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金属水素化物（MH）は、水素貯蔵容量が大きく、作動圧力が低く、安全性が高いため、水素貯蔵に最も適した材料グループの1つとして認識されています。ただし、水素の取り込み速度が遅いため、貯蔵性能が大幅に低下します。MH 貯蔵庫からの熱の除去がより速くなると、水素の取り込み速度を高める上で重要な役割を果たし、その結果、貯蔵性能が向上する可能性があります。これに関して、この研究は、MH 貯蔵システムの水素吸収率にプラスの影響を与えるために、熱伝達特性を改善することを目的としていました。新しい半円筒形コイルは、水素貯蔵用に最初に開発および最適化され、内部空気熱交換器 (HTF) として組み込まれました。異なるピッチ サイズに基づいて、新しい熱交換器構成の効果が分析され、従来の螺旋コイル形状と比較されます。さらに、MG と GTP の貯蔵の動作パラメーターを数値的に研究し、最適な値を取得しました。数値シミュレーションには、ANSYS Fluent 2020 R2 が使用されます。この研究の結果は、半円筒形コイル熱交換器 (SCHE) を使用することで MH 貯蔵タンクの性能を大幅に向上できることを示しています。従来のスパイラルコイル熱交換器と比較して、水素吸収時間を59％短縮します。SCHE コイル間の距離を最小にすることで、吸収時間が 61% 短縮されました。SHE を使用した MG 貯蔵の動作パラメータに関しては、選択されたすべてのパラメータが水素吸収プロセス、特に HTS への入口温度の大幅な改善につながります。
化石燃料に基づくエネルギーから再生可能エネルギーへの世界的な移行が進んでいます。多くの形式の再生可能エネルギーは動的に電力を供給するため、負荷のバランスをとるためにエネルギー貯蔵が必要です。水素ベースのエネルギー貯蔵は、特にその特性と可搬性により「グリーン」代替燃料およびエネルギーキャリアとして使用できるため、この目的で多くの注目を集めています。さらに、水素は化石燃料と比較して、単位質量あたりのエネルギー含有量が高くなります2。水素エネルギー貯蔵には、圧縮ガス貯蔵、地下貯蔵、液体貯蔵、固体貯蔵の 4 つの主なタイプがあります。バスやフォークリフトなどの燃料電池車には圧縮水素が主に使用されています。ただし、この貯蔵では水素のかさ密度が低く (約 0.089 kg/m3)、高い動作圧力に伴う安全性の問題があります3。低い周囲温度と圧力での変換プロセスに基づいて、液体貯蔵器は水素を液体の形で貯蔵します。しかし、液化すると約40％のエネルギーが失われます。さらに、このテクノロジーは、ソリッド ステート ストレージ テクノロジーと比較して、より多くのエネルギーと労働力を消費することが知られています4。固体貯蔵は、水素経済の実現可能な選択肢であり、吸収によって固体材料に水素を組み込み、脱着によって水素を放出することによって水素を貯蔵する。固体材料貯蔵技術である金属水素化物（MH）は、液体貯蔵に比べて高い水素容量、低い動作圧力、低コストのため、燃料電池用途で最近注目されており、定置式および移動式用途に適しています6,7さらに、MH 材料は、大容量の効率的な保管などの安全性も提供します8。しかし、MG の生産性を制限する問題があります。MG 反応器の熱伝導率が低いため、水素の吸収と放出が遅くなります。
発熱反応および吸熱反応中の適切な熱伝達が、MH 反応器の性能を向上させる鍵となります。水素装填プロセスでは、最大の貯蔵容量を備えた所望の速度で水素装填流量を制御するために、発生した熱を反応器から除去する必要があります。その代わりに、放電中の水素発生速度を高めるために熱が必要となります。熱と物質の伝達性能を向上させるために、多くの研究者が動作パラメータ、MG 構造、MG11 の最適化などの複数の要素に基づいた設計と最適化を研究してきました。ＭＧの最適化は、発泡金属などの高熱伝導率材料をＭＧ層１２、１３に追加することによって行うことができる。したがって、有効熱伝導率は 0.1 W/mK10 から 2 W/mK10 に増加します。ただし、固体材料を追加すると、MN リアクターの出力が大幅に低下します。動作パラメータに関しては、MG 層と冷却剤 (HTF) の初期動作条件を最適化することで改善を達成できます。MG の構造は、反応器の形状と熱交換器の設計により最適化できます。MH反応器の熱交換器の構成は2種類に分けられます。MO 層に組み込まれた内部熱交換器と、MO 層を覆うフィン、冷却ジャケット、ウォーターバスなどの外部熱交換器です。外部熱交換器に関しては、Kaplan16 が原子炉内部の温度を下げるために冷却水をジャケットとして使用する MH 原子炉の動作を分析しました。結果を、22 ラウンドフィン反応器と自然対流によって冷却された別の反応器と比較しました。彼らは、冷却ジャケットの存在により MH の温度が大幅に低下し、それによって吸収速度が増加すると述べています。Patil と Gopal による水ジャケット付き MH 原子炉の数値研究 17 では、水素供給圧力と HTF 温度が水素の吸収と脱離の速度に影響を与える重要なパラメータであることが示されています。
MH に組み込まれたフィンと熱交換器を追加して熱伝達面積を増やすことが、熱と物質の伝達性能、ひいては MH18 の貯蔵性能を向上させる鍵となります。MH19、20、21、22、23、24、25、26 反応器内で冷却剤を循環させるために、いくつかの内部熱交換器構成 (直管とスパイラル コイル) が設計されています。内部熱交換器を使用すると、水素吸着プロセス中に冷却液または加熱液が MH 反応器内の局所熱を伝達します。Raju と Kumar [27] は、MG の性能を向上させるために熱交換器としていくつかの直管を使用しました。彼らの結果は、熱交換器として直管を使用すると吸収時間が短縮されることを示しました。さらに、直管の使用により、水素の脱離時間が短縮されます28。冷却剤の流量が増加すると、水素の充填および排出の速度が増加します29。ただし、冷却管の数を増やすことは、冷却剤の流量よりもむしろ MH の性能にプラスの効果をもたらします 30,31。Raju et al.32 は、原子炉内の多管式熱交換器の性能を研究するために、MH 材料として LaMi4.7Al0.3 を使用しました。彼らは、運転パラメータ、特に供給圧力、そして HTF の流量が吸収プロセスに大きな影響を与えると報告しました。ただし、吸収温度はそれほど重要ではないことが判明しました。
MH リアクターの性能は、スパイラル コイル熱交換器を使用すると、直管と比較して熱伝達が向上するため、さらに向上します。これは、二次サイクルの方が反応器から熱をより効果的に除去できるためです25。さらに、スパイラルチューブは、MH 層から冷却剤への熱伝達のための大きな表面積を提供します。この方法を反応器内に導入すると、熱交換管の分布もより均一になります33。王ら。34 は、MH 反応器にヘリカル コイルを追加することによって、水素の取り込み期間の影響を研究しました。彼らの結果は、冷却剤の熱伝達係数が増加するにつれて、吸収時間が減少することを示しています。ウーら。25は、Mg2NiベースのMH反応器とコイルドコイル熱交換器の性能を調査しました。彼らの数値研究により、反応時間の短縮が示されました。MN 反応器における熱伝達機構の改善は、スクリュー ピッチとスクリュー ピッチの比の縮小と無次元スクリュー ピッチに基づいています。内部熱交換器としてコイル状コイルを使用した Mellouli らによる実験研究 21 では、HTF 開始温度が水素の吸入および脱着時間の改善に大きな効果があることが示されました。さまざまな内部熱交換器の組み合わせがいくつかの研究で実施されています。エイサプールら。35 は、水素吸収プロセスを改善するために、中央リターンチューブを備えたスパイラルコイル熱交換器を使用した水素貯蔵を研究しました。彼らの結果は、スパイラルチューブと中央リターンチューブが冷却剤とMGの間の熱伝達を大幅に改善することを示しました。スパイラルチューブのピッチが小さくなり、直径が大きくなると、熱と物質の移動速度が増加します。アルダハイエら。36 社は、反応器内の熱伝達を改善するために熱交換器としてフラットスパイラルチューブを使用しました。彼らは、平坦な螺旋管の面の数を増やすことによって吸収期間が短縮されたと報告しました。さまざまな内部熱交換器の組み合わせがいくつかの研究で実施されています。ダウら。37はコイルドコイル熱交換器とフィンを使用してMHの性能を向上させました。彼らの結果は、この方法により、フィンがない場合と比較して水素充填時間が 2 分の 1 に短縮されることを示しています。環状フィンは冷却管と結合され、MN 反応器に組み込まれます。この研究の結果は、この組み合わせ方法がフィンのない MH 反応器と比較してより均一な熱伝達を提供することを示しています。ただし、異なる熱交換器を組み合わせると、MH 反応器の重量と体積に悪影響が生じます。Wu ら 18 は、さまざまな熱交換器構成を比較しました。これらには、直管、フィン、スパイラルコイルが含まれます。著者らは、スパイラルコイルが熱と物質の伝達を最も良く改善すると報告しています。また、直管、コイル管、直管とコイル管の組み合わせに比べて、ダブルコイルの方が熱伝達の向上効果が高い。Sekharらによる研究。図４０は、内部熱交換器としてスパイラルコイルを使用し、フィン付きの外部冷却ジャケットを使用すると、水素の取り込みにおいて同様の改善が達成されることを示した。
上で述べた例のうち、内部熱交換器としてスパイラル コイルを使用すると、他の熱交換器、特に直管やフィンよりも熱と物質の伝達が向上します。そこで、本研究ではスパイラルコイルをさらに開発し、熱伝達性能を向上させることを目的とした。従来のMH蓄積ヘリカルコイルをベースに、新たな半円筒形コイルを初めて開発しました。この研究は、一定体積の MH ベッドと HTF チューブによって提供される、より優れた伝熱ゾーン レイアウトを備えた新しい熱交換器設計を考慮することにより、水素貯蔵性能を向上させることが期待されます。次に、この新しい熱交換器の貯蔵性能を、異なるコイルピッチに基づいて従来のスパイラルコイル熱交換器と比較しました。既存の文献によると、運転条件とコイルの間隔が MH 原子炉の性能に影響を与える主な要因です。この新しい熱交換器の設計を最適化するために、水素の取り込み時間と MH の体積に対するコイル間隔の影響が調査されました。さらに、新しい半円筒形コイルと動作条件の関係を理解するために、この研究の第二の目標は、さまざまな動作パラメータ範囲に従ってリアクトルの特性を研究し、それぞれの動作に適切な値を決定することでした。モード。パラメータ。
この研究における水素エネルギー貯蔵デバイスの性能は、2 つの熱交換器構成 (ケース 1 ～ 3 のスパイラル チューブとケース 4 ～ 6 の半円筒形チューブを含む) および動作パラメータの感度分析に基づいて調査されます。熱交換器としてスパイラルチューブを使用して、MH 反応器の操作性が初めてテストされました。冷却油配管、MH反応容器ともにステンレス製です。MG リアクターの寸法と GTF パイプの直径はすべての場合において一定でしたが、GTF のステップ サイズは変化したことに注意してください。このセクションでは、HTF コイルのピッチ サイズの影響を分析します。反応器の高さは１１０ｍｍ、外径は１５６ｍｍであった。熱伝導オイルパイプの直径は6mmに設定されています。スパイラル管と 2 本の半円筒管を備えた MH リアクター回路図の詳細については、補足セクションを参照してください。
図上。図１ａは、ＭＨスパイラル管反応器とその寸法を示す。すべての幾何学的パラメータを表に示します。1. ヘリックスの総体積と ZG の体積は、それぞれ約 100 cm 3 と 2000 cm 3 です。このＭＨ反応器から、スパイラルチューブを介して多孔質ＭＨ反応器内にＨＴＦの形で空気を下方から供給し、反応器の上面から水素を導入した。
金属水素化物反応器の選択された形状の特性評価。a) スパイラルチューブ状熱交換器を使用する場合、b) 半円筒状チューブ状熱交換器を使用する場合。
2 番目の部分では、熱交換器としての半円筒管をベースにした MH 反応器の動作を検証します。図上。図１ｂは、２つの半円筒管を備えたＭＮ反応器とその寸法を示す。表 1 は、半円筒形パイプのすべての幾何学的パラメータを示しています。これらのパラメータは、パイプ間の距離を除いて一定のままです。ケース 4 の半円筒形チューブは、コイル状チューブ (オプション 3) 内に一定の体積の HTF チューブと MH 合金を使用して設計されたことに注意してください。図に関しては。図１ｂに示すように、２つの半円筒形ＨＴＦ管の底部からも空気を導入し、ＭＨ反応器の反対方向から水素を導入した。
熱交換器の新しい設計により、このセクションの目的は、SCHE と組み合わせた MH 反応器の動作パラメータの適切な初期値を決定することです。すべての場合において、反応器から熱を除去するための冷却剤として空気が使用された。熱媒油の中でも、空気と水は、低コストで環境への影響が低いため、MH 原子炉の熱媒油として一般的に選択されます。マグネシウムベースの合金は動作温度範囲が高いため、この研究では冷却剤として空気が選択されました。さらに、他の液体金属や溶融塩よりも優れた流動特性も備えています41。表 2 に、573 K における空気の特性を示します。このセクションの感度解析では、MH-SCHE パフォーマンス オプションの最適な構成 (ケース 4 ～ 6) のみが適用されます。このセクションの推定値は、MH 反応器の初期温度、水素装填圧力、HTF 入口温度、HTF 速度を変更することで計算されるレイノルズ数などのさまざまな運転パラメータに基づいています。表 3 には、感度分析に使用されるすべての動作パラメータが含まれています。
このセクションでは、冷却剤の水素吸収、乱流、熱伝達のプロセスに必要なすべての制御方程式について説明します。
水素取り込み反応の解を単純化するために、次の仮定を立てて提供します。
吸収中、水素および金属水素化物の熱物理的特性は一定です。
水素は理想気体であると考えられているため、局所的な熱平衡状態 43,44 が考慮されます。
ここで、\({L}_{gas}\) はタンクの半径、\({L}_{heat}\) はタンクの軸方向の高さです。N が 0.0146 未満の場合、タンク内の水素の流れは大きな誤差なくシミュレーションで無視できます。現在の研究によると、N は 0.1 よりもはるかに低いです。したがって、圧力勾配の影響は無視できます。
反応器の壁はすべての場合において十分に断熱されていた。したがって、反応器と環境との間に熱交換４７は存在しない。
Mg ベースの合金が優れた水素化特性と最大 7.6 wt% の高い水素貯蔵容量を有することはよく知られています8。固体水素貯蔵用途の観点からは、これらの合金は軽量材料としても知られています。また、耐熱性、加工性にも優れています8。いくつかの Mg ベース合金の中でも、Mg2Ni ベース MgNi 合金は、最大 6 wt% の水素貯蔵容量があるため、MH 貯蔵に最も適した選択肢の 1 つです。また、Mg2Ni 合金は、MgH48 合金と比較して、より速い吸着および脱着反応速度を実現します。したがって、この研究では金属水素化物材料として Mg2Ni が選択されました。
エネルギー方程式は、水素と Mg2Ni 水素化物の熱収支に基づいて 25 と表されます。
X は金属表面に吸収された水素の量であり、単位は \(重量\%\) であり、次のように吸収中の運動方程式 \(\frac{dX}{dt}\) から計算されます49:
ここで \({C}_{a}\) は反応速度、\({E}_{a}\) は活性化エネルギーです。\({P}_{a,eq}\) は、吸収プロセス中の金属水素化物反応器内の平衡圧力であり、次のようなヴァント ホフ方程式で与えられます25:
ここで、 \({P}_{ref}\) は基準圧力 0.1 MPa です。\(\Delta H\) と \(\Delta S\) は、それぞれ反応のエンタルピーとエントロピーです。合金 Mg2Ni と水素の特性を表に示します。4. 名前付きリストは補足セクションにあります。
流体の流れは、その速度とレイノルズ数 (Re) がそれぞれ 78.75 ms-1 と 14000 であるため、乱流であると考えられます。この研究では、達成可能な k-ε 乱流モデルが選択されました。この方法は他の k-ε 方法と比較して精度が高く、必要な計算時間も RNG k-ε50,51 方法よりも短いことに注意してください。熱伝達流体の基本方程式の詳細については、補足セクションを参照してください。
当初、MN 反応器内の温度状況は均一で、平均水素濃度は 0.043 でした。MH 原子炉の外側境界は十分に断熱されていると想定されます。マグネシウムベースの合金は通常、反応器内で水素を貯蔵および放出するために高い反応動作温度を必要とします。Mg2Ni 合金は、最大の吸収には 523 ～ 603 K の温度範囲が必要で、完全な脱着には 573 ～ 603 K の温度範囲が必要です52。しかし、Muthukumar らによる実験研究 53 では、水素貯蔵のための Mg2Ni の最大貯蔵容量は、その理論的容量に相当する 573 K の動作温度で達成できることが示されました。したがって、この研究では、MN 反応器の初期温度として 573 K の温度が選択されました。
検証と信頼性の高い結果を得るために、さまざまなグリッド サイズを作成します。図上。図２は、４つの異なる元素からの水素吸収プロセスにおける選択された位置の平均温度を示している。同様のジオメトリによるグリッドの独立性をテストするために、各構成の 1 つのケースだけが選択されることに注意してください。他の場合にも同じメッシュ化方法が適用されます。したがって、スパイラル パイプにはオプション 1、半円筒パイプにはオプション 4 を選択します。図上。図 2a、b はそれぞれオプション 1 および 4 の反応器内の平均温度を示しています。選択された 3 つの位置は、反応器の上部、中央、下部の床温度等高線を表します。選択した位置の等温線に基づくと、平均温度は安定し、ケース 1 とケース 4 の要素番号 428,891 と 430,599 にほとんど変化が見られません。したがって、これらのグリッド サイズは、さらなる計算のために選択されました。さまざまなセルサイズの水素吸収プロセスの平均床温度と、両方の場合の連続的にリファインされたメッシュに関する詳細情報は、補足セクションに記載されています。
異なるグリッド番号を使用した金属水素化物反応器内の水素吸収プロセスの選択されたポイントにおける平均床温度。(a) ケース 1 の選択した場所の平均温度、(b) ケース 4 の選択した場所の平均温度。
この研究における Mg ベースの金属水素化物反応器は、Muthukmar らの実験結果に基づいてテストされました53。彼らの研究では、ステンレス鋼管に水素を貯蔵するために Mg2Ni 合金を使用しました。銅フィンは、リアクター内の熱伝達を改善するために使用されます。図上。図３ａは、実験的研究とこの研究の間の吸収プロセス床の平均温度の比較を示す。この実験のために選択された動作条件は、MG 初期温度 573 K、入口圧力 2 MPa です。図から。図３ａから、この実験結果は平均層温度に関して現在の結果とよく一致していることが明確に示されている。
モデルの検証。(a) 現在の研究を Muthukmar らの実験研究と比較することによる Mg2Ni 金属水素化物反応器のコード検証 52、(b) 現在の研究と Kumar らの実験研究と比較することによるスパイラルチューブ乱流モデルの検証。研究.54。
乱流モデルをテストするために、この研究の結果を Kumar らの実験結果と比較しました。54、選択した乱流モデルの正確性を確認しました。Kumar ら 54 は、チューブインパイプスパイラル熱交換器内の乱流を研究しました。水を反対側から注入する温冷流体として使用します。熱い液体の温度と冷たい液体の温度はそれぞれ 323 K と 300 K です。レイノルズ数の範囲は、熱い液体では 3100 ～ 5700、冷たい液体では 21,000 ～ 35,000 です。ディーン番号は、熱い液体の場合は 550 ～ 1000、冷たい液体の場合は 3600 ～ 6000 です。内管（温液用）と外管（冷液用）の直径はそれぞれ0.0254m、0.0508mです。螺旋コイルの直径とピッチはそれぞれ 0.762 m と 0.100 m です。図上。図３ｂは、内管内の冷却剤のヌッセルト数とディーン数の様々な対についての実験結果と現在の結果との比較を示す。3 つの異なる乱流モデルを実装し、実験結果と比較しました。図に示すように。図３ｂに示すように、達成可能なｋ－ε乱流モデルの結果は実験データとよく一致している。したがって、この研究ではこのモデルが選択されました。
この研究の数値シミュレーションは、ANSYS Fluent 2020 R2 を使用して実行されました。ユーザー定義関数 (UDF) を作成し、それをエネルギー方程式の入力項として使用して、吸収プロセスの動力学を計算します。圧力速度通信と圧力補正にはPRESTO55回路とPISO56方式を採用。可変勾配のグリーン ガウス セル ベースを選択します。運動量とエネルギー方程式は 2 次風上法によって解きます。不足緩和係数に関しては、圧力、速度、エネルギー成分がそれぞれ 0.5、0.7、0.7 に設定されています。標準的な壁関数が乱流モデルの HTF に適用されます。
このセクションでは、水素吸収中のコイルドコイル熱交換器 (HCHE) およびヘリカルコイル熱交換器 (SCHE) を使用した MH 反応器の内部熱伝達の改善に関する数値シミュレーションの結果を示します。反応器床の温度および吸収期間に対するＨＴＦピッチの影響を分析した。吸収プロセスの主な動作パラメータは、感度分析セクションで調査および提示されます。
MH 反応器内の熱伝達に対するコイル間隔の影響を調査するために、ピッチの異なる 3 つの熱交換器構成を調査しました。15mm、12.86mm、10mm の 3 つの異なるピッチは、それぞれボディ 1、ボディ 2、ボディ 3 と呼ばれます。なお、いずれの場合も初期温度573K、負荷圧力1.8MPaにおいてパイプ径は6mmに固定した。図上。図４は、ケース１〜３における水素吸収プロセス中の平均床温度およびＭＨ層内の水素濃度を示す。通常、金属水素化物と水素との間の反応は、吸収プロセスに対して発熱性である。したがって、床の温度は、水素が最初に反応器に導入される最初の瞬間により急速に上昇します。床温度は最大値に達するまで上昇し、その後、温度が低く冷却剤として機能する冷却剤によって熱が運び去られるにつれて徐々に低下します。図に示すように。図４ａに示されるように、前の説明により、層の温度は急速に上昇し、連続的に低下する。吸収プロセスの水素濃度は通常、MH 反応器の床温度に基づきます。平均層温度がある温度まで低下すると、金属表面は水素を吸収します。これは、反応器内での水素の物理吸着、化学吸着、拡散、およびその水素化物の形成のプロセスが加速されるためです。図から。図４ｂから、コイル熱交換器のステップ値が小さいため、ケース３の水素吸収速度が他のケースよりも低いことが分かる。これにより、HTF パイプのパイプ全長が長くなり、伝熱面積が大きくなります。平均水素濃度 90% の場合、ケース 1 の吸収時間は 46,276 秒です。ケース 1 の吸収時間と比較して、ケース 2 とケース 3 の吸収時間はそれぞれ 724 秒と 1263 秒短縮されました。補足セクションでは、HCHE-MH 層内の選択された位置の温度と水素濃度の等高線を示します。
平均層温度と水素濃度に対するコイル間の距離の影響。(a) ヘリカルコイルの平均床温度、(b) ヘリカルコイルの水素濃度、(c) 半円筒コイルの平均床温度、(d) 半円筒コイルの水素濃度。
MG 反応器の熱伝達特性を改善するために、一定体積の MG (2000 cm3) とオプション 3 のスパイラル熱交換器 (100 cm3) 用に 2 つの HFC が設計されました。このセクションでは、反応器間の距離の影響も考慮します。ケース 4 のコイルは 15 mm、ケース 5 のコイルは 12.86 mm、ケース 6 のコイルは 10 mm です。図４ｃ、ｄは、５７３Ｋの初期温度および１．８ＭＰａの負荷圧力における水素吸収プロセスの平均床温度および濃度を示す。図4cの平均層温度によると、ケース6のコイル間の距離が小さいため、他の2つのケースに比べて温度が大幅に低下します。ケース 6 では、床温度が低いと水素濃度が高くなります (図 4d を参照)。バリアント 4 の水素取り込み時間は 19542 秒で、HCH を使用したバリアント 1 ～ 3 よりも 2 倍以上短いです。さらに、ケース 4 と比較して、距離が短いケース 5 および 6 では、吸収時間も 378 秒および 1515 秒短縮されました。補足セクションでは、SCHE-MH 層の選択された場所の温度と水素濃度の等高線を示します。
2 つの熱交換器構成のパフォーマンスを調査するために、このセクションでは、選択した 3 つの場所での温度曲線をプロットして示します。ケース 3 の HCHE を含む MH リアクターは、一定の MH 容積とパイプ容積を備えているため、ケース 4 の SCHE を含む MH リアクターとの比較のために選択されました。この比較の動作条件は、初期温度 573 K、負荷圧力 1.8 MPa でした。図上。図５ａおよび５ｂは、それぞれケース３および４における温度プロファイルの３つの選択された位置すべてを示す。図上。図５ｃは、２０，０００秒の水素取り込み後の温度プロファイルと層濃度を示す。図 5c の線 1 によれば、オプション 3 および 4 による TTF 周囲の温度は、冷却剤の対流熱伝達により低下します。これにより、この領域の周囲の水素濃度が高くなります。ただし、2 つの SCHE を使用すると、層の濃度が高くなります。ケース 4 では、HTF 領域付近でより速い速度論的応答が見られました。さらに、100% の最大濃度もこの領域で見られました。反応器の中央に位置するライン 2 から、反応器の中心を除くすべての場所で、ケース 4 の温度はケース 3 の温度よりも大幅に低くなります。これにより、HTF から離れた反応器の中心付近の領域を除いて、ケース 4 の最大水素濃度が得られます。ただし、ケース 3 の濃度はあまり変化しませんでした。GTS 入口付近の 3 号線では、層の温度と濃度に大きな違いが観察されました。ケース 4 の層の温度は大幅に低下し、この領域での水素濃度が最高になりましたが、ケース 3 の濃度線はまだ変動していました。これは、SCHE 熱伝達の加速によるものです。ケース 3 とケース 4 の間の MH 層と HTF パイプの平均温度の比較の詳細と考察は、補足セクションに記載されています。
金属水素化物反応器内の選択された位置における温度プロファイルと床濃度。(a) ケース 3 で選択された場所、(b) ケース 4 で選択された場所、(c) ケース 3 および 4 の水素取り込みプロセスの 20,000 秒後の選択された場所での温度プロファイルと層濃度。
図上。図 6 は、HCH と SHE の吸収に関する平均床温度 (図 6a を参照) と水素濃度 (図 6b を参照) の比較を示しています。この図から、熱交換面積の増加により MG 層の温度が大幅に低下することがわかります。反応器からより多くの熱を除去すると、水素の取り込み速度が高くなります。オプション 3 として HCHE を使用した場合と比較して、2 つの熱交換器構成の容積は同じですが、オプション 4 に基づく SCHE の水素取り込み時間は 59% 大幅に短縮されました。より詳細な分析のために、2 つの熱交換器構成の水素濃度を等値線として図 7 に示します。この図は、どちらの場合でも、水素が HTF 入口付近の下から吸収され始めることを示しています。より高い濃度が HTF 領域で観察されましたが、MH 反応器の中心では熱交換器からの距離によりより低い濃度が観察されました。10,000 秒後、ケース 4 の水素濃度はケース 3 よりも大幅に高くなっています。20,000 秒後、反応器内の平均水素濃度は、ケース 3 の水素 50% と比較して、ケース 4 では 90% に上昇しています。これは次の理由による可能性があります。 2 つの SCHE を組み合わせることで効果的な冷却能力が向上し、MH 層内の温度が低下します。その結果、MG 層内ではより平衡圧力が低下し、水素の吸収がより速くなります。
ケース 3 とケース 4 2 つの熱交換器構成間の平均床温度と水素濃度の比較。
ケース3とケース4の水素吸蔵開始後500、2000、5000、10000、20000秒後の水素濃度の比較。
表 5 は、すべての場合の水素摂取時間をまとめたものです。さらに、表には水素の吸収時間がパーセンテージで表示されています。この割合はケース 1 の吸収時間に基づいて計算されます。この表から、HCHE を使用した MH 反応器の吸収時間は約 45,000 ～ 46,000 秒、SCHE を含む吸収時間は約 18,000 ～ 19,000 秒となります。ケース 1 と比較して、ケース 2 とケース 3 の吸収時間は、それぞれ 1.6% と 2.7% しか短縮されませんでした。HCHE の代わりに SCHE を使用すると、吸収時間はケース 4 からケース 6 まで、58% から 61% に大幅に短縮されました。MH 反応器に SCHE を追加すると、水素吸収プロセスと MH 反応器の性能が大幅に向上することは明らかです。MH 原子炉内に熱交換器を設置すると貯蔵容量は減少しますが、この技術は他の技術と比較して熱伝達が大幅に向上します。また、ピッチ値を下げると SCHE の音量が大きくなり、結果として MH の音量が小さくなります。SCHE 容積が最も高いケース 6 では、HCHE 容積が最も低いケース 1 と比較して、MH 容積容量は 5% しか減少しませんでした。さらに、吸収中に、ケース 6 は吸収時間が 61% 短縮され、より高速で優れたパフォーマンスを示しました。したがって、感度分析におけるさらなる調査のためにケース 6 が選択されました。水素の取り込み時間が長いのは、約 2000 cm3 の MH 容量を含む貯蔵タンクに関連していることに注意してください。
反応中の動作パラメータは、実際の条件下で MH 反応器の性能にプラスまたはマイナスの影響を与える重要な要素です。この研究では、SCHE と組み合わせた MH 原子炉の適切な初期動作パラメータを決定するための感度解析を検討します。このセクションでは、ケース 6 の最適な原子炉構成に基づいて 4 つの主要な動作パラメータを調査します。すべての動作条件の結果を図に示します。図8
半円筒コイルを備えた熱交換器を使用した場合の、さまざまな運転条件における水素濃度のグラフ。(a) 充填圧力、(b) 初期床温度、(c) 冷却剤レイノルズ数、および (d) 冷却剤入口温度。
一定の初期温度 573 K とレイノルズ数 14,000 の冷媒流量に基づいて、4 つの異なる負荷圧力 (1.2 MPa、1.8 MPa、2.4 MPa、および 3.0 MPa) が選択されました。図上。図８ａは、時間の経過に伴う水素濃度に対する負荷圧力およびＳＣＨＥの影響を示す。吸収時間は負荷圧力が増加すると減少します。1.2 MPa の適用水素圧力を使用する場合は、水素吸収プロセスにとって最悪のケースであり、90% の水素吸収を達成するには吸収時間が 26,000 秒を超えます。ただし、より高い負荷圧力により、吸収時間は 1.8 MPa から 3.0 MPa まで 32 ～ 42% 減少しました。これは、水素の初期圧力が高く、平衡圧力と加えられる圧力の差が大きくなるためです。したがって、これは水素摂取速度の大きな推進力を生み出します。初期の瞬間、平衡圧力と加えられた圧力との差が大きいため、水素ガスは急速に吸収されます57。3.0 MPa の負荷圧力では、最初の 10 秒間に 18% の水素が急速に蓄積しました。水素は、最終段階の反応器の 90% に 15,460 秒間貯蔵されました。ただし、負荷圧力が 1.2 ～ 1.8 MPa の場合、吸収時間は 32% 大幅に短縮されました。他のより高い圧力では、吸収時間の改善にはあまり効果がありませんでした。したがって、MH-SCHE 反応器の装填圧力は 1.8 MPa であることが推奨されます。補足セクションには、15500 秒におけるさまざまな負荷圧力に対する水素濃度等高線が示されています。
MH 反応器の適切な初期温度の選択は、水素化物生成反応の推進力に影響を与えるため、水素吸着プロセスに影響を及ぼす主な要因の 1 つです。MH 反応器の初期温度に対する SCHE の影響を研究するために、1.8 MPa の一定負荷圧力および 14,000 HTF のレイノルズ数で 4 つの異なる温度が選択されました。図上。図 8b は、473K、523K、573K、623K などのさまざまな開始温度の比較を示しています。実際、温度が 230°C または 503K58 よりも高い場合、Mg2Ni 合金は水素吸収プロセスに有効な特性を示します。しかし、水素注入の初期には温度が急激に上昇します。その結果、MG 層の温度は 523 K を超えます。したがって、吸収速度の増加により水素化物の形成が促進されます 53。図から。図８ｂから、ＭＢ層の初期温度が低下するにつれて、水素がより速く吸収されることが分かる。初期温度が低いと、より低い平衡圧力が発生します。平衡圧力と加えられた圧力との間の圧力差が大きいほど、水素吸収のプロセスは速くなります。473 K の初期温度では、水素は最初の 18 秒間に最大 27% まで急速に吸収されます。さらに、初期温度 623 K と比較して、より低い初期温度では吸収時間も 11% から 24% に短縮されました。最低初期温度 473 K での吸収時間は 15247 秒で、これは最良の場合と同様です。しかしながら、初期温度の反応器温度の低下は、水素貯蔵容量の減少につながる。MN 反応器の初期温度は少なくとも 503 K53 でなければなりません。さらに、573 K53 の初期温度では、最大 3.6 wt% の水素貯蔵容量を達成できます。水素の貯蔵能力と吸収期間に関して、523 ～ 573 K の温度では時間はわずか 6% 短縮されます。したがって、MH-SCHE 反応器の初期温度として 573 K の温度が提案されます。ただし、吸収プロセスに対する初期温度の影響は、負荷圧力に比べてそれほど重要ではありませんでした。補足セクションには、15500 秒におけるさまざまな初期温度における水素濃度の等高線が示されています。
流量は、水素化および脱水素化中の乱流および熱の除去または入力に影響を与える可能性があるため、水素化および脱水素化の主要なパラメータの 1 つです59。流量が高いと乱流相が発生し、HTF チューブを通る流体の流れが速くなります。この反応により、熱伝達が速くなります。HTF のさまざまな進入速度は、10,000、14,000、18,000、22,000 のレイノルズ数に基づいて計算されます。MG 層の初期温度は 573 K、負荷圧力は 1.8 MPa に固定されました。結果を図に示します。図８ｃは、より高いレイノルズ数をＳＣＨＥと組み合わせて使用すると、より高い取り込み率が得られることを示している。レイノルズ数が 10,000 から 22,000 に増加すると、吸収時間は約 28 ～ 50% 減少します。レイノルズ数 22,000 での吸収時間は 12,505 秒で、これはさまざまな初期負荷温度および圧力における吸収時間よりも短くなります。12500 秒における GTP のさまざまなレイノルズ数の水素濃度等高線は、補足セクションに示されています。
HTF の初期温度に対する SCHE の影響が分析され、図 8d に示されています。MG の初期温度 573 K、水素装填圧力 1.8 MPa で、この解析には 373 K、473 K、523 K、573 K の 4 つの初期温度が選択されました。8d は、冷却材の温度が低下することを示しています。入口での吸収時間の短縮につながります。入口温度が 573 K の基本ケースと比較して、入口温度が 523 K、473 K、373 K の場合、吸収時間はそれぞれ約 20%、44%、および 56% 短縮されました。6917 秒の時点で、GTF の初期温度は 373 K、反応器内の水素濃度は 90% です。これは、MG 層と HCS の間の対流熱伝達が強化されることで説明できます。HTF 温度が低いと熱放散が増加し、水素の取り込みが増加します。すべての操作パラメーターの中で、吸収プロセスの終了時間が 7000 秒未満であったのに対し、他の方法の最短吸収時間は 7000 秒未満であったため、HTF 入口温度を上昇させて MH-SCHE 反応器の性能を向上させることが最も適切な方法でした。 10000秒以上。7000 秒間の GTP のさまざまな初期温度に対する水素濃度等高線が表示されます。
この研究では、金属水素化物貯蔵ユニットに統合された新しい半円筒形コイル熱交換器を初めて紹介します。提案されたシステムの水素吸収能力は、熱交換器のさまざまな構成で調査されました。新しい熱交換器を使用して金属水素化物を貯蔵するための最適条件を見つけるために、金属水素化物層と冷却剤の間の熱交換に対する動作パラメーターの影響を調査しました。この研究の主な結果は次のように要約されます。
半円筒形コイル熱交換器を使用すると、マグネシウム層反応器内の熱分布がより均一になるため、熱伝達性能が向上し、その結果、水素吸収率が向上します。熱交換チューブと水素吸蔵合金の体積が変わらない場合、従来のコイルドコイル熱交換器と比較して吸収反応時間を59％大幅に短縮します。
投稿時刻: 2023 年 1 月 15 日