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Metallhydride (MH) gelten aufgrund ihrer großen Wasserstoffspeicherkapazität, des niedrigen Betriebsdrucks und der hohen Sicherheit als eine der am besten geeigneten Materialgruppen für die Wasserstoffspeicherung.Ihre träge Wasserstoffaufnahmekinetik verringert jedoch die Speicherleistung erheblich.Eine schnellere Wärmeabfuhr aus dem MH-Speicher könnte eine wichtige Rolle bei der Erhöhung seiner Wasserstoffaufnahmerate spielen, was zu einer verbesserten Speicherleistung führen würde.In diesem Zusammenhang zielte diese Studie darauf ab, die Wärmeübertragungseigenschaften zu verbessern, um die Wasserstoffaufnahmerate des MH-Speichersystems positiv zu beeinflussen.Die neue halbzylindrische Spule wurde zunächst für die Wasserstoffspeicherung entwickelt und optimiert und als interner Luft-Wärmetauscher (HTF) integriert.Anhand der unterschiedlichen Steigungsgrößen wird die Wirkung der neuen Wärmetauscherkonfiguration analysiert und mit der herkömmlichen Wendelgeometrie verglichen.Darüber hinaus wurden die Betriebsparameter der Lagerung von MG und GTP numerisch untersucht, um optimale Werte zu erhalten.Für die numerische Simulation wird ANSYS Fluent 2020 R2 verwendet.Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Leistung eines MH-Speichertanks durch den Einsatz eines halbzylindrischen Spulenwärmetauschers (SCHE) deutlich verbessert werden kann.Im Vergleich zu herkömmlichen Spiralwärmetauschern verkürzt sich die Dauer der Wasserstoffaufnahme um 59 %.Der kleinste Abstand zwischen den SCHE-Spulen führte zu einer Reduzierung der Absorptionszeit um 61 %.Was die Betriebsparameter der MG-Speicherung mittels SHE betrifft, so führen alle ausgewählten Parameter zu einer deutlichen Verbesserung des Wasserstoffabsorptionsprozesses, insbesondere der Temperatur am Eingang zum HTS.
Es findet weltweit ein Übergang von Energie auf Basis fossiler Brennstoffe hin zu erneuerbaren Energien statt.Da viele Formen erneuerbarer Energien dynamisch Strom bereitstellen, ist eine Energiespeicherung erforderlich, um die Last auszugleichen.Die wasserstoffbasierte Energiespeicherung hat zu diesem Zweck große Aufmerksamkeit erregt, insbesondere weil Wasserstoff aufgrund seiner Eigenschaften und Portabilität als „grüner“ alternativer Kraftstoff und Energieträger eingesetzt werden kann.Darüber hinaus bietet Wasserstoff im Vergleich zu fossilen Brennstoffen2 auch einen höheren Energiegehalt pro Masseneinheit.Es gibt vier Haupttypen der Wasserstoffspeicherung: Druckgasspeicher, Untergrundspeicher, Flüssigkeitsspeicher und Feststoffspeicher.Komprimierter Wasserstoff wird hauptsächlich in Brennstoffzellenfahrzeugen wie Bussen und Gabelstaplern verwendet.Dieser Speicher bietet jedoch eine geringe Schüttdichte von Wasserstoff (ca. 0,089 kg/m3) und weist Sicherheitsprobleme aufgrund des hohen Betriebsdrucks auf3.Basierend auf einem Umwandlungsprozess bei niedriger Umgebungstemperatur und niedrigem Umgebungsdruck wird der Flüssigkeitsspeicher Wasserstoff in flüssiger Form speichern.Bei der Verflüssigung gehen jedoch etwa 40 % der Energie verloren.Darüber hinaus ist bekannt, dass diese Technologie im Vergleich zu Festkörperspeichertechnologien energie- und arbeitsintensiver ist4.Die Feststoffspeicherung ist eine praktikable Option für eine Wasserstoffwirtschaft, die Wasserstoff speichert, indem Wasserstoff durch Absorption in feste Materialien eingebaut und Wasserstoff durch Desorption freigesetzt wird.Metallhydrid (MH), eine Feststoffspeichertechnologie, ist aufgrund seiner hohen Wasserstoffkapazität, des niedrigen Betriebsdrucks und der im Vergleich zur Flüssigkeitsspeicherung geringen Kosten in jüngster Zeit für Brennstoffzellenanwendungen von Interesse und eignet sich für stationäre und mobile Anwendungen6,7 In Darüber hinaus bieten MH-Materialien auch Sicherheitseigenschaften wie eine effiziente Speicherung großer Kapazität8.Allerdings gibt es ein Problem, das die Produktivität des MG einschränkt: Die geringe Wärmeleitfähigkeit des MG-Reaktors führt zu einer langsamen Absorption und Desorption von Wasserstoff.
Die richtige Wärmeübertragung bei exothermen und endothermen Reaktionen ist der Schlüssel zur Verbesserung der Leistung von MH-Reaktoren.Für den Wasserstoffbeladungsprozess muss die erzeugte Wärme aus dem Reaktor abgeführt werden, um den Wasserstoffbeladungsfluss mit der gewünschten Geschwindigkeit und maximaler Speicherkapazität zu steuern.Stattdessen ist Wärme erforderlich, um die Geschwindigkeit der Wasserstoffentwicklung während der Entladung zu erhöhen.Um die Wärme- und Stoffübertragungsleistung zu verbessern, haben viele Forscher das Design und die Optimierung auf der Grundlage mehrerer Faktoren wie Betriebsparameter, MG-Struktur und MG11-Optimierung untersucht.Die MG-Optimierung kann durch Hinzufügen von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Schaummetallen zu den MG-Schichten 12,13 erfolgen.Dadurch kann die effektive Wärmeleitfähigkeit von 0,1 auf 2 W/mK10 erhöht werden.Allerdings reduziert die Zugabe von Feststoffen die Leistung des MN-Reaktors deutlich.Hinsichtlich der Betriebsparameter können Verbesserungen durch die Optimierung der anfänglichen Betriebsbedingungen der MG-Schicht und des Kühlmittels (HTF) erzielt werden.Durch die Geometrie des Reaktors und die Gestaltung des Wärmetauschers kann der Aufbau des MG optimiert werden.Hinsichtlich der Konfiguration des MH-Reaktorwärmetauschers können die Methoden in zwei Typen unterteilt werden.Hierbei handelt es sich um interne Wärmetauscher, die in die MO-Schicht eingebaut sind, und externe Wärmetauscher, die die MO-Schicht abdecken, wie z. B. Rippen, Kühlmäntel und Wasserbäder.Im Hinblick auf den externen Wärmetauscher analysierte Kaplan16 den Betrieb des MH-Reaktors, wobei Kühlwasser als Mantel verwendet wurde, um die Temperatur im Reaktorinneren zu senken.Die Ergebnisse wurden mit einem 22-Rundlamellen-Reaktor und einem anderen durch natürliche Konvektion gekühlten Reaktor verglichen.Sie geben an, dass das Vorhandensein eines Kühlmantels die Temperatur des MH deutlich senkt und dadurch die Absorptionsrate erhöht.Numerische Studien des wasserummantelten MH-Reaktors von Patil und Gopal17 haben gezeigt, dass der Wasserstoffversorgungsdruck und die HTF-Temperatur Schlüsselparameter sind, die die Geschwindigkeit der Wasserstoffaufnahme und -desorption beeinflussen.
Die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche durch das Hinzufügen von im MH integrierten Rippen und Wärmetauschern ist der Schlüssel zur Verbesserung der Wärme- und Stoffübertragungsleistung und damit der Speicherleistung des MH18.Für die Zirkulation des Kühlmittels im MH19-, 20-, 21-, 22-, 23-, 24-, 25- und 26-Reaktor wurden mehrere interne Wärmetauscherkonfigurationen (gerades Rohr und Spiralschlange) entwickelt.Mithilfe eines internen Wärmetauschers überträgt die Kühl- oder Heizflüssigkeit während des Wasserstoffadsorptionsprozesses lokale Wärme in den MH-Reaktor.Raju und Kumar [27] verwendeten mehrere gerade Rohre als Wärmetauscher, um die Leistung des MG zu verbessern.Ihre Ergebnisse zeigten, dass sich die Absorptionszeiten verkürzten, wenn gerade Rohre als Wärmetauscher verwendet wurden.Darüber hinaus verkürzt die Verwendung gerader Rohre die Wasserstoffdesorptionszeit28.Höhere Kühlmitteldurchflussraten erhöhen die Rate der Beladung und Entladung von Wasserstoff29.Allerdings wirkt sich die Erhöhung der Anzahl der Kühlrohre eher positiv auf die MH-Leistung als auf die Kühlmitteldurchflussrate aus30,31.Raju et al.32 verwendeten LaMi4,7Al0,3 als MH-Material, um die Leistung von Mehrrohrwärmetauschern in Reaktoren zu untersuchen.Sie berichteten, dass die Betriebsparameter einen erheblichen Einfluss auf den Absorptionsprozess hatten, insbesondere der Speisedruck und dann die Durchflussrate des HTF.Allerdings erwies sich die Absorptionstemperatur als weniger kritisch.
Die Leistung des MH-Reaktors wird durch den Einsatz eines Spiralwärmetauschers aufgrund seiner verbesserten Wärmeübertragung im Vergleich zu geraden Rohren weiter verbessert.Dies liegt daran, dass der Sekundärkreislauf die Wärme besser aus dem Reaktor abführen kann25.Darüber hinaus bieten die Spiralrohre eine große Oberfläche für die Wärmeübertragung von der MH-Schicht auf das Kühlmittel.Wenn diese Methode im Reaktor eingeführt wird, ist auch die Verteilung der Wärmetauscherrohre gleichmäßiger33.Wang et al.34 untersuchten den Effekt der Wasserstoffaufnahmedauer, indem sie einem MH-Reaktor eine spiralförmige Spule hinzufügten.Ihre Ergebnisse zeigen, dass mit steigendem Wärmeübergangskoeffizienten des Kühlmittels die Absorptionszeit abnimmt.Wu et al.25 untersuchten die Leistung von Mg2Ni-basierten MH-Reaktoren und Coiled-Coil-Wärmetauschern.Ihre numerischen Studien haben eine Verkürzung der Reaktionszeit gezeigt.Die Verbesserung des Wärmeübertragungsmechanismus im MN-Reaktor basiert auf einem kleineren Verhältnis von Schneckensteigung zu Schneckensteigung und einer dimensionslosen Schneckensteigung.Eine experimentelle Studie von Mellouli et al.21 unter Verwendung einer Spule als interner Wärmetauscher zeigte, dass die HTF-Starttemperatur einen signifikanten Einfluss auf die Verbesserung der Wasserstoffaufnahme- und -desorptionszeit hat.In mehreren Studien wurden Kombinationen verschiedener interner Wärmetauscher durchgeführt.Eisapur et al.35 untersuchten die Wasserstoffspeicherung mithilfe eines Spiralwärmetauschers mit zentralem Rücklaufrohr, um den Wasserstoffabsorptionsprozess zu verbessern.Ihre Ergebnisse zeigten, dass das Spiralrohr und das zentrale Rücklaufrohr die Wärmeübertragung zwischen Kühlmittel und MG deutlich verbessern.Die kleinere Steigung und der größere Durchmesser des Spiralrohrs erhöhen die Wärme- und Stoffübertragungsrate.Ardahaie et al.36 verwendeten flache Spiralrohre als Wärmetauscher, um die Wärmeübertragung innerhalb des Reaktors zu verbessern.Sie berichteten, dass die Absorptionsdauer durch die Erhöhung der Anzahl abgeflachter Spiralrohrebenen verkürzt wurde.In mehreren Studien wurden Kombinationen verschiedener interner Wärmetauscher durchgeführt.Dhau et al.37 verbesserte die Leistung des MH durch einen Spulenwärmetauscher und Rippen.Ihre Ergebnisse zeigen, dass diese Methode die Wasserstoff-Füllzeit im Vergleich zum Fall ohne Rippen um den Faktor 2 verkürzt.Die Ringrippen werden mit Kühlrohren kombiniert und in den MN-Reaktor eingebaut.Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass diese kombinierte Methode im Vergleich zum MH-Reaktor ohne Rippen eine gleichmäßigere Wärmeübertragung bietet.Die Kombination verschiedener Wärmetauscher wirkt sich jedoch negativ auf Gewicht und Volumen des MH-Reaktors aus.Wu et al.18 verglichen verschiedene Wärmetauscherkonfigurationen.Dazu gehören gerade Rohre, Rippen und Spiralspulen.Die Autoren berichten, dass Spiralspulen die besten Verbesserungen bei der Wärme- und Stoffübertragung bieten.Darüber hinaus haben Doppelschlangen im Vergleich zu geraden Rohren, gewickelten Rohren und geraden Rohren in Kombination mit gewickelten Rohren eine bessere Wirkung auf die Verbesserung der Wärmeübertragung.Eine Studie von Sekhar et al.40 zeigte, dass eine ähnliche Verbesserung der Wasserstoffaufnahme mit einer Spiralspule als internem Wärmetauscher und einem gerippten externen Kühlmantel erreicht wurde.
Von den oben genannten Beispielen sorgt die Verwendung von Spiralschlangen als interne Wärmetauscher für bessere Wärme- und Stoffübertragungsverbesserungen als andere Wärmetauscher, insbesondere gerade Rohre und Rippen.Ziel dieser Studie war es daher, die Spiralspule weiterzuentwickeln, um die Wärmeübertragungsleistung zu verbessern.Zum ersten Mal wurde eine neue halbzylindrische Spule entwickelt, die auf der herkömmlichen MH-Speicherwendelspule basiert.Es wird erwartet, dass diese Studie die Leistung der Wasserstoffspeicherung verbessert, indem ein neues Wärmetauscherdesign mit einer besseren Anordnung der Wärmeübertragungszone in Betracht gezogen wird, die durch ein konstantes Volumen von MH-Betten und HTF-Rohren bereitgestellt wird.Anschließend wurde die Speicherleistung dieses neuen Wärmetauschers mit herkömmlichen Spiralwärmetauschern auf Basis unterschiedlicher Spulenteilungen verglichen.Der vorhandenen Literatur zufolge sind die Betriebsbedingungen und der Spulenabstand die Hauptfaktoren, die die Leistung von MH-Reaktoren beeinflussen.Um das Design dieses neuen Wärmetauschers zu optimieren, wurde die Auswirkung des Spulenabstands auf die Wasserstoffaufnahmezeit und das MH-Volumen untersucht.Um den Zusammenhang zwischen den neuen halbzylindrischen Spulen und den Betriebsbedingungen zu verstehen, bestand ein sekundäres Ziel dieser Studie außerdem darin, die Eigenschaften des Reaktors anhand verschiedener Betriebsparameterbereiche zu untersuchen und die geeigneten Werte für jeden Betrieb zu bestimmen Modus.Parameter.
Die Leistung des Wasserstoff-Energiespeichergeräts in dieser Studie wird anhand von zwei Wärmetauscherkonfigurationen (einschließlich Spiralrohren in den Fällen 1 bis 3 und halbzylindrischen Rohren in den Fällen 4 bis 6) und einer Sensitivitätsanalyse der Betriebsparameter untersucht.Die Funktionsfähigkeit des MH-Reaktors wurde erstmals mit einem Spiralrohr als Wärmetauscher getestet.Sowohl die Kühlölleitung als auch der MH-Reaktorbehälter bestehen aus Edelstahl.Es ist zu beachten, dass die Abmessungen des MG-Reaktors und der Durchmesser der GTF-Rohre in allen Fällen konstant waren, während die Schrittgrößen des GTF variierten.In diesem Abschnitt wird der Einfluss der Pitchgröße von HTF-Spulen analysiert.Die Höhe und der Außendurchmesser des Reaktors betrugen 110 mm bzw. 156 mm.Der Durchmesser des wärmeleitenden Ölrohrs ist auf 6 mm eingestellt.Einzelheiten zum Schaltplan des MH-Reaktors mit Spiralrohren und zwei halbzylindrischen Rohren finden Sie im ergänzenden Abschnitt.
Auf Abb.1a zeigt den MH-Spiralrohrreaktor und seine Abmessungen.Alle geometrischen Parameter sind in der Tabelle angegeben.1. Das Gesamtvolumen der Helix und das Volumen des ZG betragen etwa 100 cm3 bzw. 2000 cm3.Aus diesem MH-Reaktor wurde Luft in Form von HTF von unten durch ein Spiralrohr in den porösen MH-Reaktor eingespeist, und Wasserstoff wurde von der Oberseite des Reaktors eingeleitet.
Charakterisierung ausgewählter Geometrien für Metallhydridreaktoren.a) mit einem Spiralrohrwärmetauscher, b) mit einem halbzylindrischen Rohrwärmetauscher.
Im zweiten Teil wird der Betrieb des MH-Reaktors untersucht, der auf einem halbzylindrischen Rohr als Wärmetauscher basiert.Auf Abb.1b zeigt den MN-Reaktor mit zwei halbzylindrischen Rohren und deren Abmessungen.Tabelle 1 listet alle geometrischen Parameter halbzylindrischer Rohre auf, die mit Ausnahme des Abstands zwischen ihnen konstant bleiben.Es ist zu beachten, dass das halbzylindrische Rohr in Fall 4 mit einem konstanten Volumen an HTF-Rohr und MH-Legierung im Spiralrohr konstruiert wurde (Option 3).Was Abb. betrifft.In 1b wurde auch Luft vom Boden der beiden halbzylindrischen HTF-Röhren eingeleitet, und Wasserstoff wurde aus der entgegengesetzten Richtung des MH-Reaktors eingeleitet.
Aufgrund des neuen Designs des Wärmetauschers besteht der Zweck dieses Abschnitts darin, die geeigneten Anfangswerte für die Betriebsparameter des MH-Reaktors in Kombination mit SCHE zu ermitteln.In allen Fällen wurde Luft als Kühlmittel verwendet, um die Wärme aus dem Reaktor abzuleiten.Unter den Wärmeübertragungsölen werden aufgrund ihrer geringen Kosten und geringen Umweltbelastung häufig Luft und Wasser als Wärmeübertragungsöle für MH-Reaktoren gewählt.Aufgrund des hohen Betriebstemperaturbereichs von Magnesiumbasislegierungen wurde in dieser Studie Luft als Kühlmittel gewählt.Darüber hinaus weist es bessere Fließeigenschaften als andere flüssige Metalle und geschmolzene Salze auf41.Tabelle 2 listet die Eigenschaften von Luft bei 573 K auf. Für die Empfindlichkeitsanalyse in diesem Abschnitt werden nur die besten Konfigurationen der MH-SCHE-Leistungsoptionen (in den Fällen 4 bis 6) angewendet.Die Schätzungen in diesem Abschnitt basieren auf verschiedenen Betriebsparametern, darunter der Anfangstemperatur des MH-Reaktors, dem Wasserstoffladedruck, der HTF-Einlasstemperatur und der durch Änderung der HTF-Rate berechneten Reynolds-Zahl.Tabelle 3 enthält alle zur Sensitivitätsanalyse verwendeten Betriebsparameter.
In diesem Abschnitt werden alle notwendigen Steuergleichungen für den Prozess der Wasserstoffabsorption, Turbulenz und Wärmeübertragung von Kühlmitteln beschrieben.
Um die Lösung der Wasserstoffaufnahmereaktion zu vereinfachen, werden die folgenden Annahmen getroffen und bereitgestellt;
Während der Absorption bleiben die thermophysikalischen Eigenschaften von Wasserstoff und Metallhydriden konstant.
Wasserstoff gilt als ideales Gas, daher werden lokale thermische Gleichgewichtsbedingungen43,44 berücksichtigt.
Dabei ist \({L}_{Gas}\) der Radius des Tanks und \({L}_{Wärme}\) die axiale Höhe des Tanks.Wenn N weniger als 0,0146 beträgt, kann der Wasserstofffluss im Tank in der Simulation ohne nennenswerten Fehler ignoriert werden.Nach aktuellen Forschungsergebnissen liegt N deutlich unter 0,1.Daher kann der Druckgradienteneffekt vernachlässigt werden.
Die Reaktorwände waren in allen Fällen gut isoliert.Daher findet kein Wärmeaustausch 47 zwischen dem Reaktor und der Umgebung statt.
Es ist bekannt, dass Mg-basierte Legierungen gute Hydrierungseigenschaften und eine hohe Wasserstoffspeicherkapazität von bis zu 7,6 Gew.-% haben8.Im Hinblick auf Festkörper-Wasserstoffspeicheranwendungen werden diese Legierungen auch als Leichtbaumaterialien bezeichnet.Darüber hinaus verfügen sie über eine hervorragende Hitzebeständigkeit und gute Verarbeitbarkeit8.Unter mehreren Mg-basierten Legierungen ist die MgNi-basierte MgNi-Legierung aufgrund ihrer Wasserstoffspeicherkapazität von bis zu 6 Gew.-% eine der am besten geeigneten Optionen für die MH-Speicherung.Mg2Ni-Legierungen bieten im Vergleich zu MgH48-Legierungen auch eine schnellere Adsorptions- und Desorptionskinetik.Daher wurde in dieser Studie Mg2Ni als Metallhydridmaterial ausgewählt.
Die Energiegleichung wird basierend auf der Wärmebilanz zwischen Wasserstoff und Mg2Ni-Hydrid als 25 ausgedrückt:
X ist die auf der Metalloberfläche absorbierte Wasserstoffmenge, die Einheit ist \(Gewicht\%\), berechnet aus der kinetischen Gleichung \(\frac{dX}{dt}\) während der Absorption wie folgt49:
wobei \({C}_{a}\) die Reaktionsgeschwindigkeit und \({E}_{a}\) die Aktivierungsenergie ist.\({P}_{a,eq}\) ist der Gleichgewichtsdruck im Metallhydridreaktor während des Absorptionsprozesses, gegeben durch die Van't-Hoff-Gleichung wie folgt25:
Dabei ist \({P}_{ref}\) der Referenzdruck von 0,1 MPa.\(\Delta H\) und \(\Delta S\) sind die Enthalpie bzw. Entropie der Reaktion.Die Eigenschaften der Legierungen Mg2Ni und Wasserstoff sind in der Tabelle dargestellt.4. Die genannte Liste finden Sie im Ergänzungsteil.
Der Flüssigkeitsstrom gilt als turbulent, da seine Geschwindigkeit und Reynolds-Zahl (Re) 78,75 ms-1 bzw. 14000 betragen.In dieser Studie wurde ein erreichbares k-ε-Turbulenzmodell ausgewählt.Es ist zu beachten, dass diese Methode im Vergleich zu anderen k-ε-Methoden eine höhere Genauigkeit bietet und außerdem weniger Rechenzeit erfordert als RNG-k-ε50,51-Methoden.Einzelheiten zu den Grundgleichungen für Wärmeträgerflüssigkeiten finden Sie im Ergänzungsabschnitt.
Das Temperaturregime im MN-Reaktor war zunächst einheitlich und die durchschnittliche Wasserstoffkonzentration betrug 0,043.Es wird davon ausgegangen, dass die äußere Begrenzung des MH-Reaktors gut isoliert ist.Legierungen auf Magnesiumbasis erfordern typischerweise hohe Reaktionstemperaturen, um Wasserstoff im Reaktor zu speichern und freizusetzen.Die Mg2Ni-Legierung erfordert einen Temperaturbereich von 523–603 K für maximale Absorption und einen Temperaturbereich von 573–603 K für vollständige Desorption52.Experimentelle Studien von Muthukumar et al.53 zeigten jedoch, dass die maximale Speicherkapazität von Mg2Ni zur Wasserstoffspeicherung bei einer Betriebstemperatur von 573 K erreicht werden kann, was seiner theoretischen Kapazität entspricht.Daher wurde in dieser Studie die Temperatur von 573 K als Anfangstemperatur des MN-Reaktors gewählt.
Erstellen Sie unterschiedliche Rastergrößen für die Validierung und zuverlässige Ergebnisse.Auf Abb.2 zeigt die Durchschnittstemperatur an ausgewählten Stellen im Wasserstoffabsorptionsprozess von vier verschiedenen Elementen.Es ist erwähnenswert, dass aufgrund der ähnlichen Geometrie nur ein Fall jeder Konfiguration zum Testen der Gitterunabhängigkeit ausgewählt wird.In anderen Fällen wird die gleiche Vernetzungsmethode angewendet.Wählen Sie daher Option 1 für das Spiralrohr und Option 4 für das halbzylindrische Rohr.Auf Abb.In Abb. 2a, b zeigt die durchschnittliche Temperatur im Reaktor für die Optionen 1 bzw. 4.Die drei ausgewählten Orte stellen Betttemperaturkonturen oben, in der Mitte und am Boden des Reaktors dar.Basierend auf den Temperaturkonturen an den ausgewählten Standorten wird die Durchschnittstemperatur stabil und zeigt nur geringe Änderungen bei den Elementnummern 428.891 und 430.599 für die Fälle 1 bzw. 4.Daher wurden diese Gittergrößen für weitere rechnerische Berechnungen ausgewählt.Detaillierte Informationen zur durchschnittlichen Betttemperatur für den Wasserstoffabsorptionsprozess für verschiedene Zellgrößen und sukzessive verfeinerte Netze für beide Fälle finden Sie im ergänzenden Abschnitt.
Durchschnittliche Betttemperatur an ausgewählten Punkten im Wasserstoffabsorptionsprozess in einem Metallhydridreaktor mit unterschiedlichen Gitterzahlen.(a) Durchschnittstemperatur an ausgewählten Orten für Fall 1 und (b) Durchschnittstemperatur an ausgewählten Orten für Fall 4.
Der Mg-basierte Metallhydridreaktor in dieser Studie wurde auf der Grundlage der experimentellen Ergebnisse von Muthukumar et al.53 getestet.In ihrer Studie verwendeten sie eine Mg2Ni-Legierung, um Wasserstoff in Edelstahlrohren zu speichern.Zur Verbesserung der Wärmeübertragung im Reaktor werden Kupferlamellen eingesetzt.Auf Abb.3a zeigt einen Vergleich der durchschnittlichen Temperatur des Absorptionsprozessbetts zwischen der experimentellen Studie und dieser Studie.Die für dieses Experiment gewählten Betriebsbedingungen sind: MG-Anfangstemperatur 573 K und Einlassdruck 2 MPa.Aus Abb.Anhand von 3a lässt sich deutlich erkennen, dass dieses experimentelle Ergebnis hinsichtlich der mittleren Schichttemperatur gut mit dem vorliegenden übereinstimmt.
Modellverifizierung.(a) Codeüberprüfung des Mg2Ni-Metallhydridreaktors durch Vergleich der aktuellen Studie mit der experimentellen Arbeit von Muthukumar et al.52 und (b) Überprüfung des Spiralrohr-Turbulenzströmungsmodells durch Vergleich der aktuellen Studie mit der von Kumar et al .Forschung.54.
Um das Turbulenzmodell zu testen, wurden die Ergebnisse dieser Studie mit den experimentellen Ergebnissen von Kumar et al.54 verglichen, um die Richtigkeit des gewählten Turbulenzmodells zu bestätigen.Kumar et al.54 untersuchten die turbulente Strömung in einem Rohr-in-Rohr-Spiralwärmetauscher.Als heißes und kaltes Fluid wird Wasser von gegenüberliegenden Seiten eingespritzt.Die Temperaturen heißer und kalter Flüssigkeiten betragen 323 K bzw. 300 K.Die Reynolds-Zahlen reichen von 3100 bis 5700 für heiße Flüssigkeiten und von 21.000 bis 35.000 für kalte Flüssigkeiten.Die Dean-Zahlen betragen 550–1000 für heiße Flüssigkeiten und 3600–6000 für kalte Flüssigkeiten.Die Durchmesser des Innenrohrs (für heiße Flüssigkeit) und des Außenrohrs (für kalte Flüssigkeit) betragen 0,0254 m bzw. 0,0508 m.Der Durchmesser und die Steigung der Spiralspule betragen 0,762 m bzw. 0,100 m.Auf Abb.3b zeigt einen Vergleich experimenteller und aktueller Ergebnisse für verschiedene Paare von Nusselt- und Dean-Zahlen für das Kühlmittel im Innenrohr.Drei verschiedene Turbulenzmodelle wurden implementiert und mit experimentellen Ergebnissen verglichen.Wie in Abb. gezeigt.Wie aus 3b hervorgeht, stimmen die Ergebnisse des erreichbaren k-ε-Turbulenzmodells gut mit den experimentellen Daten überein.Daher wurde in dieser Studie dieses Modell gewählt.
Numerische Simulationen in dieser Studie wurden mit ANSYS Fluent 2020 R2 durchgeführt.Schreiben Sie eine benutzerdefinierte Funktion (UDF) und verwenden Sie sie als Eingabeterm der Energiegleichung, um die Kinetik des Absorptionsprozesses zu berechnen.Für die Druck-Geschwindigkeits-Kommunikation und Druckkorrektur werden die PRESTO55-Schaltung und die PISO56-Methode verwendet.Wählen Sie eine Greene-Gauss-Zellenbasis für den variablen Gradienten aus.Die Impuls- und Energiegleichungen werden mit der Aufwindmethode zweiter Ordnung gelöst.Bezüglich der Unterrelaxationskoeffizienten werden die Druck-, Geschwindigkeits- und Energiekomponenten auf 0,5, 0,7 bzw. 0,7 eingestellt.Im Turbulenzmodell werden die Standardwandfunktionen auf die HTF angewendet.
In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse numerischer Simulationen einer verbesserten internen Wärmeübertragung eines MH-Reaktors unter Verwendung eines Coiled-Coil-Wärmetauschers (HCHE) und eines Spiral-Coil-Wärmetauschers (SCHE) während der Wasserstoffabsorption vorgestellt.Die Wirkung von HTF-Pech auf die Temperatur des Reaktorbetts und die Absorptionsdauer wurde analysiert.Die wichtigsten Betriebsparameter des Absorptionsprozesses werden im Abschnitt Sensitivitätsanalyse untersucht und dargestellt.
Um den Einfluss des Spulenabstands auf die Wärmeübertragung in einem MH-Reaktor zu untersuchen, wurden drei Wärmetauscherkonfigurationen mit unterschiedlichen Steigungen untersucht.Die drei unterschiedlichen Steigungen von 15 mm, 12,86 mm und 10 mm werden als Körper 1, Körper 2 bzw. Körper 3 bezeichnet.Dabei ist zu beachten, dass der Rohrdurchmesser bei einer Ausgangstemperatur von 573 K und einem Belastungsdruck von 1,8 MPa in allen Fällen auf 6 mm festgelegt wurde.Auf Abb.4 zeigt die durchschnittliche Betttemperatur und Wasserstoffkonzentration in der MH-Schicht während des Wasserstoffabsorptionsprozesses in den Fällen 1 bis 3. Typischerweise ist die Reaktion zwischen dem Metallhydrid und Wasserstoff exotherm gegenüber dem Absorptionsprozess.Daher steigt die Temperatur des Betts aufgrund des ersten Moments, in dem Wasserstoff zum ersten Mal in den Reaktor eingeführt wird, schnell an.Die Betttemperatur steigt an, bis sie einen Maximalwert erreicht, und nimmt dann allmählich ab, da die Wärme vom Kühlmittel abgeführt wird, das eine niedrigere Temperatur hat und als Kühlmittel fungiert.Wie in Abb. gezeigt.In 4a steigt aufgrund der vorherigen Erläuterung die Temperatur der Schicht schnell an und sinkt kontinuierlich.Die Wasserstoffkonzentration für den Absorptionsprozess basiert normalerweise auf der Betttemperatur des MH-Reaktors.Sinkt die durchschnittliche Schichttemperatur auf eine bestimmte Temperatur, nimmt die Metalloberfläche Wasserstoff auf.Dies ist auf die Beschleunigung der Prozesse der Physisorption, Chemisorption, Diffusion von Wasserstoff und der Bildung seiner Hydride im Reaktor zurückzuführen.Aus Abb.In 4b ist zu erkennen, dass die Geschwindigkeit der Wasserstoffabsorption im Fall 3 aufgrund des kleineren Stufenwerts des Spulenwärmetauschers geringer ist als in anderen Fällen.Dies führt zu einer längeren Gesamtrohrlänge und einer größeren Wärmeübertragungsfläche für HTF-Rohre.Bei einer durchschnittlichen Wasserstoffkonzentration von 90 % beträgt die Absorptionszeit für Fall 1 46.276 Sekunden.Im Vergleich zur Absorptionsdauer im Fall 1 war die Absorptionsdauer in den Fällen 2 und 3 um 724 s bzw. 1263 s verkürzt.Der ergänzende Abschnitt präsentiert Temperatur- und Wasserstoffkonzentrationskonturen für ausgewählte Orte in der HCHE-MH-Schicht.
Einfluss des Spulenabstands auf die durchschnittliche Schichttemperatur und die Wasserstoffkonzentration.(a) Durchschnittliche Betttemperatur für spiralförmige Spulen, (b) Wasserstoffkonzentration für spiralförmige Spulen, (c) durchschnittliche Betttemperatur für halbzylindrische Spulen und (d) Wasserstoffkonzentration für halbzylindrische Spulen.
Um die Wärmeübertragungseigenschaften des MG-Reaktors zu verbessern, wurden zwei HFCs für ein konstantes MG-Volumen (2000 cm3) und einen Spiralwärmetauscher (100 cm3) der Option 3 entwickelt. In diesem Abschnitt wird auch die Auswirkung des Abstands zwischen den berücksichtigt Spulen von 15 mm für Fall 4, 12,86 mm für Fall 5 und 10 mm für Fall 6. In Abb.4c,d zeigen die durchschnittliche Betttemperatur und Konzentration des Wasserstoffabsorptionsprozesses bei einer Anfangstemperatur von 573 K und einem Ladedruck von 1,8 MPa.Gemäß der durchschnittlichen Schichttemperatur in Abb. 4c reduziert der geringere Abstand zwischen den Spulen im Fall 6 die Temperatur im Vergleich zu den beiden anderen Fällen deutlich.Im Fall 6 führt eine niedrigere Betttemperatur zu einer höheren Wasserstoffkonzentration (siehe Abb. 4d).Die Wasserstoffaufnahmezeit für Variante 4 beträgt 19542 s und ist damit mehr als doppelt so lang wie für die Varianten 1–3 mit HCH.Darüber hinaus verkürzte sich im Vergleich zu Fall 4 auch die Absorptionszeit um 378 s bzw. 1515 s in den Fällen 5 und 6 mit geringeren Abständen.Der ergänzende Abschnitt präsentiert Temperatur- und Wasserstoffkonzentrationskonturen für ausgewählte Orte in der SCHE-MH-Schicht.
Um die Leistung von zwei Wärmetauscherkonfigurationen zu untersuchen, werden in diesem Abschnitt Temperaturkurven an drei ausgewählten Standorten aufgezeichnet und dargestellt.Der MH-Reaktor mit HCHE aus Fall 3 wurde für den Vergleich mit dem MH-Reaktor mit SCHE aus Fall 4 ausgewählt, da er ein konstantes MH-Volumen und Rohrvolumen aufweist.Die Betriebsbedingungen für diesen Vergleich waren eine Anfangstemperatur von 573 K und ein Ladedruck von 1,8 MPa.Auf Abb.5a und 5b zeigen alle drei ausgewählten Positionen der Temperaturprofile in den Fällen 3 bzw. 4.Auf Abb.5c zeigt den Temperaturverlauf und die Schichtkonzentration nach 20.000 s Wasserstoffaufnahme.Gemäß Zeile 1 in Abb. 5c sinkt die Temperatur um den TTF aus den Optionen 3 und 4 aufgrund der konvektiven Wärmeübertragung des Kühlmittels.Dies führt zu einer höheren Wasserstoffkonzentration in diesem Bereich.Allerdings führt die Verwendung von zwei SCHEs zu einer höheren Schichtkonzentration.In Fall 4 wurden schnellere kinetische Reaktionen rund um die HTF-Region gefunden. Darüber hinaus wurde in dieser Region auch eine maximale Konzentration von 100 % gefunden.Ab Leitung 2, die sich in der Mitte des Reaktors befindet, ist die Temperatur von Gehäuse 4 an allen Stellen außer der Mitte des Reaktors deutlich niedriger als die Temperatur von Gehäuse 3.Dies führt zu der maximalen Wasserstoffkonzentration für Fall 4 mit Ausnahme des Bereichs nahe der Mitte des Reaktors, entfernt vom HTF.An der Konzentration von Fall 3 änderte sich jedoch nicht viel.Ein großer Temperatur- und Konzentrationsunterschied der Schicht wurde in Linie 3 nahe dem Eingang zum GTS beobachtet.Die Temperatur der Schicht im Fall 4 sank deutlich, was zu der höchsten Wasserstoffkonzentration in diesem Bereich führte, während die Konzentrationslinie im Fall 3 noch schwankte.Dies ist auf die Beschleunigung der SCHE-Wärmeübertragung zurückzuführen.Einzelheiten und Diskussionen zum Vergleich der durchschnittlichen Temperatur der MH-Schicht und des HTF-Rohrs zwischen Fall 3 und Fall 4 finden Sie im ergänzenden Abschnitt.
Temperaturprofil und Bettkonzentration an ausgewählten Stellen im Metallhydridreaktor.(a) Ausgewählte Orte für Fall 3, (b) Ausgewählte Orte für Fall 4 und (c) Temperaturprofil und Schichtkonzentration an ausgewählten Orten nach 20.000 s für den Wasserstoffaufnahmeprozess in den Fällen 3 und 4.
Auf Abb.Abbildung 6 zeigt einen Vergleich der durchschnittlichen Betttemperatur (siehe Abb. 6a) und der Wasserstoffkonzentration (siehe Abb. 6b) für die Absorption von HCH und SHE.Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, dass die Temperatur der MG-Schicht aufgrund einer Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche deutlich abnimmt.Die Abfuhr von mehr Wärme aus dem Reaktor führt zu einer höheren Wasserstoffaufnahmerate.Obwohl die beiden Wärmetauscherkonfigurationen im Vergleich zur Verwendung von HCHE als Option 3 die gleichen Volumina aufweisen, konnte die Wasserstoffaufnahmezeit von SCHE basierend auf Option 4 deutlich um 59 % verkürzt werden.Für eine detailliertere Analyse sind die Wasserstoffkonzentrationen für die beiden Wärmetauscherkonfigurationen als Isolinien in Abbildung 7 dargestellt. Diese Abbildung zeigt, dass in beiden Fällen die Wasserstoffaufnahme von unten um den HTF-Einlass herum beginnt.Im HTF-Bereich wurden höhere Konzentrationen festgestellt, während im Zentrum des MH-Reaktors aufgrund seiner Entfernung vom Wärmetauscher niedrigere Konzentrationen beobachtet wurden.Nach 10.000 s ist die Wasserstoffkonzentration im Fall 4 deutlich höher als im Fall 3. Nach 20.000 Sekunden ist die durchschnittliche Wasserstoffkonzentration im Reaktor im Fall 4 auf 90 % im Vergleich zu 50 % Wasserstoff im Fall 3 angestiegen. Das kann daran liegen auf die höhere effektive Kühlkapazität der Kombination zweier SCHEs, was zu einer niedrigeren Temperatur innerhalb der MH-Schicht führt.Folglich stellt sich innerhalb der MG-Schicht ein ausgeglichenerer Druck ein, was zu einer schnelleren Absorption von Wasserstoff führt.
Fall 3 und Fall 4 Vergleich der durchschnittlichen Betttemperatur und Wasserstoffkonzentration zwischen zwei Wärmetauscherkonfigurationen.
Vergleich der Wasserstoffkonzentration nach 500, 2000, 5000, 10000 und 20000 s nach Beginn des Wasserstoffabsorptionsprozesses in Fall 3 und Fall 4.
Tabelle 5 fasst die Dauer der Wasserstoffaufnahme für alle Fälle zusammen.Darüber hinaus zeigt die Tabelle auch die Zeit der Wasserstoffaufnahme, ausgedrückt in Prozent.Dieser Prozentsatz wird basierend auf der Absorptionszeit von Fall 1 berechnet. Aus dieser Tabelle geht hervor, dass die Absorptionszeit des MH-Reaktors mit HCHE etwa 45.000 bis 46.000 s beträgt und die Absorptionszeit einschließlich SCHE etwa 18.000 bis 19.000 s beträgt.Im Vergleich zu Fall 1 wurde die Absorptionszeit in Fall 2 und Fall 3 nur um 1,6 % bzw. 2,7 % verkürzt.Bei Verwendung von SCHE anstelle von HCHE wurde die Absorptionszeit von Fall 4 bis Fall 6 deutlich verkürzt, von 58 % auf 61 %.Es ist klar, dass die Zugabe von SCHE zum MH-Reaktor den Wasserstoffabsorptionsprozess und die Leistung des MH-Reaktors erheblich verbessert.Obwohl der Einbau eines Wärmetauschers im Inneren des MH-Reaktors die Speicherkapazität verringert, bietet diese Technologie im Vergleich zu anderen Technologien eine deutliche Verbesserung der Wärmeübertragung.Außerdem erhöht eine Verringerung des Tonhöhenwerts die Lautstärke des SCHE, was zu einer Verringerung der Lautstärke des MH führt.Im Fall 6 mit dem höchsten SCHE-Volumen war die MH-Volumenkapazität im Vergleich zu Fall 1 mit dem niedrigsten HCHE-Volumen nur um 5 % reduziert.Darüber hinaus zeigte Fall 6 während der Absorption eine schnellere und bessere Leistung mit einer Reduzierung der Absorptionszeit um 61 %.Daher wurde Fall 6 für die weitere Untersuchung in der Sensitivitätsanalyse ausgewählt.Es ist zu beachten, dass die lange Wasserstoffaufnahmezeit mit einem Speichertank verbunden ist, der ein MH-Volumen von etwa 2000 cm3 enthält.
Die Betriebsparameter während der Reaktion sind wichtige Faktoren, die die Leistung des MH-Reaktors unter realen Bedingungen positiv oder negativ beeinflussen.Diese Studie berücksichtigt eine Sensitivitätsanalyse zur Bestimmung der geeigneten anfänglichen Betriebsparameter für einen MH-Reaktor in Kombination mit SCHE. In diesem Abschnitt werden die vier Hauptbetriebsparameter basierend auf der optimalen Reaktorkonfiguration in Fall 6 untersucht. Die Ergebnisse für alle Betriebsbedingungen sind in dargestellt Abb. 8.
Diagramm der Wasserstoffkonzentration unter verschiedenen Betriebsbedingungen bei Verwendung eines Wärmetauschers mit halbzylindrischer Spule.(a) Ladedruck, (b) anfängliche Betttemperatur, (c) Kühlmittel-Reynolds-Zahl und (d) Kühlmitteleinlasstemperatur.
Basierend auf einer konstanten Anfangstemperatur von 573 K und einem Kühlmitteldurchfluss mit einer Reynolds-Zahl von 14.000 wurden vier verschiedene Belastungsdrücke ausgewählt: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa und 3,0 MPa.Auf Abb.8a zeigt die Auswirkung von Ladedruck und SCHE auf die Wasserstoffkonzentration im Zeitverlauf.Mit steigendem Belastungsdruck verkürzt sich die Absorptionszeit.Die Verwendung eines angelegten Wasserstoffdrucks von 1,2 MPa ist der ungünstigste Fall für den Wasserstoffabsorptionsprozess, und die Absorptionsdauer beträgt mehr als 26.000 s, um eine Wasserstoffabsorption von 90 % zu erreichen.Der höhere Ladedruck führte jedoch zu einer Verkürzung der Absorptionszeit um 32–42 % von 1,8 auf 3,0 MPa.Dies ist auf den höheren Anfangsdruck des Wasserstoffs zurückzuführen, der zu einer größeren Differenz zwischen dem Gleichgewichtsdruck und dem angelegten Druck führt.Dadurch entsteht eine große treibende Kraft für die Kinetik der Wasserstoffaufnahme.Zu Beginn wird Wasserstoffgas aufgrund der großen Differenz zwischen dem Gleichgewichtsdruck und dem angelegten Druck schnell absorbiert57.Bei einem Ladedruck von 3,0 MPa sammelten sich in den ersten 10 Sekunden schnell 18 % Wasserstoff an.Wasserstoff wurde in 90 % der Reaktoren in der Endstufe für 15460 s gespeichert.Bei einem Belastungsdruck von 1,2 bis 1,8 MPa verkürzte sich die Absorptionszeit jedoch deutlich um 32 %.Andere höhere Drücke hatten einen geringeren Einfluss auf die Verbesserung der Absorptionszeiten.Daher wird empfohlen, dass der Ladedruck des MH-SCHE-Reaktors 1,8 MPa beträgt.Der ergänzende Abschnitt zeigt die Wasserstoffkonzentrationskonturen für verschiedene Ladedrücke bei 15500 s.
Die Wahl einer geeigneten Anfangstemperatur des MH-Reaktors ist einer der Hauptfaktoren, die den Wasserstoffadsorptionsprozess beeinflussen, da sie die treibende Kraft der Hydridbildungsreaktion beeinflusst.Um die Wirkung von SCHE auf die Anfangstemperatur des MH-Reaktors zu untersuchen, wurden vier verschiedene Temperaturen bei einem konstanten Ladedruck von 1,8 MPa und einer Reynolds-Zahl von 14.000 HTF gewählt.Auf Abb.Abbildung 8b zeigt einen Vergleich verschiedener Starttemperaturen, darunter 473 K, 523 K, 573 K und 623 K.Tatsächlich weist die Mg2Ni-Legierung wirksame Eigenschaften für den Wasserstoffabsorptionsprozess auf, wenn die Temperatur höher als 230 °C oder 503 K58 ist.Zu Beginn der Wasserstoffinjektion steigt die Temperatur jedoch schnell an.Folglich wird die Temperatur der MG-Schicht 523 K überschreiten. Daher wird die Bildung von Hydriden aufgrund der erhöhten Absorptionsrate erleichtert53.Aus Abb.Aus Abb. 8b ist ersichtlich, dass Wasserstoff schneller absorbiert wird, wenn die Anfangstemperatur der MB-Schicht sinkt.Niedrigere Gleichgewichtsdrücke treten auf, wenn die Anfangstemperatur niedriger ist.Je größer der Druckunterschied zwischen dem Gleichgewichtsdruck und dem angelegten Druck ist, desto schneller verläuft der Prozess der Wasserstoffaufnahme.Bei einer Anfangstemperatur von 473 K wird der Wasserstoff in den ersten 18 Sekunden schnell bis zu 27 % absorbiert.Darüber hinaus wurde die Absorptionszeit bei einer niedrigeren Anfangstemperatur im Vergleich zur Anfangstemperatur von 623 K von 11 % auf 24 % verkürzt. Die Absorptionszeit bei der niedrigsten Anfangstemperatur von 473 K beträgt 15247 s, was dem Bestwert ähnelt Im Fall des Ladedrucks führt die Abnahme der Anfangstemperatur des Reaktors jedoch zu einer Verringerung der Wasserstoffspeicherkapazität.Die Anfangstemperatur des MN-Reaktors muss mindestens 503 K53 betragen.Darüber hinaus kann bei einer Anfangstemperatur von 573 K53 eine maximale Wasserstoffspeicherkapazität von 3,6 Gew.-% erreicht werden.Bezüglich Wasserstoffspeicherkapazität und Absorptionsdauer verkürzen Temperaturen zwischen 523 und 573 K die Zeit nur um 6 %.Daher wird eine Temperatur von 573 K als Anfangstemperatur des MH-SCHE-Reaktors vorgeschlagen.Der Einfluss der Anfangstemperatur auf den Absorptionsprozess war jedoch im Vergleich zum Ladedruck weniger signifikant.Der Ergänzungsteil zeigt die Konturen der Wasserstoffkonzentration für verschiedene Anfangstemperaturen bei 15500 s.
Die Durchflussrate ist einer der Hauptparameter der Hydrierung und Dehydrierung, da sie Turbulenz und Wärmeabfuhr bzw. -eintrag während der Hydrierung und Dehydrierung beeinflussen kann59.Hohe Durchflussraten erzeugen turbulente Phasen und führen zu einem schnelleren Flüssigkeitsfluss durch die HTF-Schläuche.Diese Reaktion führt zu einer schnelleren Wärmeübertragung.Unterschiedliche Eintrittsgeschwindigkeiten für HTF werden auf der Grundlage der Reynolds-Zahlen 10.000, 14.000, 18.000 und 22.000 berechnet.Die Anfangstemperatur der MG-Schicht wurde auf 573 K und der Belastungsdruck auf 1,8 MPa festgelegt.Die Ergebnisse in Abb.8c zeigen, dass die Verwendung einer höheren Reynolds-Zahl in Kombination mit SCHE zu einer höheren Aufnahmerate führt.Wenn die Reynolds-Zahl von 10.000 auf 22.000 steigt, verkürzt sich die Absorptionszeit um etwa 28–50 %.Die Absorptionszeit beträgt bei einer Reynolds-Zahl von 22.000 12.505 Sekunden und ist damit kürzer als bei verschiedenen anfänglichen Belastungstemperaturen und -drücken.Konturen der Wasserstoffkonzentration für verschiedene Reynolds-Zahlen für GTP bei 12500 s werden im ergänzenden Abschnitt dargestellt.
Der Einfluss von SCHE auf die Anfangstemperatur des HTF wird analysiert und in Abb. 8d dargestellt.Bei einer anfänglichen MG-Temperatur von 573 K und einem Wasserstoffladedruck von 1,8 MPa wurden für diese Analyse vier Anfangstemperaturen ausgewählt: 373 K, 473 K, 523 K und 573 K. 8d zeigt, dass die Temperatur des Kühlmittels abnimmt am Einlass führt zu einer Verkürzung der Absorptionszeit.Im Vergleich zum Basisfall mit einer Eintrittstemperatur von 573 K wurde die Absorptionszeit bei Eintrittstemperaturen von 523 K, 473 K bzw. 373 K um etwa 20 %, 44 % und 56 % verkürzt.Bei 6917 s beträgt die Anfangstemperatur des GTF 373 K, die Wasserstoffkonzentration im Reaktor beträgt 90 %.Dies kann durch eine verbesserte konvektive Wärmeübertragung zwischen der MG-Schicht und dem HCS erklärt werden.Niedrigere HTF-Temperaturen erhöhen die Wärmeableitung und führen zu einer erhöhten Wasserstoffaufnahme.Unter allen Betriebsparametern war die Verbesserung der Leistung des MH-SCHE-Reaktors durch Erhöhung der HTF-Einlasstemperatur die am besten geeignete Methode, da die Endzeit des Absorptionsprozesses weniger als 7000 s betrug, während die kürzeste Absorptionszeit anderer Methoden mehr betrug als 10000 s.Konturen der Wasserstoffkonzentration werden für verschiedene Anfangstemperaturen von GTP für 7000 s dargestellt.
In dieser Studie wird erstmals ein neuer halbzylindrischer Rohrschlangenwärmetauscher vorgestellt, der in einen Metallhydridspeicher integriert ist.Die Fähigkeit des vorgeschlagenen Systems, Wasserstoff zu absorbieren, wurde mit verschiedenen Konfigurationen des Wärmetauschers untersucht.Um die optimalen Bedingungen für die Speicherung von Metallhydriden mithilfe eines neuen Wärmetauschers zu finden, wurde der Einfluss der Betriebsparameter auf den Wärmeaustausch zwischen der Metallhydridschicht und dem Kühlmittel untersucht.Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Mit einem halbzylindrischen Spulenwärmetauscher wird die Wärmeübertragungsleistung verbessert, da er eine gleichmäßigere Wärmeverteilung im Magnesiumschichtreaktor aufweist, was zu einer besseren Wasserstoffabsorptionsrate führt.Unter der Voraussetzung, dass das Volumen des Wärmetauscherrohrs und des Metallhydrids unverändert bleibt, wird die Absorptionsreaktionszeit im Vergleich zu einem herkömmlichen Coiled-Coil-Wärmetauscher deutlich um 59 % verkürzt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. Januar 2023