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L'idruri di metalli (MH) sò ricunnisciuti cum'è unu di i gruppi di materiali più adattati per u almacenamentu di l'idrogenu per via di a so grande capacità di almacenamentu di l'idrogenu, a bassa pressione di operazione è a so alta sicurezza.Tuttavia, a so lenta cinetica di assorbimentu di l'idrogenu riduce assai u rendiment di almacenamiento.A rimozione di u calore più veloce da l'almacenamiento MH puderia ghjucà un rolu impurtante in l'aumentu di a so rata di assorbimentu di l'idrogenu, risultatu in una prestazione di almacenamento mejorata.In questu rispettu, stu studiu hè statu destinatu à migliurà e caratteristiche di trasferimentu di calore per influenzà positivamente a rata di assorbimentu di l'idrogenu di u sistema di almacenamento MH.A nova bobina semi-cilindrica hè stata prima sviluppata è ottimizzata per u almacenamentu di l'idrogenu è incorporata cum'è un scambiatore internu di l'aria-cum'è calore (HTF).Basatu nantu à e diverse dimensioni di pitch, l'effettu di a nova cunfigurazione di scambiatore di calore hè analizatu è paragunatu cù a geometria di a bobina elicoidale convenzionale.Inoltre, i paràmetri operativi di l'almacenamiento di MG è GTP sò stati studiati numericamente per ottene valori ottimali.Per a simulazione numerica, ANSYS Fluent 2020 R2 hè utilizatu.I risultati di stu studiu mostranu chì a prestazione di un cisterna di almacenamento MH pò esse migliurata significativamente utilizendu un scambiatore di calore di bobina semi-cilindrica (SCHE).In cunfrontu à i scambiatori di calore di spirale spirale, a durata di l'assorbimentu di l'idrogenu hè ridutta di 59%.A distanza più chjuca trà e bobine SCHE hà risultatu in una riduzione di 61% in u tempu di assorbimentu.In quantu à i paràmetri di u funziunamentu di l'almacenamiento MG cù SHE, tutti i paràmetri selezziunati portanu à una mellura significativa in u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu, in particulare a temperatura à l'ingressu à l'HTS.
Ci hè una transizione globale da l'energia basata nantu à i combustibili fossili à l'energia rinnuvevule.Perchè parechje forme di energia rinnuvevuli furnisce u putere in una manera dinamica, l'almacenamiento d'energia hè necessariu per equilibrà a carica.L'almacenamiento di l'energia basatu à l'idrogenu hà attiratu assai attenzione per questu scopu, soprattuttu perchè l'idrogenu pò esse usatu cum'è carburante alternativu "verde" è trasportatore d'energia per via di e so proprietà è portabilità.Inoltre, l'idrogenu offre ancu un cuntenutu energeticu più altu per unità di massa cumparatu cù i combustibili fossili2.Ci sò quattru tippi principali di almacenamentu di l'energia di l'idrogenu: almacenamentu di gasu cumpressu, almacenamentu sotterraneo, almacenamentu di liquidu è almacenamentu solidu.L'idrogenu cumpressu hè u tipu principale utilizatu in i veiculi di celle di carburante, cum'è autobus è carrelli elevatori.Tuttavia, stu almacenamentu furnisce una bassa densità di massa di l'idrogenu (circa 0,089 kg/m3) è hà prublemi di sicurezza assuciati cù una pressione operativa alta3.Basatu nantu à un prucessu di cunversione à bassa temperatura è pressione di l'ambienti, l'almacenamiento di liquidu almacenarà l'idrogenu in forma liquida.In ogni casu, quandu u liquidu, circa 40% di l'energia hè persa.Inoltre, sta tecnulugia hè cunnisciuta per esse più energia è travagliu intensivu cumparatu cù e tecnulugia di almacenamentu in u statu solidu4.L'almacenamiento solidu hè una opzione viable per una ecunumia di l'idrogenu, chì almacena l'idrogenu incorporendu l'idrogenu in materiali solidi per l'assorbimentu è liberendu l'idrogenu per desorption.L'idruru di metallu (MH), una tecnulugia di almacenamentu di materiale solidu, hè di recente interessu in l'applicazioni di celle di combustibile per via di a so alta capacità di l'idrogenu, a bassa pressione operativa è u prezzu bassu cumparatu cù u almacenamentu di liquidu, è hè adattatu per l'applicazioni stazionarie è mobili6,7 In Inoltre, i materiali MH furniscenu ancu proprietà di sicurezza cum'è un almacenamentu efficiente di grande capacità8.Tuttavia, ci hè un prublema chì limita a produtividade di u MG: a bassa conductività termale di u reattore MG porta à l'assorbimentu lento è a desorption di l'idrogenu.
U trasferimentu di calore propiu durante e reazzioni esotermichi è endotermichi hè a chjave per migliurà u rendiment di i reattori MH.Per u prucessu di carica di l'idrogenu, u calore generatu deve esse eliminatu da u reattore per cuntrullà u flussu di carica di l'idrogenu à a tarifa desiderata cù a capacità massima di almacenamento.Invece, u calore hè necessariu per aumentà a rata di l'evoluzione di l'idrogenu durante a scaricamentu.Per migliurà u rendiment di trasferimentu di calore è di massa, assai circadori anu studiatu u disignu è l'ottimisazione basatu annantu à parechji fatturi, cum'è i paràmetri di u funziunamentu, a struttura MG è l'optimizazione MG11.L'ottimisazione di MG pò esse fatta aghjustendu materiali di alta conductività termale cum'è metalli di schiuma à i strati MG 12,13.Cusì, a conduttività termale efficace pò esse aumentata da 0,1 à 2 W/mK10.Tuttavia, l'aghjunzione di materiali solidi riduce significativamente a putenza di u reattore MN.In quantu à i paràmetri di u funziunamentu, i migliuramentu ponu esse ottenuti ottimisendu e cundizioni iniziali di u funziunamentu di a capa MG è di refrigerante (HTF).A struttura di u MG pò esse ottimisata per via di a geometria di u reattore è u disignu di u scambiatore di calore.In quantu à a cunfigurazione di u scambiatore di calore di u reattore MH, i metudi ponu esse divisu in dui tipi.Quessi sò scambiatori di calore interni integrati in a strata MO è scambiatori di calore esterni chì coprenu a capa MO cum'è pinne, giacche di rinfrescante è bagni d'acqua.In quantu à u scambiatore di calore esternu, Kaplan16 analizò u funziunamentu di u reattore MH, utilizendu l'acqua di rinfrescante cum'è una giacca per riduce a temperatura in u reattore.I risultati sò stati paragunati cù un reattore 22 round fin è un altru reattore rinfriscatu da cunvezione naturali.Dichjaranu chì a prisenza di una giacca di rinfrescante riduce significativamente a temperatura di u MH, aumentandu cusì a rata di assorbimentu.Studi numerichi di u reattore MH in giacca d'acqua da Patil è Gopal17 anu dimustratu chì a pressione di l'approvvigionamentu di l'idrogenu è a temperatura HTF sò paràmetri chjave chì influenzanu a rata di captazione è desorbimentu di l'idrogenu.
Aumentà l'area di trasferimentu di calore aghjunghjendu pinne è scambiatori di calore integrati in u MH hè a chjave per migliurà u rendiment di trasferimentu di calore è di massa è dunque u rendiment di almacenamento di u MH18.Diversi cunfigurazioni di scambiatori di calore internu (tubu drittu è bobina spirale) sò stati pensati per circulà u refrigerante in u reattore MH19,20,21,22,23,24,25,26.Utilizendu un scambiatore di calore internu, u liquidu di rinfrescante o di riscaldamentu trasfererà u calore lucale in u reattore MH durante u prucessu di adsorption di l'idrogenu.Raju è Kumar [27] anu utilizatu parechji tubi dritti cum'è scambiatori di calore per migliurà a prestazione di u MG.I so risultati anu dimustratu chì i tempi di assorbimentu sò ridotti quandu i tubi dritti sò stati utilizati cum'è scambiatori di calore.Inoltre, l'usu di tubi dritti riduce u tempu di desorption di l'idrogenu28.I tassi di flussu di refrigerante più elevati aumentanu a velocità di carica è scarica di l'idrogenu29.Tuttavia, l'aumentu di u numeru di tubi di rinfrescante hà un effettu pusitivu nantu à u rendiment MH piuttostu cà u flussu di refrigerante30,31.Raju et al.32 utilizatu LaMi4.7Al0.3 cum'è materiale MH per studià u funziunamentu di scambiatori di calore multitube in reactors.Anu infurmatu chì i paràmetri di u funziunamentu anu avutu un effettu significativu nantu à u prucessu d'absorzione, in particulari a pressione di l'alimentazione è dopu u flussu di HTF.Tuttavia, a temperatura di l'absorzione hè stata menu critica.
U rendimentu di u reattore MH hè ancu migliuratu da l'usu di un scambiatore di calore in spirale per via di u so trasferimentu di calore migliuratu cumparatu cù i tubi dritti.Questu hè chì u ciculu secundariu pò caccià megliu u calore da u reactor25.Inoltre, i tubi spirali furnisce una grande superficie per u trasferimentu di calore da a capa MH à u coolant.Quandu stu metudu hè introduttu in u reattore, a distribuzione di i tubi di scambiu di calore hè ancu più uniforme33.Wang et al.34 hà studiatu l'effettu di a durazione di l'assunzione di l'idrogenu aghjunghjendu una bobina elicoidale à un reactore MH.I so risultati mostranu chì quandu u coefficient di trasferimentu di calore di u refrigerante aumenta, u tempu d'absorzione diminuisce.Wu et al.25 hà investigatu u rendiment di i reattori MH basati in Mg2Ni è i scambiatori di calore di bobina in spirale.I so studii numerichi anu dimustratu una riduzione di u tempu di reazione.A migliione di u meccanismo di trasferimentu di calore in u reattore MN hè basatu annantu à un rapportu più chjuca di pitch di viti à pitch di viti è un pitch di vite senza dimensioni.Un studiu spirimintali da Mellouli et al.21 utilizendu una bobina coiled cum'è un scambiatore di calore internu hà dimustratu chì a temperatura di l'iniziu HTF hà un effettu significativu nantu à a migliurà l'uptake di l'idrogenu è u tempu di desorption.Cumminzioni di diversi scambiatori di calore internu sò stati realizati in parechji studii.Eisapur et al.35 hà studiatu u almacenamentu di l'idrogenu utilizendu un scambiatore di calore in spirale cù un tubu di ritornu cintrali per migliurà u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu.I so risultati anu dimustratu chì u tubu spirale è u tubu di ritornu cintrali migliurà significativamente u trasferimentu di calore trà u coolant è u MG.U pitch più chjucu è u diametru più grande di u tubu spirale aumentanu a rata di trasferimentu di calore è di massa.Ardahaie et al.36 anu utilizatu tubi spirali piani cum'è scambiatori di calore per migliurà u trasferimentu di calore in u reattore.Anu infurmatu chì a durata di l'absorzione hè stata ridutta aumentendu u nùmeru di piani di tubi spirali appiattiti.Cumminzioni di diversi scambiatori di calore internu sò stati realizati in parechji studii.Dhau et al.37 hà migliuratu u funziunamentu di u MH utilizendu un scambiatore di calore di bobina è alette.I so risultati mostranu chì stu metudu riduce u tempu di riempimentu di l'idrogenu per un fattore di 2 cumparatu cù u casu senza pinne.L'alette annulari sò cumminati cù tubi di rinfrescante è integrati in u reactor MN.I risultati di stu studiu mostranu chì stu metudu cumminatu furnisce un trasferimentu di calore più uniforme cumparatu cù u reattore MH senza pinne.Tuttavia, cumminendu diversi scambiatori di calore affettanu negativamente u pesu è u voluminu di u reattore MH.Wu et al.18 hà paragunatu diverse cunfigurazioni di scambiatori di calore.Questi includenu tubi dritti, pinne è bobine spirali.L'autori informanu chì e bobine spirali furnisce i migliori miglioramenti in u trasferimentu di calore è di massa.Inoltre, paragunatu cù tubi dritti, tubi coiled, è tubi dritti cumminati cù tubi coiled, bobine doppie anu un effettu megliu nantu à migliurà u trasferimentu di calore.Un studiu di Sekhar et al.40 hà dimustratu chì una migliione simile in l'assunzione di l'idrogenu hè stata ottenuta utilizendu una bobina spirale cum'è scambiatore di calore internu è una giacca di raffreddamentu esterna alettata.
Di l'esempii citati sopra, l'usu di bobine spirali cum'è scambiatori di calore internu furnisce megliu megliu di trasferimentu di calore è di massa cà l'altri scambiatori di calore, in particulare i tubi dritti è l'alette.Dunque, u scopu di stu studiu era di sviluppà ulteriormente a bobina spirale per migliurà a prestazione di trasferimentu di calore.Per a prima volta, una nova bobina semi-cilindrica hè stata sviluppata basatu annantu à a bobina elicoidale di almacenamiento MH convenzionale.Stu studiu hè previstu di migliurà a prestazione di almacenamentu di l'idrogenu cunsiderendu un novu disignu di scambiatore di calore cù un layout di zona di trasferimentu di calore megliu furnitu da un voluminu constante di lettu MH è tubi HTF.A prestazione di almacenamentu di stu novu scambiatore di calore hè stata paragunata à i scambiatori di calore di bobina spirale cunvinziunali basati in diverse piazze di bobina.Sicondu a literatura esistente, e cundizioni di u funziunamentu è u spaziu di bobine sò i fatturi principali chì afectanu u rendiment di i reattori MH.Per ottimisà u disignu di stu novu scambiatore di calore, l'effettu di a spaziatura di a bobina nantu à u tempu di assunzione di l'idrogenu è u voluminu MH hè statu investigatu.Inoltre, per capiscenu a relazione trà e novi bobine semi-cilindriche è e cundizioni di u funziunamentu, un scopu secundariu di stu studiu era di studià e caratteristiche di u reattore secondu diversi intervalli di paràmetri operativi è determinà i valori appropritati per ogni operazione. modu.paràmetru.
U funziunamentu di u dispusitivu di almacenamentu di l'energia di l'idrogenu in stu studiu hè investigatu basatu annantu à duie cunfigurazioni di scambiatori di calore (cumpresi tubi spirali in i casi 1 à 3 è tubi semi-cilindrichi in i casi 4 à 6) è un analisi di sensibilità di i paràmetri operativi.L'operabilità di u reattore MH hè stata pruvata per a prima volta cù un tubu spirale cum'è scambiatore di calore.Tramindui u tubu di l'oliu di refrigerante è u bastimentu di u reattore MH sò fatti di acciaio inox.Semu devi esse nutatu chì e dimensioni di u reattore MG è u diametru di i tubi GTF eranu custanti in tutti i casi, mentre chì e dimensioni di u passu di u GTF variavanu.Questa sezione analizeghja l'effettu di a dimensione di pitch di bobine HTF.L'altezza è u diametru esternu di u reattore eranu 110 mm è 156 mm, rispettivamente.U diametru di u tubu di l'oliu di cunduzzione di u calore hè stabilitu à 6 mm.Vede a Sezione Supplementaria per i dettagli nantu à u schema di circuitu di u reattore MH cù tubi spirali è dui tubi semicilindrici.
Nantu à fig.1a mostra u reattore di tubu spirale MH è e so dimensioni.Tutti i paràmetri geomettichi sò datu in a tabella.1. U voluminu tutale di l'helix è u voluminu di u ZG sò circa 100 cm3 è 2000 cm3, rispettivamente.Da stu reattore MH, l'aria in forma di HTF hè stata alimentata in u reattore MH poroso da sottu à traversu un tubu spirale, è l'idrogenu hè statu introduttu da a superficia superiore di u reattore.
Caratterizazione di geometrie selezziunate per i reattori à idruru metallicu.a) cù un scambiatore di calore spirale-tubulare, b) cù un scambiatore di calore tubular semi-cilindrico.
A seconda parte esamina u funziunamentu di u reattore MH basatu nantu à un tubu semi-cilindrico cum'è scambiatore di calore.Nantu à fig.1b mostra u reattore MN cù dui tubi semi-cilindrichi è e so dimensioni.A Tabella 1 lista tutti i paràmetri geomettichi di i tubi semi-cilindrichi, chì fermanu custanti, cù l'eccezzioni di a distanza trà elli.Semu devi esse nutatu chì u tubu semi-cilindrico in u Case 4 hè statu cuncepitu cù un voluminu constantu di tubu HTF è alea MH in u tubu coiled (opzione 3).In quantu à fig.1b, l'aria hè statu ancu introduttu da u fondu di i dui tubi HTF semi-cilindrichi, è l'idrogenu hè statu introduttu da a direzzione opposta di u reattore MH.
A causa di u novu disignu di u scambiatore di calore, u scopu di sta sezione hè di determinà i valori iniziali adattati per i paràmetri di u funziunamentu di u reattore MH in cumbinazione cù SCHE.In tutti i casi, l'aria hè stata utilizata com'è refrigerante per sguassà u calore da u reactor.Trà l'olii di trasferimentu di calore, l'aria è l'acqua sò cumunimenti scelti cum'è olii di trasferimentu di calore per i reattori MH per via di u so prezzu bassu è di l'impattu ambientale bassu.A causa di l'altu intervallu di temperatura di u funziunamentu di l'aliati basati in magnesiu, l'aria hè stata scelta cum'è u refrigerante in stu studiu.Inoltre, hà ancu caratteristiche di flussu megliu cà altri metalli liquidi è sali fusi41.A Table 2 lista e proprietà di l'aria à 573 K. Per l'analisi di sensibilità in questa sezione, solu i megliu cunfigurazioni di l'opzioni di rendiment MH-SCHE (in i casi 4 à 6) sò applicati.L'estimi in questa sezione sò basati nantu à diversi paràmetri di u funziunamentu, cumpresa a temperatura iniziale di u reactor MH, a pressione di carica di l'idrogenu, a temperatura di l'ingressu HTF, è u numeru Reynolds calculatu cambiendu a tarifa HTF.A Tabella 3 cuntene tutti i paràmetri operativi utilizati per l'analisi di sensibilità.
Questa sezione descrive tutte l'equazioni di cuntrollu necessarii per u prucessu di l'assorbimentu di l'idrogenu, a turbulenza è u trasferimentu di calore di i refrigeranti.
Per simplificà a suluzione di a reazzione di captazione di l'idrogenu, i seguenti ipotesi sò fatti è furniti;
Durante l'assorbimentu, e proprietà termofisiche di l'idrogenu è l'idruri di metalli sò custanti.
L'idrogenu hè cunsideratu un gasu ideale, cusì e cundizioni di equilibriu termale lucali43,44 sò cunsiderate.
induve \({L}_{gas}\) hè u raghju di u tank, è \({L}_{calore}\) hè l'altezza assiale di u tank.Quandu N hè menu di 0,0146, u flussu di l'idrogenu in u tank pò esse ignoratu in a simulazione senza errore significativu.Sicondu a ricerca attuale, N hè assai più bassu di 0,1.Dunque, l'effettu di u gradiente di pressione pò esse trascuratatu.
I muri di u reattore sò stati ben insulati in tutti i casi.Dunque, ùn ci hè micca un scambiu di calore 47 trà u reattore è l'ambiente.
Hè ben cunnisciutu chì e leghe basate in Mg anu boni caratteristiche d'idrogenazione è una alta capacità di almacenamentu di l'idrogenu finu à 7,6% in peso.In quantu à l'applicazioni di almacenamentu di l'idrogenu à u statu solidu, queste lighe sò ancu cunnisciute cum'è materiali ligeri.Inoltre, anu una excelente resistenza à u calore è una bona processability8.Trà parechje leghe basate in Mg, a lega MgNi basata in Mg2Ni hè una di l'opzioni più adattati per l'almacenamiento MH per via di a so capacità di almacenamentu di l'idrogenu finu à u 6 in peso.Le leghe Mg2Ni furniscenu ancu una cinetica di adsorzione è desorbimentu più veloce in paragunà à a lega MgH48.Dunque, Mg2Ni hè statu sceltu cum'è u materiale di l'idruru metallicu in stu studiu.
L'equazioni di l'energia hè espressa cum'è 25 basatu annantu à u bilanciu di calore trà l'idrogenu è l'idruru di Mg2Ni:
X hè a quantità di l'idrogenu assorbita nantu à a superficia metallica, l'unità hè \(pesu\%\), calculata da l'equazione cinetica \(\frac{dX}{dt}\) durante l'assorbimentu cum'è seguente49:
induve \({C}_{a}\) hè a velocità di reazione è \({E}_{a}\) hè l'energia di attivazione.\({P}_{a,eq}\) hè a prissioni d'equilibriu in u reattore di l'idruru metallicu durante u prucessu di assorbimentu, datu da l'equazioni di Van't Hoff cum'è seguente25:
Induve \({P}_{ref}\) hè a prissioni di riferimentu di 0,1 MPa.\(\Delta H\) è \(\Delta S\) sò l'entalpia è l'entropia di a reazione, rispettivamente.Pruprietà di ligami Mg2Ni è idrogenu sò presentati in a tavula.4. A lista chjamata pò esse truvata in a rùbbrica supplementaria.
U flussu di fluidu hè cunsideratu turbulente perchè a so velocità è u numeru di Reynolds (Re) sò 78,75 ms-1 è 14000, rispettivamente.In questu studiu, un mudellu di turbulenza k-ε hè statu sceltu.Hè nutatu chì stu metudu furnisce una precisione più altu cumparatu cù altri metudi k-ε, è richiede ancu menu tempu di calculu cà i metudi RNG k-ε50,51.Vede a Sezione Supplementaria per i dettagli nantu à l'equazioni basi per i fluidi di trasferimentu di calore.
In principiu, u regime di temperatura in u reattore MN era uniforme, è a cuncentrazione di l'idrogenu mediu era 0,043.Si assume chì a fruntiera esterna di u reactor MH hè ben insulata.L'aliaghji basati in magnesiu necessitanu tipicamente alte temperature operative di reazione per almacenà è liberà l'idrogenu in u reattore.A lega Mg2Ni richiede un intervallu di temperatura di 523-603 K per l'assorbimentu massimu è un intervallu di temperatura di 573-603 K per a desorption completa52.In ogni casu, studii spirimintali di Muthukumar et al.53 dimustranu chì a capacità massima di almacenamiento di Mg2Ni per l'almacenamiento di l'idrogenu pò esse ottenuta à una temperatura operativa di 573 K, chì currisponde à a so capacità teorica.Per quessa, a temperatura di 573 K hè stata scelta cum'è a temperatura iniziale di u reattore MN in stu studiu.
Crea diverse dimensioni di griglia per validazione è risultati affidabili.Nantu à fig.2 mostra a temperatura media in i lochi selezziunati in u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu da quattru elementi diffirenti.Hè da nutà chì solu un casu di ogni cunfigurazione hè sceltu per pruvà l'indipendenza di a reta per via di geometria simili.U listessu mètudu meshing hè appiicata in altri casi.Dunque, sceglite l'opzione 1 per u tubu spirale è l'opzione 4 per u tubu semi-cilindrico.Nantu à fig.2a, b mostra a temperatura media in u reattore per l'opzioni 1 è 4, rispettivamente.I trè lochi scelti rapprisentanu i contorni di a temperatura di u lettu à a cima, u mediu è u fondu di u reattore.Basatu nantu à i contorni di a temperatura in i lochi selezziunati, a temperatura media diventa stabile è mostra pocu cambiamentu in i numeri di elementi 428,891 è 430,599 per i casi 1 è 4, rispettivamente.Dunque, queste dimensioni di griglia sò state scelte per più calculi computazionali.L'infurmazioni detallate nantu à a temperatura media di u lettu per u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu per diverse dimensioni di cellula è e maglie successivamente raffinate per i dui casi hè datu in a sezione supplementaria.
A temperatura media di u lettu in punti selezziunati in u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu in un reattore di idruru metallicu cù numeri di griglia differenti.(a) Température moyenne à des endroits sélectionnés pour le cas 1 et (b) Température moyenne aux endroits sélectionnés pour le cas 4.
U reattore di idruru di metallu basatu in Mg in stu studiu hè statu pruvatu nantu à i risultati spirimintali di Muthukumar et al.53.In u so studiu, anu utilizatu una alea Mg2Ni per almacenà l'idrogenu in tubi d'acciaio inox.L'alette di rame sò aduprate per migliurà u trasferimentu di calore in u reattore.Nantu à fig.3a mostra un paragone di a temperatura media di u lettu di prucessu d'absorzione trà u studiu sperimentale è stu studiu.I cundizioni di u funziunamentu sceltu per stu esperimentu sò: MG temperatura iniziale 573 K è a prissioni inlet 2 MPa.Da fig.3a pò esse chjaramente dimustratu chì stu risultatu spirimintali hè in bonu accordu cù u prisenti in quantu à a temperatura media di a capa.
Verificazione di mudellu.(a) Verificazione di codice di u reattore di idruru metallicu Mg2Ni paragunendu u studiu attuale cù u travagliu spirimintali di Muthukumar et al.52, è (b) verificazione di u mudellu di flussu turbulente di tubu spirale paragunendu u studiu attuale cù quellu di Kumar et al. .Ricerche.54.
Per pruvà u mudellu di turbulenza, i risultati di stu studiu sò stati paragunati cù i risultati spirimintali di Kumar et al.54 per cunfirmà a curretta di u mudellu di turbulenza sceltu.Kumar et al.54 hà studiatu u flussu turbulente in un scambiatore di calore spirale tubu-in-pipe.L'acqua hè usata cum'è fluidu caldu è friddu injected da i lati opposti.A temperatura liquida calda è fridda sò 323 K è 300 K, rispettivamente.I numeri di Reynolds varienu da 3100 à 5700 per liquidi caldi è da 21.000 à 35.000 per liquidi friddi.I numeri Dean sò 550-1000 per liquidi caldi è 3600-6000 per liquidi friddi.I diametri di a pipa interna (per u liquidu caldu) è a pipa esterna (per u liquidu friddu) sò 0,0254 m è 0,0508 m, rispettivamente.U diametru è u pitch di a bobina helical sò 0,762 m è 0,100 m, rispettivamente.Nantu à fig.3b mostra un paragone di risultati sperimentali è attuali per parechje coppie di numeri Nusselt è Dean per u refrigerante in u tubu internu.Trè mudelli di turbulenza diffirenti sò stati implementati è paragunati cù risultati sperimentali.Comu mostra in fig.3b, i risultati di u mudellu di turbulenza k-ε realizabile sò in bonu accordu cù i dati sperimentali.Per quessa, stu mudellu hè statu sceltu in stu studiu.
Simulazioni numeriche in stu studiu sò state realizate cù ANSYS Fluent 2020 R2.Scrivite una Funzione Definita da l'Usuariu (UDF) è l'utilizate cum'è u termu di input di l'equazioni d'energia per calculà a cinetica di u prucessu d'assorbimentu.U circuitu PRESTO55 è u metudu PISO56 sò aduprati per a cumunicazione pressione-velocità è a correzione di pressione.Sceglite una basa di cellula Greene-Gauss per u gradiente variabile.L'equazioni di u momentu è di l'energia sò risolti da u metudu upwind di u sicondu ordine.In quantu à i coefficienti di sottorilassamentu, i cumpunenti di pressione, velocità è energia sò stabiliti à 0,5, 0,7 è 0,7, rispettivamente.E funzioni standard di u muru sò appiicati à l'HTF in u mudellu di turbulenza.
Questa sezione presenta i risultati di simulazioni numeriche di u trasferimentu di calore internu mejoratu di un reactore MH utilizendu un scambiatore di calore di bobina (HCHE) è un scambiatore di calore di bobina elicoidale (SCHE) durante l'assorbimentu di l'idrogenu.L'effettu di u pitch HTF nantu à a temperatura di u lettu di u reattore è a durata di l'absorzione hè stata analizata.I principali paràmetri di u funziunamentu di u prucessu di assorbimentu sò studiati è presentati in a sezione di analisi di sensibilità.
Per investigà l'effettu di a spaziatura di a bobina nantu à u trasferimentu di calore in un reattore MH, sò stati investigati trè cunfigurazioni di scambiatori di calore cù diverse piazze.I trè passi diffirenti di 15mm, 12.86mm è 10mm sò designati rispettivamente u corpu 1, u corpu 2 è u corpu 3.Semu devi esse nutatu chì u diametru di a pipa hè stata fissata à 6 mm à una temperatura iniziale di 573 K è una pressione di carica di 1,8 MPa in tutti i casi.Nantu à fig.4 mostra a temperatura media di u lettu è a cuncentrazione di l'idrogenu in a capa MH durante u prucessu d'absorzione di l'idrogenu in i casi 1 à 3. Di genere, a reazione trà l'idruru di metalli è l'idrogenu hè esotermica à u prucessu d'absorzione.Per quessa, a temperatura di u lettu aumenta rapidamente per u mumentu iniziale quandu l'idrogenu hè prima introduttu in u reactor.A temperatura di u lettu aumenta finu à ghjunghje à un valore massimu è poi diminuite gradualmente cum'è u calore hè purtatu da u coolant, chì hà una temperatura più bassa è agisce cum'è un coolant.Comu mostra in fig.4a, per via di a spiegazione precedente, a temperatura di a capa aumenta rapidamente è diminuite continuamente.A cuncentrazione di l'idrogenu per u prucessu d'absorzione hè generalmente basatu annantu à a temperatura di u lettu di u reattore MH.Quandu a temperatura media di a capa scende à una certa temperatura, a superficia metallica assorbe l'idrogenu.Questu hè duvuta à l'accelerazione di i prucessi di fisisorzione, chimisorption, diffusione di l'idrogenu è a furmazione di i so idruri in u reactor.Da fig.4b pò esse vistu chì a tarifa di l'absorzione di l'idrogenu in u casu 3 hè più bassu chè in altri casi per via di u valore di u passu più chjucu di u scambiatore di calore di bobina.Questu risultatu in una lunghezza di tubu generale più larga è una zona di trasferimentu di calore più grande per i tubi HTF.Cù una concentrazione media di l'idrogenu di 90%, u tempu d'assorbimentu per u Casu 1 hè 46,276 seconde.Comparatu à a durata di l'absorzione in u casu 1, a durata di l'absorzione in i casi 2 è 3 hè stata ridutta da 724 s è 1263 s, rispettivamente.A sezione supplementaria presenta i contorni di a temperatura è a cuncentrazione di l'idrogenu per i lochi selezziunati in a capa HCHE-MH.
Influenza di a distanza trà e bobine nantu à a temperatura media di a capa è a cuncentrazione di l'idrogenu.(a) A temperatura media di u lettu per i coils elicoidali, (b) a cuncentrazione di l'idrogenu per i coils elicoidali, (c) a temperatura media di u lettu per i coils emicilindrici, è (d) a cuncentrazione di l'idrogenu per i coils semi-cilindrichi.
Per migliurà e caratteristiche di trasferimentu di calore di u reattore MG, dui HFC sò stati disignati per un voluminu constantu di u MG (2000 cm3) è un scambiatore di calore spirale (100 cm3) di l'Opzione 3. Questa sezione cunsidereghja ancu l'effettu di a distanza trà u MG. bobine di 15 mm per u casu 4, 12,86 mm per u casu 5 è 10 mm per u casu 6. In fig.4c,d mostranu a temperatura media di u lettu è a cuncentrazione di u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu à una temperatura iniziale di 573 K è una pressione di carica di 1,8 MPa.Sicondu a temperatura media di a capa in Fig. 4c, a distanza più chjuca trà e bobine in casu 6 reduces a temperatura significativamente cumparatu cù l'altri dui casi.Per u casu 6, una temperatura di u lettu più bassu risultatu in una concentrazione di l'idrogenu più altu (vede Fig. 4d).U tempu di assunzione di l'idrogenu per a Variante 4 hè 19542 s, chì hè più di 2 volte più bassu chè per Varianti 1-3 cù HCH.Inoltre, paragunatu à u casu 4, u tempu d'absorzione hè ancu ridutta da 378 s è 1515 s in i casi 5 è 6 cù distanzi più bassi.A sezione supplementaria presenta i contorni di a temperatura è a cuncentrazione di l'idrogenu per i lochi selezziunati in a strata SCHE-MH.
Per studià u funziunamentu di dui cunfigurazioni di scambiatori di calore, sta sezione traccia è presenta curve di temperatura in trè lochi scelti.U reattore MH cù HCHE da u casu 3 hè statu sceltu per a paraguni cù u reattore MH chì cuntene SCHE in u casu 4 perchè hà un voluminu MH constantu è u voluminu di pipa.I cundizioni di u funziunamentu per sta paraguni eranu una temperatura iniziale di 573 K è una pressione di carica di 1,8 MPa.Nantu à fig.5a è 5b mostranu tutte e trè pusizioni selezziunate di i profili di temperatura in i casi 3 è 4, rispettivamente.Nantu à fig.5c mostra u prufilu di temperatura è a cuncentrazione di a capa dopu à 20 000 s di captazione di l'idrogenu.Sicondu a linea 1 in Fig. 5c, a temperatura intornu à u TTF da l'opzioni 3 è 4 diminuite per via di u trasferimentu di calore cunvective di u coolant.Questu risultatu in una concentrazione più alta di l'idrogenu intornu à questa zona.Tuttavia, l'usu di dui SCHE risultati in una concentrazione di strata più altu.Risposti cinetichi più veloci sò stati truvati intornu à a regione HTF in casu 4. Inoltre, una cuncentrazione massima di 100% hè stata ancu truvata in questa regione.Da a linea 2 situata in u mità di u reattore, a temperatura di u casu 4 hè significativamente più bassu di a temperatura di u casu 3 in tutti i lochi eccettu u centru di u reattore.Questu risultatu in a massima concentrazione di l'idrogenu per u casu 4 eccettu per a regione vicinu à u centru di u reattore luntanu da l'HTF.Tuttavia, a cuncentrazione di u casu 3 ùn hà micca cambiatu assai.Una grande diferenza in a temperatura è a cuncentrazione di a capa hè stata osservata in a linea 3 vicinu à l'entrata di u GTS.A temperatura di a capa in u casu 4 diminuite significativamente, risultatu in a più alta concentrazione di l'idrogenu in questa regione, mentre chì a linea di cuncentrazione in u casu 3 era sempre fluttuante.Questu hè duvuta à l'accelerazione di u trasferimentu di calore SCHE.I dettagli è a discussione di a paraguni di a temperatura media di a capa MH è a pipa HTF trà u casu 3 è u casu 4 sò furniti in a sezione supplementaria.
U prufilu di temperatura è a cuncentrazione di u lettu in i lochi selezziunati in u reattore di idruru metallicu.(a) Lochi scelti per u casu 3, (b) Lochi scelti per u casu 4, è (c) U prufilu di temperatura è a concentrazione di strati in lochi selezziunati dopu à 20 000 s per u prucessu di assunzione di l'idrogenu in i casi 3 è 4.
Nantu à fig.A figura 6 mostra una comparazione di a temperatura media di u lettu (vede a figura 6a) è a cuncentrazione di l'idrogenu (vede a figura 6b) per l'absorzione di HCH è SHE.Pò esse vistu da sta figura chì a temperatura di a capa MG diminuite significativamente per un incrementu di l'area di scambiu di calore.L'eliminazione di più calore da u reattore si traduce in un tassu di assorbimentu di l'idrogenu più altu.Ancu se e duie cunfigurazioni di scambiatori di calore anu u stessu volumi cumparatu cù l'usu di HCHE cum'è Opzione 3, u tempu di assunzione di l'idrogenu di SCHE basatu annantu à l'Opzione 4 hè stata significativamente ridutta di 59%.Per un analisi più detallatu, i cuncentrazioni di l'idrogenu per i dui cunfigurazioni di scambiatori di calore sò indicati cum'è isoline in a Figura 7. Questa figura mostra chì in i dui casi, l'idrogenu principia à esse assorbutu da quì sottu à l'ingrossu HTF.Cuncintrazioni più altu sò stati truvati in a regione HTF, mentre chì concentrazioni più bassu sò stati osservati in u centru di u reattore MH per via di a so distanza da u scambiatore di calore.Dopu à 10 000 s, a cuncentrazione di l'idrogenu in u casu 4 hè significativamente più altu ch'è in u casu 3. Dopu à 20 000 seconde, a cuncentrazione di l'idrogenu mediu in u reactore hà risuscitatu à 90% in u casu 4 cumparatu à 50% l'idrogenu in u casu 3. Questu pò esse dovutu. à a capacità di rinfrescamentu efficace più altu di cumminà dui SCHE, chì risulta in una temperatura più bassa in a capa MH.In cunseguenza, una pressione di più equilibriu cade à l'internu di a capa MG, chì porta à una absorption più rapida di l'idrogenu.
Case 3 è Case 4 Comparazione di a temperatura media di u lettu è a cuncentrazione di l'idrogenu trà dui cunfigurazioni di scambiatori di calore.
Comparazione di a cuncentrazione di l'idrogenu dopu à 500, 2000, 5000, 10000 è 20000 s dopu l'iniziu di u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu in u casu 3 è u casu 4.
A Tabella 5 riassume a durata di l'assunzione di l'idrogenu per tutti i casi.Inoltre, a tavula mostra ancu u tempu di l'absorzione di l'idrogenu, spressione in percentuale.Stu pircintuali hè calculatu basatu annantu à u tempu d'absorzione di Casu 1. Da questa tavula, u tempu d'absorzione di u reactor MH chì usa HCHE hè di circa 45 000 à 46 000 s, è u tempu d'absorption include SCHE hè di circa 18 000 à 19 000 s.Comparatu à u Casu 1, u tempu di assorbimentu in u Casu 2 è u Casu 3 hè stata ridutta da solu 1.6% è 2.7%, rispettivamente.Quandu s'utilice SCHE invece di HCHE, u tempu di assorbimentu hè stata ridutta significativamente da u casu 4 à u casu 6, da u 58% à u 61%.Hè chjaru chì l'aghjunzione di SCHE à u reattore MH migliurà assai u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu è u rendiment di u reattore MH.Ancu s'è a stallazione di un scambiatore di calore in u reactor MH riduce a capacità di almacenamento, sta tecnulugia furnisce una mellura significativa in u trasferimentu di calore cumparatu cù altre tecnulugia.Inoltre, a diminuzione di u valore di pitch aumenterà u voluminu di u SCHE, risultatu in una diminuzione di u voluminu di u MH.In casu 6 cù u voluminu SCHE più altu, a capacità volumetrica MH hè stata ridutta solu da 5% cumparatu à u casu 1 cù u voluminu HCHE più bassu.Inoltre, durante l'absorzione, u casu 6 hà dimustratu un rendimentu più veloce è megliu cù una riduzione di 61% in u tempu d'absorzione.Dunque u casu 6 hè statu sceltu per più investigazione in l'analisi di sensibilità.Si deve esse nutatu chì u tempu di assunzione di l'idrogenu longu hè assuciatu cù un tank di almacenamiento chì cuntene un voluminu MH di circa 2000 cm3.
I paràmetri di u funziunamentu durante a reazzione sò fattori impurtanti chì affettanu positivamente o negativamente u rendiment di u reattore MH in cundizioni reali.Stu studiu cunsidereghja un analisi di sensibilità per determinà i paràmetri operativi iniziali adattati per un reactore MH in cumbinazioni cù SCHE, è sta sezione investiga i quattru paràmetri di u funziunamentu principali basatu nantu à a cunfigurazione ottimali di u reactore in casu 6. I risultati per tutte e cundizioni di u funziunamentu sò mostrati in u casu 6. Fig. 8.
Graficu di a cuncentrazione di l'idrogenu in diverse cundizioni operative quandu si usa un scambiatore di calore cù una bobina semi-cilindrica.(a) a pressione di carica, (b) a temperatura iniziale di u lettu, (c) u numeru di Reynolds di coolant, è (d) a temperatura di l'ingressu di u coolant.
Basatu nantu à una temperatura iniziale constante di 573 K è un flussu di refrigerante cù un numeru Reynolds di 14 000, quattru pressioni di carica differenti sò state scelte: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa è 3,0 MPa.Nantu à fig.8a mostra l'effettu di a pressione di carica è SCHE nantu à a cuncentrazione di l'idrogenu cù u tempu.U tempu di assorbimentu diminuisce cù l'aumentu di a pressione di carica.Utilizà una pressione di l'idrogenu applicata di 1,2 MPa hè u peghju casu per u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu, è a durata di l'assorbimentu supera i 26.000 s per ottene u 90% di l'assorbimentu di l'idrogenu.Tuttavia, a pressione di carica più altu hà risultatu in una diminuzione di 32-42% in u tempu d'absorzione da 1,8 à 3,0 MPa.Questu hè duvuta à a pressione iniziale più alta di l'idrogenu, chì risultatu in una diferenza più grande trà a pressione di equilibriu è a pressione applicata.Dunque, questu crea una grande forza motrice per a cinetica di assorbimentu di l'idrogenu.À u mumentu iniziale, u gasu di l'idrogenu hè assorbita rapidamente per via di a grande diferenza trà a pressione di equilibriu è a pressione applicata57.À una pressione di carica di 3.0 MPa, 18% di l'idrogenu s'hè accumulatu rapidamente durante i primi 10 seconde.L'idrogenu hè statu almacenatu in u 90% di i reattori in u stadiu finali per 15460 s.In ogni casu, à una pressione di carica di 1,2 à 1,8 MPa, u tempu d'absorzione hè stata significativamente ridutta da 32%.L'altri pressioni più altu anu avutu menu effettu nantu à a migliurà i tempi di assorbimentu.Dunque, hè cunsigliatu chì a pressione di carica di u reattore MH-SCHE sia 1,8 MPa.A sezione supplementaria mostra i contorni di cuncentrazione di l'idrogenu per diverse pressioni di carica à 15500 s.
L'scelta di una temperatura iniziale adattata di u reattore MH hè unu di i fatturi principali chì afectanu u prucessu di adsorption di l'idrogenu, postu chì affetta a forza motrice di a reazzione di furmazione di l'idruru.Per studià l'effettu di SCHE nantu à a temperatura iniziale di u reattore MH, quattru temperature diffirenti sò stati scelti à una pressione di carica constante di 1,8 MPa è un numaru Reynolds di 14 000 HTF.Nantu à fig.A Figura 8b mostra un paragone di diverse temperature di partenza, cumprese 473K, 523K, 573K è 623K.In fattu, quandu a temperatura hè più altu di 230 ° C o 503K58, l'alliage Mg2Ni hà caratteristiche efficaci per u prucessu di assorbimentu di l'idrogenu.In ogni casu, à u mumentu iniziale di l'iniezione di l'idrogenu, a temperatura aumenta rapidamente.In cunseguenza, a temperatura di a capa MG superà 523 K. Per quessa, a furmazione di l'idruri hè facilitata per via di a rata d'absorzione aumentata53.Da fig.Pò esse vistu da a figura 8b chì l'idrogenu hè assorbutu più veloce cum'è a temperatura iniziale di a capa MB diminuite.Pressioni di equilibriu più bassu sò quandu a temperatura iniziale hè più bassu.A più grande a diferenza di pressione trà a pressione di equilibriu è a pressione applicata, u più veloce u prucessu di l'assorbimentu di l'idrogenu.À una temperatura iniziale di 473 K, l'idrogenu hè assorbita rapidamente finu à u 27% durante i primi 18 seconde.Inoltre, u tempu d'absorzione hè ancu ridutta da 11% à 24% à una temperatura iniziale più bassu cumparatu cù a temperatura iniziale di 623 K. U tempu d'absorzione à a temperatura iniziale più bassa di 473 K hè 15247 s, chì hè simili à u megliu. A pressione di carica di casu, però, a diminuzione di a temperatura iniziale di u reattore porta à una diminuzione di a capacità di almacenamiento di l'idrogenu.A temperatura iniziale di u reattore MN deve esse almenu 503 K53.Inoltre, à una temperatura iniziale di 573 K53, una capacità massima di almacenamentu di l'idrogenu di 3.6% in peso pò esse ottenuta.In quantu à a capacità di almacenamentu di l'idrogenu è a durata di l'assorbimentu, e temperature trà 523 è 573 K accurtà u tempu solu da 6%.Dunque, una temperatura di 573 K hè pruposta cum'è a temperatura iniziale di u reattore MH-SCHE.Tuttavia, l'effettu di a temperatura iniziale nantu à u prucessu d'absorzione era menu significativu cumparatu cù a pressione di carica.A sezione supplementaria mostra i contorni di a cuncentrazione di l'idrogenu per diverse temperature iniziali à 15500 s.
U flussu di flussu hè unu di i paràmetri principali di l'idrogenazione è a deidrogenazione perchè pò influenzà a turbulenza è a rimozione di u calore o l'input durante l'idrogenazione è a deidrogenazione59.I tassi di flussu elevati creanu fasi turbulente è risultatu in un flussu di fluidu più veloce attraversu u tubu HTF.Sta reazzione hà da esse un trasferimentu di calore più veloce.Diverse velocità di entrata per HTF sò calculate nantu à i numeri di Reynolds di 10.000, 14.000, 18.000 è 22.000.A temperatura iniziale di a capa MG hè stata fissata à 573 K è a pressione di carica à 1,8 MPa.I risultati in fig.8c dimustranu chì l'usu di un numeru di Reynolds più altu in cumminazione cù SCHE risultati in una rata di assorbimentu più altu.Quandu u numeru di Reynolds aumenta da 10 000 à 22 000, u tempu d'absorzione diminuisce da circa 28-50%.U tempu di absorption à un numaru di Reynolds di 22 000 hè 12 505 seconde, chì hè menu cà à e diverse temperature di carica iniziale è pressioni.I contorni di cuncentrazione di l'idrogenu per parechji numeri di Reynolds per GTP à 12500 s sò presentati in a sezione supplementaria.
L'effettu di SCHE nantu à a temperatura iniziale di l'HTF hè analizatu è mostra in Fig. 8d.À una temperatura iniziale di MG di 573 K è una pressione di carica di l'idrogenu di 1,8 MPa, quattru temperature iniziali sò state scelte per questa analisi: 373 K, 473 K, 523 K è 573 K. 8d mostra chì una diminuzione di a temperatura di u coolant. à l'entrata porta à una riduzzione di u tempu di assorbimentu.Comparatu à u casu di basa cù una temperatura di ingressu di 573 K, u tempu d'absorzione hè stata ridutta da circa 20%, 44% è 56% per a temperatura di entrata di 523 K, 473 K è 373 K, rispettivamente.À 6917 s, a temperatura iniziale di u GTF hè 373 K, a cuncentrazione di l'idrogenu in u reattore hè 90%.Questu pò esse spiegatu da u trasferimentu di calore cunvective rinfurzatu trà a capa MG è l'HCS.Temperature HTF più bassu aumenteranu a dissipazione di u calore è risulterà in una crescita di l'idrogenu.Trà tutti i paràmetri di u funziunamentu, a migliurà a prestazione di u reattore MH-SCHE aumentendu a temperatura di l'ingressu HTF era u metudu più adattatu, postu chì u tempu di fine di u prucessu di assorbimentu era menu di 7000 s, mentre chì u tempu di assorbimentu più breve di altri metudi era più. chè 10000 s.I contorni di cuncentrazione di l'idrogenu sò presentati per diverse temperature iniziali di GTP per 7000 s.
Stu studiu presenta per a prima volta un novu scambiatore di calore di bobina semi-cilindrica integrata in una unità di almacenamento di idruru metallicu.A capacità di u sistema prupostu per assorbe l'idrogenu hè stata investigata cù diverse cunfigurazioni di u scambiatore di calore.L'influenza di i paràmetri di u funziunamentu nantu à u scambiu di calore trà a capa di l'idruru metallicu è u refrigerante hè stata investigata per truvà e cundizioni ottimali per almacenà l'idruri metallichi cù un novu scambiatore di calore.I risultati principali di stu studiu sò riassunti cum'è seguente:
Cù un scambiatore di calore di bobina semi-cilindrica, u rendiment di trasferimentu di calore hè migliuratu perchè hà una distribuzione di calore più uniforme in u reactore di a strata di magnesiu, chì risulta in un assorbimentu di l'idrogenu megliu.A condizione chì u voluminu di u tubu di scambiu di calore è di l'idruru di metalli restanu invariati, u tempu di reazione di assorbimentu hè significativamente ridottu di 59% in paragunà à un scambiatore di calore di bobina convenzionale.
Tempu di Postu: 15-Jan-2023