Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositivas á vez.Use os botóns Anterior e Seguinte para moverse por tres diapositivas á vez, ou use os botóns deslizantes ao final para moverse por tres diapositivas á vez.
Os hidruros metálicos (MH) son recoñecidos como un dos grupos de materiais máis axeitados para o almacenamento de hidróxeno debido á súa gran capacidade de almacenamento de hidróxeno, baixa presión de funcionamento e alta seguridade.Non obstante, a súa lenta cinética de absorción de hidróxeno reduce moito o rendemento de almacenamento.A eliminación máis rápida da calor do almacenamento de MH podería desempeñar un papel importante no aumento da súa taxa de absorción de hidróxeno, o que resultaría nun rendemento de almacenamento mellorado.Neste sentido, este estudo tivo como obxectivo mellorar as características de transferencia de calor para influír positivamente na taxa de absorción de hidróxeno do sistema de almacenamento de MH.O novo serpentín semicilíndrico foi desenvolvido e optimizado por primeira vez para o almacenamento de hidróxeno e incorporouse como intercambiador interno de aire como calor (HTF).En función dos diferentes tamaños de paso, analízase o efecto da nova configuración do intercambiador de calor e compárase coa xeometría convencional da bobina helicoidal.Ademais, estudáronse numericamente os parámetros de funcionamento do almacenamento de MG e GTP para obter valores óptimos.Para a simulación numérica, úsase ANSYS Fluent 2020 R2.Os resultados deste estudo mostran que o rendemento dun tanque de almacenamento MH pode mellorarse significativamente empregando un intercambiador de calor de bobina semicilíndrica (SCHE).En comparación cos intercambiadores de calor de bobina espiral convencionais, a duración da absorción de hidróxeno redúcese nun 59%.A menor distancia entre as bobinas SCHE resultou nunha redución do 61% no tempo de absorción.En canto aos parámetros de funcionamento do almacenamento de MG mediante SHE, todos os parámetros seleccionados levan a unha mellora significativa no proceso de absorción de hidróxeno, especialmente a temperatura na entrada do HTS.
Hai unha transición global da enerxía baseada nos combustibles fósiles ás enerxías renovables.Dado que moitas formas de enerxía renovable proporcionan enerxía dun xeito dinámico, é necesario almacenar enerxía para equilibrar a carga.O almacenamento de enerxía baseado en hidróxeno atraeu moita atención para este fin, especialmente porque o hidróxeno pode usarse como combustible alternativo "verde" e transportador de enerxía debido ás súas propiedades e portabilidade.Ademais, o hidróxeno tamén ofrece un maior contido enerxético por unidade de masa en comparación cos combustibles fósiles2.Existen catro tipos principais de almacenamento de enerxía de hidróxeno: almacenamento de gas comprimido, almacenamento subterráneo, almacenamento de líquidos e almacenamento de sólidos.O hidróxeno comprimido é o principal tipo usado en vehículos de pila de combustible, como autobuses e empilhadeiras.Non obstante, este almacenamento proporciona unha baixa densidade aparente de hidróxeno (aproximadamente 0,089 kg/m3) e ten problemas de seguridade asociados á alta presión de funcionamento3.Baseándose nun proceso de conversión a baixa temperatura e presión ambiente, o almacenamento de líquido almacenará o hidróxeno en forma líquida.Non obstante, cando se licua, pérdese preto do 40% da enerxía.Ademais, sábese que esta tecnoloxía consume máis enerxía e man de obra en comparación coas tecnoloxías de almacenamento en estado sólido4.O almacenamento de sólidos é unha opción viable para unha economía de hidróxeno, que almacena hidróxeno incorporando hidróxeno a materiais sólidos mediante a absorción e liberando hidróxeno mediante a desorción.O hidruro metálico (MH), unha tecnoloxía de almacenamento de material sólido, é de interese recente nas aplicacións de pilas de combustible debido á súa alta capacidade de hidróxeno, baixa presión de funcionamento e baixo custo en comparación co almacenamento de líquidos, e é axeitado para aplicacións estacionarias e móbiles6,7 En Ademais, os materiais MH tamén proporcionan propiedades de seguridade como o almacenamento eficiente de gran capacidade8.Non obstante, hai un problema que limita a produtividade do MG: a baixa condutividade térmica do reactor MG leva a unha absorción e desorción lentas do hidróxeno.
A transferencia de calor adecuada durante as reaccións exotérmicas e endotérmicas é a clave para mellorar o rendemento dos reactores MH.Para o proceso de carga de hidróxeno, a calor xerada debe ser eliminada do reactor para controlar o fluxo de carga de hidróxeno á velocidade desexada coa máxima capacidade de almacenamento.Pola contra, requírese calor para aumentar a taxa de desprendimento de hidróxeno durante a descarga.Co fin de mellorar o rendemento da transferencia de calor e masa, moitos investigadores estudaron o deseño e a optimización baseándose en múltiples factores, como os parámetros de funcionamento, a estrutura de MG e a optimización de MG11.A optimización de MG pódese facer engadindo materiais de alta condutividade térmica, como metais de escuma, ás capas de MG 12,13.Así, a condutividade térmica efectiva pódese aumentar de 0,1 a 2 W/mK10.Non obstante, a adición de materiais sólidos reduce significativamente a potencia do reactor MN.No que respecta aos parámetros de funcionamento, pódense conseguir melloras optimizando as condicións iniciais de funcionamento da capa MG e do refrigerante (HTF).A estrutura do MG pódese optimizar debido á xeometría do reactor e ao deseño do intercambiador de calor.En canto á configuración do intercambiador de calor do reactor MH, os métodos pódense dividir en dous tipos.Estes son intercambiadores de calor internos integrados na capa de MO e intercambiadores de calor externos que cobren a capa de MO, como aletas, camisas de refrixeración e baños de auga.No que respecta ao intercambiador de calor externo, Kaplan16 analizou o funcionamento do reactor MH, utilizando a auga de refrixeración como camisa para reducir a temperatura no interior do reactor.Os resultados comparáronse cun reactor de 22 aletas redondas e outro reactor arrefriado por convección natural.Afirman que a presenza dunha camisa de refrixeración reduce significativamente a temperatura do MH, aumentando así a taxa de absorción.Estudos numéricos do reactor MH con camisa de auga realizados por Patil e Gopal17 demostraron que a presión de subministración de hidróxeno e a temperatura do HTF son parámetros clave que inflúen na taxa de absorción e desorción de hidróxeno.
Aumentar a área de transferencia de calor engadindo aletas e intercambiadores de calor incorporados ao MH é a clave para mellorar o rendemento da transferencia de calor e masa e, polo tanto, o rendemento de almacenamento do MH18.Deseñaron varias configuracións de intercambiadores de calor internos (tubo recto e serpentín espiral) para facer circular o refrixerante no reactor MH19,20,21,22,23,24,25,26.Usando un intercambiador de calor interno, o líquido de arrefriamento ou quentamento transferirá calor local dentro do reactor MH durante o proceso de adsorción de hidróxeno.Raju e Kumar [27] utilizaron varios tubos rectos como intercambiadores de calor para mellorar o rendemento do MG.Os seus resultados mostraron que os tempos de absorción reducíanse cando se usaban tubos rectos como intercambiadores de calor.Ademais, o uso de tubos rectos acurta o tempo de desorción de hidróxeno28.As taxas de fluxo de refrixerante máis altas aumentan a taxa de carga e descarga de hidróxeno29.Non obstante, aumentar o número de tubos de refrixeración ten un efecto positivo no rendemento MH en lugar do caudal de refrixerante30,31.Raju et al.32 utilizaron LaMi4.7Al0.3 como material MH para estudar o rendemento dos intercambiadores de calor multitubo en reactores.Informaron de que os parámetros operativos tiveron un efecto significativo no proceso de absorción, especialmente a presión de alimentación e despois o caudal do HTF.Non obstante, a temperatura de absorción resultou ser menos crítica.
O rendemento do reactor MH mellora aínda máis co uso dun intercambiador de calor en espiral debido á súa transferencia de calor mellorada en comparación cos tubos rectos.Isto débese a que o ciclo secundario pode eliminar mellor a calor do reactor25.Ademais, os tubos en espiral proporcionan unha gran superficie para a transferencia de calor desde a capa MH ata o refrixerante.Cando este método se introduce no interior do reactor, a distribución dos tubos de intercambio térmico tamén é máis uniforme33.Wang et al.34 estudaron o efecto da duración da captación de hidróxeno engadindo unha bobina helicoidal a un reactor MH.Os seus resultados mostran que a medida que aumenta o coeficiente de transferencia de calor do refrixerante, o tempo de absorción diminúe.Wu et al.25 investigou o rendemento dos reactores MH baseados en Mg2Ni e dos intercambiadores de calor de bobina.Os seus estudos numéricos demostraron unha redución do tempo de reacción.A mellora do mecanismo de transferencia de calor no reactor MN baséase nunha menor relación entre o paso do parafuso e o paso do parafuso e un paso sen dimensión do parafuso.Un estudo experimental realizado por Mellouli et al.21 usando un serpentín enrolado como intercambiador de calor interno mostrou que a temperatura de inicio do HTF ten un efecto significativo na mellora da captación de hidróxeno e do tempo de desorción.En varios estudos realizáronse combinacións de diferentes intercambiadores de calor internos.Eisapur et al.35 estudou o almacenamento de hidróxeno mediante un intercambiador de calor de serpentín espiral cun tubo de retorno central para mellorar o proceso de absorción de hidróxeno.Os seus resultados mostraron que o tubo espiral e o tubo de retorno central melloran significativamente a transferencia de calor entre o refrixerante e o MG.O menor paso e o maior diámetro do tubo espiral aumentan a taxa de transferencia de calor e masa.Ardahaie et al.36 utilizaron tubos espirais planos como intercambiadores de calor para mellorar a transferencia de calor dentro do reactor.Informaron de que a duración da absorción reduciuse ao aumentar o número de planos de tubos en espiral aplanados.En varios estudos realizáronse combinacións de diferentes intercambiadores de calor internos.Dhau et al.37 mellorou o rendemento do MH usando un intercambiador de calor de bobina e aletas.Os seus resultados mostran que este método reduce o tempo de recheo de hidróxeno nun factor 2 en comparación co caso sen aletas.As aletas anulares combínanse con tubos de refrixeración e están integradas no reactor MN.Os resultados deste estudo mostran que este método combinado proporciona unha transferencia de calor máis uniforme en comparación co reactor MH sen aletas.Non obstante, a combinación de diferentes intercambiadores de calor afectará negativamente ao peso e ao volume do reactor MH.Wu et al.18 compararon diferentes configuracións do intercambiador de calor.Estes inclúen tubos rectos, aletas e espirais.Os autores informan de que as bobinas espirais proporcionan as mellores melloras na transferencia de calor e masa.Ademais, en comparación cos tubos rectos, os tubos enrolados e os tubos rectos combinados con tubos enrolados, as bobinas dobres teñen un mellor efecto na mellora da transferencia de calor.Un estudo de Sekhar et al.40 mostrou que se conseguiu unha mellora similar na absorción de hidróxeno usando unha espiral como intercambiador de calor interno e unha camisa de refrixeración externa con aletas.
Dos exemplos mencionados anteriormente, o uso de bobinas espirais como intercambiadores de calor internos proporciona mellores melloras na transferencia de calor e masa que outros intercambiadores de calor, especialmente tubos rectos e aletas.Polo tanto, o obxectivo deste estudo foi desenvolver aínda máis a bobina espiral para mellorar o rendemento da transferencia de calor.Por primeira vez, desenvolveuse unha nova bobina semicilíndrica baseada na bobina helicoidal de almacenamento MH convencional.Espérase que este estudo mellore o rendemento do almacenamento de hidróxeno ao considerar un novo deseño de intercambiador de calor cunha mellor disposición da zona de transferencia de calor proporcionada por un volume constante de leito MH e tubos HTF.O rendemento de almacenamento deste novo intercambiador de calor foi entón comparado cos intercambiadores de calor de serpentín espiral convencionais baseados en diferentes pasos de serpentín.Segundo a literatura existente, as condicións de funcionamento e a separación das bobinas son os principais factores que afectan o rendemento dos reactores MH.Para optimizar o deseño deste novo intercambiador de calor, investigouse o efecto da separación das bobinas sobre o tempo de absorción de hidróxeno e o volume de MH.Ademais, para comprender a relación entre as novas bobinas semi-cilíndricas e as condicións de funcionamento, un obxectivo secundario deste estudo foi estudar as características do reactor segundo diferentes rangos de parámetros operativos e determinar os valores adecuados para cada operación. modo.parámetro.
O rendemento do dispositivo de almacenamento de enerxía de hidróxeno neste estudo investigóase a partir de dúas configuracións de intercambiadores de calor (incluíndo tubos espirais nos casos 1 a 3 e tubos semicilíndricos nos casos 4 a 6) e unha análise de sensibilidade dos parámetros de funcionamento.A operatividade do reactor MH foi probada por primeira vez utilizando un tubo espiral como intercambiador de calor.Tanto o tubo de aceite do refrixerante como o recipiente do reactor MH están feitos de aceiro inoxidable.Hai que ter en conta que as dimensións do reactor MG e o diámetro dos tubos do GTF foron constantes en todos os casos, mentres que os tamaños dos pasos do GTF variaron.Esta sección analiza o efecto do tamaño de paso das bobinas HTF.A altura e o diámetro exterior do reactor eran de 110 mm e 156 mm, respectivamente.O diámetro do tubo de aceite condutor de calor está establecido en 6 mm.Consulte a sección complementaria para obter detalles sobre o diagrama de circuíto do reactor MH con tubos en espiral e dous tubos semicilíndricos.
Sobre a fig.A figura 1a mostra o reactor de tubo espiral MH e as súas dimensións.Todos os parámetros xeométricos están indicados na táboa.1. O volume total da hélice e o volume da ZG son aproximadamente 100 cm3 e 2000 cm3, respectivamente.Desde este reactor MH, alimentouse aire en forma de HTF ao reactor MH poroso desde abaixo a través dun tubo en espiral, e introduciuse hidróxeno desde a superficie superior do reactor.
Caracterización de xeometrías seleccionadas para reactores de hidruro metálico.a) cun intercambiador de calor tubular espiral, b) cun intercambiador de calor tubular semicilíndrico.
A segunda parte examina o funcionamento do reactor MH baseado nun tubo semicilíndrico como intercambiador de calor.Sobre a fig.A figura 1b mostra o reactor MN con dous tubos semicilíndricos e as súas dimensións.A táboa 1 recolle todos os parámetros xeométricos dos tubos semicilíndricos, que permanecen constantes, agás a distancia entre eles.Nótese que o tubo semicilíndrico do caso 4 foi deseñado cun volume constante de tubo HTF e aliaxe MH no tubo enrolado (opción 3).En canto á fig.1b, tamén se introduciu aire dende o fondo dos dous tubos semicilíndricos de HTF e introduciuse hidróxeno desde a dirección oposta do reactor MH.
Debido ao novo deseño do intercambiador de calor, o propósito desta sección é determinar os valores iniciais axeitados para os parámetros de funcionamento do reactor MH en combinación con SCHE.En todos os casos, utilizouse aire como refrixerante para eliminar a calor do reactor.Entre os aceites de transferencia de calor, o aire e a auga son comúnmente elixidos como aceites de transferencia de calor para reactores MH debido ao seu baixo custo e baixo impacto ambiental.Debido ao alto rango de temperatura de funcionamento das aliaxes a base de magnesio, neste estudo escolleuse o aire como refrixerante.Ademais, tamén ten mellores características de fluxo que outros metais líquidos e sales fundidas41.A Táboa 2 enumera as propiedades do aire a 573 K. Para a análise de sensibilidade nesta sección, só se aplican as mellores configuracións das opcións de rendemento MH-SCHE (nos casos do 4 ao 6).As estimacións desta sección baséanse en varios parámetros operativos, incluíndo a temperatura inicial do reactor MH, a presión de carga de hidróxeno, a temperatura de entrada de HTF e o número de Reynolds calculado cambiando a taxa de HTF.A táboa 3 contén todos os parámetros operativos utilizados para a análise de sensibilidade.
Nesta sección descríbense todas as ecuacións de control necesarias para o proceso de absorción de hidróxeno, turbulencia e transferencia de calor dos refrixerantes.
Para simplificar a solución da reacción de captación de hidróxeno, fanse e proporcionan as seguintes suposicións;
Durante a absorción, as propiedades termofísicas do hidróxeno e os hidruros metálicos son constantes.
O hidróxeno considérase un gas ideal, polo que se teñen en conta as condicións de equilibrio térmico local43,44.
onde \({L}_{gas}\) é o raio do tanque e \({L}_{calor}\) é a altura axial do tanque.Cando N é inferior a 0,0146, o fluxo de hidróxeno no tanque pode ignorarse na simulación sen erros significativos.Segundo a investigación actual, N é moito menor que 0,1.Polo tanto, o efecto do gradiente de presión pódese descoidar.
As paredes do reactor estaban ben illadas en todos os casos.Polo tanto, non hai intercambio de calor 47 entre o reactor e o ambiente.
É ben sabido que as aliaxes a base de Mg teñen boas características de hidroxenación e unha alta capacidade de almacenamento de hidróxeno ata o 7,6% en peso.En termos de aplicacións de almacenamento de hidróxeno en estado sólido, estas aliaxes tamén son coñecidas como materiais lixeiros.Ademais, teñen unha excelente resistencia á calor e boa procesabilidade8.Entre varias aliaxes a base de Mg, a aliaxe de MgNi baseada en Mg2Ni é unha das opcións máis adecuadas para o almacenamento de MH debido á súa capacidade de almacenamento de hidróxeno de ata 6 % en peso.As aliaxes de Mg2Ni tamén proporcionan unha cinética de adsorción e desorción máis rápida en comparación coa aliaxe de MgH48.Polo tanto, escolleuse Mg2Ni como material de hidruro metálico neste estudo.
A ecuación de enerxía exprésase como 25 baseándose no balance térmico entre hidróxeno e hidruro de Mg2Ni:
X é a cantidade de hidróxeno absorbido na superficie do metal, a unidade é \(peso\%\), calculada a partir da ecuación cinética \(\frac{dX}{dt}\) durante a absorción do seguinte xeito49:
onde \({C}_{a}\) é a velocidade de reacción e \({E}_{a}\) é a enerxía de activación.\({P}_{a,eq}\) é a presión de equilibrio no interior do reactor de hidruro metálico durante o proceso de absorción, dada pola ecuación de Van't Hoff como segue25:
Onde \({P}_{ref}\) é a presión de referencia de 0,1 MPa.\(\Delta H\) e \(\Delta S\) son a entalpía e a entropía da reacción, respectivamente.As propiedades das aliaxes Mg2Ni e hidróxeno preséntanse na táboa.4. A listaxe nomeada pódese consultar no apartado complementario.
O fluxo de fluído considérase turbulento porque a súa velocidade e o seu número de Reynolds (Re) son 78,75 ms-1 e 14000, respectivamente.Neste estudo, escolleuse un modelo de turbulencia k-ε alcanzable.Nótase que este método proporciona unha maior precisión en comparación con outros métodos k-ε, e tamén require menos tempo de cálculo que os métodos RNG k-ε50,51.Consulte a sección complementaria para obter detalles sobre as ecuacións básicas dos fluídos de transferencia de calor.
Inicialmente, o réxime de temperatura no reactor MN era uniforme e a concentración media de hidróxeno era de 0,043.Suponse que o límite exterior do reactor MH está ben illado.As aliaxes a base de magnesio normalmente requiren altas temperaturas de operación de reacción para almacenar e liberar hidróxeno no reactor.A aliaxe de Mg2Ni require un intervalo de temperatura de 523–603 K para a máxima absorción e un rango de temperatura de 573–603 K para a desorción completa52.Non obstante, estudos experimentais de Muthukumar et al.53 demostraron que a capacidade máxima de almacenamento de Mg2Ni para o almacenamento de hidróxeno pode acadarse a unha temperatura de funcionamento de 573 K, que corresponde á súa capacidade teórica.Polo tanto, escolleuse a temperatura de 573 K como temperatura inicial do reactor MN neste estudo.
Crea diferentes tamaños de reixa para validación e resultados fiables.Sobre a fig.2 mostra a temperatura media en lugares seleccionados no proceso de absorción de hidróxeno a partir de catro elementos diferentes.Paga a pena sinalar que só se selecciona un caso de cada configuración para probar a independencia da rede debido a unha xeometría similar.O mesmo método de malla aplícase noutros casos.Polo tanto, escolla a opción 1 para o tubo espiral e a opción 4 para o tubo semicilíndrico.Sobre a fig.2a, b mostra a temperatura media no reactor para as opcións 1 e 4, respectivamente.Os tres lugares seleccionados representan os contornos da temperatura do leito na parte superior, media e inferior do reactor.En función dos contornos de temperatura nos lugares seleccionados, a temperatura media faise estable e mostra poucos cambios nos elementos números 428.891 e 430.599 para os casos 1 e 4, respectivamente.Polo tanto, estes tamaños de cuadrícula foron elixidos para os cálculos computacionais posteriores.No apartado complementario ofrécese información detallada sobre a temperatura media do leito para o proceso de absorción de hidróxeno para varios tamaños de células e mallas sucesivamente refinadas para ambos os casos.
Temperatura media do leito en puntos seleccionados do proceso de absorción de hidróxeno nun reactor de hidruro metálico con diferentes números de reixa.(a) Temperatura media en lugares seleccionados para o caso 1 e (b) Temperatura media en lugares seleccionados para o caso 4.
O reactor de hidruro metálico a base de Mg neste estudo probouse a partir dos resultados experimentais de Muthukumar et al.53.No seu estudo, utilizaron unha aliaxe de Mg2Ni para almacenar hidróxeno en tubos de aceiro inoxidable.As aletas de cobre utilízanse para mellorar a transferencia de calor dentro do reactor.Sobre a fig.A figura 3a mostra unha comparación da temperatura media do leito do proceso de absorción entre o estudo experimental e este estudo.As condicións de funcionamento escollidas para este experimento son: MG temperatura inicial 573 K e presión de entrada 2 MPa.Da fig.3a pódese demostrar claramente que este resultado experimental está en boa concordancia co presente con respecto á temperatura media da capa.
Verificación do modelo.(a) Verificación do código do reactor de hidruro metálico Mg2Ni comparando o estudo actual co traballo experimental de Muthukumar et al.52, e (b) verificación do modelo de fluxo turbulento do tubo espiral comparando o estudo actual co de Kumar et al. .Investigación.54.
Para probar o modelo de turbulencia, os resultados deste estudo comparáronse cos resultados experimentais de Kumar et al.54 para confirmar a corrección do modelo de turbulencia escollido.Kumar et al.54 estudaron o fluxo turbulento nun intercambiador de calor en espiral tubo-en-tubo.A auga úsase como fluído quente e frío inxectado desde lados opostos.As temperaturas dos líquidos quente e frío son 323 K e 300 K, respectivamente.Os números de Reynolds varían de 3100 a 5700 para líquidos quentes e de 21.000 a 35.000 para líquidos fríos.Os números Dean son 550-1000 para líquidos quentes e 3600-6000 para líquidos fríos.Os diámetros do tubo interior (para líquido quente) e do tubo exterior (para líquido frío) son 0,0254 m e 0,0508 m, respectivamente.O diámetro e o paso da bobina helicoidal son 0,762 m e 0,100 m, respectivamente.Sobre a fig.A figura 3b mostra unha comparación dos resultados experimentais e actuais para varios pares de números de Nusselt e Dean para o refrixerante no tubo interior.Implementáronse tres modelos de turbulencia diferentes e comparáronse cos resultados experimentais.Como se mostra na fig.3b, os resultados do modelo de turbulencia k-ε alcanzable están en bo acordo cos datos experimentais.Polo tanto, este modelo foi elixido neste estudo.
As simulacións numéricas neste estudo realizáronse mediante ANSYS Fluent 2020 R2.Escribe unha función definida polo usuario (UDF) e utilízaa como termo de entrada da ecuación de enerxía para calcular a cinética do proceso de absorción.O circuíto PRESTO55 e o método PISO56 úsanse para a comunicación presión-velocidade e a corrección da presión.Seleccione unha base de cela de Greene-Gauss para o gradiente variable.As ecuacións de momento e enerxía resólvense polo método de segunda orde contra o vento.En canto aos coeficientes de sub-relaxación, as compoñentes de presión, velocidade e enerxía están establecidas en 0,5, 0,7 e 0,7, respectivamente.As funcións de parede estándar aplícanse ao HTF no modelo de turbulencia.
Esta sección presenta os resultados de simulacións numéricas de transferencia de calor interna mellorada dun reactor MH utilizando un intercambiador de calor de bobina en espiral (HCHE) e un intercambiador de calor de bobina helicoidal (SCHE) durante a absorción de hidróxeno.Analizouse o efecto do pitch HTF sobre a temperatura do leito do reactor e a duración da absorción.No apartado de análise de sensibilidade estúdanse e preséntanse os principais parámetros de funcionamento do proceso de absorción.
Para investigar o efecto da separación das bobinas na transferencia de calor nun reactor MH, investigáronse tres configuracións de intercambiadores de calor con diferentes pasos.Os tres pasos diferentes de 15 mm, 12,86 mm e 10 mm denomínanse corpo 1, corpo 2 e corpo 3 respectivamente.Cómpre sinalar que o diámetro do tubo fixouse en 6 mm a unha temperatura inicial de 573 K e unha presión de carga de 1,8 MPa en todos os casos.Sobre a fig.A figura 4 mostra a temperatura media do leito e a concentración de hidróxeno na capa MH durante o proceso de absorción de hidróxeno nos casos 1 a 3. Normalmente, a reacción entre o hidruro metálico e o hidróxeno é exotérmica ao proceso de absorción.Polo tanto, a temperatura do leito aumenta rapidamente debido ao momento inicial no que se introduce hidróxeno por primeira vez no reactor.A temperatura do leito aumenta ata alcanzar un valor máximo e despois vai diminuíndo gradualmente a medida que a calor é arrastrada polo refrixerante, que ten unha temperatura máis baixa e actúa como refrixerante.Como se mostra na fig.4a, debido á explicación anterior, a temperatura da capa aumenta rapidamente e diminúe continuamente.A concentración de hidróxeno para o proceso de absorción adoita estar baseada na temperatura do leito do reactor MH.Cando a temperatura media da capa cae a unha determinada temperatura, a superficie do metal absorbe hidróxeno.Isto débese á aceleración dos procesos de fisisorción, quimisorción, difusión de hidróxeno e formación dos seus hidruros no reactor.Da fig.4b pódese ver que a taxa de absorción de hidróxeno no caso 3 é menor que noutros casos debido ao menor valor de paso do intercambiador de calor da bobina.Isto dá como resultado unha lonxitude total de tubos máis longa e unha maior área de transferencia de calor para tubos HTF.Cunha concentración media de hidróxeno do 90%, o tempo de absorción para o caso 1 é de 46.276 segundos.En comparación coa duración da absorción no caso 1, a duración da absorción nos casos 2 e 3 reduciuse en 724 s e 1263 s, respectivamente.A sección complementaria presenta os contornos de temperatura e concentración de hidróxeno para lugares seleccionados na capa HCHE-MH.
Influencia da distancia entre as bobinas na temperatura media da capa e na concentración de hidróxeno.(a) Temperatura media do leito para as bobinas helicoidais, (b) concentración de hidróxeno para as bobinas helicoidais, (c) a temperatura media do leito para as bobinas semicilíndricas e (d) a concentración de hidróxeno para as bobinas semicilíndricas.
Para mellorar as características de transferencia de calor do reactor MG, deseñaron dous HFC para un volume constante do MG (2000 cm3) e un intercambiador de calor en espiral (100 cm3) da Opción 3. Nesta sección tamén se considera o efecto da distancia entre o MG. bobinas de 15 mm para a caixa 4, 12,86 mm para a caixa 5 e 10 mm para a caixa 6. Na fig.4c,d mostran a temperatura media do leito e a concentración do proceso de absorción de hidróxeno a unha temperatura inicial de 573 K e unha presión de carga de 1,8 MPa.Segundo a temperatura media da capa da figura 4c, a menor distancia entre as bobinas no caso 6 reduce a temperatura significativamente en comparación cos outros dous casos.Para o caso 6, unha temperatura do leito máis baixa dá lugar a unha maior concentración de hidróxeno (ver figura 4d).O tempo de absorción de hidróxeno para a Variante 4 é de 19542 s, que é máis de 2 veces menor que para as Variantes 1-3 usando HCH.Ademais, en comparación co caso 4, o tempo de absorción tamén se reduciu en 378 s e 1515 s nos casos 5 e 6 con menores distancias.A sección complementaria presenta os contornos de temperatura e concentración de hidróxeno para lugares seleccionados na capa SCHE-MH.
Para estudar o rendemento de dúas configuracións de intercambiadores de calor, esta sección traza e presenta curvas de temperatura en tres lugares seleccionados.O reactor MH con HCHE do caso 3 foi escollido para a súa comparación co reactor MH que contén SCHE no caso 4 porque ten un volume MH e un volume de tubo constantes.As condicións de operación para esta comparación foron unha temperatura inicial de 573 K e unha presión de carga de 1,8 MPa.Sobre a fig.As figuras 5a e 5b mostran as tres posicións seleccionadas dos perfís de temperatura nos casos 3 e 4, respectivamente.Sobre a fig.A figura 5c mostra o perfil de temperatura e a concentración da capa despois de 20.000 s de absorción de hidróxeno.Segundo a liña 1 da figura 5c, a temperatura arredor do TTF das opcións 3 e 4 diminúe debido á transferencia de calor convectiva do refrixerante.Isto dá lugar a unha maior concentración de hidróxeno ao redor desta zona.Non obstante, o uso de dous SCHE produce unha maior concentración de capas.Atopáronse respostas cinéticas máis rápidas ao redor da rexión HTF no caso 4. Ademais, nesta rexión tamén se atopou unha concentración máxima do 100%.Desde a liña 2 situada no medio do reactor, a temperatura do caso 4 é significativamente inferior á temperatura do caso 3 en todos os lugares excepto no centro do reactor.Isto dá como resultado a concentración máxima de hidróxeno para o caso 4, excepto para a rexión próxima ao centro do reactor lonxe do HTF.Porén, a concentración do caso 3 non cambiou moito.Observouse unha gran diferenza de temperatura e concentración da capa na liña 3 preto da entrada do GTS.A temperatura da capa no caso 4 diminuíu significativamente, o que resultou na maior concentración de hidróxeno nesta rexión, mentres que a liña de concentración no caso 3 aínda estaba fluctuando.Isto débese á aceleración da transferencia de calor SCHE.Detalles e discusión da comparación da temperatura media da capa MH e tubo HTF entre o caso 3 e o caso 4 ofrécense na sección complementaria.
Perfil de temperatura e concentración do leito en lugares seleccionados do reactor de hidruro metálico.(a) Lugares seleccionados para o caso 3, (b) Lugares seleccionados para o caso 4 e (c) Perfil de temperatura e concentración da capa en lugares seleccionados despois de 20.000 s para o proceso de captación de hidróxeno nos casos 3 e 4.
Sobre a fig.A figura 6 mostra unha comparación da temperatura media do leito (ver figura 6a) e a concentración de hidróxeno (ver figura 6b) para a absorción de HCH e SHE.Desta figura pódese ver que a temperatura da capa de MG diminúe significativamente debido ao aumento da área de intercambio de calor.A eliminación de máis calor do reactor ten como resultado unha maior taxa de absorción de hidróxeno.Aínda que as dúas configuracións do intercambiador de calor teñen os mesmos volumes en comparación co uso de HCHE como Opción 3, o tempo de absorción de hidróxeno de SCHE baseado na Opción 4 reduciuse significativamente nun 59 %.Para unha análise máis detallada, as concentracións de hidróxeno para as dúas configuracións do intercambiador de calor móstranse como isolíneas na Figura 7. Esta figura mostra que en ambos os casos, o hidróxeno comeza a ser absorbido desde abaixo ao redor da entrada de HTF.Atopáronse concentracións máis altas na rexión de HTF, mentres que no centro do reactor MH se observaron concentracións máis baixas debido á súa distancia do intercambiador de calor.Despois de 10.000 s, a concentración de hidróxeno no caso 4 é significativamente maior que no caso 3. Despois de 20.000 segundos, a concentración media de hidróxeno no reactor aumentou ata o 90% no caso 4 en comparación co 50% de hidróxeno no caso 3. Isto pode ser debido. á maior capacidade de refrixeración efectiva de combinar dous SCHE, o que resulta nunha temperatura máis baixa dentro da capa MH.En consecuencia, unha presión máis de equilibrio cae dentro da capa de MG, o que leva a unha absorción máis rápida de hidróxeno.
Caso 3 e Caso 4 Comparación da temperatura media do leito e da concentración de hidróxeno entre dúas configuracións do intercambiador de calor.
Comparación da concentración de hidróxeno despois de 500, 2000, 5000, 10000 e 20000 s despois do inicio do proceso de absorción de hidróxeno no caso 3 e no caso 4.
A táboa 5 resume a duración da captación de hidróxeno para todos os casos.Ademais, a táboa tamén mostra o tempo de absorción do hidróxeno, expresado en porcentaxe.Esta porcentaxe calcúlase en función do tempo de absorción do caso 1. A partir desta táboa, o tempo de absorción do reactor MH que usa HCHE é duns 45.000 a 46.000 s, e o tempo de absorción incluíndo SCHE é duns 18.000 a 19.000 s.En comparación co caso 1, o tempo de absorción no caso 2 e no caso 3 reduciuse só un 1,6% e un 2,7%, respectivamente.Ao usar SCHE en lugar de HCHE, o tempo de absorción reduciuse significativamente do caso 4 ao caso 6, do 58% ao 61%.Está claro que a adición de SCHE ao reactor MH mellora moito o proceso de absorción de hidróxeno e o rendemento do reactor MH.Aínda que a instalación dun intercambiador de calor no interior do reactor MH reduce a capacidade de almacenamento, esta tecnoloxía proporciona unha mellora significativa na transferencia de calor en comparación con outras tecnoloxías.Ademais, diminuír o valor de tonalidade aumentará o volume do SCHE, resultando nunha diminución do volume do MH.No caso 6 co volume SCHE máis alto, a capacidade volumétrica MH só se reduciu nun 5% en comparación co caso 1 co volume HCHE máis baixo.Ademais, durante a absorción, o caso 6 mostrou un rendemento máis rápido e mellor cunha redución do 61% no tempo de absorción.Polo tanto, escolleuse o caso 6 para unha investigación posterior na análise de sensibilidade.Hai que ter en conta que o longo tempo de absorción de hidróxeno está asociado a un tanque de almacenamento que contén un volume MH duns 2000 cm3.
Os parámetros de funcionamento durante a reacción son factores importantes que afectan positiva ou negativamente o rendemento do reactor MH en condicións reais.Este estudo considera unha análise de sensibilidade para determinar os parámetros de funcionamento iniciais adecuados para un reactor MH en combinación con SCHE, e esta sección investiga os catro parámetros de funcionamento principais en función da configuración óptima do reactor no caso 6. Os resultados para todas as condicións de operación móstranse en Fig. 8.
Gráfico da concentración de hidróxeno en varias condicións de funcionamento cando se utiliza un intercambiador de calor cunha bobina semicilíndrica.(a) presión de carga, (b) temperatura inicial do leito, (c) número de Reynolds do refrixerante e (d) temperatura de entrada do refrixerante.
En base a unha temperatura inicial constante de 573 K e un caudal de refrixerante cun número de Reynolds de 14.000, seleccionáronse catro presións de carga diferentes: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa e 3,0 MPa.Sobre a fig.A 8a mostra o efecto da presión de carga e SCHE sobre a concentración de hidróxeno ao longo do tempo.O tempo de absorción diminúe co aumento da presión de carga.Usar unha presión de hidróxeno aplicada de 1,2 MPa é o peor caso para o proceso de absorción de hidróxeno, e a duración da absorción supera os 26.000 s para acadar o 90 % de absorción de hidróxeno.Non obstante, a maior presión de carga resultou nunha diminución do 32-42% no tempo de absorción de 1,8 a 3,0 MPa.Isto débese á maior presión inicial de hidróxeno, o que resulta nunha maior diferenza entre a presión de equilibrio e a presión aplicada.Polo tanto, isto crea unha gran forza motriz para a cinética de captación de hidróxeno.No momento inicial, o gas hidróxeno absorbe rapidamente debido á gran diferenza entre a presión de equilibrio e a presión aplicada57.A unha presión de carga de 3,0 MPa, un 18% de hidróxeno acumulouse rapidamente durante os primeiros 10 segundos.O hidróxeno almacenouse no 90% dos reactores na fase final durante 15460 s.Non obstante, a unha presión de carga de 1,2 a 1,8 MPa, o tempo de absorción reduciuse significativamente nun 32%.Outras presións máis altas tiveron un menor efecto na mellora dos tempos de absorción.Polo tanto, recoméndase que a presión de carga do reactor MH-SCHE sexa de 1,8 MPa.A sección complementaria mostra os contornos de concentración de hidróxeno para varias presións de carga a 15500 s.
A elección dunha temperatura inicial adecuada do reactor MH é un dos principais factores que afectan ao proceso de adsorción de hidróxeno, xa que afecta á forza motriz da reacción de formación de hidruros.Para estudar o efecto de SCHE na temperatura inicial do reactor MH, escolléronse catro temperaturas diferentes a unha presión de carga constante de 1,8 MPa e un número de Reynolds de 14.000 HTF.Sobre a fig.A figura 8b mostra unha comparación de varias temperaturas de inicio, incluíndo 473K, 523K, 573K e 623K.De feito, cando a temperatura é superior a 230 °C ou 503K58, a aliaxe Mg2Ni ten características eficaces para o proceso de absorción de hidróxeno.Non obstante, no momento inicial da inxección de hidróxeno, a temperatura aumenta rapidamente.En consecuencia, a temperatura da capa de MG superará os 523 K. Polo tanto, a formación de hidruros vese facilitada debido ao aumento da taxa de absorción53.Da fig.Na figura 8b pódese ver que o hidróxeno é absorbido máis rápido a medida que diminúe a temperatura inicial da capa de MB.As presións de equilibrio máis baixas prodúcense cando a temperatura inicial é máis baixa.Canto maior sexa a diferenza de presión entre a presión de equilibrio e a presión aplicada, máis rápido será o proceso de absorción de hidróxeno.A unha temperatura inicial de 473 K, o hidróxeno é rapidamente absorbido ata o 27% durante os primeiros 18 segundos.Ademais, o tempo de absorción tamén se reduciu do 11% ao 24% a unha temperatura inicial máis baixa en comparación coa temperatura inicial de 623 K. O tempo de absorción á temperatura inicial máis baixa de 473 K é de 15247 s, que é semellante ao mellor. presión de carga do caso, con todo, a diminución da temperatura inicial da temperatura do reactor leva a unha diminución da capacidade de almacenamento de hidróxeno.A temperatura inicial do reactor MN debe ser polo menos de 503 K53.Ademais, a unha temperatura inicial de 573 K53, pódese acadar unha capacidade máxima de almacenamento de hidróxeno do 3,6% en peso.En canto á capacidade de almacenamento de hidróxeno e á duración da absorción, as temperaturas entre 523 e 573 K acurtan o tempo só nun 6%.Polo tanto, proponse unha temperatura de 573 K como temperatura inicial do reactor MH-SCHE.Non obstante, o efecto da temperatura inicial sobre o proceso de absorción foi menos significativo en comparación coa presión de carga.A sección complementaria mostra os contornos da concentración de hidróxeno para varias temperaturas iniciais a 15500 s.
O caudal é un dos parámetros principais da hidroxenación e deshidroxenación porque pode afectar á turbulencia e á eliminación ou entrada de calor durante a hidroxenación e a deshidroxenación59.As altas taxas de fluxo crearán fases turbulentas e producirán un fluxo de fluído máis rápido a través do tubo HTF.Esta reacción producirá unha transferencia de calor máis rápida.Calcúlanse diferentes velocidades de entrada para HTF en función dos números de Reynolds de 10.000, 14.000, 18.000 e 22.000.A temperatura inicial da capa de MG fixouse en 573 K e a presión de carga en 1,8 MPa.Os resultados na fig.8c demostran que o uso dun número de Reynolds máis alto en combinación con SCHE dá lugar a unha maior taxa de absorción.A medida que o número de Reynolds aumenta de 10.000 a 22.000, o tempo de absorción diminúe nun 28-50%.O tempo de absorción nun número de Reynolds de 22.000 é de 12.505 segundos, o que é menor que a varias temperaturas e presións iniciais de carga.Na sección complementaria preséntanse os contornos de concentración de hidróxeno para varios números de Reynolds para GTP a 12500 s.
O efecto de SCHE sobre a temperatura inicial do HTF analízase e móstrase na figura 8d.A unha temperatura inicial de MG de 573 K e unha presión de carga de hidróxeno de 1,8 MPa, escolléronse catro temperaturas iniciais para esta análise: 373 K, 473 K, 523 K e 573 K. A 8d mostra que unha diminución da temperatura do refrixerante na entrada conduce a unha redución do tempo de absorción.En comparación co caso base cunha temperatura de entrada de 573 K, o tempo de absorción reduciuse aproximadamente un 20%, 44% e 56% para temperaturas de entrada de 523 K, 473 K e 373 K, respectivamente.Aos 6917 s, a temperatura inicial do GTF é de 373 K, a concentración de hidróxeno no reactor é do 90%.Isto pódese explicar pola transferencia de calor convectiva mellorada entre a capa de MG e o HCS.As temperaturas máis baixas de HTF aumentarán a disipación de calor e producirán unha maior absorción de hidróxeno.Entre todos os parámetros operativos, mellorar o rendemento do reactor MH-SCHE aumentando a temperatura de entrada de HTF foi o método máis adecuado, xa que o tempo de finalización do proceso de absorción foi inferior a 7000 s, mentres que o tempo de absorción máis curto doutros métodos foi máis máis de 10000 s.Preséntanse contornos de concentración de hidróxeno para varias temperaturas iniciais de GTP durante 7000 s.
Este estudo presenta por primeira vez un novo intercambiador de calor de serpentín semicilíndrico integrado nunha unidade de almacenamento de hidruro metálico.Investigouse a capacidade do sistema proposto para absorber hidróxeno con varias configuracións do intercambiador de calor.Investigouse a influencia dos parámetros de funcionamento no intercambio de calor entre a capa de hidruro metálico e o refrixerante co fin de atopar as condicións óptimas para almacenar hidruros metálicos mediante un novo intercambiador de calor.As principais conclusións deste estudo resúmense do seguinte xeito:
Cun intercambiador de calor de bobina semicilíndrica, o rendemento da transferencia de calor é mellorado porque ten unha distribución de calor máis uniforme no reactor de capa de magnesio, o que resulta nunha mellor taxa de absorción de hidróxeno.Sempre que o volume do tubo de intercambio de calor e o hidruro metálico permanezan inalterados, o tempo de reacción de absorción redúcese significativamente nun 59% en comparación cun intercambiador de calor de bobina convencional.
Hora de publicación: 15-xan-2023