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Los hidruros metálicos (MH) están reconocidos como uno de los grupos de materiales más adecuados para el almacenamiento de hidrógeno debido a su gran capacidad de almacenamiento de hidrógeno, baja presión de funcionamiento y alta seguridad.Sin embargo, su lenta cinética de absorción de hidrógeno reduce en gran medida el rendimiento del almacenamiento.Una eliminación de calor más rápida del almacenamiento de MH podría desempeñar un papel importante en el aumento de su tasa de absorción de hidrógeno, lo que daría como resultado un mejor rendimiento del almacenamiento.En este sentido, este estudio tuvo como objetivo mejorar las características de transferencia de calor para influir positivamente en la tasa de absorción de hidrógeno del sistema de almacenamiento de MH.El nuevo serpentín semicilíndrico se desarrolló y optimizó por primera vez para el almacenamiento de hidrógeno y se incorporó como un intercambiador interno de aire como calor (HTF).En función de los diferentes tamaños de paso, se analiza el efecto de la nueva configuración del intercambiador de calor y se compara con la geometría del serpentín helicoidal convencional.Además, se estudiaron numéricamente los parámetros operativos del almacenamiento de MG y GTP para obtener valores óptimos.Para la simulación numérica se utiliza ANSYS Fluent 2020 R2.Los resultados de este estudio muestran que el rendimiento de un tanque de almacenamiento MH se puede mejorar significativamente mediante el uso de un intercambiador de calor de serpentín semicilíndrico (SCHE).En comparación con los intercambiadores de calor de serpentín en espiral convencionales, la duración de la absorción de hidrógeno se reduce en un 59%.La distancia más pequeña entre las bobinas SCHE resultó en una reducción del 61% en el tiempo de absorción.En cuanto a los parámetros operativos del almacenamiento de MG mediante SHE, todos los parámetros seleccionados conducen a una mejora significativa en el proceso de absorción de hidrógeno, especialmente en la temperatura de entrada al HTS.
Hay una transición global de energías basadas en combustibles fósiles a energías renovables.Debido a que muchas formas de energía renovable proporcionan energía de manera dinámica, el almacenamiento de energía es necesario para equilibrar la carga.El almacenamiento de energía basado en hidrógeno ha atraído mucha atención para este propósito, especialmente porque el hidrógeno puede usarse como combustible y portador de energía alternativo “verde” debido a sus propiedades y portabilidad.Además, el hidrógeno también ofrece un mayor contenido energético por unidad de masa en comparación con los combustibles fósiles2.Hay cuatro tipos principales de almacenamiento de energía de hidrógeno: almacenamiento de gas comprimido, almacenamiento subterráneo, almacenamiento de líquidos y almacenamiento de sólidos.El hidrógeno comprimido es el principal tipo utilizado en vehículos de pila de combustible, como autobuses y carretillas elevadoras.Sin embargo, este almacenamiento proporciona una baja densidad aparente de hidrógeno (aproximadamente 0,089 kg/m3) y tiene problemas de seguridad asociados con la alta presión operativa3.Basado en un proceso de conversión a baja temperatura y presión ambiente, el almacenamiento líquido almacenará hidrógeno en forma líquida.Sin embargo, cuando se licua, se pierde alrededor del 40% de la energía.Además, se sabe que esta tecnología consume más energía y mano de obra en comparación con las tecnologías de almacenamiento de estado sólido4.El almacenamiento sólido es una opción viable para una economía del hidrógeno, que almacena hidrógeno incorporando hidrógeno en materiales sólidos mediante absorción y liberando hidrógeno mediante desorción.El hidruro metálico (MH), una tecnología de almacenamiento de material sólido, es de interés reciente en aplicaciones de celdas de combustible debido a su alta capacidad de hidrógeno, baja presión de operación y bajo costo en comparación con el almacenamiento líquido, y es adecuado para aplicaciones estacionarias y móviles6,7 En Además, los materiales MH también proporcionan propiedades de seguridad, como un almacenamiento eficiente de gran capacidad8.Sin embargo, existe un problema que limita la productividad del MG: la baja conductividad térmica del reactor de MG conduce a una lenta absorción y desorción de hidrógeno.
La transferencia de calor adecuada durante reacciones exotérmicas y endotérmicas es la clave para mejorar el rendimiento de los reactores MH.Para el proceso de carga de hidrógeno, el calor generado debe eliminarse del reactor para controlar el flujo de carga de hidrógeno a la velocidad deseada con la máxima capacidad de almacenamiento.En cambio, se requiere calor para aumentar la tasa de desprendimiento de hidrógeno durante la descarga.Para mejorar el rendimiento de la transferencia de calor y masa, muchos investigadores han estudiado el diseño y la optimización en función de múltiples factores, como los parámetros operativos, la estructura de MG y la optimización de MG11.La optimización de MG se puede realizar agregando materiales de alta conductividad térmica, como espumas metálicas, a las capas 12,13 de MG.De este modo, la conductividad térmica efectiva se puede aumentar de 0,1 a 2 W/mK10.Sin embargo, la adición de materiales sólidos reduce significativamente la potencia del reactor MN.Con respecto a los parámetros operativos, se pueden lograr mejoras optimizando las condiciones operativas iniciales de la capa MG y el refrigerante (HTF).La estructura del MG se puede optimizar debido a la geometría del reactor y al diseño del intercambiador de calor.En cuanto a la configuración del intercambiador de calor del reactor MH, los métodos se pueden dividir en dos tipos.Se trata de intercambiadores de calor internos integrados en la capa de MO e intercambiadores de calor externos que cubren la capa de MO, como aletas, camisas de refrigeración y baños de agua.Respecto al intercambiador de calor externo, Kaplan16 analizó el funcionamiento del reactor MH, utilizando agua de refrigeración como camisa para reducir la temperatura en el interior del reactor.Los resultados se compararon con un reactor de 22 aletas redondas y otro reactor enfriado por convección natural.Afirman que la presencia de una camisa de enfriamiento reduce significativamente la temperatura del MH, aumentando así la tasa de absorción.Los estudios numéricos del reactor MH con camisa de agua realizados por Patil y Gopal17 han demostrado que la presión del suministro de hidrógeno y la temperatura del HTF son parámetros clave que influyen en la tasa de absorción y desorción de hidrógeno.
Aumentar el área de transferencia de calor agregando aletas e intercambiadores de calor integrados en el MH es la clave para mejorar el rendimiento de transferencia de calor y masa y, por tanto, el rendimiento de almacenamiento del MH18.Se han diseñado varias configuraciones de intercambiadores de calor internos (tubo recto y serpentín en espiral) para hacer circular el refrigerante en el reactor MH19,20,21,22,23,24,25,26.Usando un intercambiador de calor interno, el líquido de enfriamiento o calentamiento transferirá calor local dentro del reactor MH durante el proceso de adsorción de hidrógeno.Raju y Kumar [27] utilizaron varios tubos rectos como intercambiadores de calor para mejorar el rendimiento del MG.Sus resultados mostraron que los tiempos de absorción se redujeron cuando se utilizaron tubos rectos como intercambiadores de calor.Además, el uso de tubos rectos acorta el tiempo de desorción del hidrógeno28.Los caudales de refrigerante más altos aumentan la velocidad de carga y descarga de hidrógeno29.Sin embargo, aumentar el número de tubos de refrigeración tiene un efecto positivo en el rendimiento del MH más que en el caudal de refrigerante30,31.Raju et al.32 utilizaron LaMi4.7Al0.3 como material MH para estudiar el rendimiento de intercambiadores de calor multitubulares en reactores.Informaron que los parámetros operativos tuvieron un efecto significativo en el proceso de absorción, especialmente la presión de alimentación y luego el caudal del HTF.Sin embargo, la temperatura de absorción resultó ser menos crítica.
El rendimiento del reactor MH se mejora aún más mediante el uso de un intercambiador de calor de serpentín en espiral debido a su mejor transferencia de calor en comparación con los tubos rectos.Esto se debe a que el ciclo secundario puede eliminar mejor el calor del reactor25.Además, los tubos en espiral proporcionan una gran superficie para la transferencia de calor desde la capa MH al refrigerante.Cuando se introduce este método en el interior del reactor, la distribución de los tubos de intercambio de calor también es más uniforme33.Wang y cols.34 estudiaron el efecto de la duración de la absorción de hidrógeno añadiendo una bobina helicoidal a un reactor MH.Sus resultados muestran que a medida que aumenta el coeficiente de transferencia de calor del refrigerante, disminuye el tiempo de absorción.Wu et al.25 investigaron el rendimiento de reactores MH basados en Mg2Ni e intercambiadores de calor de serpentín.Sus estudios numéricos han demostrado una reducción del tiempo de reacción.La mejora del mecanismo de transferencia de calor en el reactor MN se basa en una relación más pequeña entre el paso de tornillo y el paso de tornillo y en un paso de tornillo adimensional.Un estudio experimental realizado por Mellouli et al.21 utilizando un serpentín como intercambiador de calor interno demostró que la temperatura inicial del HTF tiene un efecto significativo en la mejora de la absorción de hidrógeno y el tiempo de desorción.En varios estudios se han llevado a cabo combinaciones de diferentes intercambiadores de calor internos.Eisapur et al.35 estudiaron el almacenamiento de hidrógeno utilizando un intercambiador de calor de serpentín en espiral con un tubo de retorno central para mejorar el proceso de absorción de hidrógeno.Sus resultados mostraron que el tubo en espiral y el tubo de retorno central mejoran significativamente la transferencia de calor entre el refrigerante y el MG.El paso más pequeño y el diámetro más grande del tubo en espiral aumentan la velocidad de transferencia de calor y masa.Ardahaie et al.36 utilizaron tubos espirales planos como intercambiadores de calor para mejorar la transferencia de calor dentro del reactor.Informaron que la duración de la absorción se redujo al aumentar el número de planos de tubos en espiral aplanados.En varios estudios se han llevado a cabo combinaciones de diferentes intercambiadores de calor internos.Dhau et al.37 mejoró el rendimiento del MH utilizando un intercambiador de calor de serpentín y aletas.Sus resultados muestran que este método reduce el tiempo de llenado de hidrógeno en un factor de 2 en comparación con el caso sin aletas.Las aletas anulares se combinan con tubos de refrigeración y se integran en el reactor MN.Los resultados de este estudio muestran que este método combinado proporciona una transferencia de calor más uniforme en comparación con el reactor MH sin aletas.Sin embargo, la combinación de diferentes intercambiadores de calor afectará negativamente al peso y volumen del reactor MH.Wu et al.18 compararon diferentes configuraciones de intercambiadores de calor.Estos incluyen tubos rectos, aletas y bobinas en espiral.Los autores informan que las bobinas en espiral proporcionan las mejores mejoras en la transferencia de calor y masa.Además, en comparación con los tubos rectos, los tubos enrollados y los tubos rectos combinados con tubos enrollados, los serpentines dobles tienen un mejor efecto para mejorar la transferencia de calor.Un estudio de Sekhar et al.40 mostraron que se logró una mejora similar en la absorción de hidrógeno utilizando un serpentín en espiral como intercambiador de calor interno y una camisa de enfriamiento externa con aletas.
De los ejemplos mencionados anteriormente, el uso de serpentines en espiral como intercambiadores de calor internos proporciona mejores mejoras en la transferencia de calor y masa que otros intercambiadores de calor, especialmente los de tubos rectos y aletas.Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue desarrollar aún más el serpentín en espiral para mejorar el rendimiento de la transferencia de calor.Por primera vez se ha desarrollado una nueva bobina semicilíndrica basada en la bobina helicoidal de almacenamiento MH convencional.Se espera que este estudio mejore el rendimiento del almacenamiento de hidrógeno al considerar un nuevo diseño de intercambiador de calor con una mejor disposición de la zona de transferencia de calor proporcionada por un volumen constante de lecho MH y tubos HTF.A continuación se comparó el rendimiento de almacenamiento de este nuevo intercambiador de calor con los intercambiadores de calor de serpentín en espiral convencionales basados en diferentes pasos de serpentín.Según la literatura existente, las condiciones de operación y el espaciamiento de las bobinas son los principales factores que afectan el rendimiento de los reactores MH.Para optimizar el diseño de este nuevo intercambiador de calor, se investigó el efecto del espaciado de las bobinas sobre el tiempo de absorción de hidrógeno y el volumen de MH.Además, para comprender la relación entre las nuevas bobinas semicilíndricas y las condiciones de operación, un objetivo secundario de este estudio fue estudiar las características del reactor según diferentes rangos de parámetros de operación y determinar los valores adecuados para cada operación. modo.parámetro.
El rendimiento del dispositivo de almacenamiento de energía de hidrógeno en este estudio se investiga basándose en dos configuraciones de intercambiador de calor (incluidos tubos espirales en los casos 1 a 3 y tubos semicilíndricos en los casos 4 a 6) y un análisis de sensibilidad de los parámetros operativos.Por primera vez se comprobó el funcionamiento del reactor MH utilizando un tubo en espiral como intercambiador de calor.Tanto el tubo de aceite refrigerante como la vasija del reactor MH están fabricados en acero inoxidable.Cabe señalar que las dimensiones del reactor MG y el diámetro de las tuberías del GTF fueron constantes en todos los casos, mientras que los tamaños de paso del GTF variaron.Esta sección analiza el efecto del tamaño del paso de las bobinas HTF.La altura y el diámetro exterior del reactor fueron 110 mm y 156 mm, respectivamente.El diámetro del tubo de aceite conductor de calor se establece en 6 mm.Consulte la Sección complementaria para obtener detalles sobre el diagrama del circuito del reactor MH con tubos en espiral y dos tubos semicilíndricos.
En la fig.La figura 1a muestra el reactor de tubos espirales MH y sus dimensiones.Todos los parámetros geométricos se dan en la tabla.1. El volumen total de la hélice y el volumen del ZG son aproximadamente 100 cm3 y 2000 cm3, respectivamente.Desde este reactor MH, se alimentó aire en forma de HTF al reactor poroso de MH desde abajo a través de un tubo en espiral, y se introdujo hidrógeno desde la superficie superior del reactor.
Caracterización de geometrías seleccionadas para reactores de hidruros metálicos.a) con un intercambiador de calor tubular en espiral, b) con un intercambiador de calor tubular semicilíndrico.
La segunda parte examina el funcionamiento del reactor MH basado en un tubo semicilíndrico a modo de intercambiador de calor.En la fig.La figura 1b muestra el reactor MN con dos tubos semicilíndricos y sus dimensiones.La Tabla 1 enumera todos los parámetros geométricos de los tubos semicilíndricos, que permanecen constantes, a excepción de la distancia entre ellos.Cabe señalar que el tubo semicilíndrico del Caso 4 se diseñó con un volumen constante de tubo HTF y aleación MH en el tubo enrollado (opción 3).En cuanto a la fig.1b, también se introdujo aire desde el fondo de los dos tubos HTF semicilíndricos y se introdujo hidrógeno desde la dirección opuesta del reactor MH.
Debido al nuevo diseño del intercambiador de calor, el propósito de esta sección es determinar los valores iniciales apropiados para los parámetros operativos del reactor MH en combinación con SCHE.En todos los casos, se utilizó aire como refrigerante para eliminar el calor del reactor.Entre los aceites de transferencia de calor, el aire y el agua se eligen comúnmente como aceites de transferencia de calor para los reactores MH debido a su bajo costo y bajo impacto ambiental.Debido al alto rango de temperatura de funcionamiento de las aleaciones a base de magnesio, se eligió aire como refrigerante en este estudio.Además, también tiene mejores características de flujo que otros metales líquidos y sales fundidas41.La Tabla 2 enumera las propiedades del aire a 573 K. Para el análisis de sensibilidad en esta sección, solo se aplican las mejores configuraciones de las opciones de rendimiento de MH-SCHE (en los casos 4 a 6).Las estimaciones de esta sección se basan en varios parámetros operativos, incluida la temperatura inicial del reactor MH, la presión de carga de hidrógeno, la temperatura de entrada del HTF y el número de Reynolds calculado cambiando la tasa de HTF.La Tabla 3 contiene todos los parámetros operativos utilizados para el análisis de sensibilidad.
Esta sección describe todas las ecuaciones de control necesarias para el proceso de absorción de hidrógeno, turbulencia y transferencia de calor de refrigerantes.
Para simplificar la solución de la reacción de absorción de hidrógeno, se hacen y proporcionan las siguientes suposiciones;
Durante la absorción, las propiedades termofísicas del hidrógeno y los hidruros metálicos son constantes.
El hidrógeno se considera un gas ideal, por lo que se tienen en cuenta las condiciones de equilibrio térmico local43,44.
donde \({L}_{gas}\) es el radio del tanque y \({L}_{heat}\) es la altura axial del tanque.Cuando N es menor que 0,0146, el flujo de hidrógeno en el tanque se puede ignorar en la simulación sin errores significativos.Según la investigación actual, N es mucho menor que 0,1.Por lo tanto, el efecto del gradiente de presión puede despreciarse.
Las paredes del reactor estaban bien aisladas en todos los casos.Por lo tanto, no hay intercambio de calor 47 entre el reactor y el medio ambiente.
Es bien sabido que las aleaciones a base de Mg tienen buenas características de hidrogenación y una alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno de hasta 7,6% en peso8.En términos de aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno en estado sólido, estas aleaciones también se conocen como materiales livianos.Además, tienen una excelente resistencia al calor y una buena procesabilidad8.Entre varias aleaciones a base de Mg, la aleación de MgNi a base de Mg2Ni es una de las opciones más adecuadas para el almacenamiento de MH debido a su capacidad de almacenamiento de hidrógeno de hasta un 6% en peso.Las aleaciones de Mg2Ni también proporcionan una cinética de adsorción y desorción más rápida en comparación con la aleación de MgH48.Por lo tanto, se eligió Mg2Ni como material de hidruro metálico en este estudio.
La ecuación energética se expresa como 25 basándose en el equilibrio térmico entre el hidrógeno y el hidruro de Mg2Ni:
X es la cantidad de hidrógeno absorbido en la superficie del metal, la unidad es \(peso\%\), calculada a partir de la ecuación cinética \(\frac{dX}{dt}\) durante la absorción de la siguiente manera49:
donde \({C}_{a}\) es la velocidad de reacción y \({E}_{a}\) es la energía de activación.\({P}_{a,eq}\) es la presión de equilibrio dentro del reactor de hidruro metálico durante el proceso de absorción, dada por la ecuación de van't Hoff de la siguiente manera25:
Donde \({P}_{ref}\) es la presión de referencia de 0,1 MPa.\(\Delta H\) y \(\Delta S\) son la entalpía y la entropía de la reacción, respectivamente.Las propiedades de las aleaciones Mg2Ni e hidrógeno se presentan en la tabla.4. La lista nombrada se puede encontrar en la sección complementaria.
El flujo de fluido se considera turbulento porque su velocidad y número de Reynolds (Re) son 78,75 ms-1 y 14000, respectivamente.En este estudio, se eligió un modelo de turbulencia k-ε alcanzable.Cabe señalar que este método proporciona una mayor precisión en comparación con otros métodos k-ε y también requiere menos tiempo de cálculo que los métodos RNG k-ε50,51.Consulte la Sección complementaria para obtener detalles sobre las ecuaciones básicas para fluidos de transferencia de calor.
Inicialmente, el régimen de temperatura en el reactor MN era uniforme y la concentración media de hidrógeno era 0,043.Se supone que el límite exterior del reactor MH está bien aislado.Las aleaciones a base de magnesio normalmente requieren altas temperaturas operativas de reacción para almacenar y liberar hidrógeno en el reactor.La aleación de Mg2Ni requiere un rango de temperatura de 523 a 603 K para una absorción máxima y un rango de temperatura de 573 a 603 K para una desorción completa52.Sin embargo, los estudios experimentales de Muthukumar et al.53 demostraron que la capacidad máxima de almacenamiento de Mg2Ni para el almacenamiento de hidrógeno se puede alcanzar a una temperatura de funcionamiento de 573 K, que corresponde a su capacidad teórica.Por lo tanto, se eligió la temperatura de 573 K como temperatura inicial del reactor MN en este estudio.
Cree diferentes tamaños de cuadrícula para validación y resultados confiables.En la fig.2 muestra la temperatura promedio en lugares seleccionados en el proceso de absorción de hidrógeno de cuatro elementos diferentes.Vale la pena señalar que solo se selecciona un caso de cada configuración para probar la independencia de la red debido a una geometría similar.En otros casos se aplica el mismo método de mallado.Por lo tanto, elija la opción 1 para el tubo en espiral y la opción 4 para el tubo semicilíndrico.En la fig.2a, b muestra la temperatura promedio en el reactor para las opciones 1 y 4, respectivamente.Las tres ubicaciones seleccionadas representan los contornos de temperatura del lecho en la parte superior, media e inferior del reactor.Según los contornos de temperatura en las ubicaciones seleccionadas, la temperatura promedio se estabiliza y muestra pocos cambios en los elementos números 428,891 y 430,599 para los casos 1 y 4, respectivamente.Por lo tanto, se eligieron estos tamaños de cuadrícula para cálculos computacionales adicionales.En la sección complementaria se proporciona información detallada sobre la temperatura promedio del lecho para el proceso de absorción de hidrógeno para varios tamaños de celda y mallas sucesivamente refinadas para ambos casos.
Temperatura promedio del lecho en puntos seleccionados del proceso de absorción de hidrógeno en un reactor de hidruro metálico con diferentes números de rejilla.(a) Temperatura promedio en ubicaciones seleccionadas para el caso 1 y (b) Temperatura promedio en ubicaciones seleccionadas para el caso 4.
El reactor de hidruro metálico a base de Mg de este estudio se probó basándose en los resultados experimentales de Muthukumar et al.53.En su estudio, utilizaron una aleación de Mg2Ni para almacenar hidrógeno en tubos de acero inoxidable.Se utilizan aletas de cobre para mejorar la transferencia de calor dentro del reactor.En la fig.3a muestra una comparación de la temperatura promedio del lecho del proceso de absorción entre el estudio experimental y este estudio.Las condiciones de operación elegidas para este experimento son: temperatura inicial de MG 573 K y presión de entrada 2 MPa.De la fig.3a se puede demostrar claramente que este resultado experimental concuerda con el actual con respecto a la temperatura media de la capa.
Verificación del modelo.(a) Verificación del código del reactor de hidruro metálico de Mg2Ni comparando el estudio actual con el trabajo experimental de Muthukumar et al.52, y (b) verificación del modelo de flujo turbulento de tubo espiral comparando el estudio actual con el de Kumar et al. .Investigación.54.
Para probar el modelo de turbulencia, los resultados de este estudio se compararon con los resultados experimentales de Kumar et al.54 para confirmar la exactitud del modelo de turbulencia elegido.Kumar et al.54 estudiaron el flujo turbulento en un intercambiador de calor en espiral de tubo dentro de tubo.El agua se utiliza como fluido frío y caliente inyectado desde lados opuestos.Las temperaturas del líquido caliente y frío son 323 K y 300 K, respectivamente.Los números de Reynolds varían de 3100 a 5700 para líquidos calientes y de 21000 a 35000 para líquidos fríos.Los números de Dean son 550-1000 para líquidos calientes y 3600-6000 para líquidos fríos.Los diámetros del tubo interior (para líquido caliente) y del tubo exterior (para líquido frío) son 0,0254 my 0,0508 m, respectivamente.El diámetro y el paso de la bobina helicoidal son 0,762 my 0,100 m, respectivamente.En la fig.3b muestra una comparación de los resultados experimentales y actuales para varios pares de números de Nusselt y Dean para el refrigerante en el tubo interior.Se implementaron tres modelos de turbulencia diferentes y se compararon con resultados experimentales.Como se muestra en la fig.3b, los resultados del modelo de turbulencia k-ε alcanzable concuerdan bien con los datos experimentales.Por lo tanto, se eligió este modelo en este estudio.
Las simulaciones numéricas en este estudio se realizaron utilizando ANSYS Fluent 2020 R2.Escriba una función definida por el usuario (UDF) y utilícela como término de entrada de la ecuación de energía para calcular la cinética del proceso de absorción.El circuito PRESTO55 y el método PISO56 se utilizan para la comunicación presión-velocidad y la corrección de presión.Seleccione una base de celda de Greene-Gauss para el gradiente variable.Las ecuaciones de momento y energía se resuelven mediante el método de segundo orden en contra del viento.En cuanto a los coeficientes de subrelajación, los componentes de presión, velocidad y energía se establecen en 0,5, 0,7 y 0,7, respectivamente.Las funciones de pared estándar se aplican al HTF en el modelo de turbulencia.
Esta sección presenta los resultados de simulaciones numéricas de transferencia de calor interna mejorada de un reactor MH utilizando un intercambiador de calor de serpentín (HCHE) y un intercambiador de calor de serpentín helicoidal (SCHE) durante la absorción de hidrógeno.Se analizó el efecto de la brea HTF sobre la temperatura del lecho del reactor y la duración de la absorción.Los principales parámetros operativos del proceso de absorción se estudian y presentan en la sección de análisis de sensibilidad.
Para investigar el efecto del espaciado de las bobinas sobre la transferencia de calor en un reactor MH, se investigaron tres configuraciones de intercambiadores de calor con diferentes pasos.Los tres pasos diferentes de 15 mm, 12,86 mm y 10 mm se denominan cuerpo 1, cuerpo 2 y cuerpo 3 respectivamente.Cabe señalar que el diámetro de la tubería se fijó en 6 mm a una temperatura inicial de 573 K y una presión de carga de 1,8 MPa en todos los casos.En la fig.La Figura 4 muestra la temperatura promedio del lecho y la concentración de hidrógeno en la capa de MH durante el proceso de absorción de hidrógeno en los casos 1 a 3. Normalmente, la reacción entre el hidruro metálico y el hidrógeno es exotérmica para el proceso de absorción.Por tanto, la temperatura del lecho aumenta rápidamente debido al momento inicial en el que se introduce por primera vez hidrógeno en el reactor.La temperatura del lecho aumenta hasta alcanzar un valor máximo y luego disminuye gradualmente a medida que el refrigerante se lleva el calor, que tiene una temperatura más baja y actúa como refrigerante.Como se muestra en la fig.4a, debido a la explicación anterior, la temperatura de la capa aumenta rápidamente y disminuye continuamente.La concentración de hidrógeno para el proceso de absorción suele basarse en la temperatura del lecho del reactor MH.Cuando la temperatura promedio de la capa desciende a una temperatura determinada, la superficie del metal absorbe hidrógeno.Esto se debe a la aceleración de los procesos de fisisorción, quimisorción, difusión de hidrógeno y formación de sus hidruros en el reactor.De la fig.4b se puede ver que la tasa de absorción de hidrógeno en el caso 3 es menor que en otros casos debido al valor de paso más pequeño del intercambiador de calor del serpentín.Esto da como resultado una longitud total de tubería más larga y un área de transferencia de calor más grande para las tuberías HTF.Con una concentración promedio de hidrógeno del 90%, el tiempo de absorción para el Caso 1 es de 46.276 segundos.En comparación con la duración de la absorción en el caso 1, la duración de la absorción en los casos 2 y 3 se redujo en 724 s y 1263 s, respectivamente.La sección complementaria presenta contornos de temperatura y concentración de hidrógeno para ubicaciones seleccionadas en la capa HCHE-MH.
Influencia de la distancia entre bobinas sobre la temperatura promedio de la capa y la concentración de hidrógeno.(a) Temperatura promedio del lecho para bobinas helicoidales, (b) concentración de hidrógeno para bobinas helicoidales, (c) temperatura promedio del lecho para bobinas hemicilíndricas y (d) concentración de hidrógeno para bobinas hemicilíndricas.
Para mejorar las características de transferencia de calor del reactor MG, se diseñaron dos HFC para un volumen constante del MG (2000 cm3) y un intercambiador de calor en espiral (100 cm3) de la Opción 3. Esta sección también considera el efecto de la distancia entre los reactores MG. bobinas de 15 mm para el caso 4, 12,86 mm para el caso 5 y 10 mm para el caso 6. En la fig.4c,d muestran la temperatura promedio del lecho y la concentración del proceso de absorción de hidrógeno a una temperatura inicial de 573 K y una presión de carga de 1,8 MPa.Según la temperatura promedio de la capa en la Fig. 4c, la distancia más pequeña entre las bobinas en el caso 6 reduce significativamente la temperatura en comparación con los otros dos casos.Para el caso 6, una temperatura del lecho más baja da como resultado una concentración de hidrógeno más alta (ver Fig. 4d).El tiempo de absorción de hidrógeno para la Variante 4 es de 19542 s, que es más del doble que para las Variantes 1 a 3 que utilizan HCH.Además, en comparación con el caso 4, el tiempo de absorción también se redujo en 378 s y 1515 s en los casos 5 y 6 con distancias más bajas.La sección complementaria presenta contornos de temperatura y concentración de hidrógeno para ubicaciones seleccionadas en la capa SCHE-MH.
Para estudiar el rendimiento de dos configuraciones de intercambiadores de calor, esta sección traza y presenta curvas de temperatura en tres ubicaciones seleccionadas.El reactor MH con HCHE del caso 3 se eligió para compararlo con el reactor MH que contiene SCHE en el caso 4 porque tiene un volumen de MH y un volumen de tubería constantes.Las condiciones operativas para esta comparación fueron una temperatura inicial de 573 K y una presión de carga de 1,8 MPa.En la fig.5a y 5b muestran las tres posiciones seleccionadas de los perfiles de temperatura en los casos 3 y 4, respectivamente.En la fig.5c muestra el perfil de temperatura y la concentración de la capa después de 20.000 s de absorción de hidrógeno.Según la línea 1 en la Fig. 5c, la temperatura alrededor del TTF de las opciones 3 y 4 disminuye debido a la transferencia de calor por convección del refrigerante.Esto da como resultado una mayor concentración de hidrógeno alrededor de esta área.Sin embargo, el uso de dos SCHE da como resultado una mayor concentración de capas.Se encontraron respuestas cinéticas más rápidas alrededor de la región HTF en el caso 4. Además, también se encontró una concentración máxima del 100% en esta región.Desde la línea 2 ubicada en el medio del reactor, la temperatura del caso 4 es significativamente menor que la temperatura del caso 3 en todos los lugares excepto el centro del reactor.Esto da como resultado la concentración máxima de hidrógeno para el caso 4, excepto para la región cercana al centro del reactor alejada del HTF.Sin embargo, la concentración del caso 3 no cambió mucho.Se observó una gran diferencia en la temperatura y concentración de la capa en la línea 3 cerca de la entrada al GTS.La temperatura de la capa en el caso 4 disminuyó significativamente, lo que resultó en la mayor concentración de hidrógeno en esta región, mientras que la línea de concentración en el caso 3 todavía fluctuaba.Esto se debe a la aceleración de la transferencia de calor SCHE.En la sección complementaria se proporcionan detalles y discusión de la comparación de la temperatura promedio de la capa MH y la tubería HTF entre el caso 3 y el caso 4.
Perfil de temperatura y concentración del lecho en ubicaciones seleccionadas en el reactor de hidruro metálico.(a) Ubicaciones seleccionadas para el caso 3, (b) Ubicaciones seleccionadas para el caso 4, y (c) Perfil de temperatura y concentración de capa en ubicaciones seleccionadas después de 20.000 s para el proceso de absorción de hidrógeno en los casos 3 y 4.
En la fig.La Figura 6 muestra una comparación de la temperatura promedio del lecho (ver Fig. 6a) y la concentración de hidrógeno (ver Fig. 6b) para la absorción de HCH y SHE.En esta figura se puede ver que la temperatura de la capa de MG disminuye significativamente debido a un aumento en el área de intercambio de calor.Quitar más calor del reactor da como resultado una mayor tasa de absorción de hidrógeno.Aunque las dos configuraciones de intercambiadores de calor tienen los mismos volúmenes en comparación con el uso de HCHE como Opción 3, el tiempo de consumo de hidrógeno de SCHE basado en la Opción 4 se redujo significativamente en un 59 %.Para un análisis más detallado, las concentraciones de hidrógeno para las dos configuraciones de intercambiador de calor se muestran como isolíneas en la Figura 7. Esta figura muestra que en ambos casos, el hidrógeno comienza a absorberse desde abajo alrededor de la entrada de HTF.Se encontraron concentraciones más altas en la región HTF, mientras que se observaron concentraciones más bajas en el centro del reactor MH debido a su distancia del intercambiador de calor.Después de 10.000 s, la concentración de hidrógeno en el caso 4 es significativamente mayor que en el caso 3. Después de 20.000 segundos, la concentración promedio de hidrógeno en el reactor ha aumentado al 90% en el caso 4 en comparación con el 50% de hidrógeno en el caso 3. Esto puede deberse a la mayor capacidad de enfriamiento efectiva de combinar dos SCHE, lo que resulta en una temperatura más baja dentro de la capa MH.En consecuencia, dentro de la capa de MG cae una presión más equilibrada, lo que conduce a una absorción más rápida de hidrógeno.
Caso 3 y Caso 4 Comparación de la temperatura promedio del lecho y la concentración de hidrógeno entre dos configuraciones de intercambiador de calor.
Comparación de la concentración de hidrógeno después de 500, 2000, 5000, 10000 y 20000 s después del inicio del proceso de absorción de hidrógeno en el caso 3 y el caso 4.
La Tabla 5 resume la duración de la absorción de hidrógeno para todos los casos.Además, la tabla también muestra el tiempo de absorción de hidrógeno, expresado en porcentaje.Este porcentaje se calcula en función del tiempo de absorción del Caso 1. A partir de esta tabla, el tiempo de absorción del reactor MH que utiliza HCHE es de aproximadamente 45 000 a 46 000 s, y el tiempo de absorción que incluye SCHE es de aproximadamente 18 000 a 19 000 s.En comparación con el Caso 1, el tiempo de absorción en los Casos 2 y 3 se redujo sólo en un 1,6% y un 2,7%, respectivamente.Cuando se utilizó SCHE en lugar de HCHE, el tiempo de absorción se redujo significativamente del caso 4 al 6, del 58 % al 61 %.Está claro que la adición de SCHE al reactor MH mejora enormemente el proceso de absorción de hidrógeno y el rendimiento del reactor MH.Aunque la instalación de un intercambiador de calor dentro del reactor MH reduce la capacidad de almacenamiento, esta tecnología proporciona una mejora significativa en la transferencia de calor en comparación con otras tecnologías.Además, disminuir el valor del tono aumentará el volumen del SCHE, lo que dará como resultado una disminución en el volumen del MH.En el caso 6 con el volumen SCHE más alto, la capacidad volumétrica de MH solo se redujo en un 5% en comparación con el caso 1 con el volumen HCHE más bajo.Además, durante la absorción, el caso 6 mostró un rendimiento mejor y más rápido con una reducción del 61% en el tiempo de absorción.Por lo tanto, se eligió el caso 6 para una mayor investigación en el análisis de sensibilidad.Cabe señalar que el largo tiempo de absorción de hidrógeno está asociado a un tanque de almacenamiento que contiene un volumen de MH de aproximadamente 2000 cm3.
Los parámetros de operación durante la reacción son factores importantes que afectan positiva o negativamente el rendimiento del reactor MH en condiciones reales.Este estudio considera un análisis de sensibilidad para determinar los parámetros operativos iniciales apropiados para un reactor MH en combinación con SCHE, y esta sección investiga los cuatro parámetros operativos principales basados en la configuración óptima del reactor en el caso 6. Los resultados para todas las condiciones operativas se muestran en Figura 8.
Gráfico de concentración de hidrógeno en diversas condiciones de funcionamiento cuando se utiliza un intercambiador de calor con serpentín semicilíndrico.(a) presión de carga, (b) temperatura inicial del lecho, (c) número de Reynolds del refrigerante y (d) temperatura de entrada del refrigerante.
Con base en una temperatura inicial constante de 573 K y un caudal de refrigerante con un número de Reynolds de 14 000, se seleccionaron cuatro presiones de carga diferentes: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa y 3,0 MPa.En la fig.8a muestra el efecto de la presión de carga y SCHE sobre la concentración de hidrógeno a lo largo del tiempo.El tiempo de absorción disminuye al aumentar la presión de carga.Usar una presión de hidrógeno aplicada de 1,2 MPa es el peor caso para el proceso de absorción de hidrógeno, y la duración de la absorción supera los 26.000 s para lograr una absorción de hidrógeno del 90%.Sin embargo, la mayor presión de carga dio como resultado una disminución del 32-42% en el tiempo de absorción de 1,8 a 3,0 MPa.Esto se debe a la mayor presión inicial del hidrógeno, lo que da como resultado una mayor diferencia entre la presión de equilibrio y la presión aplicada.Por lo tanto, esto crea una gran fuerza impulsora para la cinética de absorción de hidrógeno.En el momento inicial, el gas hidrógeno se absorbe rápidamente debido a la gran diferencia entre la presión de equilibrio y la presión aplicada57.A una presión de carga de 3,0 MPa, se acumuló rápidamente un 18% de hidrógeno durante los primeros 10 segundos.El hidrógeno se almacenó en el 90% de los reactores en la etapa final durante 15460 s.Sin embargo, con una presión de carga de 1,2 a 1,8 MPa, el tiempo de absorción se redujo significativamente en un 32%.Otras presiones más altas tuvieron menos efecto en la mejora de los tiempos de absorción.Por tanto, se recomienda que la presión de carga del reactor MH-SCHE sea de 1,8 MPa.La sección complementaria muestra los contornos de concentración de hidrógeno para varias presiones de carga a 15500 s.
La elección de una temperatura inicial adecuada del reactor MH es uno de los principales factores que afectan el proceso de adsorción de hidrógeno, ya que afecta la fuerza impulsora de la reacción de formación de hidruro.Para estudiar el efecto de SCHE sobre la temperatura inicial del reactor MH, se eligieron cuatro temperaturas diferentes a una presión de carga constante de 1,8 MPa y un número de Reynolds de 14.000 HTF.En la fig.La Figura 8b muestra una comparación de varias temperaturas iniciales, incluidas 473K, 523K, 573K y 623K.De hecho, cuando la temperatura es superior a 230°C o 503K58, la aleación Mg2Ni tiene características efectivas para el proceso de absorción de hidrógeno.Sin embargo, en el momento inicial de la inyección de hidrógeno, la temperatura aumenta rápidamente.En consecuencia, la temperatura de la capa de MG superará los 523 K. Por lo tanto, la formación de hidruros se facilita debido a la mayor tasa de absorción53.De la fig.Puede verse en la Fig. 8b que el hidrógeno se absorbe más rápido a medida que disminuye la temperatura inicial de la capa de MB.Las presiones de equilibrio más bajas ocurren cuando la temperatura inicial es más baja.Cuanto mayor sea la diferencia de presión entre la presión de equilibrio y la presión aplicada, más rápido será el proceso de absorción de hidrógeno.A una temperatura inicial de 473 K, el hidrógeno se absorbe rápidamente hasta un 27% durante los primeros 18 segundos.Además, el tiempo de absorción también se redujo del 11% al 24% a una temperatura inicial más baja en comparación con la temperatura inicial de 623 K. El tiempo de absorción a la temperatura inicial más baja de 473 K es 15247 s, que es similar a la mejor Sin embargo, en el caso de la presión de carga, la disminución de la temperatura inicial del reactor conduce a una disminución de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno.La temperatura inicial del reactor MN debe ser de al menos 503 K53.Además, a una temperatura inicial de 573 K53, se puede lograr una capacidad máxima de almacenamiento de hidrógeno del 3,6% en peso.En términos de capacidad de almacenamiento de hidrógeno y duración de absorción, las temperaturas entre 523 y 573 K acortan el tiempo sólo un 6%.Por tanto, se propone una temperatura de 573 K como temperatura inicial del reactor MH-SCHE.Sin embargo, el efecto de la temperatura inicial sobre el proceso de absorción fue menos significativo en comparación con la presión de carga.La sección complementaria muestra los contornos de la concentración de hidrógeno para varias temperaturas iniciales a 15500 s.
El caudal es uno de los principales parámetros de la hidrogenación y deshidrogenación porque puede afectar la turbulencia y la eliminación o entrada de calor durante la hidrogenación y deshidrogenación59.Los altos caudales crearán fases turbulentas y darán como resultado un flujo de fluido más rápido a través del tubo HTF.Esta reacción dará como resultado una transferencia de calor más rápida.Se calculan diferentes velocidades de entrada para HTF en función de los números de Reynolds de 10.000, 14.000, 18.000 y 22.000.La temperatura inicial de la capa de MG se fijó en 573 K y la presión de carga en 1,8 MPa.Los resultados en la fig.8c demuestran que el uso de un número de Reynolds más alto en combinación con SCHE da como resultado una tasa de absorción más alta.A medida que el número de Reynolds aumenta de 10.000 a 22.000, el tiempo de absorción disminuye aproximadamente entre un 28 y un 50%.El tiempo de absorción con un número de Reynolds de 22.000 es de 12.505 segundos, que es menor que a diversas temperaturas y presiones de carga iniciales.En la sección complementaria se presentan los contornos de concentración de hidrógeno para varios números de Reynolds para GTP a 12500 s.
El efecto de SCHE sobre la temperatura inicial del HTF se analiza y se muestra en la Fig. 8d.A una temperatura inicial de MG de 573 K y una presión de carga de hidrógeno de 1,8 MPa, se eligieron cuatro temperaturas iniciales para este análisis: 373 K, 473 K, 523 K y 573 K. 8d muestra que una disminución en la temperatura del refrigerante en la entrada conduce a una reducción del tiempo de absorción.En comparación con el caso base con una temperatura de entrada de 573 K, el tiempo de absorción se redujo aproximadamente un 20 %, 44 % y 56 % para temperaturas de entrada de 523 K, 473 K y 373 K, respectivamente.A 6917 s, la temperatura inicial del GTF es 373 K, la concentración de hidrógeno en el reactor es del 90%.Esto puede explicarse por una mayor transferencia de calor por convección entre la capa MG y el HCS.Las temperaturas más bajas del HTF aumentarán la disipación de calor y darán como resultado una mayor absorción de hidrógeno.Entre todos los parámetros operativos, mejorar el rendimiento del reactor MH-SCHE aumentando la temperatura de entrada del HTF fue el método más adecuado, ya que el tiempo de finalización del proceso de absorción fue inferior a 7000 s, mientras que el tiempo de absorción más corto de otros métodos fue mayor. de 10000 s.Se presentan contornos de concentración de hidrógeno para varias temperaturas iniciales de GTP durante 7000 s.
Este estudio presenta por primera vez un nuevo intercambiador de calor de serpentín semicilíndrico integrado en una unidad de almacenamiento de hidruro metálico.Se investigó la capacidad del sistema propuesto para absorber hidrógeno con varias configuraciones del intercambiador de calor.Se investigó la influencia de los parámetros operativos en el intercambio de calor entre la capa de hidruro metálico y el refrigerante para encontrar las condiciones óptimas para almacenar hidruros metálicos utilizando un nuevo intercambiador de calor.Los principales hallazgos de este estudio se resumen a continuación:
Con un intercambiador de calor de serpentín semicilíndrico, el rendimiento de la transferencia de calor mejora porque tiene una distribución de calor más uniforme en el reactor de capa de magnesio, lo que resulta en una mejor tasa de absorción de hidrógeno.Siempre que el volumen del tubo de intercambio de calor y el hidruro metálico permanezcan sin cambios, el tiempo de reacción de absorción se reduce significativamente en un 59% en comparación con un intercambiador de calor de serpentín convencional.
Hora de publicación: 15 de enero de 2023