Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Dessutom, för att säkerställa löpande support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Visar en karusell med tre bilder samtidigt.Använd knapparna Föregående och Nästa för att gå igenom tre bilder åt gången, eller använd skjutknapparna i slutet för att gå igenom tre bilder åt gången.
Metallhydrider (MH) anses vara en av de mest lämpliga materialgrupperna för vätelagring på grund av deras stora vätelagringskapacitet, låga drifttryck och höga säkerhet.Däremot minskar deras tröga väteupptagningskinetik avsevärt lagringsprestanda.Snabbare värmeavlägsnande från MH-lagret kan spela en viktig roll för att öka dess väteupptagningshastighet, vilket resulterar i förbättrad lagringsprestanda.I detta avseende syftade denna studie till att förbättra värmeöverföringsegenskaperna för att positivt påverka väteupptagningshastigheten för MH-lagringssystemet.Den nya halvcylindriska spolen utvecklades först och optimerades för vätgaslagring och inkorporerades som en intern luft-som-värmeväxlare (HTF).Baserat på de olika stigningsstorlekarna analyseras effekten av den nya värmeväxlarkonfigurationen och jämförs med den konventionella spiralformade spolgeometrin.Dessutom studerades driftsparametrarna för lagring av MG och GTP numeriskt för att erhålla optimala värden.För numerisk simulering används ANSYS Fluent 2020 R2.Resultaten av denna studie visar att prestandan hos en MH-lagringstank kan förbättras avsevärt genom att använda en halvcylindrisk värmeväxlare (SCHE).Jämfört med konventionella spiralspiralvärmeväxlare reduceras varaktigheten av väteabsorptionen med 59 %.Det minsta avståndet mellan SCHE-spolarna resulterade i en 61% minskning av absorptionstiden.När det gäller driftsparametrarna för MG-lagring med SHE, leder alla valda parametrar till en betydande förbättring av väteabsorptionsprocessen, särskilt temperaturen vid inloppet till HTS.
Det sker en global övergång från energi baserad på fossila bränslen till förnybar energi.Eftersom många former av förnybar energi ger kraft på ett dynamiskt sätt är energilagring nödvändig för att balansera belastningen.Vätgasbaserad energilagring har väckt stor uppmärksamhet för detta ändamål, särskilt eftersom väte kan användas som ett "grönt" alternativt bränsle och energibärare på grund av dess egenskaper och portabilitet.Dessutom ger väte också ett högre energiinnehåll per massenhet jämfört med fossila bränslen2.Det finns fyra huvudtyper av vätgaslagring: lagring av komprimerad gas, underjordisk lagring, vätskelagring och fast lagring.Komprimerat väte är den huvudsakliga typen som används i bränslecellsfordon som bussar och gaffeltruckar.Denna lagring ger dock en låg bulkdensitet av väte (cirka 0,089 kg/m3) och har säkerhetsproblem förknippade med högt driftstryck3.Baserat på en omvandlingsprocess vid låg omgivningstemperatur och lågt tryck kommer vätskelagret att lagra väte i flytande form.Men vid flytande försvinner cirka 40 % av energin.Dessutom är denna teknik känd för att vara mer energi- och arbetsintensiv jämfört med solid state-lagringsteknik4.Fast lagring är ett gångbart alternativ för en väteekonomi, som lagrar väte genom att införliva väte i fasta material genom absorption och frigör väte genom desorption.Metallhydrid (MH), en teknologi för lagring av fasta material, har nyligen varit intressant för bränslecellsapplikationer på grund av dess höga vätekapacitet, låga driftstryck och låga kostnad jämfört med vätskelagring, och är lämplig för stationära och mobila applikationer6,7 In Dessutom ger MH-material även säkerhetsegenskaper som effektiv lagring av stor kapacitet8.Det finns dock ett problem som begränsar produktiviteten hos MG: MG-reaktorns låga värmeledningsförmåga leder till långsam absorption och desorption av väte.
Korrekt värmeöverföring under exoterma och endotermiska reaktioner är nyckeln till att förbättra prestandan hos MH-reaktorer.För vätgasladdningsprocessen måste den alstrade värmen avlägsnas från reaktorn för att styra väteladdningsflödet med önskad hastighet med maximal lagringskapacitet.Istället krävs värme för att öka hastigheten för väteutvecklingen under utsläpp.För att förbättra värme- och massöverföringsprestandan har många forskare studerat designen och optimeringen baserat på flera faktorer som driftsparametrar, MG-struktur och MG11-optimering.MG-optimering kan göras genom att lägga till material med hög värmeledningsförmåga såsom skummetaller till MG-skikten 12,13.Således kan den effektiva värmeledningsförmågan ökas från 0,1 till 2 W/mK10.Tillsatsen av fasta material minskar emellertid kraften hos MN-reaktorn.När det gäller driftsparametrar kan förbättringar uppnås genom att optimera de initiala driftsförhållandena för MG-skiktet och kylvätskan (HTF).Strukturen hos MG kan optimeras på grund av reaktorns geometri och värmeväxlarens design.När det gäller konfigurationen av MH-reaktorvärmeväxlaren kan metoderna delas in i två typer.Dessa är interna värmeväxlare inbyggda i MO-lagret och externa värmeväxlare som täcker MO-lagret såsom fenor, kylmantel och vattenbad.När det gäller den externa värmeväxlaren analyserade Kaplan16 driften av MH-reaktorn, med kylvatten som mantel för att sänka temperaturen inne i reaktorn.Resultaten jämfördes med en reaktor med 22 runda fenor och en annan reaktor kyld med naturlig konvektion.De anger att närvaron av en kylmantel avsevärt minskar temperaturen på MH, vilket ökar absorptionshastigheten.Numeriska studier av den vattenmantlade MH-reaktorn av Patil och Gopal17 har visat att vätgasförsörjningstryck och HTF-temperatur är nyckelparametrar som påverkar hastigheten för väteupptagning och desorption.
Att öka värmeöverföringsytan genom att lägga till fenor och värmeväxlare inbyggda i MH är nyckeln till att förbättra värme- och massöverföringsprestanda och därmed lagringsprestanda hos MH18.Flera interna värmeväxlarkonfigurationer (raka rör och spiralspiral) har designats för att cirkulera kylvätskan i MH19,20,21,22,23,24,25,26 reaktorn.Med hjälp av en intern värmeväxlare kommer kyl- eller uppvärmningsvätskan att överföra lokal värme inuti MH-reaktorn under väteadsorptionsprocessen.Raju och Kumar [27] använde flera raka rör som värmeväxlare för att förbättra prestanda hos MG.Deras resultat visade att absorptionstiderna minskade när raka rör användes som värmeväxlare.Dessutom förkortar användningen av raka rör vätedsorptionstiden28.Högre kylvätskeflöden ökar hastigheten för vätgasladdning och -urladdning29.Att öka antalet kylrör har dock en positiv effekt på MH-prestanda snarare än kylvätskeflöde30,31.Raju et al.32 använde LaMi4.7Al0.3 som ett MH-material för att studera prestandan hos flerrörsvärmeväxlare i reaktorer.De rapporterade att driftsparametrarna hade en betydande effekt på absorptionsprocessen, särskilt matningstrycket och sedan flödeshastigheten för HTF.Absorptionstemperaturen visade sig dock vara mindre kritisk.
MH-reaktorns prestanda förbättras ytterligare genom användningen av en spiralspiralvärmeväxlare på grund av dess förbättrade värmeöverföring jämfört med raka rör.Detta beror på att den sekundära cykeln bättre kan ta bort värme från reaktorn25.Dessutom ger spiralrören en stor yta för värmeöverföring från MH-skiktet till kylvätskan.När denna metod introduceras inuti reaktorn är fördelningen av värmeväxlarrör också mer enhetlig33.Wang et al.34 studerade effekten av väteupptagningstiden genom att lägga till en spiralformad spole till en MH-reaktor.Deras resultat visar att när värmeöverföringskoefficienten för kylvätskan ökar, minskar absorptionstiden.Wu et al.25 undersökte prestandan hos Mg2Ni-baserade MH-reaktorer och spiralvärmeväxlare.Deras numeriska studier har visat en minskning av reaktionstiden.Förbättringen av värmeöverföringsmekanismen i MN-reaktorn är baserad på ett mindre förhållande mellan skruvstigning och skruvstigning och en dimensionslös skruvstigning.En experimentell studie av Mellouli et al.21 med en lindad spole som en intern värmeväxlare visade att HTF-starttemperatur har en signifikant effekt på att förbättra väteupptagning och desorptionstid.Kombinationer av olika interna värmeväxlare har genomförts i flera studier.Eisapur et al.35 studerade vätelagring med en spiralspiralvärmeväxlare med ett centralt returrör för att förbättra väteabsorptionsprocessen.Deras resultat visade att spiralröret och det centrala returröret signifikant förbättrar värmeöverföringen mellan kylvätskan och MG.Den mindre stigningen och den större diametern hos spiralröret ökar hastigheten för värme och massöverföring.Ardahaie et al.36 använde platta spiralrör som värmeväxlare för att förbättra värmeöverföringen i reaktorn.De rapporterade att absorptionstiden minskades genom att öka antalet tillplattade spiralrörplan.Kombinationer av olika interna värmeväxlare har genomförts i flera studier.Dhau et al.37 förbättrade prestandan hos MH med hjälp av en spiralvärmeväxlare och fenor.Deras resultat visar att denna metod minskar vätgasfyllningstiden med en faktor 2 jämfört med fallet utan fenor.De ringformade fenorna kombineras med kylrör och inbyggda i MN-reaktorn.Resultaten av denna studie visar att denna kombinerade metod ger mer enhetlig värmeöverföring jämfört med MH-reaktorn utan fenor.Men att kombinera olika värmeväxlare kommer att påverka vikten och volymen på MH-reaktorn negativt.Wu et al.18 jämförde olika värmeväxlarkonfigurationer.Dessa inkluderar raka rör, fenor och spiralspiraler.Författarna rapporterar att spiralspiraler ger de bästa förbättringarna i värme- och massöverföring.Dessutom, jämfört med raka rör, lindade rör och raka rör i kombination med lindade rör, har dubbla spolar en bättre effekt på att förbättra värmeöverföringen.En studie av Sekhar et al.40 visade att en liknande förbättring av väteupptagningen uppnåddes med användning av en spiralspiral som intern värmeväxlare och en extern kylmantel med flänsar.
Av de ovan nämnda exemplen ger användningen av spiralspiraler som interna värmeväxlare bättre värme- och massöverföringsförbättringar än andra värmeväxlare, speciellt raka rör och fenor.Därför var syftet med denna studie att vidareutveckla spiralspolen för att förbättra värmeöverföringsprestandan.För första gången har en ny halvcylindrisk spole utvecklats baserad på den konventionella MH-lagringsspiralformade spiralen.Denna studie förväntas förbättra vätgaslagringsprestandan genom att överväga en ny värmeväxlardesign med en bättre värmeöverföringszonslayout som tillhandahålls av en konstant volym av MH-bädd och HTF-rör.Lagringsprestandan för denna nya värmeväxlare jämfördes sedan med konventionella spiralspiralvärmeväxlare baserade på olika slingstigningar.Enligt befintlig litteratur är driftsförhållanden och avstånd mellan spolar de viktigaste faktorerna som påverkar prestandan hos MH-reaktorer.För att optimera designen av denna nya värmeväxlare undersöktes effekten av spolavstånd på väteupptagningstid och MH-volym.Dessutom, för att förstå förhållandet mellan de nya halvcylindriska spolarna och driftsförhållandena, var ett sekundärt mål med denna studie att studera reaktorns egenskaper enligt olika driftsparameterintervall och bestämma lämpliga värden för varje drift läge.parameter.
Prestandan hos väteenergilagringsanordningen i denna studie undersöks baserat på två värmeväxlarkonfigurationer (inklusive spiralrör i fall 1 till 3 och halvcylindriska rör i fall 4 till 6) och en känslighetsanalys av driftsparametrar.Driftsförmågan hos MH-reaktorn testades för första gången med användning av ett spiralrör som värmeväxlare.Både kylvätskeoljeröret och MH-reaktorkärlet är gjorda av rostfritt stål.Det bör noteras att dimensionerna på MG-reaktorn och diametern på GTF-rören var konstanta i samtliga fall, medan stegstorlekarna för GTF varierade.Detta avsnitt analyserar effekten av tonhöjdsstorleken för HTF-spolar.Reaktorns höjd och ytterdiameter var 110 mm respektive 156 mm.Diametern på det värmeledande oljeröret är inställt på 6 mm.Se tilläggsavsnittet för detaljer om MH-reaktorkretsschemat med spiralrör och två halvcylindriska rör.
På fig.1a visar MH spiralrörsreaktorn och dess dimensioner.Alla geometriska parametrar anges i tabellen.1. Den totala volymen av helixen och volymen av ZG är cirka 100 cm3 respektive 2000 cm3.Från denna MH-reaktor matades luft i form av HTF in i den porösa MH-reaktorn underifrån genom ett spiralrör och väte infördes från reaktorns övre yta.
Karakterisering av utvalda geometrier för metallhydridreaktorer.a) med en spiralrörformad värmeväxlare, b) med en halvcylindrisk rörformig värmeväxlare.
Den andra delen undersöker driften av MH-reaktorn baserad på ett halvcylindriskt rör som värmeväxlare.På fig.Ib visar MN-reaktorn med två halvcylindriska rör och deras dimensioner.Tabell 1 listar alla geometriska parametrar för halvcylindriska rör, som förblir konstanta, med undantag för avståndet mellan dem.Det bör noteras att det halvcylindriska röret i fall 4 utformades med en konstant volym av HTF-rör och MH-legering i det lindade röret (alternativ 3).När det gäller fig.Ib, infördes också luft från botten av de två halvcylindriska HTF-rören, och väte infördes från motsatt riktning av MH-reaktorn.
På grund av den nya designen av värmeväxlaren är syftet med detta avsnitt att bestämma de lämpliga initiala värdena för driftsparametrarna för MH-reaktorn i kombination med SCHE.I samtliga fall användes luft som kylmedel för att avlägsna värme från reaktorn.Bland värmeöverföringsoljorna är luft och vatten vanligen valda som värmeöverföringsoljor för MH-reaktorer på grund av deras låga kostnad och låga miljöpåverkan.På grund av det höga driftstemperaturintervallet för magnesiumbaserade legeringar valdes luft som kylmedel i denna studie.Dessutom har den också bättre flytegenskaper än andra flytande metaller och smälta salter41.Tabell 2 listar egenskaperna hos luft vid 573 K. För känslighetsanalysen i detta avsnitt används endast de bästa konfigurationerna av MH-SCHE-prestandaalternativen (i fall 4 till 6).Uppskattningarna i detta avsnitt är baserade på olika driftsparametrar, inklusive starttemperaturen för MH-reaktorn, vätgasladdningstrycket, HTF-inloppstemperaturen och Reynolds-talet beräknat genom att ändra HTF-hastigheten.Tabell 3 innehåller alla driftsparametrar som används för känslighetsanalys.
Detta avsnitt beskriver alla nödvändiga kontrollekvationer för processen för väteabsorption, turbulens och värmeöverföring av kylmedel.
För att förenkla lösningen av väteupptagningsreaktionen görs och tillhandahålls följande antaganden;
Under absorptionen är de termofysiska egenskaperna hos väte och metallhydrider konstanta.
Väte anses vara en idealisk gas, så lokala termiska jämviktsförhållanden43,44 beaktas.
där \({L}_{gas}\) är tankens radie och \({L}_{värme}\) är tankens axiella höjd.När N är mindre än 0,0146 kan vätgasflödet i tanken ignoreras i simuleringen utan signifikanta fel.Enligt aktuell forskning är N mycket lägre än 0,1.Därför kan tryckgradienteffekten försummas.
Reaktorväggarna var i samtliga fall välisolerade.Därför finns det ingen värmeväxling 47 mellan reaktorn och omgivningen.
Det är välkänt att Mg-baserade legeringar har goda hydrogeneringsegenskaper och hög vätelagringskapacitet upp till 7,6 vikt%8.När det gäller lagring av väte i fast tillstånd är dessa legeringar också kända som lättviktsmaterial.Dessutom har de utmärkt värmebeständighet och god bearbetningsbarhet8.Bland flera Mg-baserade legeringar är Mg2Ni-baserad MgNi-legering ett av de mest lämpliga alternativen för MH-lagring på grund av dess vätelagringskapacitet på upp till 6 viktprocent.Mg2Ni-legeringar ger också snabbare adsorptions- och desorptionskinetik jämfört med MgH48-legering.Därför valdes Mg2Ni som metallhydridmaterial i denna studie.
Energiekvationen uttrycks som 25 baserat på värmebalansen mellan väte och Mg2Ni-hydrid:
X är mängden väte som absorberas på metallytan, enheten är \(vikt\%\), beräknad från den kinetiska ekvationen \(\frac{dX}{dt}\) under absorption enligt följande49:
där \({C}_{a}\) är reaktionshastigheten och \({E}_{a}\) är aktiveringsenergin.\({P}_{a,eq}\) är jämviktstrycket inuti metallhydridreaktorn under absorptionsprocessen, givet av van't Hoffs ekvation enligt följande25:
Där \({P}_{ref}\) är referenstrycket på 0,1 MPa.\(\Delta H\) och \(\Delta S\) är reaktionens entalpi respektive entropi.Egenskaper för legeringar Mg2Ni och väte presenteras i tabellen.4. Den namngivna listan finns i tilläggsavsnittet.
Vätskeflödet anses vara turbulent eftersom dess hastighet och Reynolds tal (Re) är 78,75 ms-1 respektive 14000.I denna studie valdes en uppnåbar k-ε turbulensmodell.Det noteras att denna metod ger högre noggrannhet jämfört med andra k-ε-metoder och kräver också mindre beräkningstid än RNG k-ε50,51-metoder.Se det kompletterande avsnittet för detaljer om de grundläggande ekvationerna för värmeöverföringsvätskor.
Inledningsvis var temperaturregimen i MN-reaktorn enhetlig och den genomsnittliga vätekoncentrationen var 0,043.Det antas att MH-reaktorns yttre gräns är välisolerad.Magnesiumbaserade legeringar kräver vanligtvis höga reaktionsdriftstemperaturer för att lagra och frigöra väte i reaktorn.Mg2Ni-legeringen kräver ett temperaturområde på 523–603 K för maximal absorption och ett temperaturområde på 573–603 K för fullständig desorption52.Experimentella studier av Muthukumar et al.53 visade dock att den maximala lagringskapaciteten för Mg2Ni för vätelagring kan uppnås vid en driftstemperatur på 573 K, vilket motsvarar dess teoretiska kapacitet.Därför valdes temperaturen 573 K som den initiala temperaturen för MN-reaktorn i denna studie.
Skapa olika rutnätsstorlekar för validering och tillförlitliga resultat.På fig.2 visar medeltemperaturen vid utvalda platser i väteabsorptionsprocessen från fyra olika grundämnen.Det är värt att notera att endast ett fall av varje konfiguration väljs för att testa för nätoberoende på grund av liknande geometri.Samma meshningsmetod används i andra fall.Välj därför alternativ 1 för spiralröret och alternativ 4 för det halvcylindriska röret.På fig.2a, b visar medeltemperaturen i reaktorn för alternativ 1 respektive 4.De tre utvalda platserna representerar bäddtemperaturkonturer i toppen, mitten och botten av reaktorn.Baserat på temperaturkonturerna på de valda platserna blir medeltemperaturen stabil och visar liten förändring i elementnummer 428,891 och 430,599 för fall 1 respektive 4.Därför valdes dessa rutnätsstorlekar för ytterligare beräkningar.Detaljerad information om den genomsnittliga bäddtemperaturen för väteabsorptionsprocessen för olika cellstorlekar och successivt raffinerade maskor för båda fallen ges i det kompletterande avsnittet.
Genomsnittlig bäddtemperatur vid utvalda punkter i väteabsorptionsprocessen i en metallhydridreaktor med olika rutnätsnummer.(a) Medeltemperatur på utvalda platser för fall 1 och (b) Medeltemperatur på utvalda platser för fall 4.
Den Mg-baserade metallhydridreaktorn i denna studie testades baserat på de experimentella resultaten av Muthukumar et al.53.I sin studie använde de en Mg2Ni-legering för att lagra väte i rostfria stålrör.Kopparfenor används för att förbättra värmeöverföringen inuti reaktorn.På fig.3a visar en jämförelse av medeltemperaturen för absorptionsprocessbädden mellan den experimentella studien och denna studie.Driftförhållandena som valts för detta experiment är: MG initial temperatur 573 K och inloppstryck 2 MPa.Från fig.3a kan det tydligt visas att detta experimentella resultat stämmer väl överens med det nuvarande med avseende på den genomsnittliga skikttemperaturen.
Modellverifiering.(a) Kodverifiering av Mg2Ni-metallhydridreaktorn genom att jämföra den aktuella studien med det experimentella arbetet av Muthukumar et al.52, och (b) verifiering av spiralrörets turbulenta flödesmodell genom att jämföra den aktuella studien med den av Kumar et al. .Forskning.54.
För att testa turbulensmodellen jämfördes resultaten från denna studie med de experimentella resultaten av Kumar et al.54 för att bekräfta riktigheten av den valda turbulensmodellen.Kumar et al.54 studerade turbulent flöde i en rör-i-rör spiralvärmeväxlare.Vatten används som varm och kall vätska som injiceras från motsatta sidor.De varma och kalla vätsketemperaturerna är 323 K respektive 300 K.Reynolds siffror sträcker sig från 3100 till 5700 för heta vätskor och från 21 000 till 35 000 för kalla vätskor.Deannummer är 550-1000 för varma vätskor och 3600-6000 för kalla vätskor.Diametrarna på det inre röret (för varm vätska) och det yttre röret (för kall vätska) är 0,0254 m respektive 0,0508 m.Diametern och stigningen för den spiralformade spolen är 0,762 m respektive 0,100 m.På fig.3b visar en jämförelse av experimentella och aktuella resultat för olika par av Nusselt- och Dean-tal för kylvätskan i innerröret.Tre olika turbulensmodeller implementerades och jämfördes med experimentella resultat.Såsom visas i fig.3b är resultaten av den uppnåbara k-ε-turbulensmodellen i god överensstämmelse med experimentdata.Därför valdes denna modell i denna studie.
Numeriska simuleringar i denna studie utfördes med ANSYS Fluent 2020 R2.Skriv en användardefinierad funktion (UDF) och använd den som inmatningsterm för energiekvationen för att beräkna kinetiken för absorptionsprocessen.PRESTO55-kretsen och PISO56-metoden används för tryck-hastighetskommunikation och tryckkorrigering.Välj en Greene-Gauss-cellbas för den variabla gradienten.Momentum- och energiekvationerna löses med andra ordningens uppvindsmetod.När det gäller underrelaxationskoefficienterna är tryck-, hastighets- och energikomponenterna satta till 0,5, 0,7 respektive 0,7.Standardväggfunktionerna tillämpas på HTF i turbulensmodellen.
Detta avsnitt presenterar resultaten av numeriska simuleringar av förbättrad intern värmeöverföring av en MH-reaktor med användning av en spiralvärmeväxlare (HCHE) och en spiralformad spiralvärmeväxlare (SCHE) under väteabsorption.Effekten av HTF-beck på temperaturen i reaktorbädden och absorptionens varaktighet analyserades.De viktigaste driftsparametrarna för absorptionsprocessen studeras och presenteras i avsnittet om känslighetsanalys.
För att undersöka effekten av spolavstånd på värmeöverföring i en MH-reaktor undersöktes tre värmeväxlarkonfigurationer med olika stigning.De tre olika stigningarna på 15 mm, 12,86 mm och 10 mm betecknas kropp 1, kropp 2 respektive kropp 3.Det bör noteras att rördiametern var fixerad till 6 mm vid en initial temperatur på 573 K och ett belastningstryck på 1,8 MPa i samtliga fall.På fig.4 visar den genomsnittliga bäddtemperaturen och vätekoncentrationen i MH-skiktet under väteabsorptionsprocessen i fall 1 till 3. Typiskt är reaktionen mellan metallhydriden och väte exoterm i förhållande till absorptionsprocessen.Därför stiger temperaturen i bädden snabbt på grund av det initiala ögonblicket när väte först införs i reaktorn.Bäddtemperaturen ökar tills den når ett maxvärde och sjunker sedan gradvis i takt med att värme förs bort av kylvätskan som har en lägre temperatur och fungerar som kylvätska.Såsom visas i fig.4a, på grund av den tidigare förklaringen, ökar skiktets temperatur snabbt och minskar kontinuerligt.Vätekoncentrationen för absorptionsprocessen baseras vanligtvis på bäddtemperaturen i MH-reaktorn.När den genomsnittliga skikttemperaturen sjunker till en viss temperatur absorberar metallytan väte.Detta beror på accelerationen av processerna för fysisorption, kemisorption, diffusion av väte och bildningen av dess hydrider i reaktorn.Från fig.Fig. 4b kan ses att väteabsorptionshastigheten i fall 3 är lägre än i andra fall på grund av det mindre stegvärdet för slingvärmeväxlaren.Detta resulterar i en längre total rörlängd och en större värmeöverföringsyta för HTF-rör.Med en genomsnittlig vätekoncentration på 90 % är absorptionstiden för fall 1 46 276 sekunder.Jämfört med absorptionens varaktighet i fall 1 reducerades absorptionstiden i fall 2 och 3 med 724 s respektive 1 263 s.Det kompletterande avsnittet presenterar temperatur- och vätekoncentrationskonturer för utvalda platser i HCHE-MH-skiktet.
Inverkan av avstånd mellan spolar på genomsnittlig skikttemperatur och vätekoncentration.(a) Genomsnittlig bäddtemperatur för spiralformade spolar, (b) vätekoncentration för spiralformade spolar, (c) genomsnittlig bäddtemperatur för halvcylindriska spolar och (d) vätekoncentration för halvcylindriska spolar.
För att förbättra värmeöverföringsegenskaperna hos MG-reaktorn designades två HFC för en konstant volym av MG (2000 cm3) och en spiralvärmeväxlare (100 cm3) i alternativ 3. Detta avsnitt tar också hänsyn till effekten av avståndet mellan spolar på 15 mm för fodral 4, 12,86 mm för fodral 5 och 10 mm för fodral 6. I fig.4c,d visar den genomsnittliga bäddtemperaturen och koncentrationen av väteabsorptionsprocessen vid en initial temperatur på 573 K och ett laddningstryck på 1,8 MPa.Enligt den genomsnittliga skikttemperaturen i fig. 4c minskar det mindre avståndet mellan spolarna i fall 6 temperaturen avsevärt jämfört med de andra två fallen.För fall 6 resulterar en lägre bäddtemperatur i en högre vätekoncentration (se fig. 4d).Väteupptagningstiden för Variant 4 är 19542 s, vilket är mer än 2 gånger lägre än för Variant 1-3 med HCH.Jämfört med fall 4 reducerades dessutom absorptionstiden med 378 s och 1515 s i fall 5 och 6 med lägre avstånd.Det kompletterande avsnittet presenterar temperatur- och vätekoncentrationskonturer för utvalda platser i SCHE-MH-skiktet.
För att studera prestandan hos två värmeväxlarkonfigurationer plottar och presenterar detta avsnitt temperaturkurvor på tre utvalda platser.MH-reaktorn med HCHE från fall 3 valdes för jämförelse med MH-reaktorn innehållande SCHE i fall 4 eftersom den har en konstant MH-volym och rörvolym.Driftförhållandena för denna jämförelse var en initial temperatur på 573 K och ett belastningstryck på 1,8 MPa.På fig.Fig. 5a och 5b visar alla tre valda lägen för temperaturprofilerna i fall 3 respektive 4.På fig.5c visar temperaturprofilen och skiktkoncentrationen efter 20 000 s väteupptagning.Enligt linje 1 i fig. 5c minskar temperaturen runt TTF från alternativ 3 och 4 på grund av den konvektiva värmeöverföringen av kylvätskan.Detta resulterar i en högre koncentration av väte runt detta område.Användningen av två SCHE resulterar emellertid i en högre skiktkoncentration.Snabbare kinetiska svar hittades runt HTF-regionen i fall 4. Dessutom hittades en maximal koncentration på 100% även i denna region.Från linje 2 som ligger i mitten av reaktorn är temperaturen i fall 4 betydligt lägre än temperaturen i fall 3 på alla ställen utom i mitten av reaktorn.Detta resulterar i den maximala vätekoncentrationen för fall 4 förutom för området nära reaktorns centrum bort från HTF.Koncentrationen av fall 3 förändrades dock inte mycket.En stor skillnad i skiktets temperatur och koncentration observerades i linje 3 nära ingången till GTS.Temperaturen på skiktet i fall 4 minskade signifikant, vilket resulterade i den högsta vätekoncentrationen i denna region, medan koncentrationslinjen i fall 3 fortfarande fluktuerade.Detta beror på accelerationen av SCHE värmeöverföring.Detaljer och diskussion om jämförelsen av medeltemperaturen för MH-skiktet och HTF-röret mellan fall 3 och fall 4 ges i det kompletterande avsnittet.
Temperaturprofil och bäddkoncentration på utvalda platser i metallhydridreaktorn.(a) Valda platser för fall 3, (b) Valda platser för fall 4, och (c) Temperaturprofil och skiktkoncentration på utvalda platser efter 20 000 s för väteupptagningsprocessen i fall 3 och 4.
På fig.Figur 6 visar en jämförelse av medelbäddtemperaturen (se figur 6a) och vätekoncentrationen (se figur 6b) för absorptionen av HCH och SHE.Det kan ses från denna figur att temperaturen i MG-skiktet minskar avsevärt på grund av en ökning av värmeväxlingsarean.Att ta bort mer värme från reaktorn resulterar i en högre väteupptagningshastighet.Även om de två värmeväxlarkonfigurationerna har samma volymer jämfört med att använda HCHE som alternativ 3, reducerades SCHE:s väteupptagningstid baserad på alternativ 4 avsevärt med 59 %.För en mer detaljerad analys visas vätekoncentrationerna för de två värmeväxlarkonfigurationerna som isoliner i figur 7. Denna figur visar att i båda fallen börjar väte absorberas underifrån runt HTF-inloppet.Högre koncentrationer hittades i HTF-regionen, medan lägre koncentrationer observerades i mitten av MH-reaktorn på grund av dess avstånd från värmeväxlaren.Efter 10 000 s är vätekoncentrationen i fall 4 betydligt högre än i fall 3. Efter 20 000 sekunder har medelvätekoncentrationen i reaktorn stigit till 90 % i fall 4 jämfört med 50 % väte i fall 3. Detta kan bero på till den högre effektiva kylkapaciteten av att kombinera två SCHE, vilket resulterar i en lägre temperatur inuti MH-skiktet.Följaktligen faller ett mer jämviktstryck inuti MG-skiktet, vilket leder till en snabbare absorption av väte.
Fall 3 och Fall 4 Jämförelse av genomsnittlig bäddtemperatur och vätekoncentration mellan två värmeväxlarkonfigurationer.
Jämförelse av vätekoncentrationen efter 500, 2000, 5000, 10000 och 20000 s efter starten av väteabsorptionsprocessen i fall 3 och fall 4.
Tabell 5 sammanfattar varaktigheten av väteupptagningen för alla fall.Dessutom visar tabellen också tiden för absorption av väte, uttryckt i procent.Denna procentsats beräknas baserat på absorptionstiden i fall 1. Från denna tabell är absorptionstiden för MH-reaktorn som använder HCHE cirka 45 000 till 46 000 s, och absorptionstiden inklusive SCHE är cirka 18 000 till 19 000 s.Jämfört med fall 1 minskade absorptionstiden i fall 2 och fall 3 med endast 1,6 % respektive 2,7 %.När SCHE användes istället för HCHE minskade absorptionstiden signifikant från fall 4 till fall 6, från 58 % till 61 %.Det är tydligt att tillsatsen av SCHE till MH-reaktorn avsevärt förbättrar väteabsorptionsprocessen och prestandan hos MH-reaktorn.Även om installationen av en värmeväxlare inuti MH-reaktorn minskar lagringskapaciteten, ger denna teknik en betydande förbättring av värmeöverföringen jämfört med andra tekniker.En minskning av tonhöjdsvärdet kommer också att öka volymen av SCHE, vilket resulterar i en minskning av volymen för MH.I fall 6 med den högsta SCHE-volymen reducerades den MH-volymetriska kapaciteten endast med 5 % jämfört med fall 1 med den lägsta HCHE-volymen.Dessutom, under absorption, visade fall 6 snabbare och bättre prestanda med en 61% minskning av absorptionstid.Därför valdes fall 6 för vidare utredning i känslighetsanalysen.Det bör noteras att den långa väteupptagningstiden är förknippad med en lagringstank som innehåller en MH-volym på cirka 2000 cm3.
Driftsparametrarna under reaktionen är viktiga faktorer som positivt eller negativt påverkar MH-reaktorns prestanda under verkliga förhållanden.Denna studie överväger en känslighetsanalys för att bestämma de lämpliga initiala driftsparametrarna för en MH-reaktor i kombination med SCHE, och detta avsnitt undersöker de fyra huvudsakliga driftsparametrarna baserat på den optimala reaktorkonfigurationen i fall 6. Resultaten för alla driftsförhållanden visas i Fig. 8.
Graf över vätekoncentrationen under olika driftsförhållanden vid användning av en värmeväxlare med en halvcylindrisk spole.(a) laddningstryck, (b) initial bäddtemperatur, (c) kylvätskans Reynolds nummer och (d) kylvätskans inloppstemperatur.
Baserat på en konstant initial temperatur på 573 K och en kylvätskeflödeshastighet med ett Reynolds-tal på 14 000 valdes fyra olika belastningstryck: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa och 3,0 MPa.På fig.8a visar effekten av laddningstryck och SCHE på vätekoncentrationen över tiden.Absorptionstiden minskar med ökande belastningstryck.Att använda ett applicerat vätetryck på 1,2 MPa är det värsta fallet för väteabsorptionsprocessen, och absorptionstiden överstiger 26 000 s för att uppnå 90 % väteabsorption.Det högre laddningstrycket resulterade emellertid i en 32-42% minskning av absorptionstid från 1,8 till 3,0 MPa.Detta beror på det högre initiala trycket av väte, vilket resulterar i en större skillnad mellan jämviktstrycket och det applicerade trycket.Därför skapar detta en stor drivkraft för väteupptagningskinetiken.I det första ögonblicket absorberas vätgas snabbt på grund av den stora skillnaden mellan jämviktstrycket och det applicerade trycket57.Vid ett laddningstryck på 3,0 MPa ackumulerades snabbt 18 % väte under de första 10 sekunderna.Väte lagrades i 90 % av reaktorerna i slutskedet i 15460 s.Vid ett belastningstryck på 1,2 till 1,8 MPa reducerades emellertid absorptionstiden avsevärt med 32 %.Andra högre tryck hade mindre effekt på att förbättra absorptionstiderna.Därför rekommenderas att laddningstrycket för MH-SCHE-reaktorn är 1,8 MPa.Tilläggsavsnittet visar vätekoncentrationskonturerna för olika belastningstryck vid 15500 s.
Valet av en lämplig initial temperatur för MH-reaktorn är en av huvudfaktorerna som påverkar väteadsorptionsprocessen, eftersom den påverkar drivkraften för hydridbildningsreaktionen.För att studera effekten av SCHE på MH-reaktorns initiala temperatur valdes fyra olika temperaturer vid ett konstant laddningstryck på 1,8 MPa och ett Reynolds-tal på 14 000 HTF.På fig.Figur 8b visar en jämförelse av olika starttemperaturer, inklusive 473K, 523K, 573K och 623K.Faktum är att när temperaturen är högre än 230°C eller 503K58, har Mg2Ni-legeringen effektiva egenskaper för väteabsorptionsprocessen.Emellertid stiger temperaturen snabbt i det första ögonblicket av väteinjektionen.Följaktligen kommer temperaturen på MG-skiktet att överstiga 523 K. Därför underlättas bildningen av hydrider på grund av den ökade absorptionshastigheten53.Från fig.Det kan ses av fig. 8b att väte absorberas snabbare när den initiala temperaturen för MB-skiktet minskar.Lägre jämviktstryck uppstår när den initiala temperaturen är lägre.Ju större tryckskillnaden mellan jämviktstrycket och det applicerade trycket är, desto snabbare går väteabsorptionsprocessen.Vid en initial temperatur på 473 K absorberas väte snabbt upp till 27 % under de första 18 sekunderna.Dessutom reducerades även absorptionstiden från 11 % till 24 % vid en lägre utgångstemperatur jämfört med utgångstemperaturen på 623 K. Absorptionstiden vid den lägsta utgångstemperaturen på 473 K är 15247 s, vilket liknar den bästa belastningstrycket i fall leder emellertid minskningen av initialtemperaturreaktortemperaturen till en minskning av vätelagringskapaciteten.Den initiala temperaturen för MN-reaktorn måste vara minst 503 K53.Dessutom, vid en initial temperatur på 573 K53, kan en maximal vätelagringskapacitet på 3,6 viktprocent uppnås.När det gäller vätgaslagringskapacitet och absorptionsvaraktighet förkortar temperaturer mellan 523 och 573 K tiden med endast 6 %.Därför föreslås en temperatur på 573 K som starttemperatur för MH-SCHE-reaktorn.Emellertid var effekten av den initiala temperaturen på absorptionsprocessen mindre signifikant jämfört med laddningstrycket.Det kompletterande avsnittet visar konturerna av vätekoncentrationen för olika initiala temperaturer vid 15500 s.
Flödeshastigheten är en av huvudparametrarna för hydrering och dehydrering eftersom det kan påverka turbulens och värmeavlägsnande eller tillförsel under hydrering och dehydrering59.Höga flödeshastigheter skapar turbulenta faser och resulterar i snabbare vätskeflöde genom HTF-slangen.Denna reaktion kommer att resultera i snabbare värmeöverföring.Olika ingångshastigheter för HTF beräknas baserat på Reynolds tal på 10 000, 14 000, 18 000 och 22 000.Den initiala temperaturen för MG-skiktet fixerades till 573 K och belastningstrycket vid 1,8 MPa.Resultaten i fig.8c visar att användning av ett högre Reynolds-tal i kombination med SCHE resulterar i en högre upptagshastighet.När Reynolds-talet ökar från 10 000 till 22 000, minskar absorptionstiden med cirka 28-50 %.Absorptionstiden vid ett Reynolds-tal på 22 000 är 12 505 sekunder, vilket är mindre än vid olika initiala belastningstemperaturer och tryck.Vätekoncentrationskonturer för olika Reynolds-tal för GTP vid 12500 s presenteras i tilläggsavsnittet.
Effekten av SCHE på den initiala temperaturen för HTF:n analyseras och visas i fig. 8d.Vid en initial MG-temperatur på 573 K och ett vätgasladdningstryck på 1,8 MPa valdes fyra initiala temperaturer för denna analys: 373 K, 473 K, 523 K och 573 K. 8d visar att en minskning av kylvätskans temperatur vid inloppet leder till en minskning av absorptionstiden.Jämfört med basfallet med en inloppstemperatur på 573 K reducerades absorptionstiden med cirka 20 %, 44 % och 56 % för inloppstemperaturer på 523 K, 473 K respektive 373 K.Vid 6917 s är starttemperaturen för GTF 373 K, vätekoncentrationen i reaktorn är 90%.Detta kan förklaras av förbättrad konvektiv värmeöverföring mellan MG-skiktet och HCS.Lägre HTF-temperaturer ökar värmeavledningen och resulterar i ökat väteupptag.Bland alla driftsparametrar var förbättring av prestanda hos MH-SCHE-reaktorn genom att öka HTF-inloppstemperaturen den mest lämpliga metoden, eftersom sluttiden för absorptionsprocessen var mindre än 7000 s, medan den kortaste absorptionstiden för andra metoder var mer än 10 000 s.Vätekoncentrationskonturer presenteras för olika initiala temperaturer för GTP under 7000 s.
Denna studie presenterar för första gången en ny halvcylindrisk batterivärmeväxlare integrerad i en metallhydridlagringsenhet.Det föreslagna systemets förmåga att absorbera väte undersöktes med olika konfigurationer av värmeväxlaren.Driftsparametrarnas inverkan på värmeväxlingen mellan metallhydridskiktet och kylvätskan undersöktes för att hitta de optimala förutsättningarna för att lagra metallhydrider med en ny värmeväxlare.De viktigaste resultaten av denna studie sammanfattas enligt följande:
Med en halvcylindrisk spiralvärmeväxlare förbättras värmeöverföringsprestandan eftersom den har en mer enhetlig värmefördelning i magnesiumskiktsreaktorn, vilket resulterar i en bättre väteabsorptionshastighet.Förutsatt att volymen på värmeväxlarröret och metallhydriden förblir oförändrad, reduceras absorptionsreaktionstiden avsevärt med 59 % jämfört med en konventionell lindad batterivärmeväxlare.
Posttid: 2023-jan-15