Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di akhir untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus.
Logam hidrida (MH) diakui sebagai salah satu kelompok bahan yang paling cocok untuk penyimpanan hidrogen karena kapasitas penyimpanan hidrogennya yang besar, tekanan pengoperasian yang rendah, dan keamanan yang tinggi.Namun, kinetika serapan hidrogennya yang lamban sangat mengurangi kinerja penyimpanan.Penghapusan panas yang lebih cepat dari penyimpanan MH dapat memainkan peran penting dalam meningkatkan laju penyerapan hidrogen, sehingga menghasilkan peningkatan kinerja penyimpanan.Dalam hal ini, penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan karakteristik perpindahan panas agar dapat memberikan pengaruh positif terhadap laju serapan hidrogen pada sistem penyimpanan MH.Kumparan semi-silinder baru pertama kali dikembangkan dan dioptimalkan untuk penyimpanan hidrogen dan dimasukkan sebagai penukar udara-as-panas (HTF) internal.Berdasarkan ukuran pitch yang berbeda, pengaruh konfigurasi penukar panas baru dianalisis dan dibandingkan dengan geometri kumparan heliks konvensional.Selain itu, parameter operasi penyimpanan MG dan GTP dipelajari secara numerik untuk mendapatkan nilai optimal.Untuk simulasi numerik digunakan ANSYS Fluent 2020 R2.Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa kinerja tangki penyimpanan MH dapat ditingkatkan secara signifikan dengan menggunakan semi-cylindrical coil heat exchanger (SCHE).Dibandingkan dengan penukar panas kumparan spiral konvensional, durasi penyerapan hidrogen berkurang sebesar 59%.Jarak terkecil antara kumparan SCHE menghasilkan pengurangan waktu penyerapan sebesar 61%.Mengenai parameter operasi penyimpanan MG menggunakan SHE, semua parameter yang dipilih menghasilkan peningkatan yang signifikan dalam proses penyerapan hidrogen, terutama suhu pada saluran masuk ke HTS.
Terdapat transisi global dari energi berbasis bahan bakar fosil ke energi terbarukan.Karena banyak bentuk energi terbarukan menyediakan tenaga secara dinamis, penyimpanan energi diperlukan untuk menyeimbangkan beban.Penyimpanan energi berbasis hidrogen telah menarik banyak perhatian untuk tujuan ini, terutama karena hidrogen dapat digunakan sebagai bahan bakar alternatif dan pembawa energi yang “ramah lingkungan” karena sifat dan portabilitasnya.Selain itu, hidrogen juga menawarkan kandungan energi per satuan massa yang lebih tinggi dibandingkan bahan bakar fosil2.Ada empat jenis utama penyimpanan energi hidrogen: penyimpanan gas terkompresi, penyimpanan bawah tanah, penyimpanan cairan, dan penyimpanan padat.Hidrogen terkompresi adalah jenis utama yang digunakan pada kendaraan sel bahan bakar seperti bus dan forklift.Namun, penyimpanan ini menghasilkan kepadatan hidrogen yang rendah (sekitar 0,089 kg/m3) dan memiliki masalah keamanan terkait dengan tekanan operasi yang tinggi3.Berdasarkan proses konversi pada suhu dan tekanan lingkungan rendah, penyimpanan cairan akan menyimpan hidrogen dalam bentuk cair.Namun, ketika dicairkan, sekitar 40% energinya hilang.Selain itu, teknologi ini dikenal lebih hemat energi dan tenaga kerja dibandingkan teknologi penyimpanan solid state4.Penyimpanan padat adalah pilihan yang layak untuk ekonomi hidrogen, yang menyimpan hidrogen dengan memasukkan hidrogen ke dalam bahan padat melalui penyerapan dan melepaskan hidrogen melalui desorpsi.Metal hydride (MH), sebuah teknologi penyimpanan bahan padat, saat ini sedang diminati dalam aplikasi sel bahan bakar karena kapasitas hidrogennya yang tinggi, tekanan operasi yang rendah, dan biaya yang rendah dibandingkan dengan penyimpanan cairan, dan cocok untuk aplikasi stasioner dan mobile6,7 In Selain itu, material MH juga memberikan sifat keselamatan seperti penyimpanan yang efisien dengan kapasitas besar8.Namun, ada masalah yang membatasi produktivitas MG: rendahnya konduktivitas termal reaktor MG menyebabkan lambatnya penyerapan dan desorpsi hidrogen.
Perpindahan panas yang tepat selama reaksi eksotermik dan endotermik adalah kunci untuk meningkatkan kinerja reaktor MH.Untuk proses pemuatan hidrogen, panas yang dihasilkan harus dikeluarkan dari reaktor untuk mengontrol aliran pemuatan hidrogen pada laju yang diinginkan dengan kapasitas penyimpanan maksimum.Sebaliknya, panas diperlukan untuk meningkatkan laju evolusi hidrogen selama pelepasan.Untuk meningkatkan kinerja perpindahan panas dan massa, banyak peneliti telah mempelajari desain dan optimasi berdasarkan beberapa faktor seperti parameter operasi, struktur MG, dan optimasi MG11.Optimasi MG dapat dilakukan dengan menambahkan bahan dengan konduktivitas termal yang tinggi seperti logam busa pada lapisan MG 12,13.Dengan demikian, konduktivitas termal efektif dapat ditingkatkan dari 0,1 menjadi 2 W/mK10.Namun penambahan bahan padat secara signifikan mengurangi daya reaktor MN.Dari segi parameter pengoperasian, perbaikan dapat dilakukan dengan mengoptimalkan kondisi pengoperasian awal lapisan MG dan cairan pendingin (HTF).Struktur MG dapat dioptimalkan karena geometri reaktor dan desain penukar panas.Mengenai konfigurasi penukar panas reaktor MH, metodenya dapat dibagi menjadi dua jenis.Ini adalah penukar panas internal yang terpasang pada lapisan MO dan penukar panas eksternal yang menutupi lapisan MO seperti sirip, jaket pendingin, dan penangas air.Berkenaan dengan penukar panas eksternal, Kaplan16 menganalisis pengoperasian reaktor MH, menggunakan air pendingin sebagai jaket untuk menurunkan suhu di dalam reaktor.Hasilnya dibandingkan dengan reaktor sirip bulat 22 dan reaktor lain yang didinginkan secara konveksi alami.Mereka menyatakan bahwa kehadiran jaket pendingin secara signifikan mengurangi suhu MH, sehingga meningkatkan laju penyerapan.Studi numerik pada reaktor MH berjaket air yang dilakukan oleh Patil dan Gopal17 menunjukkan bahwa tekanan suplai hidrogen dan suhu HTF merupakan parameter kunci yang mempengaruhi laju penyerapan dan desorpsi hidrogen.
Meningkatkan area perpindahan panas dengan menambahkan sirip dan penukar panas yang terpasang pada MH adalah kunci untuk meningkatkan kinerja perpindahan panas dan massa dan karenanya kinerja penyimpanan MH18.Beberapa konfigurasi penukar panas internal (tabung lurus dan kumparan spiral) telah dirancang untuk mensirkulasikan cairan pendingin dalam reaktor MH19,20,21,22,23,24,25,26.Dengan menggunakan penukar panas internal, cairan pendingin atau pemanas akan mentransfer panas lokal di dalam reaktor MH selama proses adsorpsi hidrogen.Raju dan Kumar [27] menggunakan beberapa tabung lurus sebagai penukar panas untuk meningkatkan kinerja MG.Hasilnya menunjukkan bahwa waktu penyerapan berkurang ketika tabung lurus digunakan sebagai penukar panas.Selain itu, penggunaan tabung lurus memperpendek waktu desorpsi hidrogen28.Laju aliran pendingin yang lebih tinggi meningkatkan laju pengisian dan pengosongan hidrogen29.Namun, peningkatan jumlah tabung pendingin memiliki efek positif pada kinerja MH dibandingkan laju aliran pendingin30,31.Raju dkk.32 menggunakan LaMi4.7Al0.3 sebagai bahan MH untuk mempelajari kinerja penukar panas multitube dalam reaktor.Mereka melaporkan bahwa parameter operasi mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap proses penyerapan, terutama tekanan umpan dan kemudian laju aliran HTF.Namun, suhu penyerapan ternyata kurang kritis.
Kinerja reaktor MH semakin ditingkatkan dengan penggunaan penukar panas kumparan spiral karena perpindahan panasnya lebih baik dibandingkan dengan tabung lurus.Hal ini dikarenakan siklus sekunder dapat menghilangkan panas dari reaktor dengan lebih baik25.Selain itu, tabung spiral memberikan luas permukaan yang besar untuk perpindahan panas dari lapisan MH ke cairan pendingin.Ketika metode ini diperkenalkan di dalam reaktor, distribusi tabung penukar panas juga lebih seragam33.Wang dkk.34 mempelajari pengaruh durasi serapan hidrogen dengan menambahkan kumparan heliks ke reaktor MH.Hasilnya menunjukkan bahwa dengan meningkatnya koefisien perpindahan panas cairan pendingin, waktu penyerapan berkurang.Wu dkk.25 menyelidiki kinerja reaktor MH berbasis Mg2Ni dan penukar panas kumparan.Studi numerik mereka menunjukkan pengurangan waktu reaksi.Peningkatan mekanisme perpindahan panas pada reaktor MN didasarkan pada rasio pitch ulir terhadap pitch ulir yang lebih kecil dan pitch ulir yang tidak berdimensi.Sebuah studi eksperimental oleh Mellouli et al.21 menggunakan kumparan melingkar sebagai penukar panas internal menunjukkan bahwa suhu awal HTF memiliki pengaruh yang signifikan terhadap peningkatan penyerapan hidrogen dan waktu desorpsi.Kombinasi penukar panas internal yang berbeda telah dilakukan dalam beberapa penelitian.Eisapur dkk.35 mempelajari penyimpanan hidrogen menggunakan penukar panas kumparan spiral dengan tabung balik pusat untuk meningkatkan proses penyerapan hidrogen.Hasilnya menunjukkan bahwa tabung spiral dan tabung pengembalian pusat secara signifikan meningkatkan perpindahan panas antara pendingin dan MG.Pitch yang lebih kecil dan diameter tabung spiral yang lebih besar meningkatkan laju perpindahan panas dan massa.Ardahaie dkk.36 menggunakan tabung spiral datar sebagai penukar panas untuk meningkatkan perpindahan panas di dalam reaktor.Mereka melaporkan bahwa durasi penyerapan berkurang dengan meningkatkan jumlah bidang tabung spiral pipih.Kombinasi penukar panas internal yang berbeda telah dilakukan dalam beberapa penelitian.Dhau dkk.37 meningkatkan kinerja MH menggunakan penukar panas koil melingkar dan sirip.Hasilnya menunjukkan bahwa metode ini mengurangi waktu pengisian hidrogen sebanyak 2 kali lipat dibandingkan dengan metode tanpa sirip.Sirip annular digabungkan dengan tabung pendingin dan dimasukkan ke dalam reaktor MN.Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa metode gabungan ini memberikan perpindahan panas yang lebih seragam dibandingkan dengan reaktor MH tanpa sirip.Namun, menggabungkan penukar panas yang berbeda akan berdampak negatif pada berat dan volume reaktor MH.Wu et al.18 membandingkan konfigurasi penukar panas yang berbeda.Ini termasuk tabung lurus, sirip dan gulungan spiral.Para penulis melaporkan bahwa kumparan spiral memberikan peningkatan terbaik dalam perpindahan panas dan massa.Selain itu, dibandingkan dengan tabung lurus, tabung melingkar, dan tabung lurus yang digabungkan dengan tabung melingkar, kumparan ganda memiliki efek yang lebih baik dalam meningkatkan perpindahan panas.Sebuah studi oleh Sekhar dkk.40 menunjukkan bahwa peningkatan serupa dalam serapan hidrogen dicapai dengan menggunakan kumparan spiral sebagai penukar panas internal dan jaket pendingin eksternal bersirip.
Dari contoh yang disebutkan di atas, penggunaan kumparan spiral sebagai penukar panas internal memberikan peningkatan perpindahan panas dan massa yang lebih baik dibandingkan penukar panas lainnya, terutama tabung lurus dan sirip.Oleh karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan lebih lanjut kumparan spiral untuk meningkatkan kinerja perpindahan panas.Untuk pertama kalinya, kumparan semi-silinder baru telah dikembangkan berdasarkan kumparan heliks penyimpanan MH konvensional.Penelitian ini diharapkan dapat meningkatkan kinerja penyimpanan hidrogen dengan mempertimbangkan desain penukar panas baru dengan tata letak zona perpindahan panas yang lebih baik yang disediakan oleh volume lapisan MH dan tabung HTF yang konstan.Kinerja penyimpanan penukar panas baru ini kemudian dibandingkan dengan penukar panas kumparan spiral konvensional berdasarkan pitch kumparan yang berbeda.Menurut literatur yang ada, kondisi operasi dan jarak kumparan merupakan faktor utama yang mempengaruhi kinerja reaktor MH.Untuk mengoptimalkan desain penukar panas baru ini, pengaruh jarak kumparan pada waktu serapan hidrogen dan volume MH diselidiki.Selain itu, untuk memahami hubungan antara kumparan hemi-silinder baru dan kondisi operasi, tujuan kedua dari penelitian ini adalah mempelajari karakteristik reaktor menurut rentang parameter operasi yang berbeda dan menentukan nilai yang sesuai untuk setiap operasi. mode.parameter.
Kinerja perangkat penyimpanan energi hidrogen dalam penelitian ini diselidiki berdasarkan dua konfigurasi penukar panas (termasuk tabung spiral pada kasus 1 hingga 3 dan tabung semi-silinder pada kasus 4 hingga 6) dan analisis sensitivitas parameter operasi.Pengoperasian reaktor MH diuji pertama kali dengan menggunakan tabung spiral sebagai penukar panas.Baik pipa oli pendingin maupun bejana reaktor MH terbuat dari baja tahan karat.Perlu dicatat bahwa dimensi reaktor MG dan diameter pipa GTF adalah konstan dalam semua kasus, sedangkan ukuran langkah GTF bervariasi.Bagian ini menganalisis pengaruh ukuran pitch kumparan HTF.Tinggi dan diameter luar reaktor masing-masing adalah 110 mm dan 156 mm.Diameter pipa minyak penghantar panas diatur pada 6mm.Lihat Bagian Tambahan untuk rincian diagram rangkaian reaktor MH dengan tabung spiral dan dua tabung semi silinder.
Pada gambar.Gambar 1a menunjukkan reaktor tabung spiral MH dan dimensinya.Semua parameter geometris diberikan dalam tabel.1. Volume total heliks dan volume ZG masing-masing kira-kira 100 cm3 dan 2000 cm3.Dari reaktor MH ini, udara dalam bentuk HTF dimasukkan ke dalam reaktor MH berpori dari bawah melalui tabung spiral, dan hidrogen dimasukkan dari permukaan atas reaktor.
Karakterisasi geometri yang dipilih untuk reaktor logam hidrida.a) dengan penukar panas berbentuk tabung spiral, b) dengan penukar panas berbentuk tabung semi silinder.
Bagian kedua mengkaji pengoperasian reaktor MH berbasis tabung semi silinder sebagai penukar panas.Pada gambar.Gambar 1b menunjukkan reaktor MN dengan dua tabung semi silinder dan dimensinya.Tabel 1 mencantumkan semua parameter geometris pipa semi-silinder, yang tetap konstan, kecuali jarak di antara keduanya.Perlu dicatat bahwa tabung semi-silinder dalam Kasus 4 dirancang dengan volume tabung HTF dan paduan MH yang konstan dalam tabung melingkar (opsi 3).Adapun gambar.1b, udara juga dimasukkan dari bagian bawah dua tabung HTF semi-silinder, dan hidrogen dimasukkan dari arah berlawanan dari reaktor MH.
Karena desain penukar panas yang baru, tujuan bagian ini adalah untuk menentukan nilai awal yang sesuai untuk parameter operasi reaktor MH yang dikombinasikan dengan SCHE.Dalam semua kasus, udara digunakan sebagai pendingin untuk menghilangkan panas dari reaktor.Di antara minyak perpindahan panas, udara dan air biasanya dipilih sebagai minyak perpindahan panas untuk reaktor MH karena biayanya yang rendah dan dampak lingkungan yang rendah.Karena kisaran suhu operasi yang tinggi dari paduan berbasis magnesium, udara dipilih sebagai pendingin dalam penelitian ini.Selain itu, ia juga memiliki karakteristik aliran yang lebih baik dibandingkan logam cair dan garam cair lainnya41.Tabel 2 mencantumkan sifat-sifat udara pada 573 K. Untuk analisis sensitivitas pada bagian ini, hanya konfigurasi terbaik dari opsi kinerja MH-SCHE (dalam kasus 4 hingga 6) yang diterapkan.Perkiraan pada bagian ini didasarkan pada berbagai parameter operasi, termasuk suhu awal reaktor MH, tekanan pemuatan hidrogen, suhu saluran masuk HTF, dan bilangan Reynolds yang dihitung dengan mengubah laju HTF.Tabel 3 berisi semua parameter operasi yang digunakan untuk analisis sensitivitas.
Bagian ini menjelaskan semua persamaan kontrol yang diperlukan untuk proses penyerapan hidrogen, turbulensi dan perpindahan panas cairan pendingin.
Untuk menyederhanakan penyelesaian reaksi serapan hidrogen, asumsi berikut dibuat dan disediakan;
Selama penyerapan, sifat termofisik hidrogen dan hidrida logam adalah konstan.
Hidrogen dianggap sebagai gas ideal, sehingga kondisi kesetimbangan termal lokal43,44 diperhitungkan.
dimana \({L}_{gas}\) adalah jari-jari tangki, dan \({L}_{heat}\) adalah tinggi aksial tangki.Ketika N kurang dari 0,0146, aliran hidrogen dalam tangki dapat diabaikan dalam simulasi tanpa kesalahan yang berarti.Menurut penelitian saat ini, N jauh lebih rendah dari 0,1.Oleh karena itu, efek gradien tekanan dapat diabaikan.
Dinding reaktor diisolasi dengan baik dalam semua kasus.Oleh karena itu, tidak terjadi pertukaran panas 47 antara reaktor dan lingkungan.
Paduan berbasis Mg diketahui memiliki karakteristik hidrogenasi yang baik dan kapasitas penyimpanan hidrogen yang tinggi hingga 7,6% berat8.Dalam hal aplikasi penyimpanan hidrogen pada keadaan padat, paduan ini juga dikenal sebagai bahan ringan.Selain itu, mereka memiliki ketahanan panas yang sangat baik dan kemampuan proses yang baik8.Di antara beberapa paduan berbasis Mg, paduan MgNi berbasis Mg2Ni adalah salah satu pilihan yang paling cocok untuk penyimpanan MH karena kapasitas penyimpanan hidrogennya hingga 6% berat.Paduan Mg2Ni juga memberikan kinetika adsorpsi dan desorpsi yang lebih cepat dibandingkan dengan paduan MgH48.Oleh karena itu, Mg2Ni dipilih sebagai material logam hidrida dalam penelitian ini.
Persamaan energi dinyatakan sebagai 25 berdasarkan keseimbangan panas antara hidrogen dan Mg2Ni hidrida:
X adalah banyaknya hidrogen yang diserap pada permukaan logam, satuannya adalah \(berat\%\), dihitung dari persamaan kinetik \(\frac{dX}{dt}\) selama penyerapan sebagai berikut49:
dimana \({C}_{a}\) adalah laju reaksi dan \({E}_{a}\) adalah energi aktivasi.\({P}_{a,eq}\) adalah tekanan kesetimbangan di dalam reaktor logam hidrida selama proses penyerapan, diberikan oleh persamaan van't Hoff sebagai berikut25:
Dimana \({P}_{ref}\) adalah tekanan referensi 0,1 MPa.\(\Delta H\) dan \(\Delta S\) berturut-turut adalah entalpi dan entropi reaksi.Sifat paduan Mg2Ni dan hidrogen disajikan pada tabel.4. Daftar bernama dapat ditemukan di bagian tambahan.
Aliran fluida tergolong turbulen karena kecepatan dan bilangan Reynolds (Re) masing-masing sebesar 78,75 ms-1 dan 14000.Dalam penelitian ini, model turbulensi k-ε yang dapat dicapai dipilih.Perlu dicatat bahwa metode ini memberikan akurasi yang lebih tinggi dibandingkan metode k-ε lainnya, dan juga memerlukan waktu komputasi yang lebih sedikit dibandingkan metode RNG k-ε50,51.Lihat Bagian Tambahan untuk rincian tentang persamaan dasar fluida perpindahan panas.
Awalnya, rezim suhu di reaktor MN seragam, dan konsentrasi hidrogen rata-rata adalah 0,043.Diasumsikan bahwa batas luar reaktor MH terisolasi dengan baik.Paduan berbasis magnesium biasanya memerlukan suhu operasi reaksi yang tinggi untuk menyimpan dan melepaskan hidrogen di dalam reaktor.Paduan Mg2Ni memerlukan kisaran suhu 523–603 K untuk penyerapan maksimum dan kisaran suhu 573–603 K untuk desorpsi sempurna52.Namun, studi eksperimental yang dilakukan oleh Muthukumar et al.53 menunjukkan bahwa kapasitas penyimpanan maksimum Mg2Ni untuk penyimpanan hidrogen dapat dicapai pada suhu operasi 573 K, yang sesuai dengan kapasitas teoretisnya.Oleh karena itu, suhu 573 K dipilih sebagai suhu awal reaktor MN pada penelitian ini.
Buat ukuran kisi yang berbeda untuk validasi dan hasil yang andal.Pada gambar.Gambar 2 menunjukkan suhu rata-rata di lokasi yang dipilih dalam proses penyerapan hidrogen dari empat unsur berbeda.Perlu dicatat bahwa hanya satu kasus dari setiap konfigurasi yang dipilih untuk menguji independensi jaringan karena geometri yang serupa.Metode meshing yang sama diterapkan pada kasus lain.Oleh karena itu, pilih opsi 1 untuk pipa spiral dan opsi 4 untuk pipa semi silinder.Pada gambar.Gambar 2a,b menunjukkan suhu rata-rata dalam reaktor untuk opsi 1 dan 4.Tiga lokasi yang dipilih mewakili kontur temperatur unggun di bagian atas, tengah, dan bawah reaktor.Berdasarkan kontur suhu pada lokasi terpilih, rata-rata suhu menjadi stabil dan menunjukkan sedikit perubahan pada bilangan unsur 428.891 dan 430.599 masing-masing untuk kasus 1 dan 4.Oleh karena itu, ukuran grid ini dipilih untuk perhitungan komputasi lebih lanjut.Informasi rinci tentang suhu rata-rata unggun untuk proses penyerapan hidrogen untuk berbagai ukuran sel dan jerat halus berturut-turut untuk kedua kasus diberikan di bagian tambahan.
Temperatur unggun rata-rata pada titik-titik tertentu dalam proses penyerapan hidrogen dalam reaktor logam hidrida dengan nomor grid berbeda.(a) Suhu rata-rata di lokasi terpilih untuk kasus 1 dan (b) Suhu rata-rata di lokasi terpilih untuk kasus 4.
Reaktor logam hidrida berbasis Mg pada penelitian ini diuji berdasarkan hasil eksperimen Muthukumar dkk.53.Dalam penelitiannya, mereka menggunakan paduan Mg2Ni untuk menyimpan hidrogen dalam tabung baja tahan karat.Sirip tembaga digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas di dalam reaktor.Pada gambar.Gambar 3a menunjukkan perbandingan suhu rata-rata unggun proses absorpsi antara penelitian eksperimen dan penelitian ini.Kondisi operasi yang dipilih untuk percobaan ini adalah: suhu awal MG 573 K dan tekanan masuk 2 MPa.Dari gambar.3a dapat dengan jelas ditunjukkan bahwa hasil percobaan ini sesuai dengan hasil sekarang sehubungan dengan suhu rata-rata lapisan.
Verifikasi model.(a) Verifikasi kode reaktor hidrida logam Mg2Ni dengan membandingkan penelitian ini dengan penelitian eksperimental Muthukumar dkk.52, dan (b) verifikasi model aliran turbulen tabung spiral dengan membandingkan penelitian ini dengan penelitian Kumar dkk. .Penelitian.54.
Untuk menguji model turbulensi, hasil penelitian ini dibandingkan dengan hasil eksperimen Kumar et al.54 untuk memastikan kebenaran model turbulensi yang dipilih.Kumar et al.54 mempelajari aliran turbulen dalam penukar panas spiral tabung-dalam-pipa.Air digunakan sebagai cairan panas dan dingin yang disuntikkan dari sisi yang berlawanan.Suhu zat cair panas dan dingin berturut-turut adalah 323 K dan 300 K.Bilangan Reynolds berkisar antara 3100 hingga 5700 untuk cairan panas dan 21.000 hingga 35.000 untuk cairan dingin.Nomor dekan adalah 550-1000 untuk cairan panas dan 3600-6000 untuk cairan dingin.Diameter pipa dalam (untuk cairan panas) dan pipa luar (untuk cairan dingin) masing-masing adalah 0,0254 m dan 0,0508 m.Diameter dan pitch kumparan heliks masing-masing adalah 0,762 m dan 0,100 m.Pada gambar.Gambar 3b menunjukkan perbandingan hasil percobaan dan hasil arus untuk berbagai pasangan bilangan Nusselt dan Dean untuk cairan pendingin di ban dalam.Tiga model turbulensi berbeda diterapkan dan dibandingkan dengan hasil eksperimen.Seperti yang ditunjukkan pada gambar.3b, hasil model turbulensi k-ε yang dapat dicapai sesuai dengan data eksperimen.Oleh karena itu, model ini dipilih dalam penelitian ini.
Simulasi numerik pada penelitian ini dilakukan dengan menggunakan ANSYS Fluent 2020 R2.Tulis Fungsi Buatan Pengguna (UDF) dan gunakan sebagai suku masukan persamaan energi untuk menghitung kinetika proses penyerapan.Sirkuit PRESTO55 dan metode PISO56 digunakan untuk komunikasi kecepatan tekanan dan koreksi tekanan.Pilih basis sel Greene-Gauss untuk gradien variabel.Persamaan momentum dan energi diselesaikan dengan metode melawan arah angin orde kedua.Mengenai koefisien relaksasi bawah, komponen tekanan, kecepatan, dan energi ditetapkan masing-masing sebesar 0,5, 0,7, dan 0,7.Fungsi dinding standar diterapkan pada HTF dalam model turbulensi.
Bagian ini menyajikan hasil simulasi numerik peningkatan perpindahan panas internal reaktor MH menggunakan penukar panas koil koil (HCHE) dan penukar panas koil heliks (SCHE) selama penyerapan hidrogen.Pengaruh pitch HTF pada suhu unggun reaktor dan durasi penyerapan dianalisis.Parameter operasi utama dari proses penyerapan dipelajari dan disajikan pada bagian analisis sensitivitas.
Untuk menyelidiki pengaruh jarak kumparan terhadap perpindahan panas dalam reaktor MH, tiga konfigurasi penukar panas dengan pitch berbeda diselidiki.Tiga pitch berbeda yaitu 15 mm, 12,86 mm, dan 10 mm masing-masing ditetapkan sebagai bodi 1, bodi 2, dan bodi 3.Perlu dicatat bahwa diameter pipa ditetapkan pada 6 mm pada suhu awal 573 K dan tekanan pembebanan 1,8 MPa dalam semua kasus.Pada gambar.Gambar 4 menunjukkan suhu lapisan rata-rata dan konsentrasi hidrogen dalam lapisan MH selama proses penyerapan hidrogen dalam kasus 1 hingga 3. Biasanya, reaksi antara logam hidrida dan hidrogen bersifat eksotermik terhadap proses penyerapan.Oleh karena itu, suhu unggun meningkat dengan cepat karena momen awal ketika hidrogen pertama kali dimasukkan ke dalam reaktor.Suhu lapisan meningkat hingga mencapai nilai maksimum dan kemudian menurun secara bertahap seiring dengan terbawanya panas oleh cairan pendingin, yang memiliki suhu lebih rendah dan bertindak sebagai pendingin.Seperti yang ditunjukkan pada gambar.4a, karena penjelasan sebelumnya, suhu lapisan meningkat dengan cepat dan menurun secara terus menerus.Konsentrasi hidrogen untuk proses penyerapan biasanya didasarkan pada suhu unggun reaktor MH.Ketika suhu rata-rata lapisan turun hingga suhu tertentu, permukaan logam menyerap hidrogen.Hal ini disebabkan adanya percepatan proses fisisorpsi, kemisorpsi, difusi hidrogen dan pembentukan hidridanya di dalam reaktor.Dari gambar.Pada Gambar 4b terlihat bahwa laju penyerapan hidrogen pada kasus 3 lebih rendah dibandingkan kasus lainnya karena nilai langkah penukar panas kumparan yang lebih kecil.Hal ini menghasilkan panjang keseluruhan pipa yang lebih panjang dan area perpindahan panas yang lebih besar untuk pipa HTF.Dengan konsentrasi hidrogen rata-rata 90%, waktu penyerapan pada Kasus 1 adalah 46,276 detik.Dibandingkan dengan durasi penyerapan pada kasus 1, durasi penyerapan pada kasus 2 dan 3 berkurang masing-masing sebesar 724 detik dan 1263 detik.Bagian tambahan menyajikan kontur suhu dan konsentrasi hidrogen untuk lokasi yang dipilih di lapisan HCHE-MH.
Pengaruh jarak antar kumparan terhadap suhu rata-rata lapisan dan konsentrasi hidrogen.(a) Suhu lapisan rata-rata untuk kumparan heliks, (b) konsentrasi hidrogen untuk kumparan heliks, (c) suhu lapisan rata-rata untuk kumparan hemi-silinder, dan (d) konsentrasi hidrogen untuk kumparan hemi-silinder.
Untuk meningkatkan karakteristik perpindahan panas reaktor MG, dua HFC dirancang untuk volume MG yang konstan (2000 cm3) dan penukar panas spiral (100 cm3) dari Opsi 3. Bagian ini juga mempertimbangkan pengaruh jarak antara reaktor MG. kumparan 15 mm untuk casing 4, 12,86 mm untuk casing 5 dan 10 mm untuk casing 6. Pada gambar.Gambar 4c,d menunjukkan suhu unggun rata-rata dan konsentrasi proses penyerapan hidrogen pada suhu awal 573 K dan tekanan pembebanan 1,8 MPa.Menurut suhu lapisan rata-rata pada Gambar 4c, jarak yang lebih kecil antara kumparan pada kasus 6 mengurangi suhu secara signifikan dibandingkan dengan dua kasus lainnya.Untuk kasus 6, suhu lapisan yang lebih rendah menghasilkan konsentrasi hidrogen yang lebih tinggi (lihat Gambar 4d).Waktu serapan hidrogen untuk Varian 4 adalah 19542 detik, 2 kali lebih rendah dibandingkan Varian 1-3 yang menggunakan HCH.Selain itu, dibandingkan kasus 4, waktu serapan juga berkurang sebesar 378 detik dan 1515 detik pada kasus 5 dan 6 dengan jarak yang lebih rendah.Bagian tambahan menyajikan kontur suhu dan konsentrasi hidrogen untuk lokasi yang dipilih di lapisan SCHE-MH.
Untuk mempelajari kinerja dua konfigurasi penukar panas, bagian ini memplot dan menyajikan kurva suhu di tiga lokasi yang dipilih.Reaktor MH dengan HCHE dari kasus 3 dipilih untuk dibandingkan dengan reaktor MH yang mengandung SCHE pada kasus 4 karena mempunyai volume MH dan volume pipa yang konstan.Kondisi operasi untuk perbandingan ini adalah suhu awal 573 K dan tekanan pembebanan 1,8 MPa.Pada gambar.Gambar 5a dan 5b menunjukkan ketiga posisi profil suhu yang dipilih masing-masing dalam kasus 3 dan 4.Pada gambar.Gambar 5c menunjukkan profil suhu dan konsentrasi lapisan setelah penyerapan hidrogen selama 20.000 detik.Menurut baris 1 pada Gambar 5c, suhu di sekitar TTF dari opsi 3 dan 4 menurun karena perpindahan panas konvektif cairan pendingin.Hal ini menghasilkan konsentrasi hidrogen yang lebih tinggi di sekitar area ini.Namun penggunaan dua SCHE menghasilkan konsentrasi lapisan yang lebih tinggi.Respon kinetik yang lebih cepat ditemukan di sekitar wilayah HTF pada kasus 4. Selain itu, konsentrasi maksimum 100% juga ditemukan di wilayah ini.Dari jalur 2 yang terletak di tengah reaktor, suhu wadah 4 jauh lebih rendah dibandingkan suhu wadah 3 di semua tempat kecuali bagian tengah reaktor.Hal ini menghasilkan konsentrasi hidrogen maksimum untuk kasus 4 kecuali pada wilayah dekat pusat reaktor yang jauh dari HTF.Namun konsentrasi kasus 3 tidak banyak berubah.Perbedaan besar dalam suhu dan konsentrasi lapisan diamati di jalur 3 dekat pintu masuk GTS.Suhu lapisan pada kasus 4 menurun secara signifikan sehingga menghasilkan konsentrasi hidrogen tertinggi di wilayah ini, sedangkan garis konsentrasi pada kasus 3 masih berfluktuasi.Hal ini disebabkan adanya percepatan perpindahan panas SCHE.Detail dan pembahasan perbandingan temperatur rata-rata lapisan MH dan pipa HTF antara kasus 3 dan kasus 4 disajikan pada bagian tambahan.
Profil suhu dan konsentrasi unggun di lokasi terpilih dalam reaktor logam hidrida.(a) Lokasi terpilih untuk kasus 3, (b) Lokasi terpilih untuk kasus 4, dan (c) Profil suhu dan konsentrasi lapisan di lokasi terpilih setelah 20.000 detik untuk proses pengambilan hidrogen dalam kasus 3 dan 4.
Pada gambar.Gambar 6 menunjukkan perbandingan suhu rata-rata unggun (lihat Gambar 6a) dan konsentrasi hidrogen (lihat Gambar 6b) untuk penyerapan HCH dan SHE.Terlihat dari gambar tersebut bahwa suhu lapisan MG menurun secara signifikan karena bertambahnya luas pertukaran panas.Menghilangkan lebih banyak panas dari reaktor menghasilkan tingkat penyerapan hidrogen yang lebih tinggi.Meskipun kedua konfigurasi penukar panas memiliki volume yang sama dibandingkan dengan menggunakan HCHE sebagai Opsi 3, waktu serapan hidrogen SCHE berdasarkan Opsi 4 berkurang secara signifikan sebesar 59%.Untuk analisis lebih rinci, konsentrasi hidrogen untuk dua konfigurasi penukar panas ditunjukkan sebagai isoline pada Gambar 7. Gambar ini menunjukkan bahwa dalam kedua kasus, hidrogen mulai diserap dari bawah sekitar saluran masuk HTF.Konsentrasi yang lebih tinggi ditemukan di wilayah HTF, sedangkan konsentrasi yang lebih rendah diamati di tengah reaktor MH karena jaraknya dari penukar panas.Setelah 10.000 detik, konsentrasi hidrogen dalam kasus 4 secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dalam kasus 3. Setelah 20.000 detik, konsentrasi hidrogen rata-rata dalam reaktor meningkat menjadi 90% dalam kasus 4 dibandingkan dengan 50% hidrogen dalam kasus 3. Hal ini mungkin disebabkan oleh ke kapasitas pendinginan efektif yang lebih tinggi dengan menggabungkan dua SCHE, menghasilkan suhu yang lebih rendah di dalam lapisan MH.Akibatnya, tekanan yang lebih seimbang di dalam lapisan MG, menyebabkan penyerapan hidrogen lebih cepat.
Kasus 3 dan Kasus 4 Perbandingan suhu lapisan rata-rata dan konsentrasi hidrogen antara dua konfigurasi penukar panas.
Perbandingan konsentrasi hidrogen setelah 500, 2000, 5000, 10000 dan 20000 detik setelah dimulainya proses penyerapan hidrogen pada kasus 3 dan kasus 4.
Tabel 5 merangkum durasi serapan hidrogen untuk semua kasus.Selain itu, tabel juga menunjukkan waktu penyerapan hidrogen yang dinyatakan dalam persentase.Persentase ini dihitung berdasarkan waktu serapan Kasus 1. Dari tabel tersebut, waktu serapan reaktor MH yang menggunakan HCHE adalah sekitar 45.000 hingga 46.000 s, dan waktu serapan termasuk SCHE adalah sekitar 18.000 hingga 19.000 s.Dibandingkan dengan Kasus 1, waktu penyerapan pada Kasus 2 dan Kasus 3 berkurang masing-masing hanya sebesar 1,6% dan 2,7%.Saat menggunakan SCHE dan bukan HCHE, waktu penyerapan berkurang secara signifikan dari kasus 4 ke kasus 6, dari 58% menjadi 61%.Jelas bahwa penambahan SCHE ke dalam reaktor MH sangat meningkatkan proses penyerapan hidrogen dan kinerja reaktor MH.Meskipun pemasangan penukar panas di dalam reaktor MH mengurangi kapasitas penyimpanan, namun teknologi ini memberikan peningkatan perpindahan panas yang signifikan dibandingkan teknologi lainnya.Selain itu, penurunan nilai nada akan meningkatkan volume SCHE, sehingga mengakibatkan penurunan volume MH.Pada kasus 6 dengan volume SCHE tertinggi, kapasitas volumetrik MH hanya berkurang 5% dibandingkan kasus 1 dengan volume HCHE terendah.Selain itu, selama penyerapan, case 6 menunjukkan kinerja yang lebih cepat dan lebih baik dengan pengurangan waktu penyerapan sebesar 61%.Oleh karena itu kasus 6 dipilih untuk penyelidikan lebih lanjut dalam analisis sensitivitas.Perlu dicatat bahwa waktu serapan hidrogen yang lama dikaitkan dengan tangki penyimpanan yang berisi volume MH sekitar 2000 cm3.
Parameter operasi selama reaksi merupakan faktor penting yang secara positif atau negatif mempengaruhi kinerja reaktor MH dalam kondisi nyata.Studi ini mempertimbangkan analisis sensitivitas untuk menentukan parameter operasi awal yang sesuai untuk reaktor MH yang dikombinasikan dengan SCHE, dan bagian ini menyelidiki empat parameter operasi utama berdasarkan konfigurasi reaktor optimal pada kasus 6. Hasil untuk semua kondisi operasi ditunjukkan pada Gambar 8.
Grafik konsentrasi hidrogen pada berbagai kondisi operasi saat menggunakan penukar panas dengan kumparan semi silinder.(a) tekanan pembebanan, (b) suhu lapisan awal, (c) bilangan Reynolds cairan pendingin, dan (d) suhu saluran masuk cairan pendingin.
Berdasarkan suhu awal konstan 573 K dan laju aliran pendingin dengan bilangan Reynolds 14.000, empat tekanan pembebanan berbeda dipilih: 1,2 MPa, 1,8 MPa, 2,4 MPa, dan 3,0 MPa.Pada gambar.Gambar 8a menunjukkan pengaruh tekanan pembebanan dan SCHE pada konsentrasi hidrogen dari waktu ke waktu.Waktu penyerapan berkurang dengan meningkatnya tekanan pembebanan.Menggunakan tekanan hidrogen sebesar 1,2 MPa adalah kasus terburuk untuk proses penyerapan hidrogen, dan durasi penyerapan melebihi 26.000 detik untuk mencapai 90% penyerapan hidrogen.Namun, tekanan pembebanan yang lebih tinggi mengakibatkan penurunan waktu penyerapan sebesar 32-42% dari 1,8 menjadi 3,0 MPa.Hal ini disebabkan oleh tekanan awal hidrogen yang lebih tinggi, yang mengakibatkan perbedaan yang lebih besar antara tekanan kesetimbangan dan tekanan yang diberikan.Oleh karena itu, hal ini menciptakan kekuatan pendorong yang besar untuk kinetika serapan hidrogen.Pada saat awal, gas hidrogen diserap dengan cepat karena perbedaan besar antara tekanan kesetimbangan dan tekanan yang diberikan57.Pada tekanan pembebanan 3,0 MPa, 18% hidrogen terakumulasi dengan cepat selama 10 detik pertama.Hidrogen disimpan di 90% reaktor pada tahap akhir selama 15460 detik.Namun, pada tekanan pembebanan 1,2 hingga 1,8 MPa, waktu penyerapan berkurang secara signifikan sebesar 32%.Tekanan lain yang lebih tinggi mempunyai pengaruh yang lebih kecil terhadap peningkatan waktu penyerapan.Oleh karena itu, tekanan pembebanan reaktor MH-SCHE direkomendasikan sebesar 1,8 MPa.Bagian tambahan menunjukkan kontur konsentrasi hidrogen untuk berbagai tekanan pembebanan pada 15500 s.
Pemilihan suhu awal reaktor MH yang sesuai merupakan salah satu faktor utama yang mempengaruhi proses adsorpsi hidrogen, karena mempengaruhi gaya penggerak reaksi pembentukan hidrida.Untuk mempelajari pengaruh SCHE pada suhu awal reaktor MH, dipilih empat suhu berbeda pada tekanan pembebanan konstan 1,8 MPa dan bilangan Reynolds 14.000 HTF.Pada gambar.Gambar 8b menunjukkan perbandingan berbagai suhu awal, termasuk 473K, 523K, 573K, dan 623K.Faktanya, ketika suhu lebih tinggi dari 230°C atau 503K58, paduan Mg2Ni memiliki karakteristik efektif untuk proses penyerapan hidrogen.Namun, pada saat awal injeksi hidrogen, suhu meningkat dengan cepat.Akibatnya, suhu lapisan MG akan melebihi 523 K. Oleh karena itu, pembentukan hidrida difasilitasi karena peningkatan laju penyerapan53.Dari gambar.Dapat dilihat dari Gambar 8b bahwa hidrogen diserap lebih cepat seiring dengan menurunnya suhu awal lapisan MB.Tekanan kesetimbangan yang lebih rendah terjadi ketika suhu awal lebih rendah.Semakin besar perbedaan tekanan antara tekanan kesetimbangan dan tekanan yang diberikan, semakin cepat proses penyerapan hidrogen.Pada suhu awal 473 K, hidrogen diserap dengan cepat hingga 27% selama 18 detik pertama.Selain itu, waktu serapan juga berkurang dari 11% menjadi 24% pada suhu awal yang lebih rendah dibandingkan suhu awal 623 K. Waktu serapan pada suhu awal terendah 473 K adalah 15247 s, serupa dengan waktu terbaik Namun, jika terjadi tekanan pembebanan, penurunan suhu awal reaktor menyebabkan penurunan kapasitas penyimpanan hidrogen.Suhu awal reaktor MN minimal harus 503 K53.Selain itu, pada suhu awal 573 K53, kapasitas penyimpanan hidrogen maksimum sebesar 3,6% berat dapat dicapai.Dalam hal kapasitas penyimpanan hidrogen dan durasi penyerapan, suhu antara 523 dan 573 K mempersingkat waktu hanya sebesar 6%.Oleh karena itu, suhu 573 K diusulkan sebagai suhu awal reaktor MH-SCHE.Namun pengaruh suhu awal terhadap proses penyerapan kurang signifikan dibandingkan dengan tekanan pembebanan.Bagian tambahan menunjukkan kontur konsentrasi hidrogen untuk berbagai temperatur awal pada 15500 s.
Laju aliran merupakan salah satu parameter utama hidrogenasi dan dehidrogenasi karena dapat mempengaruhi turbulensi dan pembuangan atau masukan panas selama hidrogenasi dan dehidrogenasi59.Laju aliran yang tinggi akan menciptakan fase turbulen dan menghasilkan aliran fluida yang lebih cepat melalui pipa HTF.Reaksi ini akan menghasilkan perpindahan panas yang lebih cepat.Kecepatan masuk yang berbeda untuk HTF dihitung berdasarkan bilangan Reynolds 10.000, 14.000, 18.000, dan 22.000.Suhu awal lapisan MG ditetapkan pada 573 K dan tekanan pembebanan pada 1,8 MPa.Hasilnya pada gambar.Gambar 8c menunjukkan bahwa penggunaan bilangan Reynolds yang lebih tinggi dalam kombinasi dengan SCHE menghasilkan tingkat serapan yang lebih tinggi.Ketika bilangan Reynolds meningkat dari 10.000 menjadi 22.000, waktu penyerapan berkurang sekitar 28-50%.Waktu penyerapan pada bilangan Reynolds 22.000 adalah 12.505 detik, lebih kecil dibandingkan pada berbagai suhu dan tekanan pembebanan awal.Kontur konsentrasi hidrogen untuk berbagai bilangan Reynolds untuk GTP pada 12500 s disajikan pada bagian tambahan.
Pengaruh SCHE pada suhu awal HTF dianalisis dan ditunjukkan pada Gambar 8d.Pada suhu awal MG 573 K dan tekanan pemuatan hidrogen 1,8 MPa, empat suhu awal dipilih untuk analisis ini: 373 K, 473 K, 523 K, dan 573 K. Gambar 8d menunjukkan bahwa terjadi penurunan suhu cairan pendingin. di saluran masuk menyebabkan pengurangan waktu penyerapan.Dibandingkan dengan casing dasar dengan suhu masuk 573 K, waktu penyerapan berkurang sekitar 20%, 44% dan 56% untuk suhu masuk masing-masing 523 K, 473 K dan 373 K.Pada waktu 6917 s, suhu awal GTF adalah 373 K, konsentrasi hidrogen dalam reaktor adalah 90%.Hal ini dapat dijelaskan dengan peningkatan perpindahan panas konvektif antara lapisan MG dan HCS.Temperatur HTF yang lebih rendah akan meningkatkan pembuangan panas dan mengakibatkan peningkatan serapan hidrogen.Di antara semua parameter operasi, peningkatan kinerja reaktor MH-SCHE dengan meningkatkan suhu masuk HTF merupakan metode yang paling sesuai, karena waktu akhir proses penyerapan kurang dari 7000 detik, sedangkan waktu penyerapan terpendek dari metode lain lebih lama. dari 10.000 detik.Kontur konsentrasi hidrogen disajikan untuk berbagai suhu awal GTP selama 7000 detik.
Studi ini untuk pertama kalinya menyajikan penukar panas kumparan semi-silinder baru yang diintegrasikan ke dalam unit penyimpanan logam hidrida.Kemampuan sistem yang diusulkan untuk menyerap hidrogen diselidiki dengan berbagai konfigurasi penukar panas.Pengaruh parameter operasi pada pertukaran panas antara lapisan logam hidrida dan cairan pendingin diselidiki untuk menemukan kondisi optimal untuk penyimpanan logam hidrida menggunakan penukar panas baru.Temuan utama penelitian ini dirangkum sebagai berikut:
Dengan penukar panas koil semi-silinder, kinerja perpindahan panas ditingkatkan karena memiliki distribusi panas yang lebih seragam dalam reaktor lapisan magnesium, sehingga menghasilkan laju penyerapan hidrogen yang lebih baik.Asalkan volume tabung penukar panas dan logam hidrida tetap tidak berubah, waktu reaksi penyerapan berkurang secara signifikan sebesar 59% dibandingkan dengan penukar panas koil konvensional.
Waktu posting: 15 Januari 2023