Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid serentak.Gunakan butang Sebelum dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa, atau gunakan butang gelangsar pada penghujung untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.
Hidrida logam (MH) diiktiraf sebagai salah satu kumpulan bahan yang paling sesuai untuk penyimpanan hidrogen kerana kapasiti penyimpanan hidrogennya yang besar, tekanan operasi yang rendah dan keselamatan yang tinggi.Walau bagaimanapun, kinetik pengambilan hidrogen mereka yang lembap sangat mengurangkan prestasi penyimpanan.Penyingkiran haba yang lebih pantas daripada storan MH boleh memainkan peranan penting dalam meningkatkan kadar pengambilan hidrogennya, menghasilkan prestasi storan yang lebih baik.Dalam hal ini, kajian ini bertujuan untuk menambah baik ciri-ciri pemindahan haba untuk mempengaruhi secara positif kadar pengambilan hidrogen sistem penyimpanan MH.Gegelung separa silinder baharu mula-mula dibangunkan dan dioptimumkan untuk penyimpanan hidrogen dan digabungkan sebagai penukar udara-sebagai-haba (HTF) dalaman.Berdasarkan saiz pic yang berbeza, kesan konfigurasi penukar haba baharu dianalisis dan dibandingkan dengan geometri gegelung heliks konvensional.Selain itu, parameter operasi storan MG dan GTP telah dikaji secara berangka untuk mendapatkan nilai optimum.Untuk simulasi berangka, ANSYS Fluent 2020 R2 digunakan.Hasil kajian ini menunjukkan bahawa prestasi tangki simpanan MH boleh dipertingkatkan dengan ketara dengan menggunakan penukar haba gegelung separa silinder (SCHE).Berbanding dengan penukar haba gegelung lingkaran konvensional, tempoh penyerapan hidrogen dikurangkan sebanyak 59%.Jarak terkecil antara gegelung SCHE menghasilkan pengurangan 61% dalam masa penyerapan.Berkenaan dengan parameter operasi storan MG menggunakan SHE, semua parameter yang dipilih membawa kepada peningkatan yang ketara dalam proses penyerapan hidrogen, terutamanya suhu di salur masuk ke HTS.
Terdapat peralihan global daripada tenaga berasaskan bahan api fosil kepada tenaga boleh diperbaharui.Oleh kerana banyak bentuk tenaga boleh diperbaharui memberikan kuasa secara dinamik, penyimpanan tenaga diperlukan untuk mengimbangi beban.Penyimpanan tenaga berasaskan hidrogen telah menarik banyak perhatian untuk tujuan ini, terutamanya kerana hidrogen boleh digunakan sebagai bahan api alternatif dan pembawa tenaga "hijau" kerana sifat dan mudah alihnya.Selain itu, hidrogen juga menawarkan kandungan tenaga yang lebih tinggi per unit jisim berbanding bahan api fosil2.Terdapat empat jenis utama simpanan tenaga hidrogen: penyimpanan gas termampat, penyimpanan bawah tanah, penyimpanan cecair dan penyimpanan pepejal.Hidrogen termampat adalah jenis utama yang digunakan dalam kenderaan sel bahan api seperti bas dan forklift.Walau bagaimanapun, storan ini menyediakan ketumpatan pukal hidrogen yang rendah (kira-kira 0.089 kg/m3) dan mempunyai isu keselamatan yang berkaitan dengan tekanan operasi yang tinggi3.Berdasarkan proses penukaran pada suhu dan tekanan ambien yang rendah, simpanan cecair akan menyimpan hidrogen dalam bentuk cecair.Walau bagaimanapun, apabila dicairkan, kira-kira 40% tenaga hilang.Di samping itu, teknologi ini diketahui lebih intensif tenaga dan buruh berbanding teknologi penyimpanan keadaan pepejal4.Penyimpanan pepejal ialah pilihan yang berdaya maju untuk ekonomi hidrogen, yang menyimpan hidrogen dengan menggabungkan hidrogen ke dalam bahan pepejal melalui penyerapan dan membebaskan hidrogen melalui penyahsorpsian.Metal hydride (MH), teknologi penyimpanan bahan pepejal, menarik minat baru-baru ini dalam aplikasi sel bahan api kerana kapasiti hidrogennya yang tinggi, tekanan operasi yang rendah, dan kos yang rendah berbanding dengan penyimpanan cecair, dan sesuai untuk aplikasi pegun dan mudah alih6,7 In Selain itu, bahan MH juga menyediakan sifat keselamatan seperti penyimpanan cekap kapasiti besar8.Walau bagaimanapun, terdapat masalah yang mengehadkan produktiviti MG: kekonduksian terma rendah reaktor MG membawa kepada penyerapan dan penyahsorpsian hidrogen yang perlahan.
Pemindahan haba yang betul semasa tindak balas eksotermik dan endotermik adalah kunci untuk meningkatkan prestasi reaktor MH.Untuk proses pemuatan hidrogen, haba yang dijana mesti dikeluarkan dari reaktor untuk mengawal aliran pemuatan hidrogen pada kadar yang dikehendaki dengan kapasiti penyimpanan maksimum.Sebaliknya, haba diperlukan untuk meningkatkan kadar evolusi hidrogen semasa nyahcas.Untuk meningkatkan prestasi pemindahan haba dan jisim, ramai penyelidik telah mengkaji reka bentuk dan pengoptimuman berdasarkan pelbagai faktor seperti parameter operasi, struktur MG dan pengoptimuman MG11.Pengoptimuman MG boleh dilakukan dengan menambahkan bahan kekonduksian terma yang tinggi seperti logam buih pada lapisan MG 12,13.Oleh itu, kekonduksian terma berkesan boleh ditingkatkan daripada 0.1 kepada 2 W/mK10.Walau bagaimanapun, penambahan bahan pepejal mengurangkan dengan ketara kuasa reaktor MN.Berkenaan dengan parameter operasi, penambahbaikan boleh dicapai dengan mengoptimumkan keadaan operasi awal lapisan MG dan penyejuk (HTF).Struktur MG boleh dioptimumkan kerana geometri reaktor dan reka bentuk penukar haba.Mengenai konfigurasi penukar haba reaktor MH, kaedah boleh dibahagikan kepada dua jenis.Ini ialah penukar haba dalaman yang dibina ke dalam lapisan MO dan penukar haba luaran yang meliputi lapisan MO seperti sirip, jaket penyejuk dan mandian air.Berkenaan dengan penukar haba luaran, Kaplan16 menganalisis operasi reaktor MH, menggunakan air penyejuk sebagai jaket untuk mengurangkan suhu di dalam reaktor.Hasilnya dibandingkan dengan reaktor sirip 22 bulat dan satu lagi reaktor yang disejukkan oleh perolakan semula jadi.Mereka menyatakan bahawa kehadiran jaket penyejuk dengan ketara mengurangkan suhu MH, dengan itu meningkatkan kadar penyerapan.Kajian berangka reaktor MH berjaket air oleh Patil dan Gopal17 telah menunjukkan bahawa tekanan bekalan hidrogen dan suhu HTF adalah parameter utama yang mempengaruhi kadar pengambilan dan penyahjerapan hidrogen.
Meningkatkan kawasan pemindahan haba dengan menambah sirip dan penukar haba yang dibina ke dalam MH adalah kunci untuk meningkatkan prestasi pemindahan haba dan jisim dan seterusnya prestasi penyimpanan MH18.Beberapa konfigurasi penukar haba dalaman (tiub lurus dan gegelung lingkaran) telah direka bentuk untuk mengedarkan penyejuk dalam reaktor MH19,20,21,22,23,24,25,26.Menggunakan penukar haba dalaman, cecair penyejuk atau pemanasan akan memindahkan haba tempatan di dalam reaktor MH semasa proses penjerapan hidrogen.Raju dan Kumar [27] menggunakan beberapa tiub lurus sebagai penukar haba untuk meningkatkan prestasi MG.Keputusan mereka menunjukkan bahawa masa penyerapan dikurangkan apabila tiub lurus digunakan sebagai penukar haba.Di samping itu, penggunaan tiub lurus memendekkan masa penyahjerapan hidrogen28.Kadar aliran penyejuk yang lebih tinggi meningkatkan kadar pengecasan dan nyahcas hidrogen29.Walau bagaimanapun, menambah bilangan tiub penyejuk memberi kesan positif ke atas prestasi MH dan bukannya kadar aliran penyejuk30,31.Raju et al.32 menggunakan LaMi4.7Al0.3 sebagai bahan MH untuk mengkaji prestasi penukar haba berbilang tiub dalam reaktor.Mereka melaporkan bahawa parameter operasi mempunyai kesan yang ketara ke atas proses penyerapan, terutamanya tekanan suapan dan kemudian kadar aliran HTF.Walau bagaimanapun, suhu penyerapan ternyata kurang kritikal.
Prestasi reaktor MH dipertingkatkan lagi dengan penggunaan penukar haba gegelung lingkaran kerana pemindahan habanya yang lebih baik berbanding dengan tiub lurus.Ini kerana kitar sekunder boleh mengeluarkan haba daripada reaktor dengan lebih baik25.Di samping itu, tiub lingkaran menyediakan kawasan permukaan yang besar untuk pemindahan haba dari lapisan MH ke penyejuk.Apabila kaedah ini diperkenalkan di dalam reaktor, pengagihan tiub pertukaran haba juga lebih seragam33.Wang et al.34 mengkaji kesan tempoh pengambilan hidrogen dengan menambahkan gegelung heliks pada reaktor MH.Keputusan mereka menunjukkan bahawa apabila pekali pemindahan haba penyejuk meningkat, masa penyerapan berkurangan.Wu et al.25 menyiasat prestasi reaktor MH berasaskan Mg2Ni dan penukar haba gegelung bergelung.Kajian berangka mereka telah menunjukkan pengurangan masa tindak balas.Penambahbaikan mekanisme pemindahan haba dalam reaktor MN adalah berdasarkan nisbah pic skru kepada pic skru dan pic skru tanpa dimensi yang lebih kecil.Kajian eksperimen oleh Mellouli et al.21 menggunakan gegelung bergelung sebagai penukar haba dalaman menunjukkan bahawa suhu mula HTF mempunyai kesan yang signifikan ke atas penambahbaikan pengambilan hidrogen dan masa desorpsi.Gabungan penukar haba dalaman yang berbeza telah dijalankan dalam beberapa kajian.Eisapur et al.35 mengkaji penyimpanan hidrogen menggunakan penukar haba gegelung lingkaran dengan tiub pemulangan pusat untuk meningkatkan proses penyerapan hidrogen.Keputusan mereka menunjukkan bahawa tiub lingkaran dan tiub pemulangan pusat dengan ketara meningkatkan pemindahan haba antara penyejuk dan MG.Pic yang lebih kecil dan diameter tiub lingkaran yang lebih besar meningkatkan kadar pemindahan haba dan jisim.Ardahaie et al.36 menggunakan tiub lingkaran rata sebagai penukar haba untuk menambah baik pemindahan haba dalam reaktor.Mereka melaporkan bahawa tempoh penyerapan dikurangkan dengan meningkatkan bilangan satah tiub lingkaran yang diratakan.Gabungan penukar haba dalaman yang berbeza telah dijalankan dalam beberapa kajian.Dhau et al.37 meningkatkan prestasi MH menggunakan penukar haba gegelung bergelung dan sirip.Keputusan mereka menunjukkan bahawa kaedah ini mengurangkan masa pengisian hidrogen dengan faktor 2 berbanding kes tanpa sirip.Sirip anulus digabungkan dengan tiub penyejuk dan dibina ke dalam reaktor MN.Hasil kajian ini menunjukkan kaedah gabungan ini memberikan pemindahan haba yang lebih seragam berbanding dengan reaktor MH tanpa sirip.Walau bagaimanapun, menggabungkan penukar haba yang berbeza akan menjejaskan berat dan isipadu reaktor MH secara negatif.Wu et al.18 membandingkan konfigurasi penukar haba yang berbeza.Ini termasuk tiub lurus, sirip dan gegelung lingkaran.Penulis melaporkan bahawa gegelung lingkaran memberikan peningkatan terbaik dalam pemindahan haba dan jisim.Di samping itu, berbanding dengan tiub lurus, tiub bergelung, dan tiub lurus yang digabungkan dengan tiub bergelung, gegelung berganda mempunyai kesan yang lebih baik untuk meningkatkan pemindahan haba.Kajian oleh Sekhar et al.40 menunjukkan bahawa peningkatan yang sama dalam pengambilan hidrogen telah dicapai menggunakan gegelung lingkaran sebagai penukar haba dalaman dan jaket penyejuk luaran bersirip.
Daripada contoh yang dinyatakan di atas, penggunaan gegelung lingkaran sebagai penukar haba dalaman memberikan peningkatan haba dan pemindahan jisim yang lebih baik daripada penukar haba lain, terutamanya tiub lurus dan sirip.Oleh itu, matlamat kajian ini adalah untuk membangunkan lagi gegelung lingkaran untuk meningkatkan prestasi pemindahan haba.Buat pertama kalinya, gegelung separa silinder baharu telah dibangunkan berdasarkan gegelung heliks simpanan MH konvensional.Kajian ini dijangka meningkatkan prestasi penyimpanan hidrogen dengan mempertimbangkan reka bentuk penukar haba baharu dengan susun atur zon pemindahan haba yang lebih baik yang disediakan oleh volum malar katil MH dan tiub HTF.Prestasi penyimpanan penukar haba baharu ini kemudiannya dibandingkan dengan penukar haba gegelung lingkaran konvensional berdasarkan padang gegelung yang berbeza.Menurut literatur sedia ada, keadaan operasi dan jarak gegelung adalah faktor utama yang mempengaruhi prestasi reaktor MH.Untuk mengoptimumkan reka bentuk penukar haba baharu ini, kesan jarak gegelung pada masa pengambilan hidrogen dan isipadu MH telah disiasat.Di samping itu, untuk memahami hubungan antara gegelung hemi-silinder baru dan keadaan operasi, matlamat kedua kajian ini adalah untuk mengkaji ciri-ciri reaktor mengikut julat parameter operasi yang berbeza dan menentukan nilai yang sesuai untuk setiap operasi. mod.parameter.
Prestasi peranti penyimpanan tenaga hidrogen dalam kajian ini disiasat berdasarkan dua konfigurasi penukar haba (termasuk tiub lingkaran dalam kes 1 hingga 3 dan tiub separa silinder dalam kes 4 hingga 6) dan analisis sensitiviti parameter operasi.Kebolehkendalian reaktor MH diuji buat kali pertama menggunakan tiub lingkaran sebagai penukar haba.Kedua-dua paip minyak penyejuk dan bekas reaktor MH diperbuat daripada keluli tahan karat.Perlu diingatkan bahawa dimensi reaktor MG dan diameter paip GTF adalah malar dalam semua kes, manakala saiz langkah GTF berbeza-beza.Bahagian ini menganalisis kesan saiz pic bagi gegelung HTF.Ketinggian dan diameter luar reaktor ialah 110 mm dan 156 mm, masing-masing.Diameter paip minyak pengalir haba ditetapkan pada 6mm.Lihat Bahagian Tambahan untuk butiran tentang rajah litar reaktor MH dengan tiub lingkaran dan dua tiub separa silinder.
Pada rajah.1a menunjukkan reaktor tiub lingkaran MH dan dimensinya.Semua parameter geometri diberikan dalam jadual.1. Jumlah isipadu heliks dan isipadu ZG adalah masing-masing lebih kurang 100 cm3 dan 2000 cm3.Daripada reaktor MH ini, udara dalam bentuk HTF dimasukkan ke dalam reaktor MH berliang dari bawah melalui tiub lingkaran, dan hidrogen dimasukkan dari permukaan atas reaktor.
Pencirian geometri terpilih untuk reaktor hidrida logam.a) dengan penukar haba berpilin-tiub, b) dengan penukar haba tiub separa silinder.
Bahagian kedua meneliti operasi reaktor MH berdasarkan tiub separa silinder sebagai penukar haba.Pada rajah.1b menunjukkan reaktor MN dengan dua tiub separuh silinder dan dimensinya.Jadual 1 menyenaraikan semua parameter geometri paip separa silinder, yang kekal malar, kecuali jarak antara mereka.Perlu diingatkan bahawa tiub separa silinder dalam Kes 4 direka dengan isipadu malar tiub HTF dan aloi MH dalam tiub bergelung (pilihan 3).Bagi rajah.Dalam Rajah 1b, udara juga diperkenalkan dari bahagian bawah dua tiub HTF separuh silinder, dan hidrogen diperkenalkan dari arah bertentangan reaktor MH.
Oleh kerana reka bentuk baharu penukar haba, tujuan bahagian ini adalah untuk menentukan nilai awal yang sesuai untuk parameter operasi reaktor MH dalam kombinasi dengan SCHE.Dalam semua kes, udara digunakan sebagai penyejuk untuk mengeluarkan haba daripada reaktor.Antara minyak pemindahan haba, udara dan air biasanya dipilih sebagai minyak pemindahan haba untuk reaktor MH kerana kosnya yang rendah dan impak alam sekitar yang rendah.Disebabkan julat suhu operasi yang tinggi bagi aloi berasaskan magnesium, udara telah dipilih sebagai penyejuk dalam kajian ini.Selain itu, ia juga mempunyai ciri-ciri aliran yang lebih baik daripada logam cecair lain dan garam lebur41.Jadual 2 menyenaraikan sifat udara pada 573 K. Untuk analisis kepekaan dalam bahagian ini, hanya konfigurasi terbaik pilihan prestasi MH-SCHE (dalam kes 4 hingga 6) digunakan.Anggaran dalam bahagian ini adalah berdasarkan pelbagai parameter operasi, termasuk suhu awal reaktor MH, tekanan pemuatan hidrogen, suhu masuk HTF dan nombor Reynolds yang dikira dengan menukar kadar HTF.Jadual 3 mengandungi semua parameter operasi yang digunakan untuk analisis sensitiviti.
Bahagian ini menerangkan semua persamaan kawalan yang diperlukan untuk proses penyerapan hidrogen, pergolakan dan pemindahan haba penyejuk.
Untuk memudahkan penyelesaian tindak balas pengambilan hidrogen, andaian berikut dibuat dan disediakan;
Semasa penyerapan, sifat termofizik hidrogen dan hidrida logam adalah malar.
Hidrogen dianggap sebagai gas ideal, jadi keadaan keseimbangan terma tempatan43,44 diambil kira.
dengan \({L}_{gas}\) ialah jejari tangki, dan \({L}_{heat}\) ialah ketinggian paksi tangki.Apabila N kurang daripada 0.0146, aliran hidrogen dalam tangki boleh diabaikan dalam simulasi tanpa ralat yang ketara.Menurut penyelidikan semasa, N adalah jauh lebih rendah daripada 0.1.Oleh itu, kesan kecerunan tekanan boleh diabaikan.
Dinding reaktor telah terlindung dengan baik dalam semua kes.Oleh itu, tiada pertukaran haba 47 antara reaktor dan persekitaran.
Adalah diketahui umum bahawa aloi berasaskan Mg mempunyai ciri penghidrogenan yang baik dan kapasiti penyimpanan hidrogen yang tinggi sehingga 7.6 wt%8.Dari segi aplikasi penyimpanan hidrogen keadaan pepejal, aloi ini juga dikenali sebagai bahan ringan.Di samping itu, mereka mempunyai rintangan haba yang sangat baik dan kebolehprosesan yang baik8.Di antara beberapa aloi berasaskan Mg, aloi MgNi berasaskan Mg2Ni adalah salah satu pilihan yang paling sesuai untuk penyimpanan MH kerana kapasiti penyimpanan hidrogennya sehingga 6 wt%.Aloi Mg2Ni juga memberikan kinetik penjerapan dan penyahjerapan yang lebih cepat berbanding aloi MgH48.Oleh itu, Mg2Ni telah dipilih sebagai bahan hidrida logam dalam kajian ini.
Persamaan tenaga dinyatakan sebagai 25 berdasarkan keseimbangan haba antara hidrogen dan Mg2Ni hidrida:
X ialah jumlah hidrogen yang diserap pada permukaan logam, unitnya ialah \(berat\%\), dikira daripada persamaan kinetik \(\frac{dX}{dt}\) semasa penyerapan seperti berikut49:
dengan \({C}_{a}\) ialah kadar tindak balas dan \({E}_{a}\) ialah tenaga pengaktifan.\({P}_{a,eq}\) ialah tekanan keseimbangan di dalam reaktor hidrida logam semasa proses penyerapan, diberikan oleh persamaan van't Hoff seperti berikut25:
Di mana \({P}_{ref}\) ialah tekanan rujukan 0.1 MPa.\(\Delta H\) dan \(\Delta S\) ialah entalpi dan entropi tindak balas, masing-masing.Sifat aloi Mg2Ni dan hidrogen dibentangkan dalam jadual.4. Senarai yang dinamakan boleh didapati di bahagian tambahan.
Aliran bendalir dianggap bergelora kerana halajunya dan nombor Reynolds (Re) ialah 78.75 ms-1 dan 14000, masing-masing.Dalam kajian ini, model pergolakan k-ε boleh dicapai telah dipilih.Adalah diperhatikan bahawa kaedah ini memberikan ketepatan yang lebih tinggi berbanding kaedah k-ε yang lain, dan juga memerlukan masa pengiraan yang kurang daripada kaedah RNG k-ε50,51.Lihat Bahagian Tambahan untuk butiran tentang persamaan asas bagi cecair pemindahan haba.
Pada mulanya, rejim suhu dalam reaktor MN adalah seragam, dan purata kepekatan hidrogen ialah 0.043.Diandaikan bahawa sempadan luar reaktor MH adalah terlindung dengan baik.Aloi berasaskan magnesium biasanya memerlukan suhu operasi tindak balas yang tinggi untuk menyimpan dan membebaskan hidrogen dalam reaktor.Aloi Mg2Ni memerlukan julat suhu 523–603 K untuk penyerapan maksimum dan julat suhu 573–603 K untuk desorpsi lengkap52.Walau bagaimanapun, kajian eksperimen oleh Muthukumar et al.53 menunjukkan bahawa kapasiti penyimpanan maksimum Mg2Ni untuk penyimpanan hidrogen boleh dicapai pada suhu operasi 573 K, yang sepadan dengan kapasiti teorinya.Oleh itu, suhu 573 K dipilih sebagai suhu awal reaktor MN dalam kajian ini.
Cipta saiz grid yang berbeza untuk pengesahan dan hasil yang boleh dipercayai.Pada rajah.2 menunjukkan suhu purata di lokasi terpilih dalam proses penyerapan hidrogen daripada empat unsur berbeza.Perlu diingat bahawa hanya satu kes bagi setiap konfigurasi dipilih untuk menguji kebebasan grid kerana geometri yang serupa.Kaedah meshing yang sama digunakan dalam kes lain.Oleh itu, pilih pilihan 1 untuk paip lingkaran dan pilihan 4 untuk paip separa silinder.Pada rajah.2a, b menunjukkan suhu purata dalam reaktor untuk pilihan 1 dan 4, masing-masing.Tiga lokasi yang dipilih mewakili kontur suhu dasar di bahagian atas, tengah dan bawah reaktor.Berdasarkan kontur suhu di lokasi yang dipilih, suhu purata menjadi stabil dan menunjukkan sedikit perubahan dalam nombor unsur 428,891 dan 430,599 untuk kes 1 dan 4, masing-masing.Oleh itu, saiz grid ini dipilih untuk pengiraan pengiraan selanjutnya.Maklumat terperinci tentang purata suhu katil untuk proses penyerapan hidrogen untuk pelbagai saiz sel dan jejaring ditapis berturut-turut untuk kedua-dua kes diberikan dalam bahagian tambahan.
Purata suhu dasar pada titik terpilih dalam proses penyerapan hidrogen dalam reaktor hidrida logam dengan nombor grid yang berbeza.(a) Purata suhu di lokasi terpilih untuk kes 1 dan (b) Purata suhu di lokasi terpilih untuk kes 4.
Reaktor logam hidrida berasaskan Mg dalam kajian ini telah diuji berdasarkan keputusan eksperimen Muthukumar et al.53.Dalam kajian mereka, mereka menggunakan aloi Mg2Ni untuk menyimpan hidrogen dalam tiub keluli tahan karat.Sirip kuprum digunakan untuk menambah baik pemindahan haba di dalam reaktor.Pada rajah.3a menunjukkan perbandingan suhu purata katil proses penyerapan antara kajian eksperimen dan kajian ini.Keadaan operasi yang dipilih untuk eksperimen ini ialah: MG suhu awal 573 K dan tekanan masuk 2 MPa.Daripada rajah.3a boleh ditunjukkan dengan jelas bahawa keputusan eksperimen ini adalah dalam persetujuan yang baik dengan yang sekarang berkenaan dengan suhu lapisan purata.
Pengesahan model.(a) Pengesahan kod reaktor hidrida logam Mg2Ni dengan membandingkan kajian semasa dengan kerja eksperimen Muthukumar et al.52, dan (b) pengesahan model aliran turbulen tiub lingkaran dengan membandingkan kajian semasa dengan Kumar et al .Penyelidikan.54.
Untuk menguji model pergolakan, keputusan kajian ini dibandingkan dengan keputusan eksperimen Kumar et al.54 untuk mengesahkan ketepatan model pergolakan yang dipilih.Kumar et al.54 mengkaji aliran turbulen dalam penukar haba lingkaran tiub-dalam-paip.Air digunakan sebagai cecair panas dan sejuk yang disuntik dari sisi bertentangan.Suhu cecair panas dan sejuk ialah 323 K dan 300 K, masing-masing.Nombor Reynolds berkisar antara 3100 hingga 5700 untuk cecair panas dan dari 21,000 hingga 35,000 untuk cecair sejuk.Nombor Dekan ialah 550-1000 untuk cecair panas dan 3600-6000 untuk cecair sejuk.Diameter paip dalam (untuk cecair panas) dan paip luar (untuk cecair sejuk) masing-masing ialah 0.0254 m dan 0.0508 m.Diameter dan pic bagi gegelung heliks ialah 0.762 m dan 0.100 m, masing-masing.Pada rajah.3b menunjukkan perbandingan keputusan eksperimen dan semasa untuk pelbagai pasangan nombor Nusselt dan Dean untuk penyejuk dalam tiub dalam.Tiga model pergolakan berbeza telah dilaksanakan dan dibandingkan dengan keputusan eksperimen.Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.3b, keputusan model pergolakan k-ε yang boleh dicapai adalah dalam persetujuan yang baik dengan data eksperimen.Oleh itu, model ini dipilih dalam kajian ini.
Simulasi berangka dalam kajian ini dilakukan menggunakan ANSYS Fluent 2020 R2.Tulis Fungsi Ditentukan Pengguna (UDF) dan gunakannya sebagai istilah input bagi persamaan tenaga untuk mengira kinetik proses penyerapan.Litar PRESTO55 dan kaedah PISO56 digunakan untuk komunikasi halaju tekanan dan pembetulan tekanan.Pilih pangkalan sel Greene-Gauss untuk kecerunan berubah.Persamaan momentum dan tenaga diselesaikan dengan kaedah naik angin tertib kedua.Berkenaan dengan pekali kurang kelonggaran, komponen tekanan, halaju dan tenaga ditetapkan kepada 0.5, 0.7 dan 0.7, masing-masing.Fungsi dinding standard digunakan pada HTF dalam model turbulensi.
Bahagian ini membentangkan hasil simulasi berangka pemindahan haba dalaman yang lebih baik bagi reaktor MH menggunakan penukar haba gegelung bergelung (HCHE) dan penukar haba gegelung heliks (SCHE) semasa penyerapan hidrogen.Kesan pic HTF pada suhu katil reaktor dan tempoh penyerapan telah dianalisis.Parameter operasi utama proses penyerapan dikaji dan dibentangkan dalam bahagian analisis sensitiviti.
Untuk menyiasat kesan jarak gegelung pada pemindahan haba dalam reaktor MH, tiga konfigurasi penukar haba dengan pic yang berbeza telah disiasat.Tiga pic berbeza 15mm, 12.86mm dan 10mm masing-masing ditetapkan badan 1, badan 2 dan badan 3.Perlu diingatkan bahawa diameter paip ditetapkan pada 6 mm pada suhu awal 573 K dan tekanan pemuatan 1.8 MPa dalam semua kes.Pada rajah.4 menunjukkan purata suhu dasar dan kepekatan hidrogen dalam lapisan MH semasa proses penyerapan hidrogen dalam kes 1 hingga 3. Lazimnya, tindak balas antara hidrida logam dan hidrogen adalah eksotermik kepada proses penyerapan.Oleh itu, suhu katil meningkat dengan cepat disebabkan momen awal apabila hidrogen mula-mula dimasukkan ke dalam reaktor.Suhu katil meningkat sehingga mencapai nilai maksimum dan kemudian secara beransur-ansur berkurangan apabila haba dibawa oleh penyejuk, yang mempunyai suhu yang lebih rendah dan bertindak sebagai penyejuk.Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.4a, disebabkan penjelasan sebelum ini, suhu lapisan meningkat dengan cepat dan menurun secara berterusan.Kepekatan hidrogen untuk proses penyerapan biasanya berdasarkan suhu dasar reaktor MH.Apabila suhu lapisan purata jatuh ke suhu tertentu, permukaan logam menyerap hidrogen.Ini disebabkan oleh pecutan proses fisisorpsi, chemisorption, resapan hidrogen dan pembentukan hidridanya dalam reaktor.Daripada rajah.4b dapat dilihat bahawa kadar penyerapan hidrogen dalam kes 3 adalah lebih rendah daripada dalam kes lain kerana nilai langkah penukar haba gegelung yang lebih kecil.Ini menghasilkan panjang paip keseluruhan yang lebih panjang dan kawasan pemindahan haba yang lebih besar untuk paip HTF.Dengan purata kepekatan hidrogen sebanyak 90%, masa penyerapan untuk Kes 1 ialah 46,276 saat.Berbanding dengan tempoh penyerapan dalam kes 1, tempoh penyerapan dalam kes 2 dan 3 dikurangkan masing-masing sebanyak 724 s dan 1263 s.Bahagian tambahan membentangkan kontur suhu dan kepekatan hidrogen untuk lokasi terpilih dalam lapisan HCHE-MH.
Pengaruh jarak antara gegelung pada suhu lapisan purata dan kepekatan hidrogen.(a) Purata suhu dasar untuk gegelung heliks, (b) kepekatan hidrogen untuk gegelung heliks, (c) suhu dasar purata untuk gegelung hemi-silinder, dan (d) kepekatan hidrogen untuk gegelung hemi-silinder.
Untuk menambah baik ciri pemindahan haba reaktor MG, dua HFC telah direka bentuk untuk isipadu malar MG (2000 cm3) dan penukar haba lingkaran (100 cm3) Pilihan 3. Bahagian ini juga mempertimbangkan kesan jarak antara gegelung 15 mm untuk kes 4, 12.86 mm untuk kes 5 dan 10 mm untuk kes 6. Dalam rajah.4c,d menunjukkan purata suhu dasar dan kepekatan proses penyerapan hidrogen pada suhu awal 573 K dan tekanan beban 1.8 MPa.Mengikut purata suhu lapisan dalam Rajah 4c, jarak yang lebih kecil antara gegelung dalam kes 6 mengurangkan suhu dengan ketara berbanding dengan dua kes yang lain.Untuk kes 6, suhu katil yang lebih rendah menghasilkan kepekatan hidrogen yang lebih tinggi (lihat Rajah 4d).Masa pengambilan hidrogen untuk Varian 4 ialah 19542 s, iaitu lebih daripada 2 kali lebih rendah daripada Varian 1-3 menggunakan HCH.Di samping itu, berbanding kes 4, masa penyerapan juga dikurangkan sebanyak 378 s dan 1515 s dalam kes 5 dan 6 dengan jarak yang lebih rendah.Bahagian tambahan membentangkan kontur suhu dan kepekatan hidrogen untuk lokasi terpilih dalam lapisan SCHE-MH.
Untuk mengkaji prestasi dua konfigurasi penukar haba, bahagian ini memplot dan membentangkan lengkung suhu di tiga lokasi terpilih.Reaktor MH dengan HCHE dari kes 3 dipilih untuk perbandingan dengan reaktor MH yang mengandungi SCHE dalam kes 4 kerana ia mempunyai isipadu MH dan isipadu paip yang tetap.Keadaan operasi untuk perbandingan ini ialah suhu awal 573 K dan tekanan beban 1.8 MPa.Pada rajah.5a dan 5b menunjukkan ketiga-tiga kedudukan terpilih profil suhu dalam kes 3 dan 4, masing-masing.Pada rajah.5c menunjukkan profil suhu dan kepekatan lapisan selepas 20,000 saat pengambilan hidrogen.Menurut baris 1 dalam Rajah 5c, suhu di sekeliling TTF daripada pilihan 3 dan 4 berkurangan disebabkan oleh pemindahan haba perolakan penyejuk.Ini mengakibatkan kepekatan hidrogen yang lebih tinggi di sekitar kawasan ini.Walau bagaimanapun, penggunaan dua SCHE menghasilkan kepekatan lapisan yang lebih tinggi.Tindak balas kinetik yang lebih pantas ditemui di sekitar rantau HTF dalam kes 4. Selain itu, kepekatan maksimum 100% juga ditemui di rantau ini.Dari talian 2 yang terletak di tengah-tengah reaktor, suhu kes 4 jauh lebih rendah daripada suhu kes 3 di semua tempat kecuali pusat reaktor.Ini menghasilkan kepekatan hidrogen maksimum untuk kes 4 kecuali untuk kawasan berhampiran pusat reaktor yang jauh dari HTF.Bagaimanapun, kepekatan kes 3 tidak banyak berubah.Perbezaan besar dalam suhu dan kepekatan lapisan diperhatikan dalam baris 3 berhampiran pintu masuk ke GTS.Suhu lapisan dalam kes 4 menurun dengan ketara, menghasilkan kepekatan hidrogen tertinggi di rantau ini, manakala garis kepekatan dalam kes 3 masih turun naik.Ini disebabkan oleh pecutan pemindahan haba SCHE.Butiran dan perbincangan tentang perbandingan suhu purata lapisan MH dan paip HTF antara kes 3 dan kes 4 disediakan dalam bahagian tambahan.
Profil suhu dan kepekatan dasar di lokasi terpilih dalam reaktor hidrida logam.(a) Lokasi terpilih untuk kes 3, (b) Lokasi terpilih untuk kes 4, dan (c) Profil suhu dan kepekatan lapisan di lokasi terpilih selepas 20,000 saat untuk proses pengambilan hidrogen dalam kes 3 dan 4.
Pada rajah.Rajah 6 menunjukkan perbandingan purata suhu katil (lihat Rajah 6a) dan kepekatan hidrogen (lihat Rajah 6b) untuk penyerapan HCH dan SHE.Dari rajah ini dapat dilihat bahawa suhu lapisan MG menurun dengan ketara disebabkan oleh peningkatan kawasan pertukaran haba.Mengeluarkan lebih banyak haba daripada reaktor menghasilkan kadar pengambilan hidrogen yang lebih tinggi.Walaupun dua konfigurasi penukar haba mempunyai isipadu yang sama berbanding menggunakan HCHE sebagai Pilihan 3, masa pengambilan hidrogen SCHE berdasarkan Pilihan 4 telah dikurangkan dengan ketara sebanyak 59%.Untuk analisis yang lebih terperinci, kepekatan hidrogen untuk dua konfigurasi penukar haba ditunjukkan sebagai isolin dalam Rajah 7. Angka ini menunjukkan bahawa dalam kedua-dua kes, hidrogen mula diserap dari bawah sekitar salur masuk HTF.Kepekatan yang lebih tinggi didapati di rantau HTF, manakala kepekatan yang lebih rendah diperhatikan di tengah reaktor MH kerana jaraknya dari penukar haba.Selepas 10,000 s, kepekatan hidrogen dalam kes 4 adalah jauh lebih tinggi daripada dalam kes 3. Selepas 20,000 saat, purata kepekatan hidrogen dalam reaktor telah meningkat kepada 90% dalam kes 4 berbanding dengan 50% hidrogen dalam kes 3. Ini mungkin disebabkan kepada kapasiti penyejukan berkesan yang lebih tinggi untuk menggabungkan dua SCHE, menghasilkan suhu yang lebih rendah di dalam lapisan MH.Akibatnya, tekanan keseimbangan yang lebih jatuh di dalam lapisan MG, yang membawa kepada penyerapan hidrogen yang lebih cepat.
Kes 3 dan Kes 4 Perbandingan purata suhu katil dan kepekatan hidrogen antara dua konfigurasi penukar haba.
Perbandingan kepekatan hidrogen selepas 500, 2000, 5000, 10000 dan 20000 s selepas permulaan proses penyerapan hidrogen dalam kes 3 dan kes 4.
Jadual 5 meringkaskan tempoh pengambilan hidrogen untuk semua kes.Di samping itu, jadual juga menunjukkan masa penyerapan hidrogen, dinyatakan sebagai peratusan.Peratusan ini dikira berdasarkan masa penyerapan Kes 1. Daripada jadual ini, masa penyerapan reaktor MH menggunakan HCHE adalah kira-kira 45,000 hingga 46,000 s, dan masa penyerapan termasuk SCHE adalah kira-kira 18,000 hingga 19,000 s.Berbanding dengan Kes 1, masa penyerapan dalam Kes 2 dan Kes 3 dikurangkan masing-masing sebanyak 1.6% dan 2.7%.Apabila menggunakan SCHE dan bukannya HCHE, masa penyerapan dikurangkan dengan ketara daripada kes 4 kepada kes 6, daripada 58% kepada 61%.Adalah jelas bahawa penambahan SCHE kepada reaktor MH banyak meningkatkan proses penyerapan hidrogen dan prestasi reaktor MH.Walaupun pemasangan penukar haba di dalam reaktor MH mengurangkan kapasiti penyimpanan, teknologi ini memberikan peningkatan ketara dalam pemindahan haba berbanding teknologi lain.Selain itu, mengurangkan nilai pic akan meningkatkan volum SCHE, mengakibatkan pengurangan dalam volum MH.Dalam kes 6 dengan volum SCHE tertinggi, kapasiti isipadu MH hanya dikurangkan sebanyak 5% berbanding kes 1 dengan volum HCHE terendah.Di samping itu, semasa penyerapan, kes 6 menunjukkan prestasi yang lebih pantas dan lebih baik dengan pengurangan 61% dalam masa penyerapan.Oleh itu kes 6 dipilih untuk siasatan lanjut dalam analisis sensitiviti.Perlu diingatkan bahawa masa pengambilan hidrogen yang panjang dikaitkan dengan tangki simpanan yang mengandungi isipadu MH kira-kira 2000 cm3.
Parameter operasi semasa tindak balas adalah faktor penting yang memberi kesan positif atau negatif terhadap prestasi reaktor MH di bawah keadaan sebenar.Kajian ini mempertimbangkan analisis sensitiviti untuk menentukan parameter operasi awal yang sesuai untuk reaktor MH dalam kombinasi dengan SCHE, dan bahagian ini menyiasat empat parameter operasi utama berdasarkan konfigurasi reaktor optimum dalam kes 6. Keputusan untuk semua keadaan operasi ditunjukkan dalam Rajah 8.
Graf kepekatan hidrogen dalam pelbagai keadaan operasi apabila menggunakan penukar haba dengan gegelung separa silinder.(a) tekanan pemuatan, (b) suhu dasar awal, (c) nombor Reynolds penyejuk, dan (d) suhu masukan penyejuk.
Berdasarkan suhu awal malar 573 K dan kadar alir penyejuk dengan nombor Reynolds 14,000, empat tekanan pembebanan berbeza telah dipilih: 1.2 MPa, 1.8 MPa, 2.4 MPa dan 3.0 MPa.Pada rajah.8a menunjukkan kesan tekanan pemuatan dan SCHE pada kepekatan hidrogen dari semasa ke semasa.Masa penyerapan berkurangan dengan peningkatan tekanan pemuatan.Menggunakan tekanan hidrogen terpakai 1.2 MPa adalah kes terburuk untuk proses penyerapan hidrogen, dan tempoh penyerapan melebihi 26,000 s untuk mencapai penyerapan hidrogen 90%.Walau bagaimanapun, tekanan beban yang lebih tinggi mengakibatkan penurunan 32-42% dalam masa penyerapan daripada 1.8 kepada 3.0 MPa.Ini disebabkan oleh tekanan awal hidrogen yang lebih tinggi, yang mengakibatkan perbezaan yang lebih besar antara tekanan keseimbangan dan tekanan yang dikenakan.Oleh itu, ini mewujudkan daya penggerak yang besar untuk kinetik pengambilan hidrogen.Pada saat awal, gas hidrogen diserap dengan cepat disebabkan oleh perbezaan yang besar antara tekanan keseimbangan dan tekanan yang dikenakan57.Pada tekanan pemuatan 3.0 MPa, 18% hidrogen terkumpul dengan cepat dalam 10 saat pertama.Hidrogen disimpan dalam 90% reaktor pada peringkat akhir selama 15460 s.Walau bagaimanapun, pada tekanan pemuatan 1.2 hingga 1.8 MPa, masa penyerapan dikurangkan dengan ketara sebanyak 32%.Tekanan lain yang lebih tinggi mempunyai kurang kesan ke atas meningkatkan masa penyerapan.Oleh itu, adalah disyorkan bahawa tekanan pemuatan reaktor MH-SCHE ialah 1.8 MPa.Bahagian tambahan menunjukkan kontur kepekatan hidrogen untuk pelbagai tekanan beban pada 15500 s.
Pemilihan suhu awal reaktor MH yang sesuai adalah salah satu faktor utama yang mempengaruhi proses penjerapan hidrogen, kerana ia mempengaruhi daya penggerak tindak balas pembentukan hidrida.Untuk mengkaji kesan SCHE pada suhu awal reaktor MH, empat suhu berbeza telah dipilih pada tekanan beban malar 1.8 MPa dan nombor Reynolds 14,000 HTF.Pada rajah.Rajah 8b menunjukkan perbandingan pelbagai suhu permulaan, termasuk 473K, 523K, 573K dan 623K.Malah, apabila suhu lebih tinggi daripada 230°C atau 503K58, aloi Mg2Ni mempunyai ciri-ciri berkesan untuk proses penyerapan hidrogen.Walau bagaimanapun, pada saat awal suntikan hidrogen, suhu meningkat dengan cepat.Akibatnya, suhu lapisan MG akan melebihi 523 K. Oleh itu, pembentukan hidrida dipermudahkan disebabkan oleh peningkatan kadar penyerapan53.Daripada rajah.Ia boleh dilihat daripada Rajah 8b bahawa hidrogen diserap lebih cepat apabila suhu awal lapisan MB berkurangan.Tekanan keseimbangan yang lebih rendah berlaku apabila suhu awal lebih rendah.Semakin besar perbezaan tekanan antara tekanan keseimbangan dan tekanan yang dikenakan, semakin cepat proses penyerapan hidrogen.Pada suhu awal 473 K, hidrogen diserap dengan pantas sehingga 27% dalam tempoh 18 saat pertama.Di samping itu, masa penyerapan juga dikurangkan daripada 11% kepada 24% pada suhu awal yang lebih rendah berbanding suhu awal 623 K. Masa penyerapan pada suhu awal terendah 473 K ialah 15247 s, yang serupa dengan yang terbaik. tekanan beban kes, bagaimanapun, penurunan suhu awal suhu reaktor membawa kepada penurunan kapasiti penyimpanan hidrogen.Suhu awal reaktor MN mestilah sekurang-kurangnya 503 K53.Di samping itu, pada suhu awal 573 K53, kapasiti penyimpanan hidrogen maksimum sebanyak 3.6% berat boleh dicapai.Dari segi kapasiti penyimpanan hidrogen dan tempoh penyerapan, suhu antara 523 dan 573 K memendekkan masa sebanyak 6% sahaja.Oleh itu, suhu 573 K dicadangkan sebagai suhu awal reaktor MH-SCHE.Walau bagaimanapun, kesan suhu awal terhadap proses penyerapan adalah kurang ketara berbanding dengan tekanan beban.Bahagian tambahan menunjukkan kontur kepekatan hidrogen untuk pelbagai suhu awal pada 15500 s.
Kadar alir adalah salah satu parameter utama penghidrogenan dan penyahhidrogenan kerana ia boleh menjejaskan pergolakan dan penyingkiran haba atau input semasa penghidrogenan dan penyahhidrogenan59.Kadar alir yang tinggi akan menghasilkan fasa gelora dan menghasilkan aliran bendalir yang lebih laju melalui tiub HTF.Tindak balas ini akan menghasilkan pemindahan haba yang lebih cepat.Halaju kemasukan yang berbeza untuk HTF dikira berdasarkan nombor Reynolds 10,000, 14,000, 18,000 dan 22,000.Suhu awal lapisan MG ditetapkan pada 573 K dan tekanan beban pada 1.8 MPa.Keputusan dalam rajah.8c menunjukkan bahawa menggunakan nombor Reynolds yang lebih tinggi dalam kombinasi dengan SCHE menghasilkan kadar pengambilan yang lebih tinggi.Apabila nombor Reynolds meningkat daripada 10,000 kepada 22,000, masa penyerapan berkurangan kira-kira 28-50%.Masa penyerapan pada nombor Reynolds 22,000 ialah 12,505 saat, iaitu kurang daripada pada pelbagai suhu dan tekanan pemuatan awal.Kontur kepekatan hidrogen untuk pelbagai nombor Reynolds untuk GTP pada 12500 s dibentangkan dalam bahagian tambahan.
Kesan SCHE pada suhu awal HTF dianalisis dan ditunjukkan dalam Rajah 8d.Pada suhu awal MG 573 K dan tekanan beban hidrogen 1.8 MPa, empat suhu awal telah dipilih untuk analisis ini: 373 K, 473 K, 523 K, dan 573 K. 8d menunjukkan bahawa penurunan suhu penyejuk pada salur masuk membawa kepada pengurangan masa penyerapan.Berbanding dengan kes asas dengan suhu masukan 573 K, masa penyerapan dikurangkan sebanyak kira-kira 20%, 44% dan 56% untuk suhu masukan 523 K, 473 K dan 373 K, masing-masing.Pada 6917 s, suhu awal GTF ialah 373 K, kepekatan hidrogen dalam reaktor ialah 90%.Ini boleh dijelaskan dengan pemindahan haba perolakan yang dipertingkatkan antara lapisan MG dan HCS.Suhu HTF yang lebih rendah akan meningkatkan pelesapan haba dan mengakibatkan peningkatan pengambilan hidrogen.Di antara semua parameter operasi, meningkatkan prestasi reaktor MH-SCHE dengan meningkatkan suhu salur masuk HTF adalah kaedah yang paling sesuai, kerana masa tamat proses penyerapan adalah kurang daripada 7000 s, manakala masa penyerapan terpendek kaedah lain adalah lebih daripada 10000 s.Kontur kepekatan hidrogen dibentangkan untuk pelbagai suhu awal GTP selama 7000 s.
Kajian ini membentangkan buat pertama kalinya penukar haba gegelung separa silinder baharu yang disepadukan ke dalam unit penyimpanan hidrida logam.Keupayaan sistem yang dicadangkan untuk menyerap hidrogen telah disiasat dengan pelbagai konfigurasi penukar haba.Pengaruh parameter operasi ke atas pertukaran haba antara lapisan hidrida logam dan penyejuk telah disiasat untuk mencari keadaan optimum untuk menyimpan hidrida logam menggunakan penukar haba baharu.Dapatan utama kajian ini diringkaskan seperti berikut:
Dengan penukar haba gegelung separa silinder, prestasi pemindahan haba dipertingkatkan kerana ia mempunyai pengagihan haba yang lebih seragam dalam reaktor lapisan magnesium, menghasilkan kadar penyerapan hidrogen yang lebih baik.Dengan syarat bahawa isipadu tiub pertukaran haba dan hidrida logam kekal tidak berubah, masa tindak balas penyerapan dikurangkan dengan ketara sebanyak 59% berbanding penukar haba gegelung bergelung konvensional.
Masa siaran: Jan-15-2023