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Les hydrures métalliques (MH) sont reconnus comme l'un des groupes de matériaux les plus adaptés au stockage de l'hydrogène en raison de leur grande capacité de stockage d'hydrogène, de leur faible pression de fonctionnement et de leur haute sécurité.Cependant, leur cinétique d’absorption de l’hydrogène lente réduit considérablement les performances de stockage.Une évacuation plus rapide de la chaleur du stockage MH pourrait jouer un rôle important dans l’augmentation de son taux d’absorption d’hydrogène, ce qui entraînerait une amélioration des performances de stockage.À cet égard, cette étude visait à améliorer les caractéristiques de transfert de chaleur afin d’influencer positivement le taux d’absorption d’hydrogène du système de stockage MH.Le nouveau serpentin semi-cylindrique a d'abord été développé et optimisé pour le stockage de l'hydrogène et incorporé en tant qu'échangeur air-chaleur interne (HTF).Sur la base des différentes tailles de pas, l'effet de la nouvelle configuration de l'échangeur thermique est analysé et comparé à la géométrie conventionnelle des serpentins hélicoïdaux.De plus, les paramètres de fonctionnement du stockage de MG et GTP ont été étudiés numériquement pour obtenir des valeurs optimales.Pour la simulation numérique, ANSYS Fluent 2020 R2 est utilisé.Les résultats de cette étude montrent que les performances d'un réservoir de stockage MH peuvent être considérablement améliorées en utilisant un échangeur de chaleur à serpentin semi-cylindrique (SCHE).Par rapport aux échangeurs de chaleur à serpentin conventionnels, la durée d'absorption de l'hydrogène est réduite de 59 %.La plus petite distance entre les bobines SCHE a entraîné une réduction de 61 % du temps d'absorption.Concernant les paramètres de fonctionnement du stockage MG par SHE, tous les paramètres retenus conduisent à une amélioration significative du processus d'absorption de l'hydrogène, notamment la température à l'entrée du HTS.
Il existe une transition mondiale des énergies basées sur les combustibles fossiles vers les énergies renouvelables.Étant donné que de nombreuses formes d’énergie renouvelable fournissent de l’électricité de manière dynamique, le stockage de l’énergie est nécessaire pour équilibrer la charge.Le stockage d’énergie à base d’hydrogène a attiré beaucoup d’attention à cette fin, notamment parce que l’hydrogène peut être utilisé comme carburant alternatif « vert » et comme vecteur d’énergie en raison de ses propriétés et de sa portabilité.De plus, l’hydrogène offre également un contenu énergétique par unité de masse plus élevé que les combustibles fossiles2.Il existe quatre principaux types de stockage d’énergie hydrogène : le stockage de gaz comprimé, le stockage souterrain, le stockage liquide et le stockage solide.L’hydrogène comprimé est le principal type utilisé dans les véhicules à pile à combustible tels que les bus et les chariots élévateurs.Cependant, ce stockage fournit une faible densité apparente d’hydrogène (environ 0,089 kg/m3) et présente des problèmes de sécurité liés à une pression de fonctionnement élevée3.Basé sur un processus de conversion à basse température et pression ambiantes, le stockage liquide stockera l’hydrogène sous forme liquide.Cependant, une fois liquéfié, environ 40 % de l’énergie est perdue.De plus, cette technologie est connue pour être plus gourmande en énergie et en main d’œuvre que les technologies de stockage à semi-conducteurs4.Le stockage solide est une option viable pour une économie de l’hydrogène, qui stocke l’hydrogène en l’incorporant dans des matériaux solides par absorption et en libérant de l’hydrogène par désorption.L'hydrure métallique (MH), une technologie de stockage de matériaux solides, suscite un intérêt récent dans les applications de piles à combustible en raison de sa capacité élevée en hydrogène, de sa faible pression de fonctionnement et de son faible coût par rapport au stockage liquide, et convient aux applications stationnaires et mobiles6,7 In. De plus, les matériaux MH offrent également des propriétés de sécurité telles qu'un stockage efficace de grande capacité8.Cependant, il existe un problème qui limite la productivité du MG : la faible conductivité thermique du réacteur MG conduit à une absorption et une désorption lentes de l'hydrogène.
Un transfert de chaleur adéquat lors des réactions exothermiques et endothermiques est la clé pour améliorer les performances des réacteurs MH.Pour le processus de chargement d'hydrogène, la chaleur générée doit être évacuée du réacteur afin de contrôler le débit de chargement d'hydrogène au débit souhaité avec une capacité de stockage maximale.Au lieu de cela, de la chaleur est nécessaire pour augmenter le taux de dégagement d’hydrogène pendant la décharge.Afin d'améliorer les performances de transfert de chaleur et de masse, de nombreux chercheurs ont étudié la conception et l'optimisation en fonction de plusieurs facteurs tels que les paramètres de fonctionnement, la structure du MG et l'optimisation du MG11.L'optimisation du MG peut être effectuée en ajoutant des matériaux à haute conductivité thermique tels que des mousses métalliques aux couches de MG 12, 13.Ainsi, la conductivité thermique effective peut être augmentée de 0,1 à 2 W/mK10.Cependant, l'ajout de matériaux solides réduit considérablement la puissance du réacteur MN.Concernant les paramètres de fonctionnement, des améliorations peuvent être obtenues en optimisant les conditions initiales de fonctionnement de la couche MG et du liquide de refroidissement (HTF).La structure du MG peut être optimisée grâce à la géométrie du réacteur et à la conception de l'échangeur de chaleur.Concernant la configuration de l’échangeur thermique du réacteur MH, les méthodes peuvent être divisées en deux types.Il s'agit d'échangeurs de chaleur internes intégrés à la couche MO et d'échangeurs de chaleur externes recouvrant la couche MO tels que des ailettes, des chemises de refroidissement et des bains-marie.Concernant l'échangeur de chaleur externe, Kaplan16 a analysé le fonctionnement du réacteur MH, utilisant de l'eau de refroidissement comme enveloppe pour réduire la température à l'intérieur du réacteur.Les résultats ont été comparés avec un réacteur à 22 ailettes rondes et un autre réacteur refroidi par convection naturelle.Ils affirment que la présence d’une enveloppe de refroidissement réduit considérablement la température du MH, augmentant ainsi le taux d’absorption.Des études numériques du réacteur MH à chemise d'eau réalisées par Patil et Gopal17 ont montré que la pression d'alimentation en hydrogène et la température du HTF sont des paramètres clés influençant le taux d'absorption et de désorption de l'hydrogène.
L'augmentation de la zone de transfert de chaleur en ajoutant des ailettes et des échangeurs de chaleur intégrés au MH est la clé pour améliorer les performances de transfert de chaleur et de masse et donc les performances de stockage du MH18.Plusieurs configurations d'échangeurs de chaleur internes (tube droit et serpentin en spirale) ont été conçues pour faire circuler le liquide de refroidissement dans le réacteur MH19,20,21,22,23,24,25,26.À l'aide d'un échangeur de chaleur interne, le liquide de refroidissement ou de chauffage transférera la chaleur locale à l'intérieur du réacteur MH pendant le processus d'adsorption de l'hydrogène.Raju et Kumar [27] ont utilisé plusieurs tubes droits comme échangeurs de chaleur pour améliorer les performances du MG.Leurs résultats ont montré que les temps d’absorption étaient réduits lorsque des tubes droits étaient utilisés comme échangeurs de chaleur.De plus, l’utilisation de tubes droits réduit le temps de désorption de l’hydrogène28.Des débits de liquide de refroidissement plus élevés augmentent le taux de chargement et de déchargement d’hydrogène29.Cependant, l’augmentation du nombre de tubes de refroidissement a un effet positif sur les performances du MH plutôt que sur le débit du liquide de refroidissement30,31.Raju et al.32 ont utilisé LaMi4.7Al0.3 comme matériau MH pour étudier les performances des échangeurs de chaleur multitubes dans les réacteurs.Ils ont rapporté que les paramètres opératoires avaient un effet significatif sur le processus d’absorption, notamment la pression d’alimentation puis le débit du HTF.Cependant, la température d’absorption s’est révélée moins critique.
Les performances du réacteur MH sont encore améliorées par l'utilisation d'un échangeur de chaleur à serpentin en spirale en raison de son transfert de chaleur amélioré par rapport aux tubes droits.En effet, le cycle secondaire permet de mieux évacuer la chaleur du réacteur25.De plus, les tubes en spirale offrent une grande surface pour le transfert de chaleur de la couche MH au liquide de refroidissement.Lorsque cette méthode est introduite à l’intérieur du réacteur, la répartition des tubes d’échange thermique est également plus uniforme33.Wang et coll.34 ont étudié l'effet de la durée d'absorption de l'hydrogène en ajoutant une bobine hélicoïdale à un réacteur MH.Leurs résultats montrent qu’à mesure que le coefficient de transfert thermique du liquide de refroidissement augmente, le temps d’absorption diminue.Wu et coll.25 a étudié les performances des réacteurs MH à base de Mg2Ni et des échangeurs de chaleur à serpentins.Leurs études numériques ont montré une réduction du temps de réaction.L'amélioration du mécanisme de transfert de chaleur dans le réacteur MN repose sur un rapport pas de vis/pas de vis plus petit et un pas de vis sans dimension.Une étude expérimentale menée par Mellouli et al.21 utilisant un serpentin comme échangeur de chaleur interne a montré que la température de démarrage du HTF a un effet significatif sur l'amélioration de l'absorption d'hydrogène et du temps de désorption.Des combinaisons de différents échangeurs de chaleur internes ont été réalisées dans plusieurs études.Eisapur et coll.35 a étudié le stockage de l'hydrogène à l'aide d'un échangeur de chaleur à serpentin en spirale avec un tube de retour central pour améliorer le processus d'absorption de l'hydrogène.Leurs résultats ont montré que le tube spiralé et le tube de retour central améliorent considérablement le transfert de chaleur entre le liquide de refroidissement et la MG.Le pas plus petit et le diamètre plus grand du tube en spirale augmentent le taux de transfert de chaleur et de masse.Ardahaie et al.36 utilisaient des tubes plats en spirale comme échangeurs de chaleur pour améliorer le transfert de chaleur au sein du réacteur.Ils ont rapporté que la durée d’absorption était réduite en augmentant le nombre de plans de tubes en spirale aplatis.Des combinaisons de différents échangeurs de chaleur internes ont été réalisées dans plusieurs études.Dhau et coll.37 a amélioré les performances du MH en utilisant un échangeur de chaleur à serpentin et des ailettes.Leurs résultats montrent que cette méthode réduit le temps de remplissage en hydrogène d'un facteur 2 par rapport au cas sans ailettes.Les ailettes annulaires sont associées à des tubes de refroidissement et intégrées au réacteur MN.Les résultats de cette étude montrent que cette méthode combinée permet un transfert de chaleur plus uniforme par rapport au réacteur MH sans ailettes.Cependant, la combinaison de différents échangeurs de chaleur affectera négativement le poids et le volume du réacteur MH.Wu et al.18 ont comparé différentes configurations d'échangeurs de chaleur.Ceux-ci incluent des tubes droits, des ailettes et des serpentins en spirale.Les auteurs rapportent que les bobines en spirale offrent les meilleures améliorations en matière de transfert de chaleur et de masse.De plus, par rapport aux tubes droits, aux tubes enroulés et aux tubes droits combinés avec des tubes enroulés, les doubles serpentins ont un meilleur effet sur l'amélioration du transfert de chaleur.Une étude de Sekhar et al.40 ont montré qu'une amélioration similaire de l'absorption d'hydrogène avait été obtenue en utilisant un serpentin en spirale comme échangeur de chaleur interne et une enveloppe de refroidissement externe à ailettes.
Parmi les exemples mentionnés ci-dessus, l'utilisation de serpentins en spirale comme échangeurs de chaleur internes offre de meilleures améliorations en matière de transfert de chaleur et de masse que d'autres échangeurs de chaleur, en particulier les tubes droits et les ailettes.Par conséquent, le but de cette étude était de développer davantage le serpentin en spirale afin d’améliorer les performances de transfert de chaleur.Pour la première fois, une nouvelle bobine semi-cylindrique a été développée sur la base de la bobine hélicoïdale de stockage MH conventionnelle.Cette étude devrait améliorer les performances de stockage de l'hydrogène en considérant une nouvelle conception d'échangeur de chaleur avec une meilleure disposition des zones de transfert de chaleur assurée par un volume constant de lit MH et de tubes HTF.Les performances de stockage de ce nouvel échangeur de chaleur ont ensuite été comparées à des échangeurs de chaleur à serpentins conventionnels basés sur différents pas de serpentins.Selon la littérature existante, les conditions de fonctionnement et l'espacement des bobines sont les principaux facteurs affectant les performances des réacteurs MH.Pour optimiser la conception de ce nouvel échangeur de chaleur, l'effet de l'espacement des serpentins sur le temps d'absorption de l'hydrogène et le volume de MH a été étudié.De plus, afin de comprendre la relation entre les nouvelles bobines hémicylindriques et les conditions de fonctionnement, un objectif secondaire de cette étude était d'étudier les caractéristiques du réacteur selon différentes plages de paramètres de fonctionnement et de déterminer les valeurs appropriées pour chaque fonctionnement. mode.paramètre.
Les performances du dispositif de stockage d'énergie hydrogène dans cette étude sont étudiées sur la base de deux configurations d'échangeurs de chaleur (y compris des tubes en spirale dans les cas 1 à 3 et des tubes semi-cylindriques dans les cas 4 à 6) et une analyse de sensibilité des paramètres de fonctionnement.L'opérabilité du réacteur MH a été testée pour la première fois en utilisant un tube en spirale comme échangeur de chaleur.Le tuyau d'huile de refroidissement et la cuve du réacteur MH sont tous deux en acier inoxydable.Il convient de noter que les dimensions du réacteur MG et le diamètre des tuyaux GTF étaient constants dans tous les cas, tandis que les tailles de pas du GTF variaient.Cette section analyse l'effet de la taille du pas des bobines HTF.La hauteur et le diamètre extérieur du réacteur étaient respectivement de 110 mm et 156 mm.Le diamètre du tuyau d'huile thermoconducteur est fixé à 6 mm.Voir la section supplémentaire pour plus de détails sur le schéma de circuit du réacteur MH avec des tubes en spirale et deux tubes semi-cylindriques.
Sur la fig.La figure 1a montre le réacteur à tube spiralé MH et ses dimensions.Tous les paramètres géométriques sont donnés dans le tableau.1. Le volume total de l'hélice et le volume du ZG sont respectivement d'environ 100 cm3 et 2000 cm3.À partir de ce réacteur MH, de l'air sous forme de HTF a été introduit dans le réacteur MH poreux par le bas à travers un tube en spirale, et de l'hydrogène a été introduit par la surface supérieure du réacteur.
Caractérisation de géométries sélectionnées pour les réacteurs à hydrures métalliques.a) avec un échangeur de chaleur tubulaire en spirale, b) avec un échangeur de chaleur tubulaire semi-cylindrique.
La deuxième partie examine le fonctionnement du réacteur MH basé sur un tube semi-cylindrique comme échangeur de chaleur.Sur la fig.La figure 1b montre le réacteur MN à deux tubes semi-cylindriques et leurs dimensions.Le tableau 1 répertorie tous les paramètres géométriques des tuyaux semi-cylindriques, qui restent constants, à l'exception de la distance qui les sépare.Il convient de noter que le tube semi-cylindrique du cas 4 a été conçu avec un volume constant de tube HTF et d'alliage MH dans le tube enroulé (option 3).Quant à la fig.1b, de l'air a également été introduit par le bas des deux tubes HTF semi-cylindriques, et de l'hydrogène a été introduit par la direction opposée du réacteur MH.
En raison de la nouvelle conception de l'échangeur de chaleur, l'objectif de cette section est de déterminer les valeurs initiales appropriées pour les paramètres de fonctionnement du réacteur MH en combinaison avec SCHE.Dans tous les cas, l’air était utilisé comme liquide de refroidissement pour évacuer la chaleur du réacteur.Parmi les huiles caloporteuses, l’air et l’eau sont couramment choisies comme huiles caloporteuses pour les réacteurs MH en raison de leur faible coût et de leur faible impact environnemental.En raison de la plage de températures de fonctionnement élevée des alliages à base de magnésium, l’air a été choisi comme liquide de refroidissement dans cette étude.De plus, il présente également de meilleures caractéristiques d’écoulement que les autres métaux liquides et sels fondus41.Le tableau 2 répertorie les propriétés de l'air à 573 K. Pour l'analyse de sensibilité de cette section, seules les meilleures configurations des options de performances MH-SCHE (dans les cas 4 à 6) sont appliquées.Les estimations de cette section sont basées sur divers paramètres de fonctionnement, notamment la température initiale du réacteur MH, la pression de chargement d'hydrogène, la température d'entrée du HTF et le nombre de Reynolds calculé en modifiant le taux de HTF.Le tableau 3 contient tous les paramètres de fonctionnement utilisés pour l'analyse de sensibilité.
Cette section décrit toutes les équations de contrôle nécessaires au processus d'absorption de l'hydrogène, de turbulence et de transfert de chaleur des liquides de refroidissement.
Pour simplifier la solution de la réaction d'absorption d'hydrogène, les hypothèses suivantes sont faites et fournies :
Lors de l'absorption, les propriétés thermophysiques de l'hydrogène et des hydrures métalliques sont constantes.
L’hydrogène est considéré comme un gaz parfait, c’est pourquoi les conditions d’équilibre thermique local43,44 sont prises en compte.
où \({L}_{gas}\) est le rayon du réservoir et \({L}_{heat}\) est la hauteur axiale du réservoir.Lorsque N est inférieur à 0,0146, le débit d'hydrogène dans le réservoir peut être ignoré dans la simulation sans erreur significative.Selon les recherches actuelles, N est bien inférieur à 0,1.L’effet du gradient de pression peut donc être négligé.
Les parois du réacteur étaient bien isolées dans tous les cas.Il n'y a donc pas d'échange thermique 47 entre le réacteur et l'environnement.
Il est bien connu que les alliages à base de magnésium présentent de bonnes caractéristiques d’hydrogénation et une capacité de stockage d’hydrogène élevée jusqu’à 7,6 % en poids8.En termes d’applications de stockage d’hydrogène à l’état solide, ces alliages sont également connus sous le nom de matériaux légers.De plus, ils présentent une excellente résistance à la chaleur et une bonne aptitude au traitement8.Parmi plusieurs alliages à base de magnésium, l'alliage MgNi à base de Mg2Ni est l'une des options les plus appropriées pour le stockage du MH en raison de sa capacité de stockage d'hydrogène allant jusqu'à 6 % en poids.Les alliages Mg2Ni offrent également une cinétique d’adsorption et de désorption plus rapide que l’alliage MgH48.Par conséquent, Mg2Ni a été choisi comme matériau hydrure métallique dans cette étude.
L'équation énergétique est exprimée par 25 sur la base du bilan thermique entre l'hydrogène et l'hydrure de Mg2Ni :
X est la quantité d'hydrogène absorbée sur la surface métallique, l'unité est \(weight\%\), calculée à partir de l'équation cinétique \(\frac{dX}{dt}\) lors de l'absorption comme suit49 :
où \({C}_{a}\) est la vitesse de réaction et \({E}_{a}\) est l'énergie d'activation.\({P}_{a,eq}\) est la pression d'équilibre à l'intérieur du réacteur à hydrure métallique pendant le processus d'absorption, donnée par l'équation de Van't Hoff comme suit25 :
Où \({P}_{ref}\) est la pression de référence de 0,1 MPa.\(\Delta H\) et \(\Delta S\) sont respectivement l'enthalpie et l'entropie de la réaction.Les propriétés des alliages Mg2Ni et hydrogène sont présentées dans le tableau.4. La liste nommée se trouve dans la section supplémentaire.
L'écoulement du fluide est considéré comme turbulent car sa vitesse et son nombre de Reynolds (Re) sont respectivement de 78,75 ms-1 et 14 000.Dans cette étude, un modèle de turbulence k-ε réalisable a été choisi.Il est à noter que cette méthode offre une plus grande précision par rapport aux autres méthodes k-ε et nécessite également moins de temps de calcul que les méthodes RNG k-ε50,51.Voir la section supplémentaire pour plus de détails sur les équations de base pour les fluides caloporteurs.
Initialement, le régime de température dans le réacteur MN était uniforme et la concentration moyenne en hydrogène était de 0,043.On suppose que l’enceinte extérieure du réacteur MH est bien isolée.Les alliages à base de magnésium nécessitent généralement des températures de réaction élevées pour stocker et libérer de l'hydrogène dans le réacteur.L’alliage Mg2Ni nécessite une plage de températures de 523 à 603 K pour une absorption maximale et une plage de températures de 573 à 603 K pour une désorption complète52.Cependant, les études expérimentales de Muthukumar et al.53 ont montré que la capacité maximale de stockage de Mg2Ni pour le stockage de l'hydrogène peut être atteinte à une température de fonctionnement de 573 K, ce qui correspond à sa capacité théorique.Par conséquent, la température de 573 K a été choisie comme température initiale du réacteur MN dans cette étude.
Créez différentes tailles de grille pour une validation et des résultats fiables.Sur la fig.2 montre la température moyenne à des endroits sélectionnés dans le processus d'absorption d'hydrogène provenant de quatre éléments différents.Il convient de noter qu’un seul cas de chaque configuration est sélectionné pour tester l’indépendance du réseau en raison d’une géométrie similaire.La même méthode de maillage est appliquée dans d’autres cas.Choisissez donc l’option 1 pour le tuyau en spirale et l’option 4 pour le tuyau semi-cylindrique.Sur la fig.Les figures 2a, b montrent la température moyenne dans le réacteur pour les options 1 et 4, respectivement.Les trois emplacements sélectionnés représentent les contours de température du lit en haut, au milieu et en bas du réacteur.Sur la base des courbes de température aux emplacements sélectionnés, la température moyenne devient stable et montre peu de changement dans les numéros d'éléments 428 891 et 430 599 pour les cas 1 et 4, respectivement.Par conséquent, ces tailles de grille ont été choisies pour des calculs ultérieurs.Des informations détaillées sur la température moyenne du lit pour le processus d’absorption d’hydrogène pour différentes tailles de cellules et des maillages successivement raffinés pour les deux cas sont données dans la section supplémentaire.
Température moyenne du lit à des points sélectionnés du processus d'absorption d'hydrogène dans un réacteur à hydrure métallique avec différents numéros de grille.(a) Température moyenne à des endroits sélectionnés pour le cas 1 et (b) Température moyenne à des endroits sélectionnés pour le cas 4.
Le réacteur à hydrure métallique à base de magnésium dans cette étude a été testé sur la base des résultats expérimentaux de Muthukumar et al.53.Dans leur étude, ils ont utilisé un alliage Mg2Ni pour stocker l’hydrogène dans des tubes en acier inoxydable.Des ailettes en cuivre sont utilisées pour améliorer le transfert de chaleur à l'intérieur du réacteur.Sur la fig.La figure 3a montre une comparaison de la température moyenne du lit du processus d'absorption entre l'étude expérimentale et cette étude.Les conditions opératoires choisies pour cette expérience sont : température initiale MG 573 K et pression d'entrée 2 MPa.De la fig.3a, on peut clairement montrer que ce résultat expérimental est en bon accord avec le présent en ce qui concerne la température moyenne de la couche.
Vérification du modèle.(a) Vérification du code du réacteur à hydrure métallique Mg2Ni en comparant l'étude actuelle avec les travaux expérimentaux de Muthukumar et al.52, et (b) vérification du modèle d'écoulement turbulent en tube spiralé en comparant l'étude actuelle avec celle de Kumar et al. .Recherche.54.
Pour tester le modèle de turbulence, les résultats de cette étude ont été comparés aux résultats expérimentaux de Kumar et al.54 pour confirmer l'exactitude du modèle de turbulence choisi.Kumar et al.54 ont étudié l'écoulement turbulent dans un échangeur de chaleur en spirale tube-in-pipe.L'eau est utilisée comme fluide chaud et froid injecté des côtés opposés.Les températures des liquides chauds et froids sont respectivement de 323 K et 300 K.Les nombres de Reynolds vont de 3 100 à 5 700 pour les liquides chauds et de 21 000 à 35 000 pour les liquides froids.Les numéros de doyen sont de 550 à 1 000 pour les liquides chauds et de 3 600 à 6 000 pour les liquides froids.Les diamètres du tuyau intérieur (pour liquide chaud) et du tuyau extérieur (pour liquide froid) sont respectivement de 0,0254 m et 0,0508 m.Le diamètre et le pas de la bobine hélicoïdale sont respectivement de 0,762 m et 0,100 m.Sur la fig.La figure 3b montre une comparaison des résultats expérimentaux et actuels pour diverses paires de nombres de Nusselt et de Dean pour le liquide de refroidissement dans la chambre à air.Trois modèles de turbulence différents ont été implémentés et comparés aux résultats expérimentaux.Comme le montre la fig.3b, les résultats du modèle de turbulence k-ε réalisable sont en bon accord avec les données expérimentales.C’est donc ce modèle qui a été choisi dans cette étude.
Les simulations numériques de cette étude ont été réalisées à l'aide d'ANSYS Fluent 2020 R2.Écrivez une fonction définie par l'utilisateur (UDF) et utilisez-la comme terme d'entrée de l'équation énergétique pour calculer la cinétique du processus d'absorption.Le circuit PRESTO55 et la méthode PISO56 sont utilisés pour la communication pression-vitesse et la correction de pression.Sélectionnez une base de cellule Greene-Gauss pour le dégradé variable.Les équations de quantité de mouvement et d'énergie sont résolues par la méthode au vent du second ordre.En ce qui concerne les coefficients de sous-relaxation, les composantes de pression, de vitesse et d'énergie sont fixées respectivement à 0,5, 0,7 et 0,7.Les fonctions de mur standard sont appliquées au HTF dans le modèle de turbulence.
Cette section présente les résultats de simulations numériques d'amélioration du transfert de chaleur interne d'un réacteur MH utilisant un échangeur de chaleur à serpentin (HCHE) et un échangeur de chaleur à serpentin hélicoïdal (SCHE) lors de l'absorption d'hydrogène.L'effet du brai de HTF sur la température du lit du réacteur et la durée d'absorption a été analysé.Les principaux paramètres opératoires du procédé d’absorption sont étudiés et présentés dans la section analyse de sensibilité.
Pour étudier l'effet de l'espacement des bobines sur le transfert de chaleur dans un réacteur MH, trois configurations d'échangeurs de chaleur avec des pas différents ont été étudiées.Les trois pas différents de 15 mm, 12,86 mm et 10 mm sont respectivement désignés corps 1, corps 2 et corps 3.Il convient de noter que le diamètre du tuyau a été fixé à 6 mm à une température initiale de 573 K et une pression de chargement de 1,8 MPa dans tous les cas.Sur la fig.La figure 4 montre la température moyenne du lit et la concentration en hydrogène dans la couche MH pendant le processus d'absorption d'hydrogène dans les cas 1 à 3. Généralement, la réaction entre l'hydrure métallique et l'hydrogène est exothermique par rapport au processus d'absorption.Par conséquent, la température du lit augmente rapidement en raison du moment initial où l’hydrogène est introduit pour la première fois dans le réacteur.La température du lit augmente jusqu'à atteindre une valeur maximale, puis diminue progressivement à mesure que la chaleur est évacuée par le liquide de refroidissement, qui a une température plus basse et agit comme un liquide de refroidissement.Comme le montre la fig.4a, du fait de l'explication précédente, la température de la couche augmente rapidement et diminue continuellement.La concentration en hydrogène pour le processus d'absorption est généralement basée sur la température du lit du réacteur MH.Lorsque la température moyenne de la couche descend jusqu'à une certaine température, la surface métallique absorbe de l'hydrogène.Cela est dû à l'accélération des processus de physisorption, chimisorption, diffusion de l'hydrogène et la formation de ses hydrures dans le réacteur.De la fig.4b, on peut voir que le taux d'absorption de l'hydrogène dans le cas 3 est inférieur à celui des autres cas en raison de la valeur de pas plus petite de l'échangeur de chaleur à serpentin.Cela se traduit par une longueur totale de tuyau plus longue et une plus grande zone de transfert de chaleur pour les tuyaux HTF.Avec une concentration moyenne d’hydrogène de 90 %, le temps d’absorption pour le cas 1 est de 46 276 secondes.Par rapport à la durée d'absorption dans le cas 1, la durée d'absorption dans les cas 2 et 3 a été réduite de 724 s et 1 263 s, respectivement.La section supplémentaire présente les contours de température et de concentration d'hydrogène pour des emplacements sélectionnés dans la couche HCHE-MH.
Influence de la distance entre les bobines sur la température moyenne des couches et la concentration en hydrogène.(a) Température moyenne du lit pour les bobines hélicoïdales, (b) concentration d'hydrogène pour les bobines hélicoïdales, (c) température moyenne du lit pour les bobines hémi-cylindriques, et (d) concentration d'hydrogène pour les bobines hémi-cylindriques.
Pour améliorer les caractéristiques de transfert de chaleur du réacteur MG, deux HFC ont été conçus pour un volume constant du MG (2 000 cm3) et un échangeur de chaleur en spirale (100 cm3) de l'option 3. Cette section considère également l'effet de la distance entre le réacteur MG. bobines de 15 mm pour le cas 4, 12,86 mm pour le cas 5 et 10 mm pour le cas 6. Sur la fig.4c, d montrent la température moyenne du lit et la concentration du processus d'absorption d'hydrogène à une température initiale de 573 K et une pression de chargement de 1,8 MPa.Selon la température moyenne des couches sur la figure 4c, la distance plus petite entre les bobines dans le cas 6 réduit considérablement la température par rapport aux deux autres cas.Pour le cas 6, une température de lit plus basse entraîne une concentration en hydrogène plus élevée (voir Fig. 4d).Le temps de capture de l'hydrogène pour la variante 4 est de 19 542 s, ce qui est plus de 2 fois inférieur à celui des variantes 1 à 3 utilisant du HCH.De plus, par rapport au cas 4, le temps d’absorption a également été réduit de 378 s et de 1 515 s dans les cas 5 et 6 avec des distances plus faibles.La section supplémentaire présente les contours de température et de concentration d'hydrogène pour des emplacements sélectionnés dans la couche SCHE-MH.
Pour étudier les performances de deux configurations d'échangeurs de chaleur, cette section trace et présente des courbes de température à trois emplacements sélectionnés.Le réacteur MH avec HCHE du cas 3 a été choisi pour comparaison avec le réacteur MH contenant SCHE dans le cas 4 car il a un volume de MH et un volume de tuyau constants.Les conditions opératoires pour cette comparaison étaient une température initiale de 573 K et une pression de chargement de 1,8 MPa.Sur la fig.Les figures 5a et 5b montrent les trois positions sélectionnées des profils de température dans les cas 3 et 4, respectivement.Sur la fig.La figure 5c montre le profil de température et la concentration de la couche après 20 000 s d'absorption d'hydrogène.Selon la ligne 1 de la figure 5c, la température autour du TTF des options 3 et 4 diminue en raison du transfert de chaleur par convection du liquide de refroidissement.Cela se traduit par une concentration plus élevée d’hydrogène autour de cette zone.Cependant, l’utilisation de deux SCHE entraîne une concentration de couches plus élevée.Des réponses cinétiques plus rapides ont été trouvées autour de la région HTF dans le cas 4. De plus, une concentration maximale de 100 % a également été trouvée dans cette région.A partir de la conduite 2 située au milieu du réacteur, la température du boîtier 4 est nettement inférieure à la température du boîtier 3 en tous endroits sauf au centre du réacteur.Il en résulte la concentration maximale en hydrogène pour le cas 4, à l'exception de la région proche du centre du réacteur, éloignée du HTF.Cependant, la concentration du cas 3 n’a pas beaucoup changé.Une grande différence de température et de concentration de la couche a été observée dans la conduite 3 près de l'entrée du GTS.La température de la couche dans le cas 4 a diminué de manière significative, ce qui a entraîné la concentration d'hydrogène la plus élevée dans cette région, tandis que la ligne de concentration dans le cas 3 fluctuait encore.Cela est dû à l’accélération du transfert de chaleur SCHE.Les détails et la discussion de la comparaison de la température moyenne de la couche MH et du tuyau HTF entre le cas 3 et le cas 4 sont fournis dans la section supplémentaire.
Profil de température et concentration du lit à des endroits sélectionnés dans le réacteur à hydrure métallique.(a) Emplacements sélectionnés pour le cas 3, (b) Emplacements sélectionnés pour le cas 4, et (c) Profil de température et concentration de couches à des emplacements sélectionnés après 20 000 s pour le processus d'absorption d'hydrogène dans les cas 3 et 4.
Sur la fig.La figure 6 montre une comparaison de la température moyenne du lit (voir la figure 6a) et de la concentration en hydrogène (voir la figure 6b) pour l'absorption de HCH et de SHE.Il ressort de cette figure que la température de la couche MG diminue considérablement en raison d'une augmentation de la surface d'échange thermique.L'élimination de plus de chaleur du réacteur entraîne un taux d'absorption d'hydrogène plus élevé.Bien que les deux configurations d'échangeurs de chaleur aient les mêmes volumes par rapport à l'utilisation de HCHE comme option 3, le temps d'absorption d'hydrogène de SCHE basé sur l'option 4 a été considérablement réduit de 59 %.Pour une analyse plus détaillée, les concentrations d'hydrogène pour les deux configurations d'échangeur de chaleur sont représentées sous forme d'isolignes sur la figure 7. Cette figure montre que dans les deux cas, l'hydrogène commence à être absorbé par le bas autour de l'entrée du HTF.Des concentrations plus élevées ont été trouvées dans la région HTF, tandis que des concentrations plus faibles ont été observées au centre du réacteur MH en raison de sa distance par rapport à l'échangeur de chaleur.Après 10 000 s, la concentration en hydrogène dans le cas 4 est nettement plus élevée que dans le cas 3. Après 20 000 secondes, la concentration moyenne en hydrogène dans le réacteur est passée à 90 % dans le cas 4 contre 50 % d'hydrogène dans le cas 3. Cela peut être dû à la capacité de refroidissement efficace plus élevée de la combinaison de deux SCHE, ce qui entraîne une température plus basse à l'intérieur de la couche MH.Par conséquent, une pression d’équilibre plus importante tombe à l’intérieur de la couche MG, ce qui conduit à une absorption plus rapide de l’hydrogène.
Cas 3 et Cas 4 Comparaison de la température moyenne du lit et de la concentration en hydrogène entre deux configurations d'échangeur de chaleur.
Comparaison de la concentration en hydrogène après 500, 2000, 5000, 10000 et 20000 s après le début du processus d'absorption d'hydrogène dans le cas 3 et le cas 4.
Le tableau 5 résume la durée de l'absorption d'hydrogène pour tous les cas.De plus, le tableau indique également le temps d'absorption de l'hydrogène, exprimé en pourcentage.Ce pourcentage est calculé sur la base du temps d'absorption du cas 1. D'après ce tableau, le temps d'absorption du réacteur MH utilisant HCHE est d'environ 45 000 à 46 000 s, et le temps d'absorption incluant SCHE est d'environ 18 000 à 19 000 s.Par rapport au cas 1, le temps d’absorption dans les cas 2 et 3 a été réduit respectivement de seulement 1,6 % et 2,7 %.Lors de l'utilisation de SCHE au lieu de HCHE, le temps d'absorption a été considérablement réduit du cas 4 au cas 6, de 58 % à 61 %.Il est clair que l’ajout de SCHE au réacteur MH améliore grandement le processus d’absorption de l’hydrogène et les performances du réacteur MH.Bien que l'installation d'un échangeur de chaleur à l'intérieur du réacteur MH réduise la capacité de stockage, cette technologie apporte une amélioration significative du transfert de chaleur par rapport aux autres technologies.De plus, diminuer la valeur de hauteur augmentera le volume du SCHE, entraînant une diminution du volume du MH.Dans le cas 6 avec le volume SCHE le plus élevé, la capacité volumétrique MH n'a été réduite que de 5 % par rapport au cas 1 avec le volume HCHE le plus faible.De plus, lors de l’absorption, le cas 6 a montré des performances plus rapides et meilleures avec une réduction de 61 % du temps d’absorption.Par conséquent, le cas 6 a été choisi pour une enquête plus approfondie dans l'analyse de sensibilité.Il convient de noter que le long temps de captation de l'hydrogène est associé à un réservoir de stockage contenant un volume MH d'environ 2000 cm3.
Les paramètres opératoires lors de la réaction sont des facteurs importants qui affectent positivement ou négativement les performances du réacteur MH en conditions réelles.Cette étude considère une analyse de sensibilité pour déterminer les paramètres de fonctionnement initiaux appropriés pour un réacteur MH en combinaison avec SCHE, et cette section examine les quatre principaux paramètres de fonctionnement basés sur la configuration optimale du réacteur dans le cas 6. Les résultats pour toutes les conditions de fonctionnement sont présentés dans Figure 8.
Graphique de la concentration en hydrogène dans diverses conditions de fonctionnement lors de l'utilisation d'un échangeur de chaleur à serpentin semi-cylindrique.(a) la pression de chargement, (b) la température initiale du lit, (c) le nombre de Reynolds du liquide de refroidissement et (d) la température d'entrée du liquide de refroidissement.
Sur la base d'une température initiale constante de 573 K et d'un débit de liquide de refroidissement avec un nombre de Reynolds de 14 000, quatre pressions de charge différentes ont été sélectionnées : 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa et 3,0 MPa.Sur la fig.La figure 8a montre l'effet de la pression de chargement et du SCHE sur la concentration en hydrogène au fil du temps.Le temps d'absorption diminue avec l'augmentation de la pression de chargement.L’utilisation d’une pression d’hydrogène appliquée de 1,2 MPa constitue le pire des cas pour le processus d’absorption d’hydrogène, et la durée d’absorption dépasse 26 000 s pour atteindre une absorption d’hydrogène de 90 %.Cependant, la pression de chargement plus élevée a entraîné une diminution de 32 à 42 % du temps d'absorption, passant de 1,8 à 3,0 MPa.Cela est dû à la pression initiale plus élevée de l’hydrogène, qui entraîne une plus grande différence entre la pression d’équilibre et la pression appliquée.Par conséquent, cela crée une force motrice importante pour la cinétique d’absorption de l’hydrogène.Au moment initial, l’hydrogène gazeux est rapidement absorbé en raison de la grande différence entre la pression d’équilibre et la pression appliquée57.À une pression de chargement de 3,0 MPa, 18 % d’hydrogène se sont rapidement accumulés au cours des 10 premières secondes.L'hydrogène a été stocké dans 90 % des réacteurs au stade final pendant 15 460 s.Cependant, à une pression de chargement de 1,2 à 1,8 MPa, le temps d'absorption était significativement réduit de 32 %.D'autres pressions plus élevées ont eu moins d'effet sur l'amélioration des temps d'absorption.Par conséquent, il est recommandé que la pression de chargement du réacteur MH-SCHE soit de 1,8 MPa.La section supplémentaire montre les contours de concentration d’hydrogène pour différentes pressions de chargement à 15 500 s.
Le choix d’une température initiale appropriée du réacteur MH est l’un des principaux facteurs affectant le processus d’adsorption de l’hydrogène, car il affecte la force motrice de la réaction de formation d’hydrure.Pour étudier l'effet de SCHE sur la température initiale du réacteur MH, quatre températures différentes ont été choisies à une pression de charge constante de 1,8 MPa et un nombre de Reynolds de 14 000 HTF.Sur la fig.La figure 8b montre une comparaison de différentes températures de départ, notamment 473K, 523K, 573K et 623K.En effet, lorsque la température est supérieure à 230°C ou 503K58, l'alliage Mg2Ni présente des caractéristiques efficaces pour le processus d'absorption de l'hydrogène.Cependant, au moment initial de l’injection d’hydrogène, la température augmente rapidement.Par conséquent, la température de la couche MG dépassera 523 K. Par conséquent, la formation d’hydrures est facilitée en raison du taux d’absorption accru53.De la fig.La figure 8b montre que l'hydrogène est absorbé plus rapidement à mesure que la température initiale de la couche de MB diminue.Des pressions d’équilibre plus faibles se produisent lorsque la température initiale est plus basse.Plus la différence de pression entre la pression d’équilibre et la pression appliquée est grande, plus le processus d’absorption de l’hydrogène est rapide.À une température initiale de 473 K, l'hydrogène est rapidement absorbé jusqu'à 27 % pendant les 18 premières secondes.De plus, le temps d'absorption a également été réduit de 11 % à 24 % à une température initiale inférieure par rapport à la température initiale de 623 K. Le temps d'absorption à la température initiale la plus basse de 473 K est de 15 247 s, ce qui est similaire au meilleur temps d'absorption. En cas de pression de chargement, cependant, la diminution de la température initiale du réacteur entraîne une diminution de la capacité de stockage de l'hydrogène.La température initiale du réacteur MN doit être d'au moins 503 K53.De plus, à une température initiale de 573 K53, une capacité maximale de stockage d’hydrogène de 3,6 % en poids peut être atteinte.En termes de capacité de stockage de l'hydrogène et de durée d'absorption, les températures comprises entre 523 et 573 K ne raccourcissent le temps que de 6 %.Par conséquent, une température de 573 K est proposée comme température initiale du réacteur MH-SCHE.Cependant, l’effet de la température initiale sur le processus d’absorption était moins significatif que celui de la pression de chargement.La section supplémentaire montre les contours de la concentration en hydrogène pour différentes températures initiales à 15 500 s.
Le débit est l’un des principaux paramètres de l’hydrogénation et de la déshydrogénation car il peut affecter la turbulence et l’évacuation ou l’apport de chaleur pendant l’hydrogénation et la déshydrogénation59.Des débits élevés créeront des phases turbulentes et entraîneront un écoulement de fluide plus rapide à travers le tube HTF.Cette réaction entraînera un transfert de chaleur plus rapide.Différentes vitesses d'entrée pour HTF sont calculées sur la base des nombres de Reynolds de 10 000, 14 000, 18 000 et 22 000.La température initiale de la couche MG a été fixée à 573 K et la pression de chargement à 1,8 MPa.Les résultats de la fig.8c démontrent que l'utilisation d'un nombre de Reynolds plus élevé en combinaison avec SCHE entraîne un taux d'absorption plus élevé.À mesure que le nombre de Reynolds augmente de 10 000 à 22 000, le temps d'absorption diminue d'environ 28 à 50 %.Le temps d'absorption à un nombre de Reynolds de 22 000 est de 12 505 secondes, ce qui est inférieur à diverses températures et pressions de chargement initiales.Les contours de concentration d'hydrogène pour divers nombres de Reynolds pour le GTP à 12 500 s sont présentés dans la section supplémentaire.
L'effet de SCHE sur la température initiale du HTF est analysé et illustré sur la figure 8d.À une température initiale de MG de 573 K et une pression de chargement d'hydrogène de 1,8 MPa, quatre températures initiales ont été choisies pour cette analyse : 373 K, 473 K, 523 K et 573 K. 8d montre qu'une diminution de la température du liquide de refroidissement à l'entrée entraîne une réduction du temps d'absorption.Par rapport au cas de base avec une température d'entrée de 573 K, le temps d'absorption a été réduit d'environ 20 %, 44 % et 56 % pour des températures d'entrée de 523 K, 473 K et 373 K, respectivement.A 6917 s, la température initiale du GTF est de 373 K, la concentration en hydrogène dans le réacteur est de 90 %.Cela peut s'expliquer par un transfert de chaleur convectif amélioré entre la couche MG et le HCS.Des températures HTF plus basses augmenteront la dissipation thermique et entraîneront une augmentation de l’absorption d’hydrogène.Parmi tous les paramètres de fonctionnement, l'amélioration des performances du réacteur MH-SCHE en augmentant la température d'entrée du HTF était la méthode la plus appropriée, puisque le temps final du processus d'absorption était inférieur à 7 000 s, tandis que le temps d'absorption le plus court des autres méthodes était supérieur à 7 000 s. que 10 000 s.Les contours de concentration en hydrogène sont présentés pour diverses températures initiales du GTP pendant 7 000 s.
Cette étude présente pour la première fois un nouvel échangeur de chaleur à serpentin semi-cylindrique intégré dans une unité de stockage à hydrure métallique.La capacité du système proposé à absorber l’hydrogène a été étudiée avec diverses configurations d’échangeur de chaleur.L'influence des paramètres de fonctionnement sur l'échange thermique entre la couche d'hydrure métallique et le liquide de refroidissement a été étudiée afin de trouver les conditions optimales de stockage des hydrures métalliques à l'aide d'un nouvel échangeur de chaleur.Les principales conclusions de cette étude sont résumées comme suit :
Avec un échangeur de chaleur à serpentin semi-cylindrique, les performances de transfert de chaleur sont améliorées car il présente une répartition plus uniforme de la chaleur dans le réacteur à couche de magnésium, ce qui entraîne un meilleur taux d'absorption de l'hydrogène.À condition que le volume du tube d'échange thermique et de l'hydrure métallique reste inchangé, le temps de réaction d'absorption est considérablement réduit de 59 % par rapport à un échangeur de chaleur à serpentin conventionnel.
Heure de publication : 15 janvier 2023