شكرا لكم لزيارة Nature.com.أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).بالإضافة إلى ذلك، ولضمان الدعم المستمر، نعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
يعرض دائريًا مكونًا من ثلاث شرائح في وقت واحد.استخدم الزرين السابق والتالي للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة، أو استخدم أزرار التمرير الموجودة في النهاية للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة.
يتم التعرف على هيدريدات المعادن (MH) كواحدة من مجموعات المواد الأكثر ملاءمة لتخزين الهيدروجين نظرًا لقدرتها الكبيرة على تخزين الهيدروجين وضغط التشغيل المنخفض والسلامة العالية.ومع ذلك، فإن حركية امتصاص الهيدروجين البطيئة تقلل بشكل كبير من أداء التخزين.يمكن أن تلعب عملية إزالة الحرارة بشكل أسرع من مخزن MH دورًا مهمًا في زيادة معدل امتصاص الهيدروجين، مما يؤدي إلى تحسين أداء التخزين.في هذا الصدد، تهدف هذه الدراسة إلى تحسين خصائص انتقال الحرارة من أجل التأثير بشكل إيجابي على معدل امتصاص الهيدروجين لنظام تخزين MH.تم تطوير الملف شبه الأسطواني الجديد لأول مرة وتحسينه لتخزين الهيدروجين وتم دمجه كمبادل داخلي للهواء والحرارة (HTF).استنادًا إلى أحجام الدرجات المختلفة، يتم تحليل تأثير تكوين المبادل الحراري الجديد ومقارنته بهندسة الملف الحلزوني التقليدية.بالإضافة إلى ذلك، تمت دراسة المعلمات التشغيلية لتخزين MG وGTP عدديا للحصول على القيم المثلى.للمحاكاة العددية، تم استخدام ANSYS Fluent 2020 R2.تظهر نتائج هذه الدراسة أنه يمكن تحسين أداء خزان تخزين MH بشكل كبير باستخدام مبادل حراري ملفوف شبه أسطواني (SCHE).بالمقارنة مع المبادلات الحرارية اللولبية التقليدية، يتم تقليل مدة امتصاص الهيدروجين بنسبة 59%.أدت أصغر مسافة بين ملفات SCHE إلى تقليل وقت الامتصاص بنسبة 61%.فيما يتعلق بمعلمات التشغيل لتخزين MG باستخدام SHE، فإن جميع المعلمات المختارة تؤدي إلى تحسن كبير في عملية امتصاص الهيدروجين، وخاصة درجة الحرارة عند مدخل HTS.
هناك تحول عالمي من الطاقة المعتمدة على الوقود الأحفوري إلى الطاقة المتجددة.ونظرًا لأن العديد من أشكال الطاقة المتجددة توفر الطاقة بطريقة ديناميكية، فإن تخزين الطاقة ضروري لموازنة الحمل.لقد اجتذب تخزين الطاقة المعتمدة على الهيدروجين الكثير من الاهتمام لهذا الغرض، خاصة أنه يمكن استخدام الهيدروجين كوقود بديل "أخضر" وحامل للطاقة نظرًا لخصائصه وقابليته للنقل.بالإضافة إلى ذلك، يوفر الهيدروجين أيضًا محتوى طاقة أعلى لكل وحدة كتلة مقارنة بالوقود الأحفوري.هناك أربعة أنواع رئيسية لتخزين طاقة الهيدروجين: تخزين الغاز المضغوط، والتخزين تحت الأرض، وتخزين السوائل، والتخزين الصلب.الهيدروجين المضغوط هو النوع الرئيسي المستخدم في مركبات خلايا الوقود مثل الحافلات والرافعات الشوكية.ومع ذلك، يوفر هذا التخزين كثافة كبيرة منخفضة من الهيدروجين (حوالي 0.089 كجم/م3) وله مشكلات تتعلق بالسلامة مرتبطة بارتفاع ضغط التشغيل.بناءً على عملية التحويل عند درجة حرارة وضغط محيطين منخفضين، فإن تخزين السائل سوف يقوم بتخزين الهيدروجين في صورة سائلة.ومع ذلك، عند تسييله، يتم فقدان حوالي 40٪ من الطاقة.بالإضافة إلى ذلك، من المعروف أن هذه التكنولوجيا تتطلب المزيد من الطاقة والعمالة مقارنة بتقنيات تخزين الحالة الصلبة.يعد التخزين الصلب خيارًا قابلاً للتطبيق لاقتصاد الهيدروجين، حيث يقوم بتخزين الهيدروجين عن طريق دمج الهيدروجين في المواد الصلبة من خلال الامتصاص وإطلاق الهيدروجين من خلال الامتزاز.تحظى تقنية هيدريد المعدن (MH)، وهي تقنية لتخزين المواد الصلبة، باهتمام حديث في تطبيقات خلايا الوقود نظرًا لقدرتها العالية على الهيدروجين، وضغط التشغيل المنخفض، والتكلفة المنخفضة مقارنة بتخزين السوائل، كما أنها مناسبة للتطبيقات الثابتة والمتنقلة. بالإضافة إلى ذلك، توفر مواد MH أيضًا خصائص السلامة مثل التخزين الفعال للسعة الكبيرة8.ومع ذلك، هناك مشكلة تحد من إنتاجية MG: الموصلية الحرارية المنخفضة لمفاعل MG تؤدي إلى بطء امتصاص وامتصاص الهيدروجين.
يعد نقل الحرارة المناسب أثناء التفاعلات الطاردة للحرارة والماصة للحرارة هو المفتاح لتحسين أداء مفاعلات MH.بالنسبة لعملية تحميل الهيدروجين، يجب إزالة الحرارة المتولدة من المفاعل من أجل التحكم في تدفق تحميل الهيدروجين بالمعدل المطلوب مع أقصى سعة تخزينية.وبدلا من ذلك، الحرارة مطلوبة لزيادة معدل تطور الهيدروجين أثناء التفريغ.من أجل تحسين أداء نقل الحرارة والكتلة، قام العديد من الباحثين بدراسة التصميم والتحسين بناءً على عوامل متعددة مثل معلمات التشغيل، وهيكل MG، وتحسين MG11.يمكن إجراء تحسين MG عن طريق إضافة مواد موصلية حرارية عالية مثل المعادن الرغوية إلى طبقات MG 12،13.وبالتالي، يمكن زيادة التوصيل الحراري الفعال من 0.1 إلى 2 واط/م ك10.ومع ذلك، فإن إضافة المواد الصلبة يقلل بشكل كبير من قوة مفاعل MN.فيما يتعلق بمعايير التشغيل، يمكن تحقيق التحسينات من خلال تحسين ظروف التشغيل الأولية لطبقة MG وسائل التبريد (HTF).يمكن تحسين هيكل MG نظرًا لهندسة المفاعل وتصميم المبادل الحراري.فيما يتعلق بتكوين المبادل الحراري لمفاعل MH، يمكن تقسيم الطرق إلى نوعين.وهي عبارة عن مبادلات حرارية داخلية مدمجة في طبقة MO ومبادلات حرارية خارجية تغطي طبقة MO مثل الزعانف وسترات التبريد والحمامات المائية.وفيما يتعلق بالمبادل الحراري الخارجي، قام كابلان16 بتحليل تشغيل مفاعل MH، باستخدام ماء التبريد كغطاء لتقليل درجة الحرارة داخل المفاعل.وتمت مقارنة النتائج مع مفاعل ذو 22 زعنفة مستديرة ومفاعل آخر تم تبريده بالحمل الحراري الطبيعي.ويذكرون أن وجود سترة التبريد يقلل بشكل كبير من درجة حرارة MH، وبالتالي يزيد من معدل الامتصاص.أظهرت الدراسات العددية لمفاعل MH المغلف بالماء بواسطة باتيل وجوبال أن ضغط إمداد الهيدروجين ودرجة حرارة HTF هما من العوامل الرئيسية التي تؤثر على معدل امتصاص الهيدروجين وامتصاصه.
تعد زيادة مساحة نقل الحرارة عن طريق إضافة زعانف ومبادلات حرارية مدمجة في MH هي المفتاح لتحسين أداء نقل الحرارة والكتلة وبالتالي أداء التخزين في MH18.تم تصميم العديد من تكوينات المبادلات الحرارية الداخلية (الأنبوب المستقيم والملف الحلزوني) لتدوير سائل التبريد في مفاعل MH19،20،21،22،23،24،25،26.باستخدام مبادل حراري داخلي، سيقوم سائل التبريد أو التسخين بنقل الحرارة المحلية داخل مفاعل MH أثناء عملية امتصاص الهيدروجين.استخدم راجو وكومار [27] عدة أنابيب مستقيمة كمبادلات حرارية لتحسين أداء MG.وأظهرت نتائجهم أن أوقات الامتصاص انخفضت عند استخدام الأنابيب المستقيمة كمبادلات حرارية.وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام الأنابيب المستقيمة يقصر وقت امتصاص الهيدروجين.تزيد معدلات تدفق سائل التبريد الأعلى من معدل شحن وتفريغ الهيدروجين.ومع ذلك، فإن زيادة عدد أنابيب التبريد له تأثير إيجابي على أداء MH بدلاً من معدل تدفق سائل التبريد.استخدم راجو وزملاؤه LaMi4.7Al0.3 كمادة MH لدراسة أداء المبادلات الحرارية متعددة الأنابيب في المفاعلات.وأفادوا أن عوامل التشغيل كان لها تأثير كبير على عملية الامتصاص، وخاصة ضغط التغذية ومن ثم معدل تدفق HTF.ومع ذلك، تبين أن درجة حرارة الامتصاص أقل أهمية.
تم تحسين أداء مفاعل MH بشكل أكبر من خلال استخدام مبادل حراري ذو ملف لولبي بسبب تحسين نقل الحرارة مقارنة بالأنابيب المستقيمة.وذلك لأن الدورة الثانوية يمكنها إزالة الحرارة من المفاعل بشكل أفضل.بالإضافة إلى ذلك، توفر الأنابيب الحلزونية مساحة سطحية كبيرة لنقل الحرارة من طبقة MH إلى المبرد.عندما يتم إدخال هذه الطريقة داخل المفاعل، يكون توزيع أنابيب التبادل الحراري أكثر اتساقًا أيضًا.وانغ وآخرون.34 درس تأثير مدة امتصاص الهيدروجين عن طريق إضافة ملف حلزوني إلى مفاعل MH.وتظهر نتائجهم أنه مع زيادة معامل نقل الحرارة للمبرد، ينخفض وقت الامتصاص.وو وآخرون.قام 25 بدراسة أداء مفاعلات MH القائمة على Mg2Ni والمبادلات الحرارية ذات الملف اللولبي.وقد أظهرت دراساتهم العددية انخفاضًا في وقت رد الفعل.يعتمد تحسين آلية نقل الحرارة في مفاعل MN على نسبة أصغر من درجة المسمار إلى درجة المسمار وخطوة المسمار بدون أبعاد.أظهرت دراسة تجريبية أجراها الملولي وآخرون.21 باستخدام ملف ملفوف كمبادل حراري داخلي أن درجة حرارة بدء HTF لها تأثير كبير على تحسين امتصاص الهيدروجين ووقت الامتزاز.تم إجراء مجموعات من المبادلات الحرارية الداخلية المختلفة في العديد من الدراسات.إيسابور وآخرون.قام 35 بدراسة تخزين الهيدروجين باستخدام مبادل حراري لولبي مع أنبوب إرجاع مركزي لتحسين عملية امتصاص الهيدروجين.أظهرت نتائجهم أن الأنبوب الحلزوني وأنبوب الإرجاع المركزي يحسنان بشكل كبير انتقال الحرارة بين المبرد وMG.تعمل المسافة الأصغر والقطر الأكبر للأنبوب الحلزوني على زيادة معدل نقل الحرارة والكتلة.أرداهي وآخرون.36 تم استخدام أنابيب حلزونية مسطحة كمبادلات حرارية لتحسين نقل الحرارة داخل المفاعل.وأفادوا أن مدة الامتصاص انخفضت عن طريق زيادة عدد طائرات الأنابيب الحلزونية المسطحة.تم إجراء مجموعات من المبادلات الحرارية الداخلية المختلفة في العديد من الدراسات.ضو وآخرون.37 قام بتحسين أداء MH باستخدام مبادل حراري ملفوف وزعانف.تظهر نتائجهم أن هذه الطريقة تقلل من وقت ملء الهيدروجين بعامل 2 مقارنة بالحالة التي لا تحتوي على زعانف.يتم دمج الزعانف الحلقية مع أنابيب التبريد ويتم دمجها في مفاعل MN.تظهر نتائج هذه الدراسة أن هذه الطريقة المدمجة توفر نقلًا أكثر انتظامًا للحرارة مقارنة بمفاعل MH بدون زعانف.ومع ذلك، فإن الجمع بين المبادلات الحرارية المختلفة سيؤثر سلبًا على وزن وحجم مفاعل MH.قارن وو وآخرون 18 التكوينات المختلفة للمبادلات الحرارية.وتشمل هذه الأنابيب المستقيمة والزعانف والملفات الحلزونية.أفاد المؤلفون أن الملفات الحلزونية توفر أفضل التحسينات في نقل الحرارة والكتلة.بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع الأنابيب المستقيمة، والأنابيب الملتفة، والأنابيب المستقيمة المدمجة مع الأنابيب الملتفة، فإن الملفات المزدوجة لها تأثير أفضل على تحسين نقل الحرارة.دراسة أجراها سيخار وآخرون.أظهر 40 أنه تم تحقيق تحسن مماثل في امتصاص الهيدروجين باستخدام ملف حلزوني كمبادل حراري داخلي وسترة تبريد خارجية ذات زعانف.
من بين الأمثلة المذكورة أعلاه، فإن استخدام الملفات الحلزونية كمبادلات حرارية داخلية يوفر تحسينات أفضل في نقل الحرارة والكتلة مقارنة بالمبادلات الحرارية الأخرى، وخاصة الأنابيب والزعانف المستقيمة.ولذلك، كان الهدف من هذه الدراسة هو مواصلة تطوير الملف الحلزوني لتحسين أداء نقل الحرارة.لأول مرة، تم تطوير ملف شبه أسطواني جديد يعتمد على الملف الحلزوني التقليدي للتخزين MH.من المتوقع أن تعمل هذه الدراسة على تحسين أداء تخزين الهيدروجين من خلال النظر في تصميم جديد لمبادل حراري مع تخطيط أفضل لمنطقة نقل الحرارة يوفره حجم ثابت من طبقة MH وأنابيب HTF.تمت بعد ذلك مقارنة أداء التخزين لهذا المبادل الحراري الجديد بالمبادلات الحرارية التقليدية ذات الملف الحلزوني بناءً على درجات الملف المختلفة.وفقا للأدبيات الموجودة، ظروف التشغيل والتباعد بين الملفات هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء مفاعلات MH.لتحسين تصميم هذا المبادل الحراري الجديد، تم دراسة تأثير تباعد الملفات على وقت امتصاص الهيدروجين وحجم MH.بالإضافة إلى ذلك، ومن أجل فهم العلاقة بين الملفات النصف أسطوانية الجديدة وظروف التشغيل، كان الهدف الثانوي لهذه الدراسة هو دراسة خصائص المفاعل حسب نطاقات معاملات التشغيل المختلفة وتحديد القيم المناسبة لكل تشغيل. وضع.معامل.
تم دراسة أداء جهاز تخزين طاقة الهيدروجين في هذه الدراسة بناءً على تكوينين للمبادل الحراري (بما في ذلك الأنابيب الحلزونية في الحالات من 1 إلى 3 والأنابيب شبه الأسطوانية في الحالات من 4 إلى 6) وتحليل حساسية معلمات التشغيل.تم اختبار قابلية تشغيل مفاعل MH لأول مرة باستخدام أنبوب حلزوني كمبادل حراري.كل من أنبوب زيت التبريد ووعاء مفاعل MH مصنوعان من الفولاذ المقاوم للصدأ.تجدر الإشارة إلى أن أبعاد مفاعل MG وقطر أنابيب GTF كانت ثابتة في جميع الحالات، بينما تباينت أحجام خطوات GTF.يحلل هذا القسم تأثير حجم درجة ملفات HTF.كان الارتفاع والقطر الخارجي للمفاعل 110 ملم و156 ملم على التوالي.تم ضبط قطر أنبوب الزيت الموصل للحرارة على 6 مم.انظر القسم التكميلي للحصول على تفاصيل حول مخطط دائرة مفاعل MH مع الأنابيب الحلزونية وأنبوبين شبه أسطوانيين.
على الشكل.يوضح الشكل 1 أ مفاعل الأنبوب الحلزوني MH وأبعاده.وترد جميع المعلمات الهندسية في الجدول.1. يبلغ الحجم الإجمالي للحلزون وحجم ZG حوالي 100 سم 3 و 2000 سم 3 على التوالي.من مفاعل MH هذا، تم تغذية الهواء على شكل HTF إلى مفاعل MH المسامي من الأسفل من خلال أنبوب حلزوني، وتم إدخال الهيدروجين من السطح العلوي للمفاعل.
توصيف الأشكال الهندسية المختارة لمفاعلات هيدريد المعدن.أ) مع مبادل حراري أنبوبي حلزوني، ب) مع مبادل حراري أنبوبي شبه أسطواني.
أما الجزء الثاني فيتناول عمل مفاعل MH المعتمد على أنبوب شبه أسطواني كمبادل حراري.على الشكل.يوضح الشكل 1 ب مفاعل MN بأنبوبين شبه أسطوانيين وأبعادهما.يبين الجدول 1 جميع المعلمات الهندسية للأنابيب شبه الأسطوانية، والتي تظل ثابتة، باستثناء المسافة بينها.تجدر الإشارة إلى أن الأنبوب شبه الأسطواني في الحالة 4 تم تصميمه بحجم ثابت من أنبوب HTF وسبائك MH في الأنبوب الملتف (الخيار 3).أما بالنسبة للتين.كما هو مبين في الشكل 1 ب، تم إدخال الهواء أيضًا من أسفل الأنبوبين HTF شبه الأسطوانيين، وتم إدخال الهيدروجين من الاتجاه المعاكس لمفاعل MH.
نظرًا للتصميم الجديد للمبادل الحراري، فإن الغرض من هذا القسم هو تحديد القيم الأولية المناسبة لمعلمات التشغيل لمفاعل MH بالاشتراك مع SCHE.وفي جميع الحالات، تم استخدام الهواء كمبرد لإزالة الحرارة من المفاعل.من بين زيوت نقل الحرارة، يتم اختيار الهواء والماء عادةً كزيوت نقل الحرارة لمفاعلات MH نظرًا لتكلفتها المنخفضة وتأثيرها البيئي المنخفض.نظرًا لارتفاع نطاق درجة حرارة التشغيل للسبائك القائمة على المغنيسيوم، تم اختيار الهواء كمبرد في هذه الدراسة.بالإضافة إلى ذلك، فهو يتميز أيضًا بخصائص تدفق أفضل من المعادن السائلة الأخرى والأملاح المنصهرة.يسرد الجدول 2 خصائص الهواء عند 573 كلفن. ولتحليل الحساسية في هذا القسم، يتم تطبيق أفضل التكوينات فقط لخيارات أداء MH-SCHE (في الحالات من 4 إلى 6).وتستند التقديرات في هذا القسم إلى معلمات التشغيل المختلفة، بما في ذلك درجة الحرارة الأولية لمفاعل MH، وضغط تحميل الهيدروجين، ودرجة حرارة مدخل HTF، وعدد رينولدز المحسوب عن طريق تغيير معدل HTF.يحتوي الجدول 3 على جميع معلمات التشغيل المستخدمة لتحليل الحساسية.
يصف هذا القسم جميع معادلات التحكم اللازمة لعملية امتصاص الهيدروجين والاضطراب وانتقال الحرارة لسائل التبريد.
لتبسيط حل تفاعل امتصاص الهيدروجين، تم وضع وتقديم الافتراضات التالية؛
أثناء الامتصاص، تكون الخواص الفيزيائية الحرارية لهيدريدات الهيدروجين والمعادن ثابتة.
يعتبر الهيدروجين غازا مثاليا، لذلك تؤخذ ظروف التوازن الحراري المحلي بعين الاعتبار.
حيث \({L}_{gas}\) هو نصف قطر الخزان، و\({L}_{heat}\) هو الارتفاع المحوري للخزان.عندما يكون N أقل من 0.0146، يمكن تجاهل تدفق الهيدروجين في الخزان في المحاكاة دون خطأ كبير.وفقًا للبحث الحالي، N أقل بكثير من 0.1.ولذلك، يمكن إهمال تأثير تدرج الضغط.
وكانت جدران المفاعل معزولة بشكل جيد في جميع الحالات.لذلك، لا يوجد تبادل حراري 47 بين المفاعل والبيئة.
من المعروف أن السبائك المعتمدة على المغنيسيوم تتمتع بخصائص هدرجة جيدة وقدرة عالية على تخزين الهيدروجين تصل إلى 7.6% بالوزن.فيما يتعلق بتطبيقات تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة، تُعرف هذه السبائك أيضًا بالمواد خفيفة الوزن.بالإضافة إلى ذلك، فهي تتمتع بمقاومة ممتازة للحرارة وقابلية معالجة جيدة8.من بين العديد من السبائك القائمة على المغنيسيوم، تعد سبائك MgNi القائمة على Mg2Ni واحدة من أكثر الخيارات المناسبة لتخزين MH نظرًا لقدرتها على تخزين الهيدروجين التي تصل إلى 6٪ بالوزن.توفر سبائك Mg2Ni أيضًا حركية امتصاص وامتزاز أسرع مقارنةً بسبيكة MgH48.لذلك، تم اختيار Mg2Ni كمادة هيدريد معدنية في هذه الدراسة.
يتم التعبير عن معادلة الطاقة بالرقم 25 بناءً على التوازن الحراري بين الهيدروجين وهيدريد Mg2Ni:
X هي كمية الهيدروجين الممتصة على سطح المعدن، الوحدة هي \(الوزن\%\)، محسوبة من المعادلة الحركية \(\frac{dX}{dt}\) أثناء الامتصاص كما يلي:
حيث \({C} _ {a}\) هو معدل التفاعل و \({E} _ {a}\) هي طاقة التنشيط.\({P} _ {a,eq}\) هو ضغط التوازن داخل مفاعل هيدريد المعدن أثناء عملية الامتصاص، المعطاة بواسطة معادلة فانت هوف كما يلي:
حيث \({P}_{ref}\) هو الضغط المرجعي البالغ 0.1 ميجا باسكال.\(\Delta H\) و \(\Delta S\) هما المحتوى الحراري والإنتروبيا للتفاعل، على التوالي.يتم عرض خصائص السبائك Mg2Ni والهيدروجين في الجدول.4. يمكن العثور على القائمة المسماة في القسم التكميلي.
يعتبر جريان المائع مضطربا لأن سرعته ورقم رينولدز (Re) هما 78.75 مللي ثانية-1 و14000 على التوالي.في هذه الدراسة، تم اختيار نموذج الاضطراب k-ε القابل للتحقيق.تجدر الإشارة إلى أن هذه الطريقة توفر دقة أعلى مقارنة بطرق k-ε الأخرى، وتتطلب أيضًا وقتًا حسابيًا أقل من طرق RNG k-ε50,51.راجع القسم التكميلي للحصول على تفاصيل حول المعادلات الأساسية لسوائل نقل الحرارة.
في البداية، كان نظام درجة الحرارة في مفاعل MN موحدًا، وكان متوسط تركيز الهيدروجين 0.043.ومن المفترض أن الحدود الخارجية لمفاعل MH معزولة بشكل جيد.تتطلب السبائك القائمة على المغنيسيوم عادةً درجات حرارة تشغيل عالية للتفاعل لتخزين وإطلاق الهيدروجين في المفاعل.تتطلب سبيكة Mg2Ni نطاق درجة حرارة يتراوح بين 523-603 كلفن لتحقيق أقصى قدر من الامتصاص ومدى درجة حرارة يتراوح بين 573-603 كلفن للامتصاص الكامل.ومع ذلك، أظهرت الدراسات التجريبية التي أجراها موثوكومار وآخرون.53 أن السعة التخزينية القصوى لـ Mg2Ni لتخزين الهيدروجين يمكن تحقيقها عند درجة حرارة تشغيل تبلغ 573 كلفن، وهو ما يتوافق مع قدرتها النظرية.ولذلك، تم اختيار درجة حرارة 573 كلفن لتكون درجة الحرارة الأولية لمفاعل MN في هذه الدراسة.
قم بإنشاء أحجام شبكة مختلفة للتحقق من الصحة والحصول على نتائج موثوقة.على الشكل.ويبين الشكل 2 متوسط درجة الحرارة في مواقع مختارة في عملية امتصاص الهيدروجين من أربعة عناصر مختلفة.تجدر الإشارة إلى أنه يتم تحديد حالة واحدة فقط من كل تكوين لاختبار استقلال الشبكة بسبب الهندسة المماثلة.يتم تطبيق نفس طريقة الربط في حالات أخرى.لذلك، اختر الخيار 1 للأنبوب الحلزوني والخيار 4 للأنبوب شبه الأسطواني.على الشكل.يُظهر الشكل 2أ،ب متوسط درجة الحرارة في المفاعل للخيارين 1 و4، على التوالي.تمثل المواقع الثلاثة المحددة محيطات درجة حرارة السرير في الجزء العلوي والوسطى والسفلي من المفاعل.بناءً على منحنيات درجة الحرارة في المواقع المختارة، يصبح متوسط درجة الحرارة مستقرًا ويظهر تغيرًا طفيفًا في أرقام العناصر 428,891 و430,599 للحالتين 1 و4 على التوالي.ولذلك، تم اختيار أحجام الشبكة هذه لمزيد من الحسابات الحسابية.يتم تقديم معلومات مفصلة عن متوسط درجة حرارة السرير لعملية امتصاص الهيدروجين لمختلف أحجام الخلايا والشبكات المكررة على التوالي لكلتا الحالتين في القسم التكميلي.
متوسط درجة حرارة السرير عند نقاط مختارة في عملية امتصاص الهيدروجين في مفاعل هيدريد فلز بأرقام شبكية مختلفة.(أ) متوسط درجة الحرارة في مواقع مختارة للحالة 1 و (ب) متوسط درجة الحرارة في مواقع مختارة للحالة 4.
تم اختبار مفاعل هيدريد المعدن المعتمد على المغنيسيوم في هذه الدراسة بناءً على النتائج التجريبية لموثوكومار وآخرين.53.وفي دراستهم، استخدموا سبيكة Mg2Ni لتخزين الهيدروجين في أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ.تستخدم زعانف النحاس لتحسين نقل الحرارة داخل المفاعل.على الشكل.يوضح الشكل 3 أ مقارنة متوسط درجة حرارة قاع عملية الامتصاص بين الدراسة التجريبية وهذه الدراسة.ظروف التشغيل المختارة لهذه التجربة هي: درجة الحرارة الأولية MG 573 كلفن وضغط المدخل 2 ميجا باسكال.من الشكل.في الشكل 3 أ، يمكن أن يظهر بوضوح أن هذه النتيجة التجريبية تتفق جيدًا مع النتيجة الحالية فيما يتعلق بمتوسط درجة حرارة الطبقة.
التحقق من النموذج.(أ) التحقق من الكود لمفاعل هيدريد المعدن Mg2Ni من خلال مقارنة الدراسة الحالية مع العمل التجريبي لموثوكومار وآخرين، و(ب) التحقق من نموذج التدفق المضطرب للأنبوب الحلزوني من خلال مقارنة الدراسة الحالية مع دراسة كومار وآخرين .بحث.54.
ولاختبار نموذج الاضطراب، تمت مقارنة نتائج هذه الدراسة مع النتائج التجريبية لكومار وآخرين.54 للتأكد من صحة نموذج الاضطراب المختار.قام كومار وزملاؤه بدراسة التدفق المضطرب في مبادل حراري حلزوني داخل الأنبوب.يستخدم الماء كسوائل ساخنة وباردة يتم حقنها من الجانبين المتقابلين.تبلغ درجات حرارة السوائل الساخنة والباردة 323 كلفن و300 كلفن على التوالي.تتراوح أرقام رينولدز من 3100 إلى 5700 للسوائل الساخنة ومن 21000 إلى 35000 للسوائل الباردة.أرقام العميد هي 550-1000 للسوائل الساخنة و3600-6000 للسوائل الباردة.يبلغ قطر الأنبوب الداخلي (للسائل الساخن) والأنبوب الخارجي (للسائل البارد) 0.0254 م و0.0508 م، على التوالي.يبلغ قطر الملف الحلزوني ودرجة ميله 0.762 م و0.100 م على التوالي.على الشكل.يُظهر الشكل 3 ب مقارنة النتائج التجريبية والحالية لأزواج مختلفة من أرقام نسلت ودين لسائل التبريد في الأنبوب الداخلي.تم تنفيذ ثلاثة نماذج مختلفة للاضطراب ومقارنتها بالنتائج التجريبية.كما يظهر في الشكل.كما هو مبين في الشكل 3 ب، فإن نتائج نموذج الاضطراب k-ε القابل للتحقيق تتفق جيدًا مع البيانات التجريبية.ولذلك تم اختيار هذا النموذج في هذه الدراسة.
تم إجراء عمليات المحاكاة العددية في هذه الدراسة باستخدام ANSYS Fluent 2020 R2.اكتب دالة محددة من قبل المستخدم (UDF) واستخدمها كمدخل لمعادلة الطاقة لحساب حركية عملية الامتصاص.يتم استخدام دائرة PRESTO55 وطريقة PISO56 للاتصال بسرعة الضغط وتصحيح الضغط.حدد قاعدة خلية Greene-Gauss للتدرج المتغير.يتم حل معادلات الزخم والطاقة بطريقة اتجاه الريح من الدرجة الثانية.وفيما يتعلق بمعاملات الاسترخاء، يتم ضبط مكونات الضغط والسرعة والطاقة على 0.5 و0.7 و0.7 على التوالي.يتم تطبيق وظائف الجدار القياسية على HTF في نموذج الاضطراب.
يعرض هذا القسم نتائج المحاكاة العددية لتحسين نقل الحرارة الداخلي لمفاعل MH باستخدام مبادل حراري ملفوف (HCHE) ومبادل حراري ملف حلزوني (SCHE) أثناء امتصاص الهيدروجين.تم تحليل تأثير طبقة HTF على درجة حرارة طبقة المفاعل ومدة الامتصاص.تمت دراسة عوامل التشغيل الرئيسية لعملية الامتصاص وعرضها في قسم تحليل الحساسية.
لدراسة تأثير تباعد الملفات على انتقال الحرارة في مفاعل MH، تم دراسة ثلاثة تكوينات لمبادلات حرارية ذات درجات مختلفة.تم تحديد الدرجات الثلاثة المختلفة البالغة 15 مم و12.86 مم و10 مم للجسم 1 والجسم 2 والجسم 3 على التوالي.تجدر الإشارة إلى أنه تم تثبيت قطر الأنبوب عند 6 مم عند درجة حرارة أولية 573 كلفن وضغط تحميل 1.8 ميجا باسكال في جميع الحالات.على الشكل.يوضح الشكل 4 متوسط درجة حرارة السرير وتركيز الهيدروجين في طبقة MH أثناء عملية امتصاص الهيدروجين في الحالات من 1 إلى 3. عادةً، يكون التفاعل بين هيدريد المعدن والهيدروجين طاردًا للحرارة لعملية الامتصاص.لذلك، ترتفع درجة حرارة الطبقة بسرعة بسبب اللحظة الأولية التي يتم فيها إدخال الهيدروجين لأول مرة في المفاعل.ترتفع درجة حرارة السرير حتى تصل إلى قيمة قصوى ثم تنخفض تدريجيًا حيث يتم نقل الحرارة بعيدًا بواسطة المبرد، الذي لديه درجة حرارة أقل ويعمل كمبرد.كما يظهر في الشكل.في الشكل 4 أ، بسبب الشرح السابق، ترتفع درجة حرارة الطبقة بسرعة وتنخفض بشكل مستمر.عادةً ما يعتمد تركيز الهيدروجين لعملية الامتصاص على درجة حرارة قاعدة مفاعل MH.عندما تنخفض درجة حرارة الطبقة المتوسطة إلى درجة حرارة معينة، يمتص سطح المعدن الهيدروجين.ويرجع ذلك إلى تسريع عمليات الامتصاص الفيزيائي والامتصاص الكيميائي وانتشار الهيدروجين وتكوين هيدريداته في المفاعل.من الشكل.في الشكل 4 ب، يمكن ملاحظة أن معدل امتصاص الهيدروجين في الحالة 3 أقل منه في الحالات الأخرى بسبب قيمة الخطوة الأصغر للمبادل الحراري للملف.يؤدي هذا إلى طول إجمالي أطول للأنبوب ومساحة أكبر لنقل الحرارة لأنابيب HTF.مع متوسط تركيز هيدروجين يبلغ 90%، يكون زمن الامتصاص للحالة 1 هو 46,276 ثانية.بالمقارنة مع مدة الامتصاص في الحالة 1، تم تقليل مدة الامتصاص في الحالتين 2 و3 بمقدار 724 ثانية و1263 ثانية، على التوالي.يعرض القسم التكميلي ملامح درجة الحرارة وتركيز الهيدروجين لمواقع مختارة في طبقة HCHE-MH.
تأثير المسافة بين الملفات على متوسط درجة حرارة الطبقة وتركيز الهيدروجين.(أ) متوسط درجة حرارة السرير للملفات الحلزونية، (ب) تركيز الهيدروجين للملفات الحلزونية، (ج) متوسط درجة حرارة السرير للملفات نصف الأسطوانية، و (د) تركيز الهيدروجين للملفات نصف الأسطوانية.
لتحسين خصائص نقل الحرارة لمفاعل MG، تم تصميم اثنين من مركبات الكربون الهيدروفلورية لحجم ثابت من MG (2000 سم 3) ومبادل حراري حلزوني (100 سم 3) من الخيار 3. ويأخذ هذا القسم أيضًا في الاعتبار تأثير المسافة بين المفاعل MG. ملفات 15 ملم للعلبة 4، 12.86 ملم للعلبة 5 و10 ملم للعلبة 6. في الشكل.يُظهر الشكل 4 ج، د متوسط درجة حرارة السرير وتركيز عملية امتصاص الهيدروجين عند درجة حرارة أولية تبلغ 573 كلفن وضغط تحميل يبلغ 1.8 ميجا باسكال.وفقًا لمتوسط درجة حرارة الطبقة في الشكل 4ج، فإن المسافة الأصغر بين الملفات في الحالة 6 تقلل درجة الحرارة بشكل ملحوظ مقارنة بالحالتين الأخريين.بالنسبة للحالة 6، تؤدي درجة حرارة الطبقة المنخفضة إلى تركيز أعلى للهيدروجين (انظر الشكل 4 د).ويبلغ زمن امتصاص الهيدروجين في البديل 4 19542 ثانية، وهو أقل مرتين من البديل 1-3 الذي يستخدم سداسي كلور حلقي الهكسان.بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع الحالة 4، تم أيضًا تقليل وقت الامتصاص بمقدار 378 ثانية و1515 ثانية في الحالتين 5 و6 مع مسافات أقل.يعرض القسم التكميلي ملامح درجة الحرارة وتركيز الهيدروجين لمواقع مختارة في طبقة SCHE-MH.
لدراسة أداء تكوينين للمبادل الحراري، يرسم هذا القسم ويعرض منحنيات درجة الحرارة في ثلاثة مواقع مختارة.تم اختيار مفاعل MH مع HCHE من الحالة 3 للمقارنة مع مفاعل MH الذي يحتوي على SCHE في الحالة 4 لأنه يحتوي على حجم MH ثابت وحجم أنبوب.كانت ظروف التشغيل لهذه المقارنة هي درجة حرارة أولية قدرها 573 كلفن وضغط تحميل قدره 1.8 ميجا باسكال.على الشكل.يُظهر الشكلان 5 أ و5 ب المواضع الثلاثة المحددة لملفات تعريف درجة الحرارة في الحالتين 3 و4 على التوالي.على الشكل.يُظهر الشكل 5 ج ملف تعريف درجة الحرارة وتركيز الطبقة بعد 20000 ثانية من امتصاص الهيدروجين.وفقًا للخط 1 في الشكل 5ج، تنخفض درجة الحرارة حول TTF من الخيارين 3 و4 بسبب انتقال الحرارة بالحمل الحراري لسائل التبريد.وهذا يؤدي إلى تركيز أعلى للهيدروجين حول هذه المنطقة.ومع ذلك، فإن استخدام اثنين من SCHEs يؤدي إلى تركيز طبقة أعلى.تم العثور على استجابات حركية أسرع حول منطقة HTF في الحالة 4. بالإضافة إلى ذلك، تم العثور أيضًا على تركيز أقصى قدره 100% في هذه المنطقة.من الخط 2 الموجود في منتصف المفاعل تكون درجة حرارة الحالة 4 أقل بكثير من درجة حرارة الحالة 3 في جميع الأماكن ما عدا مركز المفاعل.ينتج عن هذا الحد الأقصى لتركيز الهيدروجين للحالة 4 باستثناء المنطقة القريبة من مركز المفاعل بعيدًا عن HTF.ومع ذلك، فإن تركيز الحالة 3 لم يتغير كثيرا.ولوحظ اختلاف كبير في درجة الحرارة وتركيز الطبقة في الخط 3 بالقرب من مدخل GTS.انخفضت درجة حرارة الطبقة في الحالة 4 بشكل ملحوظ، مما أدى إلى أعلى تركيز للهيدروجين في هذه المنطقة، بينما ظل خط التركيز في الحالة 3 متقلبا.ويرجع ذلك إلى تسارع نقل الحرارة SCHE.يتم توفير تفاصيل ومناقشة مقارنة متوسط درجة حرارة طبقة MH وأنبوب HTF بين الحالة 3 والحالة 4 في القسم التكميلي.
ملف درجة الحرارة وتركيز السرير في مواقع مختارة في مفاعل هيدريد المعدن.(أ) مواقع مختارة للحالة 3، (ب) مواقع مختارة للحالة 4، و (ج) ملف درجة الحرارة وتركيز الطبقة في مواقع مختارة بعد 20000 ثانية لعملية امتصاص الهيدروجين في الحالتين 3 و4.
على الشكل.ويبين الشكل 6 مقارنة متوسط درجة حرارة السرير (انظر الشكل 6 أ) وتركيز الهيدروجين (انظر الشكل 6 ب) لامتصاص سداسي كلورو حلقي الهكسان (HCH) وSHE.يتبين من هذا الشكل أن درجة حرارة طبقة MG تنخفض بشكل ملحوظ بسبب زيادة مساحة التبادل الحراري.تؤدي إزالة المزيد من الحرارة من المفاعل إلى زيادة معدل امتصاص الهيدروجين.على الرغم من أن تكوينات المبادلين الحراريين لهما نفس الأحجام مقارنة باستخدام HCHE كخيار 3، فقد تم تقليل وقت امتصاص الهيدروجين الخاص بـ SCHE استنادًا إلى الخيار 4 بشكل ملحوظ بنسبة 59%.للحصول على تحليل أكثر تفصيلاً، يتم عرض تركيزات الهيدروجين لتكوينات المبادلات الحرارية على شكل خطوط عازلة في الشكل 7. يوضح هذا الشكل أنه في كلتا الحالتين، يبدأ امتصاص الهيدروجين من الأسفل حول مدخل HTF.تم العثور على تركيزات أعلى في منطقة HTF، بينما لوحظت تركيزات أقل في مركز مفاعل MH بسبب بعده عن المبادل الحراري.بعد 10000 ثانية، يكون تركيز الهيدروجين في الحالة 4 أعلى بكثير منه في الحالة 3. وبعد 20000 ثانية، ارتفع متوسط تركيز الهيدروجين في المفاعل إلى 90% في الحالة 4 مقارنة بـ 50% هيدروجين في الحالة 3. وقد يكون ذلك بسبب إلى قدرة التبريد الفعالة الأعلى من خلال الجمع بين اثنين من SCHEs، مما يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة داخل طبقة MH.ونتيجة لذلك، يقع ضغط أكثر توازنًا داخل طبقة MG، مما يؤدي إلى امتصاص الهيدروجين بشكل أسرع.
الحالة 3 والحالة 4 مقارنة متوسط درجة حرارة السرير وتركيز الهيدروجين بين تكوينين للمبادل الحراري.
مقارنة تركيز الهيدروجين بعد 500 و 2000 و 5000 و 10000 و 20000 ثانية بعد بدء عملية امتصاص الهيدروجين في الحالة 3 والحالة 4.
يلخص الجدول 5 مدة امتصاص الهيدروجين لجميع الحالات.بالإضافة إلى ذلك، يوضح الجدول أيضًا زمن امتصاص الهيدروجين، معبرًا عنه بالنسبة المئوية.يتم حساب هذه النسبة المئوية بناءً على وقت الامتصاص للحالة 1. من هذا الجدول، يبلغ وقت الامتصاص لمفاعل MH باستخدام HCHE حوالي 45000 إلى 46000 ثانية، ووقت الامتصاص بما في ذلك SCHE حوالي 18000 إلى 19000 ثانية.بالمقارنة مع الحالة 1، تم تقليل وقت الامتصاص في الحالة 2 والحالة 3 بنسبة 1.6% و2.7% فقط على التوالي.عند استخدام SCHE بدلاً من HCHE، تم تقليل وقت الامتصاص بشكل ملحوظ من الحالة 4 إلى الحالة 6، من 58% إلى 61%.ومن الواضح أن إضافة SCHE إلى مفاعل MH يحسن بشكل كبير عملية امتصاص الهيدروجين وأداء مفاعل MH.وعلى الرغم من أن تركيب مبادل حراري داخل مفاعل MH يقلل من سعة التخزين، إلا أن هذه التقنية توفر تحسنا كبيرا في نقل الحرارة مقارنة بالتقنيات الأخرى.أيضًا، سيؤدي تقليل قيمة درجة الصوت إلى زيادة حجم SCHE، مما يؤدي إلى انخفاض حجم MH.في الحالة 6 ذات أعلى حجم SCHE، تم تقليل السعة الحجمية لـ MH بنسبة 5٪ فقط مقارنة بالحالة 1 ذات أقل حجم HCHE.بالإضافة إلى ذلك، أثناء الامتصاص، أظهرت الحالة 6 أداء أسرع وأفضل مع انخفاض بنسبة 61% في وقت الامتصاص.ولذلك تم اختيار الحالة 6 لمزيد من التحقيق في تحليل الحساسية.تجدر الإشارة إلى أن وقت امتصاص الهيدروجين الطويل يرتبط بخزان يحتوي على حجم MH يبلغ حوالي 2000 سم 3.
تعد معلمات التشغيل أثناء التفاعل من العوامل المهمة التي تؤثر بشكل إيجابي أو سلبي على أداء مفاعل MH في ظل الظروف الحقيقية.تتناول هذه الدراسة تحليل الحساسية لتحديد معلمات التشغيل الأولية المناسبة لمفاعل MH بالاشتراك مع SCHE، ويبحث هذا القسم في معلمات التشغيل الأربعة الرئيسية بناءً على التكوين الأمثل للمفاعل في الحالة 6. وتظهر النتائج لجميع ظروف التشغيل في الشكل 8.
رسم بياني لتركيز الهيدروجين في ظل ظروف التشغيل المختلفة عند استخدام مبادل حراري بملف شبه أسطواني.(أ) ضغط التحميل، (ب) درجة حرارة السرير الأولية، (ج) رقم رينولدز المبرد، و (د) درجة حرارة مدخل سائل التبريد.
بناءً على درجة حرارة أولية ثابتة تبلغ 573 كلفن ومعدل تدفق سائل التبريد برقم رينولدز 14000، تم اختيار أربعة ضغوط تحميل مختلفة: 1.2 ميجا باسكال، 1.8 ميجا باسكال، 2.4 ميجا باسكال، و3.0 ميجا باسكال.على الشكل.يوضح الشكل 8 أ تأثير ضغط التحميل وSCHE على تركيز الهيدروجين مع مرور الوقت.يتناقص وقت الامتصاص مع زيادة ضغط التحميل.يعد استخدام ضغط الهيدروجين المطبق بمقدار 1.2 ميجا باسكال هو الحالة الأسوأ لعملية امتصاص الهيدروجين، وتتجاوز مدة الامتصاص 26000 ثانية لتحقيق امتصاص الهيدروجين بنسبة 90٪.ومع ذلك، أدى ارتفاع ضغط التحميل إلى انخفاض بنسبة 32-42% في وقت الامتصاص من 1.8 إلى 3.0 ميجا باسكال.ويرجع ذلك إلى ارتفاع الضغط الأولي للهيدروجين، مما يؤدي إلى اختلاف أكبر بين ضغط التوازن والضغط المطبق.ولذلك، فإن هذا يخلق قوة دافعة كبيرة لحركية امتصاص الهيدروجين.في اللحظة الأولى، يتم امتصاص غاز الهيدروجين بسرعة بسبب الفرق الكبير بين ضغط التوازن والضغط المطبق.عند ضغط تحميل يبلغ 3.0 ميجاباسكال، تراكم 18% من الهيدروجين بسرعة خلال الثواني العشرة الأولى.تم تخزين الهيدروجين في 90% من المفاعلات في المرحلة النهائية لمدة 15460 ثانية.ومع ذلك، عند ضغط تحميل يتراوح من 1.2 إلى 1.8 ميجا باسكال، انخفض وقت الامتصاص بشكل ملحوظ بنسبة 32%.وكان للضغوط الأعلى الأخرى تأثير أقل على تحسين أوقات الامتصاص.ولذلك، فمن المستحسن أن يكون ضغط التحميل لمفاعل MH-SCHE 1.8 ميجاباسكال.يوضح القسم التكميلي ملامح تركيز الهيدروجين لضغوط التحميل المختلفة عند 15500 ثانية.
يعد اختيار درجة الحرارة الأولية المناسبة لمفاعل MH أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على عملية امتزاز الهيدروجين، حيث أنها تؤثر على القوة الدافعة لتفاعل تكوين الهيدريد.لدراسة تأثير SCHE على درجة الحرارة الأولية لمفاعل MH، تم اختيار أربع درجات حرارة مختلفة عند ضغط تحميل ثابت قدره 1.8 ميجا باسكال وعدد رينولدز 14000 HTF.على الشكل.ويبين الشكل 8ب مقارنة بين درجات حرارة البداية المختلفة، بما في ذلك 473 كلفن، و523 كلفن، و573 كلفن، و623 كلفن.في الواقع، عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 230 درجة مئوية أو 503K58، فإن سبيكة Mg2Ni لها خصائص فعالة لعملية امتصاص الهيدروجين.ومع ذلك، في اللحظة الأولى لحقن الهيدروجين، ترتفع درجة الحرارة بسرعة.ونتيجة لذلك، فإن درجة حرارة طبقة MG سوف تتجاوز 523 كلفن. لذلك، يتم تسهيل تكوين الهيدريدات بسبب زيادة معدل الامتصاص.من الشكل.يمكن أن نرى من الشكل 8 ب أن الهيدروجين يتم امتصاصه بشكل أسرع مع انخفاض درجة الحرارة الأولية لطبقة MB.تحدث ضغوط التوازن المنخفضة عندما تكون درجة الحرارة الأولية أقل.كلما زاد فرق الضغط بين ضغط التوازن والضغط المطبق، زادت سرعة عملية امتصاص الهيدروجين.عند درجة حرارة أولية تبلغ 473 كلفن، يتم امتصاص الهيدروجين بسرعة تصل إلى 27% خلال أول 18 ثانية.بالإضافة إلى ذلك، تم أيضًا تقليل وقت الامتصاص من 11% إلى 24% عند درجة حرارة أولية أقل مقارنة بدرجة الحرارة الأولية البالغة 623 كلفن. ووقت الامتصاص عند أدنى درجة حرارة أولية تبلغ 473 كلفن هو 15247 ثانية، وهو ما يشبه الأفضل وفي حالة ضغط التحميل، فإن الانخفاض في درجة حرارة المفاعل الأولية يؤدي إلى انخفاض في سعة تخزين الهيدروجين.يجب أن تكون درجة الحرارة الأولية لمفاعل MN 503 K53 على الأقل.بالإضافة إلى ذلك، عند درجة حرارة أولية تبلغ 573 كلفن، يمكن تحقيق سعة تخزين هيدروجين قصوى تبلغ 3.6% بالوزن.ومن حيث سعة تخزين الهيدروجين ومدة الامتصاص، فإن درجات الحرارة بين 523 و573 كلفن تقصر الوقت بنسبة 6% فقط.لذلك، يتم اقتراح درجة حرارة قدرها 573 كلفن لتكون درجة الحرارة الأولية لمفاعل MH-SCHE.ومع ذلك، فإن تأثير درجة الحرارة الأولية على عملية الامتصاص كان أقل أهمية مقارنة بضغط التحميل.يُظهر القسم التكميلي ملامح تركيز الهيدروجين لدرجات حرارة أولية مختلفة عند 15500 ثانية.
يعد معدل التدفق أحد المعالم الرئيسية للهدرجة ونزع الهيدروجين لأنه يمكن أن يؤثر على الاضطراب وإزالة الحرارة أو الإدخال أثناء الهدرجة ونزع الهيدروجين.ستؤدي معدلات التدفق المرتفعة إلى إنشاء مراحل مضطربة وتؤدي إلى تدفق أسرع للسوائل عبر أنابيب HTF.سيؤدي هذا التفاعل إلى نقل الحرارة بشكل أسرع.يتم حساب سرعات الدخول المختلفة لـ HTF بناءً على أرقام رينولدز 10000 و14000 و18000 و22000.تم تثبيت درجة الحرارة الأولية لطبقة MG عند 573 كلفن وضغط التحميل عند 1.8 ميجا باسكال.النتائج في الشكل.يوضح الشكل 8 ج أن استخدام رقم رينولدز الأعلى مع SCHE يؤدي إلى معدل امتصاص أعلى.ومع زيادة رقم رينولدز من 10.000 إلى 22.000، ينخفض زمن الامتصاص بحوالي 28-50%.زمن الامتصاص عند رقم رينولدز 22,000 هو 12,505 ثانية، وهو أقل من درجات حرارة وضغوط التحميل الأولية المختلفة.يتم عرض ملامح تركيز الهيدروجين لمختلف أرقام رينولدز لـ GTP عند 12500 ثانية في القسم التكميلي.
يتم تحليل تأثير SCHE على درجة الحرارة الأولية لـ HTF ويظهر في الشكل 8 د.عند درجة حرارة MG الأولية البالغة 573 كلفن وضغط تحميل الهيدروجين بمقدار 1.8 ميجا باسكال، تم اختيار أربع درجات حرارة أولية لهذا التحليل: 373 كلفن، 473 كلفن، 523 كلفن، و573 كلفن. يوضح الشكل 8 د أن انخفاضًا في درجة حرارة سائل التبريد عند المدخل يؤدي إلى تقليل وقت الامتصاص.بالمقارنة مع الحالة الأساسية مع درجة حرارة مدخل تبلغ 573 كلفن، تم تقليل وقت الامتصاص بحوالي 20% و44% و56% لدرجات حرارة مدخل تبلغ 523 كلفن و473 كلفن و373 كلفن على التوالي.عند 6917 ثانية، تبلغ درجة الحرارة الأولية لـ GTF 373 كلفن، ويبلغ تركيز الهيدروجين في المفاعل 90%.يمكن تفسير ذلك من خلال نقل الحرارة بالحمل المعزز بين طبقة MG وHCS.ستؤدي درجات الحرارة المنخفضة لـ HTF إلى زيادة تبديد الحرارة وتؤدي إلى زيادة امتصاص الهيدروجين.من بين جميع معلمات التشغيل، كان تحسين أداء مفاعل MH-SCHE عن طريق زيادة درجة حرارة مدخل HTF هو الطريقة الأكثر ملاءمة، حيث كان وقت نهاية عملية الامتصاص أقل من 7000 ثانية، في حين كان أقصر وقت امتصاص للطرق الأخرى أكثر من 10000 ق.يتم عرض ملامح تركيز الهيدروجين لدرجات حرارة أولية مختلفة لـ GTP لمدة 7000 ثانية.
تقدم هذه الدراسة لأول مرة مبادل حراري ملفوف شبه أسطواني جديد مدمج في وحدة تخزين هيدريد معدني.تم دراسة قدرة النظام المقترح على امتصاص الهيدروجين من خلال تكوينات مختلفة للمبادل الحراري.تم دراسة تأثير عوامل التشغيل على التبادل الحراري بين طبقة الهيدريد المعدني والمبرد من أجل إيجاد الظروف المثلى لتخزين الهيدريدات المعدنية باستخدام مبادل حراري جديد.وتتلخص النتائج الرئيسية لهذه الدراسة على النحو التالي:
مع المبادل الحراري ذو الملف شبه الأسطواني، تم تحسين أداء نقل الحرارة لأنه يحتوي على توزيع أكثر اتساقًا للحرارة في مفاعل طبقة المغنيسيوم، مما يؤدي إلى معدل امتصاص أفضل للهيدروجين.شريطة أن يظل حجم أنبوب التبادل الحراري وهيدريد المعدن دون تغيير، يتم تقليل وقت تفاعل الامتصاص بشكل كبير بنسبة 59% مقارنة بالمبادل الحراري ذو الملف الملفوف التقليدي.
وقت النشر: 15 يناير 2023