Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Предыдущий» и «Далее» для перемещения по трем слайдам одновременно или используйте кнопки ползунка в конце для перемещения по трем слайдам одновременно.
Гидриды металлов (МГ) признаны одной из наиболее подходящих групп материалов для хранения водорода из-за их большой емкости хранения водорода, низкого рабочего давления и высокой безопасности.Однако их медленная кинетика поглощения водорода значительно снижает производительность хранения.Более быстрый отвод тепла из хранилища MH может сыграть важную роль в увеличении скорости поглощения водорода, что приведет к повышению производительности хранилища.В связи с этим данное исследование было направлено на улучшение характеристик теплопередачи с целью положительного влияния на скорость поглощения водорода системой хранения МГ.Новый полуцилиндрический змеевик был впервые разработан и оптимизирован для хранения водорода и встроен в качестве внутреннего воздухо-теплообменника (HTF).На основе различных размеров шага анализируется влияние новой конфигурации теплообменника и сравнивается с традиционной геометрией спирального змеевика.Кроме того, численно исследованы рабочие параметры хранилища МГ и ГТП для получения оптимальных значений.Для численного моделирования используется ANSYS Fluent 2020 R2.Результаты этого исследования показывают, что производительность накопительного бака MH можно значительно улучшить, используя полуцилиндрический змеевиковый теплообменник (SCHE).По сравнению с обычными спиральными теплообменниками продолжительность поглощения водорода сокращается на 59%.Наименьшее расстояние между катушками SCHE привело к сокращению времени поглощения на 61%.Что касается рабочих параметров хранения МГ с использованием СТЭ, то все выбранные параметры приводят к существенному улучшению процесса поглощения водорода, особенно температуры на входе в ВТС.
Происходит глобальный переход от энергетики, основанной на ископаемом топливе, к возобновляемой энергетике.Поскольку многие виды возобновляемой энергии обеспечивают динамическое энергоснабжение, для балансировки нагрузки необходимо накопление энергии.С этой целью хранение энергии на основе водорода привлекло большое внимание, особенно потому, что водород может использоваться в качестве «зеленого» альтернативного топлива и энергоносителя благодаря своим свойствам и портативности.Кроме того, водород также обеспечивает более высокое содержание энергии на единицу массы по сравнению с ископаемым топливом2.Существует четыре основных типа хранения водородной энергии: хранилище сжатого газа, подземное хранилище, хранилище жидкости и твердое хранилище.Сжатый водород является основным типом, используемым в транспортных средствах на топливных элементах, таких как автобусы и вилочные погрузчики.Однако такое хранилище обеспечивает низкую насыпную плотность водорода (около 0,089 кг/м3) и имеет проблемы с безопасностью, связанные с высоким рабочим давлением3.В жидкостном хранилище, основанном на процессе конверсии при низкой температуре и давлении окружающей среды, будет храниться водород в жидкой форме.Однако при сжижении теряется около 40% энергии.Кроме того, эта технология, как известно, является более энергоемкой и трудоемкой по сравнению с технологиями твердотельных накопителей4.Хранение в твердом состоянии является жизнеспособным вариантом для водородной экономики, в которой водород хранится путем включения водорода в твердые материалы путем абсорбции и высвобождения водорода путем десорбции.Металлогидрид (MH), технология хранения твердого материала, в последнее время вызывает интерес в топливных элементах из-за его высокой емкости водорода, низкого рабочего давления и низкой стоимости по сравнению с жидкостным хранилищем, и подходит для стационарных и мобильных приложений6,7. Кроме того, материалы MH также обеспечивают свойства безопасности, такие как эффективное хранение большой емкости8.Однако существует проблема, ограничивающая производительность МГ: низкая теплопроводность реактора МГ приводит к медленному поглощению и десорбции водорода.
Правильная теплопередача во время экзотермических и эндотермических реакций является ключом к улучшению производительности реакторов MH.Для процесса загрузки водорода выделяемое тепло должно быть удалено из реактора, чтобы контролировать поток загрузки водорода с желаемой скоростью и максимальной емкостью хранения.Вместо этого для увеличения скорости выделения водорода во время разряда требуется тепло.Чтобы улучшить характеристики тепло- и массообмена, многие исследователи изучили конструкцию и оптимизацию на основе множества факторов, таких как рабочие параметры, структура MG и оптимизация MG11.Оптимизацию MG можно выполнить путем добавления материалов с высокой теплопроводностью, таких как пенопласты, к слоям MG 12,13.Таким образом, эффективная теплопроводность может быть увеличена с 0,1 до 2 Вт/мК10.Однако добавка твердых материалов существенно снижает мощность реактора МН.Что касается рабочих параметров, то улучшения могут быть достигнуты за счет оптимизации начальных условий работы слоя МГ и теплоносителя (ТТФ).Конструкция МГ может быть оптимизирована за счет геометрии реактора и конструкции теплообменника.Что касается конструкции теплообменника реактора МГ, то методы можно разделить на два типа.Это внутренние теплообменники, встроенные в слой МО, и внешние теплообменники, покрывающие слой МО, такие как ребра, охлаждающие рубашки и водяные бани.Что касается внешнего теплообменника, Каплан16 проанализировал работу реактора MH, используя охлаждающую воду в качестве рубашки для снижения температуры внутри реактора.Результаты сравнивались с реактором с 22 круглыми ребрами и другим реактором, охлаждаемым естественной конвекцией.Они утверждают, что наличие рубашки охлаждения значительно снижает температуру МГ, тем самым увеличивая скорость абсорбции.Численные исследования реактора MH с водяной рубашкой, проведенные Патилом и Гопалом17, показали, что давление подачи водорода и температура HTF являются ключевыми параметрами, влияющими на скорость поглощения и десорбции водорода.
Увеличение площади теплопередачи за счет добавления ребер и теплообменников, встроенных в MH, является ключом к улучшению характеристик тепло- и массообмена и, следовательно, характеристик хранения MH18.Для циркуляции теплоносителя в реакторе МН19,20,21,22,23,24,25,26 было разработано несколько конфигураций внутренних теплообменников (прямая труба и спиральный змеевик).Используя внутренний теплообменник, охлаждающая или нагревающая жидкость будет передавать локальное тепло внутри реактора MH во время процесса адсорбции водорода.Раджу и Кумар [27] использовали несколько прямых трубок в качестве теплообменников для улучшения характеристик МГ.Их результаты показали, что время абсорбции сокращается, когда в качестве теплообменников используются прямые трубы.Кроме того, использование прямых трубок сокращает время десорбции водорода28.Более высокие скорости потока охлаждающей жидкости увеличивают скорость зарядки и выпуска водорода29.Однако увеличение количества охлаждающих трубок положительно влияет на производительность MH, а не на скорость потока охлаждающей жидкости30,31.Раджу и др.32 использовали LaMi4.7Al0.3 в качестве материала MH для изучения характеристик многотрубных теплообменников в реакторах.Они сообщили, что рабочие параметры оказали значительное влияние на процесс абсорбции, особенно давление подачи, а затем скорость потока HTF.Однако температура абсорбции оказалась менее критичной.
Производительность реактора MH дополнительно улучшается за счет использования теплообменника со спиральным змеевиком из-за его улучшенной теплопередачи по сравнению с прямыми трубами.Это связано с тем, что вторичный цикл может лучше отводить тепло из реактора25.Кроме того, спиральные трубки обеспечивают большую площадь поверхности для передачи тепла от слоя МГ к теплоносителю.При внедрении этого метода внутри реактора распределение теплообменных трубок также становится более равномерным33.Ван и др.34 изучали влияние продолжительности поглощения водорода путем добавления спиральной катушки в реактор MH.Их результаты показывают, что с увеличением коэффициента теплопередачи теплоносителя время поглощения уменьшается.Ву и др.25 исследовали характеристики MH-реакторов на основе Mg2Ni и спиральных теплообменников.Их численные исследования показали сокращение времени реакции.Совершенствование механизма теплопередачи в реакторе МН основано на меньшем отношении шага винтов к шагу винтов и безразмерном шаге винтов.Экспериментальное исследование, проведенное Меллули и др.21 с использованием змеевика в качестве внутреннего теплообменника, показало, что начальная температура HTF оказывает значительное влияние на улучшение поглощения водорода и времени десорбции.В нескольких исследованиях проводилось сочетание различных внутренних теплообменников.Эйсапур и др.35 изучали хранение водорода с использованием спирального теплообменника с центральной возвратной трубкой для улучшения процесса поглощения водорода.Их результаты показали, что спиральная трубка и центральная возвратная трубка значительно улучшают теплообмен между теплоносителем и МГ.Меньший шаг и больший диаметр спиральной трубки увеличивают скорость тепло- и массообмена.Ардахайе и др.36 использовали плоские спиральные трубы в качестве теплообменников для улучшения теплопередачи внутри реактора.Они сообщили, что продолжительность поглощения была уменьшена за счет увеличения количества уплощенных плоскостей спиральной трубки.В нескольких исследованиях проводилось сочетание различных внутренних теплообменников.Дхау и др.37 улучшили характеристики MH, используя змеевиковый теплообменник и ребра.Их результаты показывают, что этот метод сокращает время заполнения водородом в 2 раза по сравнению со случаем без ребер.Кольцевые ребра объединены с охлаждающими трубками и встроены в реактор МН.Результаты настоящего исследования показывают, что этот комбинированный метод обеспечивает более равномерную теплопередачу по сравнению с реактором МГ без ребер.Однако объединение разных теплообменников отрицательно скажется на весе и объеме реактора МГ.Ву и др.18 сравнили различные конфигурации теплообменников.К ним относятся прямые трубки, ребра и спиральные змеевики.Авторы сообщают, что спиральные катушки обеспечивают наилучшие улучшения тепло- и массообмена.Кроме того, по сравнению с прямыми трубами, спиральными трубами и прямыми трубами в сочетании с спиральными трубами, двойные змеевики лучше влияют на улучшение теплопередачи.Исследование Сехара и соавт.40 показали, что аналогичное улучшение поглощения водорода было достигнуто при использовании спирального змеевика в качестве внутреннего теплообменника и оребренной внешней рубашки охлаждения.
Из примеров, упомянутых выше, использование спиральных змеевиков в качестве внутренних теплообменников обеспечивает лучшее улучшение тепло- и массообмена, чем другие теплообменники, особенно прямые трубы и ребра.Поэтому целью данного исследования было дальнейшее развитие спиральной катушки для улучшения характеристик теплопередачи.Впервые была разработана новая полуцилиндрическая катушка на основе обычной спиральной спиральной катушки MH.Ожидается, что это исследование улучшит характеристики хранения водорода за счет рассмотрения новой конструкции теплообменника с улучшенной планировкой зоны теплопередачи, обеспечиваемой постоянным объемом слоя MH и трубок HTF.Затем эффективность хранения этого нового теплообменника сравнивали с традиционными спиральными теплообменниками с различным шагом змеевиков.Согласно существующей литературе, условия эксплуатации и расстояние между катушками являются основными факторами, влияющими на производительность реакторов МГ.Чтобы оптимизировать конструкцию этого нового теплообменника, было исследовано влияние расстояния между змеевиками на время поглощения водорода и объем МГ.Кроме того, чтобы понять взаимосвязь между новыми полуцилиндрическими катушками и условиями эксплуатации, вторичной целью данного исследования было изучение характеристик реактора в соответствии с различными диапазонами рабочих параметров и определение соответствующих значений для каждого рабочего параметра. режим.параметр.
Производительность накопителя водородной энергии в данном исследовании исследуется на основе двух конфигураций теплообменника (включая спиральные трубы в случаях с 1 по 3 и полуцилиндрические трубы в случаях с 4 по 6) и анализа чувствительности рабочих параметров.Впервые была проверена работоспособность реактора МГ с использованием спиральной трубы в качестве теплообменника.И маслопровод теплоносителя, и корпус реактора МГ изготовлены из нержавеющей стали.Следует отметить, что размеры реактора МГ и диаметр труб ГПФ во всех случаях были постоянными, а размеры ступеней ГПФ варьировались.В этом разделе анализируется влияние размера шага катушек HTF.Высота и внешний диаметр реактора составляли 110 мм и 156 мм соответственно.Диаметр теплопроводной маслопроводной трубки установлен на уровне 6 мм.Подробную информацию о принципиальной схеме реактора МГ со спиральными трубками и двумя полуцилиндрическими трубками см. в дополнительном разделе.
На рис.1а показан спиральный трубчатый реактор МГ и его размеры.Все геометрические параметры приведены в табл.1. Общий объем спирали и объем ЗГ составляют примерно 100 см3 и 2000 см3 соответственно.Из этого реактора МГ воздух в виде HTF подавался в пористый реактор МГ снизу через спиральную трубку, а водород вводился с верхней поверхности реактора.
Характеристика выбранной геометрии металлогидридных реакторов.а) со спирально-трубчатым теплообменником, б) с полуцилиндрическим трубчатым теплообменником.
Во второй части рассматривается работа реактора МГ на основе полуцилиндрической трубы в качестве теплообменника.На рис.1б показан реактор МН с двумя полуцилиндрическими трубками и их размеры.В таблице 1 приведены все геометрические параметры полуцилиндрических труб, которые остаются постоянными, за исключением расстояния между ними.Следует отметить, что полуцилиндрическая трубка в случае 4 была спроектирована с постоянным объемом трубки HTF и сплава MH в спиральной трубке (вариант 3).Что касается рис.1б, воздух также вводился снизу двух полуцилиндрических трубок HTF, а водород вводился с противоположного направления реактора MH.
В связи с новой конструкцией теплообменника целью данного раздела является определение соответствующих начальных значений рабочих параметров реактора МГ в сочетании с ЩЭ.Во всех случаях в качестве теплоносителя для отвода тепла от реактора использовался воздух.Среди масел-теплоносителей для реакторов MH обычно выбирают воздух и воду из-за их низкой стоимости и низкого воздействия на окружающую среду.В связи с широким диапазоном рабочих температур сплавов на основе магния в качестве теплоносителя в данном исследовании был выбран воздух.Кроме того, он также имеет лучшие характеристики текучести, чем другие жидкие металлы и расплавленные соли41.В таблице 2 приведены свойства воздуха при 573 К. Для анализа чувствительности в этом разделе применяются только лучшие конфигурации вариантов производительности MH-SCHE (в случаях с 4 по 6).Оценки в этом разделе основаны на различных рабочих параметрах, включая начальную температуру реактора МГ, давление загрузки водорода, температуру на входе в HTF и число Рейнольдса, рассчитанное путем изменения скорости HTF.В таблице 3 приведены все рабочие параметры, использованные для анализа чувствительности.
В этом разделе описаны все необходимые уравнения управления процессом абсорбции водорода, турбулентности и теплопередачи теплоносителей.
Чтобы упростить решение реакции поглощения водорода, сделаны и предоставлены следующие предположения;
В процессе абсорбции теплофизические свойства водорода и гидридов металлов постоянны.
Водород считается идеальным газом, поэтому учитываются условия локального теплового равновесия43,44.
где \({L}_{gas}\) — радиус резервуара, а \({L}_{heat}\) — осевая высота резервуара.Когда N меньше 0,0146, поток водорода в резервуаре можно игнорировать при моделировании без существенной ошибки.Согласно текущим исследованиям, N намного ниже 0,1.Поэтому эффектом градиента давления можно пренебречь.
Стенки реактора во всех случаях были хорошо изолированы.Следовательно, теплообмен 47 между реактором и окружающей средой отсутствует.
Хорошо известно, что сплавы на основе Mg обладают хорошими характеристиками гидрирования и высокой емкостью хранения водорода до 7,6 мас.%8.С точки зрения твердотельного хранения водорода эти сплавы также известны как легкие материалы.Кроме того, они обладают превосходной термостойкостью и хорошей технологичностью8.Среди нескольких сплавов на основе Mg сплав Mg2Ni на основе Mg2Ni является одним из наиболее подходящих вариантов для хранения MH из-за его способности аккумулировать водород до 6 мас.%.Сплавы Mg2Ni также обеспечивают более быструю кинетику адсорбции и десорбции по сравнению со сплавом MgH48.Поэтому в качестве металлогидридного материала в данной работе был выбран Mg2Ni.
Уравнение энергии выражается как 25 на основе теплового баланса между водородом и гидридом Mg2Ni:
X — количество водорода, поглощенного на поверхности металла, единица измерения — \(вес\%\), рассчитывается по кинетическому уравнению \(\frac{dX}{dt}\) в процессе поглощения следующим образом49:
где \({C}_{a}\) — скорость реакции, \({E}_{a}\) — энергия активации.\({P}_{a,eq}\) — равновесное давление внутри металлогидридного реактора во время процесса абсорбции, определяемое уравнением Вант-Гоффа следующим образом25:
Где \({P}_{ref}\) — эталонное давление 0,1 МПа.\(\Delta H\) и \(\Delta S\) — энтальпия и энтропия реакции соответственно.Свойства сплавов Mg2Ni с водородом представлены в табл.4. С названным списком можно ознакомиться в дополнительном разделе.
Поток жидкости считается турбулентным, поскольку его скорость и число Рейнольдса (Re) равны 78,75 мс-1 и 14000 соответственно.В этом исследовании была выбрана достижимая модель турбулентности k-ε.Отмечается, что этот метод обеспечивает более высокую точность по сравнению с другими k-ε-методами, а также требует меньшего времени вычислений, чем методы RNG k-ε50,51.Подробную информацию об основных уравнениях для жидкостей-теплоносителей см. в дополнительном разделе.
Первоначально температурный режим в реакторе МН был равномерным, средняя концентрация водорода составляла 0,043.Предполагается, что внешняя граница реактора МГ хорошо изолирована.Сплавы на основе магния обычно требуют высоких рабочих температур реакции для хранения и выделения водорода в реакторе.Сплав Mg2Ni требует температурного диапазона 523–603 К для максимального поглощения и температурного диапазона 573–603 К для полной десорбции52.Однако экспериментальные исследования Мутукумара и др.53 показали, что максимальная емкость Mg2Ni для хранения водорода может быть достигнута при рабочей температуре 573 К, что соответствует его теоретической емкости.Поэтому в данной работе в качестве начальной температуры реактора МН была выбрана температура 573 К.
Создавайте сетки разных размеров для проверки и получения надежных результатов.На рис.2 показана средняя температура в выбранных местах процесса поглощения водорода из четырех различных элементов.Стоит отметить, что для проверки независимости сетки выбирается только один случай каждой конфигурации из-за схожей геометрии.Тот же метод построения сетки применяется и в других случаях.Поэтому выберите вариант 1 для спиральной трубы и вариант 4 для полуцилиндрической трубы.На рис.2а, б показаны средние температуры в реакторе для вариантов 1 и 4 соответственно.Три выбранных места представляют контуры температуры слоя в верхней, средней и нижней части реактора.Судя по контурам температуры в выбранных местах, средняя температура становится стабильной и показывает небольшое изменение номеров элементов 428 891 и 430 599 для случаев 1 и 4 соответственно.Поэтому именно эти размеры сетки были выбраны для дальнейших вычислительных расчетов.Подробная информация о средней температуре слоя для процесса абсорбции водорода для различных размеров ячеек и последовательного уточнения сеток для обоих случаев приведена в дополнительном разделе.
Средняя температура слоя в выбранных точках процесса абсорбции водорода в металлогидридном реакторе с различными номерами решеток.(a) Средняя температура в выбранных местах для случая 1 и (b) Средняя температура в выбранных местах для случая 4.
Металлогидридный реактор на основе Mg в этом исследовании был протестирован на основе экспериментальных результатов Мутукумара и др.53.В своем исследовании они использовали сплав Mg2Ni для хранения водорода в трубках из нержавеющей стали.Медные ребра используются для улучшения теплопередачи внутри реактора.На рис.3а показано сравнение средней температуры слоя абсорбционного процесса между экспериментальным исследованием и данным исследованием.Условия эксплуатации, выбранные для данного эксперимента: начальная температура МГ 573 К и давление на входе 2 МПа.Из рис.3а можно ясно показать, что этот экспериментальный результат хорошо согласуется с настоящим по отношению к средней температуре слоя.
Проверка модели.(а) Проверка кода металлогидридного реактора Mg2Ni путем сравнения текущего исследования с экспериментальной работой Мутукумара и др.52 и (б) проверка модели турбулентного потока в спиральной трубке путем сравнения текущего исследования с исследованием Кумара и др. .Исследования.54.
Для проверки модели турбулентности результаты этого исследования сравнивались с экспериментальными результатами Кумара и др.54, чтобы подтвердить правильность выбранной модели турбулентности.Кумар и др.54 изучали турбулентный поток в спиральном теплообменнике «труба в трубе».В качестве горячей и холодной жидкости используется вода, впрыскиваемая с противоположных сторон.Температуры горячей и холодной жидкости составляют 323 К и 300 К соответственно.Числа Рейнольдса колеблются от 3100 до 5700 для горячих жидкостей и от 21 000 до 35 000 для холодных жидкостей.Числа Дина составляют 550–1000 для горячих жидкостей и 3600–6000 для холодных жидкостей.Диаметры внутренней трубы (для горячей жидкости) и внешней трубы (для холодной жидкости) составляют 0,0254 м и 0,0508 м соответственно.Диаметр и шаг винтовой катушки составляют 0,762 м и 0,100 м соответственно.На рис.3б показано сравнение экспериментальных и текущих результатов для различных пар чисел Нуссельта и Дина для теплоносителя во внутренней трубе.Были реализованы три различные модели турбулентности и сравнены с экспериментальными результатами.Как показано на рис.3б, результаты достижимой модели турбулентности k-ε хорошо согласуются с экспериментальными данными.Поэтому данная модель была выбрана в данном исследовании.
Численное моделирование в этом исследовании было выполнено с использованием ANSYS Fluent 2020 R2.Напишите пользовательскую функцию (UDF) и используйте ее в качестве входного члена уравнения энергии для расчета кинетики процесса поглощения.Схема PRESTO55 и метод PISO56 используются для связи давления и скорости и коррекции давления.Выберите базу ячеек Грина-Гаусса для переменного градиента.Уравнения импульса и энергии решаются методом против ветра второго порядка.Что касается коэффициентов недорелаксации, компоненты давления, скорости и энергии установлены равными 0,5, 0,7 и 0,7 соответственно.Стандартные пристеночные функции применяются к HTF в модели турбулентности.
В этом разделе представлены результаты численного моделирования улучшения внутренней теплопередачи реактора MH с использованием спирального теплообменника (HCHE) и спирального теплообменника (SCHE) во время абсорбции водорода.Проанализировано влияние пека ГТФ на температуру слоя реактора и продолжительность абсорбции.Основные рабочие параметры процесса абсорбции изучены и представлены в разделе анализа чувствительности.
Чтобы исследовать влияние расстояния между змеевиками на теплообмен в реакторе MH, были исследованы три конфигурации теплообменника с различным шагом.Три различных шага: 15 мм, 12,86 мм и 10 мм обозначаются корпусом 1, корпусом 2 и корпусом 3 соответственно.Следует отметить, что во всех случаях диаметр трубы был зафиксирован равным 6 мм при начальной температуре 573 К и давлении нагрузки 1,8 МПа.На рис.4 показаны средняя температура слоя и концентрация водорода в слое MH во время процесса абсорбции водорода в случаях 1-3. Обычно реакция между гидридом металла и водородом является экзотермической по отношению к процессу абсорбции.Поэтому температура слоя быстро возрастает за счет начального момента первого введения водорода в реактор.Температура слоя повышается до достижения максимального значения, а затем постепенно снижается по мере отвода тепла теплоносителем, имеющим более низкую температуру и выступающим в качестве теплоносителя.Как показано на рис.4а, согласно предыдущему объяснению, температура слоя быстро возрастает и непрерывно снижается.Концентрация водорода для процесса абсорбции обычно зависит от температуры слоя реактора МН.Когда средняя температура слоя падает до определенной температуры, поверхность металла поглощает водород.Это связано с ускорением процессов физисорбции, хемосорбции, диффузии водорода и образования его гидридов в реакторе.Из рис.4б видно, что скорость поглощения водорода в случае 3 ниже, чем в других случаях, из-за меньшего значения шага змеевикового теплообменника.Это приводит к увеличению общей длины трубы и увеличению площади теплопередачи для труб HTF.При средней концентрации водорода 90% время поглощения для случая 1 составляет 46 276 секунд.По сравнению с длительностью всасывания в случае 1, длительность всасывания во 2 и 3 случаях сократилась на 724 с и 1263 с соответственно.В дополнительном разделе представлены контуры температуры и концентрации водорода для выбранных мест в слое HCHE-MH.
Влияние расстояния между катушками на среднюю температуру слоя и концентрацию водорода.(a) Средняя температура слоя для спиральных змеевиков, (b) концентрация водорода для спиральных змеевиков, (c) средняя температура слоя для полуцилиндрических змеевиков и (d) концентрация водорода для полуцилиндрических змеевиков.
Для улучшения характеристик теплопередачи реактора МГ были спроектированы два ТТЭ при постоянном объеме МГ (2000 см3) и спиральный теплообменник (100 см3) Варианта 3. В этом разделе также рассмотрено влияние расстояния между витки диаметром 15 мм для случая 4, 12,86 мм для случая 5 и 10 мм для случая 6. На рис.4в,г показаны средние температура слоя и концентрация процесса поглощения водорода при начальной температуре 573 К и давлении загрузки 1,8 МПа.Судя по средней температуре слоя на рис. 4в, меньшее расстояние между катушками в случае 6 существенно снижает температуру по сравнению с двумя другими случаями.В случае 6 более низкая температура слоя приводит к более высокой концентрации водорода (см. рис. 4г).Время поглощения водорода для Варианта 4 составляет 19542 с, что более чем в 2 раза меньше, чем для Вариантов 1-3 с использованием ГХГ.Кроме того, по сравнению со случаем 4 время поглощения также сократилось на 378 с и 1515 с в случаях 5 и 6 с меньшими расстояниями.В дополнительном разделе представлены контуры температуры и концентрации водорода для выбранных мест в слое SCHE-MH.
Для изучения производительности двух конфигураций теплообменника в этом разделе построены и представлены температурные кривые в трех выбранных местах.Реактор МГ с HCHE из варианта 3 был выбран для сравнения с реактором MH, содержащим СКЭ в случае 4, поскольку он имеет постоянный объем MH и объем трубы.Условиями эксплуатации для этого сравнения были начальная температура 573 К и давление нагрузки 1,8 МПа.На рис.5а и 5б показаны все три выбранных положения профилей температуры в случаях 3 и 4 соответственно.На рис.5в показан профиль температуры и концентрация слоя после 20 000 с поглощения водорода.Согласно линии 1 на рис. 5в, температура вокруг ТТФ по вариантам 3 и 4 снижается за счет конвективного теплопереноса теплоносителя.Это приводит к более высокой концентрации водорода вокруг этой области.Однако использование двух СЧЕЭ приводит к более высокой концентрации слоев.В случае 4 более быстрые кинетические реакции были обнаружены в области HTF. Кроме того, в этой области также была обнаружена максимальная концентрация 100%.Судя по линии 2, расположенной в середине реактора, температура корпуса 4 существенно ниже температуры корпуса 3 во всех местах, кроме центра реактора.Это приводит к максимальной концентрации водорода для случая 4, за исключением области вблизи центра реактора вдали от ГТФ.Однако концентрация случая 3 существенно не изменилась.Большая разница в температуре и концентрации слоя наблюдалась в линии 3 вблизи входа в ГТС.Температура слоя в случае 4 значительно снизилась, что привело к максимальной концентрации водорода в этой области, тогда как линия концентрации в случае 3 все еще колебалась.Это связано с ускорением теплоотдачи ЩЭ.Подробности и обсуждение сравнения средней температуры слоя MH и трубы HTF в случае 3 и случае 4 представлены в дополнительном разделе.
Температурный профиль и концентрация слоя в выбранных местах металлогидридного реактора.(a) Выбранные места для случая 3, (b) Выбранные места для случая 4 и (c) Профиль температуры и концентрация слоев в выбранных местах после 20 000 с для процесса поглощения водорода в случаях 3 и 4.
На рис.На рис. 6 показано сравнение средней температуры слоя (см. рис. 6а) и концентрации водорода (см. рис. 6б) для поглощения ГХГ и СТЭ.Из этого рисунка видно, что температура слоя МГ существенно снижается за счет увеличения площади теплообмена.Отвод большего количества тепла из реактора приводит к более высокой скорости поглощения водорода.Хотя обе конфигурации теплообменника имеют одинаковые объемы по сравнению с использованием HCHE в варианте 3, время поглощения водорода в SCHE на основе варианта 4 было значительно сокращено на 59%.Для более детального анализа концентрации водорода для двух конфигураций теплообменника показаны в виде изолиний на рисунке 7. На этом рисунке видно, что в обоих случаях водород начинает поглощаться снизу вокруг входа HTF.Более высокие концентрации были обнаружены в области HTF, тогда как более низкие концентрации наблюдались в центре реактора MH из-за его удаленности от теплообменника.Через 10 000 с концентрация водорода в случае 4 значительно выше, чем в случае 3. Через 20 000 секунд средняя концентрация водорода в реакторе выросла до 90 % в случае 4 по сравнению с 50 % водорода в случае 3. Это может быть связано с к более высокой эффективной холодопроизводительности при объединении двух СЧЕТ, что приводит к более низкой температуре внутри слоя МГ.Следовательно, внутри слоя МГ приходится более равновесное давление, что приводит к более быстрому поглощению водорода.
Случай 3 и Случай 4. Сравнение средней температуры слоя и концентрации водорода между двумя конфигурациями теплообменника.
Сравнение концентрации водорода через 500, 2000, 5000, 10000 и 20000 с после начала процесса поглощения водорода в случае 3 и случае 4.
В Таблице 5 суммирована продолжительность поглощения водорода для всех случаев.Кроме того, в таблице также указано время поглощения водорода, выраженное в процентах.Этот процент рассчитывается на основе времени абсорбции в случае 1. Из этой таблицы видно, что время абсорбции реактора MH с использованием HCHE составляет примерно от 45 000 до 46 000 с, а время абсорбции, включая SCHE, составляет примерно от 18 000 до 19 000 с.По сравнению со случаем 1 время поглощения в случае 2 и случае 3 сократилось всего на 1,6% и 2,7% соответственно.При использовании SCHE вместо HCHE время абсорбции значительно сократилось со случая 4 до случая 6, с 58% до 61%.Понятно, что добавление СХЭ в реактор МГ значительно улучшает процесс абсорбции водорода и производительность реактора МГ.Хотя установка теплообменника внутри реактора МГ снижает емкость накопителя, эта технология обеспечивает значительное улучшение теплопередачи по сравнению с другими технологиями.Кроме того, уменьшение значения шага приведет к увеличению громкости SCHE, что приведет к уменьшению громкости MH.В случае 6 с самым высоким объемом SCHE объемная емкость MH снизилась только на 5% по сравнению со случаем 1 с самым низким объемом HCHE.Кроме того, во время абсорбции вариант 6 показал более быструю и лучшую производительность с сокращением времени абсорбции на 61%.Поэтому случай 6 был выбран для дальнейшего исследования при анализе чувствительности.Следует отметить, что длительное время поглощения водорода связано с резервуаром-хранилищем объемом МГ около 2000 см3.
Рабочие параметры во время реакции являются важными факторами, которые положительно или отрицательно влияют на работу реактора МГ в реальных условиях.В этом исследовании рассматривается анализ чувствительности для определения соответствующих начальных рабочих параметров реактора MH в сочетании со SCHE, а в этом разделе исследуются четыре основных рабочих параметра на основе оптимальной конфигурации реактора в случае 6. Результаты для всех рабочих условий показаны на рис. Рис. 8.
График концентрации водорода в различных условиях эксплуатации при использовании теплообменника с полуцилиндрическим змеевиком.(a) давление нагрузки, (b) начальная температура слоя, (c) число Рейнольдса охлаждающей жидкости и (d) температура охлаждающей жидкости на входе.
Исходя из постоянной начальной температуры 573 К и расхода теплоносителя с числом Рейнольдса 14 000, были выбраны четыре различных давления нагрузки: 1,2 МПа, 1,8 МПа, 2,4 МПа и 3,0 МПа.На рис.8а показано влияние давления загрузки и SCHE на концентрацию водорода с течением времени.Время абсорбции уменьшается с увеличением давления нагрузки.Использование приложенного давления водорода 1,2 МПа является наихудшим случаем для процесса абсорбции водорода, а продолжительность абсорбции превышает 26 000 с для достижения 90% абсорбции водорода.Однако более высокое давление загрузки привело к снижению времени абсорбции на 32-42% с 1,8 до 3,0 МПа.Это связано с более высоким начальным давлением водорода, что приводит к большей разнице между равновесным давлением и приложенным давлением.Таким образом, это создает большую движущую силу для кинетики поглощения водорода.В начальный момент газообразный водород быстро поглощается из-за большой разницы между равновесным давлением и приложенным давлением57.При давлении загрузки 3,0 МПа за первые 10 секунд быстро накопилось 18% водорода.Водород хранился в 90% реакторов на заключительном этапе в течение 15460 с.Однако при давлении нагрузки от 1,2 до 1,8 МПа время абсорбции значительно сократилось на 32%.Другие более высокие давления оказали меньшее влияние на улучшение времени абсорбции.Поэтому рекомендуется, чтобы давление загрузки реактора MH-SCHE составляло 1,8 МПа.В дополнительном разделе показаны контуры концентрации водорода для различных давлений нагружения при 15500 с.
Выбор подходящей начальной температуры реактора МГ является одним из основных факторов, влияющих на процесс адсорбции водорода, так как влияет на движущую силу реакции образования гидрида.Для изучения влияния СХЭ на начальную температуру реактора МГ были выбраны четыре различных температуры при постоянном давлении загрузки 1,8 МПа и числе Рейнольдса 14 000 HTF.На рис.На рисунке 8b показано сравнение различных начальных температур, включая 473К, 523К, 573К и 623К.Фактически, когда температура превышает 230°C или 503K58, сплав Mg2Ni обладает эффективными характеристиками для процесса поглощения водорода.Однако в начальный момент впрыска водорода температура быстро возрастает.Следовательно, температура слоя МГ превысит 523 К. Следовательно, образование гидридов облегчается за счет увеличения скорости поглощения53.Из рис.Из рис. 8б видно, что водород поглощается быстрее при уменьшении начальной температуры слоя МБ.Более низкие равновесные давления возникают, когда начальная температура ниже.Чем больше разница давлений между равновесным давлением и приложенным давлением, тем быстрее происходит процесс абсорбции водорода.При начальной температуре 473 К водород быстро поглощается до 27% за первые 18 секунд.Кроме того, время поглощения также сократилось с 11% до 24% при более низкой начальной температуре по сравнению с начальной температурой 623 К. Время поглощения при самой низкой начальной температуре 473 К составляет 15247 с, что аналогично лучшему в корпусе давления загрузки, однако снижение начальной температуры реактора приводит к уменьшению емкости хранения водорода.Начальная температура реактора МН должна быть не ниже 503 К53.Кроме того, при начальной температуре 573 К53 может быть достигнута максимальная емкость хранения водорода 3,6 мас.%.Что касается емкости хранения водорода и продолжительности поглощения, температуры от 523 до 573 К сокращают время всего на 6%.Поэтому в качестве начальной температуры реактора MH-SCHE предлагается температура 573 К.Однако влияние начальной температуры на процесс абсорбции было менее значительным по сравнению с давлением загрузки.В дополнительном разделе показаны контуры концентрации водорода для различных начальных температур при 15500 с.
Скорость потока является одним из основных параметров гидрирования и дегидрирования, поскольку она может влиять на турбулентность и отвод или подвод тепла во время гидрирования и дегидрирования59.Высокие скорости потока создают турбулентные фазы и приводят к более быстрому прохождению жидкости через трубку HTF.Эта реакция приведет к более быстрой передаче тепла.Различные скорости входа для HTF рассчитываются на основе чисел Рейнольдса 10 000, 14 000, 18 000 и 22 000.Начальная температура слоя МГ была зафиксирована равной 573 К, давление загрузки – 1,8 МПа.Результаты на рис.8c демонстрируют, что использование более высокого числа Рейнольдса в сочетании с SCHE приводит к более высокой скорости поглощения.При увеличении числа Рейнольдса с 10 000 до 22 000 время поглощения уменьшается примерно на 28-50%.Время абсорбции при числе Рейнольдса 22 000 составляет 12 505 секунд, что меньше, чем при различных начальных температурах и давлениях нагрузки.Контуры концентрации водорода для различных чисел Рейнольдса для ГТП на 12500 с представлены в дополнительном разделе.
Влияние СХЭ на начальную температуру ГТФ проанализировано и показано на рис. 8г.При начальной температуре МГ 573 К и давлении загрузки водорода 1,8 МПа для данного анализа были выбраны четыре начальные температуры: 373 К, 473 К, 523 К и 573 К. Из рис. 8г видно, что снижение температуры теплоносителя на входе приводит к сокращению времени абсорбции.По сравнению с базовым вариантом с температурой на входе 573 К время абсорбции сократилось примерно на 20%, 44% и 56% для температур на входе 523 К, 473 К и 373 К соответственно.При 6917 с начальная температура ГТФ 373 К, концентрация водорода в реакторе 90%.Это можно объяснить усилением конвективного теплопереноса между слоем МГ и ГТС.Более низкие температуры HTF увеличивают рассеивание тепла и приводят к увеличению поглощения водорода.Среди всех рабочих параметров повышение производительности реактора MH-SCHE за счет повышения температуры на входе в HTF оказалось наиболее подходящим методом, поскольку время окончания процесса абсорбции составляло менее 7000 с, тогда как наименьшее время абсорбции у других методов было более более 10000 с.Контуры концентрации водорода представлены для различных начальных температур ГТУ за 7000 с.
В этом исследовании впервые представлен новый полуцилиндрический змеевиковый теплообменник, интегрированный в металлогидридный аккумулятор.Способность предлагаемой системы поглощать водород была исследована при различных конфигурациях теплообменника.Исследовано влияние рабочих параметров на теплообмен между металлогидридным слоем и теплоносителем с целью поиска оптимальных условий хранения металлогидридов с использованием нового теплообменника.Основные выводы этого исследования суммируются следующим образом:
При использовании полуцилиндрического змеевикового теплообменника эффективность теплопередачи улучшается, поскольку он имеет более равномерное распределение тепла в реакторе со слоем магния, что приводит к лучшей скорости поглощения водорода.При условии, что объем теплообменной трубки и гидрида металла остается неизменным, время реакции абсорбции значительно сокращается на 59% по сравнению с обычным спиральным теплообменником.
Время публикации: 15 января 2023 г.