Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com.Þú ert að nota vafraútgáfu með takmarkaðan CSS stuðning.Til að fá bestu upplifunina mælum við með því að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkva á eindrægnistillingu í Internet Explorer).Að auki, til að tryggja áframhaldandi stuðning, sýnum við síðuna án stíla og JavaScript.
Sýnir hringekju með þremur skyggnum í einu.Notaðu Fyrri og Næsta hnappana til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu, eða notaðu sleðahnappana í lokin til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu.
Málmhýdríð (MH) eru viðurkennd sem einn af hentugustu efnisflokkunum til vetnisgeymslu vegna mikillar vetnisgeymslugetu, lágs rekstrarþrýstings og mikils öryggis.Hins vegar dregur hægur vetnisupptökuhreyfileiki þeirra verulega úr geymsluafköstum.Hraðari varmaflutningur úr MH geymslunni gæti gegnt mikilvægu hlutverki í að auka vetnisupptökuhraða hennar, sem leiðir til betri geymsluafkösts.Í þessu sambandi miðaði þessi rannsókn að því að bæta hitaflutningseiginleikana til að hafa jákvæð áhrif á upptökuhraða vetnis MH geymslukerfisins.Nýja hálfsívala spólan var fyrst þróuð og fínstillt fyrir vetnisgeymslu og felld inn sem innri loft-sem-varmaskipti (HTF).Byggt á mismunandi hæðarstærðum eru áhrif nýju varmaskiptauppstillingarinnar greind og borin saman við hefðbundna spólulaga rúmfræði.Að auki voru rekstrarbreytur geymslu á MG og GTP tölulega rannsakaðar til að fá ákjósanleg gildi.Fyrir tölulega uppgerð er ANSYS Fluent 2020 R2 notað.Niðurstöður þessarar rannsóknar sýna að hægt er að bæta árangur MH geymslutanks verulega með því að nota hálfsívalan spóluvarmaskipti (SCHE).Í samanburði við hefðbundna spíralspóluvarmaskipta minnkar endingartími vetnisupptöku um 59%.Minnsta fjarlægðin milli SCHE spólanna leiddi til 61% minnkunar á frásogstíma.Hvað varðar rekstrarfæribreytur MG geymslu sem notar SHE, leiða allar valdar breytur til verulegrar endurbóta á frásogsferli vetnis, sérstaklega hitastigið við inntak HTS.
Það eru alþjóðleg umskipti frá orku byggðri á jarðefnaeldsneyti yfir í endurnýjanlega orku.Vegna þess að margar tegundir endurnýjanlegrar orku veita orku á kraftmikinn hátt, er orkugeymsla nauðsynleg til að jafna álagið.Vetnisbundin orkugeymsla hefur vakið mikla athygli í þessu skyni, sérstaklega vegna þess að vetni er hægt að nota sem „grænt“ annað eldsneyti og orkubera vegna eiginleika þess og flytjanleika.Auk þess býður vetni einnig upp á hærra orkuinnihald á hverja massaeiningu samanborið við jarðefnaeldsneyti2.Það eru fjórar megingerðir vetnisorkugeymslu: geymsla fyrir þjappað gas, geymsla neðanjarðar, vökvageymsla og geymsla á föstu formi.Þjappað vetni er aðaltegundin sem notuð er í efnarafala farartæki eins og rútur og lyftara.Hins vegar gefur þessi geymsla lítinn lausaþyngd vetnis (u.þ.b. 0,089 kg/m3) og hefur öryggisvandamál tengd háum rekstrarþrýstingi3.Byggt á umbreytingarferli við lágan umhverfishita og þrýsting mun vökvageymslan geyma vetni í fljótandi formi.Hins vegar, þegar það er fljótandi, tapast um 40% af orkunni.Að auki er vitað að þessi tækni er orku- og vinnufrekari samanborið við geymslutækni í föstu formi4.Geymsla á föstu formi er raunhæfur valkostur fyrir vetnishagkerfi, sem geymir vetni með því að blanda vetni í fast efni með upptöku og losun vetnis með afsog.Málmhýdríð (MH), geymslutækni fyrir fast efni, hefur nýlega áhuga á notkun eldsneytisfrumna vegna mikillar vetnisgetu, lágs rekstrarþrýstings og lágs kostnaðar samanborið við fljótandi geymslu, og hentar fyrir kyrrstæðar og farsímanotkun. Að auki veita MH efni einnig öryggiseiginleika eins og skilvirka geymslu með stórum afkastagetu8.Hins vegar er vandamál sem takmarkar framleiðni MG: Lítil hitaleiðni MG reactors leiðir til hægs frásogs og afsogs vetnis.
Rétt hitaflutningur við útverma og innverma viðbrögð er lykillinn að því að bæta afköst MH reactors.Fyrir vetnishleðsluferlið verður að fjarlægja hitann sem myndast úr reactor til að stjórna vetnishleðsluflæðinu á æskilegum hraða með hámarks geymslugetu.Þess í stað þarf hita til að auka hraða vetnisþróunar við losun.Til að bæta hita- og massaflutningsgetu hafa margir vísindamenn rannsakað hönnun og hagræðingu byggt á mörgum þáttum eins og rekstrarbreytum, MG uppbyggingu og MG11 hagræðingu.MG hagræðingu er hægt að gera með því að bæta efnum með mikilli hitaleiðni eins og frauðmálmum við MG lög 12,13.Þannig er hægt að auka skilvirka hitaleiðni úr 0,1 í 2 W/mK10.Hins vegar dregur það verulega úr krafti MN reactors að bæta við föstu efni.Hvað varðar rekstrarfæribreytur er hægt að ná fram endurbótum með því að hagræða upphafsrekstrarskilyrði MG lagsins og kælivökvans (HTF).Hægt er að fínstilla uppbyggingu MG vegna rúmfræði reactors og hönnunar varmaskipta.Varðandi uppsetningu MH reactor varmaskipta má skipta aðferðunum í tvær tegundir.Þetta eru innri varmaskipti sem eru innbyggð í MO lagið og ytri varmaskiptar sem þekja MO lagið eins og uggar, kælijakkar og vatnsböð.Að því er varðar ytri varmaskiptinn greindi Kaplan16 virkni MH reactorsins og notaði kælivatn sem jakka til að draga úr hitastigi inni í reactornum.Niðurstöðurnar voru bornar saman við 22 hringlaga ugga reactor og annan reactor sem kældur var með náttúrulegri convection.Þeir segja að tilvist kælijakka dregur verulega úr hitastigi MH og eykur þar með frásogshraðann.Tölulegar rannsóknir Patil og Gopal17 á vatnshúðuðum MH reactornum hafa sýnt að vetnisbirgðaþrýstingur og HTF hitastig eru lykilbreytur sem hafa áhrif á hraða upptöku og afsogs vetnis.
Að auka hitaflutningssvæðið með því að bæta við uggum og varmaskiptum innbyggðum í MH er lykillinn að því að bæta hita- og massaflutningsgetu og þar með geymsluafköst MH18.Nokkrar innri varmaskiptastillingar (beint rör og spíralspóla) hafa verið hannaðar til að dreifa kælivökvanum í MH19,20,21,22,23,24,25,26 reactor.Með því að nota innri varmaskipti mun kæli- eða hitunarvökvinn flytja staðbundna hita inn í MH reactor meðan á vetnisaðsogsferlinu stendur.Raju og Kumar [27] notuðu nokkur bein rör sem varmaskipti til að bæta afköst MG.Niðurstöður þeirra sýndu að frásogstími styttist þegar bein rör voru notuð sem varmaskipti.Að auki styttir notkun beinna röra afsogstíma vetnis28.Hærra rennsli kælivökva eykur hraða hleðslu og losunar vetnis29.Hins vegar hefur fjölgun kæliröra jákvæð áhrif á MH-afköst frekar en kælivökvaflæði30,31.Raju et al.32 notuðu LaMi4.7Al0.3 sem MH efni til að rannsaka frammistöðu fjölröra varmaskipta í kjarnaofnum.Þeir greindu frá því að rekstrarbreyturnar hefðu veruleg áhrif á frásogsferlið, sérstaklega fóðurþrýstinginn og síðan flæðishraða HTF.Hins vegar reyndist frásogshitastigið vera minna mikilvægt.
Afköst MH reactorsins eru enn betri með því að nota spíralspóluvarmaskipti vegna bættrar varmaflutnings hans miðað við bein rör.Þetta er vegna þess að aukahringrásin getur betur fjarlægt hita úr reactor25.Að auki veita spíralrörin stórt yfirborð fyrir hitaflutning frá MH laginu yfir í kælivökvann.Þegar þessi aðferð er kynnt inni í reactor er dreifing varmaskiptaröra einnig jafnari33.Wang o.fl.34 rannsakað áhrif vetnisupptökutíma með því að bæta þyrillaga spólu við MH reactor.Niðurstöður þeirra sýna að eftir því sem varmaflutningsstuðull kælivökvans eykst minnkar frásogstíminn.Wu o.fl.25 rannsakað frammistöðu Mg2Ni byggðra MH reactors og spóluvarmaskipta.Tölulegar rannsóknir þeirra hafa sýnt lækkun á viðbragðstíma.Endurbætur á hitaflutningsbúnaði í MN reactor byggist á minna hlutfalli skrúfuhalla og skrúfuhalla og víddarlausrar skrúfuhalla.Tilraunarannsókn af Mellouli o.fl.21 með spólu sem innri varmaskipti sýndi að HTF upphafshiti hefur veruleg áhrif til að bæta vetnisupptöku og afsogstíma.Samsetningar mismunandi innri varmaskipta hafa verið gerðar í nokkrum rannsóknum.Eisapur o.fl.35 rannsakað vetnisgeymslu með því að nota spíralspóluvarmaskipti með miðlægu afturröri til að bæta vetnisupptökuferlið.Niðurstöður þeirra sýndu að spíralrörið og miðreiðslöngan bæta verulega hitaflutning milli kælivökvans og MG.Minni halli og stærra þvermál spíralrörsins eykur hita- og massaflutningshraðann.Ardahaie o.fl.36 notuðu flöt spíralrör sem varmaskipti til að bæta varmaflutning innan kjarnaofnsins.Þeir greindu frá því að frásogstíminn væri minnkaður með því að fjölga fletjuðum spíralpípuplanum.Samsetningar mismunandi innri varmaskipta hafa verið gerðar í nokkrum rannsóknum.Dhau o.fl.37 bætti frammistöðu MH með því að nota spóluvarmaskipti og ugga.Niðurstöður þeirra sýna að þessi aðferð dregur úr vetnisfyllingartímanum um 2 stuðul samanborið við tilfellið án ugga.Hringlaga uggarnir eru sameinaðir kælirörum og innbyggðir í MN reactor.Niðurstöður þessarar rannsóknar sýna að þessi sameinaða aðferð veitir jafnari hitaflutning samanborið við MH reactor án ugga.Hins vegar, að sameina mismunandi varmaskipti mun hafa neikvæð áhrif á þyngd og rúmmál MH reactors.Wu et al.18 báru saman mismunandi uppsetningar varmaskipta.Þar á meðal eru bein rör, uggar og spíralspólur.Höfundarnir greina frá því að spíralspólur gefi bestu framfarirnar í hita- og massaflutningi.Að auki, samanborið við bein rör, spóluð rör og bein rör ásamt spóluðum rörum, hafa tvöfaldar spólur betri áhrif á að bæta hitaflutning.Rannsókn Sekhar o.fl.40 sýndi að svipuð framför í vetnisupptöku náðist með því að nota spíralspólu sem innri varmaskipti og ytri kælihylki með finnum.
Af ofangreindum dæmum veitir notkun spíralspóla sem innri varmaskipta betri hita- og massaflutningsbætur en aðrir varmaskiptar, sérstaklega bein rör og uggar.Þess vegna var markmið þessarar rannsóknar að þróa spíralspóluna frekar til að bæta hitaflutningsafköst.Í fyrsta skipti hefur ný hálf-sívalur spóla verið þróuð byggð á hefðbundinni MH geymslu spólu.Gert er ráð fyrir að þessi rannsókn bæti vetnisgeymsluafköst með því að huga að nýrri hönnun varmaskipta með betra skipulagi varmaflutningssvæðis með stöðugu rúmmáli MH rúms og HTF röra.Geymsluafköst þessa nýja varmaskipta voru síðan borin saman við hefðbundna spíralspóluvarmaskipti sem byggðust á mismunandi spóluhæðum.Samkvæmt fyrirliggjandi bókmenntum eru rekstrarskilyrði og bil spóla helstu þættirnir sem hafa áhrif á afköst MH reactors.Til að hámarka hönnun þessa nýja varmaskipta voru áhrif spólubilsins á vetnisupptökutíma og MH rúmmál könnuð.Að auki, til þess að skilja tengslin milli nýju hálfsívalu spólanna og rekstrarskilyrða, var aukamarkmið þessarar rannsóknar að rannsaka eiginleika kjarnaofns í samræmi við mismunandi rekstrarfæribreytur og ákvarða viðeigandi gildi fyrir hverja notkun. ham.breytu.
Frammistaða vetnisorkugeymslubúnaðarins í þessari rannsókn er rannsökuð út frá tveimur varmaskiptastillingum (þar á meðal spíralrör í tilfellum 1 til 3 og hálfsívalar rör í tilvikum 4 til 6) og næmnigreiningu á rekstrarbreytum.Notkun MH reactors var prófuð í fyrsta skipti með því að nota spíralrör sem varmaskipti.Bæði kælivökvaolíupípan og MH reactor ílátið eru úr ryðfríu stáli.Tekið skal fram að stærð MG reactors og þvermál GTF röra voru stöðug í öllum tilfellum en þrepa stærðir GTF mismunandi.Þessi hluti greinir áhrif tónhæðar HTF spóla.Hæð og ytra þvermál kjarnaofnsins voru 110 mm og 156 mm, í sömu röð.Þvermál hitaleiðandi olíupípunnar er stillt á 6 mm.Sjá viðbótarkafla fyrir upplýsingar um MH reactor hringrás skýringarmynd með spíral rör og tvö hálf-sívalur rör.
Á mynd.1a sýnir MH þyrilrör reactor og stærðir hans.Allar rúmfræðilegar breytur eru gefnar upp í töflu.1. Heildarrúmmál helixsins og rúmmál ZG eru um það bil 100 cm3 og 2000 cm3, í sömu röð.Frá þessum MH reactor var loft í formi HTF borið inn í gljúpa MH reactor neðan frá í gegnum spíralrör og vetni var sett inn frá efsta yfirborði reactorsins.
Einkenni völdum rúmfræði fyrir málmhýdríðkljúfa.a) með spíralpípulaga varmaskipti, b) með hálfsívala pípulaga varmaskipti.
Í öðrum hluta er farið yfir virkni kjarnaofns MH sem byggir á hálfsívala röri sem varmaskipti.Á mynd.Mynd 1b sýnir MN reactor með tveimur hálf-sívölum rörum og mál þeirra.Tafla 1 sýnir allar rúmfræðilegar færibreytur hálfsívaldra röra, sem haldast stöðugar, að undanskildum fjarlægðinni á milli þeirra.Það skal tekið fram að hálf-sívala rörið í tilfelli 4 var hannað með stöðugu rúmmáli af HTF rör og MH álfelgur í spólu rörinu (valkostur 3).Hvað varðar mynd.1b var loft einnig sett inn frá botni tveggja hálf-sívalningslaga HTF röranna og vetni var sett inn úr gagnstæða átt við MH reactor.
Vegna nýrrar hönnunar varmaskiptisins er tilgangur þessa hluta að ákvarða viðeigandi upphafsgildi fyrir rekstrarbreytur MH reactors ásamt SCHE.Í öllum tilfellum var loft notað sem kælivökvi til að fjarlægja hita úr reactor.Meðal varmaflutningsolíu er loft og vatn almennt valið sem varmaflutningsolíur fyrir MH reactors vegna lágs kostnaðar og lítillar umhverfisáhrifa.Vegna mikils vinnsluhitasviðs magnesíum-undirstaða málmblöndur var loft valið sem kælivökvi í þessari rannsókn.Að auki hefur það einnig betri flæðieiginleika en aðrir fljótandi málmar og bráðin sölt41.Tafla 2 sýnir eiginleika lofts við 573 K. Fyrir næmnigreininguna í þessum hluta er aðeins beitt bestu stillingum MH-SCHE frammistöðuvalkostanna (í tilvikum 4 til 6).Áætlanirnar í þessum hluta eru byggðar á ýmsum rekstrarbreytum, þar á meðal upphafshitastigi MH reactors, vetnishleðsluþrýstingi, HTF inntakshitastig og Reynolds tölu sem er reiknuð með því að breyta HTF hraða.Tafla 3 inniheldur allar rekstrarfæribreytur sem notaðar eru við næmnigreiningu.
Þessi hluti lýsir öllum nauðsynlegum stýrijöfnum fyrir ferli vetnisupptöku, ókyrrðar og hitaflutnings kælivökva.
Til að einfalda lausn vetnisupptökuhvarfsins eru eftirfarandi forsendur gefnar og gefnar upp;
Við frásog eru hitaeðlisfræðilegir eiginleikar vetnis og málmhýdríða stöðugir.
Vetni er talið ákjósanlegt gas og því er tekið tillit til staðbundinna hitajafnvægisskilyrða43,44.
þar sem \({L}_{gas}\) er radíus tanksins og \({L}_{hiti}\) er áshæð tanksins.Þegar N er minna en 0,0146 er hægt að hunsa vetnisflæði í tankinum í uppgerðinni án teljandi villu.Samkvæmt núverandi rannsóknum er N mun lægra en 0,1.Þess vegna er hægt að vanrækja þrýstingshallaáhrifin.
Veggir kjarnaofnsins voru vel einangraðir í öllum tilvikum.Þess vegna eru engin varmaskipti 47 á milli kjarnaofns og umhverfisins.
Það er vel þekkt að Mg-undirstaða málmblöndur hafa góða vetnunareiginleika og mikla vetnisgeymslugetu allt að 7,6 wt%8.Hvað varðar vetnisgeymslu í föstu formi eru þessar málmblöndur einnig þekktar sem létt efni.Að auki hafa þeir framúrskarandi hitaþol og góða vinnsluhæfni8.Meðal nokkurra Mg-undirstaða málmblöndur, Mg2Ni-undirstaða MgNi málmblöndur er einn af hentugustu valkostum fyrir MH geymslu vegna vetnis geymslugetu þess allt að 6 wt%.Mg2Ni málmblöndur veita einnig hraðari aðsogs- og afsogshraða samanborið við MgH48 málmblöndur.Þess vegna var Mg2Ni valið sem málmhýdríð efni í þessari rannsókn.
Orkujöfnan er gefin upp sem 25 miðað við hitajafnvægi vetnis og Mg2Ni hýdríðs:
X er magn vetnis sem frásogast á málmyfirborðinu, einingin er \(þyngd\%\), reiknuð út frá hreyfijöfnunni \(\frac{dX}{dt}\) við frásog eins og hér segir49:
þar sem \({C}_{a}\) er hvarfhraði og \({E}_{a}\) er virkjunarorkan.\({P}_{a,eq}\) er jafnvægisþrýstingurinn inni í málmhýdríðkljúfnum meðan á frásogsferlinu stendur, gefinn með van't Hoff jöfnunni sem hér segir25:
Þar sem \({P}_{ref}\) er viðmiðunarþrýstingurinn 0,1 MPa.\(\Delta H\) og \(\Delta S\) eru entalpa og óreiðu hvarfsins, í sömu röð.Eiginleikar málmblöndur Mg2Ni og vetnis eru sýndir í töflu.4. Nafngreindan lista er að finna í aukahlutanum.
Vökvaflæðið er talið órólegt vegna þess að hraði þess og Reynolds tala (Re) eru 78,75 ms-1 og 14000, í sömu röð.Í þessari rannsókn var valið k-ε ókyrrðarlíkan sem hægt var að ná.Það er tekið fram að þessi aðferð veitir meiri nákvæmni samanborið við aðrar k-ε aðferðir og krefst einnig minni útreikningstíma en RNG k-ε50,51 aðferðir.Sjá viðbótarkafla fyrir upplýsingar um grunnjöfnur fyrir varmaflutningsvökva.
Upphaflega var hitastigið í MN reactorinu einsleitt og meðalvetnisstyrkur var 0,043.Gert er ráð fyrir að ytri mörk kjarnaofns MH séu vel einangruð.Magnesíum-undirstaða málmblöndur þurfa venjulega hátt viðbragðshitastig til að geyma og losa vetni í reactor.Mg2Ni álfelgur þarf hitastig á bilinu 523–603 K fyrir hámarks frásog og hitastig á bilinu 573–603 K fyrir fullkomið afsog52.Hins vegar sýndu tilraunarannsóknir Muthukumar o.fl.53 að hámarks geymslugetu Mg2Ni fyrir vetnisgeymslu er hægt að ná við 573 K rekstrarhita, sem samsvarar fræðilegri getu þess.Þess vegna var hitastigið 573 K valið sem upphafshitastig MN reactors í þessari rannsókn.
Búðu til mismunandi ristastærðir fyrir staðfestingu og áreiðanlegar niðurstöður.Á mynd.2 sýnir meðalhita á völdum stöðum í frásogsferli vetnis úr fjórum mismunandi frumefnum.Það er athyglisvert að aðeins eitt tilvik af hverri uppsetningu er valið til að prófa ósjálfstæði nets vegna svipaðrar rúmfræði.Sama möskvaaðferð er notuð í öðrum tilvikum.Veldu því valkost 1 fyrir spíralpípuna og valmöguleika 4 fyrir hálfsívala pípuna.Á mynd.2a, b sýnir meðalhita í kjarnaofni fyrir valkosti 1 og 4, í sömu röð.Þrír valdir staðsetningar tákna útlínur rúmhitastigs efst, miðju og neðst á reactor.Miðað við útlínur hitastigs á völdum stöðum verður meðalhiti stöðugur og sýnir litlar breytingar á frumefnisnúmerum 428.891 og 430.599 fyrir tilvik 1 og 4, í sömu röð.Þess vegna voru þessar netstærðir valdar fyrir frekari útreikninga.Ítarlegar upplýsingar um meðalhitastig fyrir vetnisupptökuferlið fyrir mismunandi frumustærðir og endurbætt möskva í báðum tilvikum eru gefnar í aukakaflanum.
Meðalhitastig rúmsins á völdum stöðum í vetnisupptökuferlinu í málmhýdríðkljúfi með mismunandi netnúmerum.(a) Meðalhiti á völdum stöðum fyrir tilvik 1 og (b) Meðalhiti á völdum stöðum fyrir tilvik 4.
Mg-undirstaða málmhýdríð reactor í þessari rannsókn var prófaður út frá tilraunaniðurstöðum Muthukumar et al.53.Í rannsókn sinni notuðu þeir Mg2Ni málmblöndu til að geyma vetni í ryðfríu stáli rörum.Koparuggar eru notaðir til að bæta hitaflutning inni í reactor.Á mynd.3a sýnir samanburð á meðalhita frásogsferlisbeðsins milli tilraunarannsóknarinnar og þessarar rannsóknar.Rekstrarskilyrðin sem valin eru fyrir þessa tilraun eru: MG upphafshiti 573 K og inntaksþrýstingur 2 MPa.Frá mynd.3a má glögglega sýna fram á að þessi tilraunarniðurstaða er í góðu samræmi við núverandi hvað varðar meðallagshitastig.
Staðfesting líkans.(a) Kóða sannprófun á Mg2Ni málmhýdríð reactor með því að bera saman núverandi rannsókn við tilraunavinnu Muthukumar o.fl. .Rannsóknir.54.
Til að prófa ókyrrðarlíkanið voru niðurstöður þessarar rannsóknar bornar saman við tilraunaniðurstöður Kumar o.fl.54 til að staðfesta réttmæti valins ókyrrðarlíkans.Kumar o.fl.54 rannsökuðu óróaflæði í rör-í-pípu spíralvarmaskipti.Vatn er notað sem heitur og kaldur vökvi sprautaður frá gagnstæðum hliðum.Hitastigið á heitum og köldum vökva er 323 K og 300 K, í sömu röð.Reynolds tölur eru á bilinu 3100 til 5700 fyrir heita vökva og frá 21.000 til 35.000 fyrir kalda vökva.Deantölur eru 550-1000 fyrir heita vökva og 3600-6000 fyrir kalda vökva.Þvermál innri pípunnar (fyrir heitan vökva) og ytri pípunnar (fyrir kaldan vökva) eru 0,0254 m og 0,0508 m, í sömu röð.Þvermál og halla spólunnar eru 0,762 m og 0,100 m, í sömu röð.Á mynd.3b sýnir samanburð á tilrauna- og núverandi niðurstöðum fyrir ýmis pör af Nusselt og Dean tölum fyrir kælivökvann í innra rörinu.Þrjú mismunandi ókyrrðarlíkön voru útfærð og borin saman við niðurstöður tilrauna.Eins og sýnt er á mynd.3b eru niðurstöður k-ε ókyrrðarlíkans sem hægt er að ná í góðu samræmi við tilraunagögnin.Þess vegna var þetta líkan valið í þessari rannsókn.
Tölulegar hermir í þessari rannsókn voru gerðar með því að nota ANSYS Fluent 2020 R2.Skrifaðu User-Defined Function (UDF) og notaðu það sem inntaksheiti orkujöfnunnar til að reikna út hreyfifræði frásogsferlisins.PRESTO55 hringrásin og PISO56 aðferðin eru notuð fyrir þrýstings-hraða samskipti og þrýstingsleiðréttingu.Veldu Greene-Gauss frumugrunn fyrir breytilega hallann.Skriðþunga- og orkujöfnur eru leystar með annarri röð uppvindsaðferð.Hvað varðar undirslökunarstuðlana eru þrýstingur, hraði og orkuhlutir stilltir á 0,5, 0,7 og 0,7, í sömu röð.Stöðluðu veggaðgerðirnar eru notaðar á HTF í ókyrrðarlíkaninu.
Þessi hluti kynnir niðurstöður tölulegra eftirlíkinga á bættum innri varmaflutningi MH reactors með því að nota spóluvarmaskipti (HCHE) og spóluvarmaskipti (SCHE) við frásog vetnis.Áhrif HTF-bikars á hitastig reactors rúmsins og lengd frásogs voru greind.Helstu rekstrarbreytur frásogsferlisins eru rannsakaðar og kynntar í næmnigreiningarhlutanum.
Til að kanna áhrif spólubils á varmaflutning í MH reactor, voru þrjár varmaskiptastillingar með mismunandi halla rannsökuð.Þrír mismunandi hæðirnar 15 mm, 12,86 mm og 10 mm eru merktir líkami 1, líkami 2 og líkami 3 í sömu röð.Tekið skal fram að þvermál pípunnar var fest við 6 mm við upphafshitastig upp á 573 K og hleðsluþrýsting upp á 1,8 MPa í öllum tilfellum.Á mynd.Mynd 4 sýnir meðalhitastig og vetnisstyrk í MH-laginu á meðan á frásogsferli vetnis stendur í tilvikum 1 til 3. Venjulega er hvarfið milli málmhýdríðsins og vetnsins útvermt við frásogsferlið.Þess vegna hækkar hitastig rúmsins hratt vegna fyrstu augnabliksins þegar vetni er fyrst sett inn í reactor.Rúmhitinn eykst þar til hann nær hámarksgildi og lækkar síðan smám saman eftir því sem varmi berst með kælivökvanum sem hefur lægra hitastig og virkar sem kælivökvi.Eins og sýnt er á mynd.4a, vegna fyrri skýringar hækkar hitastig lagsins hratt og lækkar stöðugt.Vetnisstyrkurinn fyrir frásogsferlið er venjulega byggður á rúmhitastigi MH reactorsins.Þegar meðalhiti lagsins fer niður í ákveðið hitastig gleypir málmyfirborðið vetni.Þetta er vegna hröðunar á ferli eðlissogs, efnasogs, dreifingar vetnis og myndun hýdríða þess í reactor.Frá mynd.4b sést að frásogshraði vetnis í tilviki 3 er lægri en í öðrum tilfellum vegna minna þrepagildi spóluvarmaskipta.Þetta leiðir til lengri heildar rörlengd og stærra hitaflutningssvæði fyrir HTF rör.Með meðalvetnisstyrk upp á 90% er frásogstíminn fyrir tilvik 1 46.276 sekúndur.Samanborið við lengd frásogs í tilviki 1, var frásogslengd í tilviki 2 og 3 stytt um 724 sekúndur og 1263 sek., í sömu röð.Aukahlutinn sýnir útlínur hitastigs og vetnisstyrks fyrir valda staði í HCHE-MH laginu.
Áhrif fjarlægðar milli vafninga á meðallagshitastig og vetnisstyrk.(a) Meðalbeðshitastig fyrir spólur, (b) vetnisstyrkur fyrir spólur, (c) meðalhitastig fyrir hálfsívalar spólur, og (d) vetnisstyrkur fyrir hálfsívalar spólur.
Til að bæta varmaflutningseiginleika MG reactors voru tveir HFC hönnuð fyrir stöðugt rúmmál MG (2000 cm3) og spíralvarmaskipti (100 cm3) valkosts 3. Í þessum kafla er einnig fjallað um áhrif fjarlægðarinnar milli 15 mm spólur fyrir hulstur 4, 12,86 mm fyrir hulstur 5 og 10 mm fyrir hulstur 6. Á mynd.4c,d sýna meðalhitastig og styrk vetnisupptökuferlisins við upphafshitastig 573 K og hleðsluþrýsting 1,8 MPa.Samkvæmt meðallagshitastigi á mynd 4c dregur minni fjarlægð milli spólanna í tilfelli 6 hitastigið verulega samanborið við hin tvö tilvikin.Fyrir tilvik 6 leiðir lægra rúmhiti til hærri vetnisstyrks (sjá mynd 4d).Vetnisupptökutími fyrir afbrigði 4 er 19542 s, sem er meira en 2 sinnum lægri en fyrir afbrigði 1-3 sem nota HCH.Að auki, samanborið við tilvik 4, var frásogstíminn einnig styttur um 378 s og 1515 s í tilfellum 5 og 6 með minni vegalengd.Aukahlutinn sýnir útlínur hitastigs og vetnisstyrks fyrir valda staði í SCHE-MH laginu.
Til að kanna frammistöðu tveggja varmaskiptastillinga, teiknar þessi hluti upp og sýnir hitaferla á þremur völdum stöðum.MH reactor með HCHE úr tilviki 3 var valinn til samanburðar við MH reactor sem inniheldur SCHE í tilviki 4 vegna þess að hann hefur stöðugt MH rúmmál og rörrúmmál.Notkunarskilyrði fyrir þennan samanburð voru upphafshiti 573 K og hleðsluþrýstingur 1,8 MPa.Á mynd.5a og 5b sýna allar þrjár valdar stöður hitastigssniðanna í tilvikum 3 og 4, í sömu röð.Á mynd.5c sýnir hitastigið og lagstyrkinn eftir 20.000 s af vetnisupptöku.Samkvæmt línu 1 á mynd 5c, lækkar hitastigið í kringum TTF frá valkostum 3 og 4 vegna varmaflutnings kælivökvans.Þetta hefur í för með sér hærri styrk vetnis í kringum þetta svæði.Hins vegar leiðir notkun tveggja SCHEs í hærri lagstyrk.Hraðari hreyfisvörun fundust í kringum HTF-svæðið í tilviki 4. Að auki fannst einnig hámarksstyrkur 100% á þessu svæði.Frá línu 2 sem staðsett er í miðju kjarnaofnsins er hitastig 4. tilfelli umtalsvert lægra en hitastig 3. á öllum stöðum nema í miðju kjarnaofnsins.Þetta leiðir til hámarks vetnisstyrks fyrir tilvik 4 nema fyrir svæðið nálægt miðju kjarnaofns í burtu frá HTF.Samþjöppun 3. máls breyttist hins vegar ekki mikið.Mikill munur á hitastigi og styrk lagsins kom fram í línu 3 nálægt inngangi GTS.Hitastig lagsins í tilfelli 4 lækkaði umtalsvert, sem leiddi til hæsta vetnisstyrks á þessu svæði, á meðan styrklínan í tilfelli 3 var enn að sveiflast.Þetta er vegna hröðunar á SCHE varmaflutningi.Upplýsingar og umfjöllun um samanburð á meðalhita MH-lagsins og HTF-pípunnar á milli tilviks 3 og máls 4 eru veittar í aukakafla.
Hitastig og styrkur rúms á völdum stöðum í málmhýdríðkljúfnum.(a) Valdir staðir fyrir tilvik 3, (b) Valdir staðir fyrir tilvik 4, og (c) Hitastig og lagstyrkur á völdum stöðum eftir 20.000 s fyrir vetnisupptökuferlið í tilviki 3 og 4.
Á mynd.Mynd 6 sýnir samanburð á meðalhitastigi rúmsins (sjá mynd 6a) og vetnisstyrks (sjá mynd 6b) fyrir frásog HCH og SHE.Af þessari mynd má sjá að hitastig MG-lagsins lækkar verulega vegna aukningar á varmaskiptasvæðinu.Ef meiri varmi er fjarlægður úr reactornum hefur það í för með sér hærri vetnisupptökuhraða.Þrátt fyrir að tvær uppsetningar varmaskipta séu með sama rúmmál miðað við að nota HCHE sem valkost 3, var vetnisupptökutími SCHE miðað við valkost 4 verulega styttur um 59%.Til að fá ítarlegri greiningu er vetnisstyrkur fyrir tvær varmaskiptastillingar sýndar sem ísólínur á mynd 7. Þessi mynd sýnir að í báðum tilfellum byrjar vetni að frásogast neðan frá í kringum HTF-inntakið.Hærri styrkur fannst á HTF svæðinu en minni styrkur sást í miðju kjarnaofns MH vegna fjarlægðar frá varmaskipti.Eftir 10.000 s er vetnisstyrkurinn í tilviki 4 verulega hærri en í tilviki 3. Eftir 20.000 sekúndur hefur meðalvetnisstyrkur í reactor hækkað í 90% í tilviki 4 samanborið við 50% vetni í tilviki 3. Þetta gæti stafað af til meiri skilvirkrar kæligetu sem felst í því að sameina tvö SCHE, sem leiðir til lægra hitastigs inni í MH laginu.Þar af leiðandi fellur meiri jafnvægisþrýstingur inni í MG-laginu, sem leiðir til hraðara upptöku vetnis.
Tilvik 3 og tilvik 4 Samanburður á meðalhitastigi í rúmi og vetnisstyrk milli tveggja varmaskiptastillinga.
Samanburður á styrk vetnis eftir 500, 2000, 5000, 10000 og 20000 s eftir upphaf vetnisupptökuferlisins í tilviki 3 og tilviki 4.
Tafla 5 tekur saman tímalengd vetnisupptöku í öllum tilvikum.Að auki sýnir taflan einnig frásog vetnis, gefið upp sem hundraðshluti.Þetta hlutfall er reiknað út frá frásogstíma tilviks 1. Frá þessari töflu er frásogstími MH reactors sem notar HCHE um 45.000 til 46.000 sekúndur og frásogstími að meðtöldum SCHE er um 18.000 til 19.000 s.Í samanburði við tilvik 1 var frásogstíminn í tilviki 2 og tilviki 3 aðeins styttur um 1,6% og 2,7% í sömu röð.Þegar SCHE var notað í stað HCHE minnkaði frásogstími verulega úr tilviki 4 í tilvik 6, úr 58% í 61%.Ljóst er að viðbót SCHE við MH reactor bætir til muna vetnisupptökuferlið og afköst MH reactorsins.Þó uppsetning varmaskipta inni í MH reactor dragi úr geymslugetu, þá veitir þessi tækni verulega framför í varmaflutningi samanborið við aðra tækni.Einnig mun það að lækka tónhæðargildið auka rúmmál SCHE, sem leiðir til lækkunar á rúmmáli MH.Í tilviki 6 með hæsta SCHE rúmmálið minnkaði MH rúmmálsgetan aðeins um 5% samanborið við tilvik 1 með lægsta HCHE rúmmálið.Að auki sýndi tilfelli 6 hraðari og betri frammistöðu við frásog með 61% styttingu á frásogstíma.Því var tilvik 6 valið til frekari rannsóknar í næmnigreiningunni.Þess ber að geta að langur vetnisupptökutími tengist geymslutanki sem inniheldur um 2000 cm3 MH rúmmál.
Rekstrarbreyturnar meðan á hvarfinu stendur eru mikilvægir þættir sem hafa jákvæð eða neikvæð áhrif á afköst MH reactorsins við raunverulegar aðstæður.Þessi rannsókn fjallar um næmnigreiningu til að ákvarða viðeigandi upphafsrekstrarfæribreytur fyrir MH reactor ásamt SCHE, og í þessum kafla eru fjórar helstu rekstrarfæribreytur rannsakaðar út frá ákjósanlegri uppsetningu kjarnaofns í tilviki 6. Niðurstöður fyrir allar rekstrarskilyrði eru sýndar í Mynd 8.
Línurit yfir vetnisstyrk við mismunandi rekstraraðstæður þegar notaður er varmaskipti með hálfsívala spólu.(a) hleðsluþrýstingur, (b) upphafshitastig rúmsins, (c) Reynolds-númer kælivökva og (d) inntakshitastig kælivökva.
Miðað við stöðugt upphafshitastig upp á 573 K og rennsli kælivökva með Reynolds tölunni 14.000 voru valdir fjórir mismunandi hleðsluþrýstingur: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa og 3,0 MPa.Á mynd.8a sýnir áhrif hleðsluþrýstings og SCHE á vetnisstyrk með tímanum.Frásogstíminn minnkar með auknum hleðsluþrýstingi.Notkun 1,2 MPa beitts vetnisþrýstings er versta tilvikið fyrir frásogsferlið vetnis og frásogstíminn fer yfir 26.000 s til að ná 90% vetnisupptöku.Hins vegar leiddi hærri hleðsluþrýstingur til 32-42% minnkunar á frásogstíma úr 1,8 í 3,0 MPa.Þetta stafar af hærri upphafsþrýstingi vetnis, sem leiðir til meiri munar á jafnvægisþrýstingi og beittum þrýstingi.Þess vegna skapar þetta stóran drifkraft fyrir upptöku vetnis.Í upphafi frásogast vetnisgas hratt vegna mikils munar á jafnvægisþrýstingi og beittum þrýstingi57.Við 3,0 MPa hleðsluþrýsting safnaðist 18% vetni hratt upp á fyrstu 10 sekúndunum.Vetni var geymt í 90% af kjarnakljúfum á lokastigi í 15460 s.Hins vegar, við hleðsluþrýsting upp á 1,2 til 1,8 MPa, minnkaði frásogstíminn verulega um 32%.Annar hærri þrýstingur hafði minni áhrif til að bæta frásogstíma.Þess vegna er mælt með því að hleðsluþrýstingur MH-SCHE reactors sé 1,8 MPa.Viðbótarkaflinn sýnir útlínur vetnisstyrks fyrir mismunandi hleðsluþrýsting við 15500 s.
Val á viðeigandi upphafshitastigi MH reactors er einn helsti þátturinn sem hefur áhrif á vetnisaðsogsferlið, þar sem það hefur áhrif á drifkraft hýdríðmyndunarviðbragðsins.Til að kanna áhrif SCHE á upphafshita MH reactors voru valin fjögur mismunandi hitastig við stöðugan hleðsluþrýsting upp á 1,8 MPa og Reynolds tölu upp á 14.000 HTF.Á mynd.Mynd 8b sýnir samanburð á ýmsum upphafshitastigum, þar á meðal 473K, 523K, 573K og 623K.Reyndar, þegar hitastigið er hærra en 230°C eða 503K58, hefur Mg2Ni málmblönduna áhrifaríka eiginleika fyrir vetnisupptökuferlið.Hins vegar, á fyrstu stundu vetnisdælingar, hækkar hitastigið hratt.Þar af leiðandi mun hitastig MG-lagsins fara yfir 523 K. Þess vegna er myndun hýdríða auðveldara vegna aukins frásogshraða53.Frá mynd.Á mynd 8b má sjá að vetni frásogast hraðar eftir því sem upphafshiti MB lagsins lækkar.Lægri jafnvægisþrýstingur á sér stað þegar upphafshiti er lægra.Því meiri sem þrýstingsmunurinn er á milli jafnvægisþrýstings og beitts þrýstings, því hraðari fer ferlið við frásog vetnis.Við upphafshitastigið 473 K frásogast vetni hratt allt að 27% á fyrstu 18 sekúndunum.Að auki var frásogstíminn einnig styttur úr 11% í 24% við lægra upphafshita miðað við upphafshitastigið 623 K. Frásogstíminn við lægsta upphafshitastigið 473 K er 15247 s, sem er svipað og það besta. hleðsluþrýstingur tilfella, lækkun á upphafshitastigi kjarnaofna leiðir hins vegar til minnkunar á vetnisgeymslugetu.Upphafshiti MN reactors verður að vera að minnsta kosti 503 K53.Að auki, við upphafshitastigið 573 K53, er hægt að ná hámarks geymslugetu vetnis upp á 3,6 wt%.Hvað varðar geymslugetu vetnis og frásogstíma styttir hitastig á milli 523 og 573 K tímann um aðeins 6%.Því er lagt til að hitastig 573 K sé upphafshiti MH-SCHE reactors.Hins vegar voru áhrif upphafshitastigsins á frásogsferlið minna marktæk miðað við hleðsluþrýstinginn.Aukahlutinn sýnir útlínur vetnisstyrks fyrir mismunandi upphafshitastig við 15500 s.
Rennslishraði er ein af helstu breytum vetnunar og afvetnisvæðingar því það getur haft áhrif á ókyrrð og hitaflutning eða inntak við vetnun og afvötnun59.Hátt flæði mun skapa ókyrrðar fasa og leiða til hraðara vökvaflæðis í gegnum HTF slönguna.Þessi viðbrögð munu leiða til hraðari hitaflutnings.Mismunandi innkomuhraði fyrir HTF er reiknaður út frá Reynolds tölum 10.000, 14.000, 18.000 og 22.000.Upphafshiti MG lagsins var fastur við 573 K og hleðsluþrýstingur við 1,8 MPa.Niðurstöðurnar á mynd.8c sýna fram á að notkun hærri Reynolds tölu ásamt SCHE leiðir til hærri upptöku.Þegar Reynolds talan eykst úr 10.000 í 22.000 minnkar frásogstíminn um 28-50%.Frásogstíminn hjá Reynolds númerinu 22.000 er 12.505 sekúndur, sem er minna en við ýmis upphafshleðsluhitastig og þrýsting.Útlínur vetnisstyrks fyrir ýmsar Reynolds tölur fyrir GTP við 12500 s eru sýndar í aukahlutanum.
Áhrif SCHE á upphafshitastig HTF eru greind og sýnd á mynd 8d.Við upphaf MG hitastig upp á 573 K og vetnishleðsluþrýsting 1,8 MPa, voru fjögur upphafshitastig valin fyrir þessa greiningu: 373 K, 473 K, 523 K og 573 K. 8d sýnir að lækkun á hitastigi kælivökvans við inntakið leiðir til styttingar á frásogstíma.Í samanburði við grunntilvikið með inntakshitastig upp á 573 K, var frásogstíminn styttur um það bil 20%, 44% og 56% fyrir inntakshitastig upp á 523 K, 473 K og 373 K, í sömu röð.Við 6917 s er upphafshiti GTF 373 K, vetnisstyrkur í reactor er 90%.Þetta má skýra með auknum varmaflutningi milli MG lagsins og HCS.Lægra HTF hitastig mun auka hitaleiðni og leiða til aukinnar vetnisupptöku.Meðal allra rekstrarbreyta var að bæta afköst MH-SCHE reactors með því að hækka HTF inntakshitastigið heppilegasta aðferðin, þar sem lokatími frásogsferlisins var minni en 7000 s, en stysti frásogstími annarra aðferða var lengri. en 10000 sek.Útlínur vetnisstyrks eru sýndar fyrir mismunandi upphafshitastig GTP í 7000 s.
Þessi rannsókn kynnir í fyrsta skipti nýjan hálfsívalan spóluvarmaskipti sem er innbyggður í málmhýdríð geymslueiningu.Geta fyrirhugaðs kerfis til að taka upp vetni var könnuð með ýmsum uppsetningum varmaskipta.Könnuð voru áhrif rekstrarbreytu á varmaskipti milli málmhýdríðlagsins og kælivökvans til að finna bestu aðstæður til að geyma málmhýdríð með nýjum varmaskipti.Helstu niðurstöður þessarar rannsóknar eru dregnar saman sem hér segir:
Með hálf-sívala spóluvarmaskipti er hitaflutningsgetan bætt vegna þess að hann hefur jafnari hitadreifingu í magnesíumlagsreactorinu, sem leiðir til betri frásogshraða vetnis.Að því tilskildu að rúmmál varmaskiptarörsins og málmhýdríðs haldist óbreytt, minnkar frásogsviðbragðstíminn verulega um 59% samanborið við hefðbundinn spóluvarmaskipti.
Pósttími: 15-jan-2023