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Os hidretos metálicos (MH) são reconhecidos como um dos grupos de materiais mais adequados para armazenamento de hidrogênio devido à sua grande capacidade de armazenamento de hidrogênio, baixa pressão operacional e alta segurança.No entanto, sua lenta cinética de absorção de hidrogênio reduz bastante o desempenho do armazenamento.A remoção mais rápida de calor do armazenamento de MH poderia desempenhar um papel importante no aumento da taxa de absorção de hidrogênio, resultando em melhor desempenho do armazenamento.Nesse sentido, este estudo teve como objetivo melhorar as características de transferência de calor, a fim de influenciar positivamente a taxa de absorção de hidrogênio do sistema de armazenamento de MH.A nova bobina semicilíndrica foi inicialmente desenvolvida e otimizada para armazenamento de hidrogênio e incorporada como um trocador interno de ar como calor (HTF).Com base nos diferentes tamanhos de passo, o efeito da nova configuração do trocador de calor é analisado e comparado com a geometria convencional da bobina helicoidal.Além disso, os parâmetros operacionais de armazenamento de MG e GTP foram estudados numericamente para obtenção de valores ótimos.Para simulação numérica, é utilizado ANSYS Fluent 2020 R2.Os resultados deste estudo mostram que o desempenho de um tanque de armazenamento MH pode ser significativamente melhorado usando um trocador de calor de bobina semicilíndrica (SCHE).Em comparação com os trocadores de calor de bobina espiral convencionais, a duração da absorção de hidrogênio é reduzida em 59%.A menor distância entre as bobinas SCHE resultou em redução de 61% no tempo de absorção.No que diz respeito aos parâmetros operacionais do armazenamento de MG utilizando SHE, todos os parâmetros selecionados conduzem a uma melhoria significativa no processo de absorção de hidrogénio, especialmente na temperatura à entrada do HTS.
Há uma transição global da energia baseada em combustíveis fósseis para a energia renovável.Como muitas formas de energia renovável fornecem energia de forma dinâmica, o armazenamento de energia é necessário para equilibrar a carga.O armazenamento de energia à base de hidrogénio tem atraído muita atenção para este fim, especialmente porque o hidrogénio pode ser utilizado como combustível alternativo “verde” e transportador de energia devido às suas propriedades e portabilidade.Além disso, o hidrogénio também oferece um conteúdo energético mais elevado por unidade de massa em comparação com os combustíveis fósseis2.Existem quatro tipos principais de armazenamento de energia de hidrogênio: armazenamento de gás comprimido, armazenamento subterrâneo, armazenamento de líquidos e armazenamento sólido.O hidrogênio comprimido é o principal tipo utilizado em veículos com células de combustível, como ônibus e empilhadeiras.No entanto, este armazenamento proporciona uma baixa densidade aparente de hidrogénio (aproximadamente 0,089 kg/m3) e tem problemas de segurança associados à elevada pressão operacional3.Com base num processo de conversão a baixa temperatura e pressão ambiente, o armazenamento líquido irá armazenar hidrogénio na forma líquida.Porém, quando liquefeito, cerca de 40% da energia é perdida.Além disso, esta tecnologia é conhecida por consumir mais energia e mão-de-obra em comparação com as tecnologias de armazenamento em estado sólido4.O armazenamento sólido é uma opção viável para uma economia de hidrogénio, que armazena hidrogénio incorporando hidrogénio em materiais sólidos através de absorção e libertando hidrogénio através de dessorção.O hidreto metálico (MH), uma tecnologia de armazenamento de materiais sólidos, é de interesse recente em aplicações de células de combustível devido à sua alta capacidade de hidrogênio, baixa pressão operacional e baixo custo em comparação ao armazenamento de líquidos, e é adequado para aplicações estacionárias e móveis6,7 Em Além disso, os materiais MH também fornecem propriedades de segurança, como armazenamento eficiente de grande capacidade8.Porém, existe um problema que limita a produtividade do MG: a baixa condutividade térmica do reator MG leva à lenta absorção e dessorção do hidrogênio.
A transferência adequada de calor durante reações exotérmicas e endotérmicas é a chave para melhorar o desempenho dos reatores MH.Para o processo de carregamento de hidrogênio, o calor gerado deve ser removido do reator para controlar o fluxo de carregamento de hidrogênio na taxa desejada com capacidade máxima de armazenamento.Em vez disso, é necessário calor para aumentar a taxa de evolução do hidrogénio durante a descarga.A fim de melhorar o desempenho da transferência de calor e massa, muitos pesquisadores estudaram o projeto e a otimização com base em múltiplos fatores, como parâmetros operacionais, estrutura do MG e otimização do MG11.A otimização do MG pode ser feita adicionando materiais de alta condutividade térmica, como espumas metálicas, às camadas MG 12,13.Assim, a condutividade térmica efetiva pode ser aumentada de 0,1 para 2 W/mK10.No entanto, a adição de materiais sólidos reduz significativamente a potência do reator MN.No que diz respeito aos parâmetros operacionais, melhorias podem ser alcançadas otimizando as condições operacionais iniciais da camada MG e refrigerante (HTF).A estrutura do MG pode ser otimizada devido à geometria do reator e ao projeto do trocador de calor.Quanto à configuração do trocador de calor do reator MH, os métodos podem ser divididos em dois tipos.Estes são trocadores de calor internos embutidos na camada MO e trocadores de calor externos que cobrem a camada MO, como aletas, camisas de resfriamento e banhos-maria.Com relação ao trocador de calor externo, Kaplan16 analisou o funcionamento do reator MH, utilizando água de resfriamento como camisa para reduzir a temperatura no interior do reator.Os resultados foram comparados com um reator de 22 aletas redondas e outro reator resfriado por convecção natural.Afirmam que a presença de uma camisa de resfriamento reduz significativamente a temperatura do MH, aumentando assim a taxa de absorção.Estudos numéricos do reator MH revestido de água por Patil e Gopal mostraram que a pressão de fornecimento de hidrogênio e a temperatura do HTF são parâmetros-chave que influenciam a taxa de absorção e dessorção de hidrogênio.
Aumentar a área de transferência de calor adicionando aletas e trocadores de calor integrados ao MH é a chave para melhorar o desempenho da transferência de calor e massa e, portanto, o desempenho de armazenamento do MH18.Várias configurações internas de trocadores de calor (tubo reto e bobina espiral) foram projetadas para circular o refrigerante no reator MH19,20,21,22,23,24,25,26.Usando um trocador de calor interno, o líquido de resfriamento ou aquecimento transferirá calor local dentro do reator MH durante o processo de adsorção de hidrogênio.Raju e Kumar [27] utilizaram vários tubos retos como trocadores de calor para melhorar o desempenho do MG.Seus resultados mostraram que os tempos de absorção foram reduzidos quando tubos retos foram usados como trocadores de calor.Além disso, o uso de tubos retos encurta o tempo de dessorção de hidrogênio28.Taxas de fluxo de refrigerante mais altas aumentam a taxa de carga e descarga de hidrogênio29.No entanto, aumentar o número de tubos de resfriamento tem um efeito positivo no desempenho do MH, e não na taxa de fluxo do refrigerante30,31.Raju et al.32 usaram LaMi4.7Al0.3 como material MH para estudar o desempenho de trocadores de calor multitubos em reatores.Eles relataram que os parâmetros operacionais tiveram um efeito significativo no processo de absorção, especialmente a pressão de alimentação e depois a vazão do HTF.No entanto, a temperatura de absorção revelou-se menos crítica.
O desempenho do reator MH é ainda melhorado pelo uso de um trocador de calor em espiral devido à sua melhor transferência de calor em comparação com tubos retos.Isso ocorre porque o ciclo secundário pode remover melhor o calor do reator25.Além disso, os tubos espirais proporcionam uma grande área superficial para transferência de calor da camada MH para o refrigerante.Quando este método é introduzido dentro do reator, a distribuição dos tubos de troca de calor também é mais uniforme33.Wang et al.34 estudaram o efeito da duração da absorção de hidrogênio adicionando uma bobina helicoidal a um reator MH.Seus resultados mostram que à medida que o coeficiente de transferência de calor do refrigerante aumenta, o tempo de absorção diminui.Wu et al.25 investigaram o desempenho de reatores MH baseados em Mg2Ni e trocadores de calor de bobina enrolada.Seus estudos numéricos mostraram uma redução no tempo de reação.A melhoria do mecanismo de transferência de calor no reator MN é baseada em uma proporção menor entre o passo do parafuso e o passo do parafuso e um passo do parafuso adimensional.Um estudo experimental realizado por Mellouli et al.21 usando uma bobina enrolada como trocador de calor interno mostrou que a temperatura inicial do HTF tem um efeito significativo na melhoria da absorção de hidrogênio e no tempo de dessorção.Combinações de diferentes trocadores de calor internos foram realizadas em diversos estudos.Eisapur et al.35 estudaram o armazenamento de hidrogênio usando um trocador de calor em espiral com tubo de retorno central para melhorar o processo de absorção de hidrogênio.Seus resultados mostraram que o tubo espiral e o tubo de retorno central melhoram significativamente a transferência de calor entre o refrigerante e o MG.O passo menor e o diâmetro maior do tubo espiral aumentam a taxa de transferência de calor e massa.Ardahaie et al.36 usaram tubos espirais planos como trocadores de calor para melhorar a transferência de calor dentro do reator.Eles relataram que a duração da absorção foi reduzida pelo aumento do número de planos de tubos espirais achatados.Combinações de diferentes trocadores de calor internos foram realizadas em diversos estudos.Dhau et al.37 melhorou o desempenho do MH usando um trocador de calor de bobina enrolada e aletas.Seus resultados mostram que este método reduz o tempo de enchimento de hidrogênio por um fator de 2 em comparação com o caso sem aletas.As aletas anulares são combinadas com tubos de resfriamento e incorporadas ao reator MN.Os resultados deste estudo mostram que este método combinado proporciona uma transferência de calor mais uniforme em comparação com o reator MH sem aletas.No entanto, a combinação de diferentes trocadores de calor afetará negativamente o peso e o volume do reator MH.Wu et al.18 compararam diferentes configurações de trocadores de calor.Estes incluem tubos retos, aletas e bobinas espirais.Os autores relatam que as bobinas espirais proporcionam as melhores melhorias na transferência de calor e massa.Além disso, em comparação com tubos retos, tubos em espiral e tubos retos combinados com tubos em espiral, as bobinas duplas têm um efeito melhor na melhoria da transferência de calor.Um estudo de Sekhar et al.40 mostrou que uma melhoria semelhante na absorção de hidrogênio foi alcançada usando uma bobina em espiral como trocador de calor interno e uma camisa de resfriamento externa com aletas.
Dos exemplos mencionados acima, o uso de bobinas espirais como trocadores de calor internos proporciona melhores melhorias na transferência de calor e massa do que outros trocadores de calor, especialmente tubos retos e aletas.Portanto, o objetivo deste estudo foi desenvolver ainda mais a bobina espiral para melhorar o desempenho da transferência de calor.Pela primeira vez, uma nova bobina semicilíndrica foi desenvolvida com base na bobina helicoidal de armazenamento MH convencional.Espera-se que este estudo melhore o desempenho do armazenamento de hidrogênio, considerando um novo projeto de trocador de calor com um melhor layout da zona de transferência de calor fornecido por um volume constante de leito MH e tubos HTF.O desempenho de armazenamento deste novo trocador de calor foi então comparado ao dos trocadores de calor de bobina espiral convencionais com base em diferentes passos de bobina.De acordo com a literatura existente, as condições de operação e o espaçamento das bobinas são os principais fatores que afetam o desempenho dos reatores MH.Para otimizar o projeto deste novo trocador de calor, foi investigado o efeito do espaçamento da bobina no tempo de absorção de hidrogênio e no volume de MH.Além disso, a fim de compreender a relação entre as novas bobinas hemicilíndricas e as condições de operação, um objetivo secundário deste estudo foi estudar as características do reator de acordo com diferentes faixas de parâmetros operacionais e determinar os valores apropriados para cada operação. modo.parâmetro.
O desempenho do dispositivo de armazenamento de energia de hidrogênio neste estudo é investigado com base em duas configurações de trocadores de calor (incluindo tubos espirais nos casos 1 a 3 e tubos semicilíndricos nos casos 4 a 6) e uma análise de sensibilidade dos parâmetros operacionais.A operabilidade do reator MH foi testada pela primeira vez usando um tubo espiral como trocador de calor.Tanto o tubo de óleo refrigerante quanto o recipiente do reator MH são feitos de aço inoxidável.Deve-se notar que as dimensões do reator MG e o diâmetro dos tubos GTF foram constantes em todos os casos, enquanto os tamanhos dos degraus do GTF variaram.Esta seção analisa o efeito do tamanho do pitch das bobinas HTF.A altura e o diâmetro externo do reator eram de 110 mm e 156 mm, respectivamente.O diâmetro do tubo de óleo condutor de calor é definido em 6 mm.Consulte a Seção Suplementar para obter detalhes sobre o diagrama do circuito do reator MH com tubos espirais e dois tubos semicilíndricos.
Na fig.1a mostra o reator de tubo espiral MH e suas dimensões.Todos os parâmetros geométricos são fornecidos na tabela.1. O volume total da hélice e o volume do ZG são aproximadamente 100 cm3 e 2.000 cm3, respectivamente.A partir deste reator MH, o ar na forma de HTF foi alimentado no reator MH poroso por baixo através de um tubo espiral, e o hidrogênio foi introduzido a partir da superfície superior do reator.
Caracterização de geometrias selecionadas para reatores de hidreto metálico.a) com trocador de calor tubular espiral, b) com trocador de calor tubular semicilíndrico.
A segunda parte examina o funcionamento do reator MH baseado em um tubo semicilíndrico como trocador de calor.Na fig.1b mostra o reator MN com dois tubos semicilíndricos e suas dimensões.A Tabela 1 lista todos os parâmetros geométricos dos tubos semicilíndricos, que permanecem constantes, com exceção da distância entre eles.Deve-se notar que o tubo semicilíndrico no Caso 4 foi projetado com um volume constante de tubo HTF e liga MH no tubo enrolado (opção 3).Quanto à fig.1b, o ar também foi introduzido a partir do fundo dos dois tubos HTF semicilíndricos e o hidrogênio foi introduzido na direção oposta do reator MH.
Devido ao novo design do trocador de calor, o objetivo desta seção é determinar os valores iniciais apropriados para os parâmetros operacionais do reator MH em combinação com o SCHE.Em todos os casos, o ar foi utilizado como refrigerante para remover o calor do reator.Entre os óleos de transferência de calor, o ar e a água são comumente escolhidos como óleos de transferência de calor para reatores MH devido ao seu baixo custo e baixo impacto ambiental.Devido à alta faixa de temperatura operacional das ligas à base de magnésio, o ar foi escolhido como refrigerante neste estudo.Além disso, também possui melhores características de fluxo do que outros metais líquidos e sais fundidos41.A Tabela 2 lista as propriedades do ar a 573 K. Para a análise de sensibilidade nesta seção, apenas as melhores configurações das opções de desempenho MH-SCHE (nos casos 4 a 6) são aplicadas.As estimativas nesta seção são baseadas em vários parâmetros operacionais, incluindo a temperatura inicial do reator MH, a pressão de carregamento de hidrogênio, a temperatura de entrada do HTF e o número de Reynolds calculado alterando a taxa de HTF.A Tabela 3 contém todos os parâmetros operacionais utilizados para análise de sensibilidade.
Esta seção descreve todas as equações de controle necessárias para o processo de absorção de hidrogênio, turbulência e transferência de calor de refrigerantes.
Para simplificar a solução da reacção de absorção de hidrogénio, são feitas e fornecidas as seguintes suposições;
Durante a absorção, as propriedades termofísicas do hidrogênio e dos hidretos metálicos são constantes.
O hidrogênio é considerado um gás ideal, portanto são levadas em consideração as condições locais de equilíbrio térmico43,44.
onde \({L}_{gas}\) é o raio do tanque e \({L}_{heat}\) é a altura axial do tanque.Quando N é menor que 0,0146, o fluxo de hidrogênio no tanque pode ser ignorado na simulação sem erros significativos.De acordo com pesquisas atuais, N é muito inferior a 0,1.Portanto, o efeito do gradiente de pressão pode ser desprezado.
As paredes do reator estavam bem isoladas em todos os casos.Portanto, não há troca de calor 47 entre o reator e o ambiente.
É bem conhecido que as ligas à base de Mg possuem boas características de hidrogenação e alta capacidade de armazenamento de hidrogênio de até 7,6% em peso8.Em termos de aplicações de armazenamento de hidrogênio em estado sólido, essas ligas também são conhecidas como materiais leves.Além disso, possuem excelente resistência ao calor e boa processabilidade8.Entre várias ligas à base de Mg, a liga de MgNi à base de Mg2Ni é uma das opções mais adequadas para armazenamento de MH devido à sua capacidade de armazenamento de hidrogênio de até 6% em peso.As ligas Mg2Ni também fornecem cinética de adsorção e dessorção mais rápida em comparação com a liga MgH48.Portanto, Mg2Ni foi escolhido como material de hidreto metálico neste estudo.
A equação de energia é expressa como 25 com base no balanço de calor entre hidrogênio e hidreto de Mg2Ni:
X é a quantidade de hidrogênio absorvido na superfície do metal, a unidade é \(peso\%\), calculada a partir da equação cinética \(\frac{dX}{dt}\) durante a absorção como segue49:
onde \({C}_{a}\) é a taxa de reação e \({E}_{a}\) é a energia de ativação.\({P}_{a,eq}\) é a pressão de equilíbrio dentro do reator de hidreto metálico durante o processo de absorção, dada pela equação de van't Hoff como segue25:
Onde \({P}_{ref}\) é a pressão de referência de 0,1 MPa.\(\Delta H\) e \(\Delta S\) são a entalpia e a entropia da reação, respectivamente.As propriedades das ligas Mg2Ni e hidrogênio são apresentadas na tabela.4. A lista nomeada encontra-se na seção suplementar.
O fluxo de fluido é considerado turbulento porque sua velocidade e número de Reynolds (Re) são 78,75 ms-1 e 14.000, respectivamente.Neste estudo, foi escolhido um modelo de turbulência k-ε alcançável.Observa-se que este método fornece maior precisão em comparação com outros métodos k-ε, e também requer menos tempo de cálculo do que os métodos RNG k-ε50,51.Consulte a Seção Suplementar para obter detalhes sobre as equações básicas para fluidos de transferência de calor.
Inicialmente, o regime de temperatura no reator MN era uniforme e a concentração média de hidrogênio era de 0,043.Supõe-se que o limite externo do reator MH esteja bem isolado.As ligas à base de magnésio normalmente requerem altas temperaturas operacionais de reação para armazenar e liberar hidrogênio no reator.A liga Mg2Ni requer uma faixa de temperatura de 523 a 603 K para absorção máxima e uma faixa de temperatura de 573 a 603 K para dessorção completa .Entretanto, estudos experimentais de Muthukumar et al.53 mostraram que a capacidade máxima de armazenamento de Mg2Ni para armazenamento de hidrogênio pode ser alcançada a uma temperatura operacional de 573 K, o que corresponde à sua capacidade teórica.Portanto, a temperatura de 573 K foi escolhida como temperatura inicial do reator MN neste estudo.
Crie diferentes tamanhos de grade para validação e resultados confiáveis.Na fig.2 mostra a temperatura média em locais selecionados no processo de absorção de hidrogênio de quatro elementos diferentes.Vale ressaltar que apenas um caso de cada configuração é selecionado para testar a independência da grade devido à geometria semelhante.O mesmo método de malha é aplicado em outros casos.Portanto, escolha a opção 1 para o tubo espiral e a opção 4 para o tubo semicilíndrico.Na fig.2a, b mostra a temperatura média no reator para as opções 1 e 4, respectivamente.Os três locais selecionados representam contornos de temperatura do leito na parte superior, intermediária e inferior do reator.Com base nos contornos de temperatura nos locais selecionados, a temperatura média torna-se estável e mostra pouca alteração nos números dos elementos 428.891 e 430.599 para os casos 1 e 4, respectivamente.Portanto, esses tamanhos de grade foram escolhidos para cálculos computacionais posteriores.Informações detalhadas sobre a temperatura média do leito para o processo de absorção de hidrogênio para vários tamanhos de células e malhas sucessivamente refinadas para ambos os casos são fornecidas na seção suplementar.
Temperatura média do leito em pontos selecionados no processo de absorção de hidrogênio em um reator de hidreto metálico com diferentes números de grade.(a) Temperatura média em locais selecionados para o caso 1 e (b) Temperatura média em locais selecionados para o caso 4.
O reator de hidreto metálico à base de Mg neste estudo foi testado com base nos resultados experimentais de Muthukumar et al.53.Em seu estudo, eles usaram uma liga Mg2Ni para armazenar hidrogênio em tubos de aço inoxidável.Aletas de cobre são usadas para melhorar a transferência de calor dentro do reator.Na fig.3a mostra uma comparação da temperatura média do leito do processo de absorção entre o estudo experimental e este estudo.As condições de operação escolhidas para este experimento são: temperatura inicial MG 573 K e pressão de entrada 2 MPa.Da fig.3a pode ser claramente mostrado que este resultado experimental está de acordo com o presente no que diz respeito à temperatura média da camada.
Verificação do modelo.(a) Verificação do código do reator de hidreto metálico Mg2Ni comparando o estudo atual com o trabalho experimental de Muthukumar et al.52, e (b) verificação do modelo de fluxo turbulento de tubo espiral comparando o estudo atual com o de Kumar et al. .Pesquisa.54.
Para testar o modelo de turbulência, os resultados deste estudo foram comparados com os resultados experimentais de Kumar et al.54 para confirmar a correção do modelo de turbulência escolhido.Kumar et al.54 estudaram escoamento turbulento em um trocador de calor espiral tubo-em-tubo.A água é usada como fluido quente e frio injetado de lados opostos.As temperaturas do líquido quente e frio são 323 K e 300 K, respectivamente.Os números de Reynolds variam de 3.100 a 5.700 para líquidos quentes e de 21.000 a 35.000 para líquidos frios.Os números Dean são 550-1000 para líquidos quentes e 3600-6000 para líquidos frios.Os diâmetros do tubo interno (para líquido quente) e do tubo externo (para líquido frio) são 0,0254 m e 0,0508 m, respectivamente.O diâmetro e o passo da bobina helicoidal são 0,762 m e 0,100 m, respectivamente.Na fig.3b mostra uma comparação de resultados experimentais e atuais para vários pares de números de Nusselt e Dean para o refrigerante no tubo interno.Três diferentes modelos de turbulência foram implementados e comparados com resultados experimentais.Como mostrado na fig.3b, os resultados do modelo de turbulência k-ε alcançável estão de acordo com os dados experimentais.Portanto, este modelo foi escolhido neste estudo.
Simulações numéricas neste estudo foram realizadas usando ANSYS Fluent 2020 R2.Escreva uma função definida pelo usuário (UDF) e use-a como termo de entrada da equação de energia para calcular a cinética do processo de absorção.O circuito PRESTO55 e o método PISO56 são usados para comunicação pressão-velocidade e correção de pressão.Selecione uma base de célula Greene-Gauss para o gradiente variável.As equações de momento e energia são resolvidas pelo método upwind de segunda ordem.No que diz respeito aos coeficientes de sub-relaxamento, os componentes de pressão, velocidade e energia são definidos em 0,5, 0,7 e 0,7, respectivamente.As funções de parede padrão são aplicadas ao HTF no modelo de turbulência.
Esta seção apresenta os resultados de simulações numéricas de melhor transferência de calor interna de um reator MH usando um trocador de calor de bobina enrolada (HCHE) e um trocador de calor de bobina helicoidal (SCHE) durante a absorção de hidrogênio.O efeito do pitch HTF na temperatura do leito do reator e na duração da absorção foi analisado.Os principais parâmetros operacionais do processo de absorção são estudados e apresentados na seção de análise de sensibilidade.
Para investigar o efeito do espaçamento das bobinas na transferência de calor em um reator MH, foram investigadas três configurações de trocadores de calor com diferentes passos.Os três passos diferentes de 15 mm, 12,86 mm e 10 mm são designados corpo 1, corpo 2 e corpo 3, respectivamente.Deve-se notar que o diâmetro do tubo foi fixado em 6 mm a uma temperatura inicial de 573 K e uma pressão de carga de 1,8 MPa em todos os casos.Na fig.A Figura 4 mostra a temperatura média do leito e a concentração média de hidrogênio na camada MH durante o processo de absorção de hidrogênio nos casos 1 a 3. Tipicamente, a reação entre o hidreto metálico e o hidrogênio é exotérmica ao processo de absorção.Portanto, a temperatura do leito aumenta rapidamente devido ao momento inicial em que o hidrogênio é introduzido pela primeira vez no reator.A temperatura do leito aumenta até atingir um valor máximo e depois diminui gradativamente à medida que o calor é levado pelo refrigerante, que tem temperatura mais baixa e atua como refrigerante.Como mostrado na fig.4a, devido à explicação anterior, a temperatura da camada aumenta rapidamente e diminui continuamente.A concentração de hidrogênio para o processo de absorção é geralmente baseada na temperatura do leito do reator MH.Quando a temperatura média da camada cai para uma determinada temperatura, a superfície metálica absorve hidrogênio.Isso se deve à aceleração dos processos de fisissorção, quimissorção, difusão do hidrogênio e formação de seus hidretos no reator.Da fig.4b pode-se observar que a taxa de absorção de hidrogênio no caso 3 é menor do que nos outros casos devido ao menor valor do passo do trocador de calor da bobina.Isto resulta num comprimento total do tubo mais longo e numa área de transferência de calor maior para tubos HTF.Com uma concentração média de hidrogênio de 90%, o tempo de absorção do Caso 1 é de 46.276 segundos.Em comparação com a duração da absorção no caso 1, a duração da absorção nos casos 2 e 3 foi reduzida em 724 s e 1263 s, respectivamente.A seção suplementar apresenta contornos de temperatura e concentração de hidrogênio para locais selecionados na camada HCHE-MH.
Influência da distância entre bobinas na temperatura média da camada e na concentração de hidrogênio.(a) Temperatura média do leito para bobinas helicoidais, (b) concentração de hidrogênio para bobinas helicoidais, (c) temperatura média do leito para bobinas hemicilíndricas e (d) concentração de hidrogênio para bobinas hemicilíndricas.
Para melhorar as características de transferência de calor do reator MG, dois HFCs foram projetados para um volume constante do MG (2.000 cm3) e um trocador de calor espiral (100 cm3) da Opção 3. Esta seção também considera o efeito da distância entre o reator MG. bobinas de 15 mm para a caixa 4, 12,86 mm para a caixa 5 e 10 mm para a caixa 6. Na fig.4c,d mostram a temperatura média do leito e a concentração do processo de absorção de hidrogênio a uma temperatura inicial de 573 K e uma pressão de carga de 1,8 MPa.De acordo com a temperatura média da camada na Fig. 4c, a menor distância entre as bobinas no caso 6 reduz significativamente a temperatura em comparação com os outros dois casos.Para o caso 6, uma temperatura de leito mais baixa resulta numa concentração de hidrogénio mais elevada (ver Fig. 4d).O tempo de absorção de hidrogênio para a Variante 4 é 19.542 s, que é mais de 2 vezes menor do que para as Variantes 1-3 usando HCH.Além disso, comparado ao caso 4, o tempo de absorção também foi reduzido em 378 s e 1515 s nos casos 5 e 6 com distâncias menores.A seção suplementar apresenta contornos de temperatura e concentração de hidrogênio para locais selecionados na camada SCHE-MH.
Para estudar o desempenho de duas configurações de trocadores de calor, esta seção traça e apresenta curvas de temperatura em três locais selecionados.O reator MH com HCHE do caso 3 foi escolhido para comparação com o reator MH contendo SCHE no caso 4 porque possui volume de MH e volume de tubo constantes.As condições operacionais para esta comparação foram uma temperatura inicial de 573 K e uma pressão de carga de 1,8 MPa.Na fig.5a e 5b mostram todas as três posições selecionadas dos perfis de temperatura nos casos 3 e 4, respectivamente.Na fig.5c mostra o perfil de temperatura e a concentração da camada após 20.000 s de absorção de hidrogênio.De acordo com a linha 1 da Fig. 5c, a temperatura em torno do TTF das opções 3 e 4 diminui devido à transferência de calor por convecção do refrigerante.Isso resulta em uma maior concentração de hidrogênio em torno desta área.No entanto, a utilização de dois SCHEs resulta numa concentração de camada mais elevada.Respostas cinéticas mais rápidas foram encontradas em torno da região HTF no caso 4. Além disso, também foi encontrada uma concentração máxima de 100% nesta região.A partir da linha 2 localizada no meio do reator, a temperatura do caso 4 é significativamente inferior à temperatura do caso 3 em todos os locais, exceto no centro do reator.Isto resulta na concentração máxima de hidrogênio para o caso 4, exceto para a região próxima ao centro do reator, longe do HTF.Contudo, a concentração do caso 3 não mudou muito.Uma grande diferença na temperatura e concentração da camada foi observada na linha 3 próximo à entrada do GTS.A temperatura da camada no caso 4 diminuiu significativamente, resultando na maior concentração de hidrogênio nesta região, enquanto a linha de concentração no caso 3 ainda estava flutuando.Isto se deve à aceleração da transferência de calor SCHE.Detalhes e discussão da comparação da temperatura média da camada MH e do tubo HTF entre o caso 3 e o caso 4 são fornecidos na seção suplementar.
Perfil de temperatura e concentração de leito em locais selecionados no reator de hidreto metálico.(a) Locais selecionados para o caso 3, (b) Locais selecionados para o caso 4 e (c) Perfil de temperatura e concentração de camada em locais selecionados após 20.000 s para o processo de absorção de hidrogênio nos casos 3 e 4.
Na fig.A Figura 6 mostra uma comparação entre a temperatura média do leito (ver Fig. 6a) e a concentração de hidrogênio (ver Fig. 6b) para a absorção de HCH e SHE.Pode-se observar nesta figura que a temperatura da camada MG diminui significativamente devido ao aumento na área de troca de calor.A remoção de mais calor do reator resulta em uma maior taxa de absorção de hidrogênio.Embora as duas configurações de trocadores de calor tenham os mesmos volumes em comparação com o uso de HCHE como Opção 3, o tempo de absorção de hidrogênio do SCHE com base na Opção 4 foi significativamente reduzido em 59%.Para uma análise mais detalhada, as concentrações de hidrogênio para as duas configurações de trocadores de calor são mostradas como isolinhas na Figura 7. Esta figura mostra que em ambos os casos, o hidrogênio começa a ser absorvido por baixo ao redor da entrada do HTF.Maiores concentrações foram encontradas na região HTF, enquanto menores concentrações foram observadas no centro do reator MH devido à sua distância do trocador de calor.Após 10.000 s, a concentração de hidrogênio no caso 4 é significativamente maior do que no caso 3. Após 20.000 segundos, a concentração média de hidrogênio no reator aumentou para 90% no caso 4, em comparação com 50% de hidrogênio no caso 3. Isto pode ser devido à maior capacidade de resfriamento efetiva da combinação de dois SCHEs, resultando em uma temperatura mais baixa dentro da camada MH.Consequentemente, uma pressão mais equilibrada cai dentro da camada MG, o que leva a uma absorção mais rápida de hidrogênio.
Caso 3 e Caso 4 Comparação da temperatura média do leito e concentração de hidrogênio entre duas configurações de trocadores de calor.
Comparação da concentração de hidrogênio após 500, 2.000, 5.000, 10.000 e 20.000 s após o início do processo de absorção de hidrogênio no caso 3 e no caso 4.
A Tabela 5 resume a duração da absorção de hidrogênio para todos os casos.Além disso, a tabela também mostra o tempo de absorção do hidrogênio, expresso em porcentagem.Esta percentagem é calculada com base no tempo de absorção do Caso 1. A partir desta tabela, o tempo de absorção do reator MH usando HCHE é de cerca de 45.000 a 46.000 s, e o tempo de absorção incluindo SCHE é de cerca de 18.000 a 19.000 s.Comparado ao Caso 1, o tempo de absorção no Caso 2 e no Caso 3 foi reduzido em apenas 1,6% e 2,7%, respectivamente.Ao utilizar SCHE em vez de HCHE, o tempo de absorção foi significativamente reduzido do caso 4 para o caso 6, de 58% para 61%.É claro que a adição de SCHE ao reator MH melhora muito o processo de absorção de hidrogênio e o desempenho do reator MH.Embora a instalação de um trocador de calor dentro do reator MH reduza a capacidade de armazenamento, esta tecnologia proporciona uma melhoria significativa na transferência de calor em comparação com outras tecnologias.Além disso, diminuir o valor do pitch aumentará o volume do SCHE, resultando em uma diminuição no volume do MH.No caso 6 com maior volume de SCHE, a capacidade volumétrica de HM foi reduzida apenas em 5% em comparação ao caso 1 com menor volume de HCHE.Além disso, durante a absorção, o caso 6 apresentou desempenho melhor e mais rápido com redução de 61% no tempo de absorção.Portanto o caso 6 foi escolhido para investigação adicional na análise de sensibilidade.Deve-se notar que o longo tempo de absorção de hidrogênio está associado a um tanque de armazenamento contendo um volume de MH de cerca de 2.000 cm3.
Os parâmetros operacionais durante a reação são fatores importantes que afetam positiva ou negativamente o desempenho do reator MH em condições reais.Este estudo considera uma análise de sensibilidade para determinar os parâmetros operacionais iniciais apropriados para um reator MH em combinação com SCHE, e esta seção investiga os quatro principais parâmetros operacionais com base na configuração ideal do reator no caso 6. Os resultados para todas as condições operacionais são mostrados em Figura 8.
Gráfico da concentração de hidrogênio sob diversas condições de operação ao utilizar um trocador de calor com bobina semicilíndrica.(a) pressão de carga, (b) temperatura inicial do leito, (c) número de Reynolds do refrigerante e (d) temperatura de entrada do refrigerante.
Com base em uma temperatura inicial constante de 573 K e uma vazão de refrigerante com número de Reynolds de 14.000, quatro pressões de carga diferentes foram selecionadas: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa e 3,0 MPa.Na fig.8a mostra o efeito da pressão de carga e do SCHE na concentração de hidrogênio ao longo do tempo.O tempo de absorção diminui com o aumento da pressão de carga.Usar uma pressão de hidrogênio aplicada de 1,2 MPa é o pior caso para o processo de absorção de hidrogênio, e a duração da absorção excede 26.000 s para atingir 90% de absorção de hidrogênio.No entanto, a pressão de carga mais elevada resultou numa diminuição de 32-42% no tempo de absorção de 1,8 para 3,0 MPa.Isto se deve à maior pressão inicial do hidrogênio, o que resulta em uma maior diferença entre a pressão de equilíbrio e a pressão aplicada.Portanto, isso cria uma grande força motriz para a cinética de absorção de hidrogênio.No momento inicial, o gás hidrogênio é rapidamente absorvido devido à grande diferença entre a pressão de equilíbrio e a pressão aplicada57.A uma pressão de carga de 3,0 MPa, 18% de hidrogênio acumulou-se rapidamente durante os primeiros 10 segundos.O hidrogênio foi armazenado em 90% dos reatores no estágio final por 15.460 s.Contudo, a uma pressão de carga de 1,2 a 1,8 MPa, o tempo de absorção foi significativamente reduzido em 32%.Outras pressões mais elevadas tiveram menos efeito na melhoria dos tempos de absorção.Portanto, recomenda-se que a pressão de carga do reator MH-SCHE seja de 1,8 MPa.A seção suplementar mostra os contornos da concentração de hidrogênio para várias pressões de carga em 15.500 s.
A escolha de uma temperatura inicial adequada do reator MH é um dos principais fatores que afetam o processo de adsorção de hidrogênio, pois afeta a força motriz da reação de formação de hidreto.Para estudar o efeito do SCHE na temperatura inicial do reator MH, foram escolhidas quatro temperaturas diferentes a uma pressão de carga constante de 1,8 MPa e um número de Reynolds de 14.000 HTF.Na fig.A Figura 8b mostra uma comparação de várias temperaturas iniciais, incluindo 473K, 523K, 573K e 623K.Na verdade, quando a temperatura é superior a 230°C ou 503K58, a liga Mg2Ni apresenta características eficazes para o processo de absorção de hidrogênio.Porém, no momento inicial da injeção de hidrogênio, a temperatura aumenta rapidamente.Consequentemente, a temperatura da camada MG ultrapassará 523 K. Portanto, a formação de hidretos é facilitada devido ao aumento da taxa de absorção53.Da fig.Pode ser visto na Fig. 8b que o hidrogênio é absorvido mais rapidamente à medida que a temperatura inicial da camada MB diminui.Pressões de equilíbrio mais baixas ocorrem quando a temperatura inicial é mais baixa.Quanto maior a diferença de pressão entre a pressão de equilíbrio e a pressão aplicada, mais rápido será o processo de absorção de hidrogênio.A uma temperatura inicial de 473 K, o hidrogénio é rapidamente absorvido até 27% durante os primeiros 18 segundos.Além disso, o tempo de absorção também foi reduzido de 11% para 24% a uma temperatura inicial mais baixa em comparação com a temperatura inicial de 623 K. O tempo de absorção à temperatura inicial mais baixa de 473 K é de 15247 s, que é semelhante ao melhor No caso da pressão de carga, entretanto, a diminuição da temperatura inicial do reator leva a uma diminuição na capacidade de armazenamento de hidrogênio.A temperatura inicial do reator MN deve ser de pelo menos 503 K53.Além disso, a uma temperatura inicial de 573 K53, pode ser alcançada uma capacidade máxima de armazenamento de hidrogénio de 3,6% em peso.Em termos de capacidade de armazenamento de hidrogénio e duração da absorção, temperaturas entre 523 e 573 K encurtam o tempo em apenas 6%.Portanto, uma temperatura de 573 K é proposta como temperatura inicial do reator MH-SCHE.Porém, o efeito da temperatura inicial no processo de absorção foi menos significativo em comparação com a pressão de carga.A seção suplementar mostra os contornos da concentração de hidrogênio para várias temperaturas iniciais em 15.500 s.
A vazão é um dos principais parâmetros da hidrogenação e desidrogenação porque pode afetar a turbulência e a remoção ou entrada de calor durante a hidrogenação e desidrogenação .Altas taxas de fluxo criarão fases turbulentas e resultarão em fluxo de fluido mais rápido através da tubulação HTF.Esta reação resultará em uma transferência de calor mais rápida.Diferentes velocidades de entrada para HTF são calculadas com base nos números de Reynolds de 10.000, 14.000, 18.000 e 22.000.A temperatura inicial da camada MG foi fixada em 573 K e a pressão de carregamento em 1,8 MPa.Os resultados na fig.8c demonstram que a utilização de um número de Reynolds mais elevado em combinação com SCHE resulta numa taxa de captação mais elevada.À medida que o número de Reynolds aumenta de 10.000 para 22.000, o tempo de absorção diminui cerca de 28-50%.O tempo de absorção em um número de Reynolds de 22.000 é de 12.505 segundos, o que é menor do que em várias temperaturas e pressões de carregamento iniciais.Os contornos de concentração de hidrogênio para vários números de Reynolds para GTP em 12.500 s são apresentados na seção suplementar.
O efeito do SCHE na temperatura inicial do HTF é analisado e mostrado na Fig.A uma temperatura MG inicial de 573 K e uma pressão de carga de hidrogênio de 1,8 MPa, quatro temperaturas iniciais foram escolhidas para esta análise: 373 K, 473 K, 523 K e 573 K. 8d mostra que uma diminuição na temperatura do refrigerante na entrada leva a uma redução no tempo de absorção.Comparado ao caso base com temperatura de entrada de 573 K, o tempo de absorção foi reduzido em aproximadamente 20%, 44% e 56% para temperaturas de entrada de 523 K, 473 K e 373 K, respectivamente.Aos 6.917 C, a temperatura inicial do GTF é de 373 K, a concentração de hidrogênio no reator é de 90%.Isto pode ser explicado pela maior transferência de calor convectiva entre a camada MG e o HCS.Temperaturas mais baixas do HTF aumentarão a dissipação de calor e resultarão em maior absorção de hidrogênio.Dentre todos os parâmetros operacionais, melhorar o desempenho do reator MH-SCHE através do aumento da temperatura de entrada do HTF foi o método mais adequado, uma vez que o tempo final do processo de absorção foi inferior a 7000 s, enquanto o menor tempo de absorção dos outros métodos foi mais do que 10.000 s.Os contornos de concentração de hidrogênio são apresentados para várias temperaturas iniciais de GTP por 7.000 s.
Este estudo apresenta pela primeira vez um novo trocador de calor de bobina semicilíndrica integrado a uma unidade de armazenamento de hidreto metálico.A capacidade do sistema proposto de absorver hidrogênio foi investigada com várias configurações do trocador de calor.A influência dos parâmetros operacionais na troca de calor entre a camada de hidreto metálico e o refrigerante foi investigada a fim de encontrar as condições ideais para armazenamento de hidretos metálicos utilizando um novo trocador de calor.As principais conclusões deste estudo são resumidas da seguinte forma:
Com um trocador de calor de bobina semicilíndrica, o desempenho da transferência de calor é melhorado porque possui uma distribuição de calor mais uniforme no reator da camada de magnésio, resultando em uma melhor taxa de absorção de hidrogênio.Desde que o volume do tubo de troca de calor e do hidreto metálico permaneça inalterado, o tempo de reação de absorção é significativamente reduzido em 59% em comparação com um trocador de calor de bobina convencional.
Horário da postagem: 15 de janeiro de 2023