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금속 수소화물(MH)은 큰 수소 저장 용량, 낮은 작동 압력 및 높은 안전성으로 인해 수소 저장에 가장 적합한 재료 그룹 중 하나로 인식됩니다.그러나 느린 수소 흡수 속도로 인해 저장 성능이 크게 저하됩니다.MH 저장소에서 더 빠른 열 제거는 수소 흡수율을 높이는 데 중요한 역할을 하여 저장 성능을 향상시킬 수 있습니다.이러한 점에서 본 연구는 MH 저장 시스템의 수소 흡수율에 긍정적인 영향을 미치기 위해 열 전달 특성을 개선하는 것을 목표로 했습니다.새로운 반원통형 코일은 수소 저장을 위해 처음 개발 및 최적화되었으며 내부 공기-열 교환기(HTF)로 통합되었습니다.다양한 피치 크기를 기반으로 새로운 열 교환기 구성의 효과를 분석하고 기존 나선형 코일 형상과 비교합니다.또한 최적의 값을 얻기 위해 MG 및 GTP 저장의 작동 매개변수를 수치적으로 연구했습니다.수치 시뮬레이션에는 ANSYS Fluent 2020 R2가 사용되었습니다.본 연구의 결과는 반원통형 코일열교환기(SCHE)를 사용함으로써 MH 저장탱크의 성능이 크게 향상될 수 있음을 보여준다.기존 나선형 코일 열교환기에 비해 수소 흡수 기간이 59% 단축됩니다.SCHE 코일 사이의 최소 거리로 인해 흡수 시간이 61% 단축되었습니다.SHE를 사용하는 MG 저장의 작동 매개변수와 관련하여 선택된 모든 매개변수는 수소 흡수 과정, 특히 HTS 입구 온도의 상당한 개선으로 이어집니다.
전 세계적으로 화석연료 기반의 에너지에서 재생에너지로의 전환이 일어나고 있습니다.다양한 형태의 재생 가능 에너지가 역동적인 방식으로 전력을 공급하기 때문에 부하 균형을 맞추려면 에너지 저장이 필요합니다.수소 기반 에너지 저장 장치는 특히 수소의 특성과 휴대성으로 인해 "친환경" 대체 연료 및 에너지 운반체로 사용될 수 있기 때문에 이러한 목적으로 많은 주목을 받았습니다.또한, 수소는 화석 연료에 비해 단위 질량당 더 높은 에너지 함량을 제공합니다2.수소 에너지 저장에는 압축 가스 저장, 지하 저장, 액체 저장 및 고체 저장의 네 가지 주요 유형이 있습니다.압축수소는 버스, 지게차 등 연료전지 차량에 주로 사용되는 형태다.그러나 이 저장 장치는 낮은 수소 부피 밀도(약 0.089kg/m3)를 제공하며 높은 작동 압력3과 관련된 안전 문제를 안고 있습니다.낮은 주변 온도와 압력에서의 전환 과정을 기반으로 액체 저장소는 수소를 액체 형태로 저장합니다.그러나 액화되면 약 40%의 에너지가 손실됩니다.또한 이 기술은 솔리드 스테이트 스토리지 기술에 비해 에너지와 노동 집약적인 것으로 알려져 있습니다4.고체 저장은 수소 경제를 위한 실행 가능한 옵션으로, 흡수를 통해 수소를 고체 물질에 결합시키고 탈착을 통해 수소를 방출하여 수소를 저장합니다.고체 물질 저장 기술인 금속 수소화물(MH)은 높은 수소 용량, 낮은 작동 압력, 액체 저장에 비해 저렴한 비용으로 인해 연료 전지 응용 분야에서 최근 관심을 받고 있으며 고정식 및 이동 응용 분야에 적합합니다6,7 또한 MH 소재는 대용량8의 효율적인 보관과 같은 안전성도 제공합니다.그러나 MG 반응기의 낮은 열전도율로 인해 수소의 흡수와 탈착이 느려지는 등 MG의 생산성을 제한하는 문제가 있다.
발열 및 흡열 반응 중 적절한 열 전달은 MH 반응기의 성능을 향상시키는 열쇠입니다.수소 로딩 공정의 경우, 최대 저장 용량으로 원하는 속도로 수소 로딩 흐름을 제어하기 위해 생성된 열을 반응기에서 제거해야 합니다.대신, 방전 중 수소 발생 속도를 높이려면 열이 필요합니다.열 및 물질 전달 성능을 향상시키기 위해 많은 연구자들이 작동 매개변수, MG 구조, MG11 최적화 등 여러 요소를 기반으로 설계 및 최적화를 연구해 왔습니다.MG 최적화는 폼 금속과 같은 높은 열 전도성 재료를 MG 층(12,13)에 추가하여 수행할 수 있습니다.따라서 유효 열전도도를 0.1에서 2W/mK10으로 높일 수 있습니다.그러나 고체 물질을 추가하면 MN 반응기의 출력이 크게 감소합니다.작동 매개변수와 관련하여 MG 층 및 냉각수(HTF)의 초기 작동 조건을 최적화하면 개선이 이루어질 수 있습니다.MG의 구조는 반응기의 기하학적 구조와 열교환기의 설계로 인해 최적화될 수 있습니다.MH 원자로 열교환기의 구성과 관련하여 방법은 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.이는 MO 층에 내장된 내부 열교환기와 핀, 냉각 재킷, 수조 등 MO 층을 덮는 외부 열교환기입니다.외부 열 교환기와 관련하여 Kaplan16은 냉각수를 재킷으로 사용하여 반응기 내부 온도를 낮추는 MH 반응기의 작동을 분석했습니다.그 결과를 22개의 둥근 핀 원자로와 자연 대류에 의해 냉각된 다른 원자로와 비교했습니다.그들은 냉각 재킷이 있으면 MH의 온도가 크게 감소하여 흡수율이 증가한다고 말합니다.Patil과 Gopal17이 수행한 워터 재킷 MH 반응기에 대한 수치 연구에서는 수소 공급 압력과 HTF 온도가 수소 흡수 및 탈착 속도에 영향을 미치는 핵심 매개변수라는 사실이 밝혀졌습니다.
MH에 내장된 핀과 열 교환기를 추가하여 열 전달 영역을 늘리는 것이 열 및 물질 전달 성능을 향상시켜 MH18의 저장 성능을 향상시키는 열쇠입니다.MH19,20,21,22,23,24,25,26 원자로에서 냉각수를 순환시키기 위해 여러 내부 열 교환기 구성(직선 튜브 및 나선형 코일)이 설계되었습니다.내부 열 교환기를 사용하여 냉각 또는 가열 액체는 수소 흡착 공정 중에 MH 반응기 내부에 국부적인 열을 전달합니다.Raju와 Kumar[27]는 MG의 성능을 향상시키기 위해 열교환기로 여러 개의 직선형 튜브를 사용했습니다.그 결과 직선형 튜브를 열 교환기로 사용할 때 흡수 시간이 단축되는 것으로 나타났습니다.또한 직선형 튜브를 사용하면 수소 탈착 시간이 단축됩니다.냉각수 유량이 높을수록 수소 충전 및 방전 속도가 증가합니다29.그러나 냉각 튜브 수를 늘리면 냉각수 유량보다는 MH 성능에 긍정적인 영향을 미칩니다.Raju 등32은 원자로에서 다중관 열교환기의 성능을 연구하기 위해 LaMi4.7Al0.3을 MH 재료로 사용했습니다.그들은 작동 매개변수, 특히 공급 압력과 HTF 유속이 흡수 과정에 중요한 영향을 미친다고 보고했습니다.그러나 흡수 온도는 덜 중요한 것으로 나타났습니다.
MH 반응기의 성능은 직선형 튜브에 비해 향상된 열 전달로 인해 나선형 코일 열 교환기를 사용하여 더욱 향상되었습니다.이는 2차 사이클이 원자로에서 열을 더 잘 제거할 수 있기 때문입니다25.또한 나선형 튜브는 MH 층에서 냉각수로의 열 전달을 위한 넓은 표면적을 제공합니다.이 방법을 반응기 내부에 도입하면 열교환 튜브의 분포도 더욱 균일해집니다33.왕 외.34는 MH 반응기에 나선형 코일을 추가하여 수소 흡수 기간의 효과를 연구했습니다.그 결과는 냉각수의 열전달 계수가 증가함에 따라 흡수 시간이 감소한다는 것을 보여줍니다.Wuet al.25는 Mg2Ni 기반 MH 반응기와 코일형 코일 열교환기의 성능을 조사했습니다.그들의 수치 연구는 반응 시간의 감소를 보여주었습니다.MN 반응기의 열 전달 메커니즘 개선은 스크류 피치 대 스크류 피치의 더 작은 비율과 무차원 스크류 피치를 기반으로 합니다.내부 열 교환기로 코일형 코일을 사용한 Mellouli et al.21의 실험 연구에서는 HTF 시작 온도가 수소 흡수 및 탈착 시간을 향상시키는 데 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.다양한 내부 열 교환기의 조합이 여러 연구에서 수행되었습니다.Eisapuret al.35는 수소 흡수 과정을 개선하기 위해 중앙 복귀 튜브가 있는 나선형 코일 열교환기를 사용하여 수소 저장을 연구했습니다.그들의 결과는 나선형 튜브와 중앙 복귀 튜브가 냉각수와 MG 사이의 열 전달을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다.나선형 튜브의 더 작은 피치와 더 큰 직경은 열 및 물질 전달 속도를 증가시킵니다.Ardahaiet al.36은 원자로 내 열 전달을 개선하기 위해 평평한 나선형 튜브를 열 교환기로 사용했습니다.그들은 편평한 나선형 튜브 평면의 수를 증가시킴으로써 흡수 지속 시간이 단축되었다고 보고했습니다.다양한 내부 열 교환기의 조합이 여러 연구에서 수행되었습니다.Dhauet al.37은 코일형 코일 열교환기와 핀을 사용하여 MH의 성능을 향상시켰습니다.결과는 이 방법이 핀이 없는 경우에 비해 수소 충전 시간을 2배 단축한다는 것을 보여줍니다.환형 핀은 냉각 튜브와 결합되어 MN 반응기에 내장됩니다.이 연구의 결과는 이 결합된 방법이 핀이 없는 MH 반응기에 비해 더 균일한 열 전달을 제공한다는 것을 보여줍니다.그러나 서로 다른 열 교환기를 결합하면 MH 반응기의 무게와 부피에 부정적인 영향을 미칩니다.Wu 등18은 다양한 열 교환기 구성을 비교했습니다.여기에는 직선형 튜브, 핀 및 나선형 코일이 포함됩니다.저자는 나선형 코일이 열 및 물질 전달에 있어서 최고의 개선을 제공한다고 보고합니다.또한 직선관, 코일형 튜브, 코일형 튜브와 결합된 직선형 튜브에 비해 이중 코일은 열 전달 개선 효과가 더 좋습니다.Sekhar 등의 연구.40은 내부 열 교환기로서 나선형 코일과 핀이 있는 외부 냉각 재킷을 사용하여 수소 흡수의 유사한 개선이 달성되었음을 보여줍니다.
위에서 언급한 예 중에서 나선형 코일을 내부 열 교환기로 사용하면 다른 열 교환기, 특히 직선형 튜브 및 핀보다 열 및 물질 전달이 더 향상됩니다.따라서 본 연구의 목적은 열전달 성능을 향상시키기 위한 나선형 코일을 더욱 개발하는 것이었다.처음으로 기존의 MH 저장 나선형 코일을 기반으로 새로운 반원통형 코일이 개발되었습니다.본 연구는 일정한 부피의 MH 베드와 HTF 튜브를 통해 제공되는 더 나은 열 전달 영역 레이아웃을 갖춘 새로운 열교환기 설계를 고려하여 수소 저장 성능을 향상시킬 것으로 기대됩니다.그런 다음 이 새로운 열교환기의 저장 성능을 다양한 코일 피치를 기반으로 하는 기존 나선형 코일 열교환기와 비교했습니다.기존 문헌에 따르면 작동 조건과 코일 간격은 MH 원자로의 성능에 영향을 미치는 주요 요인입니다.이 새로운 열 교환기의 설계를 최적화하기 위해 코일 간격이 수소 흡수 시간과 MH 부피에 미치는 영향을 조사했습니다.또한, 새로운 반원통형 코일과 운전 조건과의 관계를 이해하기 위해 본 연구의 2차 목표는 다양한 운전 매개변수 범위에 따른 반응기의 특성을 연구하고 각 운전에 대한 적절한 값을 결정하는 것이었다. 방법.매개변수.
본 연구에서는 두 가지 열교환기 구성(케이스 1~3의 나선형 튜브, 케이스 4~6의 반원통형 튜브 포함)과 작동변수의 민감도 분석을 기반으로 수소에너지 저장장치의 성능을 조사하였다.MH 반응기의 작동성은 나선형 튜브를 열교환기로 사용하여 처음으로 테스트되었습니다.냉각수 오일 파이프와 MH 원자로 용기는 모두 스테인레스 스틸로 만들어졌습니다.MG 반응기의 치수와 GTF 파이프의 직경은 모든 경우에 일정했지만 GTF의 단계 크기는 다양했습니다.이 섹션에서는 HTF 코일의 피치 크기가 미치는 영향을 분석합니다.반응기의 높이와 외경은 각각 110mm와 156mm였다.열전도 오일 파이프의 직경은 6mm로 설정됩니다.나선형 튜브와 두 개의 반원통형 튜브가 있는 MH 반응기 회로 다이어그램에 대한 자세한 내용은 보충 섹션을 참조하세요.
그림에.그림 1a는 MH 나선형 튜브 반응기와 그 치수를 보여줍니다.모든 기하학적 매개 변수는 표에 나와 있습니다.1. 나선의 전체 부피와 ZG의 부피는 각각 약 100 cm3 및 2000 cm3입니다.이 MH 반응기로부터 HTF 형태의 공기가 나선형 튜브를 통해 다공성 MH 반응기 내부로 아래로부터 공급되고, 반응기의 상부 표면으로부터 수소가 도입되었다.
금속 수소화물 반응기에 대해 선택된 형상의 특성화.a) 나선형 관형 열 교환기 사용, b) 반원통형 관형 열 교환기 사용.
두 번째 부분에서는 열교환기로서 반원통형 튜브를 기반으로 하는 MH 원자로의 작동을 조사합니다.그림에.그림 1b는 두 개의 반원통형 튜브와 그 크기를 가진 MN 반응기를 보여줍니다.표 1에는 파이프 사이의 거리를 제외하고 일정하게 유지되는 반원통형 파이프의 모든 기하학적 매개변수가 나열되어 있습니다.Case 4의 반원통형 튜브는 코일형 튜브(옵션 3)에 HTF 튜브와 MH 합금의 일정한 부피로 설계되었다는 점에 유의해야 합니다.그림에 관해서.도 1b에 도시된 바와 같이, 두 개의 반원통형 HTF 튜브 바닥에서도 공기가 유입되고, MH 반응기의 반대 방향에서 수소가 유입되었다.
열 교환기의 새로운 설계로 인해 이 섹션의 목적은 SCHE와 결합된 MH 원자로의 작동 매개변수에 대한 적절한 초기 값을 결정하는 것입니다.모든 경우에 원자로에서 열을 제거하기 위한 냉각제로 공기가 사용되었습니다.열전달 오일 중에서 공기와 물은 비용이 저렴하고 환경에 미치는 영향이 적기 때문에 MH 원자로의 열 전달 오일로 일반적으로 선택됩니다.마그네슘 기반 합금의 작동 온도 범위가 높기 때문에 본 연구에서는 공기를 냉각제로 선택했습니다.또한 다른 액체 금속 및 용융 염보다 흐름 특성이 더 좋습니다41.표 2에는 573K에서 공기의 특성이 나열되어 있습니다. 이 섹션의 민감도 분석을 위해 MH-SCHE 성능 옵션(사례 4~6)의 최상의 구성만 적용됩니다.이 섹션의 추정치는 MH 반응기의 초기 온도, 수소 충전 압력, HTF 입구 온도 및 HTF 속도를 변경하여 계산된 레이놀즈 수를 포함한 다양한 작동 매개변수를 기반으로 합니다.표 3에는 민감도 분석에 사용되는 모든 작동 매개변수가 포함되어 있습니다.
이 섹션에서는 냉각수의 수소 흡수, 난류 및 열 전달 과정에 필요한 모든 제어 방정식을 설명합니다.
수소 흡수 반응의 해법을 단순화하기 위해 다음과 같은 가정이 이루어지고 제공됩니다.
흡수되는 동안 수소와 금속 수소화물의 열물리적 특성은 일정합니다.
수소는 이상 기체로 간주되므로 국지적인 열 평형 조건43,44이 고려됩니다.
여기서 \({L}_{gas}\)는 탱크의 반경이고 \({L}_{heat}\)는 탱크의 축 높이입니다.N이 0.0146보다 작을 때, 탱크 내 수소 흐름은 큰 오류 없이 시뮬레이션에서 무시될 수 있습니다.현재 연구에 따르면 N은 0.1보다 훨씬 낮습니다.따라서 압력 구배 효과를 무시할 수 있습니다.
모든 경우에 반응기 벽은 잘 단열되어 있었습니다.따라서 반응기와 환경 사이에는 열 교환(47)이 없습니다.
Mg 기반 합금은 우수한 수소화 특성과 최대 7.6wt%8까지의 높은 수소 저장 용량을 갖는 것으로 잘 알려져 있습니다.고체 수소 저장 응용 분야에서 이러한 합금은 경량 재료로도 알려져 있습니다.또한 내열성이 우수하고 가공성이 우수합니다8.여러 Mg 기반 합금 중에서 Mg2Ni 기반 MgNi 합금은 최대 6wt%의 수소 저장 용량으로 인해 MH 저장에 가장 적합한 옵션 중 하나입니다.Mg2Ni 합금은 또한 MgH48 합금에 비해 더 빠른 흡착 및 탈착 역학을 제공합니다.따라서 본 연구에서는 Mg2Ni를 금속수소화물 재료로 선택하였다.
에너지 방정식은 수소와 Mg2Ni 수소화물 사이의 열 균형을 기반으로 25로 표현됩니다.
X는 금속 표면에 흡수된 수소의 양이며 단위는 \(중량\%\)이며 흡수 중 동역학 방정식 \(\frac{dX}{dt}\)에서 다음과 같이 계산됩니다49:
여기서 \({C}_{a}\)는 반응 속도이고 \({E}_{a}\)는 활성화 에너지입니다.\({P}_{a,eq}\)는 흡수 공정 중 금속 수소화물 반응기 내부의 평형 압력으로, 다음과 같이 van't Hoff 방정식으로 제공됩니다.
여기서 \({P}_{ref}\)는 0.1MPa의 기준 압력입니다.\(\Delta H\) 및 \(\Delta S\)는 각각 반응의 엔탈피와 엔트로피입니다.Mg2Ni 합금과 수소의 특성이 표에 나와 있습니다.4. 명명된 목록은 보충 섹션에서 찾을 수 있습니다.
유체 흐름은 속도와 레이놀즈 수(Re)가 각각 78.75ms-1과 14000이므로 난류로 간주됩니다.이 연구에서는 달성 가능한 k-ε 난류 모델이 선택되었습니다.이 방법은 다른 k-ε 방법에 비해 정확도가 높으며, RNG k-ε50,51 방법에 비해 계산 시간도 적게 소요된다는 점에 주목합니다.열 전달 유체의 기본 방정식에 대한 자세한 내용은 보충 섹션을 참조하십시오.
처음에 MN 반응기의 온도 체계는 균일했고 평균 수소 농도는 0.043이었습니다.MH 원자로의 외부 경계는 잘 단열되어 있다고 가정합니다.마그네슘 기반 합금은 일반적으로 반응기에서 수소를 저장하고 방출하기 위해 높은 반응 작동 온도가 필요합니다.Mg2Ni 합금은 최대 흡수를 위해 523-603 K의 온도 범위가 필요하고 완전한 탈착을 위해서는 573-603 K의 온도 범위가 필요합니다.그러나 Muthukumar 등의 실험 연구에서는 수소 저장을 위한 Mg2Ni의 최대 저장 용량이 이론 용량에 해당하는 573K의 작동 온도에서 달성될 수 있음을 보여주었습니다.따라서 본 연구에서는 MN 반응기의 초기 온도로 573K의 온도를 선택했습니다.
검증과 신뢰할 수 있는 결과를 위해 다양한 그리드 크기를 만듭니다.그림에.그림 2는 4가지 서로 다른 요소의 수소 흡수 과정에서 선택된 위치의 평균 온도를 보여줍니다.유사한 형상으로 인해 그리드 독립성을 테스트하기 위해 각 구성의 한 가지 사례만 선택되었다는 점은 주목할 가치가 있습니다.다른 경우에도 동일한 메시 방법이 적용됩니다.따라서 나선형 파이프의 경우 옵션 1을 선택하고 반원통형 파이프의 경우 옵션 4를 선택합니다.그림에.그림 2a, b는 각각 옵션 1과 4에 대한 반응기의 평균 온도를 보여줍니다.선택된 세 위치는 반응기 상단, 중간 및 하단의 층 온도 윤곽을 나타냅니다.선택한 위치의 온도 윤곽을 기반으로 평균 온도가 안정되고 사례 1과 4에 대해 각각 요소 번호 428,891 및 430,599에서 거의 변화가 없습니다.따라서 이러한 그리드 크기는 추가 계산 계산을 위해 선택되었습니다.다양한 셀 크기에 대한 수소 흡수 공정의 평균 층 온도와 두 경우 모두에 대해 연속적으로 정제된 메쉬에 대한 자세한 정보는 보충 섹션에 나와 있습니다.
그리드 번호가 서로 다른 금속 수소화물 반응기의 수소 흡수 공정에서 선택된 지점의 평균 층 온도.(a) 사례 1의 경우 선택한 위치의 평균 온도 및 (b) 사례 4의 경우 선택한 위치의 평균 온도.
본 연구에서 Mg 기반의 금속 수소화물 반응기는 Muthukumar et al.53의 실험 결과를 바탕으로 테스트되었다.그들의 연구에서 그들은 Mg2Ni 합금을 사용하여 스테인리스 스틸 튜브에 수소를 저장했습니다.구리 핀은 반응기 내부의 열 전달을 개선하는 데 사용됩니다.그림에.도 3a는 실험 연구와 본 연구 사이의 흡수 공정층의 평균 온도를 비교한 것이다.이 실험을 위해 선택된 작동 조건은 MG 초기 온도 573K 및 입구 압력 2MPa입니다.그림에서.도 3a에서 이 실험 결과는 평균 층 온도와 관련하여 현재 결과와 잘 일치한다는 것을 명확하게 볼 수 있습니다.
모델 검증.(a) 현재 연구와 Muthukumar et al.52의 실험 작업을 비교하여 Mg2Ni 금속 수소화물 반응기의 코드 검증, (b) 현재 연구와 Kumar et al.의 실험 작업을 비교하여 나선형 튜브 난류 모델의 검증 .연구.54.
난류 모델을 테스트하기 위해 본 연구의 결과를 Kumar et al.54의 실험 결과와 비교하여 선택한 난류 모델의 정확성을 확인했습니다.Kumar 등54은 Tube-in-Pipe 나선형 열 교환기의 난류를 연구했습니다.물은 반대편에서 주입되는 뜨거운 유체와 차가운 유체로 사용됩니다.뜨겁고 차가운 액체 온도는 각각 323K와 300K입니다.레이놀즈 수의 범위는 뜨거운 액체의 경우 3100~5700이고 차가운 액체의 경우 21,000~35,000입니다.학장 번호는 뜨거운 액체의 경우 550-1000이고 차가운 액체의 경우 3600-6000입니다.내부 파이프(뜨거운 액체용)와 외부 파이프(차가운 액체용)의 직경은 각각 0.0254m와 0.0508m입니다.나선형 코일의 직경과 피치는 각각 0.762m와 0.100m입니다.그림에.그림 3b는 내부 튜브의 냉각수에 대한 다양한 Nusselt 및 Dean 수 쌍에 대한 실험 결과와 현재 결과를 비교한 것입니다.세 가지 다른 난류 모델을 구현하고 실험 결과와 비교했습니다.그림과 같이.그림 3b에서 볼 수 있듯이 달성 가능한 k-ε 난류 모델의 결과는 실험 데이터와 잘 일치합니다.따라서 본 연구에서는 이 모델을 선택하였다.
본 연구의 수치 시뮬레이션은 ANSYS Fluent 2020 R2를 사용하여 수행되었습니다.사용자 정의 함수(UDF)를 작성하고 이를 에너지 방정식의 입력 항으로 사용하여 흡수 과정의 동역학을 계산합니다.압력-속도 통신 및 압력 보정에는 PRESTO55 회로와 PISO56 방법이 사용됩니다.가변 그라데이션에 대해 Greene-Gauss 셀 베이스를 선택합니다.운동량 및 에너지 방정식은 2차 풍향 방법으로 해결됩니다.과소이완계수는 압력, 속도, 에너지 성분을 각각 0.5, 0.7, 0.7로 설정하였다.표준 벽 기능은 난류 모델의 HTF에 적용됩니다.
이 섹션에서는 수소 흡수 중 코일형 코일 열교환기(HCHE)와 나선형 코일 열교환기(SCHE)를 사용하여 MH 반응기의 내부 열 전달 개선에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 제시합니다.반응기 층의 온도와 흡수 기간에 대한 HTF 피치의 영향을 분석했습니다.흡수 공정의 주요 작동 매개변수는 민감도 분석 섹션에서 연구되고 제시됩니다.
MH 반응기에서 열 전달에 대한 코일 간격의 영향을 조사하기 위해 서로 다른 피치를 가진 세 가지 열 교환기 구성을 조사했습니다.15mm, 12.86mm, 10mm의 세 가지 피치가 각각 바디 1, 바디 2, 바디 3으로 지정됩니다.모든 경우에 파이프 직경은 초기 온도 573K와 부하 압력 1.8MPa에서 6mm로 고정되었습니다.그림에.도 4는 사례 1 내지 3의 수소 흡수 과정 동안 평균 층 온도와 MH 층의 수소 농도를 보여준다. 일반적으로, 금속 수소화물과 수소 사이의 반응은 흡수 과정에서 발열이다.따라서 수소가 반응기에 처음 도입되는 초기 순간으로 인해 베드의 온도가 급격히 상승하게 된다.베드 온도는 최대값에 도달할 때까지 증가한 다음 온도가 더 낮고 냉각수 역할을 하는 냉각수에 의해 열이 운반됨에 따라 점차 감소합니다.그림과 같이.도 4a에서는 앞선 설명으로 인해 층의 온도가 급격하게 증가하다가 지속적으로 감소함을 알 수 있다.흡수 공정의 수소 농도는 일반적으로 MH 반응기의 층 온도를 기준으로 합니다.층의 평균 온도가 특정 온도로 떨어지면 금속 표면이 수소를 흡수합니다.이는 반응기에서 물리흡착, 화학흡착, 수소 확산 및 수소화물 형성 과정의 가속화로 인해 발생합니다.그림에서.도 4b에서, 코일 열 교환기의 더 작은 단계 값으로 인해 사례 3의 수소 흡수율이 다른 경우보다 낮다는 것을 알 수 있습니다.이로 인해 전체 파이프 길이가 길어지고 HTF 파이프의 열 전달 면적이 더 커집니다.평균 수소 농도가 90%인 경우 Case 1의 흡수 시간은 46,276초입니다.Case 1의 흡수 지속 시간과 비교하여 Case 2와 3의 흡수 지속 시간은 각각 724초, 1263초 감소했습니다.보충 섹션에서는 HCHE-MH 층의 선택된 위치에 대한 온도 및 수소 농도 등고선을 제공합니다.
코일 사이의 거리가 평균 층 온도와 수소 농도에 미치는 영향.(a) 나선형 코일의 평균 층 온도, (b) 나선형 코일의 수소 농도, (c) 반원통형 코일의 평균 층 온도, (d) 반원통형 코일의 수소 농도.
MG 반응기의 열전달 특성을 향상시키기 위해 MG의 일정한 부피(2000 cm3)와 Option 3의 나선형 열교환기(100 cm3)에 대해 두 개의 HFC를 설계했습니다. 이 섹션에서는 또한 두 반응기 사이의 거리에 따른 영향을 고려합니다. 케이스 4의 경우 15mm, 케이스 5의 경우 12.86mm, 케이스 6의 경우 10mm 코일입니다.그림 4c, d는 초기 온도 573K와 로딩 압력 1.8MPa에서 수소 흡수 공정의 평균 층 온도와 농도를 보여줍니다.그림 4c의 평균 층 온도에 따르면 케이스 6의 코일 사이의 거리가 작을수록 다른 두 경우에 비해 온도가 크게 감소합니다.사례 6의 경우, 층 온도가 낮을수록 수소 농도가 높아집니다(그림 4d 참조).변형 4의 수소 흡수 시간은 19542초로, 이는 HCH를 사용하는 변형 1-3보다 2배 이상 낮습니다.또한 Case 4와 비교하여 거리가 짧은 Case 5와 6에서는 흡수 시간이 378초, 1515초 단축되었습니다.보충 섹션에서는 SCHE-MH 층의 선택된 위치에 대한 온도 및 수소 농도 등고선을 제공합니다.
두 가지 열 교환기 구성의 성능을 연구하기 위해 이 섹션에서는 선택한 세 위치의 온도 곡선을 플롯하고 제시합니다.사례 3의 HCHE를 포함하는 MH 반응기는 MH 부피와 파이프 부피가 일정하기 때문에 사례 4의 SCHE를 포함하는 MH 반응기와 비교하기 위해 선택되었습니다.이 비교를 위한 작동 조건은 초기 온도 573K와 부하 압력 1.8MPa였습니다.그림에.그림 5a와 5b는 각각 사례 3과 4의 온도 프로파일의 세 가지 선택된 위치를 모두 보여줍니다.그림에.도 5c는 20,000초의 수소 흡수 후 온도 프로파일과 층 농도를 보여줍니다.그림 5c의 라인 1에 따르면 옵션 3과 4의 TTF 주변 온도는 냉각수의 대류 열 전달로 인해 감소합니다.이로 인해 이 지역 주변의 수소 농도가 높아집니다.그러나 두 개의 SCHE를 사용하면 층 농도가 더 높아집니다.사례 4의 경우 HTF 영역 주변에서 더 빠른 동역학적 반응이 발견되었습니다. 또한 이 영역에서도 최대 농도 100%가 발견되었습니다.반응기 중앙에 위치한 라인 2부터 반응기 중앙을 제외한 모든 곳에서 케이스 4의 온도가 케이스 3의 온도보다 현저히 낮다.이는 HTF로부터 떨어진 반응기 중심 근처 영역을 제외하고 사례 4에 대한 최대 수소 농도를 초래합니다.그러나 Case 3의 농도는 큰 변화가 없었다.GTS 입구 근처의 라인 3에서 층의 온도와 농도에 큰 차이가 관찰되었습니다.케이스 4의 경우 층의 온도가 크게 감소하여 이 영역에서 수소 농도가 가장 높았으나 케이스 3의 농도선은 여전히 변동했습니다.이는 SCHE 열 전달이 가속화되기 때문입니다.Case 3과 Case 4 사이의 MH 층과 HTF 파이프의 평균 온도 비교에 대한 자세한 내용과 논의는 보충 섹션에 제공됩니다.
금속 수소화물 반응기의 선택된 위치에서의 온도 프로파일 및 층 농도.(a) 사례 3에 대해 선택된 위치, (b) 사례 4에 대해 선택된 위치, (c) 사례 3 및 4의 수소 흡수 과정을 위해 20,000초 후 선택된 위치의 온도 프로파일 및 층 농도.
그림에.그림 6은 HCH와 SHE 흡수에 대한 평균 층 온도(그림 6a 참조)와 수소 농도(그림 6b 참조)를 비교한 것입니다.이 그림에서 볼 수 있듯이 열교환 면적의 증가로 인해 MG 층의 온도가 크게 감소하는 것을 알 수 있습니다.반응기에서 더 많은 열을 제거하면 수소 흡수율이 높아집니다.두 열교환기 구성은 HCHE를 옵션 3으로 사용한 것과 비교하여 동일한 부피를 가지지만 옵션 4를 기반으로 한 SCHE의 수소 흡수 시간은 59%까지 크게 감소했습니다.보다 자세한 분석을 위해 두 열 교환기 구성에 대한 수소 농도가 그림 7에 등치선으로 표시됩니다. 이 그림은 두 경우 모두 HTF 입구 주변에서 수소가 아래에서 흡수되기 시작한다는 것을 보여줍니다.HTF 영역에서 더 높은 농도가 발견된 반면, 열 교환기로부터의 거리로 인해 MH 반응기 중앙에서는 더 낮은 농도가 관찰되었습니다.10,000초 후에 사례 4의 수소 농도는 사례 3보다 상당히 높습니다. 20,000초 후에 반응기 내 평균 수소 농도는 사례 3의 50% 수소에 비해 사례 4의 평균 수소 농도가 90%로 증가했습니다. 이는 아마도 두 개의 SCHE를 결합하면 효과적인 냉각 용량이 높아져 MH 층 내부 온도가 낮아집니다.결과적으로, MG 층 내부에 더 많은 평형 압력이 떨어지게 되어 수소가 더 빨리 흡수됩니다.
사례 3 및 사례 4 두 열 교환기 구성 간의 평균 층 온도와 수소 농도 비교.
Case 3과 Case 4의 수소흡수과정 시작 후 500, 2000, 5000, 10000, 20000초 후의 수소농도 비교.
표 5는 모든 경우에 대한 수소 흡수 기간을 요약합니다.또한 표에는 수소 흡수 시간도 백분율로 표시되어 있습니다.이 백분율은 Case 1의 흡수시간을 기준으로 계산한 것이다. 이 표에서 HCHE를 사용한 MH 반응기의 흡수시간은 약 45,000~46,000초이고, SCHE를 포함한 흡수시간은 약 18,000~19,000초이다.Case 1에 비해 Case 2와 Case 3의 흡수시간은 각각 1.6%, 2.7% 감소에 그쳤다.HCHE 대신 SCHE를 사용할 경우, Case 4에서 Case 6까지 흡수 시간이 58%에서 61%로 크게 감소했습니다.MH 반응기에 SCHE를 첨가하면 수소 흡수 과정과 MH 반응기의 성능이 크게 향상되는 것이 분명합니다.MH 반응기 내부에 열교환기를 설치하면 저장 용량이 감소하지만, 이 기술은 다른 기술에 비해 열 전달 성능이 크게 향상됩니다.또한, 피치 값을 낮추면 SCHE의 볼륨이 증가하여 MH의 볼륨이 감소하게 됩니다.SCHE 부피가 가장 높은 사례 6의 경우 HCHE 부피가 가장 낮은 사례 1에 비해 MH 부피 용량은 5%만 감소했습니다.또한, 흡수 과정에서 Case 6의 경우 흡수 시간이 61% 감소하여 더 빠르고 더 좋은 성능을 보였습니다.따라서 민감도 분석의 추가 조사를 위해 사례 6이 선택되었습니다.긴 수소 흡수 시간은 약 2000 cm3의 MH 부피를 포함하는 저장 탱크와 관련이 있다는 점에 유의해야 합니다.
반응 중 작동 매개변수는 실제 조건에서 MH 반응기의 성능에 긍정적 또는 부정적 영향을 미치는 중요한 요소입니다.본 연구에서는 SCHE와 결합된 MH 원자로의 적절한 초기 운전 매개변수를 결정하기 위해 민감도 분석을 고려하고 있으며, 본 절에서는 사례 6의 최적 원자로 구성을 기반으로 4가지 주요 운전 매개변수를 조사합니다. 모든 운전 조건에 대한 결과는 다음과 같습니다. 그림 8.
반원통형 코일을 갖는 열교환기를 사용할 때 다양한 운전 조건에서의 수소 농도 그래프.(a) 로딩 압력, (b) 초기 베드 온도, (c) 냉각수 레이놀즈 수, (d) 냉각수 입구 온도.
573K의 일정한 초기 온도와 14,000의 레이놀즈 수를 갖는 냉각수 유량을 기반으로 1.2MPa, 1.8MPa, 2.4MPa 및 3.0MPa의 네 가지 로딩 압력이 선택되었습니다.그림에.도 8a는 시간 경과에 따른 수소 농도에 대한 로딩 압력 및 SCHE의 효과를 보여준다.로딩 압력이 증가하면 흡수 시간이 감소합니다.1.2 MPa의 수소 압력을 가하는 것은 수소 흡수 과정에서 최악의 경우이며, 흡수 지속 시간은 26,000초를 초과하여 90%의 수소 흡수를 달성합니다.그러나 로딩 압력이 높을수록 흡수 시간이 1.8MPa에서 3.0MPa로 32~42% 감소했습니다.이는 수소의 초기 압력이 더 높기 때문에 평형 압력과 적용된 압력 사이의 차이가 더 커지기 때문입니다.따라서 이는 수소 흡수 동역학에 큰 원동력을 생성합니다.초기에는 평형압력과 가압력의 차이가 크기 때문에 수소가스가 빠르게 흡수된다57.3.0 MPa의 로딩 압력에서 처음 10초 동안 18%의 수소가 빠르게 축적되었습니다.수소는 최종 단계에서 15460초 동안 반응기의 90%에 저장되었습니다.그러나 1.2~1.8 MPa의 로딩 압력에서는 흡수 시간이 32% 감소했습니다.다른 더 높은 압력은 흡수 시간 개선에 미치는 영향이 적습니다.따라서 MH-SCHE 반응기의 로딩 압력은 1.8 MPa가 되는 것이 좋습니다.보충 섹션은 15500초의 다양한 로딩 압력에 대한 수소 농도 윤곽을 보여줍니다.
MH 반응기의 적절한 초기 온도 선택은 수소화물 형성 반응의 추진력에 영향을 주기 때문에 수소 흡착 과정에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나입니다.MH 반응기의 초기 온도에 대한 SCHE의 영향을 연구하기 위해 1.8 MPa의 일정한 로딩 압력과 14,000 HTF의 레이놀즈 수에서 4개의 서로 다른 온도를 선택했습니다.그림에.그림 8b는 473K, 523K, 573K, 623K를 포함한 다양한 시작 온도를 비교한 것입니다.실제로 온도가 230°C 또는 503K58보다 높을 때 Mg2Ni 합금은 수소 흡수 공정에 효과적인 특성을 갖습니다.그러나 수소 주입 초기에는 온도가 급격하게 상승한다.결과적으로 MG 층의 온도는 523K를 초과하게 됩니다. 따라서 흡수율이 증가하여 수소화물의 형성이 촉진됩니다.그림에서.그림 8b에서 볼 수 있듯이 MB 층의 초기 온도가 낮아질수록 수소가 더 빨리 흡수되는 것을 알 수 있습니다.초기 온도가 낮을 때 더 낮은 평형 압력이 발생합니다.평형압력과 가해진 압력의 압력차가 클수록 수소흡수 과정은 빨라진다.초기 온도 473K에서 수소는 처음 18초 동안 최대 27%까지 빠르게 흡수됩니다.또한, 초기온도 623K 대비 낮은 초기온도에서 흡수시간도 11%에서 24%로 단축되었다. 가장 낮은 초기온도 473K에서의 흡수시간은 15247s로 최고와 유사한 수준이다. 그러나 케이스 로딩 압력이 감소하면 초기 온도 반응기 온도가 감소하여 수소 저장 용량이 감소합니다.MN 반응기의 초기 온도는 최소한 503K53이어야 합니다.또한, 초기 온도 573K53에서 최대 3.6wt%의 수소 저장 용량을 달성할 수 있다.수소 저장 용량과 흡수 기간 측면에서 523~573K 사이의 온도에서는 시간이 6%만 단축됩니다.따라서 MH-SCHE 반응기의 초기 온도로 573K의 온도가 제안되었다.그러나 흡수 과정에 대한 초기 온도의 영향은 로딩 압력에 비해 덜 중요했습니다.보충 섹션은 15500초의 다양한 초기 온도에 대한 수소 농도의 윤곽을 보여줍니다.
유속은 수소화 및 탈수소화 동안 난류 및 열 제거 또는 투입에 영향을 미칠 수 있기 때문에 수소화 및 탈수소화의 주요 매개변수 중 하나입니다59.높은 유속은 난류 단계를 생성하고 HTF 튜브를 통한 유체 흐름을 더 빠르게 만듭니다.이 반응으로 인해 열 전달이 더 빨라집니다.HTF의 다양한 진입 속도는 레이놀즈 수 10,000, 14,000, 18,000 및 22,000을 기준으로 계산됩니다.MG 층의 초기 온도는 573K로 고정되었고 로딩 압력은 1.8MPa로 고정되었습니다.그림의 결과.도 8c는 SCHE와 함께 더 높은 레이놀즈 수를 사용하면 흡수율이 더 높아진다는 것을 보여줍니다.레이놀즈 수가 10,000에서 22,000으로 증가함에 따라 흡수 시간은 약 28~50% 감소합니다.레이놀즈수 22,000에서의 흡수 시간은 12,505초로, 다양한 초기 로딩 온도 및 압력에서의 흡수 시간보다 짧습니다.12500초에서 GTP에 대한 다양한 레이놀즈 수에 대한 수소 농도 등고선이 보충 섹션에 표시됩니다.
HTF의 초기 온도에 대한 SCHE의 영향이 분석되어 그림 8d에 표시됩니다.573K의 초기 MG 온도와 1.8MPa의 수소 로딩 압력에서 이 분석을 위해 4개의 초기 온도가 선택되었습니다: 373K, 473K, 523K 및 573K. 8d는 냉각수 온도의 감소를 보여줍니다. 입구에서 흡수 시간이 단축됩니다.입구 온도가 573K인 기본 경우에 비해 입구 온도가 523K, 473K, 373K인 경우 흡수 시간이 각각 약 20%, 44%, 56% 감소했습니다.6917초에서 GTF의 초기 온도는 373K이고 반응기의 수소 농도는 90%입니다.이는 MG 층과 HCS 사이의 향상된 대류 열 전달로 설명될 수 있습니다.HTF 온도가 낮아지면 열 방출이 증가하고 수소 흡수가 증가합니다.모든 운전 변수 중에서 HTF 입구 온도를 높여 MH-SCHE 반응기의 성능을 향상시키는 것이 가장 적합한 방법인데, 이는 흡수 공정의 종료 시간이 7000초 미만인 반면, 다른 방법의 가장 짧은 흡수 시간은 더 길기 때문입니다. 10000초 이상.7000초 동안 GTP의 다양한 초기 온도에 대한 수소 농도 등고선이 제시됩니다.
이 연구는 처음으로 금속 수소화물 저장 장치에 통합된 새로운 반원통형 코일 열교환기를 제시합니다.제안된 시스템의 수소 흡수 능력은 열 교환기의 다양한 구성을 통해 조사되었습니다.새로운 열교환기를 사용하여 금속수소화물을 저장하기 위한 최적의 조건을 찾기 위해 운전변수가 금속수소화물층과 냉각수 사이의 열교환에 미치는 영향을 조사하였다.본 연구의 주요 결과는 다음과 같이 요약된다.
반원통형 코일형 열교환기를 사용하면 마그네슘층 반응기 내 열 분포가 더욱 균일해지기 때문에 열 전달 성능이 향상되어 수소 흡수율이 향상됩니다.열교환관과 금속수소화물의 부피가 변하지 않는다는 전제 하에 기존 코일형 코일형 열교환기에 비해 흡수 반응 시간이 59% 대폭 단축됩니다.
게시 시간: 2023년 1월 15일