ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง หรือใช้ปุ่มแถบเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง
โลหะไฮไดรด์ (MH) ได้รับการยอมรับว่าเป็นหนึ่งในกลุ่มวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจน เนื่องจากมีความสามารถในการกักเก็บไฮโดรเจนขนาดใหญ่ แรงดันใช้งานต่ำ และมีความปลอดภัยสูงอย่างไรก็ตาม จลนพลศาสตร์การดูดซึมไฮโดรเจนที่ช้าของพวกมันทำให้ประสิทธิภาพการจัดเก็บลดลงอย่างมากการนำความร้อนออกจากที่เก็บ MH เร็วขึ้นอาจมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มอัตราการดูดซับไฮโดรเจน ส่งผลให้ประสิทธิภาพการจัดเก็บดีขึ้นการศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อปรับปรุงคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนเพื่อให้ส่งผลเชิงบวกต่ออัตราการดูดซับไฮโดรเจนของระบบกักเก็บ MHคอยล์กึ่งทรงกระบอกใหม่ได้รับการพัฒนาครั้งแรกและปรับให้เหมาะสมสำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจน และรวมเข้าไว้เป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายใน (HTF)ขึ้นอยู่กับขนาดพิทช์ที่แตกต่างกัน ผลกระทบของการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนใหม่จะถูกวิเคราะห์และเปรียบเทียบกับรูปทรงขดลวดแบบขดลวดทั่วไปนอกจากนี้ พารามิเตอร์การทำงานของหน่วยเก็บข้อมูล MG และ GTP ยังได้รับการศึกษาเชิงตัวเลขเพื่อให้ได้ค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการจำลองเชิงตัวเลข จะใช้ ANSYS Fluent 2020 R2ผลการศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพของถังเก็บ MH สามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญโดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์กึ่งทรงกระบอก (SCHE)เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์เกลียวทั่วไป ระยะเวลาการดูดซึมไฮโดรเจนจะลดลง 59%ระยะห่างที่น้อยที่สุดระหว่างคอยล์ SCHE ส่งผลให้เวลาการดูดซึมลดลง 61%ในส่วนของพารามิเตอร์การทำงานของการจัดเก็บ MG โดยใช้ SHE พารามิเตอร์ที่เลือกทั้งหมดนำไปสู่การปรับปรุงที่สำคัญในกระบวนการดูดซับไฮโดรเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุณหภูมิที่ทางเข้าไปยัง HTS
มีการเปลี่ยนแปลงทั่วโลกจากพลังงานที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลไปเป็นพลังงานหมุนเวียนเนื่องจากพลังงานหมุนเวียนหลายรูปแบบให้พลังงานในลักษณะไดนามิก การจัดเก็บพลังงานจึงมีความจำเป็นเพื่อสร้างสมดุลให้กับโหลดการจัดเก็บพลังงานจากไฮโดรเจนดึงดูดความสนใจเป็นอย่างมากสำหรับจุดประสงค์นี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากไฮโดรเจนสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงทดแทนและพลังงานทดแทน "สีเขียว" ได้ เนื่องจากมีคุณสมบัติและความสามารถในการเคลื่อนย้ายได้นอกจากนี้ ไฮโดรเจนยังให้ปริมาณพลังงานต่อหน่วยมวลที่สูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิล2การจัดเก็บพลังงานไฮโดรเจนมีสี่ประเภทหลัก: การจัดเก็บก๊าซอัด, การจัดเก็บใต้ดิน, การจัดเก็บของเหลว และการจัดเก็บของแข็งไฮโดรเจนอัดเป็นประเภทหลักที่ใช้ในยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิง เช่น รถโดยสารและรถยกอย่างไรก็ตาม การจัดเก็บนี้มีความหนาแน่นรวมของไฮโดรเจนต่ำ (ประมาณ 0.089 กก./ลบ.ม.) และมีปัญหาด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องกับแรงดันใช้งานสูง3ขึ้นอยู่กับกระบวนการแปลงที่อุณหภูมิและความดันแวดล้อมต่ำ การจัดเก็บของเหลวจะกักเก็บไฮโดรเจนในรูปของเหลวอย่างไรก็ตาม เมื่อกลายเป็นของเหลว พลังงานประมาณ 40% จะสูญเสียไปนอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังเป็นที่รู้กันว่าใช้พลังงานและแรงงานมากกว่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการจัดเก็บโซลิดสเตต4การจัดเก็บของแข็งเป็นทางเลือกที่เป็นไปได้สำหรับเศรษฐกิจไฮโดรเจน ซึ่งกักเก็บไฮโดรเจนโดยการรวมไฮโดรเจนเข้าไปในวัสดุแข็งผ่านการดูดซับ และปล่อยไฮโดรเจนผ่านการสลายเมทัลไฮไดรด์ (MH) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการจัดเก็บวัสดุแข็ง กำลังเป็นที่สนใจเมื่อเร็ว ๆ นี้ในการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากมีความจุไฮโดรเจนสูง แรงดันใช้งานต่ำ และต้นทุนต่ำเมื่อเทียบกับการจัดเก็บของเหลว และเหมาะสำหรับการใช้งานแบบอยู่กับที่และแบบเคลื่อนที่6,7 In นอกจากนี้ วัสดุ MH ยังให้คุณสมบัติด้านความปลอดภัย เช่น การจัดเก็บที่มีประสิทธิภาพของความจุขนาดใหญ่8อย่างไรก็ตาม มีปัญหาที่จำกัดความสามารถในการผลิตของ MG: ค่าการนำความร้อนต่ำของเครื่องปฏิกรณ์ MG จะทำให้การดูดซึมและการกำจัดไฮโดรเจนช้าลง
การถ่ายเทความร้อนที่เหมาะสมระหว่างปฏิกิริยาคายความร้อนและปฏิกิริยาดูดความร้อนเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ MHสำหรับกระบวนการโหลดไฮโดรเจน ความร้อนที่เกิดขึ้นจะต้องถูกกำจัดออกจากเครื่องปฏิกรณ์เพื่อควบคุมการไหลของการโหลดไฮโดรเจนในอัตราที่ต้องการด้วยความจุสูงสุดแต่จำเป็นต้องใช้ความร้อนเพื่อเพิ่มอัตราการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนระหว่างการปล่อยเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนและมวล นักวิจัยจำนวนมากได้ศึกษาการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพโดยพิจารณาจากปัจจัยหลายประการ เช่น พารามิเตอร์การทำงาน โครงสร้าง MG และการเพิ่มประสิทธิภาพ MG11การเพิ่มประสิทธิภาพ MG สามารถทำได้โดยการเติมวัสดุการนำความร้อนสูง เช่น โลหะโฟม ลงในชั้น MG 12,13ดังนั้นการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพจึงสามารถเพิ่มขึ้นจาก 0.1 เป็น 2 W/mK10อย่างไรก็ตาม การเติมวัสดุที่เป็นของแข็งจะช่วยลดกำลังของเครื่องปฏิกรณ์ MN ลงอย่างมากในส่วนของพารามิเตอร์การทำงาน การปรับปรุงสามารถทำได้โดยการปรับสภาพการทำงานเริ่มต้นของชั้น MG และสารหล่อเย็น (HTF) ให้เหมาะสมโครงสร้างของ MG สามารถปรับให้เหมาะสมได้เนื่องจากรูปทรงของเครื่องปฏิกรณ์และการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเกี่ยวกับการกำหนดค่าของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์ MH วิธีการสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทสิ่งเหล่านี้คือตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายในที่สร้างไว้ในชั้น MO และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอกที่ครอบคลุมชั้น MO เช่น ครีบ เสื้อระบายความร้อน และอ่างน้ำในส่วนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอก Kaplan16 ได้วิเคราะห์การทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ MH โดยใช้น้ำหล่อเย็นเป็นแจ็คเก็ตเพื่อลดอุณหภูมิภายในเครื่องปฏิกรณ์ผลลัพธ์ถูกเปรียบเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์แบบครีบกลม 22 เครื่อง และเครื่องปฏิกรณ์อีกเครื่องหนึ่งที่ทำให้เย็นลงโดยการพาความร้อนตามธรรมชาติพวกเขาระบุว่าการมีแจ็คเก็ตทำความเย็นจะช่วยลดอุณหภูมิของ MH ได้อย่างมาก ซึ่งจะเป็นการเพิ่มอัตราการดูดซับการศึกษาเชิงตัวเลขของเครื่องปฏิกรณ์ MH ที่หุ้มด้วยน้ำโดย Patil และ Gopal17 แสดงให้เห็นว่าแรงดันการจ่ายไฮโดรเจนและอุณหภูมิ HTF เป็นพารามิเตอร์สำคัญที่มีอิทธิพลต่ออัตราการดูดซับและการคายไฮโดรเจนของไฮโดรเจน
การเพิ่มพื้นที่การถ่ายเทความร้อนโดยการเพิ่มครีบและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ติดตั้งไว้ใน MH เป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนและมวล และด้วยเหตุนี้ประสิทธิภาพในการจัดเก็บของ MH18การกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายในหลายรูปแบบ (ท่อตรงและขดลวดเกลียว) ได้รับการออกแบบมาเพื่อหมุนเวียนสารหล่อเย็นในเครื่องปฏิกรณ์ MH19,20,21,22,23,24,25,26การใช้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายใน ของเหลวทำความเย็นหรือทำความร้อนจะถ่ายเทความร้อนภายในเครื่องปฏิกรณ์ MH ในระหว่างกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนRaju และ Kumar [27] ใช้ท่อตรงหลายท่อเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของ MGผลการวิจัยพบว่าเวลาในการดูดซับลดลงเมื่อใช้ท่อตรงเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนนอกจากนี้ การใช้ท่อตรงจะช่วยลดระยะเวลาการสลายไฮโดรเจน28อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นที่สูงขึ้นจะเพิ่มอัตราการชาร์จและการคายประจุไฮโดรเจน29อย่างไรก็ตาม การเพิ่มจำนวนท่อทำความเย็นมีผลเชิงบวกต่อประสิทธิภาพของ MH มากกว่าอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็น30,31Raju และคณะ 32 ใช้ LaMi4.7Al0.3 เป็นวัสดุ MH เพื่อศึกษาประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบหลายท่อในเครื่องปฏิกรณ์พวกเขารายงานว่าพารามิเตอร์การทำงานมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อกระบวนการดูดซับ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงดันป้อนและอัตราการไหลของ HTFอย่างไรก็ตาม อุณหภูมิการดูดซึมกลับกลายเป็นว่ามีความสำคัญน้อยลง
ประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ MH ได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยการใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์เกลียวเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนที่ดีขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับท่อแบบตรงเนื่องจากวงจรทุติยภูมิสามารถขจัดความร้อนออกจากเครื่องปฏิกรณ์ได้ดีกว่า25นอกจากนี้ ท่อเกลียวยังให้พื้นที่ผิวขนาดใหญ่สำหรับการถ่ายเทความร้อนจากชั้น MH ไปยังสารหล่อเย็นเมื่อนำวิธีนี้ไปใช้ภายในเครื่องปฏิกรณ์ การกระจายตัวของท่อแลกเปลี่ยนความร้อนก็จะมีความสม่ำเสมอมากขึ้นเช่นกัน33วังและคณะ34 ศึกษาผลของระยะเวลาการดูดซึมไฮโดรเจนโดยการเติมขดลวดขดลวดเข้ากับเครื่องปฏิกรณ์ MHผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าเมื่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของสารหล่อเย็นเพิ่มขึ้น ระยะเวลาการดูดซับจะลดลงวู และคณะ25 ตรวจสอบประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ MH ที่ใช้ Mg2Ni และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์ขดการศึกษาเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นว่าเวลาปฏิกิริยาลดลงการปรับปรุงกลไกการถ่ายเทความร้อนในเครื่องปฏิกรณ์ MN ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระยะพิทช์ของสกรูต่อระยะพิทช์ของสกรูที่น้อยลง และระยะพิทช์ของสกรูแบบไร้มิติการศึกษาทดลองโดย Mellouli และคณะ 21 โดยใช้ขดลวดขดเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายในแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิเริ่มต้นของ HTF มีผลอย่างมากต่อการปรับปรุงการดูดซึมไฮโดรเจนและเวลาในการกำจัดไฮโดรเจนมีการดำเนินการผสมผสานระหว่างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายในต่างๆ ในการศึกษาหลายชิ้นไอซาปูร์ และคณะ35 ศึกษาการกักเก็บไฮโดรเจนโดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์เกลียวพร้อมท่อส่งกลับส่วนกลางเพื่อปรับปรุงกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าท่อเกลียวและท่อส่งกลับตรงกลางช่วยปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนระหว่างสารหล่อเย็นและ MG อย่างมีนัยสำคัญระยะพิทช์ที่เล็กลงและเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้นของท่อเกลียวจะเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อนและมวลอาร์ดาไฮ และคณะ36 ใช้ท่อเกลียวแบนเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนภายในเครื่องปฏิกรณ์พวกเขารายงานว่าระยะเวลาการดูดซึมลดลงโดยการเพิ่มจำนวนระนาบท่อเกลียวที่แบนมีการดำเนินการผสมผสานระหว่างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายในต่างๆ ในการศึกษาหลายชิ้นดาอู และคณะ37 ปรับปรุงประสิทธิภาพของ MH โดยใช้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์และครีบผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าวิธีนี้ช่วยลดเวลาในการเติมไฮโดรเจนลงได้ 2 เท่าเมื่อเทียบกับกรณีที่ไม่มีครีบครีบวงแหวนถูกรวมเข้ากับท่อทำความเย็นและถูกติดตั้งไว้ในเครื่องปฏิกรณ์ MNผลการศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าวิธีการแบบผสมผสานนี้ให้การถ่ายเทความร้อนที่สม่ำเสมอมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์ MH ที่ไม่มีครีบอย่างไรก็ตาม การรวมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่แตกต่างกันจะส่งผลเสียต่อน้ำหนักและปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ MHWu และคณะ 18 เปรียบเทียบการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบต่างๆซึ่งรวมถึงท่อตรง ครีบ และขดเกลียวผู้เขียนรายงานว่าขดลวดแบบเกลียวช่วยปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนและมวลได้ดีที่สุดนอกจากนี้ เมื่อเทียบกับท่อตรง ท่อขด และท่อตรงที่รวมกับท่อขดแล้ว ขดลวดคู่มีผลดีกว่าในการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนการศึกษาโดย Sekhar และคณะเบอร์ 40 แสดงให้เห็นว่าการปรับปรุงการดูดซึมไฮโดรเจนที่คล้ายกันทำได้สำเร็จโดยใช้คอยล์เกลียวเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายในและแจ็คเก็ตระบายความร้อนภายนอกแบบครีบ
จากตัวอย่างที่กล่าวข้างต้น การใช้คอยล์เกลียวเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายในช่วยให้ความร้อนและการถ่ายเทมวลดีขึ้นกว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนอื่นๆ โดยเฉพาะท่อและครีบตรงการศึกษาครั้งนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาขดลวดเกลียวเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนเป็นครั้งแรกที่มีการพัฒนาคอยล์กึ่งทรงกระบอกใหม่โดยใช้คอยล์ขดลวดจัดเก็บ MH แบบธรรมดาการศึกษานี้คาดว่าจะปรับปรุงประสิทธิภาพการกักเก็บไฮโดรเจนโดยการพิจารณาการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนใหม่ที่มีโครงร่างโซนการถ่ายเทความร้อนที่ดีขึ้นจากปริมาตรคงที่ของเตียง MH และท่อ HTFประสิทธิภาพการจัดเก็บของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใหม่นี้ถูกนำไปเปรียบเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์เกลียวทั่วไปโดยพิจารณาจากพิตช์คอยล์ที่แตกต่างกันตามวรรณกรรมที่มีอยู่ สภาพการทำงานและระยะห่างของคอยล์เป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ MHเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนใหม่นี้ จึงได้มีการศึกษาผลกระทบของระยะห่างระหว่างคอยล์ต่อเวลาการดูดซึมไฮโดรเจนและปริมาตร MHนอกจากนี้ เพื่อให้เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างขดลวดครึ่งทรงกระบอกใหม่และสภาวะการทำงาน เป้าหมายรองของการศึกษานี้คือเพื่อศึกษาคุณลักษณะของเครื่องปฏิกรณ์ตามช่วงพารามิเตอร์การทำงานที่แตกต่างกัน และกำหนดค่าที่เหมาะสมสำหรับการทำงานแต่ละครั้ง โหมด.พารามิเตอร์.
ประสิทธิภาพของอุปกรณ์กักเก็บพลังงานไฮโดรเจนในการศึกษานี้ได้รับการตรวจสอบตามการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนสองแบบ (รวมถึงท่อเกลียวในกรณีที่ 1 ถึง 3 และท่อกึ่งทรงกระบอกในกรณีที่ 4 ถึง 6) และการวิเคราะห์ความไวของพารามิเตอร์การทำงานความสามารถในการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ MH ได้รับการทดสอบเป็นครั้งแรกโดยใช้ท่อเกลียวเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งท่อน้ำมันหล่อเย็นและถังปฏิกรณ์ MH ทำจากสแตนเลสควรสังเกตว่าขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ MG และเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ GTF นั้นคงที่ในทุกกรณี ในขณะที่ขนาดขั้นของ GTF แตกต่างกันไปในส่วนนี้จะวิเคราะห์ผลกระทบของขนาดพิทช์ของคอยล์ HTFความสูงและเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเครื่องปฏิกรณ์คือ 110 มม. และ 156 มม. ตามลำดับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อน้ำมันนำความร้อนตั้งไว้ที่ 6 มม.ดูส่วนเสริมสำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับแผนภาพวงจรเครื่องปฏิกรณ์ MH ที่มีท่อเกลียวและท่อกึ่งทรงกระบอกสองหลอด
บนรูป1a แสดงเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อเกลียว MH และขนาดของเครื่องปฏิกรณ์พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตทั้งหมดแสดงอยู่ในตาราง1. ปริมาตรรวมของเกลียวและปริมาตรของ ZG อยู่ที่ประมาณ 100 cm3 และ 2000 cm3 ตามลำดับจากเครื่องปฏิกรณ์ MH นี้ อากาศในรูปของ HTF จะถูกป้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ MH ที่มีรูพรุนจากด้านล่างผ่านท่อเกลียว และไฮโดรเจนถูกป้อนจากพื้นผิวด้านบนของเครื่องปฏิกรณ์
การศึกษาลักษณะเฉพาะของรูปทรงที่เลือกสำหรับเครื่องปฏิกรณ์โลหะไฮไดรด์a) ด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเกลียว b) ด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อกึ่งทรงกระบอก
ส่วนที่สองตรวจสอบการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ MH โดยใช้ท่อกึ่งทรงกระบอกเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนบนรูป1b แสดงเครื่องปฏิกรณ์ MN ที่มีท่อกึ่งทรงกระบอกสองท่อและขนาดของท่อเหล่านั้นตารางที่ 1 แสดงรายการพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตทั้งหมดของท่อกึ่งทรงกระบอกซึ่งคงที่ ยกเว้นระยะห่างระหว่างท่อเหล่านั้นควรสังเกตว่าท่อกึ่งทรงกระบอกในกรณีที่ 4 ได้รับการออกแบบให้มีปริมาตรคงที่ของท่อ HTF และโลหะผสม MH ในท่อขด (ตัวเลือกที่ 3)สำหรับรูปที่1b อากาศยังถูกส่งจากด้านล่างของท่อ HTF กึ่งทรงกระบอกสองท่อ และไฮโดรเจนถูกป้อนจากทิศทางตรงกันข้ามของเครื่องปฏิกรณ์ MH
เนื่องจากการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนใหม่ วัตถุประสงค์ของส่วนนี้คือเพื่อกำหนดค่าเริ่มต้นที่เหมาะสมสำหรับพารามิเตอร์การทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ MH ร่วมกับ SCHEในทุกกรณี อากาศถูกใช้เป็นสารหล่อเย็นเพื่อขจัดความร้อนออกจากเครื่องปฏิกรณ์ในบรรดาน้ำมันถ่ายเทความร้อน อากาศและน้ำมักถูกเลือกให้เป็นน้ำมันถ่ายเทความร้อนสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ MH เนื่องจากมีต้นทุนต่ำและมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำเนื่องจากโลหะผสมที่มีแมกนีเซียมเป็นส่วนประกอบหลักมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่สูง อากาศจึงถูกเลือกให้เป็นสารหล่อเย็นในการศึกษานี้นอกจากนี้ยังมีลักษณะการไหลที่ดีกว่าโลหะเหลวและเกลือหลอมเหลวอื่นๆ41ตารางที่ 2 แสดงคุณสมบัติของอากาศที่ 573 K สำหรับการวิเคราะห์ความไวในส่วนนี้ จะใช้เฉพาะการกำหนดค่าที่ดีที่สุดของตัวเลือกประสิทธิภาพของ MH-SCHE (ในกรณีที่ 4 ถึง 6) เท่านั้นการประมาณการในส่วนนี้ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การทำงานต่างๆ รวมถึงอุณหภูมิเริ่มต้นของเครื่องปฏิกรณ์ MH ความดันการโหลดไฮโดรเจน อุณหภูมิทางเข้า HTF และตัวเลขเรย์โนลด์สที่คำนวณโดยการเปลี่ยนอัตรา HTFตารางที่ 3 ประกอบด้วยพารามิเตอร์การทำงานทั้งหมดที่ใช้สำหรับการวิเคราะห์ความไว
ในส่วนนี้จะอธิบายสมการควบคุมที่จำเป็นทั้งหมดสำหรับกระบวนการดูดซับไฮโดรเจน ความปั่นป่วน และการถ่ายเทความร้อนของสารหล่อเย็น
เพื่อให้การแก้ปัญหาของปฏิกิริยาการดูดซึมไฮโดรเจนง่ายขึ้น จึงมีการจัดทำและจัดเตรียมสมมติฐานต่อไปนี้
ในระหว่างการดูดซึม คุณสมบัติทางอุณหฟิสิกส์ของไฮโดรเจนและโลหะไฮไดรด์จะคงที่
ไฮโดรเจนถือเป็นก๊าซในอุดมคติ ดังนั้นจึงคำนึงถึงสภาวะสมดุลความร้อนในท้องถิ่น43,44ด้วย
โดยที่ \({L__{gas}\) คือรัศมีของถัง และ \({L__{heat}\) คือความสูงตามแนวแกนของถังเมื่อ N น้อยกว่า 0.0146 การไหลของไฮโดรเจนในถังสามารถละเว้นได้ในการจำลองโดยไม่มีข้อผิดพลาดที่สำคัญจากการวิจัยในปัจจุบัน N มีค่าต่ำกว่า 0.1 มากดังนั้นจึงสามารถละเลยเอฟเฟกต์การไล่ระดับความดันได้
ผนังเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการหุ้มฉนวนอย่างดีในทุกกรณีดังนั้นจึงไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน 47 ระหว่างเครื่องปฏิกรณ์และสิ่งแวดล้อม
เป็นที่ทราบกันดีว่าโลหะผสมที่มี Mg เป็นหลักมีคุณสมบัติไฮโดรจิเนชันที่ดี และมีความสามารถในการกักเก็บไฮโดรเจนสูงถึง 7.6 wt%8ในแง่ของการใช้งานการจัดเก็บไฮโดรเจนในสถานะของแข็ง โลหะผสมเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าวัสดุน้ำหนักเบานอกจากนี้ยังมีความต้านทานความร้อนที่ดีเยี่ยมและความสามารถในการแปรรูปที่ดี8ในบรรดาโลหะผสมที่มี Mg หลายชนิด โลหะผสม MgNi ที่มี Mg2Ni เป็นหนึ่งในตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการจัดเก็บ MH เนื่องจากมีความสามารถในการกักเก็บไฮโดรเจนสูงถึง 6% โดยน้ำหนักโลหะผสม Mg2Ni ยังให้จลนศาสตร์การดูดซับและการกำจัดเร็วขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสม MgH48ดังนั้น Mg2Ni จึงถูกเลือกให้เป็นวัสดุโลหะไฮไดรด์ในการศึกษานี้
สมการพลังงานแสดงเป็น 25 ตามสมดุลความร้อนระหว่างไฮโดรเจนและ Mg2Ni ไฮไดรด์:
X คือปริมาณไฮโดรเจนที่ดูดซับบนพื้นผิวโลหะ มีหน่วยเป็น \(น้ำหนัก\%\) โดยคำนวณจากสมการจลน์ \(\frac{dX}{dt}\) ระหว่างการดูดกลืนแสง ดังนี้49:
โดยที่ \({C_{a}\) คืออัตราการเกิดปฏิกิริยา และ \({E_{a}\) คือพลังงานกระตุ้น\({P__{a,eq}\) คือความดันสมดุลภายในเครื่องปฏิกรณ์โลหะไฮไดรด์ในระหว่างกระบวนการดูดซับ ซึ่งกำหนดโดยสมการแวนต์ ฮอฟฟ์ ดังนี้25:
โดยที่ \({P__{ref}\) คือความดันอ้างอิง 0.1 MPa\(\Delta H\) และ \(\Delta S\) คือเอนทัลปีและเอนโทรปีของปฏิกิริยา ตามลำดับคุณสมบัติของโลหะผสม Mg2Ni และไฮโดรเจนแสดงไว้ในตาราง 14. รายชื่อสามารถดูได้ในส่วนเสริม
การไหลของของไหลถือว่าปั่นป่วนเนื่องจากความเร็วและเลขเรย์โนลด์ส (Re) เท่ากับ 78.75 ms-1 และ 14000 ตามลำดับในการศึกษานี้ ได้เลือกแบบจำลองความปั่นป่วน k-ε ที่ทำได้สังเกตว่าวิธีนี้ให้ความแม่นยำที่สูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับวิธี k-ε อื่นๆ และยังต้องใช้เวลาในการคำนวณน้อยกว่าวิธี RNG k-ε50,51ดูส่วนเสริมสำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับสมการพื้นฐานสำหรับของไหลถ่ายเทความร้อน
ในตอนแรก ระบบการควบคุมอุณหภูมิในเครื่องปฏิกรณ์ MN มีความสม่ำเสมอ และความเข้มข้นของไฮโดรเจนเฉลี่ยอยู่ที่ 0.043สันนิษฐานว่าขอบเขตด้านนอกของเครื่องปฏิกรณ์ MH มีฉนวนอย่างดีโดยทั่วไปแล้วโลหะผสมที่มีแมกนีเซียมจะต้องมีอุณหภูมิในการทำปฏิกิริยาสูงเพื่อกักเก็บและปล่อยไฮโดรเจนในเครื่องปฏิกรณ์โลหะผสม Mg2Ni ต้องการช่วงอุณหภูมิ 523–603 K เพื่อการดูดซับสูงสุด และช่วงอุณหภูมิ 573–603 K สำหรับการขจัดการดูดซึมโดยสมบูรณ์52อย่างไรก็ตาม การศึกษาเชิงทดลองโดย Muthukumar และคณะ 53 แสดงให้เห็นว่าความจุสูงสุดของ Mg2Ni สำหรับการเก็บไฮโดรเจนสามารถทำได้ที่อุณหภูมิการทำงาน 573 K ซึ่งสอดคล้องกับความจุทางทฤษฎีดังนั้นจึงเลือกอุณหภูมิ 573 K เป็นอุณหภูมิเริ่มต้นของเครื่องปฏิกรณ์ MN ในการศึกษานี้
สร้างขนาดกริดที่แตกต่างกันเพื่อการตรวจสอบและผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้บนรูป2 แสดงอุณหภูมิเฉลี่ย ณ ตำแหน่งที่เลือกในกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนจากองค์ประกอบที่ต่างกันสี่องค์ประกอบเป็นที่น่าสังเกตว่ามีการเลือกเพียงกรณีเดียวของแต่ละการกำหนดค่าเพื่อทดสอบความเป็นอิสระของกริดเนื่องจากรูปทรงที่คล้ายคลึงกันในกรณีอื่นๆ จะใช้วิธี meshing แบบเดียวกันดังนั้นให้เลือกตัวเลือก 1 สำหรับท่อเกลียวและตัวเลือก 4 สำหรับท่อกึ่งทรงกระบอกบนรูป2a, b แสดงอุณหภูมิเฉลี่ยในเครื่องปฏิกรณ์สำหรับตัวเลือก 1 และ 4 ตามลำดับตำแหน่งที่เลือกสามตำแหน่งแสดงถึงโครงร่างอุณหภูมิเตียงที่ด้านบน ตรงกลาง และด้านล่างของเครื่องปฏิกรณ์ขึ้นอยู่กับรูปร่างของอุณหภูมิในตำแหน่งที่เลือก อุณหภูมิเฉลี่ยจะคงที่และแสดงการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในองค์ประกอบหมายเลข 428,891 และ 430,599 สำหรับกรณีที่ 1 และ 4 ตามลำดับดังนั้นขนาดตารางเหล่านี้จึงถูกเลือกเพื่อการคำนวณเพิ่มเติมข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับอุณหภูมิเตียงเฉลี่ยสำหรับกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนสำหรับเซลล์ขนาดต่างๆ และตาข่ายที่ผ่านการกลั่นอย่างต่อเนื่องสำหรับทั้งสองกรณีมีให้ไว้ในส่วนเสริม
อุณหภูมิเตียงเฉลี่ยที่จุดที่เลือกในกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนในเครื่องปฏิกรณ์โลหะไฮไดรด์ที่มีหมายเลขกริดต่างกัน(ก) อุณหภูมิเฉลี่ย ณ ตำแหน่งที่เลือก กรณีที่ 1 และ (ข) อุณหภูมิเฉลี่ย ณ ตำแหน่งที่เลือก กรณีที่ 4
เครื่องปฏิกรณ์โลหะไฮไดรด์ที่มี Mg ในการศึกษานี้ได้รับการทดสอบตามผลการทดลองของ Muthukumar และคณะ 53ในการศึกษาของพวกเขา พวกเขาใช้โลหะผสม Mg2Ni เพื่อกักเก็บไฮโดรเจนในท่อสแตนเลสครีบทองแดงใช้เพื่อปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนภายในเครื่องปฏิกรณ์บนรูป3a แสดงการเปรียบเทียบอุณหภูมิเฉลี่ยของเตียงกระบวนการดูดซับระหว่างการศึกษาเชิงทดลองกับการศึกษานี้สภาวะการทำงานที่เลือกสำหรับการทดลองนี้คือ: อุณหภูมิเริ่มต้น MG 573 K และความดันขาเข้า 2 MPaจากรูปที่3a สามารถแสดงให้เห็นได้อย่างชัดเจนว่าผลการทดลองนี้สอดคล้องกับผลการทดลองในปัจจุบันโดยคำนึงถึงอุณหภูมิชั้นเฉลี่ย
การตรวจสอบโมเดล(a) การตรวจสอบรหัสของเครื่องปฏิกรณ์โลหะไฮไดรด์ Mg2Ni โดยการเปรียบเทียบการศึกษาปัจจุบันกับงานทดลองของ Muthukumar และคณะ 52 และ (b) การตรวจสอบแบบจำลองการไหลแบบปั่นป่วนของท่อเกลียวโดยการเปรียบเทียบการศึกษาในปัจจุบันกับของ Kumar และคณะ .การวิจัย.54.
เพื่อทดสอบแบบจำลองความปั่นป่วน ผลลัพธ์ของการศึกษานี้ถูกนำไปเปรียบเทียบกับผลการทดลองของ Kumar และคณะ เพื่อยืนยันความถูกต้องของแบบจำลองความปั่นป่วนที่เลือกKumar และคณะ 54 ศึกษาการไหลเชี่ยวในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเกลียวแบบท่อในท่อน้ำถูกใช้เป็นของเหลวร้อนและเย็นที่ฉีดจากฝั่งตรงข้ามอุณหภูมิของของเหลวร้อนและเย็นคือ 323 K และ 300 K ตามลำดับตัวเลข Reynolds มีตั้งแต่ 3100 ถึง 5700 สำหรับของเหลวร้อน และตั้งแต่ 21,000 ถึง 35,000 สำหรับของเหลวเย็นตัวเลขคณบดีคือ 550-1,000 สำหรับของเหลวร้อน และ 3,600-6,000 สำหรับของเหลวเย็นเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อด้านใน (สำหรับของเหลวร้อน) และท่อด้านนอก (สำหรับของเหลวเย็น) คือ 0.0254 ม. และ 0.0508 ม. ตามลำดับเส้นผ่านศูนย์กลางและระยะพิทช์ของขดลวดขดลวดคือ 0.762 ม. และ 0.100 ม. ตามลำดับบนรูป3b แสดงการเปรียบเทียบผลการทดลองและผลปัจจุบันสำหรับคู่ต่างๆ ของตัวเลข Nusselt และ Dean สำหรับสารหล่อเย็นในท่อด้านในมีการนำแบบจำลองความปั่นป่วนที่แตกต่างกันสามแบบมาใช้และเปรียบเทียบกับผลการทดลองดังแสดงในรูปในรูปที่ 3b ผลลัพธ์ของแบบจำลองความปั่นป่วน k-ε ที่ทำได้นั้นสอดคล้องกับข้อมูลการทดลองที่ดีดังนั้นจึงเลือกแบบจำลองนี้ในการศึกษานี้
การจำลองเชิงตัวเลขในการศึกษานี้ดำเนินการโดยใช้ ANSYS Fluent 2020 R2เขียนฟังก์ชันที่ผู้ใช้กำหนด (UDF) และใช้เป็นค่าอินพุตของสมการพลังงานเพื่อคำนวณจลนศาสตร์ของกระบวนการดูดซับวงจร PRESTO55 และวิธีการ PISO56 ใช้สำหรับการสื่อสารความเร็วแรงดันและการแก้ไขแรงดันเลือกฐานเซลล์ Greene-Gauss สำหรับการไล่ระดับสีแบบแปรผันสมการโมเมนตัมและพลังงานได้รับการแก้ไขโดยวิธีลมอันดับสองในส่วนของค่าสัมประสิทธิ์การผ่อนคลายต่ำ ส่วนประกอบของความดัน ความเร็ว และพลังงานจะถูกตั้งค่าไว้ที่ 0.5, 0.7 และ 0.7 ตามลำดับฟังก์ชันผนังมาตรฐานจะนำไปใช้กับ HTF ในแบบจำลองความปั่นป่วน
ในส่วนนี้นำเสนอผลลัพธ์ของการจำลองเชิงตัวเลขของการถ่ายเทความร้อนภายในที่ได้รับการปรับปรุงของเครื่องปฏิกรณ์ MH โดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์ขด (HCHE) และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์ขด (SCHE) ระหว่างการดูดซับไฮโดรเจนวิเคราะห์ผลของระยะ HTF ต่ออุณหภูมิของเบดเครื่องปฏิกรณ์และระยะเวลาของการดูดซับพารามิเตอร์การทำงานหลักของกระบวนการดูดซับได้รับการศึกษาและนำเสนอในส่วนการวิเคราะห์ความไว
เพื่อตรวจสอบผลกระทบของระยะห่างของคอยล์ต่อการถ่ายเทความร้อนในเครื่องปฏิกรณ์ MH ได้มีการตรวจสอบการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนสามแบบที่มีพิทช์ต่างกันระยะพิทช์ที่แตกต่างกันสามระดับคือ 15 มม., 12.86 มม. และ 10 มม. ถูกกำหนดให้เป็นตัวเครื่อง 1, ตัวเครื่อง 2 และตัวเครื่อง 3 ตามลำดับควรสังเกตว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อได้รับการแก้ไขที่ 6 มม. ที่อุณหภูมิเริ่มต้น 573 K และแรงดันโหลด 1.8 MPa ในทุกกรณีบนรูป4 แสดงอุณหภูมิเตียงเฉลี่ยและความเข้มข้นของไฮโดรเจนในชั้น MH ในระหว่างกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนในกรณีที่ 1 ถึง 3 โดยทั่วไปแล้ว ปฏิกิริยาระหว่างโลหะไฮไดรด์กับไฮโดรเจนจะคายความร้อนไปยังกระบวนการดูดซับดังนั้น อุณหภูมิของเบดจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากช่วงเริ่มต้นที่ไฮโดรเจนถูกป้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์เป็นครั้งแรกอุณหภูมิเตียงจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งถึงค่าสูงสุด จากนั้นค่อยๆ ลดลงเมื่อความร้อนถูกพาไปโดยสารหล่อเย็น ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าและทำหน้าที่เป็นสารหล่อเย็นดังแสดงในรูป4a เนื่องจากคำอธิบายก่อนหน้านี้ อุณหภูมิของชั้นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและลดลงอย่างต่อเนื่องความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับกระบวนการดูดซับมักจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเบดของเครื่องปฏิกรณ์ MHเมื่ออุณหภูมิชั้นเฉลี่ยลดลงถึงอุณหภูมิหนึ่ง พื้นผิวโลหะจะดูดซับไฮโดรเจนนี่เป็นเพราะความเร่งของกระบวนการดูดซับทางกายภาพ การดูดซับทางเคมี การแพร่กระจายของไฮโดรเจน และการก่อตัวของไฮไดรด์ในเครื่องปฏิกรณ์จากรูปที่4b จะเห็นได้ว่าอัตราการดูดซับไฮโดรเจนในกรณีที่ 3 ต่ำกว่าในกรณีอื่นๆ เนื่องจากค่าสเต็ปที่น้อยกว่าของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของคอยล์ส่งผลให้ความยาวท่อโดยรวมยาวขึ้นและพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่ใหญ่ขึ้นสำหรับท่อ HTFโดยมีความเข้มข้นของไฮโดรเจนเฉลี่ย 90% ระยะเวลาการดูดซึมของกรณีที่ 1 คือ 46,276 วินาทีเมื่อเปรียบเทียบกับระยะเวลาการดูดซึมในกรณีที่ 1 ระยะเวลาการดูดซึมในกรณีที่ 2 และ 3 ลดลง 724 วินาทีและ 1263 วินาที ตามลำดับส่วนเสริมจะแสดงรูปทรงอุณหภูมิและความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับตำแหน่งที่เลือกในชั้น HCHE-MH
อิทธิพลของระยะห่างระหว่างขดลวดต่ออุณหภูมิชั้นเฉลี่ยและความเข้มข้นของไฮโดรเจน(a) อุณหภูมิเบดเฉลี่ยสำหรับคอยล์เกลียว (b) ความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับคอยล์เกลียว (c) อุณหภูมิเบดเฉลี่ยสำหรับคอยล์ครึ่งทรงกระบอก และ (d) ความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับคอยล์ครึ่งทรงกระบอก
เพื่อปรับปรุงคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์ MG นั้น HFC สองตัวได้รับการออกแบบสำหรับปริมาตรคงที่ของ MG (2000 cm3) และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเกลียว (100 cm3) ของตัวเลือก 3 นอกจากนี้ในส่วนนี้จะพิจารณาผลกระทบของระยะห่างระหว่าง คอยล์ 15 มม. สำหรับเคส 4, 12.86 มม. สำหรับเคส 5 และ 10 มม. สำหรับเคส 6 ในรูป4c,d แสดงอุณหภูมิเตียงเฉลี่ยและความเข้มข้นของกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนที่อุณหภูมิเริ่มต้นที่ 573 K และความดันในการโหลด 1.8 MPaตามอุณหภูมิชั้นเฉลี่ยในรูปที่ 4c ระยะห่างที่น้อยกว่าระหว่างขดลวดในกรณีที่ 6 จะช่วยลดอุณหภูมิลงอย่างมากเมื่อเทียบกับอีกสองกรณีสำหรับกรณีที่ 6 อุณหภูมิเตียงที่ต่ำลงส่งผลให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนสูงขึ้น (ดูรูปที่ 4d)เวลาการดูดซึมไฮโดรเจนสำหรับตัวแปร 4 คือ 19542 วินาที ซึ่งน้อยกว่า 2 เท่าของตัวแปร 1-3 ที่ใช้ HCHนอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีที่ 4 เวลาดูดซับก็ลดลง 378 วินาทีและ 1515 วินาทีในกรณีที่ 5 และ 6 ที่มีระยะทางต่ำกว่าส่วนเสริมจะแสดงรูปทรงอุณหภูมิและความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับตำแหน่งที่เลือกในชั้น SCHE-MH
เพื่อศึกษาประสิทธิภาพของการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนสองแบบ ส่วนนี้จะพล็อตและนำเสนอเส้นโค้งอุณหภูมิ ณ ตำแหน่งที่เลือกสามตำแหน่งเลือกเครื่องปฏิกรณ์ MH ที่มี HCHE จากกรณีที่ 3 เพื่อเปรียบเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์ MH ที่มี SCHE ในกรณีที่ 4 เนื่องจากมีปริมาตร MH และปริมาตรท่อคงที่สภาวะการทำงานสำหรับการเปรียบเทียบนี้คืออุณหภูมิเริ่มต้นที่ 573 K และแรงดันในการโหลด 1.8 MPaบนรูป5a และ 5b แสดงตำแหน่งที่เลือกทั้งสามตำแหน่งของโปรไฟล์อุณหภูมิในกรณีที่ 3 และ 4 ตามลำดับบนรูป5c แสดงโปรไฟล์อุณหภูมิและความเข้มข้นของชั้นหลังจากการดูดซับไฮโดรเจนเป็นเวลา 20,000 วินาทีตามบรรทัดที่ 1 ในรูปที่ 5c อุณหภูมิรอบๆ TTF จากตัวเลือก 3 และ 4 ลดลงเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนของสารหล่อเย็นส่งผลให้ไฮโดรเจนมีความเข้มข้นสูงขึ้นบริเวณนี้อย่างไรก็ตาม การใช้ SCHE สองรายการส่งผลให้มีความเข้มข้นของชั้นที่สูงขึ้นพบการตอบสนองทางจลน์ที่เร็วขึ้นทั่วบริเวณ HTF ในกรณีที่ 4 นอกจากนี้ ยังพบความเข้มข้นสูงสุด 100% ในภูมิภาคนี้ด้วยจากเส้นที่ 2 ที่อยู่ตรงกลางของเครื่องปฏิกรณ์ อุณหภูมิของกรณีที่ 4 จะต่ำกว่าอุณหภูมิของกรณีที่ 3 อย่างมากในทุกสถานที่ ยกเว้นศูนย์กลางของเครื่องปฏิกรณ์ซึ่งส่งผลให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนสูงสุดสำหรับกรณีที่ 4 ยกเว้นบริเวณใกล้ศูนย์กลางของเครื่องปฏิกรณ์ที่อยู่ห่างจาก HTFอย่างไรก็ตามความเข้มข้นของกรณีที่ 3 ไม่ได้เปลี่ยนแปลงมากนักสังเกตความแตกต่างอย่างมากของอุณหภูมิและความเข้มข้นของชั้นในบรรทัดที่ 3 ใกล้กับทางเข้า GTSอุณหภูมิของชั้นในกรณีที่ 4 ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนสูงที่สุดในภูมิภาคนี้ ในขณะที่เส้นความเข้มข้นในกรณีที่ 3 ยังคงผันผวนนี่เป็นเพราะความเร่งของการถ่ายเทความร้อน SCHEรายละเอียดและการอภิปรายการเปรียบเทียบอุณหภูมิเฉลี่ยของชั้น MH และท่อ HTF ระหว่างกรณีที่ 3 และกรณีที่ 4 มีให้ไว้ในส่วนเสริม
โปรไฟล์อุณหภูมิและความเข้มข้นของเบด ณ ตำแหน่งที่เลือกในเครื่องปฏิกรณ์เมทัลไฮไดรด์(a) ตำแหน่งที่เลือกสำหรับกรณีที่ 3 (b) ตำแหน่งที่เลือกสำหรับกรณีที่ 4 และ (c) โปรไฟล์อุณหภูมิและความเข้มข้นของชั้นในตำแหน่งที่เลือกหลังจาก 20,000 วินาที สำหรับกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนในกรณีที่ 3 และ 4
บนรูปรูปที่ 6 แสดงการเปรียบเทียบอุณหภูมิเตียงเฉลี่ย (ดูรูปที่ 6a) และความเข้มข้นของไฮโดรเจน (ดูรูปที่ 6b) สำหรับการดูดซับ HCH และ SHEจากรูปนี้จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิของชั้น MG ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนการนำความร้อนออกจากเครื่องปฏิกรณ์มากขึ้นส่งผลให้อัตราการดูดซับไฮโดรเจนสูงขึ้นแม้ว่าการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งสองจะมีปริมาตรเท่ากันเมื่อเทียบกับการใช้ HCHE เป็นตัวเลือกที่ 3 แต่เวลาการดูดซึมไฮโดรเจนของ SCHE ตามตัวเลือก 4 ลดลงอย่างมากถึง 59%สำหรับการวิเคราะห์โดยละเอียดเพิ่มเติม ความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งสองแบบจะแสดงเป็นไอโซไลน์ในรูปที่ 7 ตัวเลขนี้แสดงให้เห็นว่าในทั้งสองกรณี ไฮโดรเจนเริ่มถูกดูดซับจากด้านล่างรอบทางเข้า HTFพบความเข้มข้นที่สูงกว่าในภูมิภาค HTF ในขณะที่ความเข้มข้นต่ำกว่าถูกสังเกตที่ศูนย์กลางของเครื่องปฏิกรณ์ MH เนื่องจากระยะห่างจากตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลังจาก 10,000 วินาที ความเข้มข้นของไฮโดรเจนในกรณีที่ 4 จะสูงกว่ากรณีที่ 3 อย่างมีนัยสำคัญ หลังจาก 20,000 วินาที ความเข้มข้นของไฮโดรเจนโดยเฉลี่ยในเครื่องปฏิกรณ์เพิ่มขึ้นเป็น 90% ในกรณีที่ 4 เทียบกับไฮโดรเจน 50% ในกรณีที่ 3 อาจเนื่องมาจาก ไปสู่ความสามารถในการทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นจากการรวม SCHE สองอันเข้าด้วยกัน ส่งผลให้อุณหภูมิภายในชั้น MH ลดลงเป็นผลให้ความดันสมดุลมากขึ้นตกอยู่ภายในชั้น MG ซึ่งทำให้การดูดซึมไฮโดรเจนเร็วขึ้น
กรณีที่ 3 และกรณีที่ 4 การเปรียบเทียบอุณหภูมิเตียงเฉลี่ยและความเข้มข้นของไฮโดรเจนระหว่างการกำหนดค่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนสองแบบ
การเปรียบเทียบความเข้มข้นของไฮโดรเจนหลังจาก 500, 2000, 5,000, 10,000 และ 20,000 วินาที หลังจากเริ่มกระบวนการดูดซับไฮโดรเจน ในกรณีที่ 3 และกรณีที่ 4
ตารางที่ 5 สรุประยะเวลาการดูดซึมไฮโดรเจนในทุกกรณีนอกจากนี้ ตารางยังแสดงเวลาการดูดซึมไฮโดรเจนโดยแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์เปอร์เซ็นต์นี้คำนวณตามเวลาการดูดซึมของกรณีที่ 1 จากตารางนี้ เวลาการดูดซึมของเครื่องปฏิกรณ์ MH โดยใช้ HCHE คือประมาณ 45,000 ถึง 46,000 วินาที และเวลาการดูดซึมรวมถึง SCHE คือประมาณ 18,000 ถึง 19,000 วินาทีเมื่อเปรียบเทียบกับกรณีที่ 1 ระยะเวลาการดูดซึมในกรณีที่ 2 และกรณีที่ 3 ลดลงเพียง 1.6% และ 2.7% ตามลำดับเมื่อใช้ SCHE แทน HCHE เวลาการดูดซึมลดลงอย่างมากจากกรณีที่ 4 เป็นกรณีที่ 6 จาก 58% เป็น 61%เป็นที่ชัดเจนว่าการเพิ่ม SCHE ลงในเครื่องปฏิกรณ์ MH ช่วยปรับปรุงกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนและประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ MH ได้อย่างมากแม้ว่าการติดตั้งเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายในเครื่องปฏิกรณ์ MH จะช่วยลดความจุในการจัดเก็บ แต่เทคโนโลยีนี้ให้การปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆนอกจากนี้ การลดค่าระดับเสียงจะเพิ่มระดับเสียงของ SCHE ส่งผลให้ระดับเสียงของ MH ลดลงในกรณีที่ 6 ที่มีปริมาตร SCHE สูงสุด ความจุเชิงปริมาตรของ MH จะลดลงเพียง 5% เท่านั้น เมื่อเทียบกับกรณีที่ 1 ที่มีปริมาตร HCHE ต่ำที่สุดนอกจากนี้ ในระหว่างการดูดซึม กรณีที่ 6 แสดงประสิทธิภาพที่เร็วขึ้นและดีขึ้นโดยใช้เวลาการดูดซึมลดลง 61%ดังนั้นจึงเลือกกรณีที่ 6 เพื่อตรวจสอบเพิ่มเติมในการวิเคราะห์ความไวควรสังเกตว่าระยะเวลาการดูดซึมไฮโดรเจนที่ยาวนานนั้นสัมพันธ์กับถังเก็บที่มีปริมาตร MH ประมาณ 2,000 cm3
พารามิเตอร์การทำงานในระหว่างการทำปฏิกิริยาเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลเชิงบวกหรือเชิงลบต่อประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ MH ภายใต้สภาวะจริงการศึกษานี้พิจารณาการวิเคราะห์ความไวเพื่อกำหนดพารามิเตอร์การทำงานเริ่มต้นที่เหมาะสมสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ MH ร่วมกับ SCHE และส่วนนี้จะตรวจสอบพารามิเตอร์การทำงานหลักสี่พารามิเตอร์ตามการกำหนดค่าเครื่องปฏิกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดในกรณีที่ 6 ผลลัพธ์สำหรับสภาวะการทำงานทั้งหมดจะแสดงอยู่ใน มะเดื่อ 8.
กราฟความเข้มข้นของไฮโดรเจนภายใต้สภาวะการทำงานต่างๆ เมื่อใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนกับขดลวดกึ่งทรงกระบอก(a) แรงดันในการโหลด (b) อุณหภูมิเบดเริ่มต้น (c) หมายเลขเรย์โนลด์สของสารหล่อเย็น และ (d) อุณหภูมิทางเข้าของสารหล่อเย็น
จากอุณหภูมิเริ่มต้นคงที่ที่ 573 K และอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นด้วยจำนวน Reynolds 14,000 มีการเลือกแรงดันในการโหลดที่แตกต่างกันสี่แบบ: 1.2 MPa, 1.8 MPa, 2.4 MPa และ 3.0 MPaบนรูป8a แสดงผลของแรงดันในการโหลดและ SCHE ต่อความเข้มข้นของไฮโดรเจนเมื่อเวลาผ่านไปเวลาการดูดซึมจะลดลงเมื่อแรงดันในการโหลดเพิ่มขึ้นการใช้แรงดันไฮโดรเจนที่ใช้ 1.2 MPa เป็นกรณีที่แย่ที่สุดสำหรับกระบวนการดูดซับไฮโดรเจน และระยะเวลาการดูดซึมเกิน 26,000 วินาทีเพื่อให้ได้การดูดซึมไฮโดรเจน 90%อย่างไรก็ตาม แรงดันในการโหลดที่สูงขึ้นส่งผลให้เวลาการดูดซึมลดลง 32-42% จาก 1.8 เป็น 3.0 MPaนี่เป็นเพราะแรงดันเริ่มต้นของไฮโดรเจนที่สูงขึ้น ซึ่งส่งผลให้เกิดความแตกต่างที่มากขึ้นระหว่างความดันสมดุลและความดันที่ใช้ดังนั้นสิ่งนี้จึงสร้างแรงผลักดันขนาดใหญ่สำหรับจลนพลศาสตร์การดูดซึมไฮโดรเจนในช่วงแรก ก๊าซไฮโดรเจนจะถูกดูดซับอย่างรวดเร็วเนื่องจากความแตกต่างอย่างมากระหว่างความดันสมดุลและความดันที่ใช้57ที่แรงดันโหลด 3.0 MPa ไฮโดรเจน 18% จะสะสมอย่างรวดเร็วในช่วง 10 วินาทีแรกไฮโดรเจนถูกเก็บไว้ในเครื่องปฏิกรณ์ 90% ในขั้นตอนสุดท้ายเป็นเวลา 15460 วินาทีอย่างไรก็ตาม ที่ความดันในการโหลด 1.2 ถึง 1.8 MPa เวลาการดูดซึมลดลงอย่างมากถึง 32%แรงกดดันที่สูงขึ้นอื่นๆ มีผลน้อยต่อการปรับปรุงเวลาการดูดซึมดังนั้นจึงขอแนะนำให้แรงดันโหลดของเครื่องปฏิกรณ์ MH-SCHE อยู่ที่ 1.8 MPaส่วนเสริมจะแสดงรูปทรงความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับแรงดันโหลดต่างๆ ที่ 15500 วินาที
การเลือกอุณหภูมิเริ่มต้นที่เหมาะสมของเครื่องปฏิกรณ์ MH เป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อกระบวนการดูดซับไฮโดรเจน เนื่องจากจะส่งผลต่อแรงผลักดันของปฏิกิริยาการก่อตัวของไฮไดรด์เพื่อศึกษาผลกระทบของ SCHE ต่ออุณหภูมิเริ่มต้นของเครื่องปฏิกรณ์ MH ได้มีการเลือกอุณหภูมิที่แตกต่างกันสี่อุณหภูมิที่แรงดันโหลดคงที่ที่ 1.8 MPa และตัวเลข Reynolds ที่ 14,000 HTFบนรูปรูปที่ 8b แสดงการเปรียบเทียบอุณหภูมิเริ่มต้นต่างๆ รวมถึง 473K, 523K, 573K และ 623Kในความเป็นจริง เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 230°C หรือ 503K58 โลหะผสม Mg2Ni จะมีลักษณะเฉพาะที่มีประสิทธิภาพสำหรับกระบวนการดูดซับไฮโดรเจนอย่างไรก็ตาม ในช่วงแรกของการฉีดไฮโดรเจน อุณหภูมิจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็วดังนั้น อุณหภูมิของชั้น MG จะเกิน 523 K ดังนั้น การก่อตัวของไฮไดรด์จึงสะดวกขึ้นเนื่องจากอัตราการดูดซึมที่เพิ่มขึ้น53จากรูปที่จะเห็นได้จากรูปที่ 8b ว่าไฮโดรเจนจะถูกดูดซับเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิเริ่มต้นของชั้น MB ลดลงความดันสมดุลที่ต่ำกว่าเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิเริ่มต้นต่ำกว่ายิ่งความแตกต่างของความดันระหว่างความดันสมดุลและความดันที่ใช้มากเท่าไร กระบวนการดูดซับไฮโดรเจนก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้นที่อุณหภูมิเริ่มต้น 473 K ไฮโดรเจนจะถูกดูดซึมอย่างรวดเร็วถึง 27% ในช่วง 18 วินาทีแรกนอกจากนี้ระยะเวลาการดูดซึมยังลดลงจาก 11% เหลือ 24% ที่อุณหภูมิเริ่มต้นที่ต่ำกว่า เมื่อเทียบกับอุณหภูมิเริ่มต้นที่ 623 K เวลาการดูดซึมที่อุณหภูมิเริ่มต้นต่ำสุดที่ 473 K คือ 15247 วินาที ซึ่งใกล้เคียงกับอุณหภูมิที่ดีที่สุด อย่างไรก็ตาม แรงดันโหลดของเคส อุณหภูมิเริ่มต้นที่ลดลงของอุณหภูมิเริ่มต้นของเครื่องปฏิกรณ์จะส่งผลให้ความสามารถในการกักเก็บไฮโดรเจนลดลงอุณหภูมิเริ่มต้นของเครื่องปฏิกรณ์ MN ต้องมีอย่างน้อย 503 K53นอกจากนี้ ที่อุณหภูมิเริ่มต้น 573 K53 สามารถจุไฮโดรเจนได้สูงสุด 3.6 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักในแง่ของความสามารถในการกักเก็บไฮโดรเจนและระยะเวลาการดูดซึม อุณหภูมิระหว่าง 523 ถึง 573 K จะทำให้ระยะเวลาสั้นลงเพียง 6%ดังนั้นจึงเสนออุณหภูมิ 573 K เป็นอุณหภูมิเริ่มต้นของเครื่องปฏิกรณ์ MH-SCHEอย่างไรก็ตาม ผลกระทบของอุณหภูมิเริ่มต้นต่อกระบวนการดูดซับมีนัยสำคัญน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแรงดันในการรับน้ำหนักส่วนเสริมจะแสดงรูปทรงของความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับอุณหภูมิเริ่มต้นต่างๆ ที่ 15500 วินาที
อัตราการไหลเป็นหนึ่งในตัวแปรหลักของการเกิดไฮโดรจิเนชันและดีไฮโดรจีเนชัน เนื่องจากอาจส่งผลต่อความปั่นป่วนและการกำจัดความร้อนหรืออินพุตระหว่างไฮโดรจิเนชันและดีไฮโดรจีเนชัน59อัตราการไหลสูงจะสร้างเฟสปั่นป่วนและส่งผลให้ของไหลไหลผ่านท่อ HTF เร็วขึ้นปฏิกิริยานี้จะส่งผลให้มีการถ่ายเทความร้อนเร็วขึ้นความเร็วรายการที่แตกต่างกันสำหรับ HTF คำนวณจากตัวเลข Reynolds 10,000, 14,000, 18,000 และ 22,000อุณหภูมิเริ่มต้นของชั้น MG ได้รับการแก้ไขที่ 573 K และความดันในการโหลดที่ 1.8 MPaผลลัพธ์ในรูป8c แสดงให้เห็นว่าการใช้หมายเลข Reynolds ที่สูงกว่าร่วมกับ SCHE ส่งผลให้มีอัตราการดูดซึมที่สูงขึ้นเมื่อเลขเรย์โนลด์สเพิ่มขึ้นจาก 10,000 เป็น 22,000 เวลาการดูดซึมจะลดลงประมาณ 28-50%เวลาดูดซับที่เลขเรย์โนลด์ส 22,000 คือ 12,505 วินาที ซึ่งน้อยกว่าที่อุณหภูมิและความดันในการโหลดเริ่มต้นต่างๆโครงร่างความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับตัวเลข Reynolds ต่างๆ สำหรับ GTP ที่ 12500 วินาทีแสดงไว้ในส่วนเสริม
ผลกระทบของ SCHE ต่ออุณหภูมิเริ่มต้นของ HTF ได้รับการวิเคราะห์และแสดงในรูปที่ 8dที่อุณหภูมิ MG เริ่มต้น 573 K และความดันการโหลดไฮโดรเจน 1.8 MPa อุณหภูมิเริ่มต้นสี่อุณหภูมิถูกเลือกสำหรับการวิเคราะห์นี้: 373 K, 473 K, 523 K และ 573 K 8d แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของสารหล่อเย็นลดลง ที่ทางเข้าทำให้เวลาการดูดซึมลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับกรณีพื้นฐานที่มีอุณหภูมิทางเข้า 573 K ระยะเวลาการดูดซึมลดลงประมาณ 20%, 44% และ 56% สำหรับอุณหภูมิทางเข้า 523 K, 473 K และ 373 K ตามลำดับที่ 6917 วินาที อุณหภูมิเริ่มต้นของ GTF คือ 373 K ความเข้มข้นของไฮโดรเจนในเครื่องปฏิกรณ์คือ 90%ซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนที่เพิ่มขึ้นระหว่างชั้น MG และ HCSอุณหภูมิ HTF ที่ต่ำลงจะทำให้การกระจายความร้อนเพิ่มขึ้น และส่งผลให้การดูดซึมไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นในบรรดาพารามิเตอร์การทำงานทั้งหมด การปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ MH-SCHE โดยการเพิ่มอุณหภูมิทางเข้า HTF เป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุด เนื่องจากเวลาสิ้นสุดของกระบวนการดูดซับน้อยกว่า 7000 วินาที ในขณะที่เวลาการดูดซึมสั้นที่สุดของวิธีอื่นนั้นมากกว่า มากกว่า 10,000 วินาทีนำเสนอโครงร่างความเข้มข้นของไฮโดรเจนสำหรับอุณหภูมิเริ่มต้นต่างๆ ของ GTP เป็นเวลา 7000 วินาที
การศึกษาครั้งนี้นำเสนอเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์กึ่งทรงกระบอกแบบใหม่ที่รวมเข้ากับหน่วยกักเก็บเมทัลไฮไดรด์เป็นครั้งแรกมีการตรวจสอบความสามารถของระบบที่เสนอในการดูดซับไฮโดรเจนด้วยการกำหนดค่าต่างๆ ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีการตรวจสอบอิทธิพลของพารามิเตอร์การทำงานต่อการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างชั้นโลหะไฮไดรด์และสารหล่อเย็น เพื่อค้นหาสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการจัดเก็บโลหะไฮไดรด์โดยใช้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนใหม่ข้อค้นพบหลักของการศึกษาครั้งนี้สรุปได้ดังนี้
ด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์กึ่งทรงกระบอก ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้รับการปรับปรุงเนื่องจากมีการกระจายความร้อนที่สม่ำเสมอมากขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ชั้นแมกนีเซียม ส่งผลให้อัตราการดูดซับไฮโดรเจนดีขึ้นโดยมีเงื่อนไขว่าปริมาตรของท่อแลกเปลี่ยนความร้อนและโลหะไฮไดรด์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เวลาปฏิกิริยาการดูดซึมจะลดลงอย่างมาก 59% เมื่อเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์แบบธรรมดา
เวลาโพสต์: 15 ม.ค. 2023