金属氢化物反应器内吸氢过程热质传递-免费论文阅读-下载.pdf

- 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 金属氢化物反应器内吸氢过程热质传递金属氢化物反应器内吸氢过程热质传递 特性的多物理场分析特性的多物理场分析# 张早校1,2，鲍泽威1，吴震1，孟翔宇1，杨福胜1* 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20100201110007)；苏州市应用基础研究计划(syg201019) 作者简介：张早校，（1963-），男，教授，博导，. e-mail: （1. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049； 5 2. 西安交通大学苏州研究院，江苏 苏州 215123） 摘要摘要： 为了精确地预测金属氢化物反应器内吸氢过程的热质传递特性， 一个圆柱型反应器的 二维多物理场模型被提出。 新建立的模型考虑了换热流体温度与流速变化对数值仿真结果的 影响。本文采用商业软件 comsol multiphysics v3.5a 求解此模型,并探讨了一些重要参数 对反应器性能的影响。 结果表明， 管外换热系数和氢化物床层有效导热系数是改善反应器性10 能的关键参数。本文所建立的模型和获得的结果可以用于金属氢化物反应器的优化设计。 关键词关键词：反应器；金属氢化物；热质传递；多物理场模型 中图分类号中图分类号：tq052.5 multi-physics analysis of heat and mass transfer of metal 15 hydride reactors during adsorption zhang zaoxiao1,2, bao zewei1, wu zhen1, meng xiangyu1, yang fusheng1 (1. state key laboratory of multiphase flow in power engineering, xian jiaotong university, xian 710049; 2. suzhou research institute, xian jiaotong university, jiangsu suzhou 215123) 20 abstract: in order to predict heat and mass transfer characteristics of a metal hydride reactor accurately, a two-dimensional multi-physics model of a cylindrical metal hydride reactor during adsorption was presented. in this model, the effects of temperature and velocity changes of heat transfer fluid on simulated results have been considered. the model was numerically solved using the commercial software package comsol multiphysics v3.5a. the effects of some important 25 parameters on the reactor performance were discussed. the results shows that the tube heat transfer coefficient and the thermal conductivity of the hydride bed are crucial factors for improving reactors performances. the model presented and the results obtained can be used for optimal designs of metal hydride reactors. keywords: reactor; metal hydride; heat and mass transfer; multi-physics model 30 0 引言引言 金属氢化物是一种新型的功能材料， 能够在一定条件下与氢气发生可逆反应， 并伴随有 剧烈的热效应。金属氢化物在储氢、热泵、制冷、蓄热和氢气热压缩等多个领域具有应用价 值1。金属氢化物必须装填在相应的反应器内才能实现其功能。金属氢化物反应器内设有换35 热装置，是整个系统的核心部件。数值模拟是研究金属氢化物反应器性能的有效方法，国内 外的研究者提出了很多氢化物反应器模型2-8。ei osery 建立了金属氢化物反应器的一维模 型并采用有限差分方法进行求解，整个模型只包含传热方程和反应动力学方程2。jemni 等 3-4基于体积平均法建立了圆柱型反应器的二维模型，此模型更加严密，包括了气固相传热 方程、气固相连续性方程、气相传质方程和反应动力学方程，并得到了实验验证。aldas 等40 把先前的二维模型扩展为三维模型5，其结果表明，在壁面处冷却较好氢化反应比较快，而 在反应床的中心区域反应比较慢。freni 等建立了包含多根换热管的圆柱型反应器的三维模 型，此模型计算区域包括换热流体，考虑了换热流体温度的变化对数值仿真结果的影响6。 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 yang 等7-8提出了一种参数分析(parameter analysis)方法，通过简化的理论推导定义了两个 表征反应器耦合过程特性的参数传热控制反应速率和传质控制反应速率。 该方法对于反45 应器初步设计很有参考价值，可以用于筛选设计方案，进而展开更深入和细致的研究。 为了精确地预测金属氢化物反应器内的热质传递特性， 本文建立了一个圆柱型金属氢化 物反应器的多物理场模型。此模型考虑了换热流体温度变化对仿真结果的影响，并采用 naivestokes 方程来获得换热流体的速度场。数值仿真结果与文献中实验结果吻合很好，证 明了新建立模型的正确性，为新型金属氢化物反应器的开发与优化奠定了一定的基础。 50 1 反应器数学模型反应器数学模型 本文所研究的圆柱型反应器由不锈钢 316l 制造，其结构如图 1 所示。本文采用二维轴 对称模型，主要假设如下： 1) 假定气固相温度相同； 2) 忽略辐射换热； 55 3) 热物性恒定，换热热流体（水）是不可压缩的； 4) 忽略反应器与外界环境换热。 1.1 金属氢化物床金属氢化物床 氢化物床连续性方程 = (1) s m t (1) 60 式中， m反应速率，kg/(m3s)。 氢化物床能量方程 ()() + = + + + ? ? 11 () gpgspsgpgggs pgps t ccc vtt t m hmt cc (2) 式中， pg c氢气定压比热容，j/(kgk)； ps c氢化物定压比热容，j/(kgk)。 反应动力学方程采用文献4中推荐的公式，如式（3）所示 65 sats exp()ln()() g a a eq p e mc rtp = (3) 平衡压力由文献9中推荐的 p-c-t 方程获得。 1.2 换热装置换热装置 换热管壁导热方程 () = r prr t ct t (4) 70 式中， r换热管壁导热系数，w/(mk)。 换热流体连续性方程 = ? 0 f v (5) 采用 naivestokes 方程来描述换热流体的流动情况，如下式 () + = + ? ? t f ffff v vvvvp t (6) 75 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 换热流体能量方程 ()() + = ? f fpffffff t cv tt t (7) 式中， f换热流体导热系数，w/(mk)。 换热流体和换热管内壁之间的换热系数由公式（8）获得10 = 1/ 30.14 re pr 1.86 / ffff if iir h dld (8) 80 图1 金属氢化物反应器示意图（单位：mm） fig. 1 the schematic of the metal hydride reactor (unit：mm) 1.3 初始和边界条件初始和边界条件 85 初始时，假定反应器温度和氢化物密度均匀分布，因此， = 0 tt, = 0r tt, = 0f tt, = 0ss (9) 绝热壁面(或对称边界): = 0 t n , = 0 r t n , = 0 f t n (10) 氢气注入边界: 90 = 0 t n (11) 换热管外壁面: = () eexr t htt n , = () r rexr t htt n (12) 换热管内壁面: = rf qq, = rf tt, =0 fff uvw, = () f fiffr t htt n (13) 95 换热流体入口处: - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 =0 ff uv, = 2 4 v f i q w d , = inf tt (14) 换热流体出口处: =0 f p, () = 0 ff t (15) 2 模型求解与验证模型求解与验证 100 氢化物定压比热容 cps=419 j/(kgk)，氢化物有效导热系数 e=1.087 w/(mk)，反应热 h=30100 j/mol，孔隙率 =0.5 4, 11-13。换热流体入口温度为 tin=293k，换热流体 qv=210-6 m3 /s，氢气供给压力 pin=1.5 mpa，初始反应分数为 0.1。本文建立的模型采用商业软件 comsol multiphysics v3.5a 求解。整个求解区域采用非结构化三角形网格，网格单元数目 为 1425。相对误差和绝对误差分别限定为 10-3和 10-4。 105 jemni 等4在 1999 年对圆柱形反应器进行了实验研究，本文采用他们的实验结果来检 验此模型的有效性。实验和仿真结果的对比如图 2 所示。从图中可知，模拟与实验的结果吻 合得很好，新建立模型的有效性得到了验证。 图2 实验与仿真结果比较 110 fig. 2 comparison of simulation results and experimental data 3 结果与讨论结果与讨论 图 3 给出了反应时间分别是 100、 1000、 3000 和 5000s 时反应器内反应分数的分布情况。 从图中可知，接近换热管壁处的区域反应分数比较高，这是因为此处的换热效果较好，温度115 较低，可以加速氢化反应过程。在 1000s 时，靠近换热管壁处的反应床的氢化反应已经基本 完成，然而远离此处的氢化物反应分数仍然非常低。随后，氢化反应从换热壁面处向反应器 壁面逐渐完成，在 5000s 时整个反应床的氢化反应基本完成。此外，在换热流体入口处反应 床的氢化反应比换热流体出口处的快， 这是因为出口处换热流体的温度有所升高， 降低了传 热温差，影响了换热效果。 120 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 图3 反应床内反应分数分布 fig. 3 distribution of the reacted fraction in the metal hydride bed 图 4(a)给出了管外换热系数变化对金属氢化物平均反应分数的影响。从图中可知，管外125 换热系数增大可以加快氢化反应。当管外换热系数为 500w/(m2k)时，经过 7310s 氢化反应 完成；当管外换热系数提高到 1500w/(m2k)时，只需经过 6300s 即可完成氢化反应。图 4(b) 给出了管外换热系数变化对换热流体出口温度的影响。 在初始阶段， 换热流体出口温度急剧 升高，直到达到最高值。当管外换热系数分别为 500、1000 和 1500 w/(m2k 时，可以达到 的最高温度值分别为 302.3、304.3 和 305.2k。随后，温度逐渐下降到换热流体初始温度。130 当管外换热系数为 500w/(m2k)时，换热流体出口温度从升高到最高值然后回到初始温度需 要 11080s；然而，当管外换热系数为 1500w/(m2k)时，只需要 9560s。 图 5 给出了金属氢化物有效导热系数变化对金属氢化物平均反应分数和换热流体出口 温度的影响。图 5(a)表明有效导热系数增加可以加快氢化反应过程。这是因为导热系数的增 加可以强化换热，使反应热更快速地传递给换热流体，这就加速了氢化反应过程。图 5(b)135 说明有效导热系数的增加可以降低换热流体出口温度从升高到回到初始温度所需要的时间。 (a) (b) 图4 管外换热系数对平均反应分数和换热流体出口平均温度的影响 140 fig. 4 effect of the tube outside heat transfer coefficient on the average reacted fraction and the outlet mean temperature of heat transfer fluid 传热是氢化反应的控制环节， 管外换热系数和氢化物有效导热系数的增加可以改善换热 效果，因此可以加快氢化反应。对于储氢反应器，氢化反应加快可以减少充氢时间。因为反145 应器总的反应热是一定的，而且全部传递给换热流体（忽略损失的情况下），因此氢化反应 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 加快可以降低循环时间，进而提高反应器的平均功率。对于热泵和蓄热反应器，平均功率是 非常重要的指标。 综上所述， 管外换热系数和氢化物有效导热系数是改善反应器性能的关键 参数。 150 (a) (b) 图5 导热系数变化对平均反应分数和换热流体出口平均温度的影响 fig. 5 effect of the effective thermal conductivity on the average reacted fraction and the outlet mean temperature of heat transfer fluid 155 4 结论结论 (1) 本文建立了圆柱型金属氢化物反应器的二维多物理场模型。新建立的模型考虑了换 热流体温度与流速变化对数值仿真结果的影响。 此模型采用商业软件 comsol multiphysics v3.5a 求解，通过与文献中的实验结果对比验证了模型的有效性。 160 (2) 接近换热管壁处氢化物床的换热效果较好，温度较低，因此，此处反应分数比其他 区域高。在换热流体出口处换热流体的温度有所升高，降低了传热温差，影响了换热效果， 因此，此处氢化物的反应分数比入口附近的低。 (3) 管外换热系数增大可以加快氢化反应。当管外换热系数从 500w/(m2k)提高到 1500w/(m2k)时，只需经过 6300s 即可完成氢化反应，缩短了 1010s。金属氢化物有效导热165 系数的增加可以强化换热，使反应热更快速地传递给换热流体，这就加速了氢化反应过程。 对于储氢反应器，氢化反应加快可以减少充氢时间。对于热泵和蓄热反应器，氢化反应加快 可以提高平均功率。 参考文献参考文献 (references) 170 1 yang f s, wang g x, zhang z x, et al. design of the metal hydride reactors - a review on the key technical issuesj. international journal of hydrogen energy, 2010, 35(8): 3832-3840. 2 el osery i a. theory of the computer code ret1 for the calculation of space-time dependent temperature and composition properties of metal hydride hydrogen storage bedsj. international journal of hydrogen energy, 1983, 8(3): 191-198. 175 3 jemni a, nasrallah, s b. study of two-dimensional heat and mass transfer during absorption in a metal-hydrogen reactorj. international journal of hydrogen energy, 1995, 20(1): 43-52. 4 jemni a, nasrallah s b, lamloumi j. experimental and theoretical study of a metal-hydrogen reactorj. international journal of hydrogen energy, 1999; 24(7): 631-644. 5 aldas k, mat m d, kaplan y. a three-dimensional mathematical model for absorption in a metal hydride 180 bedj. international journal of hydrogen energy, 27(10): 1049-1056. 6 freni a, cipit f, cacciola g. finite element-based simulation of a metal hydride-based hydrogen storage tankj. international journal of hydrogen energy, 2009, 34(20): 8574-8582. 7 yang f s, meng x y, deng j q, et al. identifying heat and mass transfer characteristics of metal hydride reactor during adsorption - 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