Matur nuwun kanggo ngunjungi Nature.com.Sampeyan nggunakake versi browser kanthi dhukungan CSS winates.Kanggo pengalaman paling apik, disaranake sampeyan nggunakake browser sing dianyari (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer).Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita nuduhake situs kasebut tanpa gaya lan JavaScript.
Nampilake carousel telung slide bebarengan.Gunakake tombol Sadurungé lan Sabanjure kanggo pindhah liwat telung minger bebarengan, utawa nggunakake tombol panggeser ing mburi kanggo pindhah liwat telung minger bebarengan.
Hidrida logam (MH) diakoni minangka salah sawijining klompok bahan sing paling cocog kanggo panyimpenan hidrogen amarga kapasitas panyimpenan hidrogen sing gedhe, tekanan operasi sing sithik lan keamanan sing dhuwur.Nanging, kinetika penyerapan hidrogen sing alon banget nyuda kinerja panyimpenan.Ngilangake panas sing luwih cepet saka panyimpenan MH bisa nduwe peran penting kanggo nambah tingkat penyerapan hidrogen, sing nyebabake kinerja panyimpenan luwih apik.Ing babagan iki, panliten iki ditujokake kanggo ningkatake karakteristik transfer panas supaya bisa nduwe pengaruh positif marang tingkat penyerapan hidrogen ing sistem panyimpenan MH.Koil semi-silinder anyar pisanan dikembangake lan dioptimalake kanggo panyimpenan hidrogen lan digabungake minangka penukar hawa-as-panas internal (HTF).Adhedhasar ukuran pitch sing beda-beda, efek saka konfigurasi penukar panas anyar dianalisis lan dibandhingake karo geometri kumparan heliks konvensional.Kajaba iku, paramèter operasi panyimpenan MG lan GTP ditliti sacara numerik kanggo entuk nilai sing optimal.Kanggo simulasi numerik, ANSYS Fluent 2020 R2 digunakake.Asil panaliten iki nuduhake yen kinerja tank panyimpenan MH bisa ditingkatake kanthi signifikan kanthi nggunakake penukar panas kumparan semi-silinder (SCHE).Dibandhingake karo penukar panas kumparan spiral konvensional, durasi panyerepan hidrogen dikurangi 59%.Jarak paling cilik antarane kumparan SCHE nyebabake nyuda wektu panyerepan 61%.Minangka regards paramèter operasi panyimpenan MG nggunakake SHE, kabeh paramèter sing dipilih mimpin kanggo dandan pinunjul ing proses panyerepan hidrogen, utamané suhu ing welingan kanggo HTS.
Ana transisi global saka energi adhedhasar bahan bakar fosil kanggo energi dianyari.Amarga akeh bentuk energi sing bisa dianyari nyedhiyakake daya kanthi dinamis, panyimpenan energi perlu kanggo ngimbangi beban.Panyimpenan energi adhedhasar hidrogen wis narik kawigaten kanggo tujuan iki, utamane amarga hidrogen bisa digunakake minangka bahan bakar alternatif lan energi alternatif "ijo" amarga sifat lan portabilitas.Kajaba iku, hidrogen uga menehi konten energi sing luwih dhuwur saben unit massa dibandhingake bahan bakar fosil2.Ana papat jinis utama panyimpenan energi hidrogen: panyimpenan gas kompres, panyimpenan ing lemah, panyimpenan cair, lan panyimpenan padhet.Hidrogen tekan minangka jinis utama sing digunakake ing kendaraan sel bahan bakar kayata bus lan forklift.Nanging, panyimpenan iki nyedhiyakake kapadhetan akeh hidrogen sing sithik (kira-kira 0,089 kg/m3) lan duwe masalah safety sing ana gandhengane karo tekanan operasi sing dhuwur3.Adhedhasar proses konversi ing suhu lan tekanan lingkungan sing kurang, panyimpenan Cairan bakal nyimpen hidrogen ing wangun Cairan.Nanging, nalika dicairake, kira-kira 40% energi ilang.Kajaba iku, teknologi iki dikenal luwih akeh energi lan tenaga kerja dibandhingake karo teknologi panyimpenan solid state4.Panyimpenan padhet minangka pilihan sing bisa digunakake kanggo ekonomi hidrogen, sing nyimpen hidrogen kanthi nggabungake hidrogen dadi bahan padhet liwat panyerepan lan ngeculake hidrogen liwat desorpsi.Metal hydride (MH), teknologi panyimpenan bahan padhet, minangka minat anyar ing aplikasi sel bahan bakar amarga kapasitas hidrogen sing dhuwur, tekanan operasi sing sithik, lan biaya sing murah dibandhingake karo panyimpenan cair, lan cocok kanggo aplikasi stasioner lan seluler6,7 In Kajaba iku, bahan MH uga nyedhiyakake sifat safety kayata panyimpenan efisien kanthi kapasitas gedhe8.Nanging, ana masalah sing mbatesi produktivitas MG: konduktivitas termal reaktor MG sing kurang nyebabake panyerepan lan desorpsi hidrogen sing alon.
Transfer panas sing tepat sajrone reaksi eksotermik lan endotermik minangka kunci kanggo ningkatake kinerja reaktor MH.Kanggo proses loading hidrogen, panas sing diasilake kudu dibuang saka reaktor supaya bisa ngontrol aliran muatan hidrogen ing tingkat sing dikarepake kanthi kapasitas panyimpenan maksimal.Nanging, panas dibutuhake kanggo nambah tingkat evolusi hidrogen sajrone discharge.Kanggo nambah kinerja transfer panas lan massa, akeh peneliti nyinaoni desain lan optimasi adhedhasar macem-macem faktor kayata parameter operasi, struktur MG, lan optimasi MG11.Optimasi MG bisa ditindakake kanthi nambahake bahan konduktivitas termal sing dhuwur kayata logam busa menyang lapisan MG 12,13.Mangkono, konduktivitas termal efektif bisa tambah saka 0,1 kanggo 2 W / mK10.Nanging, tambahan bahan padhet nyuda daya reaktor MN kanthi signifikan.Kanthi gati kanggo paramèter operasi, dandan bisa digayuh kanthi ngoptimalake kondisi operasi awal saka lapisan MG lan coolant (HTF).Struktur MG bisa dioptimalake amarga geometri reaktor lan desain penukar panas.Babagan konfigurasi penukar panas reaktor MH, cara kasebut bisa dipérang dadi rong jinis.Iki minangka penukar panas internal sing dibangun ing lapisan MO lan penukar panas eksternal sing nutupi lapisan MO kayata sirip, jaket pendingin lan adus banyu.Kanthi gati kanggo exchanger panas njaba, Kaplan16 analisa operasi saka reaktor MH, nggunakake banyu cooling minangka jaket kanggo ngurangi suhu ing reaktor.Asil kasebut dibandhingake karo reaktor sirip 22 lan reaktor liyane sing digawe adhem kanthi konveksi alami.Padha nyatakake yen ana jaket cooling kanthi signifikan nyuda suhu MH, saéngga nambah tingkat panyerepan.Pasinaon numerik saka reaktor MH sing nganggo jaket banyu dening Patil lan Gopal17 nuduhake manawa tekanan pasokan hidrogen lan suhu HTF minangka paramèter kunci sing mengaruhi tingkat penyerapan lan desorpsi hidrogen.
Nambah area transfer panas kanthi nambahake sirip lan penukar panas sing dibangun ing MH minangka kunci kanggo ningkatake kinerja transfer panas lan massa lan mulane kinerja panyimpenan MH18.Sawetara konfigurasi penukar panas internal (tabung lurus lan kumparan spiral) wis dirancang kanggo ngedhunake coolant ing reaktor MH19,20,21,22,23,24,25,26.Nggunakake penukar panas internal, cairan pendinginan utawa pemanasan bakal nransfer panas lokal ing jero reaktor MH sajrone proses adsorpsi hidrogen.Raju lan Kumar [27] nggunakake sawetara tabung lurus minangka penukar panas kanggo nambah kinerja MG.Asil kasebut nuduhake manawa wektu panyerepan suda nalika tabung lurus digunakake minangka penukar panas.Kajaba iku, panggunaan tabung lurus nyepetake wektu desorpsi hidrogen28.Tingkat aliran coolant sing luwih dhuwur nambah tingkat ngisi lan mbuwang hidrogen29.Nanging, nambah jumlah tabung cooling duwe efek positif ing kinerja MH tinimbang tingkat aliran coolant30,31.Raju et al.32 nggunakake LaMi4.7Al0.3 minangka bahan MH kanggo nyinaoni kinerja penukar panas multitube ing reaktor.Padha nglapurake yen paramèter operasi duweni pangaruh sing signifikan ing proses panyerepan, utamane tekanan feed lan banjur tingkat aliran HTF.Nanging, suhu panyerepan dadi kurang kritis.
Kinerja reaktor MH luwih apik kanthi nggunakake penukar panas kumparan spiral amarga transfer panas sing luwih apik dibandhingake karo tabung lurus.Iki amarga siklus sekunder luwih bisa mbusak panas saka reaktor25.Kajaba iku, tabung spiral nyedhiyakake area lumahing gedhe kanggo transfer panas saka lapisan MH menyang coolant.Nalika cara iki ngenalaken nang reaktor, distribusi tabung exchange panas uga luwih seragam33.Wang et al.34 nyinaoni efek durasi penyerapan hidrogen kanthi nambahake gulungan heliks menyang reaktor MH.Asil kasebut nuduhake yen koefisien transfer panas saka coolant mundhak, wektu panyerepan mudhun.Wu et al.25 nyelidiki kinerja reaktor MH adhedhasar Mg2Ni lan penukar panas coil coil.Pasinaon numerik wis nuduhake suda wektu reaksi.Dandan saka mekanisme transfer panas ing reaktor MN adhedhasar rasio cilik saka meneng Jarak kanggo meneng Jarak lan dimensionless meneng Jarak.Panaliten eksperimen dening Mellouli et al.21 nggunakake coil coiled minangka penukar panas internal nuduhake yen suhu wiwitan HTF duweni pengaruh sing signifikan kanggo ningkatake penyerapan hidrogen lan wektu desorpsi.Kombinasi penukar panas internal sing beda wis ditindakake ing sawetara studi.Eisapur et al.35 sinau panyimpenan hidrogen nggunakake exchanger panas kumparan spiral karo tabung bali tengah kanggo nambah proses panyerepan hidrogen.Asil kasebut nuduhake yen tabung spiral lan tabung bali tengah kanthi signifikan ningkatake transfer panas antarane coolant lan MG.Jarak sing luwih cilik lan diameter tabung spiral sing luwih gedhe nambah tingkat transfer panas lan massa.Ardahaie et al.36 nggunakake tabung spiral datar minangka penukar panas kanggo nambah transfer panas ing reaktor.Dheweke nglaporake manawa durasi panyerepan dikurangi kanthi nambah jumlah pesawat tabung spiral sing rata.Kombinasi penukar panas internal sing beda wis ditindakake ing sawetara studi.Dhau et al.37 nambah kinerja MH nggunakake exchanger panas kumparan coiled lan sirip.Asil kasebut nuduhake manawa cara iki nyuda wektu ngisi hidrogen kanthi faktor 2 dibandhingake karo kasus tanpa sirip.Sirip annular digabungake karo tabung pendingin lan dibangun ing reaktor MN.Asil panaliten iki nuduhake yen metode gabungan iki nyedhiyakake transfer panas sing luwih seragam dibandhingake karo reaktor MH tanpa sirip.Nanging, nggabungake penukar panas sing beda-beda bakal mengaruhi bobot lan volume reaktor MH.Wu et al.18 dibandhingake konfigurasi exchanger panas beda.Iki kalebu tabung lurus, sirip lan gulungan spiral.Penulis nglaporake manawa gulungan spiral nyedhiyakake dandan paling apik ing transfer panas lan massa.Kajaba iku, dibandhingake karo tabung lurus, tabung coiled, lan tabung lurus sing digabungake karo tabung coiled, gulungan ganda duwe efek sing luwih apik kanggo ningkatake transfer panas.Sinau dening Sekhar et al.40 nuduhake yen asil dandan padha ing serapan hidrogen wis ngrambah nggunakake kumparan spiral minangka exchanger panas internal lan jaket cooling external finned.
Saka conto sing kasebut ing ndhuwur, panggunaan gulungan spiral minangka penukar panas internal nyedhiyakake dandan transfer panas lan massa sing luwih apik tinimbang penukar panas liyane, utamane tabung lurus lan sirip.Mula, ancas saka panliten iki yaiku kanggo luwih ngembangake koil spiral kanggo ningkatake kinerja transfer panas.Kanggo pisanan, koil semi-silinder anyar wis dikembangake adhedhasar kumparan heliks panyimpenan MH konvensional.Panaliten iki dikarepake bisa nambah kinerja panyimpenan hidrogen kanthi nimbang desain penukar panas anyar kanthi tata letak zona transfer panas sing luwih apik sing diwenehake dening volume konstan amben MH lan tabung HTF.Kinerja panyimpenan saka penukar panas anyar iki banjur dibandhingake karo penukar panas kumparan spiral konvensional adhedhasar pitch kumparan sing beda.Miturut literatur sing ana, kahanan operasi lan jarak kumparan minangka faktor utama sing mengaruhi kinerja reaktor MH.Kanggo ngoptimalake desain penukar panas anyar iki, efek jarak coil ing wektu penyerapan hidrogen lan volume MH diselidiki.Kajaba iku, kanggo mangerteni hubungan antarane gulungan hemi-silinder anyar lan kondisi operasi, tujuan sekunder saka panliten iki yaiku nyinaoni karakteristik reaktor miturut kisaran parameter operasi sing beda-beda lan nemtokake nilai sing cocog kanggo saben operasi. modus.paramèter.
Kinerja piranti panyimpenan energi hidrogen ing panliten iki diselidiki adhedhasar rong konfigurasi penukar panas (kalebu tabung spiral ing kasus 1 nganti 3 lan tabung semi-silinder ing kasus 4 nganti 6) lan analisis sensitivitas paramèter operasi.Operabilitas reaktor MH dites kanggo pisanan nggunakake tabung spiral minangka penukar panas.Pipa lenga coolant lan wadhah reaktor MH digawe saka stainless steel.Perlu dicathet yen ukuran reaktor MG lan diameter pipa GTF tetep ing kabeh kasus, dene ukuran langkah GTF beda-beda.Bagean iki nganalisa efek saka ukuran Jarak kumparan HTF.Dhuwur lan diameter njaba reaktor yaiku 110 mm lan 156 mm, masing-masing.Dhiameter pipa minyak konduktor panas disetel ing 6mm.Waca Bagean Tambahan kanggo rincian babagan diagram sirkuit reaktor MH kanthi tabung spiral lan rong tabung semi-silinder.
Ing anjir.1a nuduhake reaktor tabung spiral MH lan ukurane.Kabeh paramèter geometris diwenehi ing tabel.1. Volume total heliks lan volume ZG kira-kira 100 cm3 lan 2000 cm3.Saka reaktor MH iki, hawa ing wangun HTF diwutahake menyang reaktor MH keropos saka ngisor liwat tabung spiral, lan hidrogen dienal saka permukaan ndhuwur reaktor.
Karakterisasi geometri sing dipilih kanggo reaktor hidrida logam.a) karo penukar panas spiral-tubular, b) karo penukar panas tubular semi-silinder.
Bagian kapindho mriksa operasi reaktor MH adhedhasar tabung semi-silinder minangka penukar panas.Ing anjir.1b nuduhake reaktor MN karo rong tabung semi-silinder lan dimensi.Tabel 1 nampilake kabeh paramèter geometris pipa semi-silinder, sing tetep konstan, kajaba jarak ing antarane.Perlu dicathet yen tabung semi-silinder ing Case 4 dirancang kanthi volume tabung HTF lan paduan MH ing tabung coiled (pilihan 3).Dene anjir.1b, udhara uga dienal saka ngisor rong tabung HTF semi-silinder, lan hidrogen dienal saka arah ngelawan saka reaktor MH.
Amarga desain anyar penukar panas, tujuan bagean iki yaiku kanggo nemtokake nilai awal sing cocog kanggo paramèter operasi reaktor MH kanthi kombinasi karo SCHE.Ing kabeh kasus, hawa digunakake minangka coolant kanggo mbusak panas saka reaktor.Antarane lenga transfer panas, udara lan banyu umume dipilih minangka lenga transfer panas kanggo reaktor MH amarga biaya sing murah lan pengaruh lingkungan sing murah.Amarga sawetara suhu operasi dhuwur saka wesi basis magnesium, hawa dipilih minangka coolant ing panliten iki.Kajaba iku, uga nduweni karakteristik aliran sing luwih apik tinimbang logam cair liyane lan uyah cair41.Tabel 2 nampilake sifat hawa ing 573 K. Kanggo analisis sensitivitas ing bagean iki, mung konfigurasi paling apik saka opsi kinerja MH-SCHE (ing kasus 4 nganti 6) ditrapake.Perkiraan ing bagean iki adhedhasar macem-macem paramèter operasi, kalebu suhu awal reaktor MH, tekanan muatan hidrogen, suhu inlet HTF, lan nomer Reynolds sing diitung kanthi ngganti tingkat HTF.Tabel 3 ngemot kabeh paramèter operasi sing digunakake kanggo analisis sensitivitas.
Bagean iki nggambarake kabeh persamaan kontrol sing dibutuhake kanggo proses penyerapan hidrogen, turbulensi lan transfer panas saka coolant.
Kanggo nyederhanakake solusi saka reaksi penyerapan hidrogen, asumsi ing ngisor iki digawe lan diwenehake;
Sajrone penyerapan, sifat termofisika hidrogen lan hidrida logam tetep.
Hidrogen dianggep minangka gas becik, mula kondisi keseimbangan termal lokal43,44 dianggep.
endi \({L}_{gas}\) iku radius tank, lan \({L}_{panas}\) iku dhuwur sumbu tank.Nalika N kurang saka 0,0146, aliran hidrogen ing tank bisa diabaikan ing simulasi tanpa kesalahan sing signifikan.Miturut riset saiki, N luwih murah tinimbang 0,1.Mulane, efek gradien tekanan bisa diabaikan.
Tembok reaktor padha terisolasi kanthi apik ing kabeh kasus.Mulane, ora ana ijol-ijolan panas 47 antarane reaktor lan lingkungan.
Dikenal yen wesi basis Mg nduweni karakteristik hidrogenasi sing apik lan kapasitas panyimpenan hidrogen dhuwur nganti 7,6 wt%8.Ing babagan aplikasi panyimpenan hidrogen negara padhet, campuran iki uga dikenal minangka bahan sing entheng.Kajaba iku, padha duwe resistance panas banget lan processability apik8.Antarane sawetara wesi basis Mg, Mg2 basis MgNi alloy minangka salah siji opsi paling cocok kanggo panyimpenan MH amarga kapasitas panyimpenan hidrogen nganti 6 wt%.Wesi Mg2Ni uga nyedhiyakake kinetika adsorpsi lan desorpsi sing luwih cepet dibandhingake karo paduan MgH48.Mula, Mg2Ni dipilih minangka bahan hidrida logam ing panliten iki.
Persamaan energi ditulis minangka 25 adhedhasar imbangan panas antarane hidrogen lan Mg2Ni hidrida:
X yaiku jumlah hidrogen sing diserap ing permukaan logam, unit kasebut \(bobot\%\), diitung saka persamaan kinetik \(\frac{dX}{dt}\) sajrone penyerapan kaya ing ngisor iki49:
ing ngendi \({C}_{a}\) minangka laju reaksi lan \({E}_{a} \) minangka energi aktivasi.\({P}_{a,eq}\) yaiku tekanan kesetimbangan ing jero reaktor hidrida logam sajrone proses penyerapan, diwenehi persamaan van't Hoff kaya ing ngisor iki25:
Dimana \({P}_{ref}\) punika tekanan referensi 0,1 MPa.\(\Delta H\) lan \(\Delta S\) minangka entalpi lan entropi saka reaksi kasebut.Sifat-sifat paduan Mg2Ni lan hidrogen ditampilake ing tabel.4. Dhaptar jenenge bisa ditemokake ing bagean tambahan.
Aliran fluida dianggep turbulen amarga kecepatan lan nomer Reynolds (Re) yaiku 78,75 ms-1 lan 14000.Ing panliten iki, model turbulensi k-ε sing bisa digayuh dipilih.Dicathet menawa cara iki nyedhiyakake akurasi sing luwih dhuwur tinimbang metode k-ε liyane, lan uga mbutuhake wektu komputasi sing luwih sithik tinimbang metode RNG k-ε50,51.Waca Bagean Tambahan kanggo rincian babagan persamaan dhasar kanggo cairan transfer panas.
Kaping pisanan, rezim suhu ing reaktor MN seragam, lan konsentrasi hidrogen rata-rata yaiku 0,043.Dianggep manawa wates njaba reaktor MH wis terisolasi kanthi apik.Wesi basis Magnesium biasane mbutuhake suhu operasi reaksi sing dhuwur kanggo nyimpen lan ngeculake hidrogen ing reaktor.Paduan Mg2Ni mbutuhake kisaran suhu 523–603 K kanggo panyerepan maksimal lan kisaran suhu 573–603 K kanggo desorpsi lengkap52.Nanging, studi eksperimen dening Muthukumar et al.53 nuduhake yen kapasitas panyimpenan maksimum Mg2Ni kanggo panyimpenan hidrogen bisa digayuh ing suhu operasi 573 K, sing cocog karo kapasitas teoritis.Mula, suhu 573 K dipilih minangka suhu awal reaktor MN ing panliten iki.
Nggawe ukuran kothak beda kanggo validasi lan asil dipercaya.Ing anjir.2 nuduhake suhu rata-rata ing lokasi sing dipilih ing proses panyerepan hidrogen saka papat unsur sing beda.Wigati dicathet yen mung siji kasus saben konfigurasi sing dipilih kanggo nguji kamardikan kothak amarga geometri sing padha.Cara meshing sing padha ditrapake ing kasus liyane.Mulane, pilih opsi 1 kanggo pipa spiral lan opsi 4 kanggo pipa semi-silinder.Ing anjir.2a, b nuduhake suhu rata-rata ing reaktor kanggo opsi 1 lan 4, mungguh.Telung lokasi sing dipilih nggambarake kontur suhu amben ing ndhuwur, tengah, lan ngisor reaktor.Adhedhasar kontur suhu ing lokasi sing dipilih, suhu rata-rata dadi stabil lan nuduhake owah-owahan cilik ing nomer unsur 428.891 lan 430.599 kanggo kasus 1 lan 4.Mulane, ukuran kothak iki dipilih kanggo petungan komputasi luwih.Informasi rinci babagan suhu amben rata-rata kanggo proses panyerepan hidrogen kanggo macem-macem ukuran sel lan jejaring sing ditapis kanthi sukses kanggo loro kasus kasebut diwenehake ing bagean tambahan.
Suhu rata-rata ing titik sing dipilih ing proses penyerapan hidrogen ing reaktor hidrida logam kanthi nomer kothak sing beda.(a) Suhu rata-rata ing lokasi sing dipilih kanggo kasus 1 lan (b) Suhu rata-rata ing lokasi sing dipilih kanggo kasus 4.
Reaktor hidrida logam berbasis Mg ing panliten iki diuji adhedhasar asil eksperimen Muthukumar et al.53.Ing panalitene, dheweke nggunakake paduan Mg2Ni kanggo nyimpen hidrogen ing tabung stainless steel.Sirip tembaga digunakake kanggo nambah transfer panas ing reaktor.Ing anjir.3a nuduhake perbandingan suhu rata-rata amben proses serapan antarane panliten eksperimen lan panliten iki.Kondisi operasi sing dipilih kanggo eksperimen iki yaiku: Suhu awal MG 573 K lan tekanan inlet 2 MPa.Saka anjir.3a bisa ditampilake kanthi jelas yen asil eksperimen iki cocog karo sing saiki babagan suhu lapisan rata-rata.
Verifikasi model.(a) Verifikasi kode reaktor hidrida logam Mg2Ni kanthi mbandhingake panliten saiki karo karya eksperimen Muthukumar et al.52, lan (b) verifikasi model aliran turbulen tabung spiral kanthi mbandhingake panliten saiki karo Kumar et al .Panliten.54.
Kanggo nguji model turbulensi, asil panaliten iki dibandhingake karo asil eksperimen Kumar et al.54 kanggo konfirmasi bener model turbulensi sing dipilih.Kumar et al.54 nyinaoni aliran turbulen ing penukar panas spiral tabung-in-pipa.Banyu digunakake minangka cairan panas lan adhem sing disuntikake saka sisih ngelawan.Suhu cairan panas lan adhem yaiku 323 K lan 300 K.Angka Reynolds antara 3100 nganti 5700 kanggo cairan panas lan saka 21.000 nganti 35.000 kanggo cairan sing adhem.Nomer Dean yaiku 550-1000 kanggo cairan panas lan 3600-6000 kanggo cairan sing adhem.Dhiameter pipa njero (kanggo cairan panas) lan pipa njaba (kanggo cairan kadhemen) yaiku 0,0254 m lan 0,0508 m, masing-masing.Dhiameter lan pitch saka gulungan heliks yaiku 0,762 m lan 0,100 m, masing-masing.Ing anjir.3b nuduhake perbandingan asil eksperimen lan saiki kanggo macem-macem pasangan nomer Nusselt lan Dean kanggo coolant ing tabung njero.Telung model turbulensi sing beda ditindakake lan dibandhingake karo asil eksperimen.Kaya sing dituduhake ing anjir.3b, asil model turbulensi k-ε sing bisa ditindakake cocog karo data eksperimen.Mula model iki dipilih ing panliten iki.
Simulasi numerik ing panliten iki ditindakake nggunakake ANSYS Fluent 2020 R2.Tulis Fungsi sing Ditetepake Pengguna (UDF) lan gunakake minangka istilah input saka persamaan energi kanggo ngetung kinetika proses panyerepan.Sirkuit PRESTO55 lan metode PISO56 digunakake kanggo komunikasi kecepatan-tekanan lan koreksi tekanan.Pilih basis sel Greene-Gauss kanggo gradien variabel.Persamaan momentum lan energi ditanggulangi kanthi metode upwind orde kapindho.Ing babagan koefisien kurang relaksasi, tekanan, kecepatan, lan komponen energi disetel dadi 0,5, 0,7, lan 0,7.Fungsi tembok standar ditrapake kanggo HTF ing model turbulensi.
Bagean iki nampilake asil simulasi numerik saka transfer panas internal sing luwih apik saka reaktor MH nggunakake penukar panas kumparan coil (HCHE) lan penukar panas kumparan heliks (SCHE) sajrone nyerep hidrogen.Pengaruh pitch HTF ing suhu bed reaktor lan durasi panyerepan dianalisis.Parameter operasi utama proses panyerepan ditliti lan ditampilake ing bagean analisis sensitivitas.
Kanggo neliti efek saka jarak coil ing transfer panas ing reaktor MH, telung konfigurasi penukar panas karo pitches beda padha diselidiki.Telu pitches beda 15mm, 12.86mm lan 10mm ditetepake awak 1, awak 2 lan awak 3 mungguh.Perlu dicathet yen diameter pipa tetep ing 6 mm ing suhu awal 573 K lan tekanan beban 1,8 MPa ing kabeh kasus.Ing anjir.4 nuduhake suhu bed rata-rata lan konsentrasi hidrogen ing lapisan MH sajrone proses panyerepan hidrogen ing kasus 1 nganti 3. Biasane, reaksi antara hidrida logam lan hidrogen eksotermik kanggo proses panyerepan.Mulane, suhu amben mundhak kanthi cepet amarga wayahe wiwitan nalika hidrogen pisanan dilebokake ing reaktor.Temperatur amben mundhak nganti tekan nilai maksimal banjur mboko sithik mudhun amarga panas digawa dening coolant, sing nduweni suhu sing luwih murah lan dadi coolant.Kaya sing dituduhake ing anjir.4a, amarga panjelasan sadurunge, suhu lapisan mundhak kanthi cepet lan mudhun terus.Konsentrasi hidrogen kanggo proses panyerepan biasane adhedhasar suhu bed reaktor MH.Nalika suhu lapisan rata-rata mudhun menyang suhu tartamtu, permukaan logam nyerep hidrogen.Iki amarga akselerasi proses fisisorpsi, chemisorption, difusi hidrogen lan pembentukan hidrida ing reaktor.Saka anjir.4b bisa dideleng manawa tingkat panyerepan hidrogen ing kasus 3 luwih murah tinimbang ing kasus liyane amarga nilai langkah sing luwih cilik saka penukar panas kumparan.Iki nyebabake dawa pipa sakabèhé luwih dawa lan area transfer panas sing luwih gedhe kanggo pipa HTF.Kanthi konsentrasi hidrogen rata-rata 90%, wektu panyerepan kanggo Kasus 1 yaiku 46,276 detik.Dibandhingake karo durasi panyerepan ing kasus 1, durasi panyerepan ing kasus 2 lan 3 dikurangi kanthi masing-masing 724 s lan 1263 s.Bagean tambahan nampilake kontur suhu lan konsentrasi hidrogen kanggo lokasi sing dipilih ing lapisan HCHE-MH.
Pengaruh jarak antarane gulungan ing suhu lapisan rata-rata lan konsentrasi hidrogen.(a) Rata-rata suhu bed kanggo kumparan heliks, (b) konsentrasi hidrogen kanggo kumparan heliks, (c) suhu bed rata-rata kanggo kumparan hemi-silinder, lan (d) konsentrasi hidrogen kanggo kumparan hemi-silinder.
Kanggo nambah karakteristik transfer panas saka reaktor MG, loro HFC dirancang kanggo volume konstan MG (2000 cm3) lan penukar panas spiral (100 cm3) saka Opsi 3. Bagean iki uga nimbang efek saka jarak antarane gulungan 15 mm kanggo cilik 4, 12,86 mm kanggo cilik 5 lan 10 mm kanggo cilik 6. Ing anjir.4c,d nuduhake suhu bed rata-rata lan konsentrasi proses penyerapan hidrogen ing suhu awal 573 K lan tekanan beban 1,8 MPa.Miturut suhu lapisan rata-rata ing Fig. 4c, jarak cilik antarane kumparan ing kasus 6 nyuda suhu Ngartekno dibandhingake loro kasus liyane.Kanggo kasus 6, suhu amben sing luwih murah nyebabake konsentrasi hidrogen sing luwih dhuwur (pirsani Fig. 4d).Wektu serapan hidrogen kanggo Varian 4 yaiku 19542 s, luwih saka 2 kaping luwih murah tinimbang Varian 1-3 nggunakake HCH.Kajaba iku, dibandhingake karo kasus 4, wektu panyerepan uga suda dening 378 s lan 1515 s ing kasus 5 lan 6 kanthi jarak sing luwih murah.Bagean tambahan nampilake kontur suhu lan konsentrasi hidrogen kanggo lokasi sing dipilih ing lapisan SCHE-MH.
Kanggo nyinaoni kinerja rong konfigurasi penukar panas, bagean iki ngrancang lan nampilake kurva suhu ing telung lokasi sing dipilih.Reaktor MH karo HCHE saka kasus 3 dipilih kanggo mbandhingake karo reaktor MH sing ngemot SCHE ing kasus 4 amarga nduweni volume MH lan volume pipa sing konstan.Kondisi operasi kanggo perbandingan iki yaiku suhu awal 573 K lan tekanan beban 1,8 MPa.Ing anjir.5a lan 5b nuduhake kabeh telung posisi sing dipilih saka profil suhu ing kasus 3 lan 4, masing-masing.Ing anjir.5c nuduhake profil suhu lan konsentrasi lapisan sawise 20.000 s penyerapan hidrogen.Miturut baris 1 ing Fig. 5c, suhu watara TTF saka opsi 3 lan 4 sudo amarga transfer panas convective saka coolant.Iki nyebabake konsentrasi hidrogen sing luwih dhuwur ing sekitar wilayah kasebut.Nanging, panggunaan rong SCHE nyebabake konsentrasi lapisan sing luwih dhuwur.Respon kinetik sing luwih cepet ditemokake ing saindhenging wilayah HTF ing kasus 4. Kajaba iku, konsentrasi maksimum 100% uga ditemokake ing wilayah iki.Saka baris 2 sing ana ing tengah reaktor, suhu kasus 4 luwih murah tinimbang suhu kasus 3 ing kabeh panggonan kajaba tengah reaktor.Iki nyebabake konsentrasi hidrogen maksimal kanggo kasus 4 kajaba wilayah sing cedhak karo tengah reaktor sing adoh saka HTF.Nanging, konsentrasi kasus 3 ora owah akeh.Bentenane gedhe ing suhu lan konsentrasi lapisan kasebut diamati ing baris 3 cedhak lawang menyang GTS.Suhu lapisan ing kasus 4 mudhun sacara signifikan, nyebabake konsentrasi hidrogen paling dhuwur ing wilayah iki, nalika garis konsentrasi ing kasus 3 isih fluktuatif.Iki amarga percepatan transfer panas SCHE.Rincian lan diskusi babagan perbandingan suhu rata-rata lapisan MH lan pipa HTF antarane kasus 3 lan kasus 4 kasedhiya ing bagean tambahan.
Profil suhu lan konsentrasi bed ing lokasi sing dipilih ing reaktor hidrida logam.(a) Lokasi sing dipilih kanggo kasus 3, (b) Lokasi sing dipilih kanggo kasus 4, lan (c) Profil suhu lan konsentrasi lapisan ing lokasi sing dipilih sawise 20.000 detik kanggo proses penyerapan hidrogen ing kasus 3 lan 4.
Ing anjir.Gambar 6 nuduhake perbandingan suhu rata-rata amben (pirsani Fig. 6a) lan konsentrasi hidrogen (pirsani Fig. 6b) kanggo panyerepan HCH lan SHE.Saka gambar kasebut bisa dideleng yen suhu lapisan MG mudhun kanthi signifikan amarga mundhake area ijol-ijolan panas.Mbusak panas luwih akeh saka reaktor ngasilake tingkat penyerapan hidrogen sing luwih dhuwur.Senajan loro konfigurasi penukar panas duwe volume sing padha dibandhingake nggunakake HCHE minangka Opsi 3, wektu serapan hidrogen SCHE adhedhasar Opsi 4 wis suda sacara signifikan 59%.Kanggo analisis sing luwih rinci, konsentrasi hidrogen kanggo rong konfigurasi penukar panas ditampilake minangka isoline ing Figure 7. Tokoh iki nuduhake yen ing loro kasus, hidrogen wiwit diserap saka ngisor sak inlet HTF.Konsentrasi sing luwih dhuwur ditemokake ing wilayah HTF, dene konsentrasi sing luwih murah diamati ing tengah reaktor MH amarga jarake saka penukar panas.Sawise 10.000 detik, konsentrasi hidrogen ing kasus 4 luwih dhuwur tinimbang ing kasus 3. Sawise 20.000 detik, konsentrasi hidrogen rata-rata ing reaktor wis munggah dadi 90% ing kasus 4 dibandhingake karo 50% hidrogen ing kasus 3. Iki bisa uga amarga kanggo kapasitas cooling efektif luwih saka nggabungke loro SCHEs, asil ing suhu ngisor nang lapisan MH.Akibaté, tekanan keseimbangan luwih tiba ing lapisan MG, sing ndadékaké panyerepan hidrogen luwih cepet.
Kasus 3 lan Kasus 4 Perbandhingan rata-rata suhu amben lan konsentrasi hidrogen antarane rong konfigurasi penukar panas.
Perbandingan konsentrasi hidrogen sawise 500, 2000, 5000, 10000 lan 20000 detik sawise wiwitan proses panyerepan hidrogen ing kasus 3 lan kasus 4.
Tabel 5 ngringkes durasi penyerapan hidrogen kanggo kabeh kasus.Kajaba iku, tabel uga nuduhake wektu panyerepan hidrogen, ditulis minangka persentasi.Persentase iki diitung adhedhasar wektu panyerepan Kasus 1. Saka tabel iki, wektu panyerepan reaktor MH nggunakake HCHE kira-kira 45.000 nganti 46.000 s, lan wektu panyerepan kalebu SCHE kira-kira 18.000 nganti 19.000 s.Dibandhingake karo Kasus 1, wektu panyerepan ing Kasus 2 lan Kasus 3 mung suda mung 1,6% lan 2,7%.Nalika nggunakake SCHE tinimbang HCHE, wektu panyerepan wis suda Ngartekno saka cilik 4 kanggo cilik 6, saka 58% kanggo 61%.Cetha yen tambahan SCHE ing reaktor MH nambah banget proses panyerepan hidrogen lan kinerja reaktor MH.Sanajan instalasi penukar panas ing jero reaktor MH nyuda kapasitas panyimpenan, teknologi iki menehi perbaikan sing signifikan ing transfer panas dibandhingake karo teknologi liyane.Uga, ngurangi nilai pitch bakal nambah volume SCHE, nyebabake nyuda volume MH.Ing kasus 6 kanthi volume SCHE paling dhuwur, kapasitas volumetrik MH mung suda 5% dibandhingake karo kasus 1 kanthi volume HCHE paling murah.Kajaba iku, sajrone panyerepan, kasus 6 nuduhake kinerja sing luwih cepet lan luwih apik kanthi nyuda wektu panyerepan 61%.Mulane kasus 6 dipilih kanggo diselidiki luwih lanjut ing analisis sensitivitas.Perlu dicathet yen wektu penyerapan hidrogen sing dawa digandhengake karo tangki panyimpenan sing ngemot volume MH kira-kira 2000 cm3.
Parameter operasi sajrone reaksi kasebut minangka faktor penting sing nduwe pengaruh positif utawa negatif marang kinerja reaktor MH ing kahanan nyata.Panliten iki nganggep analisis sensitivitas kanggo nemtokake paramèter operasi awal sing cocok kanggo reaktor MH ing kombinasi karo SCHE, lan bagean iki nyelidiki papat paramèter operasi utama adhedhasar konfigurasi reaktor optimal ing kasus 6. Asil kanggo kabeh kondisi operasi ditampilake ing Gambar 8.
Grafik konsentrasi hidrogen ing macem-macem kahanan operasi nalika nggunakake penukar panas kanthi kumparan semi-silinder.(a) tekanan beban, (b) suhu bed awal, (c) angka Reynolds coolant, lan (d) suhu inlet coolant.
Adhedhasar suhu awal konstan 573 K lan laju aliran coolant kanthi nomer Reynolds 14.000, papat tekanan beban sing beda dipilih: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa, lan 3,0 MPa.Ing anjir.8a nuduhake efek saka beban meksa lan SCHE ing konsentrasi hidrogen liwat wektu.Wektu panyerepan suda kanthi nambah tekanan loading.Nggunakake tekanan hidrogen sing ditrapake 1,2 MPa minangka kasus paling awon kanggo proses panyerepan hidrogen, lan durasi panyerepan ngluwihi 26.000 detik kanggo entuk panyerepan hidrogen 90%.Nanging, tekanan loading sing luwih dhuwur nyebabake nyuda wektu penyerapan 32-42% saka 1,8 dadi 3,0 MPa.Iki amarga tekanan awal hidrogen sing luwih dhuwur, sing nyebabake bedane tekanan keseimbangan lan tekanan sing ditrapake.Mulane, iki nggawe tenaga pendorong gedhe kanggo kinetika penyerapan hidrogen.Ing wayahe wiwitan, gas hidrogen diserap kanthi cepet amarga beda gedhe antarane tekanan keseimbangan lan tekanan sing ditrapake57.Ing tekanan loading 3,0 MPa, 18% hidrogen kanthi cepet akumulasi sajrone 10 detik pisanan.Hidrogen disimpen ing 90% saka reaktor ing tahap pungkasan kanggo 15460 s.Nanging, ing tekanan loading 1,2 nganti 1,8 MPa, wektu panyerepan wis suda kanthi 32%.Tekanan liyane sing luwih dhuwur ora duwe pengaruh kanggo ningkatake wektu panyerepan.Mulane, dianjurake supaya tekanan beban reaktor MH-SCHE dadi 1,8 MPa.Bagean tambahan nuduhake kontur konsentrasi hidrogen kanggo macem-macem tekanan loading ing 15500 s.
Pamilihan suhu awal reaktor MH sing cocog minangka salah sawijining faktor utama sing mengaruhi proses adsorpsi hidrogen, amarga mengaruhi gaya nyopir reaksi pembentukan hidrida.Kanggo nyinaoni efek SCHE ing suhu awal reaktor MH, papat suhu sing beda dipilih kanthi tekanan beban konstan 1,8 MPa lan nomer Reynolds 14.000 HTF.Ing anjir.Gambar 8b nuduhake perbandingan saka macem-macem suhu wiwitan, kalebu 473K, 523K, 573K, lan 623K.Nyatane, nalika suhu luwih dhuwur tinimbang 230 ° C utawa 503K58, paduan Mg2Ni nduweni ciri efektif kanggo proses panyerepan hidrogen.Nanging, ing wayahe wiwitan injeksi hidrogen, suhu mundhak kanthi cepet.Akibaté, suhu lapisan MG bakal ngluwihi 523 K. Mulane, pembentukan hidrida difasilitasi amarga tingkat panyerepan tambah53.Saka anjir.Bisa dideleng saka Gambar 8b yen hidrogen diserap luwih cepet amarga suhu awal lapisan MB mudhun.Tekanan keseimbangan ngisor kedadeyan nalika suhu wiwitan luwih murah.Sing luwih gedhe bedane tekanan antarane tekanan keseimbangan lan tekanan sing ditrapake, luwih cepet proses penyerapan hidrogen.Ing suhu awal 473 K, hidrogen diserap kanthi cepet nganti 27% sajrone 18 detik pisanan.Kajaba iku, wektu panyerepan uga dikurangi saka 11% dadi 24% ing suhu awal sing luwih murah dibandhingake karo suhu awal 623 K. Wektu penyerapan ing suhu awal paling sithik 473 K yaiku 15247 s, sing padha karo sing paling apik. meksa loading kasus, Nanging, sudo ing suhu awal reaktor suhu ndadékaké kanggo nyuda ing kapasitas panyimpenan hidrogen.Suhu awal reaktor MN kudu paling sethithik 503 K53.Kajaba iku, ing suhu awal 573 K53, kapasitas panyimpenan hidrogen maksimal 3,6% wt bisa digayuh.Ing babagan kapasitas panyimpenan hidrogen lan durasi panyerepan, suhu antarane 523 lan 573 K nyepetake wektu mung 6%.Mulane, suhu 573 K diusulake minangka suhu awal reaktor MH-SCHE.Nanging, efek saka suhu awal ing proses panyerepan kurang signifikan dibandhingake tekanan loading.Bagean tambahan nuduhake kontur konsentrasi hidrogen kanggo macem-macem suhu awal ing 15500 s.
Laju aliran minangka salah sawijining parameter utama hidrogenasi lan dehidrogenasi amarga bisa mengaruhi turbulensi lan panyisihan panas utawa input sajrone hidrogenasi lan dehidrogenasi59.Tingkat aliran sing dhuwur bakal nggawe fase turbulen lan nyebabake aliran cairan sing luwih cepet liwat pipa HTF.Reaksi iki bakal nyebabake transfer panas luwih cepet.Kacepetan entri sing beda kanggo HTF diitung adhedhasar angka Reynolds 10.000, 14.000, 18.000, lan 22.000.Suhu awal lapisan MG tetep ing 573 K lan tekanan loading ing 1,8 MPa.Asil ing anjir.8c nduduhake yen nggunakake angka Reynolds sing luwih dhuwur ing kombinasi karo SCHE ngasilake tingkat penyerapan sing luwih dhuwur.Nalika nomer Reynolds mundhak saka 10.000 dadi 22.000, wektu panyerepan suda kira-kira 28-50%.Wektu panyerepan ing nomer Reynolds 22.000 yaiku 12.505 detik, sing kurang saka ing macem-macem suhu lan tekanan muatan awal.Kontur konsentrasi hidrogen kanggo macem-macem nomer Reynolds kanggo GTP ing 12500 s ditampilake ing bagean tambahan.
Efek SCHE ing suhu awal HTF dianalisis lan ditampilake ing Fig. 8d.Ing suhu MG awal 573 K lan tekanan muatan hidrogen 1,8 MPa, papat suhu awal dipilih kanggo analisis iki: 373 K, 473 K, 523 K, lan 573 K. 8d nuduhake yen suhu coolant mudhun. ing inlet ndadékaké menyang abang ing wektu panyerepan.Dibandhingake karo kasus dhasar kanthi suhu inlet 573 K, wektu panyerepan dikurangi kira-kira 20%, 44% lan 56% kanggo suhu inlet 523 K, 473 K lan 373 K.Ing 6917 s, suhu awal GTF yaiku 373 K, konsentrasi hidrogen ing reaktor yaiku 90%.Iki bisa diterangake dening transfer panas convective meningkat antarane lapisan MG lan HCS.Suhu HTF sing luwih murah bakal nambah panyebaran panas lan nyebabake panyerapan hidrogen.Ing antarane kabeh paramèter operasi, ningkatake kinerja reaktor MH-SCHE kanthi nambah suhu inlet HTF minangka cara sing paling cocok, amarga wektu pungkasan proses panyerepan kurang saka 7000 s, dene wektu panyerepan paling cendhak saka cara liya luwih akeh. saka 10000 s.Kontur konsentrasi hidrogen ditampilake kanggo macem-macem suhu awal GTP kanggo 7000 s.
Panaliten iki pisanan nampilake penukar panas koil semi-silinder anyar sing digabungake menyang unit panyimpenan hidrida logam.Kemampuan sistem sing diusulake kanggo nyerep hidrogen diselidiki kanthi macem-macem konfigurasi penukar panas.Pengaruh parameter operasi ing ijol-ijolan panas antarane lapisan hidrida logam lan coolant diselidiki kanggo nemokake kondisi optimal kanggo nyimpen hidrida logam nggunakake penukar panas anyar.Temuan utama panliten iki diringkes kaya ing ngisor iki:
Kanthi penukar panas kumparan semi-silinder, kinerja transfer panas saya apik amarga nduweni distribusi panas sing luwih seragam ing reaktor lapisan magnesium, sing nyebabake tingkat penyerapan hidrogen sing luwih apik.Yen volume tabung ijol-ijolan panas lan hidrida logam tetep ora owah, wektu reaksi panyerepan dikurangi 59% dibandhingake karo penukar panas coil coil konvensional.
Wektu kirim: Jan-15-2023