrid 428 891 ja 430 599 muutuvad vastavalt juhtumite 1 ja 4 puhul vähe.Seetõttu valiti need ruudustiku suurused edasiste arvutuslike arvutuste jaoks.Üksikasjalik teave vesiniku neeldumisprotsessi keskmise kihi temperatuuri kohta erinevate suurustega raku jaoks ja mõlemal juhul järjest rafineeritud võrgusilmade kohta on esitatud täiendavas jaotises.
Keskmine kihi temperatuur vesiniku neeldumisprotsessi valitud punktides erineva võrguarvuga metallhüdriidreaktoris.(a) 1. juhtumi puhul valitud asukohtade keskmine temperatuur ja 4. juhtumi puhul (b) valitud asukohtade keskmine temperatuur.
Selle uuringu Mg-põhist metallhüdriidreaktorit testiti Muthukumari jt eksperimentaalsete tulemuste põhjal53.Oma uuringus kasutasid nad Mg2Ni sulamit vesiniku hoidmiseks roostevabast terasest torudes.Vasest ribisid kasutatakse soojusülekande parandamiseks reaktoris.Joonisel fig.3a on näidatud absorptsiooniprotsessi kihi keskmise temperatuuri võrdlus eksperimentaalse uuringu ja selle uuringu vahel.Selle katse jaoks valitud töötingimused on järgmised: MG algtemperatuur 573 K ja sisendrõhk 2 MPa.Jooniselt fig.3a saab selgelt näidata, et see katsetulemus on keskmise kihi temperatuuri osas käesolevaga hästi kooskõlas.
Mudeli kontrollimine.(a) Mg2Ni metallhüdriidreaktori koodi kontrollimine, võrreldes käesolevat uuringut Muthukumari jt eksperimentaalse tööga52, ja (b) spiraaltoru turbulentse voolu mudeli kontrollimine, võrreldes praegust uuringut Kumari jt omaga. .Uurimine.54.
Turbulentsimudeli testimiseks võrreldi selle uuringu tulemusi Kumar jt eksperimentaalsete tulemustega54, et kinnitada valitud turbulentsimudeli õigsust.Kumar et al.54 uurisid turbulentset voolu torus-torus spiraalses soojusvahetis.Vett kasutatakse kuuma ja külma vedelikuna, mida süstitakse vastaskülgedelt.Kuuma ja külma vedeliku temperatuur on vastavalt 323 K ja 300 K.Reynoldsi numbrid jäävad kuumade vedelike puhul vahemikku 3100–5700 ja külmade vedelike puhul 21 000–35 000.Dekaaninumbrid on kuumade vedelike puhul 550-1000 ja külmade vedelike puhul 3600-6000.Sisemise toru (kuuma vedeliku jaoks) ja välistoru (külma vedeliku jaoks) läbimõõt on vastavalt 0,0254 m ja 0,0508 m.Spiraalse mähise läbimõõt ja samm on vastavalt 0,762 m ja 0,100 m.Joonisel fig.Joonisel 3b on näidatud sisetoru jahutusvedeliku erinevate Nusselti ja Deani numbrite paaride eksperimentaalsete ja praeguste tulemuste võrdlus.Rakendati kolm erinevat turbulentsimudelit ja võrreldi neid katsetulemustega.Nagu on näidatud joonisel fig.Nagu on näidatud joonisel fig 3b, on saavutatava k-ε turbulentsimudeli tulemused katseandmetega hästi kooskõlas.Seetõttu valiti selles uuringus see mudel.
Selle uuringu numbrilised simulatsioonid viidi läbi, kasutades ANSYS Fluent 2020 R2.Kirjutage kasutaja määratud funktsioon (UDF) ja kasutage seda energiavõrrandi sisendliikmena, et arvutada neeldumisprotsessi kineetika.PRESTO55 vooluringi ja PISO56 meetodit kasutatakse rõhu-kiiruse kommunikatsiooniks ja rõhu korrigeerimiseks.Valige muutuja gradiendi jaoks Greene-Gaussi lahtribaas.Impulsi ja energia võrrandid lahendatakse teist järku vastutuule meetodil.Mis puudutab alalõdvestuse koefitsiente, siis rõhu, kiiruse ja energia komponendid on seatud vastavalt 0,5, 0,7 ja 0,7.Turbulentsimudelis rakendatakse HTF-ile standardseid seinafunktsioone.
Selles jaotises esitatakse MH-reaktori sisemise soojusülekande parandatud numbriliste simulatsioonide tulemused, kasutades spiraalsoojusvahetit (HCHE) ja spiraalset spiraalsoojusvahetit (SCHE) vesiniku neeldumise ajal.Analüüsiti HTF pigi mõju reaktorikihi temperatuurile ja absorptsiooni kestusele.Tundlikkusanalüüsi osas uuritakse ja esitatakse neeldumisprotsessi peamisi tööparameetreid.
Selleks, et uurida mähiste vahekauguse mõju soojusülekandele MH reaktoris, uuriti kolme erineva sammuga soojusvaheti konfiguratsiooni.Kolm erinevat sammu (15 mm, 12,86 mm ja 10 mm) on tähistatud vastavalt keha 1, korpus 2 ja korpus 3.Tuleb märkida, et toru läbimõõt fikseeriti 6 mm algtemperatuuril 573 K ja koormusrõhul 1,8 MPa kõigil juhtudel.Joonisel fig.4 näitab kihi keskmist temperatuuri ja vesiniku kontsentratsiooni MH kihis vesiniku neeldumisprotsessi ajal juhtudel 1 kuni 3. Tavaliselt on metallhüdriidi ja vesiniku vaheline reaktsioon absorptsiooniprotsessi suhtes eksotermiline.Seetõttu tõuseb kihi temperatuur kiiresti vesiniku esmakordsel reaktorisse sisestamisel.Voodi temperatuur tõuseb, kuni see saavutab maksimumväärtuse, ja seejärel väheneb järk-järgult, kuna jahutusvedelik kannab soojust ära, mille temperatuur on madalam ja toimib jahutusvedelikuna.Nagu on näidatud joonisel fig.4a, tänu eelnevale selgitusele tõuseb kihi temperatuur kiiresti ja langeb pidevalt.Absorptsiooniprotsessi vesiniku kontsentratsioon põhineb tavaliselt MH reaktori kihi temperatuuril.Kui kihi keskmine temperatuur langeb teatud temperatuurini, neelab metallpind vesinikku.Selle põhjuseks on vesiniku füsiorptsiooni, kemisorptsiooni, difusiooni ja selle hüdriidide moodustumise protsesside kiirenemine reaktoris.Jooniselt fig.4b on näha, et vesiniku neeldumise kiirus juhul 3 on spiraalsoojusvaheti väiksema astme väärtuse tõttu väiksem kui muudel juhtudel.Selle tulemuseks on pikem toru üldpikkus ja suurem soojusülekandeala HTF-torude jaoks.Kui vesiniku keskmine kontsentratsioon on 90%, on 1. juhtumi neeldumisaeg 46 276 sekundit.Võrreldes 1. juhtumi imendumise kestusega, lühenes juhtumite 2 ja 3 imendumise kestus vastavalt 724 s ja 1263 s võrra.Täiendav jaotis esitab temperatuuri ja vesiniku kontsentratsiooni kontuurid valitud kohtades HCHE-MH kihis.
Rullidevahelise kauguse mõju kihi keskmisele temperatuurile ja vesiniku kontsentratsioonile.a) spiraalsete mähiste kihi keskmine temperatuur, b) spiraalsete mähiste vesiniku kontsentratsioon, c) poolsilindriliste mähiste kihi keskmine temperatuur ja d) poolsilindriliste mähiste vesiniku kontsentratsioon.
MG-reaktori soojusülekandeomaduste parandamiseks kavandati kaks HFC-d MG konstantse mahu (2000 cm3) ja spiraalsoojusvaheti (100 cm3) jaoks vastavalt variandile 3. Selles jaotises käsitletakse ka reaktorite vahelise kauguse mõju. 15 mm poolid 4. korpuse jaoks, 12,86 mm 5. korpuse ja 10 mm 6. korpuse jaoks. Joonisel fig.4c, d näitavad vesiniku neeldumisprotsessi keskmist kihi temperatuuri ja kontsentratsiooni algtemperatuuril 573 K ja laadimisrõhul 1, 8 MPa.Vastavalt kihi keskmisele temperatuurile joonisel fig 4c vähendab mähiste vaheline väiksem vahemaa juhul 6 temperatuuri oluliselt võrreldes kahe teise juhtumiga.Juhtumi 6 korral annab madalam kihi temperatuur kõrgema vesiniku kontsentratsiooni (vt joonis 4d).4. variandi vesiniku neeldumisaeg on 19542 s, mis on rohkem kui 2 korda väiksem kui HCH-d kasutavate variantide 1–3 puhul.Lisaks, võrreldes juhtumiga 4, vähenes neeldumisaeg ka 378 s ja 1515 s võrra väiksemate vahemaade korral 5 ja 6.Täiendav jaotis esitab temperatuuri ja vesiniku kontsentratsiooni kontuurid valitud kohtades SCHE-MH kihis.
Kahe soojusvaheti konfiguratsiooni jõudluse uurimiseks joonistab see jaotis temperatuurikõverad ja esitab need kolmes valitud kohas.Juhtumi 3 HCHE-ga MH-reaktor valiti võrdluseks juhtumi 4 SCHE-d sisaldava MH-reaktoriga, kuna sellel on konstantne MH-maht ja toru maht.Selle võrdluse töötingimused olid algtemperatuur 573 K ja laadimisrõhk 1,8 MPa.Joonisel fig.5a ja 5b näitavad vastavalt juhtudel 3 ja 4 temperatuuriprofiilide kolme valitud asendit.Joonisel fig.Joonisel 5c on näidatud temperatuuriprofiil ja kihi kontsentratsioon pärast 20 000 s vesiniku neeldumist.Vastavalt joonele 1 joonisel 5c langeb temperatuur TTF-i ümber valikutest 3 ja 4 jahutusvedeliku konvektiivse soojusülekande tõttu.Selle tulemuseks on selle piirkonna ümber suurem vesiniku kontsentratsioon.Kahe SCHE kasutamine annab aga suurema kihikontsentratsiooni.4. juhul leiti kiiremad kineetilised vastused HTF piirkonna ümber. Lisaks leiti selles piirkonnas ka maksimaalne kontsentratsioon 100%.Reaktori keskel asuvast liinist 2 on korpuse 4 temperatuur oluliselt madalam kui korpuse 3 temperatuur kõigis kohtades peale reaktori keskpunkti.Selle tulemuseks on 4. juhtumi puhul maksimaalne vesiniku kontsentratsioon, välja arvatud HTF-ist eemal reaktori keskpunkti lähedal asuv piirkond.3. juhtumi kontsentratsioon aga palju ei muutunud.Suurt erinevust kihi temperatuuris ja kontsentratsioonis täheldati 3. joonel GTS-i sissepääsu lähedal.Kihi temperatuur juhul 4 langes oluliselt, mille tulemuseks oli kõrgeim vesiniku kontsentratsioon selles piirkonnas, samas kui kontsentratsioonijoon juhtumi 3 puhul kõikus endiselt.See on tingitud SCHE soojusülekande kiirenemisest.Üksikasjad ja arutelu MH-kihi ja HTF-toru keskmise temperatuuri võrdluse kohta juhtumi 3 ja juhtumi 4 vahel on esitatud täiendavas jaotises.
Temperatuuriprofiil ja kihi kontsentratsioon metallhüdriidreaktori valitud kohtades.(a) Valitud asukohad juhtumi 3 jaoks, (b) Valitud asukohad juhtumi 4 jaoks ja (c) Temperatuuriprofiil ja kihi kontsentratsioon valitud kohtades pärast 20 000 sekundit vesiniku neeldumisprotsessi jaoks juhtumite 3 ja 4 puhul.
Joonisel fig.Joonisel 6 on näidatud HCH ja SHE absorptsiooni keskmise kihi temperatuuri (vt joonis 6a) ja vesiniku kontsentratsiooni (vt joonis 6b) võrdlus.Sellelt jooniselt on näha, et MG kihi temperatuur langeb oluliselt soojusvahetusala suurenemise tõttu.Suurema soojuse eemaldamine reaktorist suurendab vesiniku omastamise kiirust.Kuigi kahel soojusvaheti konfiguratsioonil on samad mahud võrreldes HCHE kasutamisega 3. variandina, vähenes SCHE vesiniku omastamise aeg 4. valiku alusel oluliselt 59%.Üksikasjalikuma analüüsi jaoks on kahe soojusvaheti konfiguratsiooni vesiniku kontsentratsioonid näidatud joonisel 7 isoleerituna. See joonis näitab, et mõlemal juhul hakkab vesinik neelduma altpoolt HTF sisselaskeava ümber.Kõrgemad kontsentratsioonid leiti HTF piirkonnas, samas kui madalamaid kontsentratsioone täheldati MH reaktori keskel, kuna see kaugus soojusvahetist.10 000 s pärast on vesiniku kontsentratsioon juhul 4 oluliselt kõrgem kui juhul 3. 20 000 sekundi pärast on keskmine vesiniku kontsentratsioon reaktoris tõusnud 90%-ni juhul 4 võrreldes vesiniku 50%-ga juhul 3. See võib olla tingitud kahe SCHE kombineerimise suuremale efektiivsele jahutusvõimsusele, mille tulemuseks on madalam temperatuur MH kihi sees.Järelikult langeb MG kihi sees tasakaalukam rõhk, mis viib vesiniku kiirema imendumiseni.
Juhtum 3 ja juhtum 4 Kahe soojusvaheti konfiguratsiooni kihi keskmise temperatuuri ja vesiniku kontsentratsiooni võrdlus.
Vesiniku kontsentratsiooni võrdlus 500, 2000, 5000, 10000 ja 20000 s pärast vesiniku neeldumisprotsessi algust juhtumil 3 ja juhul 4.
Tabelis 5 on vesiniku omastamise kestus kõikidel juhtudel kokku võetud.Lisaks on tabelis näidatud ka vesiniku neeldumisaeg protsentides.See protsent arvutatakse 1. juhtumi neeldumisaja põhjal. Sellest tabelist on HCHE-d kasutava MH-reaktori neeldumisaeg ligikaudu 45 000 kuni 46 000 s ja neeldumisaeg koos SCHE-ga on ligikaudu 18 000 kuni 19 000 s.Võrreldes juhtumiga 1 vähenes neeldumisaeg juhtumil 2 ja juhtumil 3 vastavalt vaid 1,6% ja 2,7%.Kui kasutati HCHE asemel SCHE-d, vähenes neeldumisaeg oluliselt 4. juhtumilt 6. juhtumile, 58%-lt 61%-le.On selge, et SCHE lisamine MH reaktorisse parandab oluliselt vesiniku neeldumisprotsessi ja MH reaktori jõudlust.Kuigi soojusvaheti paigaldamine MH reaktori sisemusse vähendab salvestusmahtu, annab see tehnoloogia oluliselt soojusülekande paranemist võrreldes teiste tehnoloogiatega.Samuti suurendab helikõrguse väärtuse vähendamine SCHE helitugevust, mille tulemuseks on MH helitugevuse vähenemine.Kõrgeima SCHE helitugevusega juhtumil 6 vähenes MH mahutavus vaid 5% võrreldes väikseima HCHE mahuga juhtumiga 1.Lisaks näitas juhtum 6 imendumise ajal kiiremat ja paremat jõudlust ning imendumisaeg vähenes 61%.Seetõttu valiti tundlikkusanalüüsi edasiseks uurimiseks juhtum 6.Tuleb märkida, et pikk vesiniku omastamisaeg on seotud säilituspaagiga, mille MH maht on umbes 2000 cm3.
Tööparameetrid reaktsiooni ajal on olulised tegurid, mis mõjutavad positiivselt või negatiivselt MH reaktori jõudlust reaalsetes tingimustes.Selles uuringus käsitletakse tundlikkuse analüüsi, et määrata kindlaks MH-reaktori sobivad algsed tööparameetrid koos SCHE-ga ning selles jaotises uuritakse nelja peamist tööparameetrit, mis põhinevad reaktori optimaalsel konfiguratsioonil juhul 6. Tulemused kõigi töötingimuste kohta on näidatud Joonis 8.
Vesiniku kontsentratsiooni graafik erinevates töötingimustes poolsilindrilise spiraaliga soojusvaheti kasutamisel.(a) laadimisrõhk, (b) kihi algtemperatuur, (c) jahutusvedeliku Reynoldsi arv ja (d) jahutusvedeliku sisselasketemperatuur.
Võttes aluseks konstantse algtemperatuuri 573 K ja jahutusvedeliku voolukiiruse Reynoldsi arvuga 14 000, valiti neli erinevat laadimisrõhku: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa ja 3,0 MPa.Joonisel fig.8a näitab laadimisrõhu ja SCHE mõju vesiniku kontsentratsioonile aja jooksul.Imendumisaeg väheneb laadimisrõhu suurenedes.Rakendatud vesinikurõhu kasutamine 1,2 MPa on vesiniku neeldumisprotsessi halvim juhtum ja 90% vesiniku neeldumise saavutamiseks ületab neeldumise kestus 26 000 s.Kõrgem laadimisrõhk tõi aga kaasa neeldumisaja 32–42% vähenemise 1,8 MPa-lt 3,0 MPa-le.See on tingitud vesiniku kõrgemast algrõhust, mille tulemuseks on suurem erinevus tasakaalurõhu ja rakendatud rõhu vahel.Seetõttu loob see vesiniku omastamise kineetika jaoks suure liikumapaneva jõu.Algmomendil neeldub gaas vesinik kiiresti tasakaalurõhu ja rakendatud rõhu suure erinevuse tõttu57.Laadimisrõhul 3,0 MPa kogunes esimese 10 sekundi jooksul kiiresti 18% vesinikku.Vesinikku hoiti lõppfaasis 90% reaktorites 15460 sekundit.Kuid laadimisrõhul 1,2–1,8 MPa vähenes neeldumisaeg oluliselt 32%.Teised kõrgemad rõhud avaldasid imendumisaegade paranemisele vähem mõju.Seetõttu on soovitatav, et MH-SCHE reaktori laadimisrõhk oleks 1,8 MPa.Täiendav jaotis näitab vesiniku kontsentratsiooni kontuure erinevate koormusrõhkude jaoks 15500 s juures.
MH reaktori sobiva algtemperatuuri valik on üks peamisi vesiniku adsorptsiooniprotsessi mõjutavaid tegureid, kuna see mõjutab hüdriidi moodustumise reaktsiooni liikumapanevat jõudu.Et uurida SCHE mõju MH reaktori algtemperatuurile, valiti neli erinevat temperatuuri konstantsel laadimisrõhul 1,8 MPa ja Reynoldsi arvul 14 000 HTF.Joonisel fig.Joonis 8b näitab erinevate lähtetemperatuuride, sealhulgas 473K, 523K, 573K ja 623K võrdlust.Tegelikult, kui temperatuur on kõrgem kui 230 °C või 503K58, on Mg2Ni sulamil vesiniku neeldumisprotsessi jaoks tõhusad omadused.Kuid vesiniku sissepritse alghetkel tõuseb temperatuur kiiresti.Järelikult tõuseb MG kihi temperatuur üle 523 K. Seetõttu on hüdriidide moodustumine hõlbustatud tänu suurenenud neeldumiskiirusele53.Jooniselt fig.Jooniselt 8b on näha, et vesinik neeldub kiiremini, kui MB kihi algtemperatuur langeb.Madalamad tasakaalurõhud tekivad siis, kui algtemperatuur on madalam.Mida suurem on rõhuerinevus tasakaalurõhu ja rakendatud rõhu vahel, seda kiirem on vesiniku neeldumisprotsess.Algtemperatuuril 473 K neeldub vesinik kiiresti kuni 27% esimese 18 sekundi jooksul.Lisaks vähenes ka neeldumisaeg 11%-lt 24%-le madalamal algtemperatuuril võrreldes algtemperatuuriga 623 K. Neeldumisaeg madalaimal algtemperatuuril 473 K on 15247 s, mis on sarnane parimaga korpuse laadimisrõhk, aga algtemperatuuri reaktori temperatuuri langus toob kaasa vesiniku salvestamise võimsuse vähenemise.MN-reaktori algtemperatuur peab olema vähemalt 503 K53.Lisaks on algtemperatuuril 573 K53 võimalik saavutada maksimaalne vesiniku salvestamise võimsus 3,6 massiprotsenti.Vesiniku salvestusvõime ja neeldumise kestuse osas lühendavad temperatuurid vahemikus 523–573 K aega vaid 6%.Seetõttu on MH-SCHE reaktori algtemperatuuriks pakutud temperatuur 573 K.Kuid algtemperatuuri mõju neeldumisprotsessile oli laadimisrõhuga võrreldes väiksem.Täiendav jaotis näitab vesiniku kontsentratsiooni kontuure erinevatel algtemperatuuridel 15500 s juures.
Voolukiirus on hüdrogeenimise ja dehüdrogeenimise üks peamisi parameetreid, kuna see võib mõjutada turbulentsi ja soojuse eemaldamist või sisendit hüdrogeenimise ja dehüdrogeenimise ajal59.Suured voolukiirused tekitavad turbulentseid faase ja kiirendavad vedeliku voolu läbi HTF-toru.Selle reaktsiooni tulemuseks on kiirem soojusülekanne.HTF-i erinevad sisenemiskiirused arvutatakse Reynoldsi arvude 10 000, 14 000, 18 000 ja 22 000 põhjal.MG kihi algtemperatuur fikseeriti 573 K ja laadimisrõhk 1, 8 MPa.Tulemused joonisel fig.8c näitavad, et kõrgema Reynoldsi numbri kasutamine koos SCHE-ga annab suurema omastamiskiiruse.Kui Reynoldsi arv suureneb 10 000-lt 22 000-le, väheneb neeldumisaeg umbes 28-50%.Neeldumisaeg Reynoldsi arvu 22 000 juures on 12 505 sekundit, mis on väiksem kui erinevatel alglaadimistemperatuuridel ja -rõhkudel.Vesiniku kontsentratsiooni kontuurid erinevate Reynoldsi numbrite jaoks GTP jaoks 12500 s juures on esitatud täiendavas jaotises.
Analüüsitakse SCHE mõju HTF algtemperatuurile ja on näidatud joonisel 8d.MG algtemperatuuril 573 K ja vesiniku laadimisrõhul 1,8 MPa valiti selle analüüsi jaoks neli algtemperatuuri: 373 K, 473 K, 523 K ja 573 K. 8d näitab, et jahutusvedeliku temperatuuri langus sisselaskeava juures põhjustab imendumisaja lühenemist.Võrreldes põhijuhtumiga, mille sisselasketemperatuur on 573 K, lühenes neeldumisaeg ligikaudu 20%, 44% ja 56% sisselasketemperatuuridel vastavalt 523 K, 473 K ja 373 K.6917 s juures on GTF algtemperatuur 373 K, vesiniku kontsentratsioon reaktoris on 90%.Seda saab seletada suurenenud konvektiivse soojusülekandega MG-kihi ja HCS-i vahel.Madalamad HTF-i temperatuurid suurendavad soojuse hajumist ja suurendavad vesiniku omastamist.Kõigist tööparameetritest oli sobivaim meetod MH-SCHE reaktori jõudluse parandamine HTF sisselasketemperatuuri tõstmise teel, kuna absorptsiooniprotsessi lõppaeg oli alla 7000 s, samas kui teiste meetodite lühim neeldumisaeg oli pikem. kui 10 000 s.Vesiniku kontsentratsiooni kontuurid on esitatud erinevate GTP algtemperatuuride jaoks 7000 sekundi jooksul.
Selles uuringus esitletakse esimest korda uut poolsilindrilist spiraalsoojusvahetit, mis on integreeritud metallhüdriidi salvestusseadmesse.Kavandatava süsteemi võimet neelata vesinikku uuriti erinevate soojusvaheti konfiguratsioonidega.Uuriti tööparameetrite mõju metallhüdriidikihi ja jahutusvedeliku vahelisele soojusvahetusele, et leida optimaalsed tingimused metallhüdriidide säilitamiseks uue soojusvaheti abil.Selle uuringu peamised tulemused on kokku võetud järgmiselt:
Poolsilindrilise spiraalsoojusvahetiga paraneb soojusülekande jõudlus, kuna sellel on ühtlasem soojusjaotus magneesiumikihi reaktoris, mille tulemuseks on parem vesiniku neeldumiskiirus.Eeldusel, et soojusvahetustoru ja metallhüdriidi maht jääb muutumatuks, väheneb neeldumisreaktsiooni aeg märkimisväärselt 59% võrreldes tavapärase spiraalsoojusvahetiga.
Postitusaeg: 15. jaanuar 2023