Otimização do projeto de um magnésio

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13436 (2022) Citar este artigo

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Os hidretos metálicos (MH) são conhecidos como um dos grupos de materiais mais adequados para armazenamento de energia de hidrogênio devido à sua grande capacidade de armazenamento de hidrogênio, baixa pressão operacional e alta segurança. No entanto, a sua lenta cinética de absorção de hidrogénio diminui significativamente o desempenho do armazenamento. A remoção mais rápida de calor do armazenamento de MH pode desempenhar um papel essencial para aumentar a taxa de absorção de hidrogênio, resultando em melhor desempenho de armazenamento. Nesse sentido, o presente estudo visa melhorar o desempenho da transferência de calor para impactar positivamente a taxa de absorção de hidrogênio dos sistemas de armazenamento de MH. Uma nova bobina semicilíndrica é primeiro projetada e otimizada para armazenamento de hidrogênio e incorporada como um trocador de calor interno com ar como fluido de transferência de calor (HTF). O efeito de novas configurações de trocadores de calor é analisado e comparado com a geometria normal da bobina helicoidal, com base em vários tamanhos de passo. Além disso, os parâmetros operacionais de armazenamento de MH e HTF são investigados numericamente para obter valores ideais. ANSYS Fluent 2020 R2 é utilizado para as simulações numéricas. Os resultados deste estudo demonstram que o desempenho do armazenamento de MH é significativamente melhorado com o uso de um trocador de calor de bobina semicilíndrica (SCHE). A duração da absorção de hidrogênio é reduzida em 59% em comparação com um trocador de calor de bobina helicoidal normal. O menor passo da bobina do SCHE leva a uma redução de 61% no tempo de absorção. Em termos de parâmetros operacionais para o armazenamento de MH com SCHE, todos os parâmetros selecionados proporcionam uma grande melhoria no processo de absorção de hidrogênio, principalmente na temperatura de entrada do HTF.

Está em curso uma mudança dos recursos energéticos baseados em combustíveis fósseis para formas renováveis ​​de energia à escala global. Dado que muitas formas de energia renovável fornecem eletricidade de forma dinâmica, o armazenamento de energia é necessário para equilibrar a carga. O armazenamento de energia à base de hidrogénio está a receber muita atenção para este fim, até porque o hidrogénio pode ser utilizado como combustível alternativo “verde” e meio de armazenamento de energia, devido às suas características e portabilidade1. Além disso, o hidrogénio também oferece uma maior capacidade energética por massa em comparação com os combustíveis fósseis2. Existem quatro tipos principais de armazenamento de energia de hidrogênio: gás comprimido, armazenamento subterrâneo, armazenamento de líquido e armazenamento sólido. O gás hidrogênio comprimido é o principal tipo usado em veículos com células de combustível, como ônibus e empilhadeiras. No entanto, este armazenamento proporciona uma baixa densidade volumétrica de hidrogénio (cerca de 0,089 kg/m3) e apresenta preocupações de segurança relativamente à elevada pressão de funcionamento3. O armazenamento líquido armazenará hidrogênio na forma líquida, com base no processo de conversão com baixa temperatura e pressão ambiente. No entanto, há cerca de 40% de perda de energia durante o processo de liquefação. Além disso, esta técnica também é conhecida pelo maior consumo de energia e por ser demorada em comparação com a técnica de armazenamento sólido4. O armazenamento sólido é uma opção viável para a economia do hidrogénio, que armazena hidrogénio combinando-o com materiais sólidos através da absorção e libertando hidrogénio através da dessorção5. O hidreto metálico (MH) é uma das tecnologias de armazenamento de materiais sólidos que recentemente atraiu interesse significativo em aplicações de células de combustível por ter alta capacidade de hidrogênio, baixa pressão operacional e baixo custo em comparação ao armazenamento de líquidos, tanto para aplicações estacionárias quanto móveis6, 7. Além disso, os materiais MH também oferecem desempenho seguro como armazenamento eficiente de alto volume8. No entanto, há um problema que limita o desempenho do MH: os reatores de MH sofrem de baixa condutividade térmica9, resultando em lenta absorção e dessorção de hidrogênio.

A transferência adequada de calor durante as reações exotérmicas e endotérmicas é a chave para melhorar o desempenho do reator MH. Para o processo de carregamento de hidrogênio, o calor gerado deve ser removido do reator para controlar o fluxo de carregamento de hidrogênio na taxa desejada com a capacidade máxima de armazenamento10. Em contraste, é necessário calor para melhorar a taxa de libertação de hidrogénio durante o processo de descarga. Para melhorar o desempenho da transferência de calor e massa, muitos pesquisadores estudaram o projeto e a otimização com base em vários fatores, incluindo parâmetros operacionais, estrutura do MH e otimização do MH11. A otimização de MH pode ser feita adicionando materiais de alta condutividade térmica, como espumas metálicas, ao leito de MH . Por este método, a condutividade térmica efetiva pode ser aumentada de 0,1 até 2 W/mK10. Contudo, a adição de material sólido reduz significativamente a capacidade do reator MH. Para os parâmetros operacionais, melhorias podem ser alcançadas através da otimização das condições operacionais iniciais do leito MH e do fluido de transferência de calor (HTF). A estrutura do MH pode ser otimizada pela geometria do reator e pela disposição dos projetos dos trocadores de calor . Em termos de configuração do trocador de calor do reator MH, as abordagens podem ser classificadas em dois tipos. Trata-se de um trocador de calor interno, que fica embutido no leito de MH, e um trocador de calor externo, como aletas, camisa de resfriamento e banho-maria que cobrem o leito de MH15. Para trocador de calor externo, Kaplan16 analisou o desempenho de um reator MH empregando água de resfriamento como camisa para reduzir a temperatura dentro do reator. Os resultados foram comparados a um reator com 22 aletas circulares e outro reator que resfria por convecção natural. Eles alegaram que ter uma camisa de resfriamento reduzia significativamente a temperatura do MH, resultando em uma melhor taxa de absorção. O estudo numérico do reator MH com camisa de água de Patil e Gopal17 indicou que a pressão de fornecimento de hidrogênio e a temperatura do HTF são os parâmetros-chave para afetar as taxas de absorção e dessorção de hidrogênio.