Designoptimierung eines Magnesiums

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13436 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Metallhydride (MH) gelten aufgrund ihrer großen Wasserstoffspeicherkapazität, des niedrigen Betriebsdrucks und der hohen Sicherheit als eine der am besten geeigneten Materialgruppen für die Wasserstoffspeicherung. Ihre langsame Wasserstoffabsorptionskinetik verringert jedoch die Speicherleistung erheblich. Eine schnellere Wärmeabfuhr aus der MH-Speicherung kann eine wesentliche Rolle bei der Steigerung der Wasserstoffabsorptionsrate spielen, was zu einer besseren Speicherleistung führt. In diesem Zusammenhang zielt die vorliegende Studie darauf ab, die Wärmeübertragungsleistung zu verbessern, um die Wasserstoffabsorptionsrate von MH-Speichersystemen positiv zu beeinflussen. Eine neuartige halbzylindrische Spule wird zunächst für die Wasserstoffspeicherung konzipiert und optimiert und als interner Wärmetauscher mit Luft als Wärmeträgerflüssigkeit (HTF) eingebettet. Die Wirkung neuartiger Wärmetauscherkonfigurationen wird anhand verschiedener Steigungsgrößen analysiert und mit der normalen Wendelgeometrie verglichen. Darüber hinaus werden die Betriebsparameter von MH-Speicher und HTF numerisch untersucht, um optimale Werte zu erhalten. Für die numerischen Simulationen wird ANSYS Fluent 2020 R2 verwendet. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die MH-Speicherleistung durch die Verwendung eines halbzylindrischen Spulenwärmetauschers (SCHE) deutlich verbessert wird. Die Wasserstoffabsorptionsdauer verkürzt sich im Vergleich zu einem normalen Spiralwärmetauscher um 59 %. Die niedrigste Spulensteigung von SCHE führt zu einer Reduzierung der Absorptionszeit um 61 %. Hinsichtlich der Betriebsparameter für den MH-Speicher mit SCHE sorgen alle ausgewählten Parameter für eine deutliche Verbesserung des Wasserstoffabsorptionsprozesses, insbesondere die Eintrittstemperatur des HTF.

Auf globaler Ebene ist eine Abkehr von fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energieformen im Gange. Da viele Formen erneuerbarer Energien dynamisch Strom bereitstellen, sind Energiespeicher zum Lastausgleich erforderlich. Zu diesem Zweck erhält die wasserstoffbasierte Energiespeicherung große Aufmerksamkeit, nicht zuletzt, weil Wasserstoff aufgrund seiner Eigenschaften und seiner Portabilität1 als „grünes“ alternatives Kraftstoff- und Energiespeichermedium eingesetzt werden kann. Darüber hinaus bietet Wasserstoff im Vergleich zu fossilen Brennstoffen2 auch eine höhere Energiekapazität pro Masse. Es gibt vier Haupttypen der Wasserstoffspeicherung: Druckgas, Untergrundspeicher, Flüssigkeitsspeicher und Feststoffspeicher. Komprimiertes Wasserstoffgas ist der Haupttyp, der in Brennstoffzellenfahrzeugen wie Bussen und Gabelstaplern verwendet wird. Dieser Speicher bietet jedoch eine geringe volumetrische Wasserstoffdichte (ca. 0,089 kg/m3) und wirft Sicherheitsbedenken hinsichtlich des hohen Betriebsdrucks auf3. Bei der Flüssigspeicherung wird Wasserstoff in flüssiger Form gespeichert, basierend auf dem Umwandlungsprozess bei niedriger Temperatur und Umgebungsdruck. Beim Verflüssigungsprozess entsteht jedoch ein Energieverlust von rund 40 %. Darüber hinaus ist diese Technik im Vergleich zur Feststoffspeichertechnik für einen höheren Energieverbrauch und einen höheren Zeitaufwand bekannt4. Die Feststoffspeicherung ist eine praktikable Option für die Wasserstoffwirtschaft, bei der Wasserstoff gespeichert wird, indem er durch Absorption in festen Materialien kombiniert und Wasserstoff durch Desorption freigesetzt wird5. Metallhydrid (MH) ist eine der Feststoffspeichertechnologien, die in jüngster Zeit großes Interesse an Brennstoffzellenanwendungen geweckt hat, da sie im Vergleich zur Flüssigkeitsspeicherung eine hohe Wasserstoffkapazität, einen niedrigen Betriebsdruck und niedrige Kosten aufweist, sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen6. 7. Darüber hinaus bieten MH-Materialien auch eine sichere Leistung als Hochleistungsspeicher8. Allerdings gibt es ein Problem, das die MH-Leistung einschränkt: MH-Reaktoren leiden unter einer geringen Wärmeleitfähigkeit9, was zu einer langsamen Wasserstoffabsorption und -desorption führt.

Die richtige Wärmeübertragung während der exothermen und endothermen Reaktionen ist der Schlüssel zur Verbesserung der Leistung des MH-Reaktors. Für den Wasserstoffbeladungsprozess muss die erzeugte Wärme aus dem Reaktor abgeführt werden, um den Wasserstoffbeladungsfluss mit der gewünschten Geschwindigkeit bei maximaler Speicherkapazität zu steuern10. Im Gegensatz dazu ist Wärme erforderlich, um die Wasserstofffreisetzungsrate während des Entladevorgangs zu verbessern. Um die Wärme- und Stoffübertragungsleistung zu verbessern, haben viele Forscher das Design und die Optimierung auf der Grundlage verschiedener Faktoren untersucht, darunter Betriebsparameter, MH-Struktur und MH-Optimierung11. Eine MH-Optimierung kann durch Zugabe von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Metallschäumen, zum MH-Bett erreicht werden12,13. Durch diese Methode kann die effektive Wärmeleitfähigkeit von 0,1 auf bis zu 2 W/mK10 erhöht werden. Allerdings reduziert die Zugabe von Feststoff die Kapazität des MH-Reaktors erheblich. Bei den Betriebsparametern können durch Optimierung der anfänglichen Betriebsbedingungen des MH-Bettes und der Wärmeübertragungsflüssigkeit (HTF) Verbesserungen erzielt werden. Die MH-Struktur kann durch die Geometrie des Reaktors und die Anordnung der Wärmetauscherkonstruktionen optimiert werden14. Hinsichtlich der Wärmetauscherkonfiguration des MH-Reaktors können Ansätze in zwei Typen eingeteilt werden. Dabei handelt es sich um einen internen Wärmetauscher, der in das MH-Bett eingebettet ist, und einen externen Wärmetauscher wie Rippen, Kühlmantel und Wasserbad, die das MH-Bett bedecken15. Für den externen Wärmetauscher analysierte Kaplan16 die Leistung eines MH-Reaktors, indem er Kühlwasser als Mantel einsetzte, um die Temperatur im Reaktor zu senken. Die Ergebnisse wurden mit einem Reaktor mit 22 kreisförmigen Rippen und einem anderen Reaktor, der durch natürliche Konvektion kühlt, verglichen. Sie behaupteten, dass ein Kühlmantel die MH-Temperatur deutlich reduzierte, was zu einer besseren Absorptionsrate führte. Die numerische Untersuchung des MH-Reaktors mit Wassermantel von Patil und Gopal17 ergab, dass der Wasserstoffversorgungsdruck und die Temperatur von HTF die Schlüsselparameter sind, die die Wasserstoffabsorptions- und -desorptionsraten beeinflussen.

Die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche durch das Hinzufügen von in MHs eingebetteten Rippen und Wärmetauschern ist der Schlüssel zur Verbesserung der Wärme- und Stoffübertragungseigenschaften, die zu einer Verbesserung der MH-Speicherleistung führen18. Es wurden mehrere interne Wärmetauscherkonfigurationen (gerade Rohre und spiralförmige Rohrschlangen) entwickelt, um die Kühlflüssigkeit durch den MH-Reaktor zu zirkulieren19,20,21,22,23,24,25,26. Mit einem internen Wärmetauscher überträgt die Kühl- oder Heizflüssigkeit während der Wasserstoffsorptionsprozesse lokale Wärme innerhalb des MH-Reaktors. Raju und Kumar27 verwendeten mehrere gerade Rohre als Wärmetauscher, um die MH-Leistung zu verbessern. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Absorptionszeit verkürzt wurde, wenn gerade Rohre als Wärmetauscher verwendet wurden. In ähnlicher Weise verkürzte die Verwendung eines geraden Rohrs auch die Wasserstoffdesorptionszeit28. Eine höhere Durchflussrate der Kühlflüssigkeit erhöht die Lade- und Entladeraten von Wasserstoff29. Eine Erhöhung der Anzahl der Kühlrohre wirkt sich jedoch eher positiv auf die MH-Leistung als auf die Durchflussrate der Kühlflüssigkeit aus30,31. Raju et al.32 untersuchten die Leistung von Mehrrohrwärmetauschern im Reaktor unter Verwendung von LaMi4,7Al0,3 als MH-Materialien. Sie berichteten, dass die Betriebsparameter den Absorptionsprozess erheblich beeinflussen, insbesondere der Versorgungsdruck, gefolgt von der HTF-Durchflussrate. Allerdings erwies sich die Absorptionstemperatur als weniger bedeutsam.

Die Leistung von MH-Reaktoren wurde durch den Einsatz eines Spiralwärmetauschers weiter verbessert, da dieser die Wärmeübertragung im Vergleich zu geraden Rohren verbessert. Dies ist auf sekundäre Zirkulationen zurückzuführen, die zu einer besseren Wärmeabfuhr aus dem Reaktor führen25. Darüber hinaus bietet das spiralförmige Rohr mehr Oberfläche für die Wärmeableitung vom MH-Bett an die Kühlflüssigkeit. Dieses Verfahren führt auch zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Wärmeübertragungsrohre, wenn es im Reaktor eingebettet ist33. Wang et al.34 untersuchten den Effekt der Wasserstoffabsorptionsdauer durch den Einbau einer Spiralspule in den MH-Reaktor. Ihre Ergebnisse zeigten, dass sich die Absorptionszeit verringerte, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient der Wärmeübertragungsflüssigkeit erhöht wurde. Wu et al.25 untersuchten die Leistung eines MH-Reaktors auf Basis von Mg2Ni und einem Wendelwärmetauscher. Ihre numerische Studie zeigte eine Verkürzung der Reaktionszeit. Die Verbesserung des Wärmeübertragungsmechanismus in einem MH-Reaktor basiert auf einem kleineren Verhältnis der Wendelsteigung zum Wendeldurchmesser und der nichtdimensionalen Steigung. Die experimentelle Studie von Mellouli et al.21 zur Verwendung einer Spiralspule als interner Wärmetauscher bewies, dass die Anfangstemperatur von HTF die Verbesserung der Wasserstoffabsorptions- und -desorptionszeiten erheblich beeinflusst. Die Kombination verschiedener interner Wärmetauscher wurde in mehreren Studien untersucht. Eisapour et al.35 untersuchten die MH-Speicherung mithilfe eines Spiralwärmetauschers zusammen mit einem zentralen Rücklaufrohr, um den Wasserstoffabsorptionsprozess zu verbessern. Ihre Ergebnisse zeigten, dass ein spiralförmiges Rohr zusammen mit einem zentralen Rücklaufrohr den Wärmeaustausch zwischen Kühlflüssigkeit und MH deutlich verbesserte. Eine geringere Steigung des Wendelrohrs und ein größerer Rohrdurchmesser erhöhten die Wärme- und Stoffübertragungsrate. Ardahaie et al.36 verwendeten flache Spiralrohrebenen als Wärmetauscher zur Verbesserung der Wärmeübertragung innerhalb eines Reaktors. Sie berichteten, dass die Absorptionsdauer durch die Erhöhung der Anzahl flacher Spiralrohrebenen verkürzt wurde. Die Kombination verschiedener interner Wärmetauscher wurde in mehreren Studien untersucht. Dhaou et al.37 verbesserten die MH-Leistung durch den Einsatz sowohl eines Spiralwärmetauschers als auch von Rippen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass diese Technik die Zeit zum Nachfüllen von Wasserstoff verkürzt, was einer Verkürzung um das Zweifache im Vergleich zu ohne Rippen entspricht. Die Ringrippe wurde in das Kühlrohr integriert und in den MH-Reaktor38 eingebettet. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass diese Kombinationstechnik im Vergleich zum MH-Reaktor ohne Verwendung von Rippen eine gleichmäßigere Wärmeübertragung erzielt. Die Kombination verschiedener Wärmetauscher wirkt sich jedoch negativ auf die Gravimetrie und das Volumen des MH-Reaktors aus. Ein Vergleich verschiedener Wärmetauscherkonfigurationen wurde von Wu et al.18 durchgeführt. Dazu gehörten ein gerades Rohr, Rippen und eine spiralförmige Spule. Die Autoren berichteten, dass die Spiralspule die besten Auswirkungen auf die Verbesserung der Wärme- und Stoffübertragung hat. Ebenso hat ein Doppelwendelrohr eine bessere Wirkung auf die Verbesserung der Wärmeübertragung als ein gerades Rohr, ein Spiralrohr und ein gerades Rohr mit integriertem Spiralrohr39. Die Studie von Sekhar et al.40 bewies, dass die Verwendung einer spiralförmigen Spule als interner Wärmetauscher und eines externen Kühlmantels mit Rippen eine ähnliche Verbesserung der Wasserstoffabsorption erzielte.

Wie aus dem oben genannten Beispiel hervorgeht, bietet die Verwendung einer Spiralschlange als interner Wärmetauscher eine bessere Verbesserung der Wärme- und Stoffübertragung im Vergleich zu anderen Wärmetauschern, insbesondere mit geraden Rohren und Lamellen. Ziel dieser Studie ist daher die Weiterentwicklung einer Wendelwendel zur Steigerung der Wärmeübertragungsleistung. Zunächst wurde eine neuartige halbzylindrische Spule aus der herkömmlichen Spiralspule für die MH-Speicherung entwickelt. Von dieser Studie wird erwartet, dass die Wasserstoffspeicherleistung durch die Struktur eines neuartigen Wärmetauschers verbessert wird, der durch Berücksichtigung des konstanten Volumens des MH-Betts und des HTF-Rohrs eine bessere Anordnung der Wärmeübertragungsflächen bietet. Anschließend wird die Speicherleistung dieses neuartigen Wärmetauschers anhand verschiedener Wendelsteigungen mit einem normalen Wendelwärmetauscher verglichen. Aus der verfügbaren Literatur geht hervor, dass die Betriebsbedingungen und der Spulenabstand die Hauptfaktoren sind, die die Leistung des MH-Reaktors beeinflussen. Um das Design dieses neuartigen Wärmetauschers zu optimieren, wird der Einfluss der Spulenteilung auf die Wasserstoffabsorptionszeit und das MH-Volumen untersucht. Um die Beziehung zwischen einer neuartigen halbzylindrischen Spule und den Betriebsbedingungen zu verstehen, besteht das sekundäre Ziel dieser vorliegenden Studie außerdem darin, die Leistung des Reaktors anhand verschiedener Betriebsparameterbereiche zu untersuchen und einen geeigneten Wert für jeden Betriebsparameter zu ermitteln.

Die Leistung der Wasserstoff-Energiespeicherung wird in dieser Studie anhand von zwei Wärmetauscherkonfigurationen (einschließlich eines spiralförmigen Rohrs für Fall 1 bis Fall 3 und eines halbzylindrischen Rohrs für Fall 4 bis Fall 6) und einer Sensitivitätsanalyse der Betriebsparameter untersucht. Die Leistung eines MH-Reaktors wird zunächst anhand des Wendelrohrs als Wärmetauscher untersucht. Sowohl das HTF-Rohr als auch die Außenhülle des MH-Reaktors bestehen aus Edelstahl. Es ist zu beachten, dass die Größe des MH-Reaktors und der Durchmesser des HTF-Rohrs in allen Fällen konstant sind, während die HTF-Abstandsgrößen variieren. In diesem Abschnitt wird der Einfluss der HTF-Spulenteilungsgrößen analysiert. Die Höhe und der Außendurchmesser des Reaktors betragen 110 mm bzw. 156 mm. Der Durchmesser des HTF-Rohrs ist auf 6 mm festgelegt. Einzelheiten zu einem schematischen Diagramm von MH-Reaktoren mit einem spiralförmigen Rohr und zwei halbzylindrischen Rohren finden Sie im Ergänzungsabschnitt.

Abbildung 1a zeigt die MH-Reaktoren mit Wendelrohr und deren Abmessungen. Alle geometrischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das Gesamtvolumen des Spiralrohrs und das MH-Volumen betragen etwa 100 cm3 bzw. 2000 cm3. Aus diesem MH-Reaktor wird Luft als HTF vom unteren Teil durch ein spiralförmiges Rohr in den porösen MH-Reaktor injiziert, während Wasserstoff von der oberen Oberfläche des Reaktors injiziert wird.

Eigenschaften ausgewählter Geometrien für Metallhydridreaktoren. (a) mit Wendelrohrwärmetauscher und (b) mit halbzylindrischem Rohrwärmetauscher.

Im zweiten Teil wird dann die Leistungsfähigkeit des MH-Reaktors anhand der halbzylindrischen Rohre als Wärmetauscher untersucht. Abbildung 1b zeigt die MH-Reaktoren mit zwei halbzylindrischen Rohren und ihre Abmessungen. Tabelle 1 zeigt alle geometrischen Parameter für ein halbzylindrisches Rohr, die bis auf die Steigungsgrößen konstant gehalten werden. Es ist zu beachten, dass das halbzylindrische Rohr aus Fall 4 unter Berücksichtigung des konstanten Volumens des HTF-Rohrs und der MH-Legierungen aus dem spiralförmigen Rohr (Fall 3) entworfen wurde. In Abb. 1b wird bei beiden halbzylindrischen HTF-Röhren auch Luft aus dem unteren Teil injiziert, während Wasserstoff aus der entgegengesetzten Richtung des MH-Reaktors injiziert wird.

Aufgrund des neuen Designs des Wärmetauschers besteht das Ziel dieses Abschnitts darin, geeignete Anfangswerte für die Betriebsparameter des in SCHE integrierten MH-Reaktors zu ermitteln. In allen Fällen wird Luft als HTF verwendet, um die Wärme aus dem Reaktor abzuführen. Unter den HTFs werden aufgrund ihrer geringen Kosten und geringeren Auswirkungen auf die Umwelt üblicherweise Luft und Wasser als HTF für den MH-Reaktor ausgewählt. Aufgrund des hohen Betriebstemperaturbereichs der Magnesiumbasislegierung wurde für die vorliegende Studie Luft als HTF ausgewählt. Darüber hinaus weist es im Vergleich zu anderen flüssigen Metallen und geschmolzenem Salz bessere Fließeigenschaften auf41. Tabelle 2 stellt die Eigenschaften von Luft bei 573 K dar. Für die Sensitivitätsanalyse wird dann nur die beste Konfiguration des MH-SCHE-Leistungsfalls (von Fall 4 bis Fall 6) auf diesen Abschnitt angewendet. Dieser Abschnitt wird anhand verschiedener Betriebsparameter bewertet, darunter der Anfangstemperatur des MH-Reaktors, dem Ladedruck des Wasserstoffs, der Einlasstemperatur des HTF und der Reynolds-Zahl, die durch Änderung der Geschwindigkeit des HTF berechnet wird. Alle Betriebsparameter für die Sensitivitätsanalyse sind in Tabelle 3 enthalten.

In diesem Abschnitt werden alle notwendigen Grundgleichungen für den Wasserstoffabsorptionsprozess, die turbulente Strömung und die Wärmeübertragung der Wärmeübertragungsflüssigkeit beschrieben.

Um die Lösung der Wasserstoffabsorptionsreaktion zu vereinfachen, werden die folgenden Annahmen getroffen und bereitgestellt;

Während des Absorptionsprozesses bleiben die thermophysikalischen Eigenschaften von Wasserstoff und Metallhydrid konstant40.

Die Strahlungswärmeübertragung wird im Metallhydridreaktor42 vernachlässigt.

Wasserstoff gilt als ideales Gas, lokale thermische Gleichgewichtsbedingungen werden daher berücksichtigt43,44.

Der Druckgradienteneffekt der Wasserstoffinjektion ist vernachlässigbar45.

Dabei ist \({L}_{Gas}\) der Tankradius und \({L}_{Wärme}\) die axiale Höhe des Tanks. Der Wasserstofffluss im Tank kann in der Simulation weggelassen werden, ohne dass ein signifikanter Fehler entsteht, wenn N kleiner als 0,0146 ist. Aus dieser vorliegenden Studie geht hervor, dass N weit unter 0,1 liegt. Daher ist der Druckgradienteneffekt vernachlässigbar.

Die Wände des Reaktors sind in allen Fällen gut isoliert. Somit gibt es keine Wärmeübertragung zwischen dem Reaktor und der Umgebung47.

Legierungen auf Magnesiumbasis sind bekannt für ihre günstigen Eigenschaften bei der Wasserstofferzeugung sowie eine hohe Wasserstoffspeicherkapazität von bis zu 7,6 Gew.-%8. Im Hinblick auf Festkörper-Wasserstoffspeicheranwendungen werden diese Legierungen auch als Leichtbaumaterialien bezeichnet. Darüber hinaus weisen sie eine hervorragende Hitzebeständigkeit und eine gute Recyclingfähigkeit auf8. Unter mehreren Legierungen auf Magnesiumbasis sind Magnesium-Nickel-Legierungen auf Mg2Ni-Basis aufgrund der Wasserstoffspeicherkapazität, die bis zu 6 Gew.-% betragen kann, eine der am besten geeigneten Optionen für die MH-Speicherung. Mg2Ni-Legierungen bieten im Vergleich zu Magnesiumhydrid48 auch eine schnellere Kinetik von Absorptions- und Desorptionsprozessen. Daher wird in dieser Studie Mg2Ni als Metallhydridmaterial ausgewählt.

Die Energiegleichung wird basierend auf dem thermischen Gleichgewicht zwischen Wasserstoff und Mg2Ni-Hydrid as25 ausgedrückt:

wobei die effektive Wärmekapazität und Leitfähigkeit wie folgt angegeben sind:

Die Hydrierungsreaktion des Mg2Ni-Bettes (\(\Delta H\)) wird wie folgt bestimmt:

X ist die Menge der Wasserstoffabsorption auf der Metalloberfläche in \(Gew\%\), die aus der kinetischen Gleichung im Absorptionsprozess \(\frac{dX}{dt}\) wie folgt berechnet wird49:

wobei \({C}_{a}\) die Reaktionsgeschwindigkeit und \({E}_{a}\) die Aktivierungsenergie bezeichnet. \({P}_{a,eq}\) ist der Gleichgewichtsdruck im Metallhydridreaktor für den Absorptionsprozess, der mithilfe der Van't-Hoff-Gleichung wie folgt bestimmt wird25:

wobei \({P}_{ref}\) der Referenzdruck von 0,1 MPa ist. \(\Delta H\) und \(\Delta S\) sind die Reaktionsenthalpie bzw. Reaktionsentropie. Die Eigenschaften von Mg2Ni-Legierungen und Wasserstoff sind in Tabelle 4 aufgeführt. Eine Liste der Nomenklaturen finden Sie im Ergänzungsabschnitt.

Der Flüssigkeitsstrom gilt aufgrund seiner Geschwindigkeit und der Reynolds-Zahl (Re), die 78,75 ms−1 bzw. 14.000 betragen, als turbulent. Das realisierbare k-ε-Turbulenzmodell wird in dieser vorliegenden Studie ausgewählt. Es wurde beobachtet, dass diese Methode im Vergleich zu anderen k-ε-Methoden eine höhere Genauigkeit bietet und auch weniger Rechenzeit benötigt als die RNG-k-ε-Methode50,51. Einzelheiten zur maßgeblichen Gleichung für Wärmeträgerflüssigkeiten finden Sie im Ergänzungsabschnitt.

Zu Beginn werden einheitliche Bedingungen für die Temperatur im Inneren des MH-Reaktors mit einer durchschnittlichen Wasserstoffkonzentration von 0,043 angewendet. Es wird davon ausgegangen, dass die äußere Begrenzung des MH-Reaktors gut isoliert ist. Die auf Magnesium basierenden Legierungen erfordern in der Regel eine hohe Betriebstemperatur für die Reaktion, um den Wasserstoff zu speichern und aus dem Reaktor freizusetzen. Für Mg2Ni erfordert diese Legierung einen Temperaturbereich von 523–603 K, um die maximale Absorption zu erreichen, und einen Temperaturbereich von 573–603 K, um die Desorption abzuschließen52. Die experimentelle Studie von Muthukumar et al.53 bewies jedoch, dass bei Verwendung der Betriebstemperatur von 573 K die maximale Wasserstoffspeicherkapazität des Mg2Ni-Speichers erreicht werden konnte, die seiner theoretischen Kapazität entspricht. Daher wird in der vorliegenden Studie die Temperatur von 573 K als Anfangstemperatur des MH-Reaktors gewählt.

Am Reaktormantel:

Am Einlass der Wärmeträgerflüssigkeit

Am Auslass der Wärmeträgerflüssigkeit

Zur Überprüfung und Erzielung verlässlicher Ergebnisse werden verschiedene Rastergrößen festgelegt. Die durchschnittliche Temperatur an ausgewählten Orten für den Wasserstoffabsorptionsprozess aus vier verschiedenen Elementzahlen ist in Abb. 2 dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass aufgrund ähnlicher Geometrien nur ein Fall für jede Konfiguration für die Prüfung der Netzunabhängigkeit ausgewählt wird. Die gleichen Vernetzungsmethoden werden auf andere Fälle angewendet. Daher werden Fall 1 für das spiralförmige Rohr und Fall 4 für das halbzylindrische Rohr gewählt. Abbildung 2a,b zeigt die durchschnittliche Temperatur im Reaktor aus Fall 1 bzw. Fall 4. Die drei ausgewählten Orte stellen die Betttemperaturkontur im oberen, mittleren und unteren Teil des Reaktors dar. Anhand der Temperaturkonturen an den ausgewählten Standorten wird die Durchschnittstemperatur stabil und zeigt geringfügige Änderungen bei den Elementnummern 428.891 und 430.599 für Fall 1 bzw. Fall 4. Daher werden diese Gittergrößen für weitere rechnerische Berechnungen ausgewählt. Einzelheiten zur durchschnittlichen Betttemperatur für den Wasserstoffabsorptionsprozess für verschiedene Maschenweiten und die sukzessive verfeinerten Gitter für diese beiden Fälle finden Sie im Ergänzungsabschnitt.

Durchschnittliche Betttemperatur am ausgewählten Ort für den Wasserstoffabsorptionsprozess im Metallhydridreaktor unter verschiedenen Gitterzahlen. (a) Durchschnittstemperatur am Auswahlort für Fall 1 und (b) Durchschnittstemperatur am ausgewählten Ort für Fall 4.

Der Magnesium-basierte Metallhydridreaktor aus dieser vorliegenden Studie wird anhand experimenteller Ergebnisse von Muthukumar et al.53 validiert. In ihrer Studie verwendeten sie eine Mg2Ni-Legierung zur Wasserstoffspeicherung mit einem Edelstahlrohr. Die Kupferrippen wurden verwendet, um die Wärmeübertragung im Reaktor zu verbessern. Abbildung 3a zeigt den Vergleich der durchschnittlichen Betttemperatur für den Absorptionsprozess zwischen der experimentellen Studie und der vorliegenden Studie. Die ausgewählten Betriebsbedingungen dieses Experiments sind 573 K für die anfängliche MH-Temperatur und 2 MPa für den Versorgungsdruck. Aus Abb. 3a geht deutlich hervor, dass hinsichtlich der durchschnittlichen Betttemperatur eine gute Übereinstimmung zwischen diesen experimentellen und den vorliegenden Ergebnissen besteht.

Modell Bestätigung. (a) Codevalidierung des Mg2Ni-Metallhydridreaktors durch Vergleich der vorliegenden Studie und experimenteller Arbeiten von Muthukumar et al.52 und (b) Validierungsstudie des Turbulenzmodells in Spiralrohren durch Vergleich der vorliegenden Studie und von Kumar et al .54.

Zur Validierung des Turbulenzmodells werden die Ergebnisse dieser vorliegenden Studie mit den experimentellen Ergebnissen von Kumar et al.54 verglichen, um das ausgewählte Turbulenzmodell zu validieren. Kumar et al.54 untersuchten die turbulente Strömung in einem Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher. Wasser wurde als heißes und kaltes Fluid verwendet, das aus entgegengesetzten Richtungen eingespritzt wurde. Die Temperatur der heißen und kalten Flüssigkeit betrug 323 K bzw. 300 K. Die Reynolds-Zahl für die heiße Flüssigkeit schwankte zwischen 3100 und 5700 und für die kalte Flüssigkeit zwischen 21.000 und 35.000. Die Dean-Zahl für die heiße Flüssigkeit betrug 550–1000 und für die kalte Flüssigkeit 3600–6000. Der Durchmesser des Innenrohrs (für heiße Flüssigkeit) und des Außenrohrs (für kalte Flüssigkeit) betrug 0,0254 m bzw. 0,0508 m. Der Durchmesser und die Steigung der Spiralspule betrugen 0,762 m bzw. 0,100 m. Abbildung 3b zeigt den Vergleich der experimentellen und aktuellen Ergebnisse hinsichtlich verschiedener Nusselt-Zahlen und Dean-Zahlen für heiße Flüssigkeit am Innenrohr. Drei verschiedene Turbulenzmodelle wurden durchgeführt und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Wie in Abb. 3b gezeigt, stimmen die Ergebnisse des realisierbaren k-ε-Turbulenzmodells gut mit experimentellen Daten überein. Daher wurde dieses Modell für die vorliegende Studie ausgewählt.

Die numerische Simulation in der vorliegenden Studie wird unter Verwendung von ANSYS Fluent 2020 R2 durchgeführt. Benutzerdefinierte Funktionen (UDFs) wurden geschrieben und als Quellterm der Energiegleichung verwendet, um die kinetischen Eigenschaften des Absorptionsprozesses zu berechnen. Für die Druck-Geschwindigkeits-Kopplung und Druckkorrektur werden das PRESTO-Schema55 und die PISO-Methode56 eingesetzt. Für die Gradienten der Variablen wird die Green-Gauss-Zellbasis gewählt. Die Impuls- und Energiegleichungen werden mit der Aufwindmethode zweiter Ordnung gelöst. Als Unterrelaxationsfaktoren werden jeweils 0,5, 0,7 und 0,7 für Druck, Geschwindigkeitskomponenten und Energie festgelegt. Für das HTF im Turbulenzmodell wurde die Standardwandfunktion angewendet.

In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Verbesserung der Wärmeübertragung innerhalb des MH-Reaktors durch Verwendung eines Spiralwärmetauschers (HCHE) und eines Halbzylinderwärmetauschers (SCHE) für den Wasserstoffabsorptionsprozess bereitgestellt. Die Wirkung des HTF-Pechs auf die Reaktorbetttemperatur und die Absorptionsdauer wird analysiert. Die kritischen Betriebsparameter für den Absorptionsprozess werden untersucht und im Abschnitt Sensitivitätsanalyse dargestellt.

Drei Wärmetauscherkonfigurationen mit unterschiedlichen Steigungen wurden untersucht, um den Einfluss der Spulensteigung auf die Wärmeübertragung im MH-Reaktor zu untersuchen. Drei verschiedene Steigungen von 15 mm, 12,86 mm und 10 mm werden jeweils als Fall 1, Fall 2 und Fall 3 zugewiesen. Es ist zu beachten, dass der Rohrdurchmesser bei einer Anfangstemperatur von 573 K und einem Belastungsdruck von 1,8 MPa in allen Fällen auf 6 mm festgelegt ist. Abbildung 4 zeigt die durchschnittliche Betttemperatur und Wasserstoffkonzentration des MH-Bettes während des Wasserstoffabsorptionsprozesses für Fall 1 bis Fall 3. Im Allgemeinen ist die Reaktion zwischen Metallhydrid und Wasserstoff für den Absorptionsprozess exotherm. Folglich steigt die Betttemperatur aufgrund der ersten Momente, in denen Wasserstoff zum ersten Mal in den Reaktor injiziert wird, schnell an. Die Betttemperatur steigt kontinuierlich an, bis sie den Maximalwert erreicht, und nimmt dann allmählich ab, da die Wärme durch das HTF abgeführt wird, das eine niedrigere Temperatur hat und als Kühlflüssigkeit fungiert. Wie in Abb. 4a gezeigt, steigt die Betttemperatur aufgrund der vorherigen Erklärung schnell an und sinkt kontinuierlich. Die Wasserstoffkonzentration für den Absorptionsprozess basiert normalerweise auf der Betttemperatur des MH-Reaktors. Wenn die durchschnittliche Betttemperatur auf bestimmte Temperaturen absinkt, absorbiert die Metalloberfläche den Wasserstoff. Dies liegt an der Beschleunigung der Physisorption, Chemisorption, Diffusion von Wasserstoff und seiner Hydridbildung im Reaktor36. In Abb. 4b ist zu sehen, dass die Geschwindigkeit der Wasserstoffabsorption in Fall 3 aufgrund des geringeren Steigungswertes des Spulenwärmetauschers geringer ist als in anderen Fällen. Dies führt zu einer insgesamt größeren Rohrlänge und einer größeren Wärmeübertragungsfläche des HTF-Rohrs. Die Absorptionszeit aus Fall 1 beträgt 46.276 s für die durchschnittliche Wasserstoffkonzentration von 90 %. Im Vergleich zur Absorptionsdauer aus Fall 1 verringert sich die Absorptionsdauer für Fall 2 und Fall 3 um 724 s bzw. 1263 s. Die Temperaturkonturen und Wasserstoffkonzentrationskonturen an ausgewählten Stellen des HCHE-MH-Bettes werden im Ergänzungsabschnitt bereitgestellt.

Einfluss der Spulensteigung auf die durchschnittliche Betttemperatur und die Wasserstoffkonzentration. (a) Durchschnittliche Betttemperatur für die Wendelsteigung, (b) Wasserstoffkonzentration für die Wendelsteigung, (c) durchschnittliche Betttemperatur für die halbzylindrische Wendelsteigung und (d) Wasserstoffkonzentration für die halbzylindrische Wendelsteigung.

Um die Wärmeübertragungsleistung des MH-Reaktors zu verbessern, werden zwei SCHEs mit einem konstanten MH-Volumen (2000 cm3) und einem Wendelwärmetauscher (100 cm3) aus Fall 3 ausgelegt. In diesem Abschnitt wird auch der Effekt der Spulensteigung mit 15 mm berücksichtigt für Fall 4, 12,86 mm für Fall 5 und 10 mm für Fall 6. Abbildung 4c,d zeigt die durchschnittliche Betttemperatur und -konzentration für den Wasserstoffabsorptionsprozess basierend auf der Anfangstemperatur von 573 K und dem Ladedruck von 1,8 MPa. Gemäß der durchschnittlichen Betttemperatur aus Abb. 4c führt ein geringerer Spulenabstand aus Fall 6 zu einer deutlich niedrigeren Temperatur im Vergleich zu den beiden anderen Fällen. Die niedrigere Betttemperatur führt zu höheren Wasserstoffkonzentrationen (siehe Abb. 4d) für Fall 6. Die Wasserstoffabsorptionszeit für Fall 4 beträgt 19.542 s und ist damit mehr als doppelt so lang wie bei der Verwendung von HCHE in Fall 1–3. Darüber hinaus verkürzt sich die Absorptionszeit mit niedrigeren Steigungswerten aus Fall 5 und Fall 6 im Vergleich zu Fall 4 ebenfalls um 378 s und 1515 s. Die Temperaturkonturen und Wasserstoffkonzentrationskonturen an ausgewählten Stellen des SCHE-MH-Bettes sind im Ergänzungsabschnitt angegeben .

Um die Leistung von zwei Wärmetauscherkonfigurationen zu untersuchen, werden die Temperaturprofile an drei ausgewählten Standorten erstellt und in diesem Abschnitt dargestellt. Der MH-Reaktor mit HCHE aus Fall 3 wird zum Vergleich mit dem MH-Reaktor mit eingebautem SCHE aus Fall 4 ausgewählt, da er ein konstantes MH-Volumen und Rohrvolumen aufweist. Die Betriebsbedingungen für diesen Vergleich sind 573 K als Anfangstemperatur und 1,8 MPa als Ladedruck. Abbildung 5a,b zeigt alle drei ausgewählten Standorte für Temperaturprofile aus Fall 3 bzw. Fall 4. Abbildung 5c ​​zeigt Temperaturprofile und Bettkonzentration nach 20.000 s des Wasserstoffabsorptionsprozesses. Gemäß Zeile 1 aus Abb. 5c sinkt die Temperatur um das HTF von Gehäuse 3 und Gehäuse 4 aufgrund der konvektiven Wärmeübertragung von der Kühlflüssigkeit. Dies führt zu einer höheren Wasserstoffkonzentration in diesem Bereich. Die Verwendung von zwei SCHEs führt jedoch zu einer höheren Bettkonzentration. Für Fall 4 wurde eine schnellere kinetische Reaktion um den HTF-Bereich herum festgestellt. Darüber hinaus wurde um diesen Bereich herum auch eine maximale Konzentration von 100 % festgestellt. Ab Leitung 2, die sich im mittleren Teil des Reaktors befindet, ist die Temperatur von Fall 4 an allen Stellen außer in der Mitte des Reaktors deutlich niedriger als für Fall 3. Dies führt zu der maximalen Wasserstoffkonzentration für Fall 4, mit Ausnahme der Mitte des Reaktors, wo sie weit vom HTF entfernt ist. Die Konzentration für Fall 3 ändert sich jedoch unwesentlich. Der große Unterschied in der Temperatur und Bettkonzentration wurde an Linie 3 beobachtet, die sich in der Nähe des HTF-Einlasses befindet. Die Betttemperatur von Fall 4 sinkt erheblich, was zu einer vollständigen Wasserstoffkonzentration in diesem Bereich führt, während die Konzentrationslinie von Fall 3 immer noch schwankt. Dies ist auf die Beschleunigung der Wärmeübertragung durch SCHEs zurückzuführen. Einzelheiten und Diskussionen zum Vergleich der durchschnittlichen Temperatur des MH-Betts und des HTF-Rohrs zwischen Fall 3 und Fall 4 finden Sie im ergänzenden Abschnitt.

Temperaturprofile und Bettkonzentration an ausgewählten Stellen des Metallhydridreaktors. (a) Ausgewählte Orte für Fall 3, (b) ausgewählte Orte für Fall 4 und (c) Temperaturprofile und Bettkonzentration an ausgewählten Orten nach 20.000 s Wasserstoffabsorptionsprozess für Fall 3 und Fall 4.

Abbildung 6 zeigt den Vergleich der durchschnittlichen Betttemperaturen (siehe Abb. 6a) und Wasserstoffkonzentrationen (siehe Abb. 6b) während des Absorptionsprozesses zwischen HCHE und SCHE. Aus dieser Abbildung geht hervor, dass die MH-Betttemperatur aufgrund einer Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche deutlich abnimmt. Eine höhere Wärmeabfuhrrate aus dem Reaktor führt zu einer schnelleren Wasserstoffabsorptionsrate. Obwohl beide Wärmetauscherkonfigurationen ein ähnliches Volumen haben, verkürzt sich die Wasserstoffabsorptionszeit basierend auf SCHE als Fall 4 erheblich um 59 % im Vergleich zur Verwendung von HCHE als Fall 3. Für weitere Analysen werden die Wasserstoffkonzentrationen beider Wärmetauscherkonfigurationen als Konturen angezeigt Abb. 7. Diese Abbildung zeigt, dass der Wasserstoff in beiden Fällen im unteren Teil rund um den HTF-Einlass absorbiert wird. In HTF-Bereichen wurde eine höhere Konzentration festgestellt, während in der Mitte des MH-Reaktors aufgrund der großen Entfernung zu den Wärmetauschern eine niedrigere Konzentration beobachtet wurde. Bei 10.000 s ist die Wasserstoffkonzentration aus Fall 4 deutlich höher als bei Fall 3. Bei 20.000 s steigt die durchschnittliche Wasserstoffkonzentration im Reaktor bei Fall 4 auf 90 %, während bei Fall 3 nur noch 50 % Wasserstoff vorhanden sind. Das kann sein Dies wird dadurch erklärt, dass der Einbau von zwei SCHEs zu einer höheren effektiven Wärmeabfuhr führt, was zu einer niedrigeren Temperatur im MH-Bett führt. Dadurch sinkt der Gleichgewichtsdruck im Inneren des MH-Bettes stärker und führt dann zu einer schnelleren Wasserstoffabsorption.

Vergleich der durchschnittlichen Betttemperatur und der Wasserstoffkonzentrationen zwischen zwei Wärmetauscherkonfigurationen wie Fall 3 und Fall 4.

Vergleich der Wasserstoffkonzentrationen 500 s, 2000 s, 5000 s, 10.000 s und 20.000 s nach Beginn des Wasserstoffabsorptionsprozesses zwischen Fall 3 und Fall 4.

Tabelle 5 fasst die Wasserstoffabsorptionsdauern für alle Fälle zusammen. Darüber hinaus ist in dieser Tabelle auch die Wasserstoffabsorptionszeit in Prozent angegeben. Der Prozentsatz wird auf der Grundlage der Absorptionszeit aus Fall 1 berechnet. Aus dieser Tabelle geht hervor, dass die Absorptionszeit aus dem MH-Reaktor mit HCHE etwa 45.000 bis 46.000 s beträgt, während die Absorptionszeit mit SCHE etwa 18.000 bis 19.000 s beträgt. Im Vergleich zu Fall 1 verkürzt sich die Absorptionszeit von Fall 2 und Fall 3 nur um 1,6 % bzw. 2,7 %. Durch den Einsatz von SCHE anstelle von HCHE verkürzt sich die Absorptionszeit deutlich um 58 bis 61 % von Fall 4 zu Fall 6. Es ist offensichtlich, dass der Einbau von SCHE in den MH-Reaktor den Wasserstoffabsorptionsprozess und die Leistung des MH-Reaktors erheblich verbessert. Obwohl der Einbau des Wärmetauschers in den MH-Reaktor die Speicherkapazität verringert, erzielt diese Technik im Vergleich zu anderen Techniken eine deutliche Verbesserung der Wärmeübertragung. Darüber hinaus erhöht die Reduzierung der Tonhöhenwerte die SCHE-Lautstärke, was zu einer Verringerung der MH-Lautstärke führt. Im Fall 6, der das höchste SCHE-Volumen aufweist, gibt es nur eine Reduzierung der MH-Volumenkapazität um 5 % im Vergleich zu Fall 1, der das niedrigste HCHE-Volumen aufweist. Darüber hinaus zeigt Fall 6 während des Absorptionsprozesses schnellere und bessere Leistungen mit einer Reduzierung der Absorptionsdauer um 61 %. Daher wird Fall 6 zur weiteren Untersuchung hinsichtlich der Sensitivitätsanalyse ausgewählt. Es ist zu beachten, dass die lange Wasserstoffaufnahmezeit auf die Speicherkapazität zurückzuführen ist, die das MH-Volumen bei etwa 2000 cm3 enthält.

Die Betriebsparameter während des Reaktionsprozesses sind wesentliche Faktoren, die sich positiv oder negativ auf die Leistung des MH-Reaktors im tatsächlichen Einsatz auswirken können. Die Sensitivitätsanalyse wird in dieser Studie berücksichtigt, um geeignete Anfangswerte der Betriebsparameter für den in SCHE integrierten MH-Reaktor zu ermitteln. In diesem Abschnitt werden vier Hauptbetriebsparameter basierend auf der besten Reaktorkonfiguration aus Fall 6 untersucht. Die Ergebnisse aller Betriebsbedingungen sind dargestellt in Abb. 8.

Wasserstoffkonzentrationsdiagramm für verschiedene Betriebsbedingungen beim Einsatz mit dem halbzylindrischen Rohrschlangenwärmetauscher. (a) Ladedrücke, (b) anfängliche Betttemperaturen, (c) Reynolds-Zahlen der Wärmeübertragungsflüssigkeit und (d) Einlasstemperaturen der Wärmeübertragungsflüssigkeit.

Vier verschiedene Belastungsdrücke von 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa und 3,0 MPa wurden basierend auf der konstanten Anfangstemperatur bei 573 K und der HTF-Strömungsgeschwindigkeit bei 14.000 der Reynolds-Zahl ausgewählt. Abbildung 8a zeigt den Einfluss des Ladedrucks und des SCHE auf die Wasserstoffkonzentration im Zeitverlauf. Mit zunehmendem Ladedruck verkürzt sich die Absorptionszeit. Der Einsatz eines Wasserstoffdrucks von 1,2 MPa ist der ungünstigste Fall für den Wasserstoffabsorptionsprozess, wobei die Absorptionsdauer mehr als 26.000 s beträgt, um 90 % der Wasserstoffabsorption zu erreichen. Ein höherer Belastungsdruck führt jedoch zu einer Verkürzung der Absorptionszeiten um 32 bis 42 % von 1,8 auf 3,0 MPa. Dies ist auf den höheren anfänglichen Wasserstoffdruck zurückzuführen, der zu einer größeren Differenz zwischen dem Gleichgewichtsdruck und dem ausgeübten Druck führt. Dadurch entsteht eine größere Antriebskraft für die Wasserstoffabsorptionskinetik25. Im Anfangsmoment wird der Wasserstoff aufgrund der größeren Differenz zwischen Gleichgewichtsdruck und ausgeübtem Druck schnell absorbiert57. Bei einem Ladedruck von 3,0 MPa werden innerhalb der ersten 10 s 18 % des Wasserstoffs schnell gespeichert. Der Wasserstoff wird in der Endstufe mit 15.460 s zu 90 % des Reaktors gespeichert. Ab dem Belastungsdruck von 1,2 bis 1,8 MPa verkürzt sich die Absorptionszeit jedoch deutlich um 32 %. Andere höhere Drücke haben weniger Einfluss auf die Verbesserung der Absorptionszeit. Daher wird für den MH-SCHE-Reaktor ein Ladedruck von 1,8 MPa empfohlen. Die Konturen der Wasserstoffkonzentration für verschiedene Ladedrücke bei 15.500 s finden Sie im Ergänzungsabschnitt.

Die Auswahl der geeigneten Anfangstemperatur des MH-Reaktors ist einer der Hauptfaktoren, die den Wasserstoffsorptionsprozess beeinflussen, da sie die treibende Kraft der hydriderzeugenden Reaktion beeinflusst. Um die Auswirkung von SCHE auf die Anfangstemperatur des MH-Reaktors zu untersuchen, wurden vier verschiedene Temperaturen unter konstantem Ladedruck von 1,8 MPa und einer Reynolds-Zahl von 14.000 HTF gewählt. Abbildung 8b zeigt den Vergleich verschiedener Anfangstemperaturen, darunter 473 K, 523 K, 573 K und 623 K. Tatsächlich weist die Mg2Ni-Legierung eine effektive Leistung für den Wasserstoffabsorptionsprozess auf, wenn die Temperatur über 230 °C oder 503 K58 liegt. Allerdings steigt die Temperatur zu Beginn der Wasserstoffeinspritzung schnell an. Somit wird die MH-Betttemperatur über 523 K liegen. Aus diesem Grund wird die Hydridbildung dann aufgrund der Erhöhung der Absorptionsrate gefördert53. Aus Abb. 8b geht hervor, dass der Wasserstoff schneller absorbiert wird, wenn die Anfangstemperatur des MH-Betts verringert wird. Bei einer niedrigeren Anfangstemperatur führt dies zu einem niedrigeren Gleichgewichtsdruck. Die größeren Druckunterschiede zwischen Gleichgewichtsdruck und ausgeübtem Druck bewirken einen schnelleren Wasserstoffaufnahmeprozess. Bei einer Anfangstemperatur von 473 K wird der Wasserstoff innerhalb der ersten 18 s schnell auf 27 % absorbiert. Darüber hinaus verkürzt sich auch die Absorptionszeit aus niedrigeren Anfangstemperaturen von 11 auf 24 % im Vergleich zur Anfangstemperatur bei 623 K. Die Absorptionszeit mit der niedrigsten Anfangstemperatur bei 473 K beträgt 15.247 s, was dem besten Fall des Ladedrucks ähnelt . Eine Verringerung der anfänglichen Reaktortemperatur führt jedoch zu einer geringeren Wasserstoffspeicherkapazität. Die Anfangstemperatur des MH-Reaktors sollte nicht unter 503 K53 liegen. Darüber hinaus kann die maximale Wasserstoffspeicherkapazität von 3,6 Gew.-% bei Verwendung der Anfangstemperatur von 573 K53 erreicht werden. Konzentriert man sich auf die Wasserstoffspeicherkapazität und die Dauer der Absorption, ergibt sich durch die Temperatur zwischen 523 und 573 K nur eine Zeitverkürzung von 6 %. Daher wird für die Anfangstemperatur des MH-SCHE-Reaktors die Temperatur bei 573 K empfohlen. Der Einfluss der Anfangstemperatur auf den Absorptionsprozess ist jedoch im Vergleich zum Ladedruck weniger signifikant. Die Konturen der Wasserstoffkonzentration für verschiedene Anfangstemperaturen bei 15.500 s finden Sie im Ergänzungsabschnitt.

Die Strömungsgeschwindigkeit ist einer der wesentlichen Parameter sowohl für die Hydrogenerierung als auch für die Dehydrierung, da sie die Turbulenz und die Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr bei Hydrierungs- und Dehydrierungsprozessen beeinflussen kann59. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugt eine turbulente Phase und führt zu einem schnelleren Flüssigkeitsfluss durch das HTF-Rohr. Diese Reaktion führt zu einer schnelleren Wärmeübertragung. Basierend auf der Reynolds-Zahl werden verschiedene Einlassgeschwindigkeiten von HTF berechnet: 10.000, 14.000, 18.000 und 22.000. Die Anfangstemperatur des MH-Bettes ist auf 573 K und der Ladedruck auf 1,8 MPa festgelegt. Das Ergebnis aus Abb. 8c beweist, dass die Verwendung einer höheren Reynolds-Zahl in Verbindung mit dem SCHE zu einer schnelleren Absorptionsrate führt. Mit der Erhöhung der Reynolds-Zahl von 10.000 auf 22.000 verkürzt sich die Absorptionszeit um etwa 28 bis 50 %. Die Absorptionszeit aus der Reynolds-Zahl bei 22.000 beträgt 12.505 s und ist damit kürzer als die Absorptionszeit basierend auf verschiedenen Anfangstemperaturen und Belastungsdrücken. Die Konturen der Wasserstoffkonzentration für verschiedene Reynolds-Zahlen des HTF bei 12.500 s werden im Ergänzungsabschnitt dargestellt.

Die Auswirkung des SCHE auf die anfängliche HTF-Temperatur wird analysiert und in Abb. 8d dargestellt. Für diese Analyse werden vier Anfangstemperaturen von 373 K, 473 K, 523 K und 573 K ausgewählt, wobei die anfängliche MH-Temperatur bei 573 K und der Ladedruck von Wasserstoff bei 1,8 MPa liegen. Abbildung 8d zeigt, dass die Verringerung der HTF-Einlasstemperatur zu einer kürzeren Absorptionszeit führt. Im Vergleich zum Basisfall mit einer Einlasstemperatur von 573 K verringert sich die Absorptionszeit bei einer Einlasstemperatur von 523 K, 473 K bzw. 373 K um etwa 20 %, 44 % bzw. 56 %. Bei 6917 s und einer Anfangstemperatur des HTF von 373 K herrscht im Reaktor eine Wasserstoffkonzentration von 90 %. Dies kann durch die Verbesserung der konvektiven Wärmeübertragung zwischen dem MH-Bett und dem HTF erklärt werden. Eine niedrigere HTF-Temperatur erhöht die Wärmeabfuhrrate und führt zu einer Verbesserung der Wasserstoffabsorptionsrate. Unter allen Betriebsparametern ist die Verbesserung der Leistung des MH-SCHE-Reaktors durch Erhöhung der Einlasstemperatur des HTF die am besten geeignete Methode, da das Ende des Absorptionsprozesses bei weniger als 7000 s liegt, während die minimale Absorptionszeit bei anderen Methoden mehr als 10.000 s beträgt . Die Konturen der Wasserstoffkonzentration für verschiedene Anfangstemperaturen des HTF bei 7000 s werden im Ergänzungsabschnitt dargestellt.

Die vorliegende Studie stellt zunächst einen neuartigen halbzylindrischen Spulenwärmetauscher vor, der in die Metallhydridspeichereinheit eingebettet ist. Die Wasserstoffaufnahmekapazität des vorgeschlagenen Systems wird unter verschiedenen Wärmetauscherkonfigurationen untersucht. Der Einfluss von Betriebsparametern zwischen Metallhydridbett und Wärmeträgerflüssigkeit auf die ausgetauschte Wärme wird untersucht, um optimale Bedingungen für die Metallhydridspeicherung mit einem neuartigen Wärmetauscher zu finden. Die wichtigsten Erkenntnisse dieser Studie lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Durch den Einsatz eines halbzylindrischen Spulenwärmetauschers wird die Wärmeübertragungsleistung verbessert, da die Wärmeverteilung im Magnesiumbettreaktor gleichmäßiger ist, was zu einer besseren Wasserstoffabsorptionsrate führt. Unter dem konstanten Volumen des Wärmetauscherrohrs und des Metallhydrids wird die Absorptionsreaktionszeit im Vergleich zu einem normalen Spiralwärmetauscher deutlich um 59 % verkürzt.

Die Reduzierung der Teilungsgröße von Rohrschlangenwärmetauschern wirkt sich aufgrund der größeren Wärmeübertragungsfläche positiv auf die Absorptionsdauer aus. Neben anderen Steigungswerten kommt es bei der Verwendung halbzylindrischer Rohrschlangenwärmetauscher mit einer Steigungsgröße von 10 mm zu einer Reduzierung der Wasserstoffabsorptionszeit um 61 %. Bei dieser Größe verringert sich die Metallhydrid-Volumenkapazität im Vergleich zur höchsten Pitchgröße um etwa 5 %. Daher wird die Verwendung eines halbzylindrischen Wärmetauschers mit einer Teilung von 10 mm empfohlen.

Eine Erhöhung des Ladedrucks der Wasserstoffinjektion führt zu einer kürzeren Wasserstoffabsorptionszeit. Die Absorptionsdauer verkürzt sich bei einem Belastungsdruck von 1,8 MPa im Vergleich zu 1,2 MPa deutlich um 32 %. Andere höhere Werte haben jedoch einen geringeren Einfluss auf die Absorptionsdauer. Daher wird für die Lagerung mit neuem Wärmetauscher ein Ladedruck von 1,8 MPa empfohlen.

Die niedrigere Anfangstemperatur des Metallhydridbetts führt zu einer schnelleren Wasserstoffabsorptionsrate. Um die Speicherkapazität bei einer Mg2Ni-Basislegierung aufrechtzuerhalten, sollte die Anfangstemperatur jedoch nicht weniger als 503 K betragen. Unter Berücksichtigung der Speicherkapazität und der Absorptionsdauer wird für die Lagerung mit einem Halbzylinder eine Anfangstemperatur von 573 K empfohlen Spulenwärmetauscher.

Die Ausgangsbedingungen der Wärmeträgerflüssigkeit sind die Hauptparameter, die die Verbesserung der Speicherleistung bei einem neuartigen Wärmetauscher maßgeblich beeinflussen. Eine höhere Reynolds-Zahl der Wärmeübertragungsflüssigkeit wirkt sich aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit positiv auf die Dauer der Wasserstoffabsorption aus. Darüber hinaus verbessert eine niedrigere Eintrittstemperatur der Wärmeübertragungsflüssigkeit auch die konvektive Wärmeübertragung zwischen dem Bett und der Kühlflüssigkeit. Durch diese beiden Parameter wird die Resorptionsdauer deutlich um 50–56 % verkürzt.

Die Ergebnisse dieser Studie liefern eine Verbesserung der Wärmeübertragung im Absorptionsprozess der Magnesium-basierten Wasserstoff-Energiespeicherung unter einer neuartigen Wärmetauscherkonfiguration mit optimierten Betriebsbedingungen. Die umfassende Studie zu diesem vorgeschlagenen System könnte für industrielle Anwendungen von Nutzen sein. Um die Wasserstoffabsorptionsdauer zu verbessern, wird der Metallhydridspeicher mit einem neuartigen halbzylindrischen Spulenwärmetauscher in der nächsten Studie weiter mit anderen Wärmetauschern integriert. Darüber hinaus wird die Auswirkung des Einsatzes eines neuartigen Wärmetauschers auf den Wasserstoffdesorptionsprozess weiter betrachtet.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren würdigen die Einrichtung für Hochleistungsrechnen an der University of Technology Sydney (UTS).

School of Mechanical and Mechatronic Engineering, University of Technology Sydney (UTS), 15 Broadway, Ultimo, NSW, 2007, Australien

Puchanee Larpruenrudee, Nick S. Bennett, Robert Fitch und Mohammad S. Islam

School of Mechanical, Medical and Process Engineering, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Queensland University of Technology, Brisbane, 4000, Australien

YuanTong Gu

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PL-Konzept, Simulation, Methode, Design, Validierung, Analyse, Schreiben. NB Konzept, Review und Schreiben, Supervision. YTG-Konzept, Review und Schreiben, Supervision. RF-Konzept, Überprüfung und Schreiben, Supervision. MSI-Konzept, Simulation, Validierung, Überprüfung und Schreiben, Überwachung.

Korrespondenz mit Mohammad S. Islam.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Larpruenrudee, P., Bennett, NS, Gu, Y. et al. Designoptimierung eines Magnesium-basierten Metallhydrid-Wasserstoff-Energiespeichersystems. Sci Rep 12, 13436 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17120-3

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Eingegangen: 31. Mai 2022

Angenommen: 20. Juli 2022

Veröffentlicht: 04. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17120-3

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