Оптимизация конструкции магния

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13436 (2022 г.) Цитировать эту статью

5345 Доступов

12 цитат

125 Альтметрика

Подробности о метриках

Гидриды металлов (МГ) известны как одна из наиболее подходящих групп материалов для хранения водородной энергии из-за их большой емкости хранения водорода, низкого рабочего давления и высокой безопасности. Однако их медленная кинетика поглощения водорода значительно снижает производительность хранения. Более быстрый отвод тепла из хранилища MH может сыграть важную роль в повышении скорости поглощения водорода, что приведет к повышению эффективности хранения. В связи с этим настоящее исследование направлено на улучшение характеристик теплопередачи, чтобы положительно повлиять на скорость поглощения водорода в системах хранения MH. Новый полуцилиндрический змеевик впервые разработан и оптимизирован для хранения водорода и встроен в качестве внутреннего теплообменника с воздухом в качестве теплоносителя (HTF). Эффект новых конфигураций теплообменника анализируется и сравнивается с обычной геометрией спирального змеевика, основанной на различных размерах шага. Кроме того, численно исследуются рабочие параметры накопителя MH и HTF для получения оптимальных значений. Для численного моделирования используется ANSYS Fluent 2020 R2. Результаты этого исследования показывают, что производительность накопителя MH значительно улучшается при использовании полуцилиндрического змеевикового теплообменника (SCHE). Продолжительность поглощения водорода сокращается на 59% по сравнению с обычным спиральным теплообменником. Наименьший шаг катушки SCHE приводит к сокращению времени поглощения на 61%. Что касается рабочих параметров хранилища МГ с ЩЭ, все выбранные параметры обеспечивают значительное улучшение процесса абсорбции водорода, особенно температура на входе в HTF.

В глобальном масштабе происходит переход от энергетических ресурсов на основе ископаемого топлива к возобновляемым формам энергии. Поскольку многие виды возобновляемой энергии обеспечивают динамическое производство электроэнергии, для балансировки нагрузки требуется накопление энергии. С этой целью большое внимание уделяется хранению энергии на основе водорода, не в последнюю очередь потому, что водород может использоваться в качестве «зеленого» альтернативного топлива и носителя энергии из-за его характеристик и портативности1. Кроме того, водород также обеспечивает более высокую энергоемкость на массу по сравнению с ископаемым топливом2. Существует четыре основных типа хранения водородной энергии: сжатый газ, подземное хранилище, жидкое хранилище и твердое хранилище. Сжатый газообразный водород является основным типом, который используется в транспортных средствах на топливных элементах, таких как автобусы и вилочные погрузчики. Однако такое хранилище обеспечивает низкую объемную плотность водорода (около 0,089 кг/м3) и вызывает проблемы безопасности в связи с высоким рабочим давлением3. Жидкостное хранилище будет хранить водород в жидкой форме на основе процесса преобразования при низкой температуре и давлении окружающей среды. Однако в процессе сжижения происходит около 40% потерь энергии. Более того, этот метод также известен более высоким потреблением энергии, а также требует много времени по сравнению с методом твердого хранения4. Хранение в твердом состоянии является возможным вариантом для водородной экономики, которая хранит водород путем объединения его с твердыми материалами посредством абсорбции и высвобождения водорода посредством десорбции5. Металлогидрид (МГ) — одна из технологий хранения твердых материалов, которая в последнее время вызвала значительный интерес в топливных элементах из-за высокой емкости водорода, низкого рабочего давления и низкой стоимости по сравнению с жидкостным хранилищем как для стационарных, так и для мобильных приложений6. 7. Более того, материалы MH также обеспечивают безопасную работу в качестве высокоэффективного хранилища8. Однако есть одна проблема, которая ограничивает производительность MH: реакторы MH страдают от низкой теплопроводности9, что приводит к медленному поглощению и десорбции водорода.

Соответствующая передача тепла во время экзотермических и эндотермических реакций является ключом к улучшению производительности реактора MH. Для процесса зарядки водородом выделяемое тепло должно быть удалено из реактора, чтобы контролировать поток загрузки водорода с желаемой скоростью и максимальной емкостью хранения10. Напротив, для улучшения скорости выделения водорода в процессе разрядки требуется тепло. Чтобы улучшить характеристики тепло- и массообмена, многие исследователи изучали конструкцию и оптимизацию на основе нескольких факторов, включая рабочие параметры, структуру MH и оптимизацию MH11. Оптимизацию MH можно осуществить путем добавления материалов с высокой теплопроводностью, таких как металлические пены, в слой MH12,13. Этим методом можно повысить эффективную теплопроводность от 0,1 до 2 Вт/мК10. Однако добавление твердого материала существенно снижает мощность реактора МГ. Улучшения рабочих параметров можно добиться за счет оптимизации начальных условий работы слоя МГ и теплоносителя (ТТП). Структура МГ может быть оптимизирована за счет геометрии реактора и конструкции теплообменника14. По конструкции теплообменника реактора МГ подходы можно разделить на два типа. Это внутренний теплообменник, встроенный в слой МГ, и внешний теплообменник, такой как ребра, охлаждающая рубашка и водяная баня, которые покрывают слой МГ15. Что касается внешнего теплообменника, Каплан16 проанализировал производительность реактора MH, используя охлаждающую воду в качестве рубашки для снижения температуры внутри реактора. Результаты сравнивались с реактором с 22 круглыми ребрами и другим реактором, охлаждающимся за счет естественной конвекции. Они утверждали, что наличие охлаждающей рубашки значительно снижает температуру MH, что приводит к повышению скорости абсорбции. Численное исследование реактора MH с водяной рубашкой Патила и Гопала17 показало, что давление подачи водорода и температура HTF являются ключевыми параметрами, влияющими на скорость поглощения и десорбции водорода.