Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositives alhora.Utilitzeu els botons Anterior i Següent per moure's per tres diapositives alhora, o utilitzeu els botons lliscants al final per moure's per tres diapositives alhora.
Els hidrurs metàl·lics (MH) són reconeguts com un dels grups de materials més adequats per a l'emmagatzematge d'hidrogen a causa de la seva gran capacitat d'emmagatzematge d'hidrogen, baixa pressió de funcionament i alta seguretat.Tanmateix, la seva lenta cinètica d'absorció d'hidrogen redueix molt el rendiment d'emmagatzematge.L'eliminació de calor més ràpida de l'emmagatzematge MH podria tenir un paper important en l'augment de la seva taxa d'absorció d'hidrogen, donant lloc a un millor rendiment d'emmagatzematge.En aquest sentit, aquest estudi va tenir com a objectiu millorar les característiques de transferència de calor per influir positivament en la taxa d'absorció d'hidrogen del sistema d'emmagatzematge de MH.La nova bobina semicilíndrica es va desenvolupar i optimitzar per primera vegada per a l'emmagatzematge d'hidrogen i es va incorporar com a intercanviador intern d'aire com a calor (HTF).A partir de les diferents mides de pas, s'analitza l'efecte de la nova configuració de l'intercanviador de calor i es compara amb la geometria de la bobina helicoïdal convencional.A més, es van estudiar numèricament els paràmetres de funcionament de l'emmagatzematge de MG i GTP per obtenir valors òptims.Per a la simulació numèrica, s'utilitza ANSYS Fluent 2020 R2.Els resultats d'aquest estudi mostren que el rendiment d'un dipòsit d'emmagatzematge MH es pot millorar significativament mitjançant l'ús d'un intercanviador de calor de bobina semicilíndrica (SCHE).En comparació amb els intercanviadors de calor de bobina espiral convencionals, la durada de l'absorció d'hidrogen es redueix en un 59%.La distància més petita entre les bobines SCHE va donar lloc a una reducció del 61% del temps d'absorció.Pel que fa als paràmetres de funcionament de l'emmagatzematge de MG mitjançant SHE, tots els paràmetres seleccionats condueixen a una millora significativa en el procés d'absorció d'hidrogen, especialment la temperatura a l'entrada de l'HTS.
Hi ha una transició global de l'energia basada en els combustibles fòssils a les energies renovables.Com que moltes formes d'energia renovable proporcionen energia d'una manera dinàmica, l'emmagatzematge d'energia és necessari per equilibrar la càrrega.L'emmagatzematge d'energia basat en hidrogen ha cridat molta atenció per a aquest propòsit, sobretot perquè l'hidrogen es pot utilitzar com a combustible alternatiu "verd" i transportador d'energia a causa de les seves propietats i portabilitat.A més, l'hidrogen també ofereix un contingut energètic més elevat per unitat de massa en comparació amb els combustibles fòssils2.Hi ha quatre tipus principals d'emmagatzematge d'energia d'hidrogen: emmagatzematge de gas comprimit, emmagatzematge subterrani, emmagatzematge de líquids i emmagatzematge sòlid.L'hidrogen comprimit és el tipus principal que s'utilitza en vehicles de piles de combustible, com ara autobusos i carretons elevadors.No obstant això, aquest emmagatzematge proporciona una baixa densitat aparent d'hidrogen (aproximadament 0,089 kg/m3) i té problemes de seguretat associats a una pressió de funcionament elevada3.Basat en un procés de conversió a baixa temperatura i pressió ambient, l'emmagatzematge de líquid emmagatzemarà l'hidrogen en forma líquida.Tanmateix, quan es liqua, es perd al voltant del 40% de l'energia.A més, se sap que aquesta tecnologia consumeix més energia i mà d'obra en comparació amb les tecnologies d'emmagatzematge en estat sòlid4.L'emmagatzematge sòlid és una opció viable per a una economia d'hidrogen, que emmagatzema hidrogen incorporant hidrogen als materials sòlids mitjançant l'absorció i alliberant hidrogen mitjançant la desorció.L'hidrur metàl·lic (MH), una tecnologia d'emmagatzematge de materials sòlids, té un interès recent en aplicacions de piles de combustible a causa de la seva alta capacitat d'hidrogen, baixa pressió de funcionament i baix cost en comparació amb l'emmagatzematge de líquids, i és adequat per a aplicacions estacionàries i mòbils6,7 In A més, els materials MH també proporcionen propietats de seguretat, com ara un emmagatzematge eficient de gran capacitat8.Tanmateix, hi ha un problema que limita la productivitat del MG: la baixa conductivitat tèrmica del reactor MG condueix a una absorció i desorció lenta d'hidrogen.
La transferència de calor adequada durant les reaccions exotèrmiques i endotèrmiques és la clau per millorar el rendiment dels reactors MH.Per al procés de càrrega d'hidrogen, la calor generada s'ha d'eliminar del reactor per tal de controlar el flux de càrrega d'hidrogen a la velocitat desitjada amb la màxima capacitat d'emmagatzematge.En canvi, es necessita calor per augmentar la velocitat d'evolució d'hidrogen durant la descàrrega.Per tal de millorar el rendiment de la transferència de calor i massa, molts investigadors han estudiat el disseny i l'optimització basant-se en múltiples factors com ara paràmetres de funcionament, estructura MG i optimització MG11.L'optimització de MG es pot fer afegint materials d'alta conductivitat tèrmica com ara metalls d'escuma a les capes MG 12,13.Així, la conductivitat tèrmica efectiva es pot augmentar de 0,1 a 2 W/mK10.Tanmateix, l'addició de materials sòlids redueix significativament la potència del reactor MN.Pel que fa als paràmetres de funcionament, es poden aconseguir millores optimitzant les condicions inicials de funcionament de la capa MG i del refrigerant (HTF).L'estructura del MG es pot optimitzar gràcies a la geometria del reactor i al disseny de l'intercanviador de calor.Pel que fa a la configuració de l'intercanviador de calor del reactor MH, els mètodes es poden dividir en dos tipus.Es tracta d'intercanviadors de calor interns integrats a la capa MO i intercanviadors de calor externs que cobreixen la capa de MO, com ara aletes, camises de refrigeració i banys d'aigua.Pel que fa a l'intercanviador de calor extern, Kaplan16 va analitzar el funcionament del reactor MH, utilitzant aigua de refrigeració com a jaqueta per reduir la temperatura a l'interior del reactor.Els resultats es van comparar amb un reactor de 22 aletes rodones i un altre reactor refrigerat per convecció natural.Afirmen que la presència d'una jaqueta de refrigeració redueix significativament la temperatura del MH, augmentant així la taxa d'absorció.Els estudis numèrics del reactor MH amb camisa d'aigua de Patil i Gopal17 han demostrat que la pressió de subministrament d'hidrogen i la temperatura de l'HTF són paràmetres clau que influeixen en la taxa d'absorció i desorció d'hidrogen.
Augmentar l'àrea de transferència de calor afegint aletes i intercanviadors de calor integrats al MH és la clau per millorar el rendiment de transferència de calor i massa i, per tant, el rendiment d'emmagatzematge del MH18.S'han dissenyat diverses configuracions d'intercanviador de calor intern (tub recte i serpentina espiral) per fer circular el refrigerant al reactor MH19,20,21,22,23,24,25,26.Mitjançant un intercanviador de calor intern, el líquid de refrigeració o calefacció transferirà calor local dins del reactor MH durant el procés d'adsorció d'hidrogen.Raju i Kumar [27] van utilitzar diversos tubs rectes com a intercanviadors de calor per millorar el rendiment de la MG.Els seus resultats van mostrar que els temps d'absorció es reduïen quan s'utilitzaven tubs rectes com a intercanviadors de calor.A més, l'ús de tubs rectes escurça el temps de desorció d'hidrogen28.Els cabals de refrigerant més alts augmenten la velocitat de càrrega i descàrrega d'hidrogen29.No obstant això, augmentar el nombre de tubs de refrigeració té un efecte positiu en el rendiment MH en lloc del cabal de refrigerant30,31.Raju et al.32 van utilitzar LaMi4.7Al0.3 com a material MH per estudiar el rendiment dels intercanviadors de calor multitub als reactors.Van informar que els paràmetres de funcionament tenien un efecte significatiu en el procés d'absorció, especialment la pressió d'alimentació i després el cabal de l'HTF.Tanmateix, la temperatura d'absorció va resultar ser menys crítica.
El rendiment del reactor MH es millora encara més mitjançant l'ús d'un intercanviador de calor de bobina espiral a causa de la seva transferència de calor millorada en comparació amb els tubs rectes.Això es deu al fet que el cicle secundari pot eliminar millor la calor del reactor25.A més, els tubs en espiral proporcionen una gran superfície per a la transferència de calor de la capa MH al refrigerant.Quan s'introdueix aquest mètode a l'interior del reactor, la distribució dels tubs d'intercanvi de calor també és més uniforme33.Wang et al.34 van estudiar l'efecte de la durada de l'absorció d'hidrogen afegint una bobina helicoïdal a un reactor MH.Els seus resultats mostren que a mesura que augmenta el coeficient de transferència de calor del refrigerant, el temps d'absorció disminueix.Wu et al.25 va investigar el rendiment dels reactors MH basats en Mg2Ni i dels intercanviadors de calor de bobina en espiral.Els seus estudis numèrics han demostrat una reducció del temps de reacció.La millora del mecanisme de transferència de calor al reactor MN es basa en una proporció més petita entre el pas del cargol i el pas del cargol i un pas del cargol adimensional.Un estudi experimental de Mellouli et al.21 utilitzant una bobina enrotllada com a intercanviador de calor intern va demostrar que la temperatura d'inici de l'HTF té un efecte significatiu en la millora de l'absorció d'hidrogen i el temps de desorció.En diversos estudis s'han dut a terme combinacions de diferents intercanviadors de calor interns.Eisapur et al.35 van estudiar l'emmagatzematge d'hidrogen mitjançant un intercanviador de calor de bobina espiral amb un tub de retorn central per millorar el procés d'absorció d'hidrogen.Els seus resultats van mostrar que el tub espiral i el tub de retorn central milloren significativament la transferència de calor entre el refrigerant i el MG.El pas més petit i el diàmetre més gran del tub espiral augmenten la velocitat de transferència de calor i massa.Ardahaie et al.36 van utilitzar tubs espirals plans com a intercanviadors de calor per millorar la transferència de calor dins del reactor.Van informar que la durada d'absorció es va reduir augmentant el nombre de plans de tubs espirals aplanats.En diversos estudis s'han dut a terme combinacions de diferents intercanviadors de calor interns.Dhau et al.37 va millorar el rendiment del MH mitjançant un intercanviador de calor de bobina enrotllada i aletes.Els seus resultats mostren que aquest mètode redueix el temps d'ompliment d'hidrogen en un factor de 2 en comparació amb el cas sense aletes.Les aletes anulars es combinen amb tubs de refrigeració i s'incorporen al reactor MN.Els resultats d'aquest estudi mostren que aquest mètode combinat proporciona una transferència de calor més uniforme en comparació amb el reactor MH sense aletes.Tanmateix, la combinació de diferents intercanviadors de calor afectarà negativament el pes i el volum del reactor MH.Wu et al.18 van comparar diferents configuracions d'intercanviador de calor.Aquests inclouen tubs rectes, aletes i bobines espirals.Els autors informen que les bobines espirals proporcionen les millors millores en la transferència de calor i massa.A més, en comparació amb els tubs rectes, els tubs enrotllats i els tubs rectes combinats amb els tubs enrotllats, les bobines dobles tenen un millor efecte en la millora de la transferència de calor.Un estudi de Sekhar et al.40 va demostrar que es va aconseguir una millora similar en l'absorció d'hidrogen utilitzant una bobina espiral com a intercanviador de calor intern i una camisa de refrigeració externa amb aletes.
Dels exemples esmentats anteriorment, l'ús de bobines espirals com a intercanviadors de calor interns proporciona millors millores en la transferència de calor i massa que altres intercanviadors de calor, especialment tubs rectes i aletes.Per tant, l'objectiu d'aquest estudi era desenvolupar encara més la bobina espiral per millorar el rendiment de la transferència de calor.Per primera vegada, s'ha desenvolupat una nova bobina semicilíndrica basada en la bobina helicoïdal d'emmagatzematge MH convencional.S'espera que aquest estudi millori el rendiment d'emmagatzematge d'hidrogen considerant un nou disseny d'intercanviador de calor amb un millor disseny de la zona de transferència de calor proporcionat per un volum constant de llit MH i tubs HTF.El rendiment d'emmagatzematge d'aquest nou intercanviador de calor es va comparar després amb els intercanviadors de calor de bobina espiral convencionals basats en diferents passos de bobina.Segons la literatura existent, les condicions de funcionament i l'espaiat de les bobines són els principals factors que afecten el rendiment dels reactors MH.Per optimitzar el disseny d'aquest nou intercanviador de calor, es va investigar l'efecte de l'espaiat de la bobina sobre el temps d'absorció d'hidrogen i el volum de MH.A més, per tal d'entendre la relació entre les noves bobines semicilíndriques i les condicions de funcionament, un objectiu secundari d'aquest estudi va ser estudiar les característiques del reactor segons diferents rangs de paràmetres de funcionament i determinar els valors adequats per a cada operació. mode.paràmetre.
El rendiment del dispositiu d'emmagatzematge d'energia d'hidrogen en aquest estudi s'investiga a partir de dues configuracions d'intercanviador de calor (incloent tubs espirals en els casos 1 a 3 i tubs semicilíndrics en els casos 4 a 6) i una anàlisi de sensibilitat dels paràmetres de funcionament.L'operabilitat del reactor MH es va provar per primera vegada utilitzant un tub espiral com a intercanviador de calor.Tant el tub d'oli del refrigerant com el recipient del reactor MH estan fets d'acer inoxidable.Cal tenir en compte que les dimensions del reactor MG i el diàmetre de les canonades GTF eren constants en tots els casos, mentre que les mides de pas del GTF variaven.Aquesta secció analitza l'efecte de la mida de pas de les bobines HTF.L'alçada i el diàmetre exterior del reactor eren de 110 mm i 156 mm, respectivament.El diàmetre de la canonada d'oli conductor de calor es fixa en 6 mm.Vegeu la secció complementària per obtenir més informació sobre el diagrama de circuit del reactor MH amb tubs espirals i dos tubs semicilíndrics.
A la fig.La figura 1a mostra el reactor de tub espiral MH i les seves dimensions.Tots els paràmetres geomètrics es mostren a la taula.1. El volum total de l'hèlix i el volum de la ZG són aproximadament 100 cm3 i 2000 cm3, respectivament.Des d'aquest reactor MH, l'aire en forma de HTF es va introduir al reactor MH porós des de sota a través d'un tub espiral, i es va introduir hidrogen des de la superfície superior del reactor.
Caracterització de geometries seleccionades per a reactors d'hidrur metàl·lic.a) amb un intercanviador de calor tubular espiral, b) amb un intercanviador de calor tubular semicilíndric.
La segona part examina el funcionament del reactor MH basat en un tub semicilíndric com a intercanviador de calor.A la fig.La figura 1b mostra el reactor MN amb dos tubs semicilíndrics i les seves dimensions.La taula 1 enumera tots els paràmetres geomètrics de les canonades semicilíndriques, que es mantenen constants, a excepció de la distància entre elles.Cal tenir en compte que el tub semicilíndric del cas 4 es va dissenyar amb un volum constant de tub HTF i aliatge MH al tub enrotllat (opció 3).Pel que fa a la fig.A la figura 1b, també es va introduir aire des de la part inferior dels dos tubs HTF semicilíndrics i es va introduir hidrogen des de la direcció oposada del reactor MH.
A causa del nou disseny de l'intercanviador de calor, l'objectiu d'aquesta secció és determinar els valors inicials adequats per als paràmetres de funcionament del reactor MH en combinació amb SCHE.En tots els casos, es va utilitzar aire com a refrigerant per eliminar la calor del reactor.Entre els olis de transferència de calor, l'aire i l'aigua s'escullen habitualment com a olis de transferència de calor per als reactors MH a causa del seu baix cost i baix impacte ambiental.A causa de l'alt rang de temperatura de funcionament dels aliatges basats en magnesi, es va triar l'aire com a refrigerant en aquest estudi.A més, també té millors característiques de flux que altres metalls líquids i sals foses41.La taula 2 enumera les propietats de l'aire a 573 K. Per a l'anàlisi de sensibilitat d'aquesta secció, només s'apliquen les millors configuracions de les opcions de rendiment MH-SCHE (en els casos del 4 al 6).Les estimacions d'aquesta secció es basen en diversos paràmetres de funcionament, com ara la temperatura inicial del reactor MH, la pressió de càrrega d'hidrogen, la temperatura d'entrada de l'HTF i el nombre de Reynolds calculat canviant la taxa d'HTF.La taula 3 conté tots els paràmetres de funcionament utilitzats per a l'anàlisi de sensibilitat.
En aquesta secció es descriuen totes les equacions de control necessàries per al procés d'absorció d'hidrogen, turbulència i transferència de calor dels refrigerants.
Per simplificar la solució de la reacció d'absorció d'hidrogen, es fan i proporcionen els supòsits següents;
Durant l'absorció, les propietats termofísiques de l'hidrogen i els hidrurs metàl·lics són constants.
L'hidrogen es considera un gas ideal, per la qual cosa es tenen en compte les condicions d'equilibri tèrmic local43,44.
on \({L}_{gas}\) és el radi del dipòsit, i \({L}_{calor}\) és l'alçada axial del dipòsit.Quan N és inferior a 0,0146, el flux d'hidrogen al dipòsit es pot ignorar a la simulació sense error significatiu.Segons la investigació actual, N és molt inferior a 0,1.Per tant, l'efecte del gradient de pressió es pot descuidar.
Les parets del reactor estaven ben aïllades en tots els casos.Per tant, no hi ha intercanvi de calor 47 entre el reactor i el medi ambient.
És ben sabut que els aliatges basats en Mg tenen bones característiques d'hidrogenació i una gran capacitat d'emmagatzematge d'hidrogen fins a un 7,6% en pes.Pel que fa a les aplicacions d'emmagatzematge d'hidrogen en estat sòlid, aquests aliatges també es coneixen com a materials lleugers.A més, tenen una excel·lent resistència a la calor i una bona processabilitat8.Entre diversos aliatges basats en Mg, l'aliatge MgNi basat en Mg2Ni és una de les opcions més adequades per a l'emmagatzematge de MH a causa de la seva capacitat d'emmagatzematge d'hidrogen de fins a un 6% en pes.Els aliatges de Mg2Ni també proporcionen una cinètica d'adsorció i desorció més ràpida en comparació amb l'aliatge MgH48.Per tant, es va escollir Mg2Ni com a material d'hidrur metàl·lic en aquest estudi.
L'equació d'energia s'expressa com 25 en funció del balanç de calor entre l'hidrogen i l'hidrur de Mg2Ni:
X és la quantitat d'hidrogen absorbida a la superfície metàl·lica, la unitat és \(pes\%\), calculada a partir de l'equació cinètica \(\frac{dX}{dt}\) durant l'absorció de la manera següent49:
on \({C}_{a}\) és la velocitat de reacció i \({E}_{a}\) és l'energia d'activació.\({P}_{a,eq}\) és la pressió d'equilibri dins del reactor d'hidrur metàl·lic durant el procés d'absorció, donada per l'equació de Van't Hoff de la següent manera25:
On \({P}_{ref}\) és la pressió de referència de 0,1 MPa.\(\Delta H\) i \(\Delta S\) són l'entalpia i l'entropia de la reacció, respectivament.Les propietats dels aliatges Mg2Ni i hidrogen es presenten a la taula.4. La llista nomenada es pot trobar a l'apartat suplementari.
El flux de fluid es considera turbulent perquè la seva velocitat i el nombre de Reynolds (Re) són 78,75 ms-1 i 14000, respectivament.En aquest estudi, es va triar un model de turbulència k-ε assolible.Cal assenyalar que aquest mètode proporciona una precisió més alta en comparació amb altres mètodes k-ε i també requereix menys temps de càlcul que els mètodes RNG k-ε50,51.Vegeu la secció complementària per obtenir detalls sobre les equacions bàsiques per als fluids de transferència de calor.
Inicialment, el règim de temperatura al reactor MN era uniforme i la concentració mitjana d'hidrogen era de 0,043.Se suposa que el límit exterior del reactor MH està ben aïllat.Els aliatges basats en magnesi solen requerir altes temperatures de funcionament de reacció per emmagatzemar i alliberar hidrogen al reactor.L'aliatge Mg2Ni requereix un rang de temperatures de 523–603 K per a una màxima absorció i un rang de temperatures de 573–603 K per a una desorció completa52.Tanmateix, estudis experimentals de Muthukumar et al.53 van demostrar que la capacitat màxima d'emmagatzematge de Mg2Ni per a l'emmagatzematge d'hidrogen es pot aconseguir a una temperatura de funcionament de 573 K, que correspon a la seva capacitat teòrica.Per tant, en aquest estudi es va escollir la temperatura de 573 K com a temperatura inicial del reactor MN.
Creeu diferents mides de graella per a la validació i resultats fiables.A la fig.La figura 2 mostra la temperatura mitjana en llocs seleccionats en el procés d'absorció d'hidrogen de quatre elements diferents.Val la pena assenyalar que només es selecciona un cas de cada configuració per provar la independència de la xarxa a causa d'una geometria similar.El mateix mètode de mallat s'aplica en altres casos.Per tant, trieu l'opció 1 per a la canonada espiral i l'opció 4 per a la canonada semicilíndrica.A la fig.2a, b mostra la temperatura mitjana del reactor per a les opcions 1 i 4, respectivament.Les tres ubicacions seleccionades representen els contorns de temperatura del llit a la part superior, central i inferior del reactor.A partir dels contorns de temperatura a les ubicacions seleccionades, la temperatura mitjana es torna estable i mostra pocs canvis en els números d'elements 428.891 i 430.599 per als casos 1 i 4, respectivament.Per tant, es van triar aquestes mides de quadrícula per a càlculs computacionals posteriors.A la secció complementària es proporciona informació detallada sobre la temperatura mitjana del llit per al procés d'absorció d'hidrogen per a diferents mides de cèl·lules i malles successivament refinades per a ambdós casos.
Temperatura mitjana del llit en punts seleccionats del procés d'absorció d'hidrogen en un reactor d'hidrur metàl·lic amb diferents números de quadrícula.(a) Temperatura mitjana a llocs seleccionats per al cas 1 i (b) Temperatura mitjana a llocs seleccionats per al cas 4.
El reactor d'hidrur metàl·lic basat en Mg en aquest estudi es va provar a partir dels resultats experimentals de Muthukumar et al.53.En el seu estudi, van utilitzar un aliatge Mg2Ni per emmagatzemar hidrogen en tubs d'acer inoxidable.Les aletes de coure s'utilitzen per millorar la transferència de calor dins del reactor.A la fig.La figura 3a mostra una comparació de la temperatura mitjana del llit del procés d'absorció entre l'estudi experimental i aquest estudi.Les condicions de funcionament escollides per a aquest experiment són: MG temperatura inicial 573 K i pressió d'entrada 2 MPa.De la fig.A la figura 3a es pot demostrar clarament que aquest resultat experimental està en bona concordança amb el present respecte a la temperatura mitjana de la capa.
Verificació del model.(a) Verificació del codi del reactor d'hidrur metàl·lic Mg2Ni comparant l'estudi actual amb el treball experimental de Muthukumar et al.52, i (b) verificació del model de flux turbulent del tub espiral comparant l'estudi actual amb el de Kumar et al. .Recerca.54.
Per provar el model de turbulència, els resultats d'aquest estudi es van comparar amb els resultats experimentals de Kumar et al.54 per confirmar la correcció del model de turbulència escollit.Kumar et al.54 van estudiar el flux turbulent en un intercanviador de calor en espiral tub-in-pipe.L'aigua s'utilitza com a fluid calent i fred que s'injecta des de costats oposats.Les temperatures del líquid calent i fred són 323 K i 300 K, respectivament.Els números de Reynolds oscil·len entre 3100 i 5700 per a líquids calents i de 21.000 a 35.000 per a líquids freds.Els números de Dean són 550-1000 per a líquids calents i 3600-6000 per a líquids freds.Els diàmetres de la canonada interior (per líquid calent) i la canonada exterior (per líquid fred) són de 0,0254 m i 0,0508 m, respectivament.El diàmetre i el pas de la bobina helicoïdal són de 0,762 m i 0,100 m, respectivament.A la fig.La figura 3b mostra una comparació dels resultats experimentals i actuals per a diversos parells de números de Nusselt i Dean per al refrigerant del tub interior.Es van implementar tres models de turbulència diferents i es van comparar amb resultats experimentals.Com es mostra a la fig.A la figura 3b, els resultats del model de turbulència k-ε assolible estan d'acord amb les dades experimentals.Per tant, en aquest estudi s'ha escollit aquest model.
Les simulacions numèriques en aquest estudi es van realitzar mitjançant ANSYS Fluent 2020 R2.Escriu una funció definida per l'usuari (UDF) i utilitza-la com a terme d'entrada de l'equació d'energia per calcular la cinètica del procés d'absorció.El circuit PRESTO55 i el mètode PISO56 s'utilitzen per a la comunicació pressió-velocitat i la correcció de la pressió.Seleccioneu una base de cel·les de Greene-Gauss per al gradient variable.Les equacions de la quantitat de moviment i l'energia es resolen pel mètode de contravent de segon ordre.Pel que fa als coeficients de subrelaxació, els components de pressió, velocitat i energia s'estableixen a 0,5, 0,7 i 0,7, respectivament.Les funcions de paret estàndard s'apliquen a l'HTF en el model de turbulència.
Aquesta secció presenta els resultats de simulacions numèriques de la millora de la transferència de calor interna d'un reactor MH utilitzant un intercanviador de calor de bobina en espiral (HCHE) i un intercanviador de calor de bobina helicoïdal (SCHE) durant l'absorció d'hidrogen.Es va analitzar l'efecte del pitch HTF sobre la temperatura del llit del reactor i la durada de l'absorció.Els principals paràmetres de funcionament del procés d'absorció s'estudien i es presenten a l'apartat d'anàlisi de sensibilitat.
Per investigar l'efecte de l'espaiat de la bobina sobre la transferència de calor en un reactor MH, es van investigar tres configuracions d'intercanviador de calor amb diferents passos.Els tres passos diferents de 15 mm, 12,86 mm i 10 mm es designen cos 1, cos 2 i cos 3, respectivament.Cal tenir en compte que el diàmetre de la canonada es va fixar a 6 mm a una temperatura inicial de 573 K i una pressió de càrrega d'1,8 MPa en tots els casos.A la fig.La figura 4 mostra la temperatura mitjana del llit i la concentració d'hidrogen a la capa MH durant el procés d'absorció d'hidrogen en els casos 1 a 3. Normalment, la reacció entre l'hidrur metàl·lic i l'hidrogen és exotèrmica al procés d'absorció.Per tant, la temperatura del llit augmenta ràpidament a causa del moment inicial en què l'hidrogen s'introdueix per primera vegada al reactor.La temperatura del llit augmenta fins a assolir un valor màxim i després disminueix gradualment a mesura que la calor és transportada pel refrigerant, que té una temperatura més baixa i actua com a refrigerant.Com es mostra a la fig.4a, a causa de l'explicació anterior, la temperatura de la capa augmenta ràpidament i disminueix contínuament.La concentració d'hidrogen per al procés d'absorció es basa normalment en la temperatura del llit del reactor MH.Quan la temperatura mitjana de la capa baixa a una determinada temperatura, la superfície metàl·lica absorbeix hidrogen.Això es deu a l'acceleració dels processos de fisisorció, quimisorció, difusió d'hidrogen i la formació dels seus hidrurs al reactor.De la fig.A la figura 4b es pot veure que la taxa d'absorció d'hidrogen en el cas 3 és menor que en altres casos a causa del valor de pas més petit de l'intercanviador de calor de la bobina.Això es tradueix en una longitud total de canonada més llarga i una àrea de transferència de calor més gran per a canonades HTF.Amb una concentració mitjana d'hidrogen del 90%, el temps d'absorció per al cas 1 és de 46.276 segons.En comparació amb la durada de l'absorció del cas 1, la durada de l'absorció dels casos 2 i 3 es va reduir en 724 s i 1263 s, respectivament.La secció suplementària presenta contorns de temperatura i concentració d'hidrogen per a ubicacions seleccionades de la capa HCHE-MH.
Influència de la distància entre bobines sobre la temperatura mitjana de la capa i la concentració d'hidrogen.(a) Temperatura mitjana del llit per a bobines helicoïdals, (b) concentració d'hidrogen per a bobines helicoïdals, (c) temperatura mitjana del llit per a bobines semicilíndriques i (d) concentració d'hidrogen per a bobines semicilíndriques.
Per millorar les característiques de transferència de calor del reactor MG, es van dissenyar dos HFC per a un volum constant del MG (2000 cm3) i un intercanviador de calor en espiral (100 cm3) de l'opció 3. Aquest apartat també considera l'efecte de la distància entre els bobines de 15 mm per a la caixa 4, 12,86 mm per a la caixa 5 i 10 mm per a la caixa 6. A la fig.Les figures 4c,d mostren la temperatura mitjana del llit i la concentració del procés d'absorció d'hidrogen a una temperatura inicial de 573 K i una pressió de càrrega d'1,8 MPa.Segons la temperatura mitjana de la capa de la figura 4c, la menor distància entre les bobines en el cas 6 redueix la temperatura significativament en comparació amb els altres dos casos.Per al cas 6, una temperatura del llit més baixa dóna lloc a una concentració d'hidrogen més alta (vegeu la figura 4d).El temps d'absorció d'hidrogen per a la Variant 4 és de 19542 s, que és més de 2 vegades menor que per a les Variants 1-3 amb HCH.A més, en comparació amb el cas 4, el temps d'absorció també es va reduir en 378 s i 1515 s en els casos 5 i 6 amb distàncies més baixes.La secció suplementària presenta contorns de temperatura i concentració d'hidrogen per a llocs seleccionats de la capa SCHE-MH.
Per estudiar el rendiment de dues configuracions d'intercanviador de calor, aquesta secció dibuixa i presenta corbes de temperatura en tres llocs seleccionats.El reactor MH amb HCHE del cas 3 es va escollir per comparar-lo amb el reactor MH que conté SCHE al cas 4 perquè té un volum MH i un volum de canonada constants.Les condicions de funcionament per a aquesta comparació van ser una temperatura inicial de 573 K i una pressió de càrrega d'1,8 MPa.A la fig.Les figures 5a i 5b mostren les tres posicions seleccionades dels perfils de temperatura als casos 3 i 4, respectivament.A la fig.La figura 5c mostra el perfil de temperatura i la concentració de la capa després de 20.000 s d'absorció d'hidrogen.Segons la línia 1 de la figura 5c, la temperatura al voltant del TTF de les opcions 3 i 4 disminueix a causa de la transferència de calor convectiva del refrigerant.Això provoca una major concentració d'hidrogen al voltant d'aquesta zona.Tanmateix, l'ús de dos SCHE dóna com a resultat una concentració de capes més alta.Es van trobar respostes cinètiques més ràpides al voltant de la regió HTF en el cas 4. A més, també es va trobar una concentració màxima del 100% en aquesta regió.Des de la línia 2 situada al mig del reactor, la temperatura del cas 4 és significativament inferior a la del cas 3 a tots els llocs excepte al centre del reactor.Això resulta en la concentració màxima d'hidrogen per al cas 4, excepte per a la regió propera al centre del reactor lluny de l'HTF.Tanmateix, la concentració del cas 3 no va canviar gaire.Es va observar una gran diferència de temperatura i concentració de la capa a la línia 3 prop de l'entrada del GTS.La temperatura de la capa del cas 4 va disminuir significativament, donant lloc a la concentració d'hidrogen més alta d'aquesta regió, mentre que la línia de concentració del cas 3 encara fluctuava.Això es deu a l'acceleració de la transferència de calor SCHE.A la secció suplementària es proporcionen detalls i discussió de la comparació de la temperatura mitjana de la capa MH i la canonada HTF entre el cas 3 i el cas 4.
Perfil de temperatura i concentració del llit en llocs seleccionats del reactor d'hidrur metàl·lic.(a) Ubicacions seleccionades per al cas 3, (b) Ubicacions seleccionades per al cas 4 i (c) Perfil de temperatura i concentració de capa a llocs seleccionats després de 20.000 s per al procés d'absorció d'hidrogen als casos 3 i 4.
A la fig.La figura 6 mostra una comparació de la temperatura mitjana del llit (vegeu la figura 6a) i la concentració d'hidrogen (vegeu la figura 6b) per a l'absorció de HCH i SHE.D'aquesta figura es pot veure que la temperatura de la capa de MG disminueix significativament a causa d'un augment de l'àrea d'intercanvi de calor.L'eliminació de més calor del reactor dóna com a resultat una major taxa d'absorció d'hidrogen.Tot i que les dues configuracions d'intercanviador de calor tenen els mateixos volums en comparació amb l'ús de HCHE com a opció 3, el temps d'absorció d'hidrogen de SCHE basat en l'opció 4 es va reduir significativament en un 59%.Per a una anàlisi més detallada, les concentracions d'hidrogen per a les dues configuracions d'intercanviador de calor es mostren com a isolínies a la figura 7. Aquesta figura mostra que en ambdós casos, l'hidrogen comença a absorbir-se des de sota al voltant de l'entrada de l'HTF.Es van trobar concentracions més altes a la regió HTF, mentre que es van observar concentracions més baixes al centre del reactor MH a causa de la seva distància de l'intercanviador de calor.Després de 10.000 s, la concentració d'hidrogen en el cas 4 és significativament més alta que en el cas 3. Després de 20.000 segons, la concentració mitjana d'hidrogen al reactor ha augmentat al 90% en el cas 4 en comparació amb el 50% d'hidrogen en el cas 3. Això pot ser degut. a la major capacitat de refrigeració efectiva de combinar dos SCHE, el que resulta en una temperatura més baixa dins de la capa MH.En conseqüència, una pressió més d'equilibri cau dins de la capa de MG, la qual cosa condueix a una absorció més ràpida d'hidrogen.
Cas 3 i Cas 4 Comparació de la temperatura mitjana del llit i la concentració d'hidrogen entre dues configuracions d'intercanviador de calor.
Comparació de la concentració d'hidrogen després de 500, 2000, 5000, 10000 i 20000 s després de l'inici del procés d'absorció d'hidrogen en el cas 3 i el cas 4.
La taula 5 resumeix la durada de l'absorció d'hidrogen per a tots els casos.A més, la taula també mostra el temps d'absorció de l'hidrogen, expressat en percentatge.Aquest percentatge es calcula en funció del temps d'absorció del cas 1. A partir d'aquesta taula, el temps d'absorció del reactor MH que utilitza HCHE és d'uns 45.000 a 46.000 s, i el temps d'absorció inclòs SCHE és d'uns 18.000 a 19.000 s.En comparació amb el cas 1, el temps d'absorció al cas 2 i al cas 3 es va reduir només un 1,6% i un 2,7%, respectivament.Quan s'utilitzava SCHE en lloc d'HCHE, el temps d'absorció es va reduir significativament del cas 4 al cas 6, del 58% al 61%.És evident que l'addició de SCHE al reactor MH millora molt el procés d'absorció d'hidrogen i el rendiment del reactor MH.Tot i que la instal·lació d'un intercanviador de calor a l'interior del reactor MH redueix la capacitat d'emmagatzematge, aquesta tecnologia aporta una millora important en la transferència de calor en comparació amb altres tecnologies.A més, disminuir el valor de to augmentarà el volum de l'SCHE, donant lloc a una disminució del volum de l'MH.En el cas 6 amb el volum SCHE més alt, la capacitat volumètrica MH només es va reduir un 5% en comparació amb el cas 1 amb el volum HCHE més baix.A més, durant l'absorció, el cas 6 va mostrar un rendiment més ràpid i millor amb una reducció del 61% del temps d'absorció.Per tant, es va triar el cas 6 per a una investigació posterior a l'anàlisi de sensibilitat.Cal tenir en compte que el llarg temps d'absorció d'hidrogen està associat a un dipòsit d'emmagatzematge que conté un volum MH d'uns 2000 cm3.
Els paràmetres de funcionament durant la reacció són factors importants que afecten positivament o negativament el rendiment del reactor MH en condicions reals.Aquest estudi considera una anàlisi de sensibilitat per determinar els paràmetres de funcionament inicial adequats per a un reactor MH en combinació amb SCHE, i aquesta secció investiga els quatre paràmetres de funcionament principals basats en la configuració òptima del reactor en el cas 6. Els resultats per a totes les condicions de funcionament es mostren a Fig. 8.
Gràfic de concentració d'hidrogen en diverses condicions de funcionament quan s'utilitza un intercanviador de calor amb una bobina semicilíndrica.(a) pressió de càrrega, (b) temperatura inicial del llit, (c) nombre de Reynolds del refrigerant i (d) temperatura d'entrada del refrigerant.
A partir d'una temperatura inicial constant de 573 K i un cabal de refrigerant amb un nombre de Reynolds de 14.000, es van seleccionar quatre pressions de càrrega diferents: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa i 3,0 MPa.A la fig.La figura 8a mostra l'efecte de la pressió de càrrega i SCHE sobre la concentració d'hidrogen al llarg del temps.El temps d'absorció disminueix amb l'augment de la pressió de càrrega.L'ús d'una pressió d'hidrogen aplicada d'1,2 MPa és el pitjor cas per al procés d'absorció d'hidrogen, i la durada de l'absorció supera els 26.000 s per aconseguir una absorció d'hidrogen del 90%.Tanmateix, la pressió de càrrega més alta va provocar una disminució del 32-42% del temps d'absorció d'1,8 a 3,0 MPa.Això es deu a la pressió inicial més alta de l'hidrogen, que dóna lloc a una diferència més gran entre la pressió d'equilibri i la pressió aplicada.Per tant, això crea una gran força motriu per a la cinètica d'absorció d'hidrogen.En el moment inicial, el gas hidrogen s'absorbeix ràpidament a causa de la gran diferència entre la pressió d'equilibri i la pressió aplicada57.A una pressió de càrrega de 3,0 MPa, un 18% d'hidrogen es va acumular ràpidament durant els primers 10 segons.L'hidrogen es va emmagatzemar en el 90% dels reactors en l'etapa final durant 15460 s.Tanmateix, a una pressió de càrrega d'1,2 a 1,8 MPa, el temps d'absorció es va reduir significativament en un 32%.Altres pressions més altes van tenir menys efecte en la millora dels temps d'absorció.Per tant, es recomana que la pressió de càrrega del reactor MH-SCHE sigui d'1,8 MPa.La secció suplementària mostra els contorns de concentració d'hidrogen per a diverses pressions de càrrega a 15500 s.
L'elecció d'una temperatura inicial adequada del reactor MH és un dels principals factors que afecten el procés d'adsorció d'hidrogen, ja que afecta la força motriu de la reacció de formació d'hidrur.Per estudiar l'efecte de SCHE sobre la temperatura inicial del reactor MH, es van triar quatre temperatures diferents a una pressió de càrrega constant d'1,8 MPa i un nombre de Reynolds de 14.000 HTF.A la fig.La figura 8b mostra una comparació de diverses temperatures inicials, incloses 473K, 523K, 573K i 623K.De fet, quan la temperatura és superior a 230 °C o 503K58, l'aliatge Mg2Ni té característiques efectives per al procés d'absorció d'hidrogen.Tanmateix, en el moment inicial de la injecció d'hidrogen, la temperatura augmenta ràpidament.En conseqüència, la temperatura de la capa de MG superarà els 523 K. Per tant, la formació d'hidrurs es facilita a causa de l'augment de la taxa d'absorció53.De la fig.A la figura 8b es pot veure que l'hidrogen s'absorbeix més ràpidament a mesura que disminueix la temperatura inicial de la capa de MB.Les pressions d'equilibri més baixes es produeixen quan la temperatura inicial és més baixa.Com més gran sigui la diferència de pressió entre la pressió d'equilibri i la pressió aplicada, més ràpid serà el procés d'absorció d'hidrogen.A una temperatura inicial de 473 K, l'hidrogen s'absorbeix ràpidament fins a un 27% durant els primers 18 segons.A més, el temps d'absorció també es va reduir de l'11% al 24% a una temperatura inicial inferior en comparació amb la temperatura inicial de 623 K. El temps d'absorció a la temperatura inicial més baixa de 473 K és de 15247 s, que és similar a la millor. No obstant això, la pressió de càrrega del cas, la disminució de la temperatura inicial del reactor condueix a una disminució de la capacitat d'emmagatzematge d'hidrogen.La temperatura inicial del reactor MN ha de ser almenys 503 K53.A més, a una temperatura inicial de 573 K53, es pot aconseguir una capacitat màxima d'emmagatzematge d'hidrogen del 3,6% en pes.Pel que fa a la capacitat d'emmagatzematge d'hidrogen i la durada d'absorció, les temperatures entre 523 i 573 K escurcen el temps només en un 6%.Per tant, es proposa una temperatura de 573 K com a temperatura inicial del reactor MH-SCHE.Tanmateix, l'efecte de la temperatura inicial sobre el procés d'absorció va ser menys significatiu en comparació amb la pressió de càrrega.La secció suplementària mostra els contorns de la concentració d'hidrogen per a diverses temperatures inicials a 15500 s.
El cabal és un dels principals paràmetres d'hidrogenació i deshidrogenació perquè pot afectar la turbulència i l'eliminació o entrada de calor durant la hidrogenació i la deshidrogenació59.Els cabals elevats crearan fases turbulentes i donaran lloc a un flux de fluid més ràpid a través del tub HTF.Aquesta reacció donarà lloc a una transferència de calor més ràpida.Es calculen diferents velocitats d'entrada per a HTF a partir dels números de Reynolds de 10.000, 14.000, 18.000 i 22.000.La temperatura inicial de la capa de MG es va fixar a 573 K i la pressió de càrrega a 1,8 MPa.Els resultats de la fig.8c demostren que l'ús d'un nombre de Reynolds més alt en combinació amb SCHE dóna lloc a una taxa d'absorció més alta.A mesura que el nombre de Reynolds augmenta de 10.000 a 22.000, el temps d'absorció disminueix entre un 28 i un 50%.El temps d'absorció a un nombre de Reynolds de 22.000 és de 12.505 segons, que és menor que a diverses temperatures i pressions inicials de càrrega.A la secció suplementària es presenten contorns de concentració d'hidrogen per a diversos nombres de Reynolds per a GTP a 12500 s.
L'efecte de SCHE sobre la temperatura inicial de l'HTF s'analitza i es mostra a la figura 8d.A una temperatura inicial de MG de 573 K i una pressió de càrrega d'hidrogen d'1,8 MPa, es van triar quatre temperatures inicials per a aquesta anàlisi: 373 K, 473 K, 523 K i 573 K. La figura 8d mostra que una disminució de la temperatura del refrigerant a l'entrada comporta una reducció del temps d'absorció.En comparació amb el cas base amb una temperatura d'entrada de 573 K, el temps d'absorció es va reduir aproximadament un 20%, 44% i 56% per a temperatures d'entrada de 523 K, 473 K i 373 K, respectivament.A 6917 s, la temperatura inicial del GTF és de 373 K, la concentració d'hidrogen al reactor és del 90%.Això es pot explicar per la transferència de calor convectiva millorada entre la capa MG i l'HCS.Les temperatures més baixes de l'HTF augmentaran la dissipació de calor i donaran lloc a una major absorció d'hidrogen.Entre tots els paràmetres de funcionament, la millora del rendiment del reactor MH-SCHE augmentant la temperatura d'entrada de l'HTF va ser el mètode més adequat, ja que el temps final del procés d'absorció va ser inferior a 7000 s, mentre que el temps d'absorció més curt d'altres mètodes va ser més més de 10.000 s.Es presenten contorns de concentració d'hidrogen per a diverses temperatures inicials de GTP durant 7000 s.
Aquest estudi presenta per primera vegada un nou intercanviador de calor de bobina semicilíndrica integrat en una unitat d'emmagatzematge d'hidrur metàl·lic.La capacitat del sistema proposat per absorbir hidrogen es va investigar amb diverses configuracions de l'intercanviador de calor.Es va investigar la influència dels paràmetres de funcionament en l'intercanvi de calor entre la capa d'hidrur metàl·lic i el refrigerant per tal de trobar les condicions òptimes per emmagatzemar hidrurs metàl·lics mitjançant un nou intercanviador de calor.Les principals conclusions d'aquest estudi es resumeixen de la següent manera:
Amb un intercanviador de calor de bobina semicilíndrica, el rendiment de la transferència de calor es millora perquè té una distribució de calor més uniforme al reactor de capa de magnesi, donant lloc a una millor taxa d'absorció d'hidrogen.Sempre que el volum del tub d'intercanvi de calor i l'hidrur metàl·lic romangui sense canvis, el temps de reacció d'absorció es redueix significativament en un 59% en comparació amb un intercanviador de calor de bobina convencional.
Hora de publicació: 15-gen-2023