Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).Поред тога, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном.Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда одједном или користите дугмад клизача на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
Метални хидриди (МХ) су препознати као једна од најпогоднијих група материјала за складиштење водоника због великог капацитета складиштења водоника, ниског радног притиска и високе сигурности.Међутим, њихова спора кинетика узимања водоника у великој мери смањује перформансе складиштења.Брже уклањање топлоте из складишта МХ могло би да игра важну улогу у повећању његове стопе узимања водоника, што резултира побољшаним перформансама складиштења.С тим у вези, ова студија је имала за циљ побољшање карактеристика преноса топлоте како би се позитивно утицало на брзину узимања водоника у систем за складиштење МХ.Нови полуцилиндрични намотај је прво развијен и оптимизован за складиштење водоника и уграђен као унутрашњи измењивач ваздух као топлота (ХТФ).На основу различитих величина корака, ефекат нове конфигурације измењивача топлоте се анализира и упоређује са конвенционалном геометријом спиралног намотаја.Поред тога, нумерички су проучавани радни параметри складишта МГ и ГТП да би се добиле оптималне вредности.За нумеричку симулацију користи се АНСИС Флуент 2020 Р2.Резултати ове студије показују да се перформансе резервоара за складиштење МХ могу значајно побољшати употребом полуцилиндричног калемовог измењивача топлоте (СЦХЕ).У поређењу са конвенционалним спиралним измењивачима топлоте, трајање апсорпције водоника је смањено за 59%.Најмања удаљеност између СЦХЕ калемова резултирала је смањењем времена апсорпције за 61%.Што се тиче радних параметара складиштења МГ који користи СХЕ, сви одабрани параметри доводе до значајног побољшања процеса апсорпције водоника, посебно температуре на улазу у ХТС.
Постоји глобални прелаз са енергије засноване на фосилним горивима на обновљиву енергију.Пошто многи облици обновљиве енергије обезбеђују енергију на динамичан начин, складиштење енергије је неопходно за балансирање оптерећења.Складиштење енергије на бази водоника је привукло велику пажњу у ову сврху, посебно зато што се водоник због својих својстава и преносивости може користити као „зелено“ алтернативно гориво и енергент.Поред тога, водоник такође нуди већи садржај енергије по јединици масе у поређењу са фосилним горивима2.Постоје четири главна типа складиштења енергије водоника: складиште компримованог гаса, подземно складиште, течно складиште и чврсто складиште.Компресовани водоник је главни тип који се користи у возилима са горивним ћелијама као што су аутобуси и виљушкари.Међутим, ово складиште обезбеђује малу запреминску густину водоника (приближно 0,089 кг/м3) и има безбедносне проблеме повезане са високим радним притиском3.На основу процеса конверзије на ниској температури и притиску околине, течно складиште ће складиштити водоник у течном облику.Међутим, када је у течном стању, губи се око 40% енергије.Поред тога, познато је да је ова технологија енергетски и радно интензивнија у поређењу са чврстим технологијама складиштења4.Чврсто складиштење је одржива опција за економију водоника, која складишти водоник уграђивањем водоника у чврсте материјале кроз апсорпцију и ослобађањем водоника кроз десорпцију.Метал хидрид (МХ), технологија складиштења чврстог материјала, недавно је од интереса за апликације горивих ћелија због свог високог капацитета водоника, ниског радног притиска и ниске цене у поређењу са складиштењем течности, и погодан је за стационарне и мобилне апликације6,7 Ин Поред тога, МХ материјали такође пружају сигурносна својства као што је ефикасно складиштење великог капацитета8.Међутим, постоји проблем који ограничава продуктивност МГ: ниска топлотна проводљивост МГ реактора доводи до споре апсорпције и десорпције водоника.
Правилан пренос топлоте током егзотермних и ендотермних реакција је кључ за побољшање перформанси МХ реактора.За процес пуњења водоника, створена топлота мора бити уклоњена из реактора како би се контролисао проток пуњења водоника жељеном брзином са максималним капацитетом складиштења.Уместо тога, потребна је топлота да би се повећала брзина еволуције водоника током пражњења.Да би побољшали перформансе преноса топлоте и масе, многи истраживачи су проучавали дизајн и оптимизацију на основу више фактора као што су радни параметри, структура МГ и оптимизација МГ11.Оптимизација МГ може да се уради додавањем материјала високе топлотне проводљивости као што су пенасти метали у МГ слојеве 12,13.Тако се ефективна топлотна проводљивост може повећати са 0,1 на 2 В/мК10.Међутим, додавање чврстих материјала значајно смањује снагу МН реактора.Што се тиче радних параметара, побољшања се могу постићи оптимизацијом почетних радних услова МГ слоја и расхладне течности (ХТФ).Структура МГ се може оптимизовати због геометрије реактора и дизајна измењивача топлоте.Што се тиче конфигурације измењивача топлоте МХ реактора, методе се могу поделити на два типа.То су унутрашњи измењивачи топлоте уграђени у МО слој и спољни измењивачи топлоте који покривају МО слој, као што су ребра, расхладни омотачи и водена купатила.Што се тиче екстерног измењивача топлоте, Каплан16 је анализирао рад МХ реактора, користећи расхладну воду као плашт за смањење температуре унутар реактора.Резултати су упоређени са реактором са 22 округла ребра и другим реактором хлађеним природном конвекцијом.Они наводе да присуство расхладног омотача значајно смањује температуру МХ, чиме се повећава брзина апсорпције.Нумеричке студије МХ реактора са воденим омотачем од стране Патила и Гопала17 показале су да су притисак довода водоника и температура ХТФ кључни параметри који утичу на брзину узимања и десорпције водоника.
Повећање површине преноса топлоте додавањем ребара и измењивача топлоте уграђених у МХ је кључ за побољшање перформанси преноса топлоте и масе, а самим тим и перформанси складиштења МХ18.Неколико унутрашњих конфигурација измењивача топлоте (равна цев и спирални калем) је дизајнирано да циркулише расхладно средство у реактору МХ19,20,21,22,23,24,25,26.Коришћењем унутрашњег измењивача топлоте, течност за хлађење или грејање ће пренети локалну топлоту унутар МХ реактора током процеса адсорпције водоника.Рају и Кумар [27] су користили неколико равних цеви као измењивача топлоте да би побољшали перформансе МГ.Њихови резултати су показали да је време апсорпције смањено када су равне цеви коришћене као измењивачи топлоте.Поред тога, употреба равних цеви скраћује време десорпције водоника28.Веће брзине протока расхладне течности повећавају брзину пуњења и пражњења водоника29.Међутим, повећање броја расхладних цеви има позитиван ефекат на перформансе МХ пре него на брзину протока расхладне течности30,31.Рају ет ал.32 су користили ЛаМи4.7Ал0.3 као МХ материјал за проучавање перформанси вишецевних измењивача топлоте у реакторима.Они су известили да су радни параметри имали значајан утицај на процес апсорпције, посебно притисак напајања, а затим и брзину протока ХТФ-а.Међутим, испоставило се да је температура апсорпције мање критична.
Перформансе МХ реактора су додатно побољшане употребом спиралног завојног измењивача топлоте због његовог побољшаног преноса топлоте у поређењу са равним цевима.То је зато што секундарни циклус може боље уклонити топлоту из реактора25.Поред тога, спиралне цеви обезбеђују велику површину за пренос топлоте са МХ слоја на расхладну течност.Када се овај метод уведе унутар реактора, дистрибуција цеви за размену топлоте је такође равномернија33.Ванг и др.34 проучавао је ефекат трајања упијања водоника додавањем спиралне завојнице у МХ реактор.Њихови резултати показују да како се коефицијент преноса топлоте расхладне течности повећава, време апсорпције се смањује.Ву ет ал.25 је истраживао перформансе МХ реактора на бази Мг2Ни и измењивача топлоте са намотаним завојницама.Њихове нумеричке студије су показале смањење времена реакције.Побољшање механизма преноса топлоте у МН реактору заснива се на мањем односу корака завртња према кораку завртња и бездимензионалном кораку завртња.Експериментална студија коју су спровели Меллоули ет ал.21 која је користила намотани калем као унутрашњи измењивач топлоте показала је да почетна температура ХТФ-а има значајан утицај на побољшање апсорпције водоника и времена десорпције.Комбинације различитих унутрашњих измењивача топлоте спроведене су у неколико студија.Еисапур и др.35 проучавао складиштење водоника користећи спирални завојни измењивач топлоте са централном повратном цеви да би се побољшао процес апсорпције водоника.Њихови резултати су показали да спирална цев и централна повратна цев значајно побољшавају пренос топлоте између расхладне течности и МГ.Мањи корак и већи пречник спиралне цеви повећавају брзину преноса топлоте и масе.Ардахаие ет ал.36 користиле равне спиралне цеви као измењиваче топлоте за побољшање преноса топлоте унутар реактора.Они су известили да је трајање апсорпције смањено повећањем броја равних равних спиралних цеви.Комбинације различитих унутрашњих измењивача топлоте спроведене су у неколико студија.Дхау ет ал.37 је побољшао перформансе МХ користећи измењивач топлоте са намотаним намотајем и ребра.Њихови резултати показују да ова метода смањује време пуњења водоником за фактор 2 у поређењу са случајем без пераја.Прстенаста ребра су комбинована са расхладним цевима и уграђена у МН реактор.Резултати овог истраживања показују да ова комбинована метода обезбеђује равномернији пренос топлоте у поређењу са МХ реактором без ребара.Међутим, комбиновање различитих измењивача топлоте негативно ће утицати на тежину и запремину МХ реактора.Ву ет ал.18 упоређивали су различите конфигурације измењивача топлоте.То укључује равне цеви, пераје и спиралне завојнице.Аутори наводе да спирални калемови пружају најбоља побољшања у преносу топлоте и масе.Поред тога, у поређењу са равним цевима, намотаним цевима и равним цевима у комбинацији са намотаним цевима, двоструки намотаји имају бољи ефекат на побољшање преноса топлоте.Студија Секхара ет ал.40 је показало да је слично побољшање у преузимању водоника постигнуто коришћењем спиралног намотаја као унутрашњег измењивача топлоте и ребрастог спољашњег омотача за хлађење.
Од горе поменутих примера, употреба спиралних калемова као унутрашњих измењивача топлоте обезбеђује боља побољшања преноса топлоте и масе од других измењивача топлоте, посебно равних цеви и ребара.Стога је циљ ове студије био да се даље развије спирални калем како би се побољшале перформансе преноса топлоте.По први пут је развијен нови полуцилиндрични калем заснован на конвенционалном МХ спиралном калему за складиштење.Очекује се да ће ова студија побољшати перформансе складиштења водоника разматрањем новог дизајна измењивача топлоте са бољим распоредом зоне преноса топлоте обезбеђеном константном запремином МХ слоја и ХТФ цеви.Перформансе складиштења овог новог измењивача топлоте су затим упоређене са конвенционалним спиралним измењивачима топлоте заснованим на различитим корацима намотаја.Према постојећој литератури, радни услови и размак калемова су главни фактори који утичу на перформансе МХ реактора.Да би се оптимизовао дизајн овог новог измењивача топлоте, истражен је утицај размака намотаја на време упијања водоника и запремину МХ.Поред тога, да би се разумео однос између нових хеми-цилиндричних калемова и радних услова, секундарни циљ ове студије је био да се проуче карактеристике реактора према различитим опсезима радних параметара и да се одреде одговарајуће вредности за сваки рад. режим.параметар.
Перформансе уређаја за складиштење енергије водоника у овој студији су истражене на основу две конфигурације измењивача топлоте (укључујући спиралне цеви у случајевима 1 до 3 и полуцилиндричне цеви у случајевима 4 до 6) и анализе осетљивости радних параметара.Оперативност МХ реактора је први пут тестирана коришћењем спиралне цеви као измењивача топлоте.И цев за уље за расхладну течност и МХ реакторска посуда су направљени од нерђајућег челика.Треба напоменути да су димензије МГ реактора и пречник ГТФ цеви били константни у свим случајевима, док су величине корака ГТФ варирале.Овај одељак анализира ефекат величине корака ХТФ калемова.Висина и спољни пречник реактора били су 110 мм и 156 мм, респективно.Пречник цеви за уље које проводе топлоту је подешен на 6 мм.Погледајте Додатни одељак за детаље о дијаграму кола МХ реактора са спиралним цевима и две полуцилиндричне цеви.
На сл.1а приказује МХ спирални цевни реактор и његове димензије.Сви геометријски параметри су дати у табели.1. Укупна запремина спирале и запремина ЗГ су приближно 100 цм3 и 2000 цм3, респективно.Из овог МХ реактора је ваздух у облику ХТФ-а довођен у порозни МХ реактор одоздо кроз спиралну цев, а водоник је уведен са горње површине реактора.
Карактеризација одабраних геометрија за метал-хидридне реакторе.а) са спирално-цевастим измењивачем топлоте, б) са полуцилиндричним цевастим измењивачем топлоте.
У другом делу се испитује рад МХ реактора на бази полуцилиндричне цеви као измењивача топлоте.На сл.1б приказује МН реактор са две полуцилиндричне цеви и њихове димензије.У табели 1 наведени су сви геометријски параметри полуцилиндричних цеви, који остају константни, са изузетком растојања између њих.Треба напоменути да је полуцилиндрична цев у случају 4 пројектована са константном запремином ХТФ цеви и МХ легуре у намотаној цеви (опција 3).Што се тиче сл.1б, ваздух је такође уведен са дна две полуцилиндричне ХТФ цеви, а водоник је уведен из супротног смера од МХ реактора.
Због новог дизајна измењивача топлоте, сврха овог одељка је да одреди одговарајуће почетне вредности за радне параметре МХ реактора у комбинацији са СЦХЕ.У свим случајевима, ваздух је коришћен као расхладно средство за уклањање топлоте из реактора.Међу уљима за пренос топлоте, ваздух и вода се обично бирају као уља за пренос топлоте за МХ реакторе због њихове ниске цене и ниског утицаја на животну средину.Због високог опсега радних температура легура на бази магнезијума, ваздух је изабран као расхладно средство у овој студији.Поред тога, такође има боље карактеристике протока од других течних метала и растопљених соли41.Табела 2 наводи својства ваздуха на 573 К. За анализу осетљивости у овом одељку, примењене су само најбоље конфигурације опција перформанси МХ-СЦХЕ (у случајевима 4 до 6).Процене у овом одељку су засноване на различитим радним параметрима, укључујући почетну температуру МХ реактора, притисак пуњења водоника, улазну температуру ХТФ-а и Рејнолдсов број израчунат променом брзине ХТФ-а.Табела 3 садржи све радне параметре који се користе за анализу осетљивости.
Овај одељак описује све потребне контролне једначине за процес апсорпције водоника, турбуленције и преноса топлоте расхладних течности.
Да би се поједноставило решење реакције узимања водоника, направљене су и дате следеће претпоставке;
Током апсорпције, термофизичка својства водоник и металних хидрида су константна.
Водоник се сматра идеалним гасом, па се узимају у обзир локални услови топлотне равнотеже43,44.
где је \({Л}_{гас}\) полупречник резервоара, а \({Л}_{хеат}\) аксијална висина резервоара.Када је Н мањи од 0,0146, проток водоника у резервоару се може занемарити у симулацији без значајне грешке.Према тренутним истраживањима, Н је много нижи од 0,1.Због тога се ефекат градијента притиска може занемарити.
Зидови реактора су у свим случајевима били добро изоловани.Због тога не постоји размена топлоте 47 између реактора и околине.
Добро је познато да легуре на бази Мг имају добре карактеристике хидрогенизације и висок капацитет складиштења водоника до 7,6 теж%8.У погледу апликација за складиштење водоника у чврстом стању, ове легуре су такође познате као лагани материјали.Поред тога, имају одличну отпорност на топлоту и добру обрадивост8.Међу неколико легура на бази Мг, МгНи легура на бази Мг2Ни је једна од најпогоднијих опција за складиштење МХ због свог капацитета складиштења водоника до 6 теж.%.Легуре Мг2Ни такође обезбеђују бржу кинетику адсорпције и десорпције у поређењу са легуром МгХ48.Стога је Мг2Ни изабран као материјал метал-хидрида у овој студији.
Енергетска једначина је изражена као 25 на основу топлотног биланса између водоника и Мг2Ни хидрида:
Кс је количина водоника апсорбованог на површини метала, јединица је \(тежина\%\), израчуната из кинетичке једначине \(\фрац{дКс}{дт}\) током апсорпције на следећи начин49:
где је \({Ц}_{а}\) брзина реакције, а \({Е}_{а}\) енергија активације.\({П}_{а,ек}\) је равнотежни притисак унутар реактора са металним хидридом током процеса апсорпције, дат Вант Хофовом једначином на следећи начин25:
Где је \({П}_{реф}\) референтни притисак од 0,1 МПа.\(\Делта Х\) и \(\Делта С\) су енталпија и ентропија реакције, респективно.Особине легура Мг2Ни и водоника приказане су у табели.4. Именована листа се може наћи у додатном делу.
Проток флуида се сматра турбулентним јер су његова брзина и Рејнолдсов број (Ре) 78,75 мс-1 и 14000, респективно.У овој студији изабран је оствариви к-ε модел турбуленције.Примећено је да овај метод обезбеђује већу тачност у поређењу са другим к-ε методама, а такође захтева мање времена рачунања од РНГ к-ε50,51 метода.Погледајте Додатни одељак за детаље о основним једначинама за флуиде за пренос топлоте.
У почетку је температурни режим у МН реактору био уједначен, а просечна концентрација водоника била је 0,043.Претпоставља се да је спољна граница МХ реактора добро изолована.Легуре на бази магнезијума обично захтевају високе радне температуре реакције за складиштење и ослобађање водоника у реактору.Легура Мг2Ни захтева температурни опсег од 523–603 К за максималну апсорпцију и температурни опсег од 573–603 К за потпуну десорпцију52.Међутим, експерименталне студије Мутхукумара ет ал.53 су показале да се максимални капацитет складиштења Мг2Ни за складиштење водоника може постићи на радној температури од 573 К, што одговара његовом теоретском капацитету.Стога је за почетну температуру МН реактора у овој студији изабрана температура од 573 К.
Креирајте различите величине мреже за валидацију и поуздане резултате.На сл.2 приказује просечну температуру на одабраним локацијама у процесу апсорпције водоника из четири различита елемента.Вреди напоменути да је само један случај сваке конфигурације изабран за тестирање независности мреже због сличне геометрије.Иста метода мреже се примењује иу другим случајевима.Зато изаберите опцију 1 за спиралну цев и опцију 4 за полуцилиндричну цев.На сл.2а, б приказује просечну температуру у реактору за опције 1 и 4, респективно.Три одабране локације представљају контуре температуре слоја на врху, средини и дну реактора.На основу температурних контура на одабраним локацијама, просечна температура постаје стабилна и показује малу промену у бројевима елемената 428,891 и 430,599 за случајеве 1 и 4, респективно.Стога су ове величине мреже изабране за даље прорачуне.Детаљне информације о просечној температури слоја за процес апсорпције водоника за различите величине ћелија и сукцесивно рафинисане мреже за оба случаја дате су у додатном одељку.
Просечна температура слоја на одабраним тачкама у процесу апсорпције водоника у метал-хидридном реактору са различитим бројевима мреже.(а) Просечна температура на одабраним локацијама за случај 1 и (б) Просечна температура на одабраним локацијама за случај 4.
Реактор метал-хидрида на бази Мг у овој студији је тестиран на основу експерименталних резултата Мутхукумара ет ал.53.У својој студији, користили су легуру Мг2Ни за складиштење водоника у цевима од нерђајућег челика.Бакарна ребра се користе за побољшање преноса топлоте унутар реактора.На сл.3а приказује поређење просечне температуре слоја процеса апсорпције између експерименталне студије и ове студије.Радни услови изабрани за овај експеримент су: МГ почетна температура 573 К и улазни притисак 2 МПа.Од сл.3а може се јасно показати да се овај експериментални резултат добро слаже са садашњим у односу на просечну температуру слоја.
Верификација модела.(а) Верификација кода реактора са Мг2Ни метал-хидридом упоређивањем тренутне студије са експерименталним радом Мутхукумара ет ал.52, и (б) верификација модела турбулентног струјања спиралне цеви упоређивањем тренутне студије са студијом Кумара ет ал. .Истраживања.54.
Да би се тестирао модел турбуленције, резултати ове студије су упоређени са експерименталним резултатима Кумара и сар.54 да би се потврдила исправност изабраног модела турбуленције.Кумар ет ал.54 проучавали су турбулентно струјање у спиралном измењивачу топлоте цев у цеви.Вода се користи као топла и хладна течност која се убризгава са супротних страна.Температуре топле и хладне течности су 323 К и 300 К, респективно.Рејнолдсови бројеви се крећу од 3100 до 5700 за вруће течности и од 21 000 до 35 000 за хладне течности.Бројеви декана су 550-1000 за топле течности и 3600-6000 за хладне течности.Пречници унутрашње цеви (за топлу течност) и спољне цеви (за хладну течност) су 0,0254 м и 0,0508 м, респективно.Пречник и корак спиралног намотаја су 0,762 м и 0,100 м, респективно.На сл.3б приказује поређење експерименталних и тренутних резултата за различите парове Нуселтових и Динових бројева за расхладну течност у унутрашњој цеви.Примењена су три различита модела турбуленције и упоређена са експерименталним резултатима.Као што је приказано на сл.3б, резултати достижног к-ε модела турбуленције су у доброј сагласности са експерименталним подацима.Због тога је овај модел изабран у овој студији.
Нумеричке симулације у овој студији изведене су помоћу АНСИС Флуент 2020 Р2.Напишите кориснички дефинисану функцију (УДФ) и користите је као улазни члан енергетске једначине за израчунавање кинетике процеса апсорпције.Коло ПРЕСТО55 и метода ПИСО56 се користе за комуникацију притисак-брзина и корекцију притиска.Изаберите Греене-Гаусс ћелијску основу за променљиви градијент.Једначине импулса и енергије решавају се методом другог реда уз ветар.Што се тиче коефицијената недовољне релаксације, компоненте притиска, брзине и енергије су постављене на 0,5, 0,7 и 0,7, респективно.Стандардне зидне функције се примењују на ХТФ у моделу турбуленције.
У овом делу су представљени резултати нумеричких симулација побољшаног унутрашњег преноса топлоте МХ реактора коришћењем измењивача топлоте са намотаним намотајем (ХЦХЕ) и спиралног измењивача топлоте (СЦХЕ) током апсорпције водоника.Анализиран је утицај ХТФ смоле на температуру слоја реактора и трајање апсорпције.Главни радни параметри процеса апсорпције су проучавани и представљени у одељку за анализу осетљивости.
Да би се истражио утицај размака намотаја на пренос топлоте у МХ реактору, испитане су три конфигурације измењивача топлоте са различитим корацима.Три различита нагиба од 15 мм, 12,86 мм и 10 мм су означене као тело 1, тело 2 и тело 3.Треба напоменути да је пречник цеви фиксиран на 6 мм при почетној температури од 573 К и притиску оптерећења од 1,8 МПа у свим случајевима.На сл.4 приказује просечну температуру слоја и концентрацију водоника у МХ слоју током процеса апсорпције водоника у случајевима 1 до 3. Типично, реакција између металног хидрида и водоника је егзотермна у односу на процес апсорпције.Због тога температура слоја брзо расте због почетног тренутка када се водоник први пут уводи у реактор.Температура слоја се повећава све док не достигне максималну вредност, а затим се постепено смањује како топлоту однесе расхладна течност, која има нижу температуру и делује као расхладна течност.Као што је приказано на сл.4а, због претходног објашњења, температура слоја брзо расте и континуирано опада.Концентрација водоника за процес апсорпције се обично заснива на температури слоја МХ реактора.Када просечна температура слоја падне на одређену температуру, метална површина апсорбује водоник.То је због убрзања процеса физиорпције, хемисорпције, дифузије водоника и формирања његових хидрида у реактору.Од сл.4б види се да је брзина апсорпције водоника у случају 3 нижа него у другим случајевима због мање вредности корака измењивача топлоте намотаја.Ово резултира дужом укупном дужином цеви и већом површином за пренос топлоте за ХТФ цеви.Са просечном концентрацијом водоника од 90%, време апсорпције за случај 1 је 46,276 секунди.У поређењу са трајањем апсорпције у случају 1, трајање апсорпције у случајевима 2 и 3 је смањено за 724 с и 1263 с, респективно.Додатни одељак представља контуре температуре и концентрације водоника за одабране локације у ХЦХЕ-МХ слоју.
Утицај растојања између калемова на просечну температуру слоја и концентрацију водоника.(а) Просечна температура слоја за спиралне калемове, (б) концентрација водоника за спиралне калемове, (ц) просечна температура слоја за хеми-цилиндричне калемове, и (д) концентрација водоника за хеми-цилиндричне калемове.
Да би се побољшале карактеристике преноса топлоте МГ реактора, два ХФЦ су пројектована за константну запремину МГ (2000 цм3) и спирални измењивач топлоте (100 цм3) опције 3. Овај одељак такође разматра ефекат растојања између калемови од 15 мм за случај 4, 12,86 мм за случај 5 и 10 мм за случај 6. На сл.4ц,д приказују просечну температуру слоја и концентрацију процеса апсорпције водоника на почетној температури од 573 К и притиску оптерећења од 1,8 МПа.Према просечној температури слоја на слици 4ц, мањи растојање између калемова у случају 6 значајно смањује температуру у поређењу са друга два случаја.За случај 6, нижа температура слоја резултира вишом концентрацијом водоника (видети слику 4д).Време узимања водоника за варијанту 4 је 19542 с, што је више од 2 пута мање него за варијанте 1-3 које користе ХЦХ.Поред тога, у поређењу са случајем 4, време апсорпције је такође смањено за 378 с и 1515 с у случајевима 5 и 6 са мањим растојањима.Додатни одељак представља контуре температуре и концентрације водоника за одабране локације у слоју СЦХЕ-МХ.
За проучавање перформанси две конфигурације измењивача топлоте, овај одељак приказује и приказује температурне криве на три одабране локације.МХ реактор са ХЦХЕ из случаја 3 изабран је за поређење са МХ реактором који садржи СЦХЕ у случају 4 јер има константну запремину МХ и запремину цеви.Радни услови за ово поређење били су почетна температура од 573 К и притисак оптерећења од 1,8 МПа.На сл.На сликама 5а и 5б приказана су сва три изабрана положаја температурних профила у случајевима 3 и 4, респективно.На сл.5ц приказује профил температуре и концентрацију слоја након 20.000 с узимања водоника.Према линији 1 на слици 5ц, температура око ТТФ-а из опција 3 и 4 опада због конвективног преноса топлоте расхладне течности.Ово доводи до веће концентрације водоника око ове области.Међутим, употреба два СЦХЕ резултира вишом концентрацијом слоја.Бржи кинетички одговори су пронађени око ХТФ региона у случају 4. Поред тога, максимална концентрација од 100% је такође пронађена у овом региону.Са линије 2 која се налази у средини реактора, температура случаја 4 је знатно нижа од температуре случаја 3 на свим местима осим у центру реактора.Ово резултира максималном концентрацијом водоника за случај 4, осим за регион близу центра реактора далеко од ХТФ-а.Међутим, концентрација случаја 3 се није много променила.Уочена је велика разлика у температури и концентрацији слоја у линији 3 близу улаза у ГТС.Температура слоја у случају 4 се значајно смањила, што је резултирало највећом концентрацијом водоника у овом региону, док је концентрациона линија у случају 3 још увек флуктуирала.Ово је због убрзања преноса топлоте СЦХЕ.Детаљи и дискусија о поређењу просечне температуре МХ слоја и ХТФ цеви између случаја 3 и случаја 4 дати су у додатном одељку.
Профил температуре и концентрација слоја на одабраним локацијама у метал-хидридном реактору.(а) Одабране локације за случај 3, (б) Одабране локације за случај 4, и (ц) Профил температуре и концентрација слоја на одабраним локацијама након 20.000 с за процес узимања водоника у случајевима 3 и 4.
На сл.Слика 6 приказује поређење просечне температуре слоја (видети слику 6а) и концентрације водоника (видети слику 6б) за апсорпцију ХЦХ и СХЕ.Из ове слике се може видети да се температура МГ слоја значајно смањује услед повећања површине размене топлоте.Уклањање више топлоте из реактора доводи до веће стопе узимања водоника.Иако две конфигурације измењивача топлоте имају исте запремине у поређењу са коришћењем ХЦХЕ као опције 3, СЦХЕ-ово време упијања водоника на основу опције 4 је значајно смањено за 59%.За детаљнију анализу, концентрације водоника за две конфигурације измењивача топлоте су приказане као изолиније на слици 7. Ова слика показује да у оба случаја водоник почиње да се апсорбује одоздо око улаза за ХТФ.Веће концентрације су нађене у ХТФ региону, док су ниже концентрације уочене у центру МХ реактора због његове удаљености од измењивача топлоте.После 10.000 с, концентрација водоника у случају 4 је знатно већа него у случају 3. После 20.000 секунди, просечна концентрација водоника у реактору је порасла на 90% у случају 4 у поређењу са 50% водоника у случају 3. То може бити последица на већи ефективни капацитет хлађења комбиновањем два СЦХЕ, што резултира нижом температуром унутар МХ слоја.Сходно томе, равнотежнији притисак пада унутар МГ слоја, што доводи до брже апсорпције водоника.
Случај 3 и Случај 4 Поређење просечне температуре слоја и концентрације водоника између две конфигурације измењивача топлоте.
Поређење концентрације водоника после 500, 2000, 5000, 10000 и 20000 с након почетка процеса апсорпције водоника у случају 3 и случаја 4.
Табела 5 сумира трајање узимања водоника за све случајеве.Поред тога, у табели је приказано и време апсорпције водоника, изражено у процентима.Овај проценат је израчунат на основу времена апсорпције случаја 1. Из ове табеле, време апсорпције МХ реактора који користи ХЦХЕ је око 45.000 до 46.000 с, а време апсорпције укључујући СЦХЕ је око 18.000 до 19.000 с.У поређењу са случајем 1, време апсорпције у случају 2 и случаја 3 је смањено за само 1,6%, односно 2,7%.Када се користи СЦХЕ уместо ХЦХЕ, време апсорпције је значајно смањено од случаја 4 до случаја 6, са 58% на 61%.Јасно је да додавање СЦХЕ у МХ реактор у великој мери побољшава процес апсорпције водоника и перформансе МХ реактора.Иако уградња измењивача топлоте унутар МХ реактора смањује капацитет складиштења, ова технологија обезбеђује значајно побољшање у преносу топлоте у поређењу са другим технологијама.Такође, смањење вредности висине тона ће повећати запремину СЦХЕ, што ће резултирати смањењем запремине МХ.У случају 6 са највећом запремином СЦХЕ, запремински капацитет МХ је смањен само за 5% у поређењу са случајем 1 са најмањом запремином ХЦХЕ.Поред тога, током апсорпције, случај 6 је показао брже и боље перформансе са смањењем времена апсорпције за 61%.Стога је случај 6 изабран за даље истраживање у анализи осетљивости.Треба напоменути да је дуго време упијања водоника повезано са резервоаром за складиштење који садржи МХ запремину од око 2000 цм3.
Радни параметри током реакције су важни фактори који позитивно или негативно утичу на перформансе МХ реактора у реалним условима.Ова студија разматра анализу осетљивости за одређивање одговарајућих почетних радних параметара за МХ реактор у комбинацији са СЦХЕ, а овај одељак истражује четири главна радна параметра на основу оптималне конфигурације реактора у случају 6. Резултати за све радне услове приказани су у Слика 8.
Графикон концентрације водоника у различитим условима рада при коришћењу измењивача топлоте са полуцилиндричним калемом.(а) притисак оптерећења, (б) почетна температура слоја, (ц) Рејнолдсов број расхладне течности и (д) улазна температура расхладне течности.
На основу константне почетне температуре од 573 К и брзине протока расхладне течности са Рејнолдсовим бројем од 14.000, изабрана су четири различита притиска оптерећења: 1,2 МПа, 1,8 МПа, 2,4 МПа и 3,0 МПа.На сл.8а показује утицај притиска оптерећења и СЦХЕ на концентрацију водоника током времена.Време апсорпције се смањује са повећањем притиска оптерећења.Коришћење примењеног притиска водоника од 1,2 МПа је најгори случај за процес апсорпције водоника, а трајање апсорпције прелази 26.000 с да би се постигла 90% апсорпције водоника.Међутим, већи притисак оптерећења је резултирао смањењем времена апсорпције за 32-42% са 1,8 на 3,0 МПа.То је због већег почетног притиска водоника, што резултира већом разликом између равнотежног притиска и примењеног притиска.Стога, ово ствара велику покретачку снагу за кинетику узимања водоника.У почетном тренутку, гас водоник се брзо апсорбује због велике разлике између равнотежног притиска и примењеног притиска57.При притиску оптерећења од 3,0 МПа, 18% водоника се брзо акумулира током првих 10 секунди.Водоник је чуван у 90% реактора у завршној фази 15460 с.Међутим, при притиску оптерећења од 1,2 до 1,8 МПа, време апсорпције је значајно смањено за 32%.Други виши притисци имали су мањи утицај на побољшање времена апсорпције.Због тога се препоручује да притисак пуњења МХ-СЦХЕ реактора буде 1,8 МПа.Додатни одељак приказује контуре концентрације водоника за различите притиске оптерећења на 15500 с.
Избор одговарајуће почетне температуре МХ реактора је један од главних фактора који утичу на процес адсорпције водоника, јер утиче на покретачку снагу реакције формирања хидрида.Да би се проучавао ефекат СЦХЕ на почетну температуру МХ реактора, изабране су четири различите температуре при константном притиску оптерећења од 1,8 МПа и Рејнолдсовом броју од 14 000 ХТФ.На сл.Слика 8б приказује поређење различитих почетних температура, укључујући 473К, 523К, 573К и 623К.У ствари, када је температура виша од 230°Ц или 503К58, легура Мг2Ни има ефективне карактеристике за процес апсорпције водоника.Међутим, у почетном тренутку убризгавања водоника, температура брзо расте.Сходно томе, температура МГ слоја ће премашити 523 К. Због тога је формирање хидрида олакшано због повећане брзине апсорпције53.Од сл.Са слике 8б се може видети да се водоник апсорбује брже како се почетна температура МБ слоја смањује.Нижи равнотежни притисци настају када је почетна температура нижа.Што је већа разлика у притиску између равнотежног притиска и примењеног притиска, то је бржи процес апсорпције водоника.На почетној температури од 473 К, водоник се брзо апсорбује до 27% током првих 18 секунди.Поред тога, време апсорпције је такође смањено са 11% на 24% на нижој почетној температури у поређењу са почетном температуром од 623 К. Време апсорпције на најнижој почетној температури од 473 К је 15247 с, што је слично најбољем притисак пуњења кућишта, међутим, смањење почетне температуре реакторске температуре доводи до смањења капацитета складиштења водоника.Почетна температура МН реактора мора бити најмање 503 К53.Поред тога, на почетној температури од 573 К53, може се постићи максимални капацитет складиштења водоника од 3,6 теж.%.Што се тиче капацитета складиштења водоника и трајања апсорпције, температуре између 523 и 573 К скраћују време за само 6%.Стога се као почетна температура МХ-СЦХЕ реактора предлаже температура од 573 К.Међутим, утицај почетне температуре на процес апсорпције био је мање значајан у поређењу са притиском оптерећења.Додатни део показује контуре концентрације водоника за различите почетне температуре на 15500 с.
Брзина протока је један од главних параметара хидрогенације и дехидрогенације јер може утицати на турбуленцију и одвођење топлоте или унос топлоте током хидрогенације и дехидрогенације59.Високе брзине протока ће створити турбулентне фазе и резултирати бржим протоком течности кроз ХТФ цев.Ова реакција ће довести до бржег преноса топлоте.Различите улазне брзине за ХТФ се израчунавају на основу Рејнолдсових бројева од 10.000, 14.000, 18.000 и 22.000.Почетна температура МГ слоја је фиксирана на 573 К, а притисак оптерећења на 1,8 МПа.Резултати на сл.8ц показују да коришћење већег Рејнолдсовог броја у комбинацији са СЦХЕ доводи до веће стопе усвајања.Како се Рејнолдсов број повећава са 10.000 на 22.000, време апсорпције се смањује за око 28-50%.Време апсорпције код Рејнолдсовог броја од 22.000 је 12.505 секунди, што је мање него при различитим почетним температурама и притисцима.Контуре концентрације водоника за различите Рејнолдсове бројеве за ГТП на 12500 с су представљене у додатном одељку.
Утицај СЦХЕ на почетну температуру ХТФ је анализиран и приказан на слици 8д.На почетној МГ температури од 573 К и притиску пуњења водоника од 1,8 МПа, за ову анализу су изабране четири почетне температуре: 373 К, 473 К, 523 К и 573 К. 8д показује да смањење температуре расхладне течности на улазу доводи до смањења времена апсорпције.У поређењу са основним случајем са улазном температуром од 573 К, време апсорпције је смањено за приближно 20%, 44% и 56% за улазне температуре од 523 К, 473 К и 373 К, респективно.На 6917 с, почетна температура ГТФ је 373 К, концентрација водоника у реактору је 90%.Ово се може објаснити побољшаним конвективним преносом топлоте између МГ слоја и ХЦС-а.Ниже ХТФ температуре ће повећати дисипацију топлоте и резултирати повећаним уносом водоника.Међу свим радним параметрима, побољшање перформанси МХ-СЦХЕ реактора повећањем улазне температуре ХТФ је био најпогоднији метод, пошто је крајње време процеса апсорпције било мање од 7000 с, док је најкраће време апсорпције других метода било више од 10000 с.Приказане су контуре концентрације водоника за различите почетне температуре ГТП за 7000 с.
Ова студија по први пут представља нови полуцилиндрични измењивач топлоте са завојницама интегрисан у јединицу за складиштење метал-хидрида.Испитивана је способност предложеног система да апсорбује водоник са различитим конфигурацијама измењивача топлоте.Истражен је утицај параметара рада на размену топлоте између слоја метал-хидрида и расхладне течности у циљу проналажења оптималних услова за складиштење металних хидрида коришћењем новог измењивача топлоте.Главни налази ове студије сумирани су на следећи начин:
Са полуцилиндричним измењивачем топлоте, перформансе преноса топлоте су побољшане јер има равномернију дистрибуцију топлоте у реактору слоја магнезијума, што резултира бољом брзином апсорпције водоника.Под условом да запремина цеви за размену топлоте и металног хидрида остане непромењена, време реакције апсорпције је значајно смањено за 59% у поређењу са конвенционалним измењивачем топлоте са намотаним калемом.
Време поста: Јан-15-2023