Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Vertoon 'n karrousel van drie skyfies gelyktydig.Gebruik die Vorige en Volgende-knoppies om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg, of gebruik die skuifknoppies aan die einde om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg.
Metaalhidriede (MH) word erken as een van die mees geskikte materiaalgroepe vir waterstofberging weens hul groot waterstofbergingskapasiteit, lae bedryfsdruk en hoë veiligheid.Hul trae waterstofopnamekinetika verminder egter bergingswerkverrigting aansienlik.Vinniger hitteverwydering uit die MH-berging kan 'n belangrike rol speel in die verhoging van die waterstofopnametempo, wat lei tot verbeterde bergingsprestasie.In hierdie verband was hierdie studie daarop gemik om die hitte-oordrag-eienskappe te verbeter ten einde die waterstofopnametempo van die MH-bergingstelsel positief te beïnvloed.Die nuwe semi-silindriese spoel is eers ontwikkel en geoptimaliseer vir waterstofberging en geïnkorporeer as 'n interne lug-as-hitteruiler (HTF).Gebaseer op die verskillende toonhoogtes, word die effek van die nuwe hitteruilerkonfigurasie ontleed en vergelyk met die konvensionele heliese spoelgeometrie.Daarbenewens is die bedryfsparameters van die berging van MG en GTP numeries bestudeer om optimale waardes te verkry.Vir numeriese simulasie word ANSYS Fluent 2020 R2 gebruik.Die resultate van hierdie studie toon dat die werkverrigting van 'n MH-opgaartenk aansienlik verbeter kan word deur 'n semi-silindriese spoel-hitteruiler (SCHE) te gebruik.In vergelyking met konvensionele spiraalspoel-hitteruilers, word die duur van waterstofabsorpsie met 59% verminder.Die kleinste afstand tussen die SCHE-spoele het 'n 61% vermindering in absorpsietyd tot gevolg gehad.Wat die bedryfsparameters van MG-berging met behulp van SHE betref, lei al die geselekteerde parameters tot 'n beduidende verbetering in die waterstofabsorpsieproses, veral die temperatuur by die inlaat na die HTS.
Daar is 'n wêreldwye oorgang van energie gebaseer op fossielbrandstowwe na hernubare energie.Omdat baie vorme van hernubare energie op 'n dinamiese wyse krag verskaf, is energieberging nodig om die las te balanseer.Waterstofgebaseerde energieberging het baie aandag vir hierdie doel getrek, veral omdat waterstof as 'n "groen" alternatiewe brandstof en energiedraer gebruik kan word as gevolg van sy eienskappe en oordraagbaarheid.Daarbenewens bied waterstof ook 'n hoër energie-inhoud per massa-eenheid in vergelyking met fossielbrandstowwe2.Daar is vier hooftipes waterstof-energieberging: saamgeperste gasberging, ondergrondse berging, vloeistofberging en vastestofberging.Saamgeperste waterstof is die hooftipe wat in brandstofselvoertuie soos busse en vurkhysers gebruik word.Hierdie berging verskaf egter 'n lae massadigtheid van waterstof (ongeveer 0,089 kg/m3) en het veiligheidskwessies wat verband hou met hoë bedryfsdruk3.Gebaseer op 'n omskakelingsproses by lae omgewingstemperatuur en druk, sal die vloeistofberging waterstof in vloeibare vorm stoor.Wanneer dit egter vloeibaar gemaak word, gaan ongeveer 40% van die energie verlore.Daarbenewens is dit bekend dat hierdie tegnologie meer energie- en arbeidsintensief is in vergelyking met vastestofbergingstegnologieë4.Vaste berging is 'n lewensvatbare opsie vir 'n waterstofekonomie, wat waterstof berg deur waterstof in vaste materiale in te sluit deur absorpsie en vrystelling van waterstof deur desorpsie.Metaalhidried (MH), 'n soliede materiaalbergingstegnologie, is van onlangse belang in brandstofseltoepassings as gevolg van sy hoë waterstofkapasiteit, lae bedryfsdruk en lae koste in vergelyking met vloeistofberging, en is geskik vir stilstaande en mobiele toepassings6,7 In Daarbenewens bied MH-materiaal ook veiligheidseienskappe soos doeltreffende berging van groot kapasiteit8.Daar is egter 'n probleem wat die produktiwiteit van die MG beperk: die lae termiese geleidingsvermoë van die MG-reaktor lei tot stadige absorpsie en desorpsie van waterstof.
Behoorlike hitte-oordrag tydens eksotermiese en endotermiese reaksies is die sleutel tot die verbetering van die werkverrigting van MH-reaktore.Vir die waterstoflaaiproses moet die gegenereerde hitte uit die reaktor verwyder word om die waterstoflaaivloei teen die verlangde tempo met maksimum bergingskapasiteit te beheer.In plaas daarvan word hitte benodig om die tempo van waterstofevolusie tydens ontlading te verhoog.Ten einde die hitte- en massa-oordragprestasie te verbeter, het baie navorsers die ontwerp en optimalisering bestudeer op grond van verskeie faktore soos bedryfsparameters, MG-struktuur en MG11-optimering.MG-optimering kan gedoen word deur materiale met hoë termiese geleidingsvermoë soos skuimmetale by MG-lae 12,13 te voeg.Dus kan die effektiewe termiese geleidingsvermoë van 0,1 tot 2 W/mK10 verhoog word.Die byvoeging van vaste materiale verminder egter die krag van die MN-reaktor aansienlik.Met betrekking tot bedryfsparameters kan verbeterings bereik word deur die aanvanklike bedryfstoestande van die MG-laag en koelmiddel (HTF) te optimaliseer.Die struktuur van die MG kan geoptimaliseer word as gevolg van die geometrie van die reaktor en die ontwerp van die hitteruiler.Wat die konfigurasie van die MH-reaktor-hitteruiler betref, kan die metodes in twee tipes verdeel word.Dit is interne hitteruilers wat in die MO-laag ingebou is en eksterne hitteruilers wat die MO-laag bedek, soos vinne, koelbaadjies en waterbaddens.Wat die eksterne hitteruiler betref, het Kaplan16 die werking van die MH-reaktor ontleed, deur koelwater as 'n baadjie te gebruik om die temperatuur binne die reaktor te verlaag.Die resultate is vergelyk met 'n 22 ronde vinreaktor en 'n ander reaktor wat deur natuurlike konveksie afgekoel is.Hulle sê dat die teenwoordigheid van 'n verkoelingsbaadjie die temperatuur van die MH aansienlik verlaag, en sodoende die absorpsietempo verhoog.Numeriese studies van die wateromhulde MH-reaktor deur Patil en Gopal17 het getoon dat waterstoftoevoerdruk en HTF-temperatuur sleutelparameters is wat die tempo van waterstofopname en -desorpsie beïnvloed.
Om die hitte-oordragarea te vergroot deur vinne en hitteruilers wat in die MH ingebou is by te voeg, is die sleutel tot die verbetering van die hitte- en massaoordragverrigting en dus die bergingsprestasie van die MH18.Verskeie interne hitteruilerkonfigurasies (reguit buis en spiraalspoel) is ontwerp om die koelmiddel in die MH19,20,21,22,23,24,25,26 reaktor te sirkuleer.Deur 'n interne hitteruiler te gebruik, sal die verkoelings- of verhittingsvloeistof plaaslike hitte binne die MH-reaktor oordra tydens die waterstofadsorpsieproses.Raju en Kumar [27] het verskeie reguit buise as hitteruilers gebruik om die werkverrigting van die MG te verbeter.Hul resultate het getoon dat absorpsietye verminder is wanneer reguit buise as hitteruilers gebruik is.Daarbenewens verkort die gebruik van reguit buise die waterstofdesorpsietyd28.Hoër koelmiddelvloeitempo's verhoog die tempo van waterstoflaai en -afvoer29.Die verhoging van die aantal verkoelingsbuise het egter 'n positiewe uitwerking op MH-prestasie eerder as koelmiddelvloeitempo30,31.Raju et al.32 het LaMi4.7Al0.3 as 'n MH-materiaal gebruik om die werkverrigting van veelbuis-hitteruilers in reaktore te bestudeer.Hulle het gerapporteer dat die bedryfsparameters 'n beduidende uitwerking op die absorpsieproses gehad het, veral die voerdruk en dan die vloeitempo van die HTF.Die absorpsietemperatuur blyk egter minder krities te wees.
Die werkverrigting van die MH-reaktor word verder verbeter deur die gebruik van 'n spiraalspoel-hitteruiler as gevolg van sy verbeterde hitte-oordrag in vergelyking met reguit buise.Dit is omdat die sekondêre siklus hitte beter uit die reaktor kan verwyder25.Daarbenewens bied die spiraalbuise 'n groot oppervlakte vir hitte-oordrag van die MH-laag na die koelmiddel.Wanneer hierdie metode binne die reaktor ingebring word, is die verspreiding van hitte-uitruilbuise ook meer eenvormig33.Wang et al.34 het die effek van waterstofopname-duur bestudeer deur 'n heliese spoel by 'n MH-reaktor te voeg.Hul resultate toon dat namate die hitte-oordragkoëffisiënt van die koelmiddel toeneem, die absorpsietyd afneem.Wu et al.25 het die werkverrigting van Mg2Ni-gebaseerde MH-reaktore en opgerolde spoel-hitteruilers ondersoek.Hul numeriese studies het 'n vermindering in reaksietyd getoon.Die verbetering van die hitte-oordragmeganisme in die MN-reaktor is gebaseer op 'n kleiner verhouding van skroefsteek tot skroefsteek en 'n dimensielose skroefsteek.'n Eksperimentele studie deur Mellouli et al.21 wat 'n opgerolde spoel as 'n interne hitteruiler gebruik, het getoon dat HTF-begintemperatuur 'n beduidende effek het op die verbetering van waterstofopname en desorpsietyd.Kombinasies van verskillende interne hitteruilers is in verskeie studies uitgevoer.Eisapur et al.35 het waterstofberging bestudeer met behulp van 'n spiraalspoel-hitteruiler met 'n sentrale terugvoerbuis om die waterstofabsorpsieproses te verbeter.Hul resultate het getoon dat die spiraalbuis en die sentrale terugvoerbuis die hitte-oordrag tussen die koelmiddel en die MG aansienlik verbeter.Die kleiner toonhoogte en groter deursnee van die spiraalbuis verhoog die tempo van hitte en massa-oordrag.Ardahaie et al.36 het plat spiraalbuise as hitteruilers gebruik om hitte-oordrag binne die reaktor te verbeter.Hulle het berig dat die absorpsieduur verminder is deur die aantal afgeplatte spiraalbuisvlakke te verhoog.Kombinasies van verskillende interne hitteruilers is in verskeie studies uitgevoer.Dhau et al.37 het die werkverrigting van die MH verbeter deur 'n opgerolde spoel-hitteruiler en vinne te gebruik.Hul resultate toon dat hierdie metode die waterstofvultyd met 'n faktor van 2 verminder in vergelyking met die geval sonder vinne.Die ringvinne word met verkoelingsbuise gekombineer en in die MN-reaktor ingebou.Die resultate van hierdie studie toon dat hierdie gekombineerde metode meer eenvormige hitte-oordrag verskaf in vergelyking met die MH-reaktor sonder vinne.Die kombinasie van verskillende hitteruilers sal egter die gewig en volume van die MH-reaktor negatief beïnvloed.Wu et al.18 het verskillende hitteruilerkonfigurasies vergelyk.Dit sluit reguit buise, vinne en spiraalspoele in.Die skrywers rapporteer dat spiraalspoele die beste verbeterings in hitte- en massa-oordrag bied.Daarbenewens, in vergelyking met reguit buise, opgerolde buise en reguit buise gekombineer met opgerolde buise, het dubbele spoele 'n beter effek op die verbetering van hitte-oordrag.'n Studie deur Sekhar et al.40 het getoon dat 'n soortgelyke verbetering in waterstofopname bereik is met behulp van 'n spiraalspoel as die interne hitteruiler en 'n eksterne verkoelingsmantel met vinne.
Van die voorbeelde hierbo genoem, bied die gebruik van spiraalspoele as interne hitteruilers beter hitte- en massa-oordragverbeterings as ander hitteruilers, veral reguit buise en vinne.Daarom was die doel van hierdie studie om die spiraalspoel verder te ontwikkel om die hitte-oordragprestasie te verbeter.Vir die eerste keer is 'n nuwe semi-silindriese spoel ontwikkel wat gebaseer is op die konvensionele MH bergingsheliese spoel.Hierdie studie sal na verwagting waterstofbergingsprestasie verbeter deur 'n nuwe hitteruilerontwerp te oorweeg met 'n beter hitte-oordragsone-uitleg wat voorsien word deur 'n konstante volume MH-bed en HTF-buise.Die bergingsprestasie van hierdie nuwe hitteruiler is toe vergelyk met konvensionele spiraalspoelhitteruilers gebaseer op verskillende spoelhoogtes.Volgens bestaande literatuur is bedryfstoestande en spasiëring van spoele die hooffaktore wat die werkverrigting van MH-reaktore beïnvloed.Om die ontwerp van hierdie nuwe hitteruiler te optimaliseer, is die effek van spoelspasiëring op waterstofopnametyd en MH-volume ondersoek.Daarbenewens, ten einde die verband tussen die nuwe half-silindriese spoele en bedryfstoestande te verstaan, was 'n sekondêre doel van hierdie studie om die eienskappe van die reaktor volgens verskillende bedryfsparameterreekse te bestudeer en die toepaslike waardes vir elke bedryfstelsel te bepaal wyse.parameter.
Die werkverrigting van die waterstofenergiebergingstoestel in hierdie studie word ondersoek gebaseer op twee hitteruilerkonfigurasies (insluitend spiraalbuise in gevalle 1 tot 3 en semi-silindriese buise in gevalle 4 tot 6) en 'n sensitiwiteitsanalise van bedryfsparameters.Die werkbaarheid van die MH-reaktor is vir die eerste keer getoets met 'n spiraalbuis as 'n hitteruiler.Beide die koelmiddel-oliepyp en die MH-reaktorvat is van vlekvrye staal gemaak.Daar moet kennis geneem word dat die afmetings van die MG-reaktor en die deursnee van die GTF-pype konstant was in alle gevalle, terwyl die stapgroottes van die GTF gewissel het.Hierdie afdeling ontleed die effek van die toonhoogtegrootte van HTF-spoele.Die hoogte en buitenste deursnee van die reaktor was onderskeidelik 110 mm en 156 mm.Die deursnee van die hittegeleidende oliepyp is op 6mm gestel.Sien aanvullende afdeling vir besonderhede oor die MH-reaktorkringdiagram met spiraalbuise en twee semi-silindriese buise.
Op fig.1a toon die MH-spiraalbuisreaktor en sy afmetings.Alle meetkundige parameters word in tabel gegee.1. Die totale volume van die heliks en die volume van die ZG is ongeveer 100 cm3 en 2000 cm3, onderskeidelik.Vanaf hierdie MH-reaktor is lug in die vorm van HTF van onder af in die poreuse MH-reaktor gevoer deur 'n spiraalbuis, en waterstof is vanaf die boonste oppervlak van die reaktor ingevoer.
Karakterisering van geselekteerde geometrieë vir metaalhidriedreaktore.a) met 'n spiraalbuisvormige hitteruiler, b) met 'n semisilindriese buisvormige hitteruiler.
Die tweede deel ondersoek die werking van die MH-reaktor gebaseer op 'n semi-silindriese buis as 'n hitteruiler.Op fig.1b toon die MN-reaktor met twee semi-silindriese buise en hul afmetings.Tabel 1 lys al die geometriese parameters van semi-silindriese pype, wat konstant bly, met die uitsondering van die afstand tussen hulle.Daar moet kennis geneem word dat die semi-silindriese buis in Geval 4 ontwerp is met 'n konstante volume HTF-buis en MH-legering in die opgerolde buis (opsie 3).Wat fig.1b, is lug ook vanaf die onderkant van die twee semi-silindriese HTF-buise ingevoer, en waterstof is vanaf die teenoorgestelde rigting van die MH-reaktor ingevoer.
As gevolg van die nuwe ontwerp van die hitteruiler, is die doel van hierdie afdeling om die toepaslike beginwaardes vir die bedryfsparameters van die MH-reaktor in kombinasie met SCHE te bepaal.In alle gevalle is lug as koelmiddel gebruik om hitte uit die reaktor te verwyder.Onder die hitte-oordragolies word lug en water algemeen as hitte-oordragolies vir MH-reaktore gekies as gevolg van hul lae koste en lae omgewingsimpak.As gevolg van die hoë bedryfstemperatuurreeks van magnesium-gebaseerde legerings, is lug as die koelmiddel in hierdie studie gekies.Daarbenewens het dit ook beter vloei-eienskappe as ander vloeibare metale en gesmelte soute41.Tabel 2 lys die eienskappe van lug by 573 K. Vir die sensitiwiteitsanalise in hierdie afdeling word slegs die beste konfigurasies van die MH-SCHE prestasie-opsies (in gevalle 4 tot 6) toegepas.Die skattings in hierdie afdeling is gebaseer op verskeie bedryfsparameters, insluitend die aanvanklike temperatuur van die MH-reaktor, die waterstoflaaidruk, die HTF-inlaattemperatuur en die Reynolds-getal bereken deur die HTF-tempo te verander.Tabel 3 bevat alle bedryfsparameters wat vir sensitiwiteitsanalise gebruik word.
Hierdie afdeling beskryf al die nodige beheervergelykings vir die proses van waterstofabsorpsie, turbulensie en hitte-oordrag van koelmiddels.
Om die oplossing van die waterstofopnamereaksie te vereenvoudig, word die volgende aannames gemaak en verskaf;
Tydens absorpsie is die termofisiese eienskappe van waterstof en metaalhidriede konstant.
Waterstof word as 'n ideale gas beskou, dus word plaaslike termiese ewewigstoestande43,44 in ag geneem.
waar \({L}_{gas}\) die radius van die tenk is, en \({L}_{hitte}\) die aksiale hoogte van die tenk is.Wanneer N minder as 0,0146 is, kan die waterstofvloei in die tenk sonder noemenswaardige fout in die simulasie geïgnoreer word.Volgens huidige navorsing is N baie laer as 0,1.Daarom kan die drukgradiënteffek verwaarloos word.
Die reaktormure was in alle gevalle goed geïsoleer.Daarom is daar geen hitte-uitruiling 47 tussen die reaktor en die omgewing nie.
Dit is welbekend dat Mg-gebaseerde legerings goeie hidrogeneringseienskappe en hoë waterstofbergingskapasiteit tot 7.6 gew.%8 het.In terme van vastestofwaterstofbergingstoepassings, is hierdie legerings ook bekend as liggewigmateriale.Daarbenewens het hulle uitstekende hittebestandheid en goeie verwerkbaarheid8.Onder verskeie Mg-gebaseerde legerings is Mg2Ni-gebaseerde MgNi-legering een van die mees geskikte opsies vir MH-berging as gevolg van sy waterstofbergingskapasiteit van tot 6 gew.%.Mg2Ni-legerings bied ook vinniger adsorpsie- en desorpsiekinetika in vergelyking met MgH48-legering.Daarom is Mg2Ni as die metaalhidried materiaal in hierdie studie gekies.
Die energievergelyking word uitgedruk as 25 gebaseer op die hittebalans tussen waterstof en Mg2Ni-hidried:
X is die hoeveelheid waterstof wat op die metaaloppervlak geabsorbeer word, die eenheid is \(gewig\%\), bereken vanaf die kinetiese vergelyking \(\frac{dX}{dt}\) tydens absorpsie soos volg49:
waar \({C}_{a}\) die reaksietempo is en \({E}_{a}\) die aktiveringsenergie is.\({P}_{a,eq}\) is die ewewigsdruk binne die metaalhidriedreaktor tydens die absorpsieproses, gegee deur die van't Hoff-vergelyking soos volg25:
Waar \({P}_{ref}\) die verwysingsdruk van 0.1 MPa is.\(\Delta H\) en \(\Delta S\) is onderskeidelik die entalpie en entropie van die reaksie.Eienskappe van legerings Mg2Ni en waterstof word in tabel aangebied.4. Die benoemde lys kan in die aanvullende afdeling gevind word.
Die vloeistofvloei word as onstuimig beskou omdat sy snelheid en Reynolds-getal (Re) onderskeidelik 78.75 ms-1 en 14000 is.In hierdie studie is 'n haalbare k-ε turbulensiemodel gekies.Daar word opgemerk dat hierdie metode hoër akkuraatheid bied in vergelyking met ander k-ε-metodes, en ook minder berekeningstyd vereis as RNG k-ε50,51-metodes.Sien die aanvullende afdeling vir besonderhede oor die basiese vergelykings vir hitte-oordragvloeistowwe.
Aanvanklik was die temperatuurregime in die MN-reaktor eenvormig, en die gemiddelde waterstofkonsentrasie was 0,043.Daar word aanvaar dat die buitenste grens van die MH-reaktor goed geïsoleer is.Magnesium-gebaseerde legerings vereis tipies hoë reaksie-bedryfstemperature om waterstof in die reaktor te stoor en vry te stel.Die Mg2Ni-legering benodig 'n temperatuurreeks van 523–603 K vir maksimum absorpsie en 'n temperatuurreeks van 573–603 K vir volledige desorpsie52.Eksperimentele studies deur Muthukumar et al.53 het egter getoon dat die maksimum bergingskapasiteit van Mg2Ni vir waterstofberging bereik kan word by 'n bedryfstemperatuur van 573 K, wat ooreenstem met sy teoretiese kapasiteit.Daarom is die temperatuur van 573 K as die aanvanklike temperatuur van die MN-reaktor in hierdie studie gekies.
Skep verskillende roostergroottes vir validering en betroubare resultate.Op fig.2 toon die gemiddelde temperatuur by geselekteerde plekke in die waterstofabsorpsieproses van vier verskillende elemente.Dit is opmerklik dat slegs een geval van elke konfigurasie gekies word om te toets vir roosteronafhanklikheid as gevolg van soortgelyke geometrie.Dieselfde meshing-metode word in ander gevalle toegepas.Kies dus opsie 1 vir die spiraalpyp en opsie 4 vir die semi-silindriese pyp.Op fig.2a, b toon die gemiddelde temperatuur in die reaktor vir onderskeidelik opsies 1 en 4.Die drie geselekteerde liggings verteenwoordig bedtemperatuurkontoere aan die bokant, middel en onderkant van die reaktor.Gebaseer op die temperatuurkontoere by die geselekteerde plekke, word die gemiddelde temperatuur stabiel en toon min verandering in elementnommers 428,891 en 430,599 vir gevalle 1 en 4, onderskeidelik.Daarom is hierdie roostergroottes gekies vir verdere berekeninge.Gedetailleerde inligting oor die gemiddelde bedtemperatuur vir die waterstofabsorpsieproses vir verskeie selgroottes en agtereenvolgens verfynde maaswerk vir beide gevalle word in die aanvullende afdeling gegee.
Gemiddelde bedtemperatuur by geselekteerde punte in die waterstofabsorpsieproses in 'n metaalhidriedreaktor met verskillende roostergetalle.(a) Gemiddelde temperatuur by geselekteerde plekke vir geval 1 en (b) Gemiddelde temperatuur by geselekteerde plekke vir geval 4.
Die Mg-gebaseerde metaalhidriedreaktor in hierdie studie is getoets gebaseer op die eksperimentele resultate van Muthukumar et al.53.In hul studie het hulle 'n Mg2Ni-legering gebruik om waterstof in vlekvrye staalbuise te stoor.Kopervinne word gebruik om hitte-oordrag binne die reaktor te verbeter.Op fig.3a toon 'n vergelyking van die gemiddelde temperatuur van die absorpsieprosesbed tussen die eksperimentele studie en hierdie studie.Die bedryfstoestande wat vir hierdie eksperiment gekies is, is: MG aanvangstemperatuur 573 K en inlaatdruk 2 MPa.Uit fig.3a kan duidelik aangetoon word dat hierdie eksperimentele resultaat in goeie ooreenstemming is met die huidige een ten opsigte van die gemiddelde laagtemperatuur.
Model verifikasie.(a) Kodeverifikasie van die Mg2Ni metaalhidriedreaktor deur die huidige studie te vergelyk met die eksperimentele werk van Muthukumar et al.52, en (b) verifikasie van die spiraalbuis turbulente vloeimodel deur die huidige studie te vergelyk met dié van Kumar et al. .Navorsing.54.
Om die turbulensiemodel te toets, is die resultate van hierdie studie vergelyk met die eksperimentele resultate van Kumar et al.54 om die korrektheid van die gekose turbulensiemodel te bevestig.Kumar et al.54 het turbulente vloei in 'n buis-in-pyp spiraal hitteruiler bestudeer.Water word gebruik as warm en koue vloeistof wat van teenoorgestelde kante ingespuit word.Die warm en koue vloeistof temperature is onderskeidelik 323 K en 300 K.Reynolds-getalle wissel van 3100 tot 5700 vir warm vloeistowwe en van 21 000 tot 35 000 vir koue vloeistowwe.Dekaansnommers is 550-1000 vir warm vloeistowwe en 3600-6000 vir koue vloeistowwe.Die deursnee van die binnepyp (vir warm vloeistof) en die buitepyp (vir koue vloeistof) is onderskeidelik 0,0254 m en 0,0508 m.Die deursnee en spoed van die heliese spoel is onderskeidelik 0,762 m en 0,100 m.Op fig.3b toon 'n vergelyking van eksperimentele en huidige resultate vir verskeie pare Nusselt- en Dean-getalle vir die koelmiddel in die binneband.Drie verskillende turbulensiemodelle is geïmplementeer en vergelyk met eksperimentele resultate.Soos in fig.3b, stem die resultate van die haalbare k-ε turbulensiemodel goed ooreen met die eksperimentele data.Daarom is hierdie model in hierdie studie gekies.
Numeriese simulasies in hierdie studie is uitgevoer met behulp van ANSYS Fluent 2020 R2.Skryf 'n gebruikergedefinieerde funksie (UDF) en gebruik dit as die insetterm van die energievergelyking om die kinetika van die absorpsieproses te bereken.Die PRESTO55 kring en die PISO56 metode word gebruik vir druk-snelheid kommunikasie en druk regstelling.Kies 'n Greene-Gauss-selbasis vir die veranderlike gradiënt.Die momentum- en energievergelykings word opgelos deur die tweede-orde windopwaartse metode.Wat die onderverslappingskoëffisiënte betref, word die druk-, snelheid- en energiekomponente onderskeidelik op 0.5, 0.7 en 0.7 gestel.Die standaard muurfunksies word op die HTF in die turbulensiemodel toegepas.
Hierdie afdeling bied die resultate van numeriese simulasies van verbeterde interne hitte-oordrag van 'n MH-reaktor met behulp van 'n opgerolde spoel-hitteruiler (HCHE) en 'n heliese spoel-hitteruiler (SCHE) tydens waterstofabsorpsie.Die effek van HTF-pik op die temperatuur van die reaktorbed en die duur van absorpsie is ontleed.Die belangrikste bedryfsparameters van die absorpsieproses word bestudeer en in die sensitiwiteitsanalise-afdeling aangebied.
Om die effek van spoelspasiëring op hitte-oordrag in 'n MH-reaktor te ondersoek, is drie hitteruiler-konfigurasies met verskillende hellings ondersoek.Die drie verskillende hellings van 15mm, 12.86mm en 10mm word onderskeidelik liggaam 1, liggaam 2 en liggaam 3 aangewys.Daar moet kennis geneem word dat die pyp deursnee vasgestel is op 6 mm by 'n aanvanklike temperatuur van 573 K en 'n laaidruk van 1.8 MPa in alle gevalle.Op fig.4 toon die gemiddelde bedtemperatuur en waterstofkonsentrasie in die MH-laag tydens die waterstofabsorpsieproses in gevalle 1 tot 3. Tipies is die reaksie tussen die metaalhidried en waterstof eksotermies tot die absorpsieproses.Daarom styg die temperatuur van die bed vinnig as gevolg van die aanvanklike oomblik wanneer waterstof die eerste keer in die reaktor ingevoer word.Die bedtemperatuur neem toe totdat dit 'n maksimum waarde bereik en neem dan geleidelik af soos hitte deur die koelmiddel, wat 'n laer temperatuur het en as koelmiddel dien, weggevoer word.Soos in fig.4a, as gevolg van die vorige verduideliking, neem die temperatuur van die laag vinnig toe en neem voortdurend af.Die waterstofkonsentrasie vir die absorpsieproses is gewoonlik gebaseer op die bedtemperatuur van die MH-reaktor.Wanneer die gemiddelde laagtemperatuur tot 'n sekere temperatuur daal, absorbeer die metaaloppervlak waterstof.Dit is as gevolg van die versnelling van die prosesse van fisisorpsie, chemisorpsie, diffusie van waterstof en die vorming van sy hidriede in die reaktor.Uit fig.4b kan gesien word dat die tempo van waterstofabsorpsie in geval 3 laer is as in ander gevalle as gevolg van die kleiner stapwaarde van die spoelhitteruiler.Dit lei tot 'n langer algehele pyplengte en 'n groter hitte-oordragarea vir HTF-pype.Met 'n gemiddelde waterstofkonsentrasie van 90% is die absorpsietyd vir Geval 1 46 276 sekondes.In vergelyking met die duur van absorpsie in geval 1, is die duur van absorpsie in gevalle 2 en 3 verminder met 724 s en 1263 s, onderskeidelik.Die aanvullende afdeling bied temperatuur- en waterstofkonsentrasiekontoere vir geselekteerde liggings in die HCHE-MH-laag.
Invloed van afstand tussen spoele op gemiddelde laagtemperatuur en waterstofkonsentrasie.(a) Gemiddelde bedtemperatuur vir heliese spoele, (b) waterstofkonsentrasie vir heliese spoele, (c) gemiddelde bedtemperatuur vir halfsilindriese spoele, en (d) waterstofkonsentrasie vir halfsilindriese spoele.
Om die hitte-oordrageienskappe van die MG-reaktor te verbeter, is twee HFK's ontwerp vir 'n konstante volume van die MG (2000 cm3) en 'n spiraalhitteruiler (100 cm3) van Opsie 3. Hierdie afdeling oorweeg ook die effek van die afstand tussen die spoele van 15 mm vir omhulsel 4, 12,86 mm vir omhulsel 5 en 10 mm vir omhulsel 6. In fig.4c,d toon die gemiddelde bedtemperatuur en konsentrasie van die waterstofabsorpsieproses by 'n aanvanklike temperatuur van 573 K en 'n laaidruk van 1.8 MPa.Volgens die gemiddelde laagtemperatuur in Fig. 4c verminder die kleiner afstand tussen die spoele in geval 6 die temperatuur aansienlik in vergelyking met die ander twee gevalle.Vir geval 6 lei 'n laer bedtemperatuur tot 'n hoër waterstofkonsentrasie (sien Fig. 4d).Die waterstofopnametyd vir Variant 4 is 19542 s, wat meer as 2 keer laer is as vir Variante 1-3 wat HCH gebruik.Daarbenewens, in vergelyking met geval 4, is die absorpsietyd ook verminder met 378 s en 1515 s in gevalle 5 en 6 met laer afstande.Die aanvullende afdeling bied temperatuur- en waterstofkonsentrasiekontoere vir geselekteerde liggings in die SCHE-MH-laag.
Om die werkverrigting van twee hitteruilerkonfigurasies te bestudeer, teken hierdie afdeling temperatuurkurwes op drie geselekteerde liggings uit en bied dit aan.Die MH-reaktor met HCHE uit geval 3 is gekies vir vergelyking met die MH-reaktor wat SCHE bevat in geval 4 omdat dit 'n konstante MH-volume en pypvolume het.Die bedryfstoestande vir hierdie vergelyking was 'n aanvanklike temperatuur van 573 K en 'n laaidruk van 1.8 MPa.Op fig.5a en 5b toon al drie geselekteerde posisies van die temperatuurprofiele in gevalle 3 en 4, onderskeidelik.Op fig.5c toon die temperatuurprofiel en laagkonsentrasie na 20 000 s waterstofopname.Volgens reël 1 in Fig. 5c neem die temperatuur rondom die TTF vanaf opsies 3 en 4 af as gevolg van die konvektiewe hitte-oordrag van die koelmiddel.Dit lei tot 'n hoër konsentrasie waterstof rondom hierdie area.Die gebruik van twee SCHE's lei egter tot 'n hoër laagkonsentrasie.Vinniger kinetiese response is gevind rondom die HTF-streek in geval 4. Daarbenewens is 'n maksimum konsentrasie van 100% ook in hierdie streek gevind.Vanaf lyn 2 wat in die middel van die reaktor geleë is, is die temperatuur van geval 4 aansienlik laer as die temperatuur van geval 3 op alle plekke behalwe in die middel van die reaktor.Dit lei tot die maksimum waterstofkonsentrasie vir geval 4 behalwe vir die streek naby die middel van die reaktor weg van die HTF.Die konsentrasie van geval 3 het egter nie veel verander nie.'n Groot verskil in die temperatuur en konsentrasie van die laag is in lyn 3 naby die ingang na die GTS waargeneem.Die temperatuur van die laag in geval 4 het aansienlik afgeneem, wat die hoogste waterstofkonsentrasie in hierdie streek tot gevolg gehad het, terwyl die konsentrasielyn in geval 3 steeds wissel.Dit is as gevolg van die versnelling van SCHE hitte-oordrag.Besonderhede en bespreking van die vergelyking van die gemiddelde temperatuur van die MH-laag en HTF-pyp tussen geval 3 en geval 4 word in die aanvullende afdeling verskaf.
Temperatuurprofiel en bedkonsentrasie by geselekteerde plekke in die metaalhidriedreaktor.(a) Geselekteerde liggings vir geval 3, (b) Geselekteerde liggings vir geval 4, en (c) Temperatuurprofiel en laagkonsentrasie by geselekteerde plekke na 20 000 s vir die waterstofopnameproses in gevalle 3 en 4.
Op fig.Figuur 6 toon 'n vergelyking van die gemiddelde bedtemperatuur (sien Fig. 6a) en waterstofkonsentrasie (sien Fig. 6b) vir die absorpsie van HCH en SHE.Uit hierdie figuur kan gesien word dat die temperatuur van die MG-laag aansienlik afneem as gevolg van 'n toename in die hitte-uitruilarea.Die verwydering van meer hitte uit die reaktor lei tot 'n hoër waterstofopnametempo.Alhoewel die twee hitteruilerkonfigurasies dieselfde volumes het as om HCHE as Opsie 3 te gebruik, is SCHE se waterstofopnametyd gebaseer op Opsie 4 aansienlik verminder met 59%.Vir 'n meer gedetailleerde analise word die waterstofkonsentrasies vir die twee hitteruilerkonfigurasies as isoliene in Figuur 7 getoon. Hierdie figuur wys dat in beide gevalle waterstof van onder af rondom die HTF-inlaat geabsorbeer word.Hoër konsentrasies is in die HTF-streek gevind, terwyl laer konsentrasies in die middel van die MH-reaktor waargeneem is as gevolg van sy afstand vanaf die hitteruiler.Na 10 000 s is die waterstofkonsentrasie in geval 4 aansienlik hoër as in geval 3. Na 20 000 sekondes het die gemiddelde waterstofkonsentrasie in die reaktor gestyg tot 90% in geval 4 vergeleke met 50% waterstof in geval 3. Dit kan as gevolg van tot die hoër effektiewe verkoelingskapasiteit van die kombinasie van twee SCHE's, wat lei tot 'n laer temperatuur binne die MH-laag.Gevolglik val 'n meer ewewigsdruk binne die MG-laag, wat lei tot 'n vinniger absorpsie van waterstof.
Geval 3 en Geval 4 Vergelyking van gemiddelde bedtemperatuur en waterstofkonsentrasie tussen twee hitteruilerkonfigurasies.
Vergelyking van die waterstofkonsentrasie na 500, 2000, 5000, 10000 en 20000 s na die begin van die waterstofabsorpsieproses in geval 3 en geval 4.
Tabel 5 som die duur van waterstofopname vir alle gevalle op.Daarbenewens toon die tabel ook die tyd van absorpsie van waterstof, uitgedruk as 'n persentasie.Hierdie persentasie word bereken op grond van die absorpsietyd van Geval 1. Uit hierdie tabel is die absorpsietyd van die MH-reaktor wat HCHE gebruik ongeveer 45 000 tot 46 000 s, en die absorpsietyd insluitend SCHE is ongeveer 18 000 tot 19 000 s.In vergelyking met Geval 1 is die absorpsietyd in Geval 2 en Geval 3 met slegs 1,6% en 2,7% onderskeidelik verminder.Wanneer SCHE in plaas van HCHE gebruik is, is absorpsietyd aansienlik verminder van geval 4 tot geval 6, van 58% tot 61%.Dit is duidelik dat die byvoeging van SCHE tot die MH-reaktor die waterstofabsorpsieproses en die werkverrigting van die MH-reaktor aansienlik verbeter.Alhoewel die installering van 'n hitteruiler binne die MH-reaktor die bergingskapasiteit verminder, bied hierdie tegnologie 'n aansienlike verbetering in hitte-oordrag in vergelyking met ander tegnologieë.Die vermindering van die toonhoogtewaarde sal ook die volume van die SCHE verhoog, wat lei tot 'n afname in die volume van die MH.In geval 6 met die hoogste SCHE volume, is die MH volumetriese kapasiteit slegs met 5% verminder in vergelyking met geval 1 met die laagste HCHE volume.Daarbenewens het geval 6 tydens absorpsie vinniger en beter prestasie getoon met 'n 61% vermindering in absorpsietyd.Daarom is geval 6 gekies vir verdere ondersoek in die sensitiwiteitsanalise.Daar moet kennis geneem word dat die lang waterstofopnametyd geassosieer word met 'n opgaartenk wat 'n MH volume van ongeveer 2000 cm3 bevat.
Die bedryfsparameters tydens die reaksie is belangrike faktore wat die werkverrigting van die MH-reaktor onder werklike toestande positief of negatief beïnvloed.Hierdie studie oorweeg 'n sensitiwiteitsanalise om die toepaslike aanvanklike bedryfsparameters vir 'n MH-reaktor in kombinasie met SCHE te bepaal, en hierdie afdeling ondersoek die vier hoofbedryfsparameters gebaseer op die optimale reaktorkonfigurasie in geval 6. Die resultate vir alle bedryfstoestande word getoon in Fig. 8.
Grafiek van waterstofkonsentrasie onder verskillende bedryfstoestande wanneer 'n hitteruiler met 'n semi-silindriese spoel gebruik word.(a) laaidruk, (b) aanvanklike bedtemperatuur, (c) koelmiddel Reynolds nommer, en (d) koelmiddel inlaattemperatuur.
Gebaseer op 'n konstante aanvanklike temperatuur van 573 K en 'n koelmiddelvloeitempo met 'n Reynolds-getal van 14 000, is vier verskillende laaidrukke gekies: 1.2 MPa, 1.8 MPa, 2.4 MPa en 3.0 MPa.Op fig.8a toon die effek van laaidruk en SCHE op waterstofkonsentrasie oor tyd.Die absorpsietyd neem af met toenemende laaidruk.Die gebruik van 'n toegepaste waterstofdruk van 1,2 MPa is die ergste geval vir die waterstofabsorpsieproses, en die absorpsieduur oorskry 26 000 s om 90% waterstofabsorpsie te bereik.Die hoër laaidruk het egter 'n 32-42% afname in absorpsietyd van 1.8 tot 3.0 MPa tot gevolg gehad.Dit is as gevolg van die hoër aanvanklike druk van waterstof, wat 'n groter verskil tussen die ewewigsdruk en die toegepaste druk tot gevolg het.Daarom skep dit 'n groot dryfkrag vir die waterstofopnamekinetika.Op die aanvanklike oomblik word waterstofgas vinnig geabsorbeer as gevolg van die groot verskil tussen die ewewigsdruk en die toegepaste druk57.By 'n laaidruk van 3.0 MPa het 18% waterstof vinnig opgehoop gedurende die eerste 10 sekondes.Waterstof is in die finale stadium vir 15460 s in 90% van die reaktore gestoor.By 'n laaidruk van 1,2 tot 1,8 MPa is die absorpsietyd egter aansienlik verminder met 32%.Ander hoër druk het minder effek gehad op die verbetering van absorpsietye.Daarom word aanbeveel dat die laaidruk van die MH-SCHE reaktor 1.8 MPa is.Die aanvullende afdeling toon die waterstofkonsentrasiekontoere vir verskeie laaidrukke by 15500 s.
Die keuse van 'n gepaste aanvanklike temperatuur van die MH-reaktor is een van die hooffaktore wat die waterstofadsorpsieproses beïnvloed, aangesien dit die dryfkrag van die hidriedvormingsreaksie beïnvloed.Om die effek van SCHE op die aanvanklike temperatuur van die MH-reaktor te bestudeer, is vier verskillende temperature gekies by 'n konstante laaidruk van 1.8 MPa en 'n Reynolds-getal van 14 000 HTF.Op fig.Figuur 8b toon 'n vergelyking van verskeie aanvangstemperature, insluitend 473K, 523K, 573K en 623K.Trouens, wanneer die temperatuur hoër as 230°C of 503K58 is, het die Mg2Ni-legering effektiewe eienskappe vir die waterstofabsorpsieproses.Op die aanvanklike oomblik van waterstofinspuiting styg die temperatuur egter vinnig.Gevolglik sal die temperatuur van die MG-laag 523 K oorskry. Daarom word die vorming van hidriede vergemaklik as gevolg van die verhoogde absorpsietempo53.Uit fig.Dit kan gesien word uit Fig. 8b dat waterstof vinniger geabsorbeer word namate die aanvanklike temperatuur van die MB-laag afneem.Laer ewewigsdrukke vind plaas wanneer die aanvanklike temperatuur laer is.Hoe groter die drukverskil tussen die ewewigsdruk en die toegepaste druk, hoe vinniger is die proses van waterstofabsorpsie.By 'n aanvanklike temperatuur van 473 K word waterstof vinnig geabsorbeer tot 27% gedurende die eerste 18 sekondes.Daarbenewens is die absorpsietyd ook verminder van 11% tot 24% by 'n laer aanvanklike temperatuur in vergelyking met die aanvanklike temperatuur van 623 K. Die absorpsietyd by die laagste aanvanklike temperatuur van 473 K is 15247 s, wat soortgelyk is aan die beste gevallaaidruk lei die afname in aanvanklike temperatuur reaktortemperatuur egter tot 'n afname in waterstofbergingskapasiteit.Die aanvanklike temperatuur van die MN-reaktor moet minstens 503 K53 wees.Daarbenewens, by 'n aanvanklike temperatuur van 573 K53, kan 'n maksimum waterstofbergingskapasiteit van 3,6 gew.% bereik word.Wat waterstofbergingskapasiteit en absorpsieduur betref, verkort temperature tussen 523 en 573 K die tyd met slegs 6%.Daarom word 'n temperatuur van 573 K voorgestel as die aanvanklike temperatuur van die MH-SCHE reaktor.Die effek van die aanvanklike temperatuur op die absorpsieproses was egter minder betekenisvol in vergelyking met die laaidruk.Die aanvullende afdeling toon die kontoere van die waterstofkonsentrasie vir verskeie aanvanklike temperature by 15500 s.
Die vloeitempo is een van die hoofparameters van hidrogenering en dehidrogenering omdat dit turbulensie en hitteverwydering of insette tydens hidrogenering en dehidrogenering kan beïnvloed59.Hoë vloeitempo's sal turbulente fases skep en vinniger vloeistofvloei deur die HTF-buis tot gevolg hê.Hierdie reaksie sal vinniger hitte-oordrag tot gevolg hê.Verskillende toegangsnelhede vir HTF word bereken op grond van Reynolds-getalle van 10 000, 14 000, 18 000 en 22 000.Die aanvanklike temperatuur van die MG-laag was vasgestel op 573 K en die laaidruk op 1.8 MPa.Die resultate in fig.8c demonstreer dat die gebruik van 'n hoër Reynolds-getal in kombinasie met SCHE 'n hoër opnametempo tot gevolg het.Soos die Reynolds-getal van 10 000 tot 22 000 toeneem, verminder die absorpsietyd met ongeveer 28-50%.Die absorpsietyd by 'n Reynolds-getal van 22 000 is 12 505 sekondes, wat minder is as by verskillende aanvanklike laaitemperature en -drukke.Waterstofkonsentrasiekontoere vir verskeie Reynolds-getalle vir GTP by 12500 s word in die aanvullende afdeling aangebied.
Die effek van SCHE op die aanvanklike temperatuur van die HTF word ontleed en in Fig. 8d getoon.By 'n aanvanklike MG-temperatuur van 573 K en 'n waterstoflaaidruk van 1.8 MPa, is vier aanvanklike temperature vir hierdie ontleding gekies: 373 K, 473 K, 523 K en 573 K. 8d toon dat 'n afname in die temperatuur van die koelmiddel by die inlaat lei tot 'n vermindering in die absorpsietyd.In vergelyking met die basisgeval met 'n inlaattemperatuur van 573 K, is die absorpsietyd met ongeveer 20%, 44% en 56% verminder vir inlaattemperature van onderskeidelik 523 K, 473 K en 373 K.By 6917 s is die aanvanklike temperatuur van die GTF 373 K, die waterstofkonsentrasie in die reaktor is 90%.Dit kan verklaar word deur verbeterde konvektiewe hitte-oordrag tussen die MG-laag en die HCS.Laer HTF-temperature sal hitte-afvoer verhoog en lei tot verhoogde waterstofopname.Onder alle bedryfsparameters was die verbetering van die werkverrigting van die MH-SCHE-reaktor deur die HTF-inlaattemperatuur te verhoog die mees geskikte metode, aangesien die eindtyd van die absorpsieproses minder as 7000 s was, terwyl die kortste absorpsietyd van ander metodes meer was. as 10 000 s.Waterstofkonsentrasiekontoere word aangebied vir verskeie aanvanklike temperature van GTP vir 7000 s.
Hierdie studie bied vir die eerste keer 'n nuwe semi-silindriese spoel-hitteruiler aan wat in 'n metaalhidriedbergingseenheid geïntegreer is.Die vermoë van die voorgestelde stelsel om waterstof te absorbeer is ondersoek met verskeie konfigurasies van die hitteruiler.Die invloed van die bedryfsparameters op die hitte-uitruiling tussen die metaalhidriedlaag en die koelmiddel is ondersoek ten einde die optimale toestande vir die berging van metaalhidriede met behulp van 'n nuwe hitteruiler te vind.Die hoofbevindinge van hierdie studie word soos volg opgesom:
Met 'n semi-silindriese spoel-hitteruiler word die hitte-oordragverrigting verbeter omdat dit 'n meer eenvormige hitteverspreiding in die magnesiumlaagreaktor het, wat 'n beter waterstofabsorpsietempo tot gevolg het.Met dien verstande dat die volume van die hitte-uitruilbuis en metaalhidried onveranderd bly, word die absorpsie-reaksietyd aansienlik verminder met 59% in vergelyking met 'n konvensionele opgerolde spoel-hitteruiler.
Postyd: Jan-15-2023