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Gli idruri metallici (MH) sono riconosciuti come uno dei gruppi di materiali più adatti per lo stoccaggio dell'idrogeno grazie alla loro grande capacità di stoccaggio dell'idrogeno, alla bassa pressione operativa e all'elevata sicurezza.Tuttavia, la loro lenta cinetica di assorbimento dell’idrogeno riduce notevolmente le prestazioni di stoccaggio.Una rimozione più rapida del calore dallo stoccaggio MH potrebbe svolgere un ruolo importante nell’aumentare il tasso di assorbimento dell’idrogeno, con conseguente miglioramento delle prestazioni di stoccaggio.A questo proposito, questo studio mirava a migliorare le caratteristiche di trasferimento del calore al fine di influenzare positivamente il tasso di assorbimento dell’idrogeno del sistema di stoccaggio MH.La nuova bobina semicilindrica è stata inizialmente sviluppata e ottimizzata per lo stoccaggio dell'idrogeno e incorporata come scambiatore interno di aria come calore (HTF).Sulla base delle diverse dimensioni del passo, l'effetto della nuova configurazione dello scambiatore di calore viene analizzato e confrontato con la geometria elicoidale convenzionale della bobina.Inoltre, i parametri operativi dello stoccaggio di MG e GTP sono stati studiati numericamente per ottenere valori ottimali.Per la simulazione numerica viene utilizzato ANSYS Fluent 2020 R2.I risultati di questo studio mostrano che le prestazioni di un serbatoio di accumulo MH possono essere notevolmente migliorate utilizzando uno scambiatore di calore a spirale semicilindrico (SCHE).Rispetto agli scambiatori di calore a spirale convenzionali, la durata dell'assorbimento dell'idrogeno è ridotta del 59%.La distanza più piccola tra le bobine SCHE ha comportato una riduzione del 61% del tempo di assorbimento.Per quanto riguarda i parametri operativi dello stoccaggio MG utilizzando SHE, tutti i parametri selezionati portano ad un miglioramento significativo nel processo di assorbimento dell'idrogeno, in particolare la temperatura all'ingresso dell'HTS.
È in corso una transizione globale dall’energia basata sui combustibili fossili alle energie rinnovabili.Poiché molte forme di energia rinnovabile forniscono energia in modo dinamico, lo stoccaggio dell’energia è necessario per bilanciare il carico.Lo stoccaggio energetico basato sull’idrogeno ha attirato molta attenzione per questo scopo, soprattutto perché l’idrogeno può essere utilizzato come combustibile alternativo e vettore energetico “verde” grazie alle sue proprietà e trasportabilità.Inoltre, l’idrogeno offre anche un contenuto energetico per unità di massa più elevato rispetto ai combustibili fossili2.Esistono quattro tipi principali di stoccaggio dell’energia dell’idrogeno: stoccaggio di gas compresso, stoccaggio sotterraneo, stoccaggio di liquidi e stoccaggio di solidi.L’idrogeno compresso è il tipo principale utilizzato nei veicoli a celle a combustibile come autobus e carrelli elevatori.Tuttavia, questo stoccaggio fornisce una bassa densità apparente di idrogeno (circa 0,089 kg/m3) e presenta problemi di sicurezza associati all'elevata pressione operativa3.Sulla base di un processo di conversione a bassa temperatura e pressione ambiente, lo stoccaggio liquido immagazzinerà l’idrogeno in forma liquida.Tuttavia, quando liquefatto, circa il 40% dell'energia viene persa.Inoltre, questa tecnologia è nota per essere più dispendiosa in termini di energia e manodopera rispetto alle tecnologie di stoccaggio a stato solido4.Lo stoccaggio solido è un’opzione praticabile per un’economia dell’idrogeno, che immagazzina idrogeno incorporandolo in materiali solidi attraverso l’assorbimento e rilasciando idrogeno attraverso il desorbimento.L'idruro metallico (MH), una tecnologia di stoccaggio di materiali solidi, è di recente interesse nelle applicazioni di celle a combustibile grazie alla sua elevata capacità di idrogeno, bassa pressione operativa e basso costo rispetto allo stoccaggio di liquidi ed è adatto per applicazioni fisse e mobili6,7 In Inoltre, i materiali MH forniscono anche proprietà di sicurezza come lo stoccaggio efficiente di grandi capacità8.C’è però un problema che limita la produttività del MG: la bassa conduttività termica del reattore MG porta ad un lento assorbimento e desorbimento dell’idrogeno.
Il corretto trasferimento di calore durante le reazioni esotermiche ed endotermiche è la chiave per migliorare le prestazioni dei reattori MH.Per il processo di caricamento dell'idrogeno, il calore generato deve essere rimosso dal reattore per controllare il flusso di caricamento dell'idrogeno alla velocità desiderata con la massima capacità di stoccaggio.Invece, è necessario il calore per aumentare la velocità di sviluppo dell’idrogeno durante lo scarico.Al fine di migliorare le prestazioni di trasferimento di calore e massa, molti ricercatori hanno studiato la progettazione e l'ottimizzazione sulla base di molteplici fattori come parametri operativi, struttura MG e ottimizzazione MG11.L'ottimizzazione MG può essere effettuata aggiungendo materiali ad alta conduttività termica come metalli espansi agli strati MG 12,13.In questo modo la conducibilità termica effettiva può essere aumentata da 0,1 a 2 W/mK10.Tuttavia, l’aggiunta di materiali solidi riduce significativamente la potenza del reattore MN.Per quanto riguarda i parametri operativi, è possibile ottenere miglioramenti ottimizzando le condizioni operative iniziali dello strato MG e del refrigerante (HTF).La struttura dell'MG può essere ottimizzata grazie alla geometria del reattore e al design dello scambiatore di calore.Per quanto riguarda la configurazione dello scambiatore di calore del reattore MH, i metodi possono essere suddivisi in due tipologie.Si tratta di scambiatori di calore interni integrati nello strato MO e di scambiatori di calore esterni che coprono lo strato MO come alette, camicie di raffreddamento e bagnimaria.Per quanto riguarda lo scambiatore di calore esterno, Kaplan16 ha analizzato il funzionamento del reattore MH, utilizzando l'acqua di raffreddamento come camicia per ridurre la temperatura all'interno del reattore.I risultati sono stati confrontati con un reattore da 22 alette rotonde e un altro reattore raffreddato per convezione naturale.Essi affermano che la presenza di una camicia di raffreddamento riduce significativamente la temperatura del MH, aumentando così il tasso di assorbimento.Studi numerici del reattore MH con camicia ad acqua condotti da Patil e Gopal17 hanno dimostrato che la pressione di fornitura dell'idrogeno e la temperatura dell'HTF sono parametri chiave che influenzano il tasso di assorbimento e desorbimento dell'idrogeno.
Aumentare l'area di trasferimento del calore aggiungendo alette e scambiatori di calore integrati nell'MH è la chiave per migliorare le prestazioni di trasferimento di calore e massa e quindi le prestazioni di accumulo dell'MH18.Sono state progettate diverse configurazioni di scambiatore di calore interno (tubo dritto e serpentina a spirale) per far circolare il refrigerante nel reattore MH19,20,21,22,23,24,25,26.Utilizzando uno scambiatore di calore interno, il liquido di raffreddamento o riscaldamento trasferirà il calore locale all'interno del reattore MH durante il processo di adsorbimento dell'idrogeno.Raju e Kumar [27] hanno utilizzato diversi tubi diritti come scambiatori di calore per migliorare le prestazioni della MG.I risultati hanno mostrato che i tempi di assorbimento erano ridotti quando i tubi diritti venivano utilizzati come scambiatori di calore.Inoltre, l’uso di tubi diritti riduce il tempo di desorbimento dell’idrogeno28.Portate di refrigerante più elevate aumentano la velocità di carica e di scarica dell'idrogeno29.Tuttavia, l’aumento del numero di tubi di raffreddamento ha un effetto positivo sulle prestazioni MH piuttosto che sulla portata del refrigerante30,31.Raju et al.32 hanno utilizzato LaMi4.7Al0.3 come materiale MH per studiare le prestazioni degli scambiatori di calore multitubo nei reattori.Hanno riferito che i parametri operativi hanno avuto un effetto significativo sul processo di assorbimento, in particolare la pressione di alimentazione e quindi la portata dell'HTF.Tuttavia, la temperatura di assorbimento si è rivelata meno critica.
Le prestazioni del reattore MH sono ulteriormente migliorate dall'uso di uno scambiatore di calore a spirale grazie al suo migliore trasferimento di calore rispetto ai tubi diritti.Questo perché il ciclo secondario riesce a rimuovere meglio il calore dal reattore25.Inoltre, i tubi a spirale forniscono un'ampia superficie per il trasferimento di calore dallo strato MH al liquido refrigerante.Quando questo metodo viene introdotto all'interno del reattore, anche la distribuzione dei tubi di scambio termico risulta più uniforme33.Wang et al.34 hanno studiato l'effetto della durata dell'assorbimento dell'idrogeno aggiungendo una bobina elicoidale a un reattore MH.I risultati mostrano che all’aumentare del coefficiente di scambio termico del liquido refrigerante, il tempo di assorbimento diminuisce.Wu et al.25 hanno studiato le prestazioni dei reattori MH a base di Mg2Ni e degli scambiatori di calore a spirale.I loro studi numerici hanno mostrato una riduzione del tempo di reazione.Il miglioramento del meccanismo di trasferimento del calore nel reattore MN si basa su un rapporto più piccolo tra passo della vite e passo della vite e su un passo della vite adimensionale.Uno studio sperimentale di Mellouli et al.21 utilizzando una bobina a spirale come scambiatore di calore interno ha dimostrato che la temperatura iniziale dell'HTF ha un effetto significativo sul miglioramento dell'assorbimento dell'idrogeno e del tempo di desorbimento.In diversi studi sono state effettuate combinazioni di diversi scambiatori di calore interni.Eisapur et al.35 hanno studiato lo stoccaggio dell'idrogeno utilizzando uno scambiatore di calore a spirale con un tubo di ritorno centrale per migliorare il processo di assorbimento dell'idrogeno.I risultati hanno dimostrato che il tubo a spirale e il tubo di ritorno centrale migliorano significativamente il trasferimento di calore tra il liquido di raffreddamento e l’MG.Il passo più piccolo e il diametro più grande del tubo a spirale aumentano la velocità di trasferimento di calore e massa.Ardahaie et al.36 utilizzavano tubi piatti a spirale come scambiatori di calore per migliorare il trasferimento di calore all'interno del reattore.Hanno riferito che la durata dell’assorbimento veniva ridotta aumentando il numero di piani del tubo a spirale appiattito.In diversi studi sono state effettuate combinazioni di diversi scambiatori di calore interni.Dhau et al.37 ha migliorato le prestazioni dell'MH utilizzando uno scambiatore di calore a spirale e alette.I loro risultati mostrano che questo metodo riduce il tempo di riempimento dell’idrogeno di un fattore 2 rispetto al caso senza alette.Le alette anulari sono combinate con tubi di raffreddamento e integrate nel reattore MN.I risultati di questo studio mostrano che questo metodo combinato fornisce un trasferimento di calore più uniforme rispetto al reattore MH senza alette.Tuttavia, la combinazione di scambiatori di calore diversi influirà negativamente sul peso e sul volume del reattore MH.Wu et al.18 hanno confrontato diverse configurazioni di scambiatori di calore.Questi includono tubi diritti, alette e bobine a spirale.Gli autori riferiscono che le bobine a spirale forniscono i migliori miglioramenti nel trasferimento di calore e massa.Inoltre, rispetto ai tubi diritti, ai tubi a spirale e ai tubi diritti combinati con tubi a spirale, i doppi serpentini hanno un effetto migliore nel migliorare il trasferimento di calore.Uno studio di Sekhar et al.40 hanno dimostrato che un miglioramento simile nell'assorbimento di idrogeno è stato ottenuto utilizzando una serpentina a spirale come scambiatore di calore interno e una camicia di raffreddamento esterna alettata.
Tra gli esempi sopra menzionati, l'uso di serpentine a spirale come scambiatori di calore interni fornisce migliori miglioramenti nel trasferimento di calore e massa rispetto ad altri scambiatori di calore, in particolare tubi diritti e alette.Pertanto, lo scopo di questo studio era quello di sviluppare ulteriormente la serpentina a spirale per migliorare le prestazioni di trasferimento del calore.Per la prima volta è stata sviluppata una nuova bobina semicilindrica basata sulla bobina elicoidale di accumulo convenzionale MH.Si prevede che questo studio migliorerà le prestazioni di stoccaggio dell'idrogeno considerando un nuovo design dello scambiatore di calore con una migliore disposizione della zona di trasferimento del calore fornita da un volume costante di letto MH e tubi HTF.Le prestazioni di accumulo di questo nuovo scambiatore di calore sono state poi confrontate con gli scambiatori di calore a spirale convenzionali basati su diversi passi della bobina.Secondo la letteratura esistente, le condizioni operative e la spaziatura delle bobine sono i principali fattori che influenzano le prestazioni dei reattori MH.Per ottimizzare la progettazione di questo nuovo scambiatore di calore, è stato studiato l'effetto della spaziatura delle bobine sul tempo di assorbimento dell'idrogeno e sul volume MH.Inoltre, al fine di comprendere la relazione tra le nuove bobine emicilindriche e le condizioni operative, un obiettivo secondario di questo studio è stato quello di studiare le caratteristiche del reattore in base a diversi intervalli di parametri operativi e determinare i valori appropriati per ciascun funzionamento. modalità.parametro.
Le prestazioni del dispositivo di accumulo dell'energia dell'idrogeno in questo studio sono studiate sulla base di due configurazioni di scambiatori di calore (compresi tubi a spirale nei casi da 1 a 3 e tubi semicilindrici nei casi da 4 a 6) e un'analisi di sensibilità dei parametri operativi.L'operatività del reattore MH è stata testata per la prima volta utilizzando un tubo a spirale come scambiatore di calore.Sia il tubo dell'olio refrigerante che il contenitore del reattore MH sono realizzati in acciaio inossidabile.Va notato che le dimensioni del reattore MG e il diametro dei tubi GTF erano costanti in tutti i casi, mentre le dimensioni dei gradini del GTF variavano.Questa sezione analizza l'effetto della dimensione del passo delle bobine HTF.L'altezza e il diametro esterno del reattore erano rispettivamente 110 mm e 156 mm.Il diametro del tubo dell'olio termoconduttore è fissato a 6 mm.Vedere la sezione supplementare per i dettagli sullo schema elettrico del reattore MH con tubi a spirale e due tubi semicilindrici.
Nella fig.1a mostra il reattore a tubo spirale MH e le sue dimensioni.Tutti i parametri geometrici sono riportati nella tabella.1. Il volume totale dell'elica e il volume dello ZG sono rispettivamente di circa 100 cm3 e 2000 cm3.Da questo reattore MH, l'aria sotto forma di HTF è stata immessa nel reattore MH poroso dal basso attraverso un tubo a spirale e l'idrogeno è stato introdotto dalla superficie superiore del reattore.
Caratterizzazione di geometrie selezionate per reattori a idruri metallici.a) con uno scambiatore di calore tubolare a spirale, b) con uno scambiatore di calore tubolare semicilindrico.
La seconda parte esamina il funzionamento del reattore MH basato su un tubo semicilindrico come scambiatore di calore.Nella fig.1b mostra il reattore MN con due tubi semicilindrici e le loro dimensioni.La tabella 1 elenca tutti i parametri geometrici dei tubi semicilindrici, che rimangono costanti, ad eccezione della distanza tra loro.Va notato che il tubo semicilindrico nel caso 4 è stato progettato con un volume costante di tubo HTF e lega MH nel tubo a spirale (opzione 3).Per quanto riguarda la fig.1b, l'aria è stata introdotta anche dal fondo dei due tubi HTF semicilindrici e l'idrogeno è stato introdotto dalla direzione opposta del reattore MH.
A causa del nuovo design dello scambiatore di calore, lo scopo di questa sezione è determinare i valori iniziali appropriati per i parametri operativi del reattore MH in combinazione con SCHE.In tutti i casi, l'aria è stata utilizzata come refrigerante per rimuovere il calore dal reattore.Tra gli oli diatermici, aria e acqua sono comunemente scelti come oli diatermici per i reattori MH per il loro basso costo e il basso impatto ambientale.A causa dell’ampio intervallo di temperature di esercizio delle leghe a base di magnesio, in questo studio è stata scelta l’aria come refrigerante.Inoltre, ha anche caratteristiche di flusso migliori rispetto ad altri metalli liquidi e sali fusi41.La tabella 2 elenca le proprietà dell'aria a 573 K. Per l'analisi di sensibilità in questa sezione, vengono applicate solo le migliori configurazioni delle opzioni prestazionali MH-SCHE (nei casi da 4 a 6).Le stime in questa sezione si basano su vari parametri operativi, tra cui la temperatura iniziale del reattore MH, la pressione di caricamento dell'idrogeno, la temperatura di ingresso dell'HTF e il numero di Reynolds calcolato modificando la velocità dell'HTF.La tabella 3 contiene tutti i parametri operativi utilizzati per l'analisi di sensibilità.
Questa sezione descrive tutte le equazioni di controllo necessarie per il processo di assorbimento dell'idrogeno, turbolenza e trasferimento di calore dei liquidi di raffreddamento.
Per semplificare la soluzione della reazione di assorbimento dell'idrogeno, vengono fatte e fornite le seguenti ipotesi;
Durante l'assorbimento, le proprietà termofisiche dell'idrogeno e degli idruri metallici sono costanti.
L'idrogeno è considerato un gas ideale, quindi vengono prese in considerazione le condizioni di equilibrio termico locale43,44.
dove \({L}_{gas}\) è il raggio del serbatoio e \({L}_{heat}\) è l'altezza assiale del serbatoio.Quando N è inferiore a 0,0146, il flusso di idrogeno nel serbatoio può essere ignorato nella simulazione senza errori significativi.Secondo la ricerca attuale, N è molto inferiore a 0,1.Pertanto, l’effetto del gradiente di pressione può essere trascurato.
In tutti i casi le pareti del reattore erano ben isolate.Pertanto non vi è scambio termico 47 tra il reattore e l'ambiente.
È noto che le leghe a base di Mg hanno buone caratteristiche di idrogenazione ed elevata capacità di stoccaggio dell'idrogeno fino al 7,6% in peso8.In termini di applicazioni di stoccaggio dell’idrogeno allo stato solido, queste leghe sono anche conosciute come materiali leggeri.Inoltre, hanno un'eccellente resistenza al calore e una buona lavorabilità8.Tra le numerose leghe a base di Mg, la lega MgNi a base di Mg2Ni è una delle opzioni più adatte per lo stoccaggio di MH grazie alla sua capacità di stoccaggio dell'idrogeno fino al 6% in peso.Le leghe Mg2Ni forniscono anche una cinetica di adsorbimento e desorbimento più rapida rispetto alla lega MgH48.Pertanto, Mg2Ni è stato scelto come materiale idruro metallico in questo studio.
L'equazione dell'energia è espressa come 25 in base al bilancio termico tra idrogeno e idruro di Mg2Ni:
X è la quantità di idrogeno assorbito sulla superficie metallica, l'unità è \(peso\%\), calcolata dall'equazione cinetica \(\frac{dX}{dt}\) durante l'assorbimento come segue49:
dove \({C}_{a}\) è la velocità di reazione e \({E}_{a}\) è l'energia di attivazione.\({P}_{a,eq}\) è la pressione di equilibrio all'interno del reattore ad idruro metallico durante il processo di assorbimento, data dall'equazione di van't Hoff come segue25:
Dove \({P}_{ref}\) è la pressione di riferimento di 0,1 MPa.\(\Delta H\) e \(\Delta S\) sono rispettivamente l'entalpia e l'entropia della reazione.Le proprietà delle leghe Mg2Ni e idrogeno sono presentate nella tabella.4. L'elenco nominato è riportato nella sezione supplementare.
Il flusso del fluido è considerato turbolento perché la sua velocità e il numero di Reynolds (Re) sono rispettivamente 78,75 ms-1 e 14000.In questo studio è stato scelto un modello di turbolenza k-ε ottenibile.Si noti che questo metodo fornisce una maggiore precisione rispetto ad altri metodi k-ε e richiede anche meno tempo di calcolo rispetto ai metodi RNG k-ε50,51.Vedere la sezione supplementare per i dettagli sulle equazioni di base per i fluidi termovettori.
Inizialmente, il regime di temperatura nel reattore MN era uniforme e la concentrazione media di idrogeno era 0,043.Si presuppone che il confine esterno del reattore MH sia ben isolato.Le leghe a base di magnesio richiedono tipicamente temperature operative di reazione elevate per immagazzinare e rilasciare idrogeno nel reattore.La lega Mg2Ni richiede un intervallo di temperature di 523–603 K per il massimo assorbimento e un intervallo di temperature di 573–603 K per il completo desorbimento52.Tuttavia, studi sperimentali di Muthukumar et al.53 hanno dimostrato che la capacità massima di stoccaggio di Mg2Ni per lo stoccaggio dell'idrogeno può essere raggiunta ad una temperatura operativa di 573 K, che corrisponde alla sua capacità teorica.Pertanto, in questo studio è stata scelta la temperatura di 573 K come temperatura iniziale del reattore MN.
Crea diverse dimensioni di griglia per la convalida e risultati affidabili.Nella fig.2 mostra la temperatura media in punti selezionati nel processo di assorbimento dell'idrogeno da quattro diversi elementi.Vale la pena notare che solo un caso di ciascuna configurazione viene selezionato per testare l'indipendenza della griglia a causa della geometria simile.Lo stesso metodo di meshing viene applicato in altri casi.Scegliere quindi l'opzione 1 per il tubo a spirale e l'opzione 4 per il tubo semicilindrico.Nella fig.2a, b mostra la temperatura media nel reattore rispettivamente per le opzioni 1 e 4.Le tre posizioni selezionate rappresentano i contorni della temperatura del letto nella parte superiore, centrale e inferiore del reattore.In base ai contorni della temperatura nelle posizioni selezionate, la temperatura media diventa stabile e mostra pochi cambiamenti nei numeri degli elementi 428.891 e 430.599 rispettivamente per i casi 1 e 4.Pertanto, queste dimensioni della griglia sono state scelte per ulteriori calcoli computazionali.Informazioni dettagliate sulla temperatura media del letto per il processo di assorbimento dell'idrogeno per varie dimensioni di celle e reti successivamente affinate per entrambi i casi sono fornite nella sezione supplementare.
Temperatura media del letto in punti selezionati nel processo di assorbimento dell'idrogeno in un reattore a idruro metallico con diversi numeri di griglia.(a) Temperatura media nei luoghi selezionati per il caso 1 e (b) Temperatura media nei luoghi selezionati per il caso 4.
Il reattore a idruro metallico a base di Mg in questo studio è stato testato sulla base dei risultati sperimentali di Muthukumar et al.53.Nel loro studio, hanno utilizzato una lega Mg2Ni per immagazzinare l’idrogeno nei tubi di acciaio inossidabile.Le alette in rame vengono utilizzate per migliorare il trasferimento di calore all'interno del reattore.Nella fig.3a mostra un confronto della temperatura media del letto del processo di assorbimento tra lo studio sperimentale e questo studio.Le condizioni operative scelte per questo esperimento sono: temperatura iniziale MG 573 K e pressione in ingresso 2 MPa.Dalla fig.3a si può chiaramente dimostrare che questo risultato sperimentale è in buon accordo con quello attuale per quanto riguarda la temperatura media dello strato.
Verifica del modello.(a) Verifica del codice del reattore a idruro metallico Mg2Ni confrontando lo studio attuale con il lavoro sperimentale di Muthukumar et al.52, e (b) verifica del modello di flusso turbolento del tubo a spirale confrontando lo studio attuale con quello di Kumar et al. .Ricerca.54.
Per testare il modello di turbolenza, i risultati di questo studio sono stati confrontati con i risultati sperimentali di Kumar et al.54 per confermare la correttezza del modello di turbolenza scelto.Kumar et al.54 hanno studiato il flusso turbolento in uno scambiatore di calore a spirale tubo-in-tubo.L'acqua viene utilizzata come fluido caldo e freddo iniettato da lati opposti.Le temperature del liquido caldo e freddo sono rispettivamente 323 K e 300 K.I numeri di Reynolds vanno da 3100 a 5700 per i liquidi caldi e da 21.000 a 35.000 per i liquidi freddi.I numeri Dean sono 550-1000 per i liquidi caldi e 3600-6000 per i liquidi freddi.I diametri del tubo interno (per liquido caldo) e del tubo esterno (per liquido freddo) sono rispettivamente 0,0254 me 0,0508 m.Il diametro e il passo della bobina elicoidale sono rispettivamente 0,762 me 0,100 m.Nella fig.3b mostra un confronto tra i risultati sperimentali e attuali per varie coppie di numeri di Nusselt e Dean per il liquido di raffreddamento nella camera d'aria.Sono stati implementati tre diversi modelli di turbolenza e confrontati con i risultati sperimentali.Come mostrato in fig.3b, i risultati del modello di turbolenza k-ε ottenibile sono in buon accordo con i dati sperimentali.Pertanto, questo modello è stato scelto in questo studio.
Le simulazioni numeriche in questo studio sono state eseguite utilizzando ANSYS Fluent 2020 R2.Scrivi una funzione definita dall'utente (UDF) e usala come termine di input dell'equazione dell'energia per calcolare la cinetica del processo di assorbimento.Il circuito PRESTO55 e il metodo PISO56 vengono utilizzati per la comunicazione pressione-velocità e la correzione della pressione.Selezionare una base di cella Greene-Gauss per il gradiente variabile.Le equazioni della quantità di moto e dell'energia vengono risolte con il metodo controvento del secondo ordine.Per quanto riguarda i coefficienti di sottorilassamento, le componenti di pressione, velocità ed energia sono impostate rispettivamente a 0,5, 0,7 e 0,7.Le funzioni di parete standard vengono applicate all'HTF nel modello di turbolenza.
Questa sezione presenta i risultati delle simulazioni numeriche del miglioramento del trasferimento di calore interno di un reattore MH utilizzando uno scambiatore di calore a spirale (HCHE) e uno scambiatore di calore a spirale (SCHE) durante l'assorbimento dell'idrogeno.È stato analizzato l'effetto della pece HTF sulla temperatura del letto del reattore e sulla durata dell'assorbimento.I principali parametri operativi del processo di assorbimento sono studiati e presentati nella sezione di analisi di sensitività.
Per studiare l'effetto della spaziatura delle bobine sul trasferimento di calore in un reattore MH, sono state studiate tre configurazioni di scambiatori di calore con passi diversi.I tre diversi passi di 15 mm, 12,86 mm e 10 mm sono designati rispettivamente corpo 1, corpo 2 e corpo 3.Va notato che il diametro del tubo è stato fissato a 6 mm con una temperatura iniziale di 573 K e una pressione di carico di 1,8 MPa in tutti i casi.Nella fig.4 mostra la temperatura media del letto e la concentrazione di idrogeno nello strato MH durante il processo di assorbimento dell'idrogeno nei casi da 1 a 3. Tipicamente, la reazione tra l'idruro metallico e l'idrogeno è esotermica rispetto al processo di assorbimento.Pertanto, la temperatura del letto aumenta rapidamente a causa del momento iniziale in cui l'idrogeno viene introdotto per la prima volta nel reattore.La temperatura del letto aumenta fino a raggiungere un valore massimo e poi diminuisce gradualmente poiché il calore viene portato via dal liquido refrigerante, che ha una temperatura più bassa e funge da refrigerante.Come mostrato in fig.4a, a causa della spiegazione precedente, la temperatura dello strato aumenta rapidamente e diminuisce continuamente.La concentrazione di idrogeno per il processo di assorbimento si basa solitamente sulla temperatura del letto del reattore MH.Quando la temperatura media dello strato scende sotto una certa temperatura, la superficie metallica assorbe idrogeno.Ciò è dovuto all'accelerazione dei processi di fisisorbimento, chemisorbimento, diffusione dell'idrogeno e formazione dei suoi idruri nel reattore.Dalla fig.4b si può vedere che il tasso di assorbimento dell'idrogeno nel caso 3 è inferiore rispetto agli altri casi a causa del valore di gradino più piccolo dello scambiatore di calore a serpentina.Ciò si traduce in una lunghezza complessiva del tubo più lunga e in un'area di trasferimento del calore più ampia per i tubi HTF.Con una concentrazione media di idrogeno del 90%, il tempo di assorbimento per il caso 1 è di 46.276 secondi.Rispetto alla durata dell'assorbimento nel caso 1, la durata dell'assorbimento nei casi 2 e 3 è stata ridotta rispettivamente di 724 s e 1263 s.La sezione supplementare presenta i contorni della temperatura e della concentrazione di idrogeno per posizioni selezionate nello strato HCHE-MH.
Influenza della distanza tra le bobine sulla temperatura media dello strato e sulla concentrazione di idrogeno.(a) Temperatura media del letto per bobine elicoidali, (b) concentrazione di idrogeno per bobine elicoidali, (c) temperatura media del letto per bobine semicilindriche e (d) concentrazione di idrogeno per bobine semicilindriche.
Per migliorare le caratteristiche di trasferimento del calore del reattore MG, sono stati progettati due HFC per un volume costante del MG (2000 cm3) e uno scambiatore di calore a spirale (100 cm3) dell'Opzione 3. Questa sezione considera anche l'effetto della distanza tra il reattore MG spire da 15 mm per il caso 4, 12,86 mm per il caso 5 e 10 mm per il caso 6. In fig.4c,d mostrano la temperatura media del letto e la concentrazione del processo di assorbimento dell'idrogeno ad una temperatura iniziale di 573 K e una pressione di carico di 1,8 MPa.Secondo la temperatura media dello strato in Fig. 4c, la distanza minore tra le bobine nel caso 6 riduce significativamente la temperatura rispetto agli altri due casi.Per il caso 6, una temperatura del letto più bassa si traduce in una maggiore concentrazione di idrogeno (vedere Fig. 4d).Il tempo di assorbimento dell'idrogeno per la variante 4 è di 19542 s, ovvero più di 2 volte inferiore rispetto a quello delle varianti 1-3 che utilizzano HCH.Inoltre, rispetto al caso 4, anche il tempo di assorbimento è stato ridotto di 378 s e 1515 s nei casi 5 e 6 con distanze inferiori.La sezione supplementare presenta i contorni della temperatura e della concentrazione di idrogeno per posizioni selezionate nello strato SCHE-MH.
Per studiare le prestazioni di due configurazioni di scambiatori di calore, questa sezione traccia e presenta le curve di temperatura in tre posizioni selezionate.Il reattore MH con HCHE del caso 3 è stato scelto per il confronto con il reattore MH contenente SCHE nel caso 4 perché ha un volume MH e un volume del tubo costanti.Le condizioni operative per questo confronto erano una temperatura iniziale di 573 K e una pressione di carico di 1,8 MPa.Nella fig.5a e 5b mostrano tutte e tre le posizioni selezionate dei profili di temperatura rispettivamente nei casi 3 e 4.Nella fig.5c mostra il profilo della temperatura e la concentrazione degli strati dopo 20.000 s di assorbimento di idrogeno.Secondo la linea 1 nella Fig. 5c, la temperatura attorno al TTF delle opzioni 3 e 4 diminuisce a causa del trasferimento di calore convettivo del liquido di raffreddamento.Ciò si traduce in una maggiore concentrazione di idrogeno attorno a quest’area.Tuttavia, l’uso di due SCHE comporta una concentrazione di strati più elevata.Risposte cinetiche più rapide sono state riscontrate attorno alla regione HTF nel caso 4. Inoltre, in questa regione è stata riscontrata anche una concentrazione massima del 100%.Dalla linea 2 situata al centro del reattore, la temperatura del caso 4 è significativamente inferiore alla temperatura del caso 3 in tutti i punti tranne che al centro del reattore.Ciò si traduce nella concentrazione massima di idrogeno per il caso 4, ad eccezione della regione vicino al centro del reattore, lontano dall'HTF.Tuttavia, la concentrazione del caso 3 non è cambiata molto.Una grande differenza nella temperatura e nella concentrazione dello strato è stata osservata nella linea 3 vicino all'ingresso del GTS.La temperatura dello strato nel caso 4 è diminuita significativamente, determinando la più alta concentrazione di idrogeno in questa regione, mentre la linea di concentrazione nel caso 3 era ancora fluttuante.Ciò è dovuto all’accelerazione del trasferimento di calore SCHE.I dettagli e la discussione del confronto della temperatura media dello strato MH e del tubo HTF tra il caso 3 e il caso 4 sono forniti nella sezione supplementare.
Profilo di temperatura e concentrazione del letto in punti selezionati nel reattore a idruro metallico.(a) Posizioni selezionate per il caso 3, (b) Posizioni selezionate per il caso 4 e (c) Profilo di temperatura e concentrazione degli strati in posizioni selezionate dopo 20.000 s per il processo di assorbimento dell'idrogeno nei casi 3 e 4.
Nella fig.La Figura 6 mostra un confronto tra la temperatura media del letto (vedi Fig. 6a) e la concentrazione di idrogeno (vedi Fig. 6b) per l'assorbimento di HCH e SHE.Da questa figura si può vedere che la temperatura dello strato MG diminuisce significativamente a causa dell'aumento dell'area di scambio termico.La rimozione di più calore dal reattore si traduce in un tasso di assorbimento di idrogeno più elevato.Sebbene le due configurazioni dello scambiatore di calore abbiano gli stessi volumi rispetto all'utilizzo di HCHE come Opzione 3, il tempo di assorbimento dell'idrogeno di SCHE basato sull'Opzione 4 è stato significativamente ridotto del 59%.Per un'analisi più dettagliata, le concentrazioni di idrogeno per le due configurazioni dello scambiatore di calore sono mostrate come isoline nella Figura 7. Questa figura mostra che in entrambi i casi, l'idrogeno inizia ad essere assorbito dal basso attorno all'ingresso dell'HTF.Concentrazioni più elevate sono state riscontrate nella regione HTF, mentre concentrazioni più basse sono state osservate al centro del reattore MH a causa della sua distanza dallo scambiatore di calore.Dopo 10.000 s, la concentrazione di idrogeno nel caso 4 è significativamente più alta che nel caso 3. Dopo 20.000 secondi, la concentrazione media di idrogeno nel reattore è aumentata al 90% nel caso 4 rispetto al 50% di idrogeno nel caso 3. Ciò potrebbe essere dovuto alla maggiore capacità di raffreddamento effettiva della combinazione di due SCHE, con conseguente temperatura più bassa all’interno dello strato MH.Di conseguenza, all'interno dello strato MG cade una pressione più equilibrata, che porta ad un assorbimento più rapido dell'idrogeno.
Caso 3 e Caso 4 Confronto della temperatura media del letto e della concentrazione di idrogeno tra due configurazioni di scambiatore di calore.
Confronto della concentrazione di idrogeno dopo 500, 2000, 5000, 10000 e 20000 s dall'inizio del processo di assorbimento dell'idrogeno nel caso 3 e nel caso 4.
La tabella 5 riassume la durata dell'assorbimento di idrogeno per tutti i casi.Inoltre nella tabella è riportato anche il tempo di assorbimento dell'idrogeno, espresso in percentuale.Questa percentuale viene calcolata in base al tempo di assorbimento del caso 1. Da questa tabella, il tempo di assorbimento del reattore MH che utilizza HCHE è compreso tra circa 45.000 e 46.000 s e il tempo di assorbimento incluso SCHE è compreso tra circa 18.000 e 19.000 s.Rispetto al Caso 1, il tempo di assorbimento nel Caso 2 e nel Caso 3 è stato ridotto rispettivamente solo dell’1,6% e del 2,7%.Quando si utilizzava SCHE invece di HCHE, il tempo di assorbimento era significativamente ridotto dal caso 4 al caso 6, dal 58% al 61%.È chiaro che l'aggiunta di SCHE al reattore MH migliora notevolmente il processo di assorbimento dell'idrogeno e le prestazioni del reattore MH.Sebbene l’installazione di uno scambiatore di calore all’interno del reattore MH riduca la capacità di stoccaggio, questa tecnologia fornisce un miglioramento significativo nel trasferimento di calore rispetto ad altre tecnologie.Inoltre, diminuendo il valore dell'intonazione aumenterà il volume dello SCHE, con conseguente diminuzione del volume dell'MH.Nel caso 6 con il volume SCHE più alto, la capacità volumetrica MH era ridotta solo del 5% rispetto al caso 1 con il volume HCHE più basso.Inoltre, durante l'assorbimento, il caso 6 ha mostrato prestazioni più veloci e migliori con una riduzione del 61% del tempo di assorbimento.Pertanto è stato scelto il caso 6 per ulteriori indagini nell'analisi di sensibilità.Va notato che il lungo tempo di assorbimento dell'idrogeno è associato ad un serbatoio di stoccaggio contenente un volume MH di circa 2000 cm3.
I parametri operativi durante la reazione sono fattori importanti che influenzano positivamente o negativamente le prestazioni del reattore MH in condizioni reali.Questo studio considera un'analisi di sensibilità per determinare i parametri operativi iniziali appropriati per un reattore MH in combinazione con SCHE, e questa sezione analizza i quattro principali parametri operativi basati sulla configurazione ottimale del reattore nel caso 6. I risultati per tutte le condizioni operative sono mostrati in Figura 8.
Grafico della concentrazione di idrogeno in varie condizioni operative quando si utilizza uno scambiatore di calore con serpentino semicilindrico.(a) pressione di carico, (b) temperatura iniziale del letto, (c) numero di Reynolds del refrigerante e (d) temperatura di ingresso del refrigerante.
Sulla base di una temperatura iniziale costante di 573 K e una portata del refrigerante con un numero di Reynolds di 14.000, sono state selezionate quattro diverse pressioni di carico: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa e 3,0 MPa.Nella fig.8a mostra l'effetto della pressione di carico e dello SCHE sulla concentrazione di idrogeno nel tempo.Il tempo di assorbimento diminuisce con l'aumentare della pressione di carico.L'utilizzo di una pressione di idrogeno applicata di 1,2 MPa è il caso peggiore per il processo di assorbimento dell'idrogeno e la durata dell'assorbimento supera i 26.000 s per ottenere un assorbimento dell'idrogeno del 90%.Tuttavia, la maggiore pressione di carico ha comportato una diminuzione del 32-42% nel tempo di assorbimento da 1,8 a 3,0 MPa.Ciò è dovuto alla maggiore pressione iniziale dell'idrogeno, che si traduce in una maggiore differenza tra la pressione di equilibrio e la pressione applicata.Pertanto, questo crea una grande forza trainante per la cinetica di assorbimento dell’idrogeno.Nel momento iniziale, l'idrogeno gassoso viene rapidamente assorbito a causa della grande differenza tra la pressione di equilibrio e la pressione applicata57.Ad una pressione di carico di 3,0 MPa, durante i primi 10 secondi si è accumulato rapidamente il 18% di idrogeno.L'idrogeno è stato immagazzinato nel 90% dei reattori nella fase finale per 15460 s.Tuttavia, con una pressione di carico compresa tra 1,2 e 1,8 MPa, il tempo di assorbimento è stato notevolmente ridotto del 32%.Altre pressioni più elevate hanno avuto un effetto minore sul miglioramento dei tempi di assorbimento.Pertanto, si raccomanda che la pressione di carico del reattore MH-SCHE sia pari a 1,8 MPa.La sezione supplementare mostra i contorni della concentrazione di idrogeno per varie pressioni di carico a 15500 s.
La scelta di una temperatura iniziale appropriata del reattore MH è uno dei principali fattori che influenzano il processo di adsorbimento dell'idrogeno, poiché influenza la forza trainante della reazione di formazione dell'idruro.Per studiare l'effetto di SCHE sulla temperatura iniziale del reattore MH, sono state scelte quattro diverse temperature con una pressione di carico costante di 1,8 MPa e un numero di Reynolds di 14.000 HTF.Nella fig.La Figura 8b mostra un confronto tra varie temperature iniziali, tra cui 473K, 523K, 573K e 623K.Infatti, quando la temperatura è superiore a 230°C o 503K58, la lega Mg2Ni presenta caratteristiche efficaci per il processo di assorbimento dell'idrogeno.Tuttavia, nel momento iniziale dell’iniezione di idrogeno, la temperatura aumenta rapidamente.Di conseguenza, la temperatura dello strato MG supererà i 523 K. Pertanto, la formazione di idruri è facilitata a causa dell'aumento del tasso di assorbimento53.Dalla fig.Dalla Figura 8b si può vedere che l'idrogeno viene assorbito più velocemente al diminuire della temperatura iniziale dello strato MB.Pressioni di equilibrio inferiori si verificano quando la temperatura iniziale è inferiore.Maggiore è la differenza di pressione tra la pressione di equilibrio e la pressione applicata, più veloce è il processo di assorbimento dell'idrogeno.Ad una temperatura iniziale di 473 K, l'idrogeno viene assorbito rapidamente fino al 27% nei primi 18 secondi.Inoltre, anche il tempo di assorbimento è stato ridotto dall'11% al 24% ad una temperatura iniziale inferiore rispetto alla temperatura iniziale di 623 K. Il tempo di assorbimento alla temperatura iniziale più bassa di 473 K è di 15247 s, che è simile al migliore In caso di pressione di caricamento, tuttavia, la diminuzione della temperatura iniziale del reattore porta ad una diminuzione della capacità di stoccaggio dell'idrogeno.La temperatura iniziale del reattore MN deve essere almeno 503 K53.Inoltre, ad una temperatura iniziale di 573 K53, è possibile raggiungere una capacità massima di stoccaggio dell'idrogeno pari al 3,6% in peso.In termini di capacità di stoccaggio dell’idrogeno e durata di assorbimento, temperature comprese tra 523 e 573 K accorciano i tempi solo del 6%.Pertanto, come temperatura iniziale del reattore MH-SCHE viene proposta una temperatura di 573 K.Tuttavia, l’effetto della temperatura iniziale sul processo di assorbimento è risultato meno significativo rispetto alla pressione di carico.La sezione supplementare mostra i contorni della concentrazione di idrogeno per varie temperature iniziali a 15500 s.
La portata è uno dei parametri principali dell'idrogenazione e deidrogenazione perché può influenzare la turbolenza e la rimozione o l'immissione di calore durante l'idrogenazione e la deidrogenazione59.Portate elevate creeranno fasi turbolente e si tradurranno in un flusso del fluido più rapido attraverso il tubo HTF.Questa reazione si tradurrà in un trasferimento di calore più rapido.Le diverse velocità di ingresso per HTF vengono calcolate in base ai numeri di Reynolds di 10.000, 14.000, 18.000 e 22.000.La temperatura iniziale dello strato MG è stata fissata a 573 K e la pressione di carico a 1,8 MPa.I risultati in fig.8c dimostrano che l'utilizzo di un numero di Reynolds più elevato in combinazione con SCHE determina un tasso di assorbimento più elevato.Quando il numero di Reynolds aumenta da 10.000 a 22.000, il tempo di assorbimento diminuisce di circa il 28-50%.Il tempo di assorbimento con un numero di Reynolds di 22.000 è di 12.505 secondi, che è inferiore rispetto a varie temperature e pressioni di caricamento iniziali.I contorni della concentrazione di idrogeno per vari numeri di Reynolds per GTP a 12500 s sono presentati nella sezione supplementare.
L'effetto di SCHE sulla temperatura iniziale dell'HTF viene analizzato e mostrato in Fig. 8d.Ad una temperatura MG iniziale di 573 K e una pressione di carico dell'idrogeno di 1,8 MPa, per questa analisi sono state scelte quattro temperature iniziali: 373 K, 473 K, 523 K e 573 K. 8d mostra che una diminuzione della temperatura del liquido di raffreddamento in ingresso porta ad una riduzione del tempo di assorbimento.Rispetto al caso base con una temperatura di ingresso di 573 K, il tempo di assorbimento è stato ridotto di circa il 20%, 44% e 56% per temperature di ingresso rispettivamente di 523 K, 473 K e 373 K.A 6917 s, la temperatura iniziale del GTF è 373 K, la concentrazione di idrogeno nel reattore è del 90%.Ciò può essere spiegato dal maggiore trasferimento di calore convettivo tra lo strato MG e l’HCS.Temperature HTF più basse aumenteranno la dissipazione del calore e si tradurranno in un maggiore assorbimento di idrogeno.Tra tutti i parametri operativi, migliorare le prestazioni del reattore MH-SCHE aumentando la temperatura di ingresso dell'HTF è stato il metodo più adatto, poiché il tempo finale del processo di assorbimento è stato inferiore a 7000 s, mentre il tempo di assorbimento più breve di altri metodi è stato superiore superiore a 10.000 s.Vengono presentati i contorni della concentrazione di idrogeno per varie temperature iniziali di GTP per 7000 s.
Questo studio presenta per la prima volta un nuovo scambiatore di calore a serpentina semicilindrica integrato in un'unità di accumulo di idruro metallico.La capacità del sistema proposto di assorbire idrogeno è stata studiata con varie configurazioni dello scambiatore di calore.È stata studiata l'influenza dei parametri operativi sullo scambio termico tra lo strato di idruro metallico e il liquido di raffreddamento al fine di trovare le condizioni ottimali per lo stoccaggio degli idruri metallici utilizzando un nuovo scambiatore di calore.I principali risultati di questo studio sono riassunti come segue:
Con uno scambiatore di calore a serpentina semicilindrico, le prestazioni di trasferimento del calore sono migliorate perché ha una distribuzione del calore più uniforme nel reattore a strato di magnesio, con conseguente migliore tasso di assorbimento dell'idrogeno.A condizione che il volume del tubo di scambio termico e dell'idruro metallico rimanga invariato, il tempo di reazione di assorbimento è significativamente ridotto del 59% rispetto ad uno scambiatore di calore a spirale convenzionale.
Orario di pubblicazione: 15 gennaio 2023