Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden wij u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen).Om voortdurende ondersteuning te garanderen, tonen we de site bovendien zonder stijlen en JavaScript.
Geeft een carrousel van drie dia's tegelijk weer.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door drie dia's tegelijk te bladeren, of gebruik de schuifknoppen aan het einde om door drie dia's tegelijk te bladeren.
Metaalhydriden (MH) worden erkend als een van de meest geschikte materiaalgroepen voor waterstofopslag vanwege hun grote waterstofopslagcapaciteit, lage werkdruk en hoge veiligheid.Hun trage waterstofopnamekinetiek vermindert echter de opslagprestaties aanzienlijk.Een snellere warmteafvoer uit de MH-opslag zou een belangrijke rol kunnen spelen bij het verhogen van de waterstofopnamesnelheid, wat zou resulteren in verbeterde opslagprestaties.In dit opzicht was deze studie gericht op het verbeteren van de warmteoverdrachtseigenschappen om de waterstofopnamesnelheid van het MH-opslagsysteem positief te beïnvloeden.De nieuwe halfcilindrische spiraal werd eerst ontwikkeld en geoptimaliseerd voor waterstofopslag en opgenomen als een interne lucht-als-warmtewisselaar (HTF).Op basis van de verschillende steekgroottes wordt het effect van de nieuwe warmtewisselaarconfiguratie geanalyseerd en vergeleken met de conventionele spiraalvormige spiraalgeometrie.Bovendien werden de operationele parameters van de opslag van MG en GTP numeriek bestudeerd om optimale waarden te verkrijgen.Voor numerieke simulatie wordt ANSYS Fluent 2020 R2 gebruikt.De resultaten van dit onderzoek laten zien dat de prestaties van een MH-opslagtank aanzienlijk kunnen worden verbeterd door gebruik te maken van een semi-cilindrische spiraalwarmtewisselaar (SCHE).Vergeleken met conventionele spiraalwarmtewisselaars wordt de duur van de waterstofabsorptie met 59% verkort.De kleinste afstand tussen de SCHE-spoelen resulteerde in een vermindering van 61% in de absorptietijd.Wat betreft de bedrijfsparameters van MG-opslag met behulp van SHE, leiden alle geselecteerde parameters tot een significante verbetering in het waterstofabsorptieproces, vooral de temperatuur aan de inlaat van de HTS.
Er is een mondiale transitie gaande van energie op basis van fossiele brandstoffen naar duurzame energie.Omdat veel vormen van hernieuwbare energie op een dynamische manier energie leveren, is energieopslag noodzakelijk om de belasting in evenwicht te brengen.Op waterstof gebaseerde energieopslag heeft voor dit doel veel aandacht gekregen, vooral omdat waterstof vanwege zijn eigenschappen en draagbaarheid kan worden gebruikt als een “groene” alternatieve brandstof en energiedrager.Daarnaast biedt waterstof ook een hogere energie-inhoud per massa-eenheid vergeleken met fossiele brandstoffen2.Er zijn vier hoofdtypen waterstofenergieopslag: opslag van gecomprimeerd gas, ondergrondse opslag, opslag van vloeistoffen en opslag van vaste stoffen.Gecomprimeerde waterstof is het belangrijkste type dat wordt gebruikt in brandstofcelvoertuigen zoals bussen en vorkheftrucks.Deze opslag biedt echter een lage bulkdichtheid van waterstof (ongeveer 0,089 kg/m3) en brengt veiligheidsproblemen met zich mee die verband houden met een hoge werkdruk3.Op basis van een conversieproces bij lage omgevingstemperatuur en -druk zal de vloeistofopslag waterstof in vloeibare vorm opslaan.Bij het vloeibaar maken gaat echter ongeveer 40% van de energie verloren.Bovendien is bekend dat deze technologie energie- en arbeidsintensiever is in vergelijking met solid state-opslagtechnologieën4.Opslag van vaste stoffen is een haalbare optie voor een waterstofeconomie, die waterstof opslaat door waterstof op te nemen in vaste materialen door middel van absorptie en waterstof vrij te geven door desorptie.Metaalhydride (MH), een technologie voor de opslag van vaste materialen, is van recent belang in brandstofceltoepassingen vanwege de hoge waterstofcapaciteit, de lage werkdruk en de lage kosten in vergelijking met vloeistofopslag, en is geschikt voor stationaire en mobiele toepassingen6,7 In Bovendien bieden MH-materialen ook veiligheidseigenschappen, zoals efficiënte opslag van grote capaciteit8.Er is echter een probleem dat de productiviteit van de MG beperkt: de lage thermische geleidbaarheid van de MG-reactor leidt tot langzame absorptie en desorptie van waterstof.
Een goede warmteoverdracht tijdens exotherme en endotherme reacties is de sleutel tot het verbeteren van de prestaties van MH-reactoren.Voor het waterstoflaadproces moet de gegenereerde warmte uit de reactor worden verwijderd om de waterstoflaadstroom op het gewenste tempo te kunnen regelen met maximale opslagcapaciteit.In plaats daarvan is warmte nodig om de waterstofontwikkeling tijdens de ontlading te verhogen.Om de prestaties van de warmte- en massaoverdracht te verbeteren, hebben veel onderzoekers het ontwerp en de optimalisatie bestudeerd op basis van meerdere factoren, zoals bedrijfsparameters, MG-structuur en MG11-optimalisatie.MG-optimalisatie kan worden gedaan door materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals schuimmetalen, toe te voegen aan MG-lagen 12,13.Zo kan de effectieve thermische geleidbaarheid worden verhoogd van 0,1 naar 2 W/mK10.Door de toevoeging van vaste materialen wordt het vermogen van de MN-reactor echter aanzienlijk verminderd.Wat de bedrijfsparameters betreft, kunnen verbeteringen worden bereikt door de initiële bedrijfsomstandigheden van de MG-laag en het koelmiddel (HTF) te optimaliseren.De structuur van de MG kan worden geoptimaliseerd dankzij de geometrie van de reactor en het ontwerp van de warmtewisselaar.Wat betreft de configuratie van de warmtewisselaar van de MH-reactor kunnen de methoden in twee typen worden verdeeld.Dit zijn interne warmtewisselaars die in de MO-laag zijn ingebouwd en externe warmtewisselaars die de MO-laag bedekken, zoals vinnen, koelmantels en waterbaden.Wat de externe warmtewisselaar betreft, analyseerde Kaplan16 de werking van de MH-reactor, waarbij koelwater als mantel werd gebruikt om de temperatuur in de reactor te verlagen.De resultaten werden vergeleken met een reactor met 22 ronde vinnen en een andere reactor die werd gekoeld door natuurlijke convectie.Zij stellen dat de aanwezigheid van een koelmantel de temperatuur van de MH aanzienlijk verlaagt, waardoor de absorptiesnelheid toeneemt.Numerieke studies van de MH-reactor met watermantel door Patil en Gopal17 hebben aangetoond dat de waterstoftoevoerdruk en de HTF-temperatuur sleutelparameters zijn die de snelheid van waterstofopname en -desorptie beïnvloeden.
Het vergroten van het warmteoverdrachtsoppervlak door het toevoegen van vinnen en warmtewisselaars die in de MH zijn ingebouwd, is de sleutel tot het verbeteren van de warmte- en massaoverdrachtsprestaties en daarmee de opslagprestaties van de MH18.Er zijn verschillende interne warmtewisselaarconfiguraties (rechte buis en spiraalspiraal) ontworpen om het koelmiddel in de MH19,20,21,22,23,24,25,26 reactor te laten circuleren.Met behulp van een interne warmtewisselaar zal de koel- of verwarmingsvloeistof lokale warmte overbrengen naar de MH-reactor tijdens het waterstofadsorptieproces.Raju en Kumar [27] gebruikten verschillende rechte buizen als warmtewisselaars om de prestaties van de MG te verbeteren.Hun resultaten toonden aan dat de absorptietijden werden verkort wanneer rechte buizen als warmtewisselaars werden gebruikt.Bovendien verkort het gebruik van rechte buizen de waterstofdesorptietijd28.Hogere koelvloeistofdebieten verhogen de snelheid waarmee waterstof wordt geladen en ontladen29.Het vergroten van het aantal koelbuizen heeft echter een positief effect op de MH-prestaties in plaats van op de koelvloeistofstroomsnelheid30,31.Raju et al.32 gebruikten LaMi4.7Al0.3 als MH-materiaal om de prestaties van warmtewisselaars met meerdere buizen in reactoren te bestuderen.Ze meldden dat de bedrijfsparameters een significant effect hadden op het absorptieproces, vooral de voedingsdruk en vervolgens de stroomsnelheid van de HTF.De absorptietemperatuur bleek echter minder kritisch.
De prestaties van de MH-reactor worden verder verbeterd door het gebruik van een spiraalwarmtewisselaar vanwege de verbeterde warmteoverdracht in vergelijking met rechte buizen.Dit komt doordat de secundaire cyclus de warmte beter uit de reactor kan afvoeren25.Bovendien bieden de spiraalbuizen een groot oppervlak voor warmteoverdracht van de MH-laag naar het koelmiddel.Wanneer deze methode in de reactor wordt geïntroduceerd, is de verdeling van de warmtewisselaarbuizen ook uniformer33.Wang et al.34 bestudeerden het effect van de duur van de waterstofopname door een spiraalvormige spoel aan een MH-reactor toe te voegen.Hun resultaten laten zien dat naarmate de warmteoverdrachtscoëfficiënt van het koelmiddel toeneemt, de absorptietijd afneemt.Wu et al.25 onderzocht de prestaties van op Mg2Ni gebaseerde MH-reactoren en spiraalwarmtewisselaars.Hun numerieke studies hebben een vermindering van de reactietijd aangetoond.De verbetering van het warmteoverdrachtsmechanisme in de MN-reactor is gebaseerd op een kleinere verhouding van schroefspoed tot schroefspoed en een dimensieloze schroefspoed.Een experimenteel onderzoek door Mellouli et al.21 waarbij een spiraalspiraal als interne warmtewisselaar werd gebruikt, toonde aan dat de starttemperatuur van HTF een significant effect heeft op het verbeteren van de waterstofopname en de desorptietijd.Combinaties van verschillende interne warmtewisselaars zijn in verschillende onderzoeken uitgevoerd.Eisapur et al.35 bestudeerde waterstofopslag met behulp van een spiraalwarmtewisselaar met een centrale retourbuis om het waterstofabsorptieproces te verbeteren.Uit hun resultaten bleek dat de spiraalbuis en de centrale retourbuis de warmteoverdracht tussen het koelmiddel en de MG aanzienlijk verbeteren.De kleinere steek en grotere diameter van de spiraalbuis verhogen de snelheid van warmte- en massaoverdracht.Ardahaie et al.36 gebruikte platte spiraalbuizen als warmtewisselaars om de warmteoverdracht binnen de reactor te verbeteren.Ze rapporteerden dat de absorptieduur werd verkort door het aantal afgeplatte spiraalbuisvlakken te vergroten.Combinaties van verschillende interne warmtewisselaars zijn in verschillende onderzoeken uitgevoerd.Dhau et al.37 verbeterde de prestaties van de MH met behulp van een spiraalwarmtewisselaar en vinnen.Uit hun resultaten blijkt dat deze methode de waterstofvultijd met een factor 2 verkort in vergelijking met het geval zonder vinnen.De ringvormige vinnen worden gecombineerd met koelbuizen en ingebouwd in de MN-reactor.De resultaten van dit onderzoek laten zien dat deze gecombineerde methode zorgt voor een meer uniforme warmteoverdracht vergeleken met de MH-reactor zonder vinnen.Het combineren van verschillende warmtewisselaars zal echter een negatief effect hebben op het gewicht en het volume van de MH-reactor.Wu et al.18 vergeleken verschillende warmtewisselaarconfiguraties.Deze omvatten rechte buizen, vinnen en spiraalspoelen.De auteurs melden dat spiraalvormige spoelen de beste verbeteringen bieden op het gebied van warmte- en massaoverdracht.Bovendien hebben dubbele spoelen, vergeleken met rechte buizen, spiraalbuizen en rechte buizen in combinatie met spiraalbuizen, een beter effect op het verbeteren van de warmteoverdracht.Een onderzoek van Sekhar et al.40 toonde aan dat een vergelijkbare verbetering in de waterstofopname werd bereikt met behulp van een spiraalspiraal als interne warmtewisselaar en een externe koelmantel met vinnen.
Van de hierboven genoemde voorbeelden zorgt het gebruik van spiraalvormige spoelen als interne warmtewisselaars voor betere verbeteringen in de warmte- en massaoverdracht dan andere warmtewisselaars, vooral rechte buizen en vinnen.Daarom was het doel van deze studie om de spiraalspiraal verder te ontwikkelen om de warmteoverdrachtsprestaties te verbeteren.Voor het eerst is er een nieuwe halfcilindrische spoel ontwikkeld op basis van de conventionele spiraalvormige MH-opslagspiraal.Verwacht wordt dat deze studie de prestaties van de waterstofopslag zal verbeteren door een nieuw warmtewisselaarontwerp te overwegen met een betere indeling van de warmteoverdrachtszone, mogelijk gemaakt door een constant volume aan MH-bed- en HTF-buizen.De opslagprestaties van deze nieuwe warmtewisselaar werden vervolgens vergeleken met conventionele spiraalwarmtewisselaars op basis van verschillende spiraalafstanden.Volgens de bestaande literatuur zijn de bedrijfsomstandigheden en de afstand tussen de spoelen de belangrijkste factoren die de prestaties van MH-reactoren beïnvloeden.Om het ontwerp van deze nieuwe warmtewisselaar te optimaliseren, werd het effect van de spiraalafstand op de waterstofopnametijd en het MH-volume onderzocht.Om de relatie tussen de nieuwe halfcilindrische spoelen en de bedrijfsomstandigheden te begrijpen, was een secundair doel van deze studie bovendien het bestuderen van de kenmerken van de reactor volgens verschillende operationele parameterbereiken en het bepalen van de juiste waarden voor elke operationele parameter. modus.parameter.
De prestaties van het waterstofenergieopslagapparaat in dit onderzoek zijn onderzocht op basis van twee warmtewisselaarconfiguraties (inclusief spiraalvormige buizen in de gevallen 1 tot 3 en halfcilindrische buizen in de gevallen 4 tot 6) en een gevoeligheidsanalyse van bedrijfsparameters.De werking van de MH-reactor werd voor het eerst getest met een spiraalbuis als warmtewisselaar.Zowel de koelolieleiding als het MH-reactorvat zijn gemaakt van roestvrij staal.Opgemerkt moet worden dat de afmetingen van de MG-reactor en de diameter van de GTF-buizen in alle gevallen constant waren, terwijl de stapgroottes van de GTF varieerden.In deze sectie wordt het effect van de pitchgrootte van HTF-spoelen geanalyseerd.De hoogte en buitendiameter van de reactor waren respectievelijk 110 mm en 156 mm.De diameter van de warmtegeleidende olieleiding is vastgesteld op 6 mm.Zie het aanvullende gedeelte voor details over het schakelschema van de MH-reactor met spiraalbuizen en twee halfcilindrische buizen.
Op afb.La toont de MH-spiraalbuisreactor en zijn afmetingen.Alle geometrische parameters worden gegeven in de tabel.1. Het totale volume van de helix en het volume van de ZG zijn respectievelijk ongeveer 100 cm3 en 2000 cm3.Vanuit deze MH-reactor werd lucht in de vorm van HTF van onderaf via een spiraalbuis in de poreuze MH-reactor gevoerd en werd waterstof vanaf het bovenoppervlak van de reactor geïntroduceerd.
Karakterisering van geselecteerde geometrieën voor metaalhydridereactoren.a) met een spiraalbuisvormige warmtewisselaar, b) met een halfcilindrische buisvormige warmtewisselaar.
Het tweede deel onderzoekt de werking van de MH-reactor op basis van een halfcilindrische buis als warmtewisselaar.Op afb.Figuur 1b toont de MN-reactor met twee halfcilindrische buizen en hun afmetingen.Tabel 1 geeft een overzicht van alle geometrische parameters van halfcilindrische buizen, die constant blijven, met uitzondering van de afstand ertussen.Opgemerkt moet worden dat de halfcilindrische buis in geval 4 is ontworpen met een constant volume HTF-buis en MH-legering in de opgerolde buis (optie 3).Wat betreft afb.1b werd ook lucht geïntroduceerd vanaf de bodem van de twee halfcilindrische HTF-buizen, en waterstof werd geïntroduceerd vanuit de tegenovergestelde richting van de MH-reactor.
Vanwege het nieuwe ontwerp van de warmtewisselaar is het doel van deze sectie het bepalen van de juiste initiële waarden voor de bedrijfsparameters van de MH-reactor in combinatie met SCHE.In alle gevallen werd lucht gebruikt als koelmiddel om de warmte uit de reactor te verwijderen.Van de warmteoverdrachtsoliën worden gewoonlijk lucht en water gekozen als warmteoverdrachtsoliën voor MH-reactoren vanwege hun lage kosten en lage gevolgen voor het milieu.Vanwege het hoge bedrijfstemperatuurbereik van legeringen op magnesiumbasis werd in dit onderzoek lucht als koelmiddel gekozen.Bovendien heeft het ook betere vloei-eigenschappen dan andere vloeibare metalen en gesmolten zouten41.Tabel 2 geeft een overzicht van de eigenschappen van lucht bij 573 K. Voor de gevoeligheidsanalyse in deze sectie worden alleen de beste configuraties van de MH-SCHE-prestatieopties (in de gevallen 4 tot en met 6) toegepast.De schattingen in deze sectie zijn gebaseerd op verschillende bedrijfsparameters, waaronder de begintemperatuur van de MH-reactor, de waterstoflaaddruk, de HTF-inlaattemperatuur en het Reynoldsgetal, berekend door de HTF-snelheid te wijzigen.Tabel 3 bevat alle bedrijfsparameters die zijn gebruikt voor gevoeligheidsanalyse.
In dit gedeelte worden alle noodzakelijke controlevergelijkingen beschreven voor het proces van waterstofabsorptie, turbulentie en warmteoverdracht van koelmiddelen.
Om de oplossing van de waterstofopnamereactie te vereenvoudigen, worden de volgende aannames gedaan en gegeven;
Tijdens absorptie zijn de thermofysische eigenschappen van waterstof en metaalhydriden constant.
Waterstof wordt als een ideaal gas beschouwd, dus er wordt rekening gehouden met lokale thermische evenwichtsomstandigheden43,44.
waarbij \({L}_{gas}\) de straal van de tank is, en \({L}_{heat}\) de axiale hoogte van de tank.Wanneer N kleiner is dan 0,0146, kan de waterstofstroom in de tank zonder noemenswaardige fouten in de simulatie worden genegeerd.Volgens huidig onderzoek is N veel lager dan 0,1.Daarom kan het drukgradiënteffect worden verwaarloosd.
De reactorwanden waren in alle gevallen goed geïsoleerd.Daarom is er geen warmte-uitwisseling 47 tussen de reactor en de omgeving.
Het is algemeen bekend dat op Mg gebaseerde legeringen goede hydrogeneringseigenschappen hebben en een hoge waterstofopslagcapaciteit tot 7,6 gew.%8.In termen van toepassingen voor waterstofopslag in vaste toestand staan deze legeringen ook bekend als lichtgewicht materialen.Bovendien hebben ze een uitstekende hittebestendigheid en een goede verwerkbaarheid8.Van de verschillende op Mg gebaseerde legeringen is de op Mg2Ni gebaseerde MgNi-legering een van de meest geschikte opties voor MH-opslag vanwege de waterstofopslagcapaciteit van maximaal 6 gew.%.Mg2Ni-legeringen bieden ook een snellere adsorptie- en desorptiekinetiek vergeleken met MgH48-legeringen.Daarom werd in dit onderzoek Mg2Ni gekozen als metaalhydridemateriaal.
De energievergelijking wordt uitgedrukt als 25 op basis van de warmtebalans tussen waterstof en Mg2Ni-hydride:
X is de hoeveelheid waterstof die wordt geabsorbeerd op het metaaloppervlak, de eenheid is \(gewicht\%\), berekend uit de kinetische vergelijking \(\frac{dX}{dt}\) tijdens absorptie als volgt49:
waarbij \({C}_{a}\) de reactiesnelheid is en \({E}_{a}\) de activeringsenergie.\({P}_{a,eq}\) is de evenwichtsdruk in de metaalhydridereactor tijdens het absorptieproces, als volgt gegeven door de van't Hoff-vergelijking25:
Waarbij \({P}_{ref}\) de referentiedruk is van 0,1 MPa.\(\Delta H\) en \(\Delta S\) zijn respectievelijk de enthalpie en entropie van de reactie.Eigenschappen van legeringen Mg2Ni en waterstof worden weergegeven in de tabel.4. De genoemde lijst is te vinden in het aanvullende gedeelte.
De vloeistofstroom wordt als turbulent beschouwd omdat de snelheid en het Reynoldsgetal (Re) respectievelijk 78,75 ms-1 en 14000 zijn.In deze studie werd gekozen voor een haalbaar k-ε turbulentiemodel.Opgemerkt wordt dat deze methode een hogere nauwkeurigheid biedt in vergelijking met andere k-ε-methoden, en ook minder rekentijd vereist dan RNG k-ε50,51-methoden.Zie het aanvullende gedeelte voor details over de basisvergelijkingen voor warmteoverdrachtsvloeistoffen.
Aanvankelijk was het temperatuurregime in de MN-reactor uniform en was de gemiddelde waterstofconcentratie 0,043.Aangenomen wordt dat de buitengrens van de MH-reactor goed geïsoleerd is.Op magnesium gebaseerde legeringen vereisen doorgaans hoge reactietemperaturen om waterstof in de reactor op te slaan en vrij te geven.De Mg2Ni-legering vereist een temperatuurbereik van 523–603 K voor maximale absorptie en een temperatuurbereik van 573–603 K voor volledige desorptie52.Uit experimentele studies van Muthukumar et al.53 blijkt echter dat de maximale opslagcapaciteit van Mg2Ni voor waterstofopslag kan worden bereikt bij een bedrijfstemperatuur van 573 K, wat overeenkomt met de theoretische capaciteit ervan.Daarom werd in dit onderzoek de temperatuur van 573 K gekozen als begintemperatuur van de MN-reactor.
Creëer verschillende rastergroottes voor validatie en betrouwbare resultaten.Op afb.Figuur 2 toont de gemiddelde temperatuur op geselecteerde locaties in het waterstofabsorptieproces van vier verschillende elementen.Het is vermeldenswaard dat slechts één geval van elke configuratie wordt geselecteerd om te testen op netonafhankelijkheid vanwege de vergelijkbare geometrie.In andere gevallen wordt dezelfde meshingmethode toegepast.Kies daarom optie 1 voor de spiraalbuis en optie 4 voor de halfcilindrische buis.Op afb.Figuur 2a, b toont de gemiddelde temperatuur in de reactor voor respectievelijk optie 1 en 4.De drie geselecteerde locaties vertegenwoordigen bedtemperatuurcontouren aan de boven-, midden- en onderkant van de reactor.Op basis van de temperatuurcontouren op de geselecteerde locaties wordt de gemiddelde temperatuur stabiel en vertoont deze weinig verandering in elementnummers 428.891 en 430.599 voor respectievelijk gevallen 1 en 4.Daarom werden deze rastergroottes gekozen voor verdere computationele berekeningen.Gedetailleerde informatie over de gemiddelde bedtemperatuur voor het waterstofabsorptieproces voor verschillende celgroottes en achtereenvolgens verfijnde meshes voor beide gevallen wordt gegeven in de aanvullende sectie.
Gemiddelde bedtemperatuur op geselecteerde punten in het waterstofabsorptieproces in een metaalhydridereactor met verschillende roosternummers.(a) Gemiddelde temperatuur op geselecteerde locaties voor geval 1 en (b) Gemiddelde temperatuur op geselecteerde locaties voor geval 4.
De Mg-gebaseerde metaalhydridereactor in deze studie werd getest op basis van de experimentele resultaten van Muthukumar et al.53.In hun onderzoek gebruikten ze een Mg2Ni-legering om waterstof op te slaan in roestvrijstalen buizen.Koperen vinnen worden gebruikt om de warmteoverdracht in de reactor te verbeteren.Op afb.Figuur 3a toont een vergelijking van de gemiddelde temperatuur van het absorptieprocesbed tussen het experimentele onderzoek en dit onderzoek.De voor dit experiment gekozen bedrijfsomstandigheden zijn: MG begintemperatuur 573 K en inlaatdruk 2 MPa.Vanaf afb.Uit figuur 3a blijkt duidelijk dat dit experimentele resultaat goed overeenstemt met het onderhavige wat betreft de gemiddelde laagtemperatuur.
Modelverificatie.(a) Codeverificatie van de Mg2Ni-metaalhydridereactor door het huidige onderzoek te vergelijken met het experimentele werk van Muthukumar et al.52, en (b) verificatie van het turbulente stromingsmodel met spiraalvormige buizen door het huidige onderzoek te vergelijken met dat van Kumar et al. .Onderzoek.54.
Om het turbulentiemodel te testen werden de resultaten van dit onderzoek vergeleken met de experimentele resultaten van Kumar et al.54 om de juistheid van het gekozen turbulentiemodel te bevestigen.Kumar et al.54 bestudeerden turbulente stroming in een buis-in-buis-spiraalwarmtewisselaar.Water wordt gebruikt als warme en koude vloeistof die van tegenovergestelde kanten wordt geïnjecteerd.De warme en koude vloeistoftemperaturen zijn respectievelijk 323 K en 300 K.Reynoldsgetallen variëren van 3100 tot 5700 voor hete vloeistoffen en van 21.000 tot 35.000 voor koude vloeistoffen.Dean-nummers zijn 550-1000 voor hete vloeistoffen en 3600-6000 voor koude vloeistoffen.De diameters van de binnenbuis (voor hete vloeistof) en de buitenbuis (voor koude vloeistof) zijn respectievelijk 0,0254 m en 0,0508 m.De diameter en spoed van de spiraalvormige spoel zijn respectievelijk 0,762 m en 0,100 m.Op afb.Figuur 3b toont een vergelijking van experimentele en huidige resultaten voor verschillende paren Nusselt- en Dean-getallen voor het koelmiddel in de binnenband.Er werden drie verschillende turbulentiemodellen geïmplementeerd en vergeleken met experimentele resultaten.Zoals weergegeven in afb.3b komen de resultaten van het haalbare k-ε-turbulentiemodel goed overeen met de experimentele gegevens.Daarom is in dit onderzoek voor dit model gekozen.
Numerieke simulaties in dit onderzoek zijn uitgevoerd met behulp van ANSYS Fluent 2020 R2.Schrijf een door de gebruiker gedefinieerde functie (UDF) en gebruik deze als de invoerterm van de energievergelijking om de kinetiek van het absorptieproces te berekenen.Het PRESTO55-circuit en de PISO56-methode worden gebruikt voor druk-snelheidscommunicatie en drukcorrectie.Selecteer een Greene-Gauss-celbasis voor de variabele gradiënt.De momentum- en energievergelijkingen worden opgelost door de tweede orde upwind-methode.Wat de onder-relaxatiecoëfficiënten betreft, zijn de druk-, snelheids- en energiecomponenten respectievelijk ingesteld op 0,5, 0,7 en 0,7.In het turbulentiemodel worden de standaard wandfuncties op de HTF toegepast.
Deze sectie presenteert de resultaten van numerieke simulaties van verbeterde interne warmteoverdracht van een MH-reactor met behulp van een spiraalvormige warmtewisselaar (HCHE) en een spiraalvormige warmtewisselaar (SCHE) tijdens waterstofabsorptie.Het effect van HTF-pek op de temperatuur van het reactorbed en de absorptieduur werd geanalyseerd.De belangrijkste operationele parameters van het absorptieproces worden bestudeerd en gepresenteerd in de sectie gevoeligheidsanalyse.
Om het effect van de spiraalafstand op de warmteoverdracht in een MH-reactor te onderzoeken, werden drie warmtewisselaarconfiguraties met verschillende spoed onderzocht.De drie verschillende steekafstanden van 15 mm, 12,86 mm en 10 mm worden respectievelijk body 1, body 2 en body 3 genoemd.Opgemerkt moet worden dat de buisdiameter bij een begintemperatuur van 573 K en een belastingsdruk van 1,8 MPa in alle gevallen op 6 mm was vastgesteld.Op afb.Figuur 4 toont de gemiddelde bedtemperatuur en waterstofconcentratie in de MH-laag tijdens het waterstofabsorptieproces in de gevallen 1 tot 3. Typisch is de reactie tussen het metaalhydride en waterstof exotherm ten opzichte van het absorptieproces.Daarom stijgt de temperatuur van het bed snel als gevolg van het eerste moment waarop waterstof voor het eerst in de reactor wordt geïntroduceerd.De bedtemperatuur stijgt totdat deze een maximale waarde bereikt en daalt vervolgens geleidelijk naarmate de warmte wordt afgevoerd door het koelmiddel, dat een lagere temperatuur heeft en als koelmiddel fungeert.Zoals weergegeven in afb.4a, als gevolg van de voorgaande uitleg, neemt de temperatuur van de laag snel toe en daalt continu.De waterstofconcentratie voor het absorptieproces is doorgaans gebaseerd op de bedtemperatuur van de MH-reactor.Wanneer de gemiddelde laagtemperatuur tot een bepaalde temperatuur daalt, absorbeert het metaaloppervlak waterstof.Dit komt door de versnelling van de processen van fysisorptie, chemisorptie, diffusie van waterstof en de vorming van zijn hydriden in de reactor.Vanaf afb.In figuur 4b is te zien dat de snelheid van waterstofabsorptie in geval 3 lager is dan in andere gevallen vanwege de kleinere stapwaarde van de spiraalwarmtewisselaar.Dit resulteert in een langere totale buislengte en een groter warmteoverdrachtsoppervlak voor HTF-buizen.Bij een gemiddelde waterstofconcentratie van 90% bedraagt de absorptietijd voor Geval 1 46.276 seconden.Vergeleken met de absorptieduur in geval 1 werd de absorptieduur in geval 2 en 3 verminderd met respectievelijk 724 s en 1263 s.Het aanvullende gedeelte presenteert temperatuur- en waterstofconcentratiecontouren voor geselecteerde locaties in de HCHE-MH-laag.
Invloed van afstand tussen spoelen op gemiddelde laagtemperatuur en waterstofconcentratie.(a) Gemiddelde bedtemperatuur voor spiraalvormige spoelen, (b) waterstofconcentratie voor spiraalvormige spoelen, (c) gemiddelde bedtemperatuur voor halfcilindrische spoelen, en (d) waterstofconcentratie voor halfcilindrische spoelen.
Om de warmteoverdrachtseigenschappen van de MG-reactor te verbeteren, zijn twee HFK’s ontworpen voor een constant volume van de MG (2000 cm3) en een spiraalwarmtewisselaar (100 cm3) van optie 3. In deze paragraaf wordt ook gekeken naar het effect van de afstand tussen de MG-reactoren. spoelen van 15 mm voor geval 4, 12,86 mm voor geval 5 en 10 mm voor geval 6. In Fig.4c,d toont de gemiddelde bedtemperatuur en concentratie van het waterstofabsorptieproces bij een begintemperatuur van 573 K en een laaddruk van 1,8 MPa.Volgens de gemiddelde laagtemperatuur in figuur 4c verlaagt de kleinere afstand tussen de spoelen in geval 6 de temperatuur aanzienlijk vergeleken met de andere twee gevallen.Voor geval 6 resulteert een lagere bedtemperatuur in een hogere waterstofconcentratie (zie figuur 4d).De waterstofopnametijd voor Variant 4 bedraagt 19542 s, wat ruim 2 keer korter is dan voor Varianten 1-3 met HCH.Bovendien werd, vergeleken met geval 4, de absorptietijd ook verminderd met 378 s en 1515 s in gevallen 5 en 6 met kleinere afstanden.Het aanvullende gedeelte presenteert temperatuur- en waterstofconcentratiecontouren voor geselecteerde locaties in de SCHE-MH-laag.
Om de prestaties van twee warmtewisselaarconfiguraties te bestuderen, worden in dit gedeelte temperatuurcurven op drie geselecteerde locaties uitgezet en gepresenteerd.Ter vergelijking is gekozen voor de MH-reactor met HCHE uit casus 3 met de MH-reactor met SCHE uit casus 4 omdat deze een constant MH-volume en leidingvolume heeft.De bedrijfsomstandigheden voor deze vergelijking waren een begintemperatuur van 573 K en een laaddruk van 1,8 MPa.Op afb.5a en 5b tonen alle drie de geselecteerde posities van de temperatuurprofielen in respectievelijk de gevallen 3 en 4.Op afb.5c toont het temperatuurprofiel en de laagconcentratie na 20.000 s waterstofopname.Volgens lijn 1 in figuur 5c neemt de temperatuur rond de TTF uit opties 3 en 4 af als gevolg van de convectieve warmteoverdracht van het koelmiddel.Dit resulteert in een hogere concentratie waterstof rond dit gebied.Het gebruik van twee SCHE's resulteert echter in een hogere laagconcentratie.In geval 4 werden rond de HTF-regio snellere kinetische reacties gevonden. Bovendien werd in deze regio ook een maximale concentratie van 100% gevonden.Vanaf lijn 2, gelegen in het midden van de reactor, is de temperatuur van kast 4 op alle plaatsen aanzienlijk lager dan de temperatuur van kast 3, behalve in het midden van de reactor.Dit resulteert in de maximale waterstofconcentratie voor geval 4, behalve voor het gebied nabij het centrum van de reactor, weg van de HTF.De concentratie van casus 3 veranderde echter niet veel.In lijn 3 nabij de ingang van het GTS werd een groot verschil in temperatuur en concentratie van de laag waargenomen.De temperatuur van de laag in geval 4 daalde aanzienlijk, wat resulteerde in de hoogste waterstofconcentratie in dit gebied, terwijl de concentratielijn in geval 3 nog steeds fluctueerde.Dit komt door de versnelling van de warmteoverdracht van SCHE.Details en bespreking van de vergelijking van de gemiddelde temperatuur van de MH-laag en de HTF-buis tussen geval 3 en geval 4 worden gegeven in de aanvullende sectie.
Temperatuurprofiel en bedconcentratie op geselecteerde locaties in de metaalhydridereactor.(a) Geselecteerde locaties voor geval 3, (b) Geselecteerde locaties voor geval 4, en (c) Temperatuurprofiel en laagconcentratie op geselecteerde locaties na 20.000 s voor het waterstofopnameproces in gevallen 3 en 4.
Op afb.Figuur 6 toont een vergelijking van de gemiddelde bedtemperatuur (zie figuur 6a) en de waterstofconcentratie (zie figuur 6b) voor de absorptie van HCH en SHE.Uit deze figuur blijkt dat de temperatuur van de MG-laag aanzienlijk afneemt als gevolg van een toename van het warmte-uitwisselingsoppervlak.Het verwijderen van meer warmte uit de reactor resulteert in een hogere waterstofopnamesnelheid.Hoewel de twee warmtewisselaarconfiguraties dezelfde volumes hebben vergeleken met het gebruik van HCHE als optie 3, werd de waterstofopnametijd van SCHE op basis van optie 4 aanzienlijk verminderd met 59%.Voor een meer gedetailleerde analyse worden de waterstofconcentraties voor de twee warmtewisselaarconfiguraties weergegeven als isolijnen in Figuur 7. Deze figuur laat zien dat in beide gevallen waterstof van onderaf rond de HTF-inlaat begint te worden geabsorbeerd.Hogere concentraties werden aangetroffen in het HTF-gebied, terwijl lagere concentraties werden waargenomen in het centrum van de MH-reactor vanwege de afstand tot de warmtewisselaar.Na 10.000 s is de waterstofconcentratie in geval 4 aanzienlijk hoger dan in geval 3. Na 20.000 seconden is de gemiddelde waterstofconcentratie in de reactor gestegen naar 90% in geval 4 vergeleken met 50% waterstof in geval 3. Dit kan te wijten zijn aan aan de hogere effectieve koelcapaciteit van het combineren van twee SCHE's, resulterend in een lagere temperatuur in de MH-laag.Als gevolg daarvan valt er een meer evenwichtsdruk binnen de MG-laag, wat leidt tot een snellere absorptie van waterstof.
Geval 3 en Geval 4 Vergelijking van de gemiddelde bedtemperatuur en waterstofconcentratie tussen twee warmtewisselaarconfiguraties.
Vergelijking van de waterstofconcentratie na 500, 2000, 5000, 10000 en 20000 s na de start van het waterstofabsorptieproces in geval 3 en geval 4.
Tabel 5 vat voor alle gevallen de duur van de waterstofopname samen.Daarnaast toont de tabel ook de tijd van absorptie van waterstof, uitgedrukt in procenten.Dit percentage wordt berekend op basis van de absorptietijd van Geval 1. Uit deze tabel blijkt dat de absorptietijd van de MH-reactor die HCHE gebruikt ongeveer 45.000 tot 46.000 s bedraagt, en de absorptietijd inclusief SCHE ongeveer 18.000 tot 19.000 s.Vergeleken met geval 1 werd de absorptietijd in geval 2 en geval 3 met respectievelijk slechts 1,6% en 2,7% verkort.Bij gebruik van SCHE in plaats van HCHE werd de absorptietijd aanzienlijk verkort van geval 4 naar geval 6, van 58% naar 61%.Het is duidelijk dat de toevoeging van SCHE aan de MH-reactor het waterstofabsorptieproces en de prestaties van de MH-reactor aanzienlijk verbetert.Hoewel de installatie van een warmtewisselaar in de MH-reactor de opslagcapaciteit vermindert, zorgt deze technologie voor een aanzienlijke verbetering van de warmteoverdracht in vergelijking met andere technologieën.Bovendien zal het verlagen van de toonhoogtewaarde het volume van de SCHE verhogen, wat resulteert in een afname van het volume van de MH.In geval 6 met het hoogste SCHE-volume was de volumetrische MH-capaciteit slechts met 5% verminderd in vergelijking met geval 1 met het laagste HCHE-volume.Bovendien vertoonde geval 6 tijdens de absorptie snellere en betere prestaties met een vermindering van 61% in de absorptietijd.Daarom werd geval 6 gekozen voor verder onderzoek in de gevoeligheidsanalyse.Opgemerkt moet worden dat de lange waterstofopnametijd gepaard gaat met een opslagtank met een MH-volume van ongeveer 2000 cm3.
De bedrijfsparameters tijdens de reactie zijn belangrijke factoren die de prestaties van de MH-reactor onder reële omstandigheden positief of negatief beïnvloeden.Deze studie beschouwt een gevoeligheidsanalyse om de juiste initiële bedrijfsparameters voor een MH-reactor in combinatie met SCHE te bepalen, en deze sectie onderzoekt de vier belangrijkste bedrijfsparameters op basis van de optimale reactorconfiguratie in geval 6. De resultaten voor alle bedrijfsomstandigheden worden getoond in Afb. 8.
Grafiek van de waterstofconcentratie onder verschillende bedrijfsomstandigheden bij gebruik van een warmtewisselaar met een halfcilindrische spiraal.(a) laaddruk, (b) initiële bedtemperatuur, (c) koelvloeistof Reynoldsgetal, en (d) koelvloeistofinlaattemperatuur.
Op basis van een constante begintemperatuur van 573 K en een koelvloeistofdebiet met een Reynoldsgetal van 14.000 werden vier verschillende laaddrukken geselecteerd: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa en 3,0 MPa.Op afb.8a toont het effect van de laaddruk en SCHE op de waterstofconcentratie in de loop van de tijd.De absorptietijd neemt af bij toenemende belastingsdruk.Het gebruik van een toegepaste waterstofdruk van 1,2 MPa is het slechtste geval voor het waterstofabsorptieproces, en de absorptieduur overschrijdt 26.000 s om 90% waterstofabsorptie te bereiken.De hogere laaddruk resulteerde echter in een afname van de absorptietijd met 32-42% van 1,8 naar 3,0 MPa.Dit komt door de hogere begindruk van waterstof, wat resulteert in een groter verschil tussen de evenwichtsdruk en de toegepaste druk.Daarom creëert dit een grote drijvende kracht voor de waterstofopnamekinetiek.Op het beginmoment wordt waterstofgas snel geabsorbeerd vanwege het grote verschil tussen de evenwichtsdruk en de aangelegde druk57.Bij een laaddruk van 3,0 MPa accumuleerde 18% waterstof snel gedurende de eerste 10 seconden.In de laatste fase werd waterstof in 90% van de reactoren gedurende 15460 seconden opgeslagen.Bij een belastingsdruk van 1,2 tot 1,8 MPa werd de absorptietijd echter aanzienlijk verkort met 32%.Andere hogere drukken hadden minder effect op het verbeteren van de absorptietijden.Daarom wordt aanbevolen dat de laaddruk van de MH-SCHE-reactor 1,8 MPa bedraagt.In het aanvullende gedeelte worden de waterstofconcentratiecontouren weergegeven voor verschillende laaddrukken bij 15500 s.
De keuze van een geschikte begintemperatuur van de MH-reactor is een van de belangrijkste factoren die het waterstofadsorptieproces beïnvloeden, aangezien het de drijvende kracht van de hydridevormingsreactie beïnvloedt.Om het effect van SCHE op de begintemperatuur van de MH-reactor te bestuderen, zijn vier verschillende temperaturen gekozen bij een constante belastingsdruk van 1,8 MPa en een Reynoldsgetal van 14.000 HTF.Op afb.Figuur 8b toont een vergelijking van verschillende starttemperaturen, waaronder 473K, 523K, 573K en 623K.Wanneer de temperatuur hoger is dan 230°C of 503K58, heeft de Mg2Ni-legering effectieve kenmerken voor het waterstofabsorptieproces.Op het eerste moment van waterstofinjectie stijgt de temperatuur echter snel.Bijgevolg zal de temperatuur van de MG-laag hoger zijn dan 523 K. Daarom wordt de vorming van hydriden vergemakkelijkt vanwege de verhoogde absorptiesnelheid.Vanaf afb.Uit figuur 8b blijkt dat waterstof sneller wordt geabsorbeerd naarmate de begintemperatuur van de MB-laag afneemt.Lagere evenwichtsdrukken treden op wanneer de begintemperatuur lager is.Hoe groter het drukverschil tussen de evenwichtsdruk en de toegepaste druk, hoe sneller het proces van waterstofabsorptie.Bij een begintemperatuur van 473 K wordt waterstof gedurende de eerste 18 seconden snel tot 27% geabsorbeerd.Daarnaast werd ook de absorptietijd teruggebracht van 11% naar 24% bij een lagere begintemperatuur vergeleken met de begintemperatuur van 623 K. De absorptietijd bij de laagste begintemperatuur van 473 K bedraagt 15247 s, wat vergelijkbaar is met de beste In het geval van de laaddruk leidt de afname van de initiële temperatuur van de reactor echter tot een afname van de waterstofopslagcapaciteit.De begintemperatuur van de MN-reactor moet minimaal 503 K53 bedragen.Bovendien kan bij een begintemperatuur van 573 K53 een maximale waterstofopslagcapaciteit van 3,6 gew.% worden bereikt.In termen van waterstofopslagcapaciteit en absorptieduur verkorten temperaturen tussen 523 en 573 K de tijd met slechts 6%.Daarom wordt een temperatuur van 573 K voorgesteld als de begintemperatuur van de MH-SCHE-reactor.Het effect van de begintemperatuur op het absorptieproces was echter minder significant vergeleken met de laaddruk.Het aanvullende gedeelte toont de contouren van de waterstofconcentratie voor verschillende begintemperaturen bij 15500 s.
De stroomsnelheid is een van de belangrijkste parameters van hydrogenering en dehydrogenering, omdat deze de turbulentie en de warmteafvoer of -toevoer tijdens de hydrogenering en dehydrogenering kan beïnvloeden59.Hoge stroomsnelheden veroorzaken turbulente fasen en resulteren in een snellere vloeistofstroom door de HTF-slangen.Deze reactie zal resulteren in een snellere warmteoverdracht.Verschillende ingangssnelheden voor HTF worden berekend op basis van Reynolds-getallen van 10.000, 14.000, 18.000 en 22.000.De begintemperatuur van de MG-laag werd vastgesteld op 573 K en de belastingsdruk op 1,8 MPa.De resultaten in afb.8c laat zien dat het gebruik van een hoger Reynoldsgetal in combinatie met SCHE resulteert in een hogere opnamesnelheid.Naarmate het Reynoldsgetal toeneemt van 10.000 naar 22.000, neemt de absorptietijd af met ongeveer 28-50%.De absorptietijd bij een Reynoldsgetal van 22.000 is 12.505 seconden, wat minder is dan bij verschillende initiële belastingstemperaturen en -drukken.Waterstofconcentratiecontouren voor verschillende Reynoldsgetallen voor GTP bij 12500 s worden gepresenteerd in de aanvullende sectie.
Het effect van SCHE op de initiële temperatuur van de HTF wordt geanalyseerd en getoond in figuur 8d.Bij een initiële MG-temperatuur van 573 K en een waterstoflaaddruk van 1,8 MPa zijn voor deze analyse vier initiële temperaturen gekozen: 373 K, 473 K, 523 K en 573 K. 8d laat zien dat een daling van de temperatuur van het koelmiddel bij de inlaat leidt tot een verkorting van de absorptietijd.Vergeleken met het basisscenario met een inlaattemperatuur van 573 K werd de absorptietijd verminderd met ongeveer 20%, 44% en 56% voor inlaattemperaturen van respectievelijk 523 K, 473 K en 373 K.Bij 6917 s is de begintemperatuur van de GTF 373 K, de waterstofconcentratie in de reactor is 90%.Dit kan worden verklaard door verbeterde convectieve warmteoverdracht tussen de MG-laag en de HCS.Lagere HTF-temperaturen zullen de warmteafvoer vergroten en resulteren in een verhoogde waterstofopname.Van alle bedrijfsparameters was het verbeteren van de prestaties van de MH-SCHE-reactor door het verhogen van de HTF-inlaattemperatuur de meest geschikte methode, aangezien de eindtijd van het absorptieproces minder dan 7000 s bedroeg, terwijl de kortste absorptietijd van andere methoden langer was. dan 10.000 sec.Er worden waterstofconcentratiecontouren gepresenteerd voor verschillende begintemperaturen van GTP gedurende 7000 s.
Deze studie presenteert voor het eerst een nieuwe semi-cilindrische spiraalwarmtewisselaar geïntegreerd in een metaalhydride-opslageenheid.Het vermogen van het voorgestelde systeem om waterstof te absorberen werd onderzocht met verschillende configuraties van de warmtewisselaar.De invloed van de bedrijfsparameters op de warmte-uitwisseling tussen de metaalhydridelaag en het koelmiddel werd onderzocht om de optimale omstandigheden te vinden voor de opslag van metaalhydriden met behulp van een nieuwe warmtewisselaar.De belangrijkste bevindingen van dit onderzoek kunnen als volgt worden samengevat:
Met een halfcilindrische spiraalwarmtewisselaar worden de warmteoverdrachtsprestaties verbeterd omdat deze een meer uniforme warmteverdeling in de magnesiumlaagreactor heeft, wat resulteert in een betere waterstofabsorptiesnelheid.Op voorwaarde dat het volume van de warmtewisselaarbuis en het metaalhydride onveranderd blijft, wordt de absorptiereactietijd aanzienlijk verminderd met 59% vergeleken met een conventionele spiraalwarmtewisselaar.
Posttijd: 15 januari 2023