תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
מציג קרוסלה של שלוש שקופיות בבת אחת.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם, או השתמש בלחצני המחוון שבקצה כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם.
הידרידים מתכת (MH) מוכרים כאחת מקבוצות החומרים המתאימות ביותר לאגירת מימן בשל יכולת אחסון המימן הגדולה שלהן, לחץ תפעול נמוך ובטיחות גבוהה.עם זאת, קינטיקה איטית של ספיגת המימן שלהם מפחיתה מאוד את ביצועי האחסון.הסרת חום מהירה יותר מאחסון MH עשויה למלא תפקיד חשוב בהגדלת קצב ספיגת המימן שלו, וכתוצאה מכך ביצועי אחסון משופרים.בהקשר זה, מחקר זה נועד לשפר את מאפייני העברת החום על מנת להשפיע באופן חיובי על קצב ספיגת המימן של מערכת האחסון MH.הסליל החצי גלילי החדש פותח לראשונה והותאם לאחסון מימן ושולב כמחליף אוויר-כחום פנימי (HTF).בהתבסס על גדלי הגובה השונים, השפעת תצורת מחליף החום החדשה מנותחת ומשווה לגיאומטריית הסליל הסליל הקונבנציונלית.בנוסף, פרמטרי הפעולה של האחסון של MG ו- GTP נחקרו מספרית כדי לקבל ערכים אופטימליים.לסימולציה מספרית, נעשה שימוש ב-ANSYS Fluent 2020 R2.תוצאות מחקר זה מראות שניתן לשפר משמעותית את הביצועים של מיכל אחסון MH על ידי שימוש במחליף חום סליל חצי גלילי (SCHE).בהשוואה למחלפי חום סליל ספירליים קונבנציונליים, משך ספיגת המימן מצטמצם ב-59%.המרחק הקטן ביותר בין סלילי SCHE הביא להפחתה של 61% בזמן הספיגה.בכל הנוגע לפרמטרים התפעוליים של אחסון MG באמצעות SHE, כל הפרמטרים שנבחרו מובילים לשיפור משמעותי בתהליך ספיגת המימן, במיוחד הטמפרטורה בכניסה ל-HTS.
ישנו מעבר עולמי מאנרגיה המבוססת על דלקים מאובנים לאנרגיה מתחדשת.מכיוון שהרבה צורות של אנרגיה מתחדשת מספקות כוח בצורה דינמית, אחסון אנרגיה נחוץ כדי לאזן את העומס.אגירת אנרגיה על בסיס מימן משכה תשומת לב רבה למטרה זו, במיוחד משום שהמימן יכול לשמש כדלק חלופי וכנושא אנרגיה "ירוק" בשל תכונותיו וניידותו.בנוסף, מימן מציע גם תכולת אנרגיה גבוהה יותר ליחידת מסה בהשוואה לדלקים מאובנים2.ישנם ארבעה סוגים עיקריים של אגירת אנרגיית מימן: אחסון גז דחוס, אחסון תת קרקעי, אחסון נוזלים ואחסון מוצק.מימן דחוס הוא הסוג העיקרי המשמש בכלי רכב תאי דלק כגון אוטובוסים ומלגזות.עם זאת, אחסון זה מספק צפיפות צבר נמוכה של מימן (כ-0.089 ק"ג/מ"ק) ויש לו בעיות בטיחות הקשורות ללחץ תפעול גבוה3.בהתבסס על תהליך המרה בטמפרטורת ולחץ סביבה נמוכים, אגירת הנוזל יאגור מימן בצורה נוזלית.עם זאת, כאשר הוא נוזלי, כ-40% מהאנרגיה אובדת.בנוסף, ידוע כי טכנולוגיה זו אינטנסיבית יותר באנרגיה ועבודה בהשוואה לטכנולוגיות אחסון במצב מוצק4.אחסון מוצק הוא אופציה מעשית עבור משק מימן, האוגר מימן על ידי שילוב מימן בחומרים מוצקים באמצעות ספיגה ושחרור מימן באמצעות ספיחה.מתכת הידריד (MH), טכנולוגיית אחסון חומר מוצק, מעוררת עניין לאחרונה ביישומי תאי דלק בשל קיבולת המימן הגבוהה, לחץ הפעולה הנמוך והעלות הנמוכה בהשוואה לאחסון נוזלים, והיא מתאימה ליישומים נייחים וניידים. בנוסף, חומרי MH מספקים גם תכונות בטיחותיות כמו אחסון יעיל של קיבולת גדולה8.עם זאת, קיימת בעיה המגבילה את התפוקה של ה-MG: המוליכות התרמית הנמוכה של כור ה-MG מובילה לספיגה איטית ולספיחה של מימן.
העברת חום נכונה במהלך תגובות אקסותרמיות ואנדותרמיות היא המפתח לשיפור הביצועים של כורי MH.עבור תהליך טעינת המימן, יש להסיר את החום שנוצר מהכור על מנת לשלוט על זרימת העמסת המימן בקצב הרצוי עם קיבולת אחסון מקסימלית.במקום זאת, נדרש חום כדי להגביר את קצב התפתחות המימן במהלך הפריקה.על מנת לשפר את ביצועי העברת החום והמסה, חוקרים רבים בחנו את התכנון והאופטימיזציה על סמך מספר גורמים כגון פרמטרי הפעלה, מבנה MG ואופטימיזציה של MG11.ניתן לבצע אופטימיזציה של MG על ידי הוספת חומרים מוליכות תרמית גבוהה כגון מתכות מוקצף לשכבות MG 12,13.לפיכך, ניתן להגדיל את המוליכות התרמית האפקטיבית מ-0.1 ל-2 W/mK10.עם זאת, הוספה של חומרים מוצקים מפחיתה משמעותית את כוחו של הכור MN.בהתייחס לפרמטרים תפעוליים, ניתן להשיג שיפורים על ידי ייעול תנאי ההפעלה הראשוניים של שכבת ה-MG ונוזל הקירור (HTF).ניתן לייעל את מבנה ה-MG הודות לגיאומטריה של הכור ועיצוב מחליף החום.לגבי התצורה של מחליף החום בכור MH, ניתן לחלק את השיטות לשני סוגים.אלו הם מחליפי חום פנימיים המובנים בשכבת ה-MO ומחלפי חום חיצוניים המכסים את שכבת ה-MO כגון סנפירים, מעילי קירור ואמבטיות מים.לגבי מחליף החום החיצוני, קפלן16 ניתחה את פעולתו של כור MH, תוך שימוש במי קירור כמעיל להורדת הטמפרטורה בתוך הכור.התוצאות הושוו לכור בעל 22 סנפירים עגולים ולכור נוסף שמקורר בהסעה טבעית.הם קובעים שנוכחות מעיל קירור מפחיתה משמעותית את הטמפרטורה של ה-MH, ובכך מגבירה את קצב הספיגה.מחקרים מספריים של כור MH עטור מים על ידי Patil ו-Gopal17 הראו כי לחץ אספקת מימן וטמפרטורת HTF הם פרמטרים מרכזיים המשפיעים על קצב ספיגת המימן והספיחה.
הגדלת אזור העברת החום על ידי הוספת סנפירים ומחלפי חום המובנים ב-MH היא המפתח לשיפור ביצועי העברת החום והמסה, ומכאן גם את ביצועי האחסון של ה-MH18.מספר תצורות של מחליף חום פנימי (צינור ישר וסליל ספירלה) תוכננו להזרים את נוזל הקירור בכור MH19,20,21,22,23,24,25,26.באמצעות מחליף חום פנימי, נוזל הקירור או החימום יעביר חום מקומי בתוך כור MH במהלך תהליך ספיחת המימן.ראג'ו וקומאר [27] השתמשו במספר צינורות ישרים כמחליפים חום כדי לשפר את הביצועים של ה-MG.התוצאות שלהם הראו כי זמני הספיגה הופחתו כאשר נעשה שימוש בצינורות ישרים כמחלפי חום.בנוסף, השימוש בצינורות ישרים מקצר את זמן ספיגת המימן28.קצב זרימת נוזל קירור גבוה יותר מגביר את קצב הטעינה והפריקה של מימן29.עם זאת, להגדלת מספר צינורות הקירור יש השפעה חיובית על ביצועי MH ולא על קצב זרימת נוזל הקירור30,31.Raju et al.32 השתמשו ב-LaMi4.7Al0.3 כחומר MH כדי לחקור את הביצועים של מחליפי חום מרובי צינורות בכורים.הם דיווחו שלפרמטרי הפעולה הייתה השפעה משמעותית על תהליך הספיגה, במיוחד על לחץ ההזנה ולאחר מכן על קצב הזרימה של ה-HTF.עם זאת, טמפרטורת הספיגה התבררה כפחות קריטית.
הביצועים של כור MH משופרים עוד יותר על ידי שימוש במחליף חום סליל ספירלי בשל העברת החום המשופרת שלו בהשוואה לצינורות ישרים.הסיבה לכך היא שהמחזור המשני יכול להסיר טוב יותר חום מהכור25.בנוסף, הצינורות הספירליים מספקים שטח פנים גדול להעברת חום משכבת MH לנוזל הקירור.כאשר שיטה זו מוכנסת לתוך הכור, גם חלוקת צינורות חילופי החום אחידה יותר33.וואנג וחב'.34 חקר את ההשפעה של משך ספיגת המימן על ידי הוספת סליל סליל לכור MH.התוצאות שלהם מראות שככל שמקדם העברת החום של נוזל הקירור עולה, זמן הספיגה פוחת.וו וחב'.25 חקרו את הביצועים של כורי MH מבוססי Mg2Ni ומחלפי חום סליל מפותלים.המחקרים המספריים שלהם הראו הפחתה בזמן התגובה.השיפור של מנגנון העברת החום בכור MN מבוסס על יחס קטן יותר של גובה בורג לגובה בורג ופס בורג חסר מימדים.מחקר ניסיוני על ידי Mellouli et al.21 באמצעות סליל מפותל כמחליף חום פנימי הראה שלטמפרטורת ההתחלה של HTF יש השפעה משמעותית על שיפור ספיגת המימן וזמן הספיגה.שילובים של מחליפי חום פנימיים שונים בוצעו במספר מחקרים.Eisapur et al.35 למדו אגירת מימן באמצעות מחליף חום סליל סליל עם צינור החזרה מרכזי לשיפור תהליך ספיגת המימן.התוצאות שלהם הראו שהצינור הספירלי וצינור ההחזרה המרכזי משפרים משמעותית את העברת החום בין נוזל הקירור ל-MG.הגובה הקטן יותר והקוטר הגדול יותר של הצינור הספירלי מגביר את קצב העברת החום והמסה.Ardahaie et al.36 השתמשו בצינורות ספירליים שטוחים כמחליפי חום כדי לשפר את העברת החום בתוך הכור.הם דיווחו כי משך הספיגה הופחת על ידי הגדלת מספר מטוסי הצינור הספירלי הפחוס.שילובים של מחליפי חום פנימיים שונים בוצעו במספר מחקרים.Dhau et al.37 שיפר את הביצועים של ה-MH באמצעות מחליף חום סליל מפותל וסנפירים.התוצאות שלהם מראות ששיטה זו מפחיתה את זמן מילוי המימן בפקטור של 2 בהשוואה למקרה ללא סנפירים.הסנפירים הטבעתיים משולבים עם צינורות קירור ומובנים בכור MN.תוצאות מחקר זה מראות ששיטה משולבת זו מספקת העברת חום אחידה יותר בהשוואה לכור MH ללא סנפירים.עם זאת, שילוב מחליפי חום שונים ישפיע לרעה על המשקל והנפח של כור MH.Wu et al.18 השוו תצורות שונות של מחליף חום.אלה כוללים צינורות ישרים, סנפירים וסלילים ספירליים.המחברים מדווחים כי סלילי ספירלה מספקים את השיפורים הטובים ביותר בהעברת חום ומסה.בנוסף, בהשוואה לצינורות ישרים, צינורות מפותלים וצינורות ישרים בשילוב עם צינורות מפותלים, לסלילים כפולים יש השפעה טובה יותר על שיפור העברת החום.מחקר של Sekhar et al.40 הראה כי שיפור דומה בספיגת המימן הושג באמצעות סליל ספירלי כמחליף חום פנימי ומעיל קירור חיצוני בעל סנפירים.
מבין הדוגמאות שהוזכרו לעיל, השימוש בסלילים ספירליים כמחליפי חום פנימיים מספק שיפורי חום ומסה טובים יותר מאשר מחליפי חום אחרים, במיוחד צינורות וסנפירים ישרים.לכן, מטרת מחקר זה הייתה להמשיך ולפתח את סליל הספירלה כדי לשפר את ביצועי העברת החום.לראשונה, פותח סליל חצי גלילי חדש המבוסס על סליל האחסון הסליל הרגיל של MH.מחקר זה צפוי לשפר את ביצועי אחסון המימן על ידי בחינת עיצוב חדש של מחליף חום עם פריסת אזור העברת חום טובה יותר המסופק על ידי נפח קבוע של מיטת MH וצינורות HTF.ביצועי האחסון של מחליף חום חדש זה הושוו לאחר מכן למחליפי חום סליל ספירליים קונבנציונליים המבוססים על מגרשי סליל שונים.על פי הספרות הקיימת, תנאי ההפעלה והמרווח בין סלילים הם הגורמים העיקריים המשפיעים על הביצועים של כורי MH.כדי לייעל את העיצוב של מחליף חום חדש זה, נחקרה ההשפעה של מרווח סליל על זמן ספיגת מימן ונפח MH.בנוסף, על מנת להבין את הקשר בין הסלילים החצי-גליליים החדשים ותנאי ההפעלה, מטרה משנית של מחקר זה הייתה לחקור את מאפייני הכור לפי טווחי פרמטרי הפעלה שונים ולקבוע את הערכים המתאימים לכל הפעלה. מצב.פָּרָמֶטֶר.
הביצועים של התקן אגירת אנרגיית המימן במחקר זה נחקרים בהתבסס על שתי תצורות מחליפי חום (כולל צינורות ספירלה במקרים 1 עד 3 וצינורות חצי גליליים במקרים 4 עד 6) וניתוח רגישות של פרמטרי פעולה.יכולת הפעולה של כור MH נבדקה לראשונה באמצעות צינור ספירלה כמחליף חום.גם צינור שמן נוזל הקירור וגם כלי הכור MH עשויים מפלדת אל חלד.יצוין כי מידות כור ה-MG וקוטר צינורות ה-GTF היו קבועים בכל המקרים, בעוד שמידות המדרגות של ה-GTF היו שונות.סעיף זה מנתח את ההשפעה של גודל הגובה של סלילי HTF.הגובה והקוטר החיצוני של הכור היו 110 מ"מ ו-156 מ"מ, בהתאמה.הקוטר של צינור השמן מוליך החום נקבע על 6 מ"מ.ראה סעיף משלים לפרטים על דיאגרמת מעגל כור MH עם צינורות ספירליים ושני צינורות חצי גליליים.
על איור.1a מציג את כור הצינורות הספירליים של MH ואת מידותיו.כל הפרמטרים הגיאומטריים ניתנים בטבלה.1. הנפח הכולל של הסליל ונפח ה-ZG הם כ-100 סמ"ק ו-2000 סמ"ק, בהתאמה.מכור MH זה, הוזן אוויר בצורת HTF לכור MH הנקבובי מלמטה דרך צינור ספירלה, ומימן הוכנס מהמשטח העליון של הכור.
אפיון גיאומטריות נבחרות לכורי מתכת הידריד.א) עם מחליף חום ספירלי-צינורי, ב) עם מחליף חום צינורי חצי גלילי.
החלק השני בוחן את פעולתו של כור MH המבוסס על צינור חצי גלילי כמחליף חום.על איור.1b מציג את הכור MN עם שני צינורות חצי גליליים ומידותיהם.טבלה 1 מפרטת את כל הפרמטרים הגיאומטריים של צינורות גליליים למחצה, הנשארים קבועים, למעט המרחק ביניהם.יש לציין כי הצינור החצי גלילי במקרה 4 תוכנן עם נפח קבוע של צינור HTF וסגסוגת MH בצינור המפותל (אופציה 3).לגבי איור.1b, אוויר הוכנס גם מהחלק התחתון של שני צינורות HTF חצי גליליים, ומימן הוכנס מהכיוון ההפוך של כור MH.
בשל העיצוב החדש של מחליף החום, מטרת סעיף זה היא לקבוע את הערכים ההתחלתיים המתאימים לפרמטרי ההפעלה של כור MH בשילוב עם SCHE.בכל המקרים, האוויר שימש כנוזל קירור להסרת חום מהכור.בין השמנים להעברת חום, אוויר ומים נבחרים בדרך כלל כשמני העברת חום לכורי MH בשל עלותם הנמוכה והשפעתם הסביבתית הנמוכה.בשל טווח טמפרטורת ההפעלה הגבוה של סגסוגות מבוססות מגנזיום, האוויר נבחר כנוזל הקירור במחקר זה.בנוסף, יש לו גם מאפייני זרימה טובים יותר מאשר מתכות נוזליות אחרות ומלחים מותכים41.טבלה 2 מפרטת את תכונות האוויר ב-573 K. עבור ניתוח הרגישות בסעיף זה, רק התצורות הטובות ביותר של אפשרויות הביצועים של MH-SCHE (במקרים 4 עד 6) מיושמות.ההערכות בסעיף זה מבוססות על פרמטרים תפעוליים שונים, לרבות הטמפרטורה ההתחלתית של כור ה-MH, לחץ טעינת המימן, טמפרטורת כניסת ה-HTF ומספר ריינולדס המחושב על-ידי שינוי קצב ה-HTF.טבלה 3 מכילה את כל פרמטרי הפעולה המשמשים לניתוח רגישות.
סעיף זה מתאר את כל משוואות הבקרה הדרושות לתהליך ספיגת מימן, מערבולות והעברת חום של נוזלי קירור.
כדי לפשט את הפתרון של תגובת ספיגת המימן, מניחים ומסופקים ההנחות הבאות;
במהלך הספיגה, התכונות התרמופיזיקליות של הידידים של מימן ומתכת קבועות.
מימן נחשב לגז אידיאלי, ולכן נלקחים בחשבון תנאי שיווי משקל תרמי מקומי43,44.
כאשר \({L}_{gas}\) הוא הרדיוס של המיכל, ו-\({L}_{heat}\) הוא הגובה הצירי של המיכל.כאשר N קטן מ-0.0146, ניתן להתעלם מזרימת המימן במיכל בסימולציה ללא שגיאה משמעותית.על פי המחקר הנוכחי, N נמוך בהרבה מ-0.1.לכן, ניתן להזניח את אפקט שיפוע הלחץ.
קירות הכור היו מבודדים היטב בכל המקרים.לכן, אין חילופי חום 47 בין הכור לסביבה.
ידוע היטב שלסגסוגות המבוססות על Mg יש מאפייני הידרוגנציה טובים ויכולת אחסון מימן גבוהה של עד 7.6%%8.במונחים של יישומי אחסון מימן במצב מוצק, סגסוגות אלו ידועות גם כחומרים קלים.בנוסף, יש להם עמידות בחום מעולה ויכולת עיבוד טובה8.מבין מספר סגסוגות מבוססות Mg, סגסוגת MgNi מבוססת Mg2Ni היא אחת האפשרויות המתאימות ביותר לאחסון MH בשל קיבולת אחסון המימן שלה של עד 6 wt%.סגסוגות Mg2Ni מספקות גם קינטיקה של ספיחה וספיחה מהירה יותר בהשוואה לסגסוגת MgH48.לכן, Mg2Ni נבחר כחומר המתכת הידריד במחקר זה.
משוואת האנרגיה מבוטאת כ-25 על סמך מאזן החום בין מימן להידריד Mg2Ni:
X הוא כמות המימן הנספגת על פני המתכת, היחידה היא \(משקל\%\), מחושב מהמשוואה הקינטית \(\frac{dX}{dt}\) במהלך הקליטה כדלקמן49:
כאשר \({C}_{a}\) היא קצב התגובה ו-\({E}_{a}\) היא אנרגיית ההפעלה.\({P}_{a,eq}\) הוא לחץ שיווי המשקל בתוך כור המתכת הידריד במהלך תהליך הספיגה, שניתן על ידי משוואת ואן הוף כדלקמן25:
כאשר \({P}_{ref}\) הוא לחץ הייחוס של 0.1 MPa.\(\Delta H\) ו-\(\Delta S\) הם האנטלפיה והאנטרופיה של התגובה, בהתאמה.מאפיינים של סגסוגות Mg2Ni ומימן מוצגים בטבלה.4. ניתן למצוא את הרשימה הנקראת בסעיף המשלים.
זרימת הנוזל נחשבת סוערת מכיוון שמהירותו ומספר ריינולדס (Re) הם 78.75 ms-1 ו-14000, בהתאמה.במחקר זה, נבחר מודל מערבולת k-ε בר השגה.יצוין כי שיטה זו מספקת דיוק גבוה יותר בהשוואה לשיטות k-ε אחרות, וגם דורשת פחות זמן חישוב משיטות RNG k-ε50,51.עיין בסעיף המשלים לפרטים על המשוואות הבסיסיות עבור נוזלי העברת חום.
בתחילה, משטר הטמפרטורה בכור MN היה אחיד, וריכוז המימן הממוצע היה 0.043.ההנחה היא שהגבול החיצוני של כור MH מבודד היטב.סגסוגות המבוססות על מגנזיום דורשות בדרך כלל טמפרטורות הפעלה גבוהות של תגובה כדי לאחסן ולשחרר מימן בכור.סגסוגת Mg2Ni דורשת טווח טמפרטורות של 523–603 K עבור ספיגה מקסימלית וטווח טמפרטורות של 573–603 K עבור ספיגה מלאה52.עם זאת, מחקרים ניסיוניים של Muthukumar et al.53 הראו שניתן להשיג את קיבולת האחסון המקסימלית של Mg2Ni לאחסון מימן בטמפרטורת פעולה של 573 K, התואמת את הקיבולת התיאורטית שלו.לכן, הטמפרטורה של 573 K נבחרה כטמפרטורה הראשונית של כור MN במחקר זה.
צור גדלי רשת שונים עבור אימות ותוצאות אמינות.על איור.2 מציג את הטמפרטורה הממוצעת במקומות נבחרים בתהליך ספיגת המימן מארבעה יסודות שונים.ראוי לציין שרק מקרה אחד מכל תצורה נבחר לבדיקת עצמאות רשת עקב גיאומטריה דומה.אותה שיטת רשת מיושמת במקרים אחרים.לכן, בחר באפשרות 1 עבור הצינור הספירלי ואפשרות 4 עבור הצינור החצי גלילי.על איור.2a, b מציגה את הטמפרטורה הממוצעת בכור עבור אפשרויות 1 ו-4, בהתאמה.שלושת המיקומים שנבחרו מייצגים קווי מתאר של טמפרטורת המיטה בחלק העליון, האמצעי והתחתון של הכור.בהתבסס על קווי המתאר של הטמפרטורה במקומות שנבחרו, הטמפרטורה הממוצעת הופכת יציבה ומראה שינוי קטן במספרי האלמנטים 428,891 ו-430,599 עבור מקרים 1 ו-4, בהתאמה.לכן, גדלי רשת אלה נבחרו לחישובים חישוביים נוספים.מידע מפורט על טמפרטורת המיטה הממוצעת עבור תהליך ספיגת המימן עבור גדלי תאים שונים ורשתות מעודנות ברציפות עבור שני המקרים ניתן בסעיף המשלים.
טמפרטורת מיטה ממוצעת בנקודות נבחרות בתהליך ספיגת המימן בכור מתכת הידריד עם מספרי רשת שונים.(א) טמפרטורה ממוצעת במקומות נבחרים עבור מקרה 1 ו- (ב) טמפרטורה ממוצעת במקומות נבחרים עבור מקרה 4.
כור מתכת הידריד מבוסס Mg במחקר זה נבדק על סמך תוצאות הניסוי של Muthukumar et al.53.במחקר שלהם, הם השתמשו בסגסוגת Mg2Ni כדי לאחסן מימן בצינורות נירוסטה.סנפירי נחושת משמשים לשיפור העברת החום בתוך הכור.על איור.3a מציג השוואה של הטמפרטורה הממוצעת של מיטת תהליך הספיגה בין המחקר הניסיוני למחקר זה.תנאי ההפעלה שנבחרו לניסוי זה הם: MG טמפרטורה התחלתית 573 K ולחץ כניסה 2 MPa.מתוך איור.3a ניתן להראות בבירור שתוצאת ניסוי זו תואמת את התוצאה הנוכחית ביחס לטמפרטורת השכבה הממוצעת.
אימות דגם.(א) אימות קוד של כור ה-Mg2Ni מתכת הידריד על ידי השוואת המחקר הנוכחי עם עבודת הניסוי של Muthukumar et al.52, ו- (ב) אימות של מודל הזרימה הסוערת של הצינור הספירלי על ידי השוואת המחקר הנוכחי לזה של Kumar et al. .מחקר.54.
כדי לבדוק את מודל הטורבולנס, הושוו תוצאות מחקר זה לתוצאות הניסוי של Kumar et al.54 כדי לאשר את נכונות מודל הטורבולנציה הנבחר.Kumar et al.54 חקרו זרימה סוערת במחליף חום ספירלי של צינור בצינור.מים משמשים כנוזל חם וקר המוזרק מצדדים מנוגדים.טמפרטורות הנוזל החם והקר הן 323 K ו-300 K, בהתאמה.מספרי ריינולדס נעים בין 3100 ל-5700 לנוזלים חמים ובין 21,000 ל-35,000 לנוזלים קרים.מספרי הדיקן הם 550-1000 עבור נוזלים חמים ו-3600-6000 עבור נוזלים קרים.הקטרים של הצינור הפנימי (לנוזל חם) והצינור החיצוני (לנוזל קר) הם 0.0254 מ' ו-0.0508 מ' בהתאמה.הקוטר והגובה של הסליל הסליל הם 0.762 מ' ו-0.100 מ', בהתאמה.על איור.3b מציגה השוואה של תוצאות ניסוי וזרם עבור זוגות שונים של מספרי Nusselt ו-Dean עבור נוזל הקירור בצינור הפנימי.יושמו שלושה מודלים שונים של מערבולות והושוו לתוצאות הניסוי.כפי שמוצג באיור.3b, התוצאות של מודל הטורבולנציה k-ε בר השגה מתאימות היטב לנתוני הניסוי.לכן, מודל זה נבחר במחקר זה.
סימולציות מספריות במחקר זה בוצעו באמצעות ANSYS Fluent 2020 R2.כתוב פונקציה מוגדרת על ידי משתמש (UDF) והשתמש בה כמונח הקלט של משוואת האנרגיה כדי לחשב את הקינטיקה של תהליך הקליטה.מעגל PRESTO55 ושיטת PISO56 משמשים לתקשורת מהירות לחץ ותיקון לחץ.בחר בסיס תא Greene-Gauss עבור השיפוע המשתנה.משוואות המומנטום והאנרגיה נפתרות בשיטת מסדר שני כלפי מעלה הרוח.לגבי מקדמי תת-הרפיה, מרכיבי הלחץ, המהירות והאנרגיה נקבעים ל-0.5, 0.7 ו-0.7, בהתאמה.פונקציות הקיר הסטנדרטיות מיושמות על ה-HTF במודל הטורבולנס.
חלק זה מציג את התוצאות של סימולציות מספריות של שיפור העברת חום פנימי של כור MH באמצעות מחליף חום סליל מפותל (HCHE) ומחליף חום סליל סליל (SCHE) במהלך ספיגת מימן.נותחה ההשפעה של זפת HTF על הטמפרטורה של מיטת הכור ומשך הספיגה.הפרמטרים התפעוליים העיקריים של תהליך הקליטה נלמדים ומוצגים בסעיף ניתוח רגישות.
כדי לחקור את ההשפעה של מרווח סליל על העברת חום בכור MH, נחקרו שלוש תצורות מחליפי חום עם מגרשים שונים.שלושת המגרשים השונים של 15 מ"מ, 12.86 מ"מ ו-10 מ"מ מסומנים לגוף 1, גוף 2 וגוף 3 בהתאמה.יש לציין כי קוטר הצינור נקבע ל-6 מ"מ בטמפרטורה התחלתית של 573 K ולחץ העמסה של 1.8 MPa בכל המקרים.על איור.4 מציג את טמפרטורת המיטה הממוצעת וריכוז המימן בשכבת MH במהלך תהליך ספיגת המימן במקרים 1 עד 3. בדרך כלל, התגובה בין המתכת הידריד למימן היא אקסותרמית לתהליך הספיגה.לכן, הטמפרטורה של המיטה עולה במהירות עקב הרגע הראשוני שבו מימן מוכנס לראשונה לכור.טמפרטורת המיטה עולה עד שהיא מגיעה לערך מרבי ואז יורדת בהדרגה ככל שהחום נישא על ידי נוזל הקירור, שטמפרטורה נמוכה יותר ופועל כנוזל קירור.כפי שמוצג באיור.4א, עקב ההסבר הקודם, טמפרטורת השכבה עולה במהירות ויורדת ברציפות.ריכוז המימן לתהליך הספיגה מבוסס בדרך כלל על טמפרטורת המיטה של כור MH.כאשר טמפרטורת השכבה הממוצעת יורדת לטמפרטורה מסוימת, פני המתכת סופגים מימן.זה נובע מהאצת תהליכי הפיזיספציה, הכימיספציה, דיפוזיה של מימן והיווצרות ההידרידים שלו בכור.מתוך איור.4b ניתן לראות שקצב ספיגת המימן במקרה 3 נמוך יותר מאשר במקרים אחרים בשל ערך הצעד הקטן יותר של מחליף החום הסליל.כתוצאה מכך אורך צינור כולל ארוך יותר ושטח העברת חום גדול יותר עבור צינורות HTF.עם ריכוז מימן ממוצע של 90%, זמן הספיגה של מקרה 1 הוא 46,276 שניות.בהשוואה למשך הקליטה במקרה 1, משך הקליטה במקרים 2 ו-3 הופחת ב-724 שניות ו-1263 שניות, בהתאמה.החלק המשלים מציג קווי מתאר של טמפרטורה וריכוז מימן עבור מיקומים נבחרים בשכבת HCHE-MH.
השפעת המרחק בין סלילים על טמפרטורת השכבה הממוצעת וריכוז המימן.(א) טמפרטורת מיטה ממוצעת עבור סלילים סליליים, (ב) ריכוז מימן עבור סלילים סליליים, (ג) טמפרטורת מיטה ממוצעת עבור סלילים חצי גליליים, ו-(ד) ריכוז מימן עבור סלילים חצי גליליים.
כדי לשפר את מאפייני העברת החום של כור MG, תוכננו שני HFCs עבור נפח קבוע של MG (2000 סמ"ק) ומחליף חום ספירלי (100 סמ"ק) של אפשרות 3. סעיף זה מתייחס גם להשפעת המרחק בין סלילים של 15 מ"מ עבור מארז 4, 12.86 מ"מ עבור מארז 5 ו-10 מ"מ עבור מארז 6. באיור.4c,d מציגים את טמפרטורת המיטה והריכוז הממוצעים של תהליך ספיגת המימן בטמפרטורה התחלתית של 573 K ולחץ טעינה של 1.8 MPa.לפי טמפרטורת השכבה הממוצעת באיור 4c, המרחק הקטן יותר בין הסלילים במקרה 6 מפחית את הטמפרטורה באופן משמעותי בהשוואה לשני המקרים האחרים.במקרה 6, טמפרטורת מיטה נמוכה יותר מביאה לריכוז מימן גבוה יותר (ראה איור 4ד).זמן ספיגת המימן עבור וריאנט 4 הוא 19542 שניות, וזה נמוך יותר מפי 2 מאשר עבור וריאנטים 1-3 באמצעות HCH.בנוסף, בהשוואה למקרה 4, זמן הקליטה הופחת גם ב-378 שניות ו-1515 שניות במקרים 5 ו-6 עם מרחקים נמוכים יותר.החלק המשלים מציג קווי מתאר של טמפרטורה וריכוז מימן עבור מיקומים נבחרים בשכבת SCHE-MH.
כדי ללמוד את הביצועים של שתי תצורות מחליפי חום, חלק זה משרטט ומציג עקומות טמפרטורה בשלושה מיקומים נבחרים.כור MH עם HCHE ממקרה 3 נבחר להשוואה לכור MH המכיל SCHE במקרה 4 מכיוון שיש לו נפח MH ונפח צינור קבועים.תנאי ההפעלה להשוואה זו היו טמפרטורה התחלתית של 573 K ולחץ טעינה של 1.8 MPa.על איור.5a ו-5b מציגים את כל שלושת המיקומים הנבחרים של פרופילי הטמפרטורה במקרים 3 ו-4, בהתאמה.על איור.5c מציג את פרופיל הטמפרטורה וריכוז השכבה לאחר 20,000 שניות של ספיגת מימן.לפי שורה 1 באיור 5c, הטמפרטורה סביב ה-TTF מאפשרויות 3 ו-4 יורדת עקב העברת החום ההסעה של נוזל הקירור.זה גורם לריכוז גבוה יותר של מימן סביב אזור זה.עם זאת, השימוש בשני SCHEs מביא לריכוז שכבה גבוה יותר.תגובות קינטיות מהירות יותר נמצאו סביב אזור HTF במקרה 4. בנוסף, נמצא ריכוז מקסימלי של 100% גם באזור זה.מקו 2 הממוקם באמצע הכור, הטמפרטורה של מארז 4 נמוכה משמעותית מהטמפרטורה של מארז 3 בכל המקומות מלבד מרכז הכור.זה מביא לריכוז המימן המרבי עבור מקרה 4 למעט האזור הסמוך למרכז הכור הרחק מה-HTF.עם זאת, הריכוז של מקרה 3 לא שינה הרבה.הבדל גדול בטמפרטורה ובריכוז השכבה נצפה בקו 3 ליד הכניסה ל-GTS.טמפרטורת השכבה במקרה 4 ירדה באופן משמעותי, וכתוצאה מכך ריכוז המימן הגבוה ביותר באזור זה, בעוד שקו הריכוז במקרה 3 עדיין משתנה.זה נובע מהאצת העברת החום של SCHE.פרטים ודיון בהשוואת הטמפרטורה הממוצעת של שכבת MH וצינור HTF בין מקרה 3 למקרה 4 ניתנים בסעיף המשלים.
פרופיל טמפרטורה וריכוז מיטה במקומות נבחרים בכור המתכת הידריד.(א) מיקומים נבחרים למקרה 3, (ב) מיקומים נבחרים למקרה 4, ו-(ג) פרופיל טמפרטורה וריכוז שכבה במקומות נבחרים לאחר 20,000 שניות עבור תהליך קליטת המימן במקרים 3 ו-4.
על איור.איור 6 מציג השוואה של טמפרטורת המיטה הממוצעת (ראה איור 6א) וריכוז המימן (ראה איור 6b) לספיגה של HCH ו-SHE.ניתן לראות מאיור זה שהטמפרטורה של שכבת ה-MG יורדת באופן משמעותי עקב עלייה באזור חילופי החום.הוצאת יותר חום מהכור מביאה לקצב ספיגת מימן גבוה יותר.למרות שלשתי תצורות מחליפי החום יש אותם נפחים בהשוואה לשימוש ב-HCHE כאופציה 3, זמן ספיגת המימן של SCHE המבוסס על אפשרות 4 הופחת משמעותית ב-59%.לניתוח מפורט יותר, ריכוזי המימן עבור שתי תצורות מחליף החום מוצגים כאיזולינים באיור 7. איור זה מראה שבשני המקרים, מימן מתחיל להיספג מלמטה סביב כניסת ה-HTF.באזור HTF נמצאו ריכוזים גבוהים יותר, בעוד שבמרכז כור ה-MH נצפו ריכוזים נמוכים יותר בשל מרחקו ממחליף החום.לאחר 10,000 שניות, ריכוז המימן במקרה 4 גבוה משמעותית מאשר במקרה 3. לאחר 20,000 שניות, ריכוז המימן הממוצע בכור עלה ל-90% במקרה 4 לעומת 50% מימן במקרה 3. ייתכן שהסיבה לכך היא 90% בכור. ליכולת הקירור האפקטיבית הגבוהה יותר של שילוב שני SCHEs, וכתוצאה מכך טמפרטורה נמוכה יותר בתוך שכבת MH.כתוצאה מכך, לחץ שיווי משקל יותר נופל בתוך שכבת MG, מה שמוביל לספיגה מהירה יותר של מימן.
מקרה 3 ומקרה 4 השוואה של טמפרטורת מיטה ממוצעת וריכוז מימן בין שתי תצורות מחליף חום.
השוואה של ריכוז המימן לאחר 500, 2000, 5000, 10000 ו-20000 שניות לאחר תחילת תהליך ספיגת המימן במקרה 3 ומקרה 4.
טבלה 5 מסכמת את משך ספיגת המימן עבור כל המקרים.בנוסף, הטבלה מציגה גם את זמן הספיגה של מימן, מבוטא באחוזים.אחוז זה מחושב על סמך זמן הקליטה של מקרה 1. מטבלה זו, זמן הקליטה של כור MH המשתמש ב-HCHE הוא כ-45,000 עד 46,000 שניות, וזמן הקליטה כולל SCHE הוא כ-18,000 עד 19,000 שניות.בהשוואה למקרה 1, זמן הקליטה בתיק 2 ובמקרה 3 הצטמצם ב-1.6% ו-2.7% בלבד, בהתאמה.בשימוש ב-SCHE במקום ב-HCHE, זמן הספיגה הופחת משמעותית ממקרה 4 למקרה 6, מ-58% ל-61%.ברור שהוספת SCHE לכור MH משפרת מאוד את תהליך ספיגת המימן ואת הביצועים של כור MH.למרות שהתקנת מחליף חום בתוך כור MH מפחיתה את כושר האחסון, טכנולוגיה זו מספקת שיפור משמעותי בהעברת החום בהשוואה לטכנולוגיות אחרות.כמו כן, הפחתת ערך הגובה תגביר את עוצמת הקול של ה- SCHE, וכתוצאה מכך ירידה בעוצמת הקול של ה-MH.במקרה 6 עם נפח ה-SCHE הגבוה ביותר, הקיבולת הנפחית של MH הופחתה רק ב-5% בהשוואה למקרה 1 עם נפח ה-HCHE הנמוך ביותר.בנוסף, במהלך הספיגה, מקרה 6 הראה ביצועים מהירים וטובים יותר עם הפחתה של 61% בזמן הספיגה.לכן מקרה 6 נבחר להמשך חקירה בניתוח הרגישות.יש לציין כי זמן קליטת המימן הארוך קשור למיכל אגירה המכיל נפח MH של כ-2000 סמ"ק.
פרמטרי ההפעלה במהלך התגובה הם גורמים חשובים המשפיעים לחיוב או לרעה על הביצועים של כור MH בתנאים אמיתיים.מחקר זה בוחן ניתוח רגישות לקביעת פרמטרי ההפעלה הראשוניים המתאימים עבור כור MH בשילוב עם SCHE, וחלק זה חוקר את ארבעת פרמטרי ההפעלה העיקריים בהתבסס על תצורת הכור האופטימלית במקרה 6. התוצאות עבור כל תנאי ההפעלה מוצגות ב- איור 8.
גרף של ריכוז מימן בתנאי הפעלה שונים בעת שימוש במחליף חום עם סליל חצי גלילי.(א) לחץ טעינה, (ב) טמפרטורת המיטה הראשונית, (ג) מספר ריינולדס של נוזל הקירור, ו-(ד) טמפרטורת כניסת נוזל הקירור.
בהתבסס על טמפרטורה התחלתית קבועה של 573 K וקצב זרימת נוזל קירור עם מספר ריינולדס של 14,000, נבחרו ארבעה לחצי טעינה שונים: 1.2 MPa, 1.8 MPa, 2.4 MPa ו-3.0 MPa.על איור.8a מציג את ההשפעה של לחץ הטעינה ו-SCHE על ריכוז המימן לאורך זמן.זמן הספיגה פוחת עם הגדלת לחץ הטעינה.שימוש בלחץ מימן מופעל של 1.2 MPa הוא המקרה הגרוע ביותר עבור תהליך ספיגת המימן, ומשך הספיגה עולה על 26,000 שניות כדי להשיג 90% ספיגת מימן.עם זאת, לחץ הטעינה הגבוה יותר הביא לירידה של 32-42% בזמן הספיגה מ-1.8 ל-3.0 MPa.זה נובע מהלחץ הראשוני הגבוה יותר של מימן, מה שגורם להפרש גדול יותר בין לחץ שיווי המשקל והלחץ המופעל.לכן, זה יוצר כוח מניע גדול לקינטיקה של ספיגת המימן.ברגע הראשוני, גז מימן נספג במהירות בגלל ההבדל הגדול בין לחץ שיווי המשקל ללחץ המופעל57.בלחץ טעינה של 3.0 MPa, 18% מימן הצטבר במהירות במהלך 10 השניות הראשונות.מימן אוחסן ב-90% מהכורים בשלב הסופי למשך 15460 שניות.עם זאת, בלחץ העמסה של 1.2 עד 1.8 מגפ"ס, זמן הספיגה הופחת משמעותית ב-32%.ללחצים גבוהים אחרים הייתה פחות השפעה על שיפור זמני הספיגה.לכן, מומלץ שלחץ הטעינה של כור MH-SCHE יהיה 1.8 MPa.הסעיף המשלים מציג את קווי המתאר של ריכוז המימן עבור לחצי העמסה שונים ב-15500 שניות.
הבחירה בטמפרטורה התחלתית מתאימה של כור MH היא אחד הגורמים העיקריים המשפיעים על תהליך ספיחת המימן, שכן היא משפיעה על הכוח המניע של תגובת היווצרות ההידריד.כדי לחקור את ההשפעה של SCHE על הטמפרטורה ההתחלתית של כור MH, נבחרו ארבע טמפרטורות שונות בלחץ טעינה קבוע של 1.8 MPa ומספר ריינולדס של 14,000 HTF.על איור.איור 8b מציג השוואה של טמפרטורות התחלה שונות, כולל 473K, 523K, 573K ו-623K.למעשה, כאשר הטמפרטורה גבוהה מ-230 מעלות צלזיוס או 503K58, לסגסוגת Mg2Ni יש מאפיינים יעילים לתהליך ספיגת המימן.עם זאת, ברגע הראשוני של הזרקת מימן, הטמפרטורה עולה במהירות.כתוצאה מכך, הטמפרטורה של שכבת MG תעלה על 523 K. לכן, היווצרות הידרידים מוקלת בגלל קצב הספיגה המוגבר53.מתוך איור.ניתן לראות מאיור 8b שמימן נספג מהר יותר ככל שהטמפרטורה הראשונית של שכבת MB יורדת.לחצי שיווי משקל נמוך יותר מתרחשים כאשר הטמפרטורה הראשונית נמוכה יותר.ככל שהפרש הלחץ בין לחץ שיווי המשקל ללחץ המופעל גדול יותר, תהליך ספיגת המימן מהיר יותר.בטמפרטורה התחלתית של 473 K, מימן נספג במהירות עד 27% במהלך 18 השניות הראשונות.בנוסף, גם זמן הספיגה הצטמצם מ-11% ל-24% בטמפרטורה התחלתית נמוכה יותר בהשוואה לטמפרטורה ההתחלתית של 623 K. זמן הספיגה בטמפרטורה ההתחלתית הנמוכה ביותר של 473 K הוא 15247 שניות, שדומה לטובים ביותר עם זאת, לחץ הטעינה במקרה, הירידה בטמפרטורת הכור בטמפרטורה הראשונית מובילה לירידה בקיבולת אחסון המימן.הטמפרטורה הראשונית של הכור MN חייבת להיות לפחות 503 K53.בנוסף, בטמפרטורה התחלתית של 573 K53, ניתן להשיג קיבולת אחסון מימן מקסימלית של 3.6% wt.מבחינת יכולת אחסון המימן ומשך הספיגה, טמפרטורות בין 523 ל-573 K מקצרות את הזמן ב-6% בלבד.לכן, טמפרטורה של 573 K מוצעת כטמפרטורה הראשונית של כור MH-SCHE.עם זאת, השפעת הטמפרטורה הראשונית על תהליך הספיגה הייתה פחות משמעותית בהשוואה ללחץ ההעמסה.הסעיף המשלים מציג את קווי המתאר של ריכוז המימן עבור טמפרטורות התחלתיות שונות ב-15500 שניות.
קצב הזרימה הוא אחד הפרמטרים העיקריים של הידרוגנציה והידרוגנציה מכיוון שהוא יכול להשפיע על מערבולות והסרת חום או קלט במהלך הידרוגנציה ודהידרוגנציה59.קצב זרימה גבוה ייצור שלבים סוערים ויביא לזרימת נוזלים מהירה יותר דרך צינור ה-HTF.תגובה זו תגרום להעברת חום מהירה יותר.מהירויות כניסה שונות עבור HTF מחושבות על סמך מספרים של ריינולדס של 10,000, 14,000, 18,000 ו-22,000.הטמפרטורה הראשונית של שכבת ה-MG נקבעה ל-573 K ולחץ הטעינה ל-1.8 MPa.התוצאות באיור.8c מוכיחים ששימוש במספר ריינולדס גבוה יותר בשילוב עם SCHE מביא לשיעור קליטה גבוה יותר.ככל שמספר ריינולדס גדל מ-10,000 ל-22,000, זמן הספיגה פוחת בכ-28-50%.זמן הספיגה במספר ריינולדס של 22,000 הוא 12,505 שניות, וזה פחות מאשר בטמפרטורות טעינה ולחצים ראשוניים שונים.קווי המתאר של ריכוז המימן עבור מספרי ריינולדס שונים עבור GTP ב-12500 שניות מוצגים בסעיף המשלים.
ההשפעה של SCHE על הטמפרטורה הראשונית של ה-HTF מנותחת ומוצגת באיור 8d.בטמפרטורת MG ראשונית של 573 K ולחץ טעינת מימן של 1.8 MPa, נבחרו ארבע טמפרטורות ראשוניות לניתוח זה: 373 K, 473 K, 523 K ו-573 K. 8d מראה כי ירידה בטמפרטורה של נוזל הקירור בכניסה מביא להפחתת זמן הספיגה.בהשוואה למקרה הבסיסי עם טמפרטורת כניסה של 573 K, זמן הספיגה הופחת בכ-20%, 44% ו-56% עבור טמפרטורות כניסה של 523 K, 473 K ו-373 K, בהתאמה.ב-6917 שניות, הטמפרטורה הראשונית של ה-GTF היא 373 K, ריכוז המימן בכור הוא 90%.זה יכול להיות מוסבר על ידי העברת חום הסעה משופרת בין שכבת MG לבין HCS.טמפרטורות HTF נמוכות יותר יגדילו את פיזור החום ויביאו לספיגת מימן מוגברת.בין כל הפרמטרים התפעוליים, שיפור הביצועים של כור MH-SCHE על ידי הגדלת טמפרטורת כניסת HTF הייתה השיטה המתאימה ביותר, שכן זמן הסיום של תהליך הקליטה היה פחות מ-7000 שניות, בעוד זמן הקליטה הקצר ביותר מבין שיטות אחרות היה יותר מ-10000 שניות.קווי המתאר של ריכוז המימן מוצגים עבור טמפרטורות התחלתיות שונות של GTP למשך 7000 שניות.
מחקר זה מציג לראשונה מחליף חום סליל חצי גלילי חדש המשולב ביחידת אחסון מתכת הידרידית.יכולתה של המערכת המוצעת לקלוט מימן נחקרה עם תצורות שונות של מחליף החום.נחקרה השפעת פרמטרי ההפעלה על חילופי החום בין שכבת המתכת ההידרידית לנוזל הקירור על מנת למצוא את התנאים האופטימליים לאחסון הידרידי מתכת באמצעות מחליף חום חדש.הממצאים העיקריים של מחקר זה מסוכמים כדלקמן:
עם מחליף חום סליל חצי גלילי, ביצועי העברת החום משתפרים מכיוון שיש לו פיזור חום אחיד יותר בכור שכבת המגנזיום, וכתוצאה מכך קצב ספיגת מימן טוב יותר.בתנאי שנפח צינור חילופי החום והידריד המתכת יישאר ללא שינוי, זמן תגובת הספיגה מופחת משמעותית ב-59% בהשוואה למחליף חום סליל רגיל.
זמן פרסום: 15-1-2023