Hatur nuhun pikeun ngadatangan Nature.com.Anjeun nganggo versi browser kalayan dukungan CSS kawates.Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun yén anjeun nganggo browser anu diropéa (atanapi nganonaktipkeun Mode Kasaluyuan dina Internet Explorer).Sajaba ti éta, pikeun mastikeun rojongan lumangsung, urang némbongkeun situs tanpa gaya na JavaScript.
Nampilkeun carousel tilu slide sakaligus.Pake tombol Saméméhna jeung Salajengna pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu, atawa make tombol geseran di ahir pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu.
Hidrida logam (MH) diakuan salaku salah sahiji kelompok bahan anu paling cocog pikeun neundeun hidrogén kusabab kapasitas neundeun hidrogén anu ageung, tekanan operasi anu rendah sareng kaamanan anu luhur.Tapi, kinétika nyerep hidrogén anu leuleus pisan ngirangan kinerja neundeun.Ngaleungitkeun panas anu langkung gancang tina panyimpenan MH tiasa maénkeun peran anu penting dina ningkatkeun laju nyerep hidrogénna, nyababkeun kamampuan neundeun ningkat.Dina hal ieu, panilitian ieu ditujukeun pikeun ningkatkeun karakteristik transfer panas supados pangaruh positip tingkat nyerep hidrogén tina sistem panyimpen MH.The coil semi-cylindrical anyar munggaran dimekarkeun tur dioptimalkeun pikeun neundeun hidrogén sarta diasupkeun salaku hiji exchanger hawa-sakumaha-panas internal (HTF).Dumasar kana ukuran pitch béda, pangaruh konfigurasi exchanger panas anyar dianalisis tur dibandingkeun jeung géométri coil hélik konvensional.Salaku tambahan, parameter operasi neundeun MG sareng GTP diulik sacara numerik pikeun kéngingkeun nilai optimal.Pikeun simulasi numerik, ANSYS Fluent 2020 R2 dianggo.Hasil tina panilitian ieu nunjukkeun yén kinerja tanki panyimpen MH tiasa ningkat sacara signifikan ku ngagunakeun penukar panas coil semi-cylindrical (SCHE).Dibandingkeun sareng penukar panas coil spiral konvensional, durasi nyerep hidrogén diréduksi ku 59%.Jarak pangleutikna antara coils SCHE nyababkeun 61% réduksi dina waktos nyerep.Ngeunaan parameter operasi gudang MG ngagunakeun SHE, sadaya parameter nu dipilih ngakibatkeun pamutahiran signifikan dina prosés nyerep hidrogén, utamana suhu dina inlet ka HTS.
Aya transisi global tina énergi dumasar kana bahan bakar fosil ka énergi anu tiasa dianyari.Kusabab loba bentuk énergi renewable nyadiakeun kakuatan dina ragam dinamis, neundeun énergi diperlukeun pikeun nyaimbangkeun beban.Panyimpenan énergi anu didasarkeun hidrogén parantos narik perhatian pikeun tujuan ieu, khususna sabab hidrogén tiasa dianggo salaku bahan bakar alternatif "héjo" sareng pamawa énergi kusabab sipat sareng portabilitasna.Sajaba ti éta, hidrogén ogé nawarkeun kandungan énergi nu leuwih luhur per unit massa dibandingkeun suluh fosil2.Aya opat jinis utama panyimpen énergi hidrogén: panyimpen gas dikomprés, panyimpen jero taneuh, panyimpen cair, sareng panyimpen padet.Hidrogen dikomprés mangrupikeun jinis utama anu dianggo dina kendaraan sél suluh sapertos beus sareng forklift.Tapi, gudang ieu nyadiakeun dénsitas bulk low hidrogén (kira-kira 0,089 kg/m3) jeung boga masalah kaamanan pakait sareng tekanan operasi tinggi3.Dumasar kana prosés konvérsi dina suhu sareng tekanan ambient anu handap, panyimpen cairan bakal nyimpen hidrogén dina bentuk cair.Sanajan kitu, lamun liquefied, ngeunaan 40% énergi leungit.Sajaba ti éta, téhnologi ieu dipikawanoh leuwih énergi jeung tanaga gawé intensif dibandingkeun téhnologi gudang solid state4.Panyimpenan padet mangrupikeun pilihan anu lumayan pikeun ékonomi hidrogén, anu nyimpen hidrogén ku cara ngalebetkeun hidrogén kana bahan padet ngalangkungan nyerep sareng ngaleupaskeun hidrogén ngalangkungan desorption.Metal hydride (MH), téhnologi panyimpen bahan padet, dipikaresep panganyarna dina aplikasi sél suluh alatan kapasitas hidrogén tinggi na, tekanan operasi low, sarta béaya rendah dibandingkeun gudang cair, sarta cocog pikeun aplikasi cicing jeung mobile6,7 Dina. Sajaba ti éta, bahan MH ogé nyadiakeun sipat kaamanan kayaning gudang efisien kapasitas badag8.Tapi, aya masalah anu ngabatesan produktivitas MG: konduktivitas termal reaktor MG anu rendah nyababkeun nyerep sareng nyerep hidrogén anu laun.
mindahkeun panas ditangtoskeun salila réaksi exothermic na endothermic mangrupakeun konci pikeun ngaronjatkeun kinerja réaktor MH.Pikeun prosés ngamuat hidrogén, panas anu dibangkitkeun kedah dipiceun tina réaktor pikeun ngontrol aliran beban hidrogén dina laju anu dipikahoyong kalayan kapasitas neundeun maksimal.Gantina, panas diperlukeun pikeun ngaronjatkeun laju évolusi hidrogén salila ngurangan.Dina raraga ngaronjatkeun panas sarta kinerja mindahkeun massa, loba peneliti geus diajar rarancang jeung optimasi dumasar kana sababaraha faktor kayaning parameter operasi, struktur MG, sarta optimasi MG11.Optimasi MG tiasa dilakukeun ku cara nambihan bahan konduktivitas termal anu luhur sapertos logam busa ka lapisan MG 12,13.Ku kituna, konduktivitas termal éféktif bisa ngaronjat tina 0,1 nepi ka 2 W / mK10.Sanajan kitu, tambahan bahan padet nyata ngurangan kakuatan reaktor Bungbulang.Ngeunaan parameter operasi, perbaikan bisa dihontal ku optimizing kaayaan operasi awal tina lapisan MG na coolant (HTF).Struktur MG bisa dioptimalkeun alatan géométri reaktor jeung desain exchanger panas.Ngeunaan konfigurasi tina exchanger panas reaktor MH, métode bisa dibagi jadi dua jenis.Ieu exchangers panas internal diwangun kana lapisan MO na exchanger panas éksternal ngawengku lapisan MO kayaning fins, cooling jaket jeung cai mandi.Kalawan hal ka exchanger panas éksternal, Kaplan16 dianalisis operasi reaktor MH, ngagunakeun cai cooling salaku jaket pikeun ngurangan hawa di jero reaktor.Hasilna dibandingkeun sareng réaktor sirip 22 buleud sareng réaktor sanés anu didinginkeun ku konvéksi alami.Aranjeunna nyatakeun yén ayana jaket cooling sacara signifikan ngirangan suhu MH, ku kituna ningkatkeun tingkat nyerep.Ulikan numeris tina reaktor MH jacketed cai ku Patil na Gopal17 geus ditémbongkeun yén tekanan suplai hidrogén jeung hawa HTF mangrupakeun parameter konci influencing laju uptake hidrogén jeung desorption.
Ngaronjatkeun aréa mindahkeun panas ku nambahkeun fins na exchangers panas diwangun kana MH mangrupakeun konci pikeun ngaronjatkeun panas sarta kinerja mindahkeun massa sarta ku kituna kinerja gudang MH18.Sababaraha konfigurasi exchanger panas internal (tube lempeng tur spiral coil) geus dirancang pikeun medar coolant dina reaktor MH19,20,21,22,23,24,25,26.Ngagunakeun hiji exchanger panas internal, cooling atawa panas cair bakal mindahkeun panas lokal di jero reaktor MH salila prosés adsorption hidrogén.Raju jeung Kumar [27] dipaké sababaraha tabung lempeng salaku exchanger panas pikeun ngaronjatkeun kinerja MG.Hasilna nunjukkeun yén waktos nyerep ngirangan nalika tabung lempeng dianggo salaku penukar panas.Sajaba ti éta, pamakéan tabung lempeng shortens waktu desorption hidrogén28.Laju aliran coolant nu leuwih luhur ngaronjatkeun laju ngecas hidrogén jeung discharging29.Tapi, ngaronjatna jumlah tabung cooling boga pangaruh positif kana kinerja MH tinimbang laju aliran coolant30,31.Raju dkk.32 ngagunakeun LaMi4.7Al0.3 salaku bahan MH pikeun ngulik kinerja penukar panas multitube dina réaktor.Aranjeunna ngalaporkeun yén parameter operasi miboga éfék signifikan dina prosés nyerep, utamana tekanan feed lajeng laju aliran HTF nu.Tapi, suhu nyerep tétéla kurang kritis.
Kinerja reaktor MH ieu satuluyna ningkat ku pamakéan hiji spiral coil exchanger panas alatan mindahkeun panas na ningkat dibandingkeun tabung lempeng.Ieu kusabab daur sekundér tiasa langkung saé ngaleungitkeun panas tina réaktor25.Sajaba ti éta, tabung spiral nyadiakeun aréa permukaan badag pikeun mindahkeun panas tina lapisan MH kana coolant nu.Nalika metoda ieu diwanohkeun ka jero reaktor, sebaran tabung bursa panas ogé leuwih seragam33.Wang et al.34 ngulik pangaruh durasi nyerep hidrogén ku cara nambahkeun coil hélik ka réaktor MH.Hasilna nunjukkeun yén salaku koefisien transfer panas tina coolant naek, waktos nyerep turun.Wu et al.25 nalungtik kinerja Mg2Ni dumasar MH réaktor jeung coiled coil exchanger panas.Ulikan numeris maranéhanana geus ditémbongkeun réduksi dina waktu réaksi.Perbaikan mékanisme mindahkeun panas dina reaktor Bungbulang dumasar kana nisbah leutik screw pitch mun screw pitch sarta pitch screw dimensionless.Hiji studi eksperimen ku Mellouli et al.21 ngagunakeun coil coiled salaku exchanger panas internal némbongkeun yén HTF mimiti hawa boga pangaruh signifikan dina ngaronjatkeun uptake hidrogén jeung waktu desorption.Kombinasi exchanger panas internal béda geus dilumangsungkeun dina sababaraha studi.Eisapur et al.35 diulik gudang hidrogén maké exchanger panas coil spiral jeung tube balik sentral pikeun ngaronjatkeun prosés nyerep hidrogén.Hasilna nunjukkeun yén tabung spiral sareng tabung balik sentral sacara signifikan ningkatkeun transfer panas antara coolant sareng MG.The pitch leutik tur diaméterna badag tina tube spiral ngaronjatkeun laju panas sarta mindahkeun massa.Ardahaie et al.36 dipaké tabung spiral datar salaku exchanger panas pikeun ngaronjatkeun mindahkeun panas dina reaktor nu.Aranjeunna ngalaporkeun yén durasi nyerep diréduksi ku ngaronjatna jumlah planes tube spiral flattened.Kombinasi exchanger panas internal béda geus dilumangsungkeun dina sababaraha studi.Dhau et al.37 ningkat kinerja MH ngagunakeun coiled coil exchanger panas jeung fins.Hasilna nunjukkeun yén metodeu ieu ngirangan waktos ngeusian hidrogén ku faktor 2 dibandingkeun sareng kasus tanpa sirip.Sirip annular digabungkeun sareng tabung pendingin sareng diwangun kana reaktor MN.Hasil tina panilitian ieu nunjukkeun yén metode gabungan ieu nyayogikeun transfer panas anu langkung seragam dibandingkeun sareng reaktor MH tanpa sirip.Sanajan kitu, ngagabungkeun exchangers panas béda négatip mangaruhan beurat sarta volume reaktor MH.Wu et al.18 dibandingkeun konfigurasi exchanger panas béda.Ieu kalebet tabung lempeng, sirip sareng gulungan spiral.Nu nulis ngalaporkeun yén coils spiral nyadiakeun perbaikan pangalusna dina panas sarta mindahkeun massa.Sajaba ti éta, dibandingkeun jeung tabung lempeng, tabung coiled, sarta tabung lempeng digabungkeun jeung tabung coiled, coils ganda boga pangaruh hadé dina ngaronjatkeun mindahkeun panas.Hiji studi ku Sekhar et al.40 némbongkeun yén pamutahiran sarupa dina uptake hidrogén kahontal ngagunakeun coil spiral salaku exchanger panas internal sarta jaket cooling éksternal finned.
Tina conto didadarkeun di luhur, pamakéan coils spiral salaku exchanger panas internal nyadiakeun panas hadé tur mindahkeun massa perbaikan ti exchanger panas lianna, utamana tabung lempeng jeung fins.Ku alatan éta, tujuan tina ulikan ieu pikeun ngembangkeun spiral coil pikeun ngaronjatkeun kinerja mindahkeun panas.Pikeun kahiji kalina, a coil semi-cylindrical anyar geus dimekarkeun dumasar kana MH gudang hélik coil konvensional.Ulikan ieu diperkirakeun ngaronjatkeun kinerja gudang hidrogén ku tempo desain exchanger panas anyar kalawan perenah zona mindahkeun panas hadé disadiakeun ku volume konstan ranjang MH jeung tabung HTF.Kinerja neundeun exchanger panas anyar ieu lajeng dibandingkeun jeung exchanger panas coil spiral konvensional dumasar kana pitches coil béda.Numutkeun literatur anu aya, kaayaan operasi sareng jarak coils mangrupikeun faktor utama anu mangaruhan kinerja réaktor MH.Pikeun ngaoptimalkeun desain penukar panas anyar ieu, ditalungtik pangaruh jarak coil dina waktos nyerep hidrogén sareng volume MH.Sajaba ti éta, dina raraga ngartos hubungan antara coils hémi-cylindrical anyar jeung kaayaan operasi, tujuan sekundér tina ulikan ieu pikeun nalungtik karakteristik reaktor nurutkeun rentang parameter operasi béda jeung nangtukeun nilai luyu pikeun tiap operasi. modus.parameter.
Kinerja alat panyimpen énergi hidrogén dina ulikan ieu ditalungtik dumasar kana dua konfigurasi penukar panas (kaasup tabung spiral dina kasus 1 nepi ka 3 jeung tabung semi-silinder dina kasus 4 nepi ka 6) jeung analisis sensitipitas parameter operasi.Operability reaktor MH diuji pikeun kahiji kalina ngagunakeun pipah spiral salaku exchanger panas.Boh pipa minyak coolant sareng wadah reaktor MH didamel tina stainless steel.Ieu kudu dicatet yén diménsi reaktor MG jeung diaméter pipa GTF éta konstan dina sagala hal, bari ukuran hambalan tina GTF variatif.Bagian ieu nganalisis pangaruh ukuran pitch of coils HTF.Jangkungna sareng diaméter luar reaktor masing-masing 110 mm sareng 156 mm.Diaméter pipa minyak-konduktor panas disetel dina 6mm.Tingali Bagéan Suplemén pikeun detil ngeunaan diagram sirkuit réaktor MH kalayan tabung spiral sareng dua tabung semi-silinder.
Dina Gbr.1a nembongkeun MH spiral tube reaktor jeung dimensi na.Sadaya parameter geometri dirumuskeun dina tabél.1. Volume total héliks jeung volume ZG masing-masing kira-kira 100 cm3 jeung 2000 cm3.Tina reaktor MH ieu, hawa dina bentuk HTF diasupkeun kana reaktor MH porous ti handap ngaliwatan pipah spiral, sarta hidrogén diwanohkeun ti beungeut luhur reaktor.
Karakterisasi géométri anu dipilih pikeun réaktor hidrida logam.a) kalayan penukar panas spiral-tubular, b) kalayan penukar panas tubular semi-silinder.
Bagian kadua examines operasi reaktor MH dumasar kana tube semi-cylindrical salaku exchanger panas.Dina Gbr.1b nembongkeun reaktor Bungbulang kalawan dua tabung semi-silinder sarta dimensi na.Méja 1 daptar sadaya parameter geometri tina pipa semi-cylindrical, anu tetep konstan, iwal jarak antara aranjeunna.Ieu kudu dicatet yén tube semi-cylindrical dina Case 4 dirancang kalayan volume konstan tube HTF jeung alloy MH dina tube coiled (pilihan 3).Sedengkeun pikeun Gbr.1b, hawa ogé diwanohkeun ti handap dua tabung HTF semi-silinder, sarta hidrogén diwanohkeun ti arah sabalikna ti reaktor MH.
Kusabab rarancang anyar tina penukar panas, tujuan bagian ieu pikeun nangtukeun nilai awal anu cocog pikeun parameter operasi reaktor MH dina kombinasi sareng SCHE.Dina sagala hal, hawa dipaké salaku coolant pikeun miceun panas tina reaktor.Diantara minyak transfer panas, hawa sareng cai biasana dipilih salaku minyak transfer panas pikeun réaktor MH kusabab béaya rendah sareng dampak lingkungan anu rendah.Alatan rentang suhu operasi luhur alloy basis magnésium, hawa dipilih salaku coolant dina ulikan ieu.Sajaba ti éta, ogé boga ciri aliran hadé ti logam cair sejen tur uyah lebur41.meja 2 daptar sipat hawa dina 573 K. Pikeun analisis sensitipitas dina bagian ieu, ngan konfigurasi pangalusna tina pilihan kinerja MH-SCHE (dina kasus 4 ngaliwatan 6) dilarapkeun.Perkiraan dina bagian ieu dumasar kana rupa-rupa parameter operasi, kaasup suhu awal reaktor MH, tekanan beban hidrogén, suhu inlet HTF, jeung angka Reynolds diitung ku cara ngarobah laju HTF.meja 3 ngandung sakabéh parameter operasi dipaké pikeun analisis sensitipitas.
Bagian ieu ngajelaskeun sadaya persamaan kontrol anu dipikabutuh pikeun prosés nyerep hidrogén, turbulensi sareng transfer panas coolant.
Pikeun nyederhanakeun solusi réaksi nyerep hidrogén, asumsi-asumsi di handap ieu dilakukeun sareng disayogikeun;
Salila nyerep, sipat thermophysical hidrogén jeung logam hidrida konstan.
Hidrogen dianggap gas idéal, ku kituna kaayaan kasatimbangan termal lokal43,44 dipertimbangkeun.
dimana \({L}_{gas}\) nyaéta radius tank, sareng \({L}_{panas}\) nyaéta jangkungna axial tank.Nalika N kirang ti 0,0146, aliran hidrogén dina tank bisa dipaliré dina simulasi tanpa kasalahan signifikan.Numutkeun kana panilitian ayeuna, N langkung handap tina 0,1.Ku alatan éta, pangaruh gradién tekanan bisa diabaikan.
Tembok reaktor ieu ogé insulated dina sagala hal.Ku alatan éta, euweuh bursa panas 47 antara reaktor jeung lingkungan.
Hal ieu ogé dipikawanoh yen alloy basis Mg boga ciri hidrogénasi alus sarta kapasitas gudang hidrogén tinggi nepi ka 7,6 wt%8.Dina hal aplikasi neundeun hidrogén kaayaan padet, alloy ieu ogé katelah bahan hampang.Sajaba ti éta, maranéhna boga lalawanan panas alus teuing jeung processability alus8.Diantara sababaraha alloy basis Mg, alloy MgNi basis Mg2Ni mangrupa salah sahiji pilihan paling merenah pikeun neundeun MH alatan kapasitas gudang hidrogén na nepi ka 6 wt%.alloy Mg2Ni ogé nyadiakeun adsorption na desorption kinétika gancang dibandingkeun alloy MgH48.Ku kituna, Mg2Ni dipilih minangka bahan logam hidrida dina ieu panalungtikan.
Persamaan énergi dinyatakeun salaku 25 dumasar kana kasaimbangan panas antara hidrogén jeung Mg2Ni hidrida:
X nyaéta jumlah hidrogén anu kaserep dina beungeut logam, unitna \(beurat\%\), diitung tina persamaan kinétik \(\frac{dX}{dt}\) salila nyerepan saperti kieu49:
dimana \({C}_{a}\) nyaéta laju réaksi jeung \({E}_{a}\) nyaéta énergi aktivasina.\({P}_{a,eq}\) nyaéta tekanan kasatimbangan di jero réaktor hidrida logam salila prosés nyerep, dirumuskeun ku persamaan van't Hoff kieu25:
Dimana \({P}_{ref}\) nyaéta tekanan rujukan 0,1 MPa.\(\Delta H\) jeung \(\Delta S\) nyaéta éntalpi jeung éntropi réaksi, masing-masing.Sipat alloy Mg2Ni jeung hidrogén dibere dina tabel.4. Daptar ngaranna bisa kapanggih dina bagian tambahan.
Aliran fluida dianggap turbulén sabab lajuna jeung angka Reynolds (Re) masing-masing 78,75 ms-1 jeung 14000.Dina ulikan ieu, model k-ε turbulensi anu bisa dihontal dipilih.Perhatikeun yén métode ieu nyadiakeun akurasi leuwih luhur dibandingkeun jeung métode k-ε séjén, sarta ogé merlukeun waktu komputasi kirang ti métode RNG k-ε50,51.Tempo Bagéan Suplemén pikeun detil ngeunaan persamaan dasar pikeun cairan mindahkeun panas.
Mimitina, rezim suhu dina reaktor MN saragam, sareng konsentrasi hidrogén rata-rata 0,043.Hal ieu dianggap yén wates luar reaktor MH ieu ogé insulated.alloy basis magnésium ilaharna merlukeun suhu operasi réaksi tinggi pikeun nyimpen jeung ngaleupaskeun hidrogén dina reaktor.The alloy Mg2Ni merlukeun rentang hawa 523-603 K pikeun nyerep maksimum sarta rentang hawa 573-603 K pikeun desorption lengkep52.Sanajan kitu, studi eksperimen ku Muthukumar et al.53 némbongkeun yén kapasitas gudang maksimum Mg2Ni pikeun neundeun hidrogén bisa dihontal dina suhu operasi 573 K, nu pakait jeung kapasitas teoritis na.Ku kituna, suhu 573 K dipilih salaku suhu awal reaktor MN dina ulikan ieu.
Jieun ukuran grid béda pikeun validasi jeung hasil dipercaya.Dina Gbr.2 nunjukkeun suhu rata-rata di lokasi anu dipilih dina prosés nyerep hidrogén tina opat unsur anu béda.Eta sia noting yén ngan hiji kasus unggal konfigurasi dipilih pikeun nguji kamerdikaan grid alatan géométri sarupa.Metodeu meshing anu sami diterapkeun dina kasus anu sanés.Ku alatan éta, pilih pilihan 1 pikeun pipa spiral jeung pilihan 4 pikeun pipa semi-cylindrical.Dina Gbr.2a, b nunjukkeun suhu rata-rata dina reaktor pikeun pilihan 1 sareng 4 masing-masing.Tilu lokasi anu dipilih ngagambarkeun kontur suhu ranjang di luhur, tengah, sareng handap reaktor.Dumasar kana kontur suhu di lokasi anu dipilih, suhu rata-rata janten stabil sareng nunjukkeun sakedik parobahan dina nomer unsur 428,891 sareng 430,599 masing-masing pikeun kasus 1 sareng 4.Ku alatan éta, ukuran grid ieu dipilih pikeun itungan komputasi salajengna.Inpormasi lengkep ngeunaan rata-rata suhu ranjang pikeun prosés nyerep hidrogén pikeun sababaraha ukuran sél sareng bolong anu disampurnakeun pikeun kadua kasus dirumuskeun dina bagian tambahan.
Suhu rata-rata dina titik-titik anu dipilih dina prosés nyerep hidrogén dina réaktor hidrida logam kalayan nomer grid anu béda.(a) Suhu rata-rata di lokasi anu dipilih pikeun kasus 1 sareng (b) Suhu rata-rata di lokasi anu dipilih pikeun kasus 4.
Reaktor logam hidrida basis Mg dina ulikan ieu diuji dumasar kana hasil ékspérimén Muthukumar dkk.53.Dina ulikan maranéhanana, aranjeunna ngagunakeun alloy Mg2Ni pikeun nyimpen hidrogén dina tabung stainless steel.Sirip tambaga dianggo pikeun ningkatkeun transfer panas di jero reaktor.Dina Gbr.3a nembongkeun babandingan suhu rata-rata ranjang prosés nyerep antara ulikan eksperimen jeung ulikan ieu.Kaayaan operasi anu dipilih pikeun percobaan ieu nyaéta: Suhu awal MG 573 K sareng tekanan inlet 2 MPa.Ti Gbr.3a tiasa ditingalikeun sacara jelas yén hasil ékspérimén ieu saluyu sareng anu ayeuna ngeunaan suhu lapisan rata-rata.
Verifikasi modél.(a) Verifikasi kode reaktor hidrida logam Mg2Ni ku ngabandingkeun ulikan ayeuna jeung karya ékspérimén Muthukumar et al.52, sarta (b) verifikasi model aliran turbulén spiral tube ku ngabandingkeun ulikan ayeuna jeung nu Kumar et al. .Panalungtikan.54.
Pikeun nguji modél turbulensi, hasil ulikan ieu dibandingkeun jeung hasil ékspérimén Kumar et al.54 pikeun mastikeun correctness model turbulensi dipilih.Kumar dkk.54 ngulik aliran ngagalura dina tube-in-pipe spiral exchanger panas.Cai dipaké salaku cairan panas jeung tiis nyuntik ti sisi sabalikna.Suhu cair panas sareng tiis masing-masing 323 K sareng 300 K.Angka Reynolds dibasajankeun 3100 dugi ka 5700 pikeun cairan panas sareng ti 21,000 dugi ka 35,000 pikeun cairan tiis.Nomer Dean nyaéta 550-1000 pikeun cairan panas sareng 3600-6000 pikeun cairan tiis.Diaméter pipa jero (pikeun cairan panas) jeung pipa luar (pikeun cair tiis) masing-masing 0,0254 m jeung 0,0508 m.Diaméter sareng pitch tina coil hélik nyaéta 0,762 m sareng 0,100 m, masing-masing.Dina Gbr.3b nembongkeun ngabandingkeun hasil ékspérimén jeung ayeuna keur rupa pasangan angka Nusselt na Dean pikeun coolant dina tube jero.Tilu model karusuhan anu béda dilaksanakeun sareng dibandingkeun sareng hasil ékspérimén.Ditémbongkeun saperti dina Gbr.3b, hasil tina model turbulensi k-ε nu bisa dihontal aya satuju alus jeung data eksperimen.Ku kituna, modél ieu dipilih dina ieu panalungtikan.
Simulasi numeris dina ulikan ieu dilakukeun ngagunakeun ANSYS Fluent 2020 R2.Tulis Fungsi anu Ditetepkeun Pamaké (UDF) sareng dianggo salaku istilah input tina persamaan énergi pikeun ngitung kinétika prosés nyerep.Sirkuit PRESTO55 sareng metode PISO56 dianggo pikeun komunikasi laju-tekanan sareng koreksi tekanan.Pilih dasar sél Greene-Gauss pikeun gradién variabel.Persamaan moméntum sareng énergi direngsekeun ku metode upwind orde kadua.Sedengkeun pikeun koefisien kaayaan rélaxasi, tekanan, laju, sareng komponén énergi disetel ka 0,5, 0,7, sareng 0,7, masing-masing.Fungsi témbok standar diterapkeun kana HTF dina modél turbulensi.
Bagian ieu nampilkeun hasil simulasi numerik ningkat transfer panas internal tina hiji reaktor MH ngagunakeun coiled coil exchanger panas (HCHE) jeung hélik coil exchanger panas (SCHE) salila nyerep hidrogén.Pangaruh pitch HTF dina suhu ranjang reaktor sareng durasi nyerep dianalisis.Parameter operasi utama prosés nyerep ditalungtik sareng dibere dina bagian analisis sensitipitas.
Pikeun nalungtik pangaruh jarak coil dina mindahkeun panas dina reaktor MH, tilu konfigurasi exchanger panas kalawan pitches béda ieu ditalungtik.Tilu pitches béda 15mm, 12.86mm jeung 10mm anu ditunjuk awak 1, awak 2 jeung awak 3 mungguh.Ieu kudu dicatet yén diaméter pipe ieu dibereskeun dina 6 mm dina suhu awal 573 K sarta tekanan loading 1,8 MPa dina sakabeh kasus.Dina Gbr.4 nembongkeun rata suhu bed jeung konsentrasi hidrogén dina lapisan MH salila prosés nyerep hidrogén dina kasus 1 nepi ka 3. Ilaharna, réaksi antara hidrida logam jeung hidrogén nyaéta exothermic kana prosés nyerep.Ku alatan éta, suhu ranjang naék gancang alatan momen awal nalika hidrogén mimiti diwanohkeun kana reaktor.Suhu ranjang naek nepi ka ngahontal nilai maksimum lajeng laun ngurangan sakumaha panas dibawa kabur ku coolant, nu boga hawa leuwih handap sarta meta salaku coolant a.Ditémbongkeun saperti dina Gbr.4a, alatan katerangan saméméhna, suhu lapisan naek gancang sarta turun terus.Konsentrasi hidrogén pikeun prosés nyerep biasana dumasar kana suhu ranjang réaktor MH.Nalika suhu lapisan rata-rata turun ka suhu anu tangtu, permukaan logam nyerep hidrogén.Ieu alatan akselerasi prosés physisorption, chemisorption, difusi hidrogén jeung formasi hidrida na dina reaktor.Ti Gbr.4b bisa ditempo yén laju nyerep hidrogén bisi 3 leuwih handap dina kasus séjén alatan nilai hambalan leutik tina exchanger panas coil.Ieu ngakibatkeun panjang pipa sakabéh panjang sarta aréa mindahkeun panas nu leuwih gede pikeun pipa HTF.Kalayan konsentrasi hidrogén rata-rata 90%, waktos nyerep pikeun Kasus 1 nyaéta 46,276 detik.Dibandingkeun sareng durasi nyerep dina kasus 1, durasi nyerep dina kasus 2 sareng 3 dikirangan masing-masing ku 724 s sareng 1263 s.Bagian tambahan nunjukkeun kontur suhu sareng konsentrasi hidrogén pikeun lokasi anu dipilih dina lapisan HCHE-MH.
Pangaruh jarak antara coils dina suhu lapisan rata jeung konsentrasi hidrogén.(a) Suhu rata rata pikeun gulungan hélik, (b) konsentrasi hidrogén pikeun gulungan hélik, (c) suhu rata-rata pikeun gulungan hémi-silinder, jeung (d) konsentrasi hidrogén pikeun gulungan hémi-silinder.
Pikeun ningkatkeun karakteristik transfer panas tina reaktor MG, dua HFCs dirancang pikeun volume konstan MG (2000 cm3) sareng penukar panas spiral (100 cm3) tina Pilihan 3. Bagian ieu ogé nganggap pangaruh jarak antara coils 15 mm pikeun hal 4, 12,86 mm pikeun hal 5 jeung 10 mm pikeun hal 6. Dina Gbr.4c,d nunjukkeun rata-rata suhu ranjang sareng konsentrasi prosés nyerep hidrogén dina suhu awal 573 K sareng tekanan beban 1,8 MPa.Numutkeun suhu lapisan rata dina Gambar 4c, jarak leutik antara coils bisi 6 ngurangan hawa nyata dibandingkeun dua kasus séjén.Pikeun kasus 6, suhu ranjang handap ngahasilkeun konsentrasi hidrogén luhur (tingali Gbr. 4d).Waktu nyerep hidrogén pikeun Varian 4 nyaéta 19542 s, nu leuwih ti 2 kali leuwih handap pikeun Varian 1-3 maké HCH.Salaku tambahan, dibandingkeun sareng kasus 4, waktos nyerep ogé dikirangan ku 378 s sareng 1515 s dina kasus 5 sareng 6 kalayan jarak anu langkung handap.Bagian tambahan nunjukkeun kontur suhu sareng konsentrasi hidrogén pikeun lokasi anu dipilih dina lapisan SCHE-MH.
Pikeun diajar kinerja dua konfigurasi exchanger panas, bagian ieu plot na presents kurva hawa dina tilu lokasi dipilih.Reaktor MH kalawan HCHE ti kasus 3 dipilih pikeun ngabandingkeun jeung reaktor MH ngandung SCHE dina kasus 4 sabab mibanda volume MH konstanta sarta volume pipa.Kaayaan operasi pikeun babandingan ieu nyaéta suhu awal 573 K sareng tekanan beban 1,8 MPa.Dina Gbr.5a sareng 5b nunjukkeun sadaya tilu posisi anu dipilih tina profil suhu dina kasus 3 sareng 4, masing-masing.Dina Gbr.5c nembongkeun profil suhu sarta konsentrasi lapisan sanggeus 20.000 s uptake hidrogén.Numutkeun garis 1 dina Gbr. 5c, suhu sabudeureun TTF ti pilihan 3 jeung 4 nurun alatan mindahkeun panas convective of coolant nu.Ieu ngakibatkeun konsentrasi hidrogén nu leuwih luhur di sabudeureun wewengkon ieu.Sanajan kitu, pamakéan dua SCHEs ngakibatkeun konsentrasi lapisan luhur.réspon kinétik gancang kapanggih di sabudeureun wewengkon HTF bisi 4. Sajaba ti éta, konsentrasi maksimum 100% ogé kapanggih di wewengkon ieu.Ti jalur 2 anu aya di tengah reaktor, suhu kasus 4 nyata langkung handap tina suhu kasus 3 di sadaya tempat kecuali pusat reaktor.Ieu ngakibatkeun konsentrasi hidrogén maksimum pikeun kasus 4 iwal ti wewengkon deukeut puseur reaktor jauh ti HTF.Sanajan kitu, konsentrasi kasus 3 teu robah teuing.A bédana badag dina suhu sarta konsentrasi lapisan ieu dititénan dina garis 3 deukeut lawang ka GTS.Suhu lapisan bisi 4 turun sacara signifikan, hasilna konsentrasi hidrogén pangluhurna di wewengkon ieu, sedengkeun garis konsentrasi bisi 3 masih fluctuating.Ieu alatan akselerasi mindahkeun panas SCHE.Rincian sareng diskusi ngeunaan ngabandingkeun suhu rata-rata lapisan MH sareng pipa HTF antara kasus 3 sareng kasus 4 disayogikeun dina bagian tambahan.
Profil suhu sareng konsentrasi ranjang di lokasi anu dipilih dina reaktor hidrida logam.(a) Lokasi anu dipilih pikeun kasus 3, (b) Lokasi anu dipilih pikeun kasus 4, sareng (c) Profil suhu sareng konsentrasi lapisan di lokasi anu dipilih saatos 20.000 detik pikeun prosés nyerep hidrogen dina kasus 3 sareng 4.
Dina Gbr.angka 6 nembongkeun babandingan suhu ranjang rata (tingali Gbr. 6a) jeung konsentrasi hidrogén (tingali Gbr. 6b) pikeun nyerep HCH sarta SHE.Ti inohong ieu bisa ditempo yén suhu lapisan MG turun nyata alatan kanaékan wewengkon bursa panas.Nyoplokkeun leuwih panas ti reaktor ngahasilkeun laju uptake hidrogén nu leuwih luhur.Sanaos dua konfigurasi penukar panas gaduh volume anu sami dibandingkeun sareng nganggo HCHE salaku Pilihan 3, waktos nyerep hidrogen SCHE dumasar kana Pilihan 4 dikirangan sacara signifikan ku 59%.Pikeun analisis nu leuwih lengkep, konsentrasi hidrogén pikeun dua konfigurasi exchanger panas ditémbongkeun salaku isolines dina Gambar 7. Angka ieu nunjukeun yen dina duanana kasus, hidrogén mimiti diserep ti handap sabudeureun inlet HTF.Konsentrasi anu langkung luhur dipendakan di daérah HTF, sedengkeun konsentrasi anu langkung handap dititénan di tengah réaktor MH kusabab jarakna tina penukar panas.Saatos 10.000 detik, konsentrasi hidrogén dina kasus 4 nyata leuwih luhur ti dina kasus 3. Sanggeus 20.000 detik, rata-rata konsentrasi hidrogén dina reaktor geus naek ka 90% dina kasus 4 dibandingkeun jeung 50% hidrogén dina kasus 3. Ieu bisa jadi alatan ka kapasitas cooling éféktif luhur ngagabungkeun dua SCHEs, hasilna hawa handap dina lapisan MH.Akibatna, tekanan leuwih kasatimbangan ragrag di jero lapisan MG, nu ngakibatkeun nyerep leuwih gancang hidrogén.
Kasus 3 sareng Kasus 4 Perbandingan rata-rata suhu ranjang sareng konsentrasi hidrogén antara dua konfigurasi penukar panas.
Perbandingan konsentrasi hidrogén saatos 500, 2000, 5000, 10000 sareng 20000 detik saatos ngamimitian prosés nyerep hidrogén dina kasus 3 sareng kasus 4.
Tabél 5 nyimpulkeun durasi nyerep hidrogén pikeun sadaya kasus.Sajaba ti éta, tabél ogé nembongkeun waktu nyerep hidrogén, dinyatakeun dina persentase.Persentase ieu diitung dumasar kana waktu nyerep Kasus 1. Tina tabél ieu, waktu nyerep reaktor MH maké HCHE kira-kira 45.000 nepi ka 46.000 detik, jeung waktu nyerep kaasup SCHE kira-kira 18.000 nepi ka 19.000 detik.Dibandingkeun sareng Kasus 1, waktos nyerep dina Kasus 2 sareng Kasus 3 dikirangan ngan ukur 1,6% sareng 2,7%.Nalika nganggo SCHE tinimbang HCHE, waktos nyerep sacara signifikan ngirangan tina kasus 4 dugi ka kasus 6, tina 58% dugi ka 61%.Ieu jelas yén tambahan SCHE kana reaktor MH greatly ngaronjatkeun prosés nyerep hidrogén jeung kinerja reaktor MH.Sanajan pamasangan exchanger panas di jero reaktor MH ngurangan kapasitas gudang, téhnologi ieu nyadiakeun pamutahiran signifikan dina mindahkeun panas dibandingkeun téhnologi séjén.Ogé, turunna nilai pitch bakal ningkatkeun volume SCHE, hasilna panurunan dina volume MH.Dina kasus 6 kalayan volume SCHE pangluhurna, kapasitas volumetrik MH ngan diréduksi ku 5% dibandingkeun sareng kasus 1 kalayan volume HCHE panghandapna.Salaku tambahan, nalika nyerep, kasus 6 nunjukkeun prestasi anu langkung gancang sareng langkung saé kalayan pangurangan 61% dina waktos nyerep.Ku kituna kasus 6 dipilih pikeun panalungtikan satuluyna dina analisis sensitipitas.Ieu kudu dicatet yén waktu uptake hidrogén lila pakait sareng tank gudang ngandung volume MH ngeunaan 2000 cm3.
Parameter operasi salila réaksi mangrupa faktor penting anu positif atawa négatip mangaruhan kinerja reaktor MH dina kaayaan nyata.Ulikan ieu mertimbangkeun analisis sensitipitas pikeun nangtukeun parameter operasi awal luyu pikeun reaktor MH dina kombinasi kalayan SCHE, sarta bagian ieu nalungtik opat parameter operasi utama dumasar kana konfigurasi reaktor optimal bisi 6. Hasil pikeun sakabéh kaayaan operasi ditémbongkeun dina. Gbr. 8.
Grafik konsentrasi hidrogén dina sababaraha kaayaan operasi nalika nganggo penukar panas kalayan coil semi-silinder.(a) tekanan beban, (b) suhu ranjang awal, (c) angka Reynolds coolant, jeung (d) hawa inlet coolant.
Dumasar kana suhu awal konstan 573 K sarta laju aliran coolant kalawan angka Reynolds 14.000, opat tekanan loading béda dipilih: 1.2 MPa, 1.8 MPa, 2.4 MPa, sarta 3.0 MPa.Dina Gbr.8a nembongkeun pangaruh tekanan loading na SCHE on konsentrasi hidrogén kana waktu.Waktu nyerep ngurangan kalawan ngaronjatna tekanan loading.Pamakéan tekanan hidrogén anu diterapkeun 1,2 MPa mangrupikeun kasus anu paling parah pikeun prosés nyerep hidrogén, sareng durasi nyerep langkung ti 26,000 detik pikeun ngahontal 90% nyerep hidrogen.Tapi, tekanan ngamuat anu langkung luhur nyababkeun panurunan 32-42% dina waktos nyerep tina 1.8 dugi ka 3.0 MPa.Ieu alatan tekanan awal hidrogén nu leuwih luhur, nu ngakibatkeun béda gedé antara tekanan kasatimbangan jeung tekanan dilarapkeun.Ku alatan éta, ieu nyiptakeun kakuatan panggerak badag pikeun kinétika uptake hidrogén.Dina momen awal, gas hidrogén gancang kaserep alatan béda badag antara tekanan kasatimbangan jeung tekanan dilarapkeun57.Dina tekanan beban 3,0 MPa, 18% hidrogén gancang akumulasi salila 10 detik munggaran.Hidrogen disimpen dina 90% réaktor dina tahap ahir salila 15460 detik.Sanajan kitu, dina tekanan loading 1,2 nepi ka 1,8 MPa, waktu nyerep ieu nyata ngurangan ku 32%.Tekanan anu langkung luhur sanés gaduh pangaruh anu langkung saé pikeun ningkatkeun waktos nyerep.Ku alatan éta, dianjurkeun yén tekanan loading reaktor MH-SCHE jadi 1,8 MPa.Bagian tambahan nunjukkeun kontur konsentrasi hidrogén pikeun rupa-rupa tekanan beban dina 15500 s.
Pilihan suhu awal reaktor MH anu cocog mangrupikeun salah sahiji faktor utama anu mangaruhan prosés adsorpsi hidrogén, sabab mangaruhan gaya nyetir réaksi formasi hidrida.Pikeun ngulik pangaruh SCHE dina suhu awal reaktor MH, opat suhu anu béda dipilih dina tekanan beban konstan 1,8 MPa sareng nomer Reynolds 14.000 HTF.Dina Gbr.Gambar 8b nembongkeun babandingan rupa-rupa suhu mimiti, kaasup 473K, 523K, 573K, jeung 623K.Kanyataanna, nalika hawa leuwih luhur ti 230 ° C atanapi 503K58, alloy Mg2Ni boga ciri mujarab pikeun prosés nyerep hidrogén.Tapi, dina momen awal suntikan hidrogén, suhu naék gancang.Akibatna, suhu lapisan MG bakal ngaleuwihan 523 K. Ku alatan éta, kabentukna hidrida difasilitasi alatan ngaronjatna laju nyerep53.Ti Gbr.Katingali tina Gbr. 8b yén hidrogén kaserep langkung gancang nalika suhu awal lapisan MB turun.Tekanan kasatimbangan handap lumangsung nalika suhu awal handap.Beuki gedé bédana tekanan antara tekanan kasatimbangan jeung tekanan anu diterapkeun, prosés nyerep hidrogén leuwih gancang.Dina suhu awal 473 K, hidrogén gancang kaserep nepi ka 27% salila 18 detik munggaran.Sajaba ti éta, waktu nyerep ogé diréduksi tina 11% jadi 24% dina suhu awal nu leuwih handap dibandingkeun jeung suhu awal 623 K. Waktu nyerep dina suhu awal panghandapna 473 K nyaéta 15247 s, nu sarua jeung pangalusna. tekanan loading case, kumaha oge, panurunan dina suhu reaktor suhu awal ngabalukarkeun panurunan dina kapasitas neundeun hidrogén.Suhu awal reaktor MN kedah sahenteuna 503 K53.Sajaba ti éta, dina suhu awal 573 K53, kapasitas gudang hidrogén maksimum 3,6 wt% bisa dihontal.Dina watesan kapasitas neundeun hidrogén jeung lilana nyerep, hawa antara 523 jeung 573 K shorten waktu ku ukur 6%.Ku alatan éta, suhu 573 K diajukeun salaku suhu awal reaktor MH-SCHE.Sanajan kitu, pangaruh suhu awal dina prosés nyerep kirang signifikan dibandingkeun tekanan loading.Bagian tambahan nunjukkeun kontur konsentrasi hidrogén pikeun sagala rupa suhu awal dina 15500 s.
Laju aliran mangrupa salah sahiji parameter utama hidrogénasi jeung dehidrogénasi sabab bisa mangaruhan turbulensi jeung panyabutan panas atawa input salila hidrogénasi jeung dehidrogénasi59.Laju aliran anu luhur bakal nyiptakeun fase ngagalura sareng nyababkeun aliran cairan anu langkung gancang ngaliwatan pipah HTF.Réaksi ieu bakal nyababkeun transfer panas langkung gancang.Laju asupna béda pikeun HTF diitung dumasar kana angka Reynolds 10.000, 14.000, 18.000, jeung 22.000.Suhu awal lapisan MG dibenerkeun dina 573 K sareng tekanan beban dina 1,8 MPa.Hasilna dina Gbr.8c nunjukkeun yén ngagunakeun angka Reynolds anu langkung luhur dina kombinasi sareng SCHE nyababkeun tingkat nyerep anu langkung luhur.Nalika jumlah Reynolds naék tina 10,000 dugi ka 22,000, waktos nyerepna ngirangan sakitar 28-50%.Waktu nyerep dina angka Reynolds 22.000 nyaéta 12.505 detik, nu leuwih leutik batan dina rupa-rupa suhu jeung tekanan muatan awal.Kontur konsentrasi hidrogén pikeun rupa-rupa angka Reynolds pikeun GTP dina 12500 s dibere dina bagian tambahan.
Pangaruh SCHE dina suhu awal HTF dianalisis tur ditémbongkeun dina Gbr. 8d.Dina suhu MG awal 573 K sareng tekanan beban hidrogén 1,8 MPa, opat suhu awal dipilih pikeun analisa ieu: 373 K, 473 K, 523 K, sareng 573 K. 8d nunjukkeun yén panurunan dina suhu coolant. di inlet ngabalukarkeun ngurangan waktu nyerep.Dibandingkeun jeung base case kalawan suhu inlet 573 K, waktu nyerep diréduksi ku kurang leuwih 20%, 44% jeung 56% pikeun hawa inlet masing-masing 523 K, 473 K jeung 373 K.Dina 6917 s, suhu awal GTF nyaéta 373 K, konsentrasi hidrogén dina réaktor nyaéta 90%.Ieu bisa dipedar ku mindahkeun panas convective ditingkatkeun antara lapisan MG jeung HCS.Suhu HTF nu handap bakal ningkatkeun dissipation panas sarta ngahasilkeun ngaronjat uptake hidrogén.Diantara sadaya parameter operasi, ningkatkeun kinerja reaktor MH-SCHE ku cara ningkatkeun suhu inlet HTF mangrupikeun metode anu paling cocog, sabab waktos ahir prosés nyerep kirang ti 7000 detik, sedengkeun waktos nyerep paling pondok tina metodeu sanésna langkung seueur. ti 10000 s.Kontur konsentrasi hidrogén dibere pikeun sagala rupa suhu awal GTP pikeun 7000 s.
Ulikan ieu nampilkeun pikeun kahiji kalina hiji exchanger panas coil semi-cylindrical anyar terpadu kana Unit gudang logam hidrida.Kamampuhan sistem anu diusulkeun pikeun nyerep hidrogén ditalungtik ku rupa-rupa konfigurasi penukar panas.Pangaruh parameter operasi dina bursa panas antara lapisan hidrida logam jeung coolant ieu ditalungtik dina urutan pikeun manggihan kaayaan optimal pikeun nyimpen hidrida logam maké exchanger panas anyar.Papanggihan utama dina ieu panalungtikan diringkeskeun kieu:
Kalayan penukar panas coil semi-cylindrical, kinerja transfer panas ningkat kusabab distribusi panas anu langkung seragam dina reaktor lapisan magnésium, hasilna laju nyerep hidrogén anu langkung saé.Disadiakeun yén volume pipah bursa panas sarta hidrida logam tetep unchanged, waktos réaksi nyerep nyata ngurangan ku 59% dibandingkeun ka exchanger panas coiled coil konvensional.
waktos pos: Jan-15-2023