Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Покрај тоа, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува рингишпил од три слајдови одеднаш.Користете ги копчињата Previous и Next за да се движите низ три слајдови истовремено или користете ги копчињата за лизгање на крајот за да се движите низ три слајдови истовремено.
Металните хидриди (MH) се препознаваат како една од најпогодните групи на материјали за складирање на водород поради нивниот голем капацитет за складирање на водород, низок работен притисок и висока безбедност.Сепак, нивната слаба кинетика на навлегување на водород во голема мера ги намалува перформансите на складирањето.Побрзото отстранување на топлината од складиштето MH може да игра важна улога во зголемувањето на неговата стапка на навлегување водород, што резултира со подобрени перформанси на складирање.Во овој поглед, оваа студија беше насочена кон подобрување на карактеристиките на пренос на топлина со цел позитивно да се влијае на стапката на навлегување на водород од системот за складирање MH.Новата полуцилиндрична намотка за прв пат беше развиена и оптимизирана за складирање на водород и вградена како внатрешен разменувач воздух како топлина (HTF).Врз основа на различните големини на теренот, ефектот на новата конфигурација на разменувачот на топлина се анализира и споредува со конвенционалната геометрија на спирален калем.Дополнително, работните параметри на складирањето на MG и GTP беа нумерички проучувани за да се добијат оптимални вредности.За нумеричка симулација се користи ANSYS Fluent 2020 R2.Резултатите од оваа студија покажуваат дека перформансите на резервоарот за складирање MH може значително да се подобрат со користење на полуцилиндричен разменувач на топлина (SCHE).Во споредба со конвенционалните разменувачи на топлина со спирален калем, времетраењето на апсорпцијата на водород е намалено за 59%.Најмалото растојание помеѓу намотките SCHE резултираше со намалување на времето на апсорпција за 61%.Што се однесува до работните параметри на складирањето MG со користење на SHE, сите избрани параметри доведуваат до значително подобрување во процесот на апсорпција на водород, особено температурата на влезот во HTS.
Постои глобална транзиција од енергија заснована на фосилни горива кон обновлива енергија.Бидејќи многу форми на обновлива енергија обезбедуваат енергија на динамичен начин, складирањето енергија е неопходно за да се балансира товарот.Складирањето на енергија базирано на водород привлече големо внимание за оваа намена, особено затоа што водородот може да се користи како „зелено“ алтернативно гориво и енергетски носач поради неговите својства и преносливост.Покрај тоа, водородот нуди и поголема енергетска содржина по единица маса во споредба со фосилните горива2.Постојат четири главни типа на складирање на енергија на водород: складирање на компримиран гас, подземно складирање, складирање течност и складирање на цврсти материи.Компресираниот водород е главниот тип што се користи во возилата со горивни ќелии како што се автобусите и виљушкарите.Сепак, ова складирање обезбедува мала волуменска густина на водород (приближно 0,089 kg/m3) и има безбедносни проблеми поврзани со високиот работен притисок3.Врз основа на процес на конверзија при ниска амбиентална температура и притисок, складирањето течност ќе складира водород во течна форма.Меѓутоа, кога се течни, околу 40% од енергијата се губи.Дополнително, познато е дека оваа технологија е поинтензивна енергија и труд во споредба со технологиите за складирање во цврста состојба4.Цврстиот складирање е остварлива опција за економија на водород, која складира водород со инкорпорирање на водород во цврсти материјали преку апсорпција и ослободување на водород преку десорпција.Метал хидрид (MH), технологија за складирање цврст материјал, е од неодамнешен интерес во апликациите на горивни ќелии поради неговиот висок капацитет на водород, низок работен притисок и ниска цена во споредба со складирање течност, и е погоден за стационарни и мобилни апликации6,7 Покрај тоа, MH материјалите обезбедуваат и безбедносни својства како што е ефикасно складирање на голем капацитет8.Сепак, постои проблем што ја ограничува продуктивноста на MG: ниската топлинска спроводливост на реакторот MG доведува до бавна апсорпција и десорпција на водородот.
Правилниот пренос на топлина за време на егзотермните и ендотермните реакции е клучот за подобрување на перформансите на реакторите со MH.За процесот на полнење на водород, генерираната топлина мора да се отстрани од реакторот за да се контролира протокот на водород со саканата брзина со максимален капацитет за складирање.Наместо тоа, потребна е топлина за да се зголеми стапката на еволуција на водородот за време на испуштањето.Со цел да се подобрат перформансите за пренос на топлина и маса, многу истражувачи го проучувале дизајнот и оптимизацијата врз основа на повеќе фактори како што се работните параметри, структурата на MG и оптимизацијата на MG11.Оптимизацијата на MG може да се направи со додавање на материјали со висока топлинска спроводливост како што се пени метали на слоевите MG 12,13.Така, ефективната топлинска спроводливост може да се зголеми од 0,1 на 2 W/mK10.Сепак, додавањето на цврсти материјали значително ја намалува моќноста на реакторот MN.Во однос на работните параметри, подобрувањата може да се постигнат со оптимизирање на почетните работни услови на слојот MG и течноста за ладење (HTF).Структурата на MG може да се оптимизира поради геометријата на реакторот и дизајнот на разменувачот на топлина.Во однос на конфигурацијата на разменувачот на топлина на реакторот MH, методите можат да се поделат на два вида.Станува збор за внатрешни разменувачи на топлина вградени во слојот MO и надворешни разменувачи на топлина што го покриваат слојот MO како што се перки, јакни за ладење и водени бањи.Во однос на надворешниот разменувач на топлина, Каплан16 ја анализираше работата на реакторот MH, користејќи вода за ладење како обвивка за да ја намали температурата во реакторот.Резултатите беа споредени со реактор со 22 тркалезни перки и друг реактор ладен со природна конвекција.Тие наведуваат дека присуството на јакна за ладење значително ја намалува температурата на МЗ, а со тоа ја зголемува стапката на апсорпција.Нумеричките студии на реакторот MH обложен со вода од Патил и Гопал17 покажаа дека притисокот на снабдување со водород и температурата на HTF се клучни параметри кои влијаат на стапката на навлегување и десорпција на водород.
Зголемувањето на површината за пренос на топлина со додавање на перки и разменувачи на топлина вградени во MH е клучот за подобрување на перформансите за пренос на топлина и маса, а со тоа и перформансите за складирање на MH18.Неколку внатрешни конфигурации на разменувачи на топлина (права цевка и спирален калем) се дизајнирани да циркулираат течноста за ладење во реакторот MH19,20,21,22,23,24,25,26.Со помош на внатрешен разменувач на топлина, течноста за ладење или загревање ќе пренесе локална топлина во реакторот MH за време на процесот на адсорпција на водород.Раџу и Кумар [27] користеле неколку прави цевки како разменувачи на топлина за да ги подобрат перформансите на МГ.Нивните резултати покажаа дека времето на апсорпција е намалено кога се користеле прави цевки како разменувачи на топлина.Дополнително, употребата на прави цевки го скратува времето на десорпција на водород28.Поголемите стапки на проток на течноста за ладење ја зголемуваат брзината на полнење и празнење на водород29.Сепак, зголемувањето на бројот на цевки за ладење има позитивен ефект врз перформансите на MH наместо брзината на проток на течноста за ладење30,31.Раџу и сор.32 користеле LaMi4.7Al0.3 како MH материјал за проучување на перформансите на разменувачите на топлина со повеќе цевки во реакторите.Тие објавија дека работните параметри имале значаен ефект врз процесот на апсорпција, особено притисокот на храната, а потоа и брзината на проток на HTF.Сепак, температурата на апсорпција се покажа како помалку критична.
Перформансите на MH реакторот дополнително се подобруваат со употреба на разменувач на топлина со спирален калем поради неговиот подобрен пренос на топлина во споредба со прави цевки.Тоа е затоа што секундарниот циклус може подобро да ја отстрани топлината од реакторот25.Покрај тоа, спиралните цевки обезбедуваат голема површина за пренос на топлина од слојот MH до течноста за ладење.Кога овој метод се воведува во реакторот, дистрибуцијата на цевките за размена на топлина е исто така порамномерна33.Ванг и сор.34 го проучувал ефектот на времетраењето на навлегувањето на водородот со додавање на спирален калем во реактор MH.Нивните резултати покажуваат дека како што се зголемува коефициентот на пренос на топлина на течноста за ладење, времето на апсорпција се намалува.Ву и сор.25 ги истражи перформансите на MH реакторите базирани на Mg2Ni и разменувачите на топлина со намотани намотки.Нивните нумерички студии покажаа намалување на времето на реакција.Подобрувањето на механизмот за пренос на топлина во реакторот MN се заснова на помал сооднос на чекорот на завртката со чекорот на завртката и бездимензионалниот чекор на завртката.Експериментална студија од Mellouli et al.21 користејќи намотана намотка како внатрешен разменувач на топлина покажа дека почетната температура на HTF има значително влијание врз подобрувањето на времето на навлегување и десорпција на водородот.Во неколку студии се спроведени комбинации на различни внатрешни разменувачи на топлина.Еисапур и сор.35 го проучувал складирањето на водород со помош на разменувач на топлина со спирален калем со централна повратна цевка за да го подобри процесот на апсорпција на водород.Нивните резултати покажаа дека спиралната цевка и централната цевка за враќање значително го подобруваат преносот на топлина помеѓу течноста за ладење и МГ.Помалиот чекор и поголемиот дијаметар на спиралната цевка ја зголемуваат брзината на пренос на топлина и маса.Ардахаие и сор.36 користеле рамни спирални цевки како разменувачи на топлина за да го подобрат преносот на топлина во реакторот.Тие објавија дека времетраењето на апсорпцијата е намалено со зголемување на бројот на срамнети со земја рамнини со спирални цевки.Во неколку студии се спроведени комбинации на различни внатрешни разменувачи на топлина.Дау и сор.37 ги подобри перформансите на МЗ со помош на разменувач на топлина со намотан калем и перки.Нивните резултати покажуваат дека овој метод го намалува времето на полнење со водород за фактор 2 во споредба со случајот без перки.Прстенестите перки се комбинираат со цевки за ладење и се вградени во реакторот MN.Резултатите од оваа студија покажуваат дека овој комбиниран метод обезбедува порамномерен пренос на топлина во споредба со реакторот MH без перки.Сепак, комбинирањето на различни разменувачи на топлина негативно ќе влијае на тежината и волуменот на реакторот MH.Wu et al.18 споредувале различни конфигурации на разменувачи на топлина.Тие вклучуваат прави цевки, перки и спирални намотки.Авторите известуваат дека спиралните намотки обезбедуваат најдобри подобрувања во преносот на топлина и маса.Покрај тоа, во споредба со прави цевки, намотани цевки и прави цевки во комбинација со намотани цевки, двојните намотки имаат подобар ефект врз подобрувањето на преносот на топлина.Студија на Сехар и сор.40 покажа дека слично подобрување во навлегувањето на водородот е постигнато со користење на спирален калем како внатрешен разменувач на топлина и надворешна обвивка за ладење со ребра.
Од примерите споменати погоре, употребата на спирални намотки како внатрешни разменувачи на топлина обезбедува подобри подобрувања за пренос на топлина и маса од другите разменувачи на топлина, особено директно цевки и перки.Затоа, целта на оваа студија беше понатамошно развивање на спиралната намотка за подобрување на перформансите на пренос на топлина.За прв пат, развиен е нов полуцилиндричен калем врз основа на конвенционалниот спирален калем за складирање MH.Оваа студија се очекува да ги подобри перформансите за складирање на водород со разгледување на нов дизајн на разменувач на топлина со подобар распоред на зоната за пренос на топлина обезбеден со постојан волумен на MH кревет и HTF цевки.Перформансите на складирање на овој нов разменувач на топлина потоа беа споредени со конвенционалните разменувачи на топлина со спирален серпентина базирани на различни чекори на калеми.Според постоечката литература, условите за работа и растојанието на намотките се главните фактори кои влијаат на работата на реакторите со МЗ.За да се оптимизира дизајнот на овој нов разменувач на топлина, беше испитуван ефектот на растојанието на серпентина врз времето на навлегување водород и волуменот на MH.Дополнително, со цел да се разбере односот помеѓу новите полуцилиндрични намотки и работните услови, секундарна цел на оваа студија беше да се проучат карактеристиките на реакторот според различни опсези на работни параметри и да се утврдат соодветните вредности за секоја работа. Мод.параметар.
Перформансите на уредот за складирање на водородна енергија во оваа студија се истражуваат врз основа на две конфигурации на разменувачи на топлина (вклучувајќи спирални цевки во случаите од 1 до 3 и полуцилиндрични цевки во случаите 4 до 6) и анализа на чувствителност на работните параметри.Операбилноста на реакторот MH беше тестирана за прв пат со помош на спирална цевка како разменувач на топлина.И цевката за масло за течноста за ладење и садот за реакторот MH се направени од нерѓосувачки челик.Треба да се забележи дека димензиите на реакторот MG и дијаметарот на цевките GTF биле константни во сите случаи, додека големини на чекорите на GTF варираат.Овој дел го анализира ефектот на големината на висината на HTF калеми.Висината и надворешниот дијаметар на реакторот беа 110 mm и 156 mm, соодветно.Дијаметарот на цевката за масло што спроведува топлина е поставен на 6 mm.Видете го Дополнителниот дел за детали за дијаграмот на колото на реакторот MH со спирални цевки и две полуцилиндрични цевки.
На сл.1а го прикажува реакторот со спирална цевка MH и неговите димензии.Сите геометриски параметри се дадени во табелата.1. Вкупниот волумен на спиралата и волуменот на ZG се приближно 100 cm3 и 2000 cm3, соодветно.Од овој MH реактор, воздухот во форма на HTF се внесуваше во порозниот MH реактор одоздола преку спирална цевка, а водородот беше внесен од горната површина на реакторот.
Карактеризација на избрани геометрии за реактори на метал хидрид.а) со спирално-тубуларен разменувач на топлина, б) со полуцилиндричен цевчест разменувач на топлина.
Вториот дел ја испитува работата на реакторот MH врз основа на полуцилиндрична цевка како разменувач на топлина.На сл.1б го прикажува MN реакторот со две полуцилиндрични цевки и нивните димензии.Во Табела 1 се наведени сите геометриски параметри на полуцилиндричните цевки, кои остануваат константни, со исклучок на растојанието меѓу нив.Треба да се забележи дека полуцилиндричната цевка во случајот 4 е дизајнирана со константен волумен на HTF цевка и MH легура во намотана цевка (опција 3).Што се однесува до сл.1б, воздухот беше внесен и од дното на двете полуцилиндрични HTF цевки, а водородот беше внесен од спротивната насока на реакторот MH.
Поради новиот дизајн на разменувачот на топлина, целта на овој дел е да се одредат соодветните почетни вредности за работните параметри на реакторот MH во комбинација со SCHE.Во сите случаи, воздухот се користел како течност за ладење за да се отстрани топлината од реакторот.Помеѓу маслата за пренос на топлина, воздухот и водата вообичаено се избираат како масла за пренос на топлина за реакторите со MH поради нивната ниска цена и ниското влијание врз животната средина.Поради високиот работен температурен опсег на легурите на база на магнезиум, воздухот беше избран како течност за ладење во оваа студија.Покрај тоа, тој има и подобри карактеристики на проток од другите течни метали и стопените соли41.Табелата 2 ги наведува својствата на воздухот на 573 K. За анализа на чувствителноста во овој дел, се применуваат само најдобрите конфигурации на опциите за изведба на MH-SCHE (во случаите 4 до 6).Проценките во овој дел се засноваат на различни работни параметри, вклучувајќи ја почетната температура на реакторот MH, притисокот на оптоварување на водород, температурата на влезот на HTF и Рејнолдсовиот број пресметан со промена на стапката на HTF.Табела 3 ги содржи сите работни параметри што се користат за анализа на чувствителност.
Овој дел ги опишува сите потребни контролни равенки за процесот на апсорпција на водород, турбуленции и пренос на топлина на течностите за ладење.
За да се поедностави растворот на реакцијата на навлегување на водород, се направени и обезбедени следните претпоставки;
За време на апсорпцијата, термофизичките својства на водородот и металните хидриди се константни.
Водородот се смета за идеален гас, затоа се земаат предвид локалните услови на топлинска рамнотежа43,44.
каде \({L}_{гас}\) е радиусот на резервоарот, а \({L}_{топлина}\) е аксијалната висина на резервоарот.Кога N е помал од 0,0146, протокот на водород во резервоарот може да се игнорира во симулацијата без значителна грешка.Според сегашните истражувања, N е многу помал од 0,1.Затоа, ефектот на градиент на притисок може да се занемари.
Ѕидовите на реакторот беа добро изолирани во сите случаи.Затоа, нема размена на топлина 47 помеѓу реакторот и околината.
Добро е познато дека легурите базирани на Mg имаат добри карактеристики на хидрогенизација и висок капацитет за складирање на водород до 7,6 wt%8.Во однос на апликациите за складирање на водород во цврста состојба, овие легури се познати и како лесни материјали.Покрај тоа, тие имаат одлична отпорност на топлина и добра обработка8.Помеѓу неколкуте легури базирани на Mg, легурата MgNi базирана на Mg2Ni е една од најсоодветните опции за складирање на MH поради нејзиниот капацитет за складирање на водород до 6 wt%.Легурите Mg2Ni, исто така, обезбедуваат побрза кинетика на адсорпција и десорпција во споредба со легурата MgH48.Затоа, Mg2Ni беше избран како метал хидрид материјал во оваа студија.
Енергетската равенка е изразена како 25 врз основа на топлинската рамнотежа помеѓу водород и Mg2Ni хидрид:
X е количината на водород апсорбирана на металната површина, единицата е \(тежина\%\), пресметана од кинетичката равенка \(\frac{dX}{dt}\) за време на апсорпцијата како што следува49:
каде \({C}_{a}\) е брзината на реакција и \({E}_{a}\) е енергијата на активирање.\({P}_{a,eq}\) е рамнотежен притисок во реакторот на метал хидрид за време на процесот на апсорпција, даден со ван-хофовата равенка како што следува25:
Каде што \({P}_{ref}\) е референтниот притисок од 0,1 MPa.\(\Delta H\) и \(\Delta S\) се енталпија и ентропија на реакцијата, соодветно.Својствата на легурите Mg2Ni и водородот се претставени во табела.4. Именуваната листа може да се најде во дополнителниот дел.
Протокот на течноста се смета за турбулентен бидејќи неговата брзина и Рејнолдсов број (Re) се 78,75 ms-1 и 14000, соодветно.Во оваа студија беше избран остварлив k-ε турбулентен модел.Забележано е дека овој метод обезбедува поголема точност во споредба со другите k-ε методи, а исто така бара помалку време за пресметување од методите RNG k-ε50,51.Погледнете го Дополнителниот дел за детали за основните равенки за течности за пренос на топлина.
Првично, температурниот режим во реакторот MN беше униформен, а просечната концентрација на водород беше 0,043.Се претпоставува дека надворешната граница на МЗ реакторот е добро изолирана.Легурите базирани на магнезиум обично бараат високи работни температури на реакцијата за складирање и ослободување на водород во реакторот.Легурата Mg2Ni бара температурен опсег од 523–603 K за максимална апсорпција и температурен опсег од 573–603 K за целосна десорпција52.Сепак, експерименталните студии од Muthukumar et al.53 покажаа дека максималниот капацитет за складирање на Mg2Ni за складирање на водород може да се постигне на работна температура од 573 K, што одговара на неговиот теоретски капацитет.Затоа, температурата од 573 К беше избрана како почетна температура на реакторот MN во оваа студија.
Создадете различни големини на мрежа за валидација и сигурни резултати.На сл.2 ја прикажува просечната температура на избраните локации во процесот на апсорпција на водород од четири различни елементи.Вреди да се напомене дека само еден случај од секоја конфигурација е избран за тестирање за независност на мрежата поради слична геометрија.Истиот метод на поврзување се применува и во други случаи.Затоа, изберете ја опцијата 1 за спиралната цевка и опцијата 4 за полуцилиндричната цевка.На сл.2a, b ја прикажува просечната температура во реакторот за опциите 1 и 4, соодветно.Трите избрани локации ги претставуваат контурите на температурата на креветот на врвот, средината и дното на реакторот.Врз основа на температурните контури на избраните локации, просечната температура станува стабилна и покажува мала промена во броевите на елементите 428.891 и 430.599 за случаите 1 и 4, соодветно.Затоа, овие големини на решетката беа избрани за понатамошни пресметки.Детални информации за просечната температура на креветот за процесот на апсорпција на водород за различни големини на ќелии и последователно рафинирани мрежи за двата случаи се дадени во дополнителниот дел.
Просечна температура на креветот во избраните точки во процесот на апсорпција на водород во реактор за метал хидрид со различни мрежни броеви.(а) Просечна температура на избраните локации за случајот 1 и (б) Просечната температура на избраните локации за случајот 4.
Реакторот за метал хидрид базиран на Mg во оваа студија беше тестиран врз основа на експерименталните резултати на Muthukumar et al.53.Во нивната студија, тие користеле легура Mg2Ni за складирање на водород во цевки од нерѓосувачки челик.Бакарните перки се користат за подобрување на преносот на топлина во внатрешноста на реакторот.На сл.3а покажува споредба на просечната температура на креветот на процесот на апсорпција помеѓу експерименталната студија и оваа студија.Условите за работа избрани за овој експеримент се: MG почетна температура 573 K и влезен притисок 2 MPa.Од сл.3а може јасно да се покаже дека овој експериментален резултат е во добра согласност со сегашниот во однос на просечната температура на слојот.
Проверка на моделот.(а) Потврда на кодот на реакторот за метал хидрид Mg2Ni со споредување на тековната студија со експерименталната работа на Muthukumar и сор. .Истражување.54.
За да се тестира моделот на турбуленција, резултатите од оваа студија беа споредени со експерименталните резултати на Kumar et al.54 за да се потврди точноста на избраниот модел на турбуленција.Kumar et al.54 го проучувале турбулентниот проток во спирален разменувач на топлина од цевка во цевка.Водата се користи како топла и ладна течност што се инјектира од спротивни страни.Температурите на топла и ладна течност се 323 K и 300 K, соодветно.Броевите на Рејнолдс се движат од 3100 до 5700 за топли течности и од 21.000 до 35.000 за ладни течности.Броевите на деканот се 550-1000 за топли течности и 3600-6000 за ладни течности.Дијаметарот на внатрешната цевка (за топла течност) и надворешната цевка (за ладна течност) се 0,0254 m и 0,0508 m, соодветно.Дијаметарот и чекорот на спиралниот калем се 0,762 m и 0,100 m, соодветно.На сл.3б покажува споредба на експериментални и тековни резултати за различни парови Нуселт и Дин броеви за течноста за ладење во внатрешната цевка.Беа имплементирани три различни модели на турбуленции и споредени со експериментални резултати.Како што е прикажано на сл.3б, резултатите од остварливиот модел на турбуленција k-ε се во добра согласност со експерименталните податоци.Затоа, овој модел беше избран во оваа студија.
Нумеричките симулации во оваа студија беа изведени со користење на ANSYS Fluent 2020 R2.Напишете функција дефинирана од корисникот (UDF) и употребете ја како влезен член на равенката на енергијата за да ја пресметате кинетиката на процесот на апсорпција.Колото PRESTO55 и методот PISO56 се користат за комуникација притисок-брзина и корекција на притисокот.Изберете база на ќелии Грин-Гаус за променливиот градиент.Равенките на моментумот и енергијата се решаваат со методот од втор ред против ветер.Што се однесува до коефициентите на недоволно релаксирање, компонентите на притисок, брзина и енергија се поставени на 0,5, 0,7 и 0,7, соодветно.Стандардните функции на ѕидот се применуваат на HTF во моделот на турбуленција.
Овој дел ги прикажува резултатите од нумеричките симулации на подобрен внатрешен пренос на топлина на реактор MH со помош на завиткан калем разменувач на топлина (HCHE) и спирален разменувач на топлина (SCHE) за време на апсорпција на водород.Анализиран е ефектот на висината на HTF врз температурата на реакторот и времетраењето на апсорпцијата.Главните работни параметри на процесот на апсорпција се проучувани и претставени во делот за анализа на чувствителност.
За да се истражи ефектот на растојанието на серпентина врз преносот на топлина во реактор MH, беа испитани три конфигурации на разменувачи на топлина со различни тонови.Трите различни чекори од 15mm, 12,86mm и 10mm се означени соодветно тело 1, тело 2 и тело 3.Треба да се забележи дека дијаметарот на цевката беше фиксиран на 6 mm на почетна температура од 573 K и притисок на оптоварување од 1,8 MPa во сите случаи.На сл.4 ја покажува просечната температура на креветот и концентрацијата на водород во слојот MH за време на процесот на апсорпција на водород во случаите од 1 до 3. Обично, реакцијата помеѓу металниот хидрид и водородот е егзотермна за процесот на апсорпција.Затоа, температурата на креветот брзо се зголемува поради почетниот момент кога водородот првпат се внесува во реакторот.Температурата на креветот се зголемува додека не достигне максимална вредност, а потоа постепено се намалува бидејќи топлината ја однесува течноста за ладење, која има пониска температура и делува како течност за ладење.Како што е прикажано на сл.4а, поради претходното објаснување, температурата на слојот брзо се зголемува и континуирано се намалува.Концентрацијата на водород за процесот на апсорпција обично се заснова на температурата на лежиштето на реакторот MH.Кога просечната температура на слојот паѓа на одредена температура, металната површина апсорбира водород.Ова се должи на забрзувањето на процесите на физисорпција, хемисорпција, дифузија на водород и формирање на неговите хидриди во реакторот.Од сл.4б може да се види дека стапката на апсорпција на водород во случајот 3 е помала отколку во другите случаи поради помалата вредност на чекорот на серпентина разменувач на топлина.Ова резултира со подолга вкупна должина на цевката и поголема површина за пренос на топлина за цевките HTF.Со просечна концентрација на водород од 90%, времето на апсорпција за Случај 1 е 46.276 секунди.Во споредба со времетраењето на апсорпцијата во случајот 1, времетраењето на апсорпцијата во случаите 2 и 3 е намалено за 724 с и 1263 с., соодветно.Дополнителниот дел ги прикажува контурите на температурата и концентрацијата на водород за избраните локации во слојот HCHE-MH.
Влијание на растојанието помеѓу намотките врз просечната температура на слојот и концентрацијата на водород.(а) Просечна температура на креветот за спирални намотки, (б) концентрација на водород за спирални намотки, (в) просечна температура на креветот за полуцилиндрични намотки и (г) концентрација на водород за полуцилиндрични намотки.
За да се подобрат карактеристиките на пренос на топлина на реакторот MG, два HFC беа дизајнирани за константен волумен на MG (2000 cm3) и спирален разменувач на топлина (100 cm3) од Опција 3. Овој дел исто така го разгледува ефектот на растојанието помеѓу намотки од 15 mm за случајот 4, 12,86 mm за случајот 5 и 10 mm за случајот 6. На сл.4c,d ја прикажува просечната температура на креветот и концентрацијата на процесот на апсорпција на водород на почетна температура од 573 K и притисок на оптоварување од 1,8 MPa.Според просечната температура на слојот на Сл. 4в, помалото растојание помеѓу намотките во случајот 6 значително ја намалува температурата во споредба со другите два случаи.За случајот 6, пониската температура на креветот резултира со повисока концентрација на водород (види Сл. 4г).Времето на навлегување на водородот за варијантата 4 е 19542 s, што е повеќе од 2 пати пониско отколку за варијантите 1-3 кои користат HCH.Дополнително, во споредба со случајот 4, времето на апсорпција исто така е намалено за 378 секунди и 1515 секунди во случаите 5 и 6 со помали растојанија.Дополнителниот дел ги прикажува контурите на температурата и концентрацијата на водород за избраните локации во слојот SCHE-MH.
За да се проучат перформансите на две конфигурации на разменувачи на топлина, овој дел прикажува и прикажува температурни криви на три избрани локации.Реакторот MH со HCHE од случајот 3 е избран за споредба со реакторот MH што содржи SCHE во случајот 4, бидејќи има постојан волумен на MH и волумен на цевката.Условите за работа за оваа споредба беа почетна температура од 573 K и притисок на оптоварување од 1,8 MPa.На сл.5а и 5б ги прикажуваат сите три избрани позиции на температурните профили во случаите 3 и 4, соодветно.На сл.5c го прикажува температурниот профил и концентрацијата на слојот по 20.000 секунди навлегување на водород.Според линијата 1 на слика 5в, температурата околу TTF од опциите 3 и 4 се намалува поради конвективниот пренос на топлина на течноста за ладење.Ова резултира со поголема концентрација на водород околу оваа област.Меѓутоа, употребата на два SCHЕ резултира со поголема концентрација на слој.Побрзи кинетичка одговори беа пронајдени околу HTF регионот во случајот 4. Покрај тоа, максимална концентрација од 100% беше пронајдена и во овој регион.Од линијата 2 која се наоѓа во средината на реакторот, температурата на случајот 4 е значително пониска од температурата на случајот 3 на сите места освен центарот на реакторот.Ова резултира со максимална концентрација на водород за случајот 4, освен за регионот во близина на центарот на реакторот далеку од HTF.Сепак, концентрацијата на случајот 3 не се промени многу.Голема разлика во температурата и концентрацијата на слојот е забележана во линијата 3 во близина на влезот во ГТС.Температурата на слојот во случајот 4 значително се намали, што резултираше со најголема концентрација на водород во овој регион, додека линијата на концентрација во случајот 3 сè уште флуктуира.Ова се должи на забрзувањето на преносот на топлина SCHE.Детали и дискусија за споредбата на просечната температура на слојот MH и HTF цевката помеѓу случајот 3 и случајот 4 се дадени во дополнителниот дел.
Температурен профил и концентрација на корито на избрани локации во реакторот за метал хидрид.(а) Избрани локации за случајот 3, (б) Избрани локации за случајот 4 и (в) Температурниот профил и концентрацијата на слојот на избраните локации по 20.000 секунди за процесот на навлегување на водород во случаите 3 и 4.
На сл.Слика 6 покажува споредба на просечната температура на креветот (види Сл. 6а) и концентрацијата на водород (види Сл. 6б) за апсорпција на HCH и SHE.Од оваа бројка може да се види дека температурата на слојот MG значително се намалува поради зголемувањето на површината за размена на топлина.Отстранувањето на повеќе топлина од реакторот резултира со поголема стапка на навлегување на водород.Иако двете конфигурации на разменувачи на топлина имаат исти волумени во споредба со користењето на HCHE како опција 3, времето на земање на водород на SCHE врз основа на Опција 4 беше значително намалено за 59%.За подетална анализа, концентрациите на водород за двете конфигурации на разменувачи на топлина се прикажани како изолинии на Слика 7. Оваа слика покажува дека во двата случаи, водородот почнува да се апсорбира одоздола околу влезот на HTF.Повисоки концентрации беа пронајдени во регионот HTF, додека пониски концентрации беа забележани во центарот на реакторот MH поради неговата оддалеченост од разменувачот на топлина.По 10.000 секунди, концентрацијата на водород во случајот 4 е значително повисока отколку во случајот 3. По 20.000 секунди, просечната концентрација на водород во реакторот се зголеми на 90% во случајот 4 во споредба со 50% водородот во случајот 3. Ова може да се должи до повисокиот ефективен капацитет за ладење со комбинирање на два SCHE, што резултира со пониска температура во внатрешноста на слојот MH.Следствено, повеќе рамнотежен притисок паѓа во слојот MG, што доведува до побрза апсорпција на водород.
Случај 3 и случај 4 Споредба на просечната температура на креветот и концентрацијата на водород помеѓу две конфигурации на разменувачи на топлина.
Споредба на концентрацијата на водород по 500, 2000, 5000, 10000 и 20000 секунди по почетокот на процесот на апсорпција на водород во случај 3 и случај 4.
Табела 5 го сумира времетраењето на навлегувањето на водородот за сите случаи.Покрај тоа, табелата го покажува и времето на апсорпција на водород, изразено во проценти.Овој процент се пресметува врз основа на времето на апсорпција на Случај 1. Од оваа табела, времето на апсорпција на MH реакторот што користи HCHE е околу 45.000 до 46.000 s, а времето на апсорпција вклучувајќи го SCHE е околу 18.000 до 19.000 s.Во споредба со Случај 1, времето на апсорпција во Случај 2 и Случај 3 е намалено за само 1,6% и 2,7%, соодветно.При употреба на SCHE наместо HCHE, времето на апсорпција беше значително намалено од случај 4 до случај 6, од 58% на 61%.Јасно е дека додавањето на SCHE во реакторот MH во голема мера го подобрува процесот на апсорпција на водород и перформансите на реакторот MH.Иако инсталацијата на разменувач на топлина во реакторот MH го намалува капацитетот за складирање, оваа технологија обезбедува значително подобрување во преносот на топлина во споредба со другите технологии.Исто така, намалувањето на вредноста на висината ќе го зголеми волуменот на SCHE, што ќе резултира со намалување на волуменот на MH.Во случајот 6 со највисок волумен на SCHE, волуметрискиот капацитет на MH беше намален само за 5% во споредба со случајот 1 со најмал волумен на HCHE.Дополнително, за време на апсорпцијата, случајот 6 покажа побрзи и подобри перформанси со 61% намалување на времето на апсорпција.Затоа случајот 6 е избран за понатамошна истрага во анализата на чувствителност.Треба да се забележи дека долгото време на земање на водород е поврзано со резервоар за складирање кој содржи волумен на MH од околу 2000 cm3.
Работните параметри за време на реакцијата се важни фактори кои позитивно или негативно влијаат на перформансите на МЗ реакторот во реални услови.Оваа студија разгледува анализа на чувствителност за да ги одреди соодветните почетни работни параметри за MH реактор во комбинација со SCHE, и овој дел ги истражува четирите главни работни параметри врз основа на оптималната конфигурација на реакторот во случајот 6. Резултатите за сите работни услови се прикажани во Сл. 8.
График на концентрација на водород при различни работни услови кога се користи разменувач на топлина со полуцилиндричен калем.(а) притисок на полнење, (б) почетна температура на лежиштето, (в) Рејнолдс број на течноста за ладење и (г) температура на влезот на течноста за ладење.
Врз основа на константна почетна температура од 573 K и брзина на проток на течноста за ладење со Рејнолдсов број од 14.000, беа избрани четири различни притисоци на оптоварување: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa и 3,0 MPa.На сл.8а го покажува ефектот на притисокот на оптоварување и SCHE врз концентрацијата на водород со текот на времето.Времето на апсорпција се намалува со зголемување на притисокот на оптоварување.Користењето на применет водороден притисок од 1,2 MPa е најлош случај за процесот на апсорпција на водород, а времетраењето на апсорпцијата надминува 26.000 секунди за да се постигне апсорпција на водород од 90%.Сепак, повисокиот притисок на оптоварување резултираше со 32-42% намалување на времето на апсорпција од 1,8 на 3,0 MPa.Ова се должи на повисокиот почетен притисок на водородот, што резултира со поголема разлика помеѓу притисокот на рамнотежа и применетиот притисок.Затоа, ова создава голема движечка сила за кинетиката на навлегување на водород.Во почетниот момент, водородниот гас брзо се апсорбира поради големата разлика помеѓу рамнотежниот притисок и применетиот притисок57.При притисок на оптоварување од 3,0 MPa, 18% водород брзо се акумулира во текот на првите 10 секунди.Водородот бил складиран во 90% од реакторите во последната фаза 15460 секунди.Сепак, при притисок на оптоварување од 1,2 до 1,8 MPa, времето на апсорпција беше значително намалено за 32%.Другите повисоки притисоци имаа помал ефект врз подобрувањето на времето на апсорпција.Затоа, се препорачува притисокот на оптоварување на реакторот MH-SCHE да биде 1,8 MPa.Дополнителниот дел ги прикажува контурите на концентрацијата на водород за различни притисоци на оптоварување на 15500 s.
Изборот на соодветна почетна температура на реакторот MH е еден од главните фактори кои влијаат на процесот на адсорпција на водород, бидејќи влијае на движечката сила на реакцијата на формирање на хидрид.За да се проучи ефектот на SCHE врз почетната температура на реакторот MH, беа избрани четири различни температури при постојан притисок на оптоварување од 1,8 MPa и Рејнолдсов број од 14.000 HTF.На сл.Слика 8б покажува споредба на различни почетни температури, вклучувајќи 473K, 523K, 573K и 623K.Всушност, кога температурата е повисока од 230°C или 503K58, легурата Mg2Ni има ефективни карактеристики за процесот на апсорпција на водород.Меѓутоа, во почетниот момент на вбризгување на водород, температурата брзо се зголемува.Следствено, температурата на слојот MG ќе надмине 523 К. Затоа, формирањето на хидриди е олеснето поради зголемената стапка на апсорпција53.Од сл.Може да се види од сл. 8б дека водородот се апсорбира побрзо како што се намалува почетната температура на слојот MB.Пониски рамнотежни притисоци се јавуваат кога почетната температура е пониска.Колку е поголема разликата во притисокот помеѓу рамнотежниот притисок и применетиот притисок, толку е побрз процесот на апсорпција на водород.На почетна температура од 473 К, водородот брзо се апсорбира до 27% во текот на првите 18 секунди.Покрај тоа, времето на апсорпција исто така беше намалено од 11% на 24% при пониска почетна температура во споредба со почетната температура од 623 K. Времето на апсорпција на најниската почетна температура од 473 K е 15247 s, што е слично на најдоброто Меѓутоа, намалувањето на почетната температура на температурата на реакторот доведува до намалување на капацитетот за складирање на водород.Почетната температура на реакторот MN мора да биде најмалку 503 K53.Дополнително, на почетна температура од 573 K53, може да се постигне максимален капацитет за складирање на водород од 3,6 wt%.Во однос на капацитетот за складирање на водород и времетраењето на апсорпција, температурите помеѓу 523 и 573 К го скратуваат времето за само 6%.Затоа, температура од 573 К е предложена како почетна температура на реакторот MH-SCHE.Сепак, ефектот на почетната температура врз процесот на апсорпција беше помалку значаен во споредба со притисокот на оптоварување.Дополнителниот дел ги прикажува контурите на концентрацијата на водород за различни почетни температури на 15500 s.
Стапката на проток е еден од главните параметри на хидрогенизацијата и дехидрогенизацијата бидејќи може да влијае на турбуленцијата и отстранувањето или внесувањето топлина за време на хидрогенизацијата и дехидрогенизацијата59.Високите стапки на проток ќе создадат турбулентни фази и ќе резултираат со побрз проток на течност низ HTF цевката.Оваа реакција ќе резултира со побрз пренос на топлина.Различните брзини на влез за HTF се пресметуваат врз основа на Рејнолдсовите броеви од 10.000, 14.000, 18.000 и 22.000.Почетната температура на слојот MG беше фиксирана на 573 K и притисокот на оптоварување на 1,8 MPa.Резултатите на сл.8c покажува дека користењето на поголем Рејнолдс број во комбинација со SCHE резултира со повисока стапка на навлегување.Како што бројот на Рејнолдс се зголемува од 10.000 на 22.000, времето на апсорпција се намалува за околу 28-50%.Времето на апсорпција кај Рејнолдсов број од 22.000 е 12.505 секунди, што е помалку отколку при различни почетни температури и притисоци на оптоварување.Контурите на концентрацијата на водород за различни Рејнолдсови броеви за GTP на 12500 секунди се претставени во дополнителниот дел.
Ефектот на SCHE врз почетната температура на HTF е анализиран и прикажан на Сл. 8г.При почетна температура MG од 573 K и притисок на оптоварување на водород од 1,8 MPa, четири почетни температури беа избрани за оваа анализа: 373 K, 473 K, 523 K и 573 K. 8d покажува дека намалувањето на температурата на течноста за ладење на влезот доведува до намалување на времето на апсорпција.Во споредба со основната кутија со влезна температура од 573 K, времето на апсорпција беше намалено за приближно 20%, 44% и 56% за влезните температури од 523 K, 473 K и 373 K, соодветно.На 6917 s, почетната температура на GTF е 373 K, концентрацијата на водород во реакторот е 90%.Ова може да се објасни со подобрен конвективен пренос на топлина помеѓу слојот MG и HCS.Пониските HTF температури ќе ја зголемат дисипацијата на топлина и ќе резултираат со зголемено навлегување на водород.Меѓу сите работни параметри, подобрувањето на перформансите на реакторот MH-SCHE со зголемување на температурата на влезот на HTF беше најпогоден метод, бидејќи времето на завршување на процесот на апсорпција беше помало од 7000 секунди, додека најкраткото време на апсорпција на другите методи беше повеќе од 10000 с.Контурите на концентрацијата на водород се претставени за различни почетни температури на GTP за 7000 s.
Оваа студија за прв пат претставува нов полуцилиндричен разменувач на топлина интегриран во единица за складирање на метални хидриди.Способноста на предложениот систем да апсорбира водород беше испитана со различни конфигурации на разменувачот на топлина.Истражувано е влијанието на работните параметри врз размената на топлина помеѓу слојот на металниот хидрид и течноста за ладење со цел да се најдат оптимални услови за складирање на металните хидриди со помош на нов разменувач на топлина.Главните наоди од оваа студија се сумирани на следниов начин:
Со полуцилиндричен разменувач на топлина, перформансите за пренос на топлина се подобруваат бидејќи има порамномерна дистрибуција на топлина во реакторот со магнезиумски слој, што резултира со подобра стапка на апсорпција на водород.Под услов волуменот на цевката за размена на топлина и металниот хидрид да останат непроменети, времето на реакција на апсорпција е значително намалено за 59% во споредба со конвенционалниот разменувач на топлина со намотан калем.
Време на објавување: Јан-15-2023 година