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धातु हाइड्राइड्स (एमएच) को उनकी बड़ी हाइड्रोजन भंडारण क्षमता, कम परिचालन दबाव और उच्च सुरक्षा के कारण हाइड्रोजन भंडारण के लिए सबसे उपयुक्त सामग्री समूहों में से एक माना जाता है।हालाँकि, उनकी सुस्त हाइड्रोजन ग्रहण गतिकी भंडारण प्रदर्शन को काफी कम कर देती है।एमएच भंडारण से तेज़ गर्मी निष्कासन इसकी हाइड्रोजन ग्रहण दर को बढ़ाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप भंडारण प्रदर्शन में सुधार होगा।इस संबंध में, इस अध्ययन का उद्देश्य एमएच भंडारण प्रणाली की हाइड्रोजन ग्रहण दर को सकारात्मक रूप से प्रभावित करने के लिए गर्मी हस्तांतरण विशेषताओं में सुधार करना था।नए अर्ध-बेलनाकार कुंडल को सबसे पहले हाइड्रोजन भंडारण के लिए विकसित और अनुकूलित किया गया था और इसे आंतरिक एयर-एज़-हीट एक्सचेंजर (HTF) के रूप में शामिल किया गया था।विभिन्न पिच आकारों के आधार पर, नए हीट एक्सचेंजर कॉन्फ़िगरेशन के प्रभाव का विश्लेषण किया जाता है और पारंपरिक हेलिकल कॉइल ज्यामिति के साथ तुलना की जाती है।इसके अलावा, इष्टतम मान प्राप्त करने के लिए एमजी और जीटीपी के भंडारण के ऑपरेटिंग मापदंडों का संख्यात्मक रूप से अध्ययन किया गया था।संख्यात्मक सिमुलेशन के लिए, ANSYS फ़्लुएंट 2020 R2 का उपयोग किया जाता है।इस अध्ययन के नतीजे बताते हैं कि अर्ध-बेलनाकार कॉइल हीट एक्सचेंजर (एससीएचई) का उपयोग करके एमएच स्टोरेज टैंक के प्रदर्शन में काफी सुधार किया जा सकता है।पारंपरिक सर्पिल कॉइल हीट एक्सचेंजर्स की तुलना में, हाइड्रोजन अवशोषण की अवधि 59% कम हो जाती है।SCHE कॉइल्स के बीच सबसे छोटी दूरी के परिणामस्वरूप अवशोषण समय में 61% की कमी आई।जहां तक एसएचई का उपयोग करके एमजी भंडारण के ऑपरेटिंग मापदंडों का संबंध है, सभी चयनित पैरामीटर हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया में महत्वपूर्ण सुधार लाते हैं, विशेष रूप से एचटीएस के इनलेट पर तापमान।
जीवाश्म ईंधन पर आधारित ऊर्जा से नवीकरणीय ऊर्जा की ओर वैश्विक परिवर्तन हो रहा है।क्योंकि नवीकरणीय ऊर्जा के कई रूप गतिशील तरीके से बिजली प्रदान करते हैं, भार को संतुलित करने के लिए ऊर्जा भंडारण आवश्यक है।हाइड्रोजन-आधारित ऊर्जा भंडारण ने इस उद्देश्य के लिए बहुत अधिक ध्यान आकर्षित किया है, विशेष रूप से क्योंकि हाइड्रोजन को इसके गुणों और पोर्टेबिलिटी के कारण "हरित" वैकल्पिक ईंधन और ऊर्जा वाहक के रूप में उपयोग किया जा सकता है।इसके अलावा, हाइड्रोजन जीवाश्म ईंधन2 की तुलना में प्रति इकाई द्रव्यमान में उच्च ऊर्जा सामग्री भी प्रदान करता है।हाइड्रोजन ऊर्जा भंडारण के चार मुख्य प्रकार हैं: संपीड़ित गैस भंडारण, भूमिगत भंडारण, तरल भंडारण और ठोस भंडारण।संपीड़ित हाइड्रोजन बसों और फोर्कलिफ्ट जैसे ईंधन सेल वाहनों में उपयोग किया जाने वाला मुख्य प्रकार है।हालाँकि, यह भंडारण हाइड्रोजन का कम थोक घनत्व (लगभग 0.089 किग्रा/घन मीटर) प्रदान करता है और इसमें उच्च परिचालन दबाव3 से जुड़े सुरक्षा मुद्दे हैं।कम परिवेश के तापमान और दबाव पर रूपांतरण प्रक्रिया के आधार पर, तरल भंडारण हाइड्रोजन को तरल रूप में संग्रहीत करेगा।हालाँकि, द्रवीकृत होने पर लगभग 40% ऊर्जा नष्ट हो जाती है।इसके अलावा, यह तकनीक ठोस अवस्था भंडारण प्रौद्योगिकियों4 की तुलना में अधिक ऊर्जा और श्रम गहन मानी जाती है।ठोस भंडारण हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था के लिए एक व्यवहार्य विकल्प है, जो अवशोषण के माध्यम से ठोस पदार्थों में हाइड्रोजन को शामिल करके और विशोषण के माध्यम से हाइड्रोजन को मुक्त करके हाइड्रोजन का भंडारण करता है।मेटल हाइड्राइड (एमएच), एक ठोस सामग्री भंडारण तकनीक, अपनी उच्च हाइड्रोजन क्षमता, कम परिचालन दबाव और तरल भंडारण की तुलना में कम लागत के कारण ईंधन सेल अनुप्रयोगों में हाल ही में रुचि का विषय है, और स्थिर और मोबाइल अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। इसके अलावा, एमएच सामग्री बड़ी क्षमता के कुशल भंडारण जैसे सुरक्षा गुण भी प्रदान करती है8।हालाँकि, एक समस्या है जो एमजी की उत्पादकता को सीमित करती है: एमजी रिएक्टर की कम तापीय चालकता के कारण हाइड्रोजन का अवशोषण और अवशोषण धीमा हो जाता है।
एक्ज़ोथिर्मिक और एंडोथर्मिक प्रतिक्रियाओं के दौरान उचित गर्मी हस्तांतरण एमएच रिएक्टरों के प्रदर्शन में सुधार की कुंजी है।हाइड्रोजन लोडिंग प्रक्रिया के लिए, अधिकतम भंडारण क्षमता के साथ वांछित दर पर हाइड्रोजन लोडिंग प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए उत्पन्न गर्मी को रिएक्टर से हटाया जाना चाहिए।इसके बजाय, डिस्चार्ज के दौरान हाइड्रोजन विकास की दर को बढ़ाने के लिए गर्मी की आवश्यकता होती है।गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, कई शोधकर्ताओं ने ऑपरेटिंग पैरामीटर, एमजी संरचना और एमजी11 अनुकूलन जैसे कई कारकों के आधार पर डिजाइन और अनुकूलन का अध्ययन किया है।एमजी परतों 12,13 में फोम धातु जैसी उच्च तापीय चालकता सामग्री जोड़कर एमजी अनुकूलन किया जा सकता है।इस प्रकार, प्रभावी तापीय चालकता को 0.1 से 2 W/mK10 तक बढ़ाया जा सकता है।हालाँकि, ठोस सामग्री जोड़ने से एमएन रिएक्टर की शक्ति काफी कम हो जाती है।ऑपरेटिंग मापदंडों के संबंध में, एमजी परत और शीतलक (एचटीएफ) की प्रारंभिक परिचालन स्थितियों को अनुकूलित करके सुधार प्राप्त किया जा सकता है।एमजी की संरचना को रिएक्टर की ज्यामिति और हीट एक्सचेंजर के डिजाइन के कारण अनुकूलित किया जा सकता है।एमएच रिएक्टर हीट एक्सचेंजर के विन्यास के संबंध में, विधियों को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है।ये एमओ परत में निर्मित आंतरिक हीट एक्सचेंजर्स और एमओ परत को कवर करने वाले बाहरी हीट एक्सचेंजर्स जैसे कि पंख, कूलिंग जैकेट और पानी के स्नान हैं।बाहरी हीट एक्सचेंजर के संबंध में, कपलान16 ने रिएक्टर के अंदर के तापमान को कम करने के लिए जैकेट के रूप में ठंडा पानी का उपयोग करके एमएच रिएक्टर के संचालन का विश्लेषण किया।परिणामों की तुलना 22 राउंड फिन रिएक्टर और प्राकृतिक संवहन द्वारा ठंडा किए गए एक अन्य रिएक्टर से की गई।उनका कहना है कि कूलिंग जैकेट की उपस्थिति एमएच के तापमान को काफी कम कर देती है, जिससे अवशोषण दर बढ़ जाती है।पाटिल और गोपाल17 द्वारा वाटर-जैकेटेड एमएच रिएक्टर के संख्यात्मक अध्ययन से पता चला है कि हाइड्रोजन आपूर्ति दबाव और एचटीएफ तापमान हाइड्रोजन ग्रहण और अवशोषण की दर को प्रभावित करने वाले प्रमुख पैरामीटर हैं।
एमएच में निर्मित फिन और हीट एक्सचेंजर्स को जोड़कर गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र को बढ़ाना गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण प्रदर्शन और इसलिए एमएच18 के भंडारण प्रदर्शन में सुधार करने की कुंजी है।MH19,20,21,22,23,24,25,26 रिएक्टर में शीतलक को प्रसारित करने के लिए कई आंतरिक हीट एक्सचेंजर कॉन्फ़िगरेशन (सीधी ट्यूब और सर्पिल कॉइल) डिजाइन किए गए हैं।आंतरिक हीट एक्सचेंजर का उपयोग करके, ठंडा या गर्म करने वाला तरल हाइड्रोजन सोखने की प्रक्रिया के दौरान एमएच रिएक्टर के अंदर स्थानीय गर्मी को स्थानांतरित करेगा।राजू और कुमार [27] ने एमजी के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए हीट एक्सचेंजर्स के रूप में कई सीधी ट्यूबों का उपयोग किया।उनके परिणामों से पता चला कि जब सीधे ट्यूबों को हीट एक्सचेंजर्स के रूप में उपयोग किया जाता था तो अवशोषण समय कम हो जाता था।इसके अलावा, सीधी ट्यूबों के उपयोग से हाइड्रोजन अवशोषण का समय कम हो जाता है28।उच्च शीतलक प्रवाह दर हाइड्रोजन चार्जिंग और डिस्चार्ज29 की दर को बढ़ाती है।हालाँकि, शीतलन ट्यूबों की संख्या बढ़ाने से शीतलक प्रवाह दर30,31 के बजाय एमएच प्रदर्शन पर सकारात्मक प्रभाव पड़ता है।राजू एट अल.32 ने रिएक्टरों में मल्टीट्यूब हीट एक्सचेंजर्स के प्रदर्शन का अध्ययन करने के लिए एमएच सामग्री के रूप में LaMi4.7Al0.3 का उपयोग किया।उन्होंने बताया कि ऑपरेटिंग मापदंडों का अवशोषण प्रक्रिया, विशेष रूप से फ़ीड दबाव और फिर एचटीएफ की प्रवाह दर पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा।हालाँकि, अवशोषण तापमान कम महत्वपूर्ण निकला।
सीधे ट्यूबों की तुलना में बेहतर गर्मी हस्तांतरण के कारण सर्पिल कुंडल हीट एक्सचेंजर के उपयोग से एमएच रिएक्टर के प्रदर्शन में और सुधार हुआ है।ऐसा इसलिए है क्योंकि द्वितीयक चक्र रिएक्टर25 से गर्मी को बेहतर ढंग से हटा सकता है।इसके अलावा, सर्पिल ट्यूब एमएच परत से शीतलक तक गर्मी हस्तांतरण के लिए एक बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करते हैं।जब इस विधि को रिएक्टर के अंदर पेश किया जाता है, तो हीट एक्सचेंज ट्यूबों का वितरण भी अधिक समान33 होता है।वांग एट अल.34 ने एमएच रिएक्टर में एक हेलिकल कॉइल जोड़कर हाइड्रोजन ग्रहण अवधि के प्रभाव का अध्ययन किया।उनके नतीजे बताते हैं कि जैसे-जैसे शीतलक का ताप हस्तांतरण गुणांक बढ़ता है, अवशोषण का समय कम हो जाता है।वू एट अल.25 ने Mg2Ni आधारित MH रिएक्टरों और कुंडलित कुंडल हीट एक्सचेंजर्स के प्रदर्शन की जांच की।उनके संख्यात्मक अध्ययन से प्रतिक्रिया समय में कमी देखी गई है।एमएन रिएक्टर में गर्मी हस्तांतरण तंत्र का सुधार स्क्रू पिच और स्क्रू पिच के छोटे अनुपात और एक आयामहीन स्क्रू पिच पर आधारित है।आंतरिक हीट एक्सचेंजर के रूप में एक कुंडलित कुंडल का उपयोग करके मेलौली एट अल.21 द्वारा एक प्रायोगिक अध्ययन से पता चला है कि एचटीएफ प्रारंभ तापमान का हाइड्रोजन ग्रहण और विशोषण समय में सुधार पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।कई अध्ययनों में विभिन्न आंतरिक ताप विनिमायकों का संयोजन किया गया है।ईसापुर एट अल.35 ने हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया में सुधार के लिए एक केंद्रीय रिटर्न ट्यूब के साथ सर्पिल कॉइल हीट एक्सचेंजर का उपयोग करके हाइड्रोजन भंडारण का अध्ययन किया।उनके परिणामों से पता चला कि सर्पिल ट्यूब और केंद्रीय रिटर्न ट्यूब शीतलक और एमजी के बीच गर्मी हस्तांतरण में काफी सुधार करते हैं।सर्पिल ट्यूब की छोटी पिच और बड़ा व्यास गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण की दर को बढ़ाता है।अर्दहाई एट अल.36 ने रिएक्टर के भीतर गर्मी हस्तांतरण को बेहतर बनाने के लिए हीट एक्सचेंजर्स के रूप में फ्लैट सर्पिल ट्यूबों का उपयोग किया।उन्होंने बताया कि चपटे सर्पिल ट्यूब विमानों की संख्या में वृद्धि से अवशोषण अवधि कम हो गई थी।कई अध्ययनों में विभिन्न आंतरिक ताप विनिमायकों का संयोजन किया गया है।धौ एट अल.37 ने कुंडलित कॉइल हीट एक्सचेंजर और पंखों का उपयोग करके एमएच के प्रदर्शन में सुधार किया।उनके नतीजे बताते हैं कि यह विधि बिना पंखों वाले मामले की तुलना में हाइड्रोजन भरने के समय को 2 गुना कम कर देती है।कुंडलाकार पंखों को शीतलन ट्यूबों के साथ जोड़ा जाता है और एमएन रिएक्टर में बनाया जाता है।इस अध्ययन के नतीजे बताते हैं कि यह संयुक्त विधि बिना पंख वाले एमएच रिएक्टर की तुलना में अधिक समान गर्मी हस्तांतरण प्रदान करती है।हालाँकि, विभिन्न हीट एक्सचेंजर्स के संयोजन से एमएच रिएक्टर के वजन और मात्रा पर नकारात्मक प्रभाव पड़ेगा।वू एट अल.18 ने विभिन्न हीट एक्सचेंजर कॉन्फ़िगरेशन की तुलना की।इनमें सीधी ट्यूब, पंख और सर्पिल कुंडलियाँ शामिल हैं।लेखकों की रिपोर्ट है कि सर्पिल कुंडलियाँ ऊष्मा और द्रव्यमान स्थानांतरण में सर्वोत्तम सुधार प्रदान करती हैं।इसके अलावा, सीधे ट्यूबों, कुंडलित ट्यूबों और कुंडलित ट्यूबों के साथ संयुक्त सीधी ट्यूबों की तुलना में, डबल कॉइल्स का गर्मी हस्तांतरण में सुधार पर बेहतर प्रभाव पड़ता है।शेखर एट अल द्वारा एक अध्ययन।40 से पता चला कि आंतरिक हीट एक्सचेंजर के रूप में एक सर्पिल कुंडल और एक पंखदार बाहरी शीतलन जैकेट का उपयोग करके हाइड्रोजन ग्रहण में एक समान सुधार हासिल किया गया था।
ऊपर उल्लिखित उदाहरणों में से, आंतरिक हीट एक्सचेंजर्स के रूप में सर्पिल कॉइल्स का उपयोग अन्य हीट एक्सचेंजर्स, विशेष रूप से सीधे ट्यूब और पंखों की तुलना में बेहतर गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण में सुधार प्रदान करता है।इसलिए, इस अध्ययन का उद्देश्य गर्मी हस्तांतरण प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए सर्पिल कुंडल को और विकसित करना था।पहली बार, पारंपरिक एमएच स्टोरेज हेलिकल कॉइल के आधार पर एक नया अर्ध-बेलनाकार कॉइल विकसित किया गया है।इस अध्ययन से एमएच बेड और एचटीएफ ट्यूबों की निरंतर मात्रा द्वारा प्रदान किए गए बेहतर हीट ट्रांसफर ज़ोन लेआउट के साथ एक नए हीट एक्सचेंजर डिजाइन पर विचार करके हाइड्रोजन भंडारण प्रदर्शन में सुधार की उम्मीद है।इस नए हीट एक्सचेंजर के भंडारण प्रदर्शन की तुलना विभिन्न कॉइल पिचों पर आधारित पारंपरिक सर्पिल कॉइल हीट एक्सचेंजर्स से की गई।मौजूदा साहित्य के अनुसार, एमएच रिएक्टरों के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाले मुख्य कारक ऑपरेटिंग स्थितियां और कॉइल्स की दूरी हैं।इस नए हीट एक्सचेंजर के डिजाइन को अनुकूलित करने के लिए, हाइड्रोजन ग्रहण समय और एमएच वॉल्यूम पर कॉइल स्पेसिंग के प्रभाव की जांच की गई।इसके अलावा, नए अर्ध-बेलनाकार कॉइल्स और परिचालन स्थितियों के बीच संबंध को समझने के लिए, इस अध्ययन का एक माध्यमिक लक्ष्य विभिन्न ऑपरेटिंग पैरामीटर श्रेणियों के अनुसार रिएक्टर की विशेषताओं का अध्ययन करना और प्रत्येक ऑपरेटिंग के लिए उचित मान निर्धारित करना था। तरीका।पैरामीटर.
इस अध्ययन में हाइड्रोजन ऊर्जा भंडारण उपकरण के प्रदर्शन की जांच दो हीट एक्सचेंजर कॉन्फ़िगरेशन (मामलों 1 से 3 में सर्पिल ट्यूब और 4 से 6 मामलों में अर्ध-बेलनाकार ट्यूब सहित) और ऑपरेटिंग मापदंडों के संवेदनशीलता विश्लेषण के आधार पर की जाती है।हीट एक्सचेंजर के रूप में सर्पिल ट्यूब का उपयोग करके पहली बार एमएच रिएक्टर की संचालन क्षमता का परीक्षण किया गया था।शीतलक तेल पाइप और एमएच रिएक्टर पोत दोनों स्टेनलेस स्टील से बने होते हैं।यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि एमजी रिएक्टर के आयाम और जीटीएफ पाइप का व्यास सभी मामलों में स्थिर था, जबकि जीटीएफ के चरण आकार भिन्न थे।यह अनुभाग एचटीएफ कॉइल्स के पिच आकार के प्रभाव का विश्लेषण करता है।रिएक्टर की ऊंचाई और बाहरी व्यास क्रमशः 110 मिमी और 156 मिमी थे।ताप-संचालन तेल पाइप का व्यास 6 मिमी पर सेट किया गया है।सर्पिल ट्यूबों और दो अर्ध-बेलनाकार ट्यूबों के साथ एमएच रिएक्टर सर्किट आरेख पर विवरण के लिए अनुपूरक अनुभाग देखें।
अंजीर पर.1ए एमएच सर्पिल ट्यूब रिएक्टर और उसके आयाम दिखाता है।सभी ज्यामितीय पैरामीटर तालिका में दिए गए हैं।1. हेलिक्स का कुल आयतन और ZG का आयतन क्रमशः लगभग 100 सेमी3 और 2000 सेमी3 है।इस एमएच रिएक्टर से, एचटीएफ के रूप में हवा को एक सर्पिल ट्यूब के माध्यम से नीचे से छिद्रपूर्ण एमएच रिएक्टर में डाला गया था, और हाइड्रोजन को रिएक्टर की ऊपरी सतह से पेश किया गया था।
धातु हाइड्राइड रिएक्टरों के लिए चयनित ज्यामिति का लक्षण वर्णन।ए) एक सर्पिल-ट्यूबलर हीट एक्सचेंजर के साथ, बी) एक अर्ध-बेलनाकार ट्यूबलर हीट एक्सचेंजर के साथ।
दूसरा भाग हीट एक्सचेंजर के रूप में अर्ध-बेलनाकार ट्यूब पर आधारित एमएच रिएक्टर के संचालन की जांच करता है।अंजीर पर.1बी एमएन रिएक्टर को दो अर्ध-बेलनाकार ट्यूबों और उनके आयामों के साथ दिखाता है।तालिका 1 अर्ध-बेलनाकार पाइपों के सभी ज्यामितीय मापदंडों को सूचीबद्ध करती है, जो उनके बीच की दूरी को छोड़कर, स्थिर रहते हैं।यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि केस 4 में अर्ध-बेलनाकार ट्यूब को कुंडलित ट्यूब (विकल्प 3) में एचटीएफ ट्यूब और एमएच मिश्र धातु की निरंतर मात्रा के साथ डिजाइन किया गया था।अंजीर के लिए के रूप में.1बी, हवा को दो अर्ध-बेलनाकार एचटीएफ ट्यूबों के नीचे से भी पेश किया गया था, और हाइड्रोजन को एमएच रिएक्टर की विपरीत दिशा से पेश किया गया था।
हीट एक्सचेंजर के नए डिजाइन के कारण, इस अनुभाग का उद्देश्य SCHE के संयोजन में MH रिएक्टर के ऑपरेटिंग मापदंडों के लिए उचित प्रारंभिक मान निर्धारित करना है।सभी मामलों में, रिएक्टर से गर्मी निकालने के लिए हवा का उपयोग शीतलक के रूप में किया गया था।गर्मी हस्तांतरण तेलों में से, हवा और पानी को आमतौर पर उनकी कम लागत और कम पर्यावरणीय प्रभाव के कारण एमएच रिएक्टरों के लिए गर्मी हस्तांतरण तेल के रूप में चुना जाता है।मैग्नीशियम-आधारित मिश्र धातुओं की उच्च परिचालन तापमान सीमा के कारण, इस अध्ययन में हवा को शीतलक के रूप में चुना गया था।इसके अलावा, इसमें अन्य तरल धातुओं और पिघले हुए नमक41 की तुलना में बेहतर प्रवाह विशेषताएँ भी हैं।तालिका 2 573 K पर हवा के गुणों को सूचीबद्ध करती है। इस खंड में संवेदनशीलता विश्लेषण के लिए, केवल MH-SCHE प्रदर्शन विकल्पों का सर्वोत्तम कॉन्फ़िगरेशन (मामलों 4 से 6 में) लागू किया जाता है।इस खंड में अनुमान विभिन्न ऑपरेटिंग मापदंडों पर आधारित हैं, जिसमें एमएच रिएक्टर का प्रारंभिक तापमान, हाइड्रोजन लोडिंग दबाव, एचटीएफ इनलेट तापमान और एचटीएफ दर को बदलकर गणना की गई रेनॉल्ड्स संख्या शामिल है।तालिका 3 में संवेदनशीलता विश्लेषण के लिए उपयोग किए जाने वाले सभी ऑपरेटिंग पैरामीटर शामिल हैं।
यह खंड हाइड्रोजन अवशोषण, अशांति और शीतलक के ताप हस्तांतरण की प्रक्रिया के लिए सभी आवश्यक नियंत्रण समीकरणों का वर्णन करता है।
हाइड्रोजन ग्रहण प्रतिक्रिया के समाधान को सरल बनाने के लिए, निम्नलिखित धारणाएँ बनाई और प्रदान की गई हैं;
अवशोषण के दौरान, हाइड्रोजन और धातु हाइड्राइड के थर्मोफिजिकल गुण स्थिर रहते हैं।
हाइड्रोजन को एक आदर्श गैस माना जाता है, इसलिए स्थानीय तापीय संतुलन स्थितियों43,44 को ध्यान में रखा जाता है।
जहां \({L}_{gas}\) टैंक की त्रिज्या है, और \({L}_{heat}\) टैंक की अक्षीय ऊंचाई है।जब एन 0.0146 से कम है, तो टैंक में हाइड्रोजन प्रवाह को महत्वपूर्ण त्रुटि के बिना सिमुलेशन में नजरअंदाज किया जा सकता है।वर्तमान शोध के अनुसार, N 0.1 से बहुत कम है।इसलिए, दबाव प्रवणता प्रभाव को नजरअंदाज किया जा सकता है।
सभी मामलों में रिएक्टर की दीवारें अच्छी तरह से इंसुलेटेड थीं।इसलिए, रिएक्टर और पर्यावरण के बीच कोई ताप विनिमय 47 नहीं है।
यह सर्वविदित है कि एमजी-आधारित मिश्र धातुओं में अच्छी हाइड्रोजनीकरण विशेषताएँ और 7.6 wt%8 तक उच्च हाइड्रोजन भंडारण क्षमता होती है।ठोस अवस्था हाइड्रोजन भंडारण अनुप्रयोगों के संदर्भ में, इन मिश्र धातुओं को हल्के पदार्थों के रूप में भी जाना जाता है।इसके अलावा, उनके पास उत्कृष्ट गर्मी प्रतिरोध और अच्छी प्रक्रियाशीलता8 है।कई Mg-आधारित मिश्र धातुओं में से, Mg2Ni-आधारित MgNi मिश्र धातु 6 wt% तक की हाइड्रोजन भंडारण क्षमता के कारण MH भंडारण के लिए सबसे उपयुक्त विकल्पों में से एक है।Mg2Ni मिश्र धातु MgH48 मिश्र धातु की तुलना में तेज़ सोखना और विशोषण गतिकी भी प्रदान करती है।इसलिए, इस अध्ययन में Mg2Ni को धातु हाइड्राइड सामग्री के रूप में चुना गया था।
हाइड्रोजन और Mg2Ni हाइड्राइड के बीच ताप संतुलन के आधार पर ऊर्जा समीकरण 25 के रूप में व्यक्त किया जाता है:
X धातु की सतह पर अवशोषित हाइड्रोजन की मात्रा है, इकाई \(वजन\%\\) है, अवशोषण के दौरान गतिज समीकरण \(\frac{dX}{dt}\) से गणना इस प्रकार की जाती है49:
जहां \({C}_{a}\) प्रतिक्रिया दर है और \({E}_{a}\) सक्रियण ऊर्जा है।\({P}_{a,eq}\) अवशोषण प्रक्रिया के दौरान धातु हाइड्राइड रिएक्टर के अंदर संतुलन दबाव है, जो वान्ट हॉफ समीकरण द्वारा निम्नानुसार दिया गया है25:
जहां \({P}_{ref}\) 0.1 एमपीए का संदर्भ दबाव है।\(\Delta H\) और \(\Delta S\) क्रमशः प्रतिक्रिया की एन्थैल्पी और एन्ट्रॉपी हैं।मिश्र धातु Mg2Ni और हाइड्रोजन के गुण तालिका में प्रस्तुत किए गए हैं।4. नामित सूची अनुपूरक अनुभाग में पाई जा सकती है।
द्रव प्रवाह को अशांत माना जाता है क्योंकि इसका वेग और रेनॉल्ड्स संख्या (Re) क्रमशः 78.75 ms-1 और 14000 है।इस अध्ययन में, एक प्राप्य k-ε अशांति मॉडल चुना गया था।यह ध्यान दिया जाता है कि यह विधि अन्य k-ε विधियों की तुलना में उच्च सटीकता प्रदान करती है, और RNG k-ε50,51 विधियों की तुलना में कम गणना समय की भी आवश्यकता होती है।ऊष्मा स्थानांतरण तरल पदार्थों के बुनियादी समीकरणों के विवरण के लिए अनुपूरक अनुभाग देखें।
प्रारंभ में, एमएन रिएक्टर में तापमान शासन एक समान था, और औसत हाइड्रोजन सांद्रता 0.043 थी।यह माना जाता है कि एमएच रिएक्टर की बाहरी सीमा अच्छी तरह से इंसुलेटेड है।रिएक्टर में हाइड्रोजन को संग्रहीत करने और छोड़ने के लिए मैग्नीशियम-आधारित मिश्र धातुओं को आमतौर पर उच्च प्रतिक्रिया ऑपरेटिंग तापमान की आवश्यकता होती है।Mg2Ni मिश्र धातु को अधिकतम अवशोषण के लिए 523-603 K की तापमान सीमा और पूर्ण अवशोषण52 के लिए 573-603 K की तापमान सीमा की आवश्यकता होती है।हालाँकि, मुथुकुमार एट अल.53 द्वारा प्रायोगिक अध्ययनों से पता चला है कि हाइड्रोजन भंडारण के लिए Mg2Ni की अधिकतम भंडारण क्षमता 573 K के ऑपरेटिंग तापमान पर प्राप्त की जा सकती है, जो इसकी सैद्धांतिक क्षमता से मेल खाती है।इसलिए, इस अध्ययन में 573 K के तापमान को MN रिएक्टर के प्रारंभिक तापमान के रूप में चुना गया था।
सत्यापन और विश्वसनीय परिणामों के लिए अलग-अलग ग्रिड आकार बनाएं।अंजीर पर.2 चार अलग-अलग तत्वों से हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया में चयनित स्थानों पर औसत तापमान दिखाता है।यह ध्यान देने योग्य है कि समान ज्यामिति के कारण ग्रिड स्वतंत्रता के परीक्षण के लिए प्रत्येक कॉन्फ़िगरेशन का केवल एक मामला चुना जाता है।अन्य मामलों में भी यही मेशिंग विधि लागू की जाती है।इसलिए, सर्पिल पाइप के लिए विकल्प 1 और अर्ध-बेलनाकार पाइप के लिए विकल्प 4 चुनें।अंजीर पर.2ए, बी क्रमशः विकल्प 1 और 4 के लिए रिएक्टर में औसत तापमान दिखाता है।तीन चयनित स्थान रिएक्टर के शीर्ष, मध्य और तल पर बिस्तर के तापमान की रूपरेखा दर्शाते हैं।चयनित स्थानों पर तापमान की रूपरेखा के आधार पर, औसत तापमान स्थिर हो जाता है और क्रमशः मामले 1 और 4 के लिए तत्व संख्या 428,891 और 430,599 में थोड़ा बदलाव दिखाता है।इसलिए, इन ग्रिड आकारों को आगे की कम्प्यूटेशनल गणनाओं के लिए चुना गया था।विभिन्न सेल आकारों के लिए हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया के लिए औसत बिस्तर तापमान और दोनों मामलों के लिए क्रमिक रूप से परिष्कृत जालों की विस्तृत जानकारी पूरक अनुभाग में दी गई है।
विभिन्न ग्रिड संख्याओं के साथ धातु हाइड्राइड रिएक्टर में हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया में चयनित बिंदुओं पर औसत बिस्तर तापमान।(ए) केस 1 के लिए चयनित स्थानों पर औसत तापमान और (बी) केस 4 के लिए चयनित स्थानों पर औसत तापमान।
इस अध्ययन में एमजी-आधारित मेटल हाइड्राइड रिएक्टर का परीक्षण मुथुकुमार एट अल.53 के प्रयोगात्मक परिणामों के आधार पर किया गया था।अपने अध्ययन में, उन्होंने स्टेनलेस स्टील ट्यूबों में हाइड्रोजन को संग्रहीत करने के लिए Mg2Ni मिश्र धातु का उपयोग किया।रिएक्टर के अंदर गर्मी हस्तांतरण को बेहतर बनाने के लिए कॉपर पंखों का उपयोग किया जाता है।अंजीर पर.3ए प्रायोगिक अध्ययन और इस अध्ययन के बीच अवशोषण प्रक्रिया बिस्तर के औसत तापमान की तुलना दिखाता है।इस प्रयोग के लिए चुनी गई परिचालन स्थितियाँ हैं: एमजी प्रारंभिक तापमान 573 K और इनलेट दबाव 2 MPa।अंजीर से.3ए में यह स्पष्ट रूप से दिखाया जा सकता है कि यह प्रयोगात्मक परिणाम औसत परत तापमान के संबंध में वर्तमान परिणाम के साथ अच्छे समझौते में है।
मॉडल सत्यापन.(ए) मुथुकुमार एट अल.52 के प्रयोगात्मक कार्य के साथ वर्तमान अध्ययन की तुलना करके एमजी2एनआई मेटल हाइड्राइड रिएक्टर का कोड सत्यापन, और (बी) कुमार एट अल के प्रयोगात्मक कार्य के साथ वर्तमान अध्ययन की तुलना करके सर्पिल ट्यूब अशांत प्रवाह मॉडल का सत्यापन। .अनुसंधान.54.
अशांति मॉडल का परीक्षण करने के लिए, इस अध्ययन के परिणामों की तुलना कुमार एट अल.54 के प्रयोगात्मक परिणामों के साथ की गई ताकि चुने गए अशांति मॉडल की शुद्धता की पुष्टि की जा सके।कुमार एट अल.54 ने ट्यूब-इन-पाइप सर्पिल हीट एक्सचेंजर में अशांत प्रवाह का अध्ययन किया।पानी का उपयोग गर्म और ठंडे तरल पदार्थ के रूप में विपरीत दिशाओं से इंजेक्ट किया जाता है।गर्म और ठंडे तरल का तापमान क्रमशः 323 K और 300 K है।गर्म तरल पदार्थों के लिए रेनॉल्ड्स संख्या 3100 से 5700 तक और ठंडे तरल पदार्थों के लिए 21,000 से 35,000 तक होती है।गर्म तरल पदार्थों के लिए डीन संख्या 550-1000 और ठंडे तरल पदार्थों के लिए 3600-6000 हैं।आंतरिक पाइप (गर्म तरल के लिए) और बाहरी पाइप (ठंडे तरल के लिए) का व्यास क्रमशः 0.0254 मीटर और 0.0508 मीटर है।पेचदार कुंडल का व्यास और पिच क्रमशः 0.762 मीटर और 0.100 मीटर है।अंजीर पर.3बी आंतरिक ट्यूब में शीतलक के लिए नुसेल्ट और डीन संख्याओं के विभिन्न जोड़े के लिए प्रयोगात्मक और वर्तमान परिणामों की तुलना दिखाता है।तीन अलग-अलग अशांति मॉडल लागू किए गए और प्रयोगात्मक परिणामों के साथ तुलना की गई।जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।3बी, प्राप्य के-ε अशांति मॉडल के परिणाम प्रयोगात्मक डेटा के साथ अच्छे समझौते में हैं।इसलिए, इस अध्ययन में इस मॉडल को चुना गया।
इस अध्ययन में संख्यात्मक सिमुलेशन ANSYS फ़्लुएंट 2020 R2 का उपयोग करके किया गया था।उपयोगकर्ता-परिभाषित फ़ंक्शन (यूडीएफ) लिखें और अवशोषण प्रक्रिया की गतिशीलता की गणना करने के लिए इसे ऊर्जा समीकरण के इनपुट शब्द के रूप में उपयोग करें।PRESTO55 सर्किट और PISO56 विधि का उपयोग दबाव-वेग संचार और दबाव सुधार के लिए किया जाता है।वेरिएबल ग्रेडिएंट के लिए ग्रीन-गॉस सेल बेस का चयन करें।संवेग और ऊर्जा समीकरणों को दूसरे क्रम की अपविंड विधि द्वारा हल किया जाता है।जहां तक कम-विश्राम गुणांक का संबंध है, दबाव, वेग और ऊर्जा घटक क्रमशः 0.5, 0.7 और 0.7 पर सेट हैं।मानक दीवार फ़ंक्शन अशांति मॉडल में एचटीएफ पर लागू होते हैं।
यह खंड हाइड्रोजन अवशोषण के दौरान एक कुंडलित कुंडल हीट एक्सचेंजर (एचसीएचई) और एक हेलिकल कुंडल हीट एक्सचेंजर (एससीएचई) का उपयोग करके एमएच रिएक्टर के बेहतर आंतरिक ताप हस्तांतरण के संख्यात्मक सिमुलेशन के परिणाम प्रस्तुत करता है।रिएक्टर बिस्तर के तापमान और अवशोषण की अवधि पर एचटीएफ पिच के प्रभाव का विश्लेषण किया गया।अवशोषण प्रक्रिया के मुख्य ऑपरेटिंग मापदंडों का अध्ययन किया जाता है और संवेदनशीलता विश्लेषण अनुभाग में प्रस्तुत किया जाता है।
एमएच रिएक्टर में गर्मी हस्तांतरण पर कॉइल स्पेसिंग के प्रभाव की जांच करने के लिए, विभिन्न पिचों के साथ तीन हीट एक्सचेंजर कॉन्फ़िगरेशन की जांच की गई।15 मिमी, 12.86 मिमी और 10 मिमी की तीन अलग-अलग पिचों को क्रमशः बॉडी 1, बॉडी 2 और बॉडी 3 नामित किया गया है।यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि पाइप का व्यास 573 K के प्रारंभिक तापमान और सभी मामलों में 1.8 MPa के लोडिंग दबाव पर 6 मिमी तय किया गया था।अंजीर पर.4 मामलों 1 से 3 में हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया के दौरान एमएच परत में औसत बिस्तर तापमान और हाइड्रोजन एकाग्रता को दर्शाता है। आमतौर पर, धातु हाइड्राइड और हाइड्रोजन के बीच प्रतिक्रिया अवशोषण प्रक्रिया के लिए ऊष्माक्षेपी होती है।इसलिए, जब रिएक्टर में पहली बार हाइड्रोजन डाला जाता है तो शुरुआती क्षण के कारण बिस्तर का तापमान तेजी से बढ़ जाता है।बिस्तर का तापमान अधिकतम मूल्य तक पहुंचने तक बढ़ता है और फिर धीरे-धीरे कम हो जाता है क्योंकि गर्मी शीतलक द्वारा दूर ले जाती है, जिसका तापमान कम होता है और शीतलक के रूप में कार्य करता है।जैसा कि चित्र में दिखाया गया है।4ए, पिछली व्याख्या के कारण, परत का तापमान तेजी से बढ़ता है और लगातार घटता है।अवशोषण प्रक्रिया के लिए हाइड्रोजन सांद्रता आमतौर पर एमएच रिएक्टर के बिस्तर के तापमान पर आधारित होती है।जब औसत परत का तापमान एक निश्चित तापमान तक गिर जाता है, तो धातु की सतह हाइड्रोजन को अवशोषित कर लेती है।यह रिएक्टर में फ़िसिसोर्शन, रसायनशोषण, हाइड्रोजन के प्रसार और इसके हाइड्राइड के निर्माण की प्रक्रियाओं के त्वरण के कारण है।अंजीर से.4बी में यह देखा जा सकता है कि कॉइल हीट एक्सचेंजर के छोटे चरण मूल्य के कारण केस 3 में हाइड्रोजन अवशोषण की दर अन्य मामलों की तुलना में कम है।इसके परिणामस्वरूप पाइप की कुल लंबाई लंबी हो जाती है और एचटीएफ पाइपों के लिए गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र बड़ा हो जाता है।90% की औसत हाइड्रोजन सांद्रता के साथ, केस 1 के लिए अवशोषण समय 46,276 सेकंड है।मामले 1 में अवशोषण की अवधि की तुलना में, मामले 2 और 3 में अवशोषण की अवधि क्रमशः 724 सेकेंड और 1263 सेकेंड कम हो गई थी।अनुपूरक अनुभाग एचसीएचई-एमएच परत में चयनित स्थानों के लिए तापमान और हाइड्रोजन सांद्रता रूपरेखा प्रस्तुत करता है।
औसत परत तापमान और हाइड्रोजन सांद्रता पर कुंडलियों के बीच की दूरी का प्रभाव।(ए) हेलिकल कॉइल्स के लिए औसत बिस्तर तापमान, (बी) हेलिकल कॉइल्स के लिए हाइड्रोजन एकाग्रता, (सी) अर्ध-बेलनाकार कॉइल्स के लिए औसत बेड तापमान, और (डी) हेमी-बेलनाकार कॉइल्स के लिए हाइड्रोजन एकाग्रता।
एमजी रिएक्टर की गर्मी हस्तांतरण विशेषताओं में सुधार करने के लिए, दो एचएफसी को एमजी की निरंतर मात्रा (2000 सेमी3) और विकल्प 3 के एक सर्पिल हीट एक्सचेंजर (100 सेमी3) के लिए डिजाइन किया गया था। यह खंड बीच की दूरी के प्रभाव पर भी विचार करता है। केस 4 के लिए 15 मिमी, केस 5 के लिए 12.86 मिमी और केस 6 के लिए 10 मिमी की कॉइल। अंजीर में।4c,d 573 K के प्रारंभिक तापमान और 1.8 MPa के लोडिंग दबाव पर औसत बिस्तर तापमान और हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया की एकाग्रता दिखाता है।चित्र 4सी में औसत परत तापमान के अनुसार, मामले 6 में कॉइल के बीच की छोटी दूरी अन्य दो मामलों की तुलना में तापमान को काफी कम कर देती है।केस 6 के लिए, कम बिस्तर के तापमान के परिणामस्वरूप उच्च हाइड्रोजन सांद्रता होती है (चित्र 4डी देखें)।वेरिएंट 4 के लिए हाइड्रोजन ग्रहण का समय 19542 सेकेंड है, जो एचसीएच का उपयोग करने वाले वेरिएंट 1-3 की तुलना में 2 गुना से भी कम है।इसके अलावा, केस 4 की तुलना में, कम दूरी वाले केस 5 और 6 में अवशोषण समय भी 378 सेकेंड और 1515 सेकेंड कम हो गया था।अनुपूरक अनुभाग SCHE-MH परत में चयनित स्थानों के लिए तापमान और हाइड्रोजन सांद्रता रूपरेखा प्रस्तुत करता है।
दो हीट एक्सचेंजर कॉन्फ़िगरेशन के प्रदर्शन का अध्ययन करने के लिए, यह खंड तीन चयनित स्थानों पर तापमान वक्र प्लॉट और प्रस्तुत करता है।केस 3 से एचसीएचई वाले एमएच रिएक्टर को केस 4 में एससीएचई वाले एमएच रिएक्टर के साथ तुलना के लिए चुना गया था क्योंकि इसमें एमएच वॉल्यूम और पाइप वॉल्यूम स्थिर है।इस तुलना के लिए परिचालन स्थितियाँ 573 K का प्रारंभिक तापमान और 1.8 MPa का लोडिंग दबाव थीं।अंजीर पर.5ए और 5बी क्रमशः केस 3 और 4 में तापमान प्रोफाइल की सभी तीन चयनित स्थितियों को दिखाते हैं।अंजीर पर.5सी 20,000 सेकंड के हाइड्रोजन ग्रहण के बाद तापमान प्रोफ़ाइल और परत एकाग्रता को दर्शाता है।चित्र 5सी में पंक्ति 1 के अनुसार, विकल्प 3 और 4 से टीटीएफ के आसपास का तापमान शीतलक के संवहन ताप हस्तांतरण के कारण कम हो जाता है।इसके परिणामस्वरूप इस क्षेत्र के आसपास हाइड्रोजन की सांद्रता अधिक हो जाती है।हालाँकि, दो SCHE के उपयोग से उच्च परत सांद्रता प्राप्त होती है।मामले 4 में एचटीएफ क्षेत्र के आसपास तेज़ गतिज प्रतिक्रियाएं पाई गईं। इसके अलावा, इस क्षेत्र में 100% की अधिकतम सांद्रता भी पाई गई।रिएक्टर के मध्य में स्थित लाइन 2 से, रिएक्टर के केंद्र को छोड़कर सभी स्थानों पर केस 4 का तापमान केस 3 के तापमान से काफी कम है।इसके परिणामस्वरूप एचटीएफ से दूर रिएक्टर के केंद्र के पास के क्षेत्र को छोड़कर केस 4 के लिए अधिकतम हाइड्रोजन सांद्रता होती है।हालाँकि, केस 3 की सांद्रता में ज्यादा बदलाव नहीं आया।जीटीएस के प्रवेश द्वार के पास लाइन 3 में परत के तापमान और सांद्रता में बड़ा अंतर देखा गया।केस 4 में परत का तापमान काफी कम हो गया, जिसके परिणामस्वरूप इस क्षेत्र में हाइड्रोजन सांद्रता सबसे अधिक हो गई, जबकि केस 3 में सांद्रता रेखा अभी भी उतार-चढ़ाव वाली थी।यह SCHE ताप स्थानांतरण के त्वरण के कारण है।केस 3 और केस 4 के बीच एमएच परत और एचटीएफ पाइप के औसत तापमान की तुलना का विवरण और चर्चा पूरक अनुभाग में प्रदान की गई है।
मेटल हाइड्राइड रिएक्टर में चयनित स्थानों पर तापमान प्रोफ़ाइल और बिस्तर एकाग्रता।(ए) केस 3 के लिए चयनित स्थान, (बी) केस 4 के लिए चयनित स्थान, और (सी) केस 3 और 4 में हाइड्रोजन ग्रहण प्रक्रिया के लिए 20,000 सेकेंड के बाद चयनित स्थानों पर तापमान प्रोफ़ाइल और परत एकाग्रता।
अंजीर पर.चित्र 6 एचसीएच और एसएचई के अवशोषण के लिए औसत बिस्तर तापमान (चित्र 6 ए देखें) और हाइड्रोजन एकाग्रता (चित्र 6 बी देखें) की तुलना दिखाता है।इस आंकड़े से देखा जा सकता है कि ताप विनिमय क्षेत्र में वृद्धि के कारण एमजी परत का तापमान काफी कम हो जाता है।रिएक्टर से अधिक ऊष्मा निकालने से हाइड्रोजन ग्रहण दर अधिक हो जाती है।हालाँकि विकल्प 3 के रूप में HCHE का उपयोग करने की तुलना में दो हीट एक्सचेंजर कॉन्फ़िगरेशन में समान मात्रा है, विकल्प 4 के आधार पर SCHE का हाइड्रोजन ग्रहण समय 59% तक काफी कम हो गया था।अधिक विस्तृत विश्लेषण के लिए, दो हीट एक्सचेंजर कॉन्फ़िगरेशन के लिए हाइड्रोजन सांद्रता को चित्र 7 में आइसोलिन के रूप में दिखाया गया है। यह आंकड़ा दिखाता है कि दोनों मामलों में, हाइड्रोजन एचटीएफ इनलेट के आसपास नीचे से अवशोषित होना शुरू हो जाता है।एचटीएफ क्षेत्र में उच्च सांद्रता पाई गई, जबकि हीट एक्सचेंजर से दूरी के कारण एमएच रिएक्टर के केंद्र में कम सांद्रता देखी गई।10,000 सेकंड के बाद, केस 4 में हाइड्रोजन सांद्रता केस 3 की तुलना में काफी अधिक है। 20,000 सेकंड के बाद, रिएक्टर में औसत हाइड्रोजन सांद्रता केस 3 में 50% हाइड्रोजन की तुलना में केस 4 में 90% तक बढ़ गई है। इसका कारण यह हो सकता है दो SCHE के संयोजन की उच्च प्रभावी शीतलन क्षमता के परिणामस्वरूप, MH परत के अंदर का तापमान कम हो जाता है।नतीजतन, एमजी परत के अंदर अधिक संतुलन दबाव पड़ता है, जिससे हाइड्रोजन का अधिक तेजी से अवशोषण होता है।
केस 3 और केस 4 दो हीट एक्सचेंजर कॉन्फ़िगरेशन के बीच औसत बिस्तर तापमान और हाइड्रोजन एकाग्रता की तुलना।
केस 3 और केस 4 में हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया की शुरुआत के बाद 500, 2000, 5000, 10000 और 20000 सेकेंड के बाद हाइड्रोजन सांद्रता की तुलना।
तालिका 5 सभी मामलों के लिए हाइड्रोजन ग्रहण की अवधि का सारांश प्रस्तुत करती है।इसके अलावा, तालिका हाइड्रोजन के अवशोषण के समय को भी दर्शाती है, जिसे प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया गया है।इस प्रतिशत की गणना केस 1 के अवशोषण समय के आधार पर की जाती है। इस तालिका से, एचसीएचई का उपयोग करने वाले एमएच रिएक्टर का अवशोषण समय लगभग 45,000 से 46,000 सेकेंड है, और एससीएचई सहित अवशोषण समय लगभग 18,000 से 19,000 सेकेंड है।केस 1 की तुलना में, केस 2 और केस 3 में अवशोषण समय क्रमशः 1.6% और 2.7% कम हो गया था।एचसीएचई के बजाय एससीएचई का उपयोग करते समय, अवशोषण समय केस 4 से केस 6 तक 58% से घटकर 61% हो गया था।यह स्पष्ट है कि MH रिएक्टर में SCHE को जोड़ने से हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया और MH रिएक्टर के प्रदर्शन में काफी सुधार होता है।यद्यपि एमएच रिएक्टर के अंदर हीट एक्सचेंजर की स्थापना से भंडारण क्षमता कम हो जाती है, लेकिन यह तकनीक अन्य प्रौद्योगिकियों की तुलना में गर्मी हस्तांतरण में महत्वपूर्ण सुधार प्रदान करती है।इसके अलावा, पिच मान कम होने से SCHE की मात्रा में वृद्धि होगी, जिसके परिणामस्वरूप MH की मात्रा में कमी आएगी।उच्चतम एससीएचई वॉल्यूम वाले मामले 6 में, सबसे कम एचसीएचई वॉल्यूम वाले मामले 1 की तुलना में एमएच वॉल्यूमेट्रिक क्षमता केवल 5% कम हो गई थी।इसके अलावा, अवशोषण के दौरान, केस 6 ने अवशोषण समय में 61% की कमी के साथ तेज और बेहतर प्रदर्शन दिखाया।इसलिए संवेदनशीलता विश्लेषण में आगे की जांच के लिए केस 6 को चुना गया।यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि लंबा हाइड्रोजन ग्रहण समय लगभग 2000 सेमी 3 की एमएच मात्रा वाले भंडारण टैंक से जुड़ा हुआ है।
प्रतिक्रिया के दौरान ऑपरेटिंग पैरामीटर महत्वपूर्ण कारक हैं जो वास्तविक परिस्थितियों में एमएच रिएक्टर के प्रदर्शन को सकारात्मक या नकारात्मक रूप से प्रभावित करते हैं।यह अध्ययन SCHE के साथ संयोजन में MH रिएक्टर के लिए उपयुक्त प्रारंभिक ऑपरेटिंग मापदंडों को निर्धारित करने के लिए एक संवेदनशीलता विश्लेषण पर विचार करता है, और यह खंड मामले 6 में इष्टतम रिएक्टर कॉन्फ़िगरेशन के आधार पर चार मुख्य ऑपरेटिंग मापदंडों की जांच करता है। सभी ऑपरेटिंग स्थितियों के परिणाम दिखाए गए हैं चित्र 8.
अर्ध-बेलनाकार कुंडल के साथ हीट एक्सचेंजर का उपयोग करते समय विभिन्न परिचालन स्थितियों के तहत हाइड्रोजन एकाग्रता का ग्राफ।(ए) लोडिंग दबाव, (बी) प्रारंभिक बिस्तर तापमान, (सी) शीतलक रेनॉल्ड्स संख्या, और (डी) शीतलक इनलेट तापमान।
573 K के निरंतर प्रारंभिक तापमान और 14,000 की रेनॉल्ड्स संख्या के साथ शीतलक प्रवाह दर के आधार पर, चार अलग-अलग लोडिंग दबाव चुने गए: 1.2 एमपीए, 1.8 एमपीए, 2.4 एमपीए, और 3.0 एमपीए।अंजीर पर.8a समय के साथ हाइड्रोजन सांद्रता पर लोडिंग दबाव और SCHE के प्रभाव को दर्शाता है।बढ़ते लोडिंग दबाव के साथ अवशोषण समय कम हो जाता है।1.2 एमपीए के लागू हाइड्रोजन दबाव का उपयोग करना हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया के लिए सबसे खराब स्थिति है, और 90% हाइड्रोजन अवशोषण प्राप्त करने के लिए अवशोषण अवधि 26,000 एस से अधिक है।हालाँकि, उच्च लोडिंग दबाव के परिणामस्वरूप अवशोषण समय में 1.8 से 3.0 एमपीए तक 32-42% की कमी आई।यह हाइड्रोजन के उच्च प्रारंभिक दबाव के कारण होता है, जिसके परिणामस्वरूप संतुलन दबाव और लागू दबाव के बीच बड़ा अंतर होता है।इसलिए, यह हाइड्रोजन ग्रहण गतिकी के लिए एक बड़ी प्रेरक शक्ति बनाता है।प्रारंभिक क्षण में, संतुलन दबाव और लागू दबाव57 के बीच बड़े अंतर के कारण हाइड्रोजन गैस तेजी से अवशोषित हो जाती है।3.0 एमपीए के लोडिंग दबाव पर, पहले 10 सेकंड के दौरान 18% हाइड्रोजन तेजी से जमा हुआ।अंतिम चरण में 90% रिएक्टरों में 15460 सेकेंड तक हाइड्रोजन का भंडारण किया गया था।हालाँकि, 1.2 से 1.8 एमपीए के लोडिंग दबाव पर, अवशोषण समय 32% तक काफी कम हो गया था।अन्य उच्च दबावों का अवशोषण समय में सुधार पर कम प्रभाव पड़ा।इसलिए, यह अनुशंसा की जाती है कि MH-SCHE रिएक्टर का लोडिंग दबाव 1.8 MPa हो।अनुपूरक अनुभाग 15500 सेकेंड पर विभिन्न लोडिंग दबावों के लिए हाइड्रोजन सांद्रता रूपरेखा दिखाता है।
एमएच रिएक्टर के उचित प्रारंभिक तापमान का चुनाव हाइड्रोजन सोखने की प्रक्रिया को प्रभावित करने वाले मुख्य कारकों में से एक है, क्योंकि यह हाइड्राइड गठन प्रतिक्रिया की प्रेरक शक्ति को प्रभावित करता है।एमएच रिएक्टर के प्रारंभिक तापमान पर एससीएचई के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, 1.8 एमपीए के निरंतर लोडिंग दबाव और 14,000 एचटीएफ के रेनॉल्ड्स संख्या पर चार अलग-अलग तापमान चुने गए थे।अंजीर पर.चित्र 8बी 473K, 523K, 573K और 623K सहित विभिन्न शुरुआती तापमानों की तुलना दिखाता है।वास्तव में, जब तापमान 230°C या 503K58 से अधिक होता है, तो Mg2Ni मिश्र धातु में हाइड्रोजन अवशोषण प्रक्रिया के लिए प्रभावी विशेषताएं होती हैं।हालाँकि, हाइड्रोजन इंजेक्शन के शुरुआती क्षण में तापमान तेजी से बढ़ता है।नतीजतन, एमजी परत का तापमान 523 K से अधिक हो जाएगा। इसलिए, बढ़ी हुई अवशोषण दर53 के कारण हाइड्राइड के निर्माण में सुविधा होती है।अंजीर से.चित्र 8बी से देखा जा सकता है कि एमबी परत का प्रारंभिक तापमान कम होने पर हाइड्रोजन तेजी से अवशोषित होता है।प्रारंभिक तापमान कम होने पर कम संतुलन दबाव होता है।संतुलन दबाव और लागू दबाव के बीच दबाव का अंतर जितना अधिक होगा, हाइड्रोजन अवशोषण की प्रक्रिया उतनी ही तेज होगी।473 K के प्रारंभिक तापमान पर, पहले 18 सेकंड के दौरान हाइड्रोजन 27% तक तेजी से अवशोषित हो जाता है।इसके अलावा, 623 K के प्रारंभिक तापमान की तुलना में कम प्रारंभिक तापमान पर अवशोषण समय भी 11% से घटाकर 24% कर दिया गया था। 473 K के सबसे कम प्रारंभिक तापमान पर अवशोषण समय 15247 s है, जो सर्वोत्तम के समान है केस लोडिंग दबाव, हालांकि, प्रारंभिक तापमान रिएक्टर तापमान में कमी से हाइड्रोजन भंडारण क्षमता में कमी आती है।एमएन रिएक्टर का प्रारंभिक तापमान कम से कम 503 K53 होना चाहिए।इसके अलावा, 573 K53 के प्रारंभिक तापमान पर, 3.6 wt% की अधिकतम हाइड्रोजन भंडारण क्षमता प्राप्त की जा सकती है।हाइड्रोजन भंडारण क्षमता और अवशोषण अवधि के संदर्भ में, 523 और 573 K के बीच का तापमान केवल 6% कम करता है।इसलिए, MH-SCHE रिएक्टर के प्रारंभिक तापमान के रूप में 573 K का तापमान प्रस्तावित है।हालाँकि, अवशोषण प्रक्रिया पर प्रारंभिक तापमान का प्रभाव लोडिंग दबाव की तुलना में कम महत्वपूर्ण था।अनुपूरक अनुभाग 15500 एस पर विभिन्न प्रारंभिक तापमानों के लिए हाइड्रोजन सांद्रता की रूपरेखा दिखाता है।
प्रवाह दर हाइड्रोजनीकरण और डिहाइड्रोजनीकरण के मुख्य मापदंडों में से एक है क्योंकि यह हाइड्रोजनीकरण और डिहाइड्रोजनीकरण59 के दौरान अशांति और गर्मी हटाने या इनपुट को प्रभावित कर सकता है।उच्च प्रवाह दर अशांत चरण बनाएगी और परिणामस्वरूप एचटीएफ ट्यूबिंग के माध्यम से तेजी से द्रव प्रवाह होगा।इस प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप तेजी से गर्मी हस्तांतरण होगा।एचटीएफ के लिए अलग-अलग प्रवेश वेगों की गणना रेनॉल्ड्स संख्या 10,000, 14,000, 18,000 और 22,000 के आधार पर की जाती है।एमजी परत का प्रारंभिक तापमान 573 K और लोडिंग दबाव 1.8 MPa तय किया गया था।अंजीर में परिणाम।8c प्रदर्शित करता है कि SCHE के साथ संयोजन में उच्च रेनॉल्ड्स संख्या का उपयोग करने से उच्चतर ग्रहण दर प्राप्त होती है।जैसे-जैसे रेनॉल्ड्स संख्या 10,000 से 22,000 तक बढ़ती है, अवशोषण का समय लगभग 28-50% कम हो जाता है।22,000 की रेनॉल्ड्स संख्या पर अवशोषण समय 12,505 सेकंड है, जो विभिन्न प्रारंभिक लोडिंग तापमान और दबाव से कम है।12500 एस पर जीटीपी के लिए विभिन्न रेनॉल्ड्स संख्याओं के लिए हाइड्रोजन सांद्रता रूपरेखाएँ पूरक अनुभाग में प्रस्तुत की गई हैं।
HTF के प्रारंभिक तापमान पर SCHE के प्रभाव का विश्लेषण किया गया है और चित्र 8d में दिखाया गया है।573 K के प्रारंभिक MG तापमान और 1.8 MPa के हाइड्रोजन लोडिंग दबाव पर, इस विश्लेषण के लिए चार प्रारंभिक तापमान चुने गए: 373 K, 473 K, 523 K, और 573 K. 8d दर्शाता है कि शीतलक के तापमान में कमी हुई है इनलेट पर अवशोषण समय में कमी आती है।573 K के इनलेट तापमान वाले बेस केस की तुलना में, 523 K, 473 K और 373 K के इनलेट तापमान के लिए अवशोषण समय क्रमशः लगभग 20%, 44% और 56% कम हो गया था।6917 सेकेंड पर, जीटीएफ का प्रारंभिक तापमान 373 K है, रिएक्टर में हाइड्रोजन सांद्रता 90% है।इसे एमजी परत और एचसीएस के बीच बढ़े हुए संवहनी ताप हस्तांतरण द्वारा समझाया जा सकता है।कम एचटीएफ तापमान से गर्मी अपव्यय में वृद्धि होगी और परिणामस्वरूप हाइड्रोजन ग्रहण में वृद्धि होगी।सभी ऑपरेटिंग मापदंडों के बीच, HTF इनलेट तापमान को बढ़ाकर MH-SCHE रिएक्टर के प्रदर्शन में सुधार करना सबसे उपयुक्त तरीका था, क्योंकि अवशोषण प्रक्रिया का अंतिम समय 7000 s से कम था, जबकि अन्य तरीकों का सबसे कम अवशोषण समय अधिक था। 10000 से.7000 सेकेंड के लिए जीटीपी के विभिन्न प्रारंभिक तापमानों के लिए हाइड्रोजन सांद्रता रूपरेखा प्रस्तुत की गई है।
यह अध्ययन पहली बार धातु हाइड्राइड भंडारण इकाई में एकीकृत एक नया अर्ध-बेलनाकार कॉइल हीट एक्सचेंजर प्रस्तुत करता है।हाइड्रोजन को अवशोषित करने की प्रस्तावित प्रणाली की क्षमता की जांच हीट एक्सचेंजर के विभिन्न विन्यासों के साथ की गई थी।एक नए हीट एक्सचेंजर का उपयोग करके धातु हाइड्राइड के भंडारण के लिए इष्टतम स्थितियों को खोजने के लिए धातु हाइड्राइड परत और शीतलक के बीच ताप विनिमय पर ऑपरेटिंग मापदंडों के प्रभाव की जांच की गई।इस अध्ययन के मुख्य निष्कर्ष निम्नानुसार संक्षेपित हैं:
अर्ध-बेलनाकार कॉइल हीट एक्सचेंजर के साथ, गर्मी हस्तांतरण प्रदर्शन में सुधार होता है क्योंकि इसमें मैग्नीशियम परत रिएक्टर में अधिक समान गर्मी वितरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप बेहतर हाइड्रोजन अवशोषण दर होती है।बशर्ते कि हीट एक्सचेंज ट्यूब और मेटल हाइड्राइड की मात्रा अपरिवर्तित रहे, पारंपरिक कुंडलित कॉइल हीट एक्सचेंजर की तुलना में अवशोषण प्रतिक्रिया समय 59% तक काफी कम हो जाता है।
पोस्ट समय: जनवरी-15-2023