【摘 要】
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随着不可再生能源的枯竭,新能源的开发和利用已迫在眉睫。氢气完全燃烧的产物只有水,能降低温室气体排放,是最有发展前景的能源。金属氢化物储氢容器作为氢气储运的关键部件,其使用压力低,在合适的温度下自由吸/放氢,提高氢能应用安全性。现有的金属氢化物储氢容器换热性能差,极大影响容器吸/放氢效率,制约金属氢化物储氢技术的发展。因此,研究换热性能更优的金属氢化物储氢容器对发展固态储氢技术具有积极意义。论文取得
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随着不可再生能源的枯竭,新能源的开发和利用已迫在眉睫。氢气完全燃烧的产物只有水,能降低温室气体排放,是最有发展前景的能源。金属氢化物储氢容器作为氢气储运的关键部件,其使用压力低,在合适的温度下自由吸/放氢,提高氢能应用安全性。现有的金属氢化物储氢容器换热性能差,极大影响容器吸/放氢效率,制约金属氢化物储氢技术的发展。因此,研究换热性能更优的金属氢化物储氢容器对发展固态储氢技术具有积极意义。论文取得的结果与结论如下:基于质量、动量、能量守恒方程和反应动力学方程,在COMSOL Multiphysics中建立了填充La Ni5的金属氢化物储氢容器二维轴对称模型,并验证了模型正确性。传热传质模拟结果表明:吸/放氢时温度和平衡压力沿换热壁至容器中心方向逐渐降低/升高;吸/放氢区域从换热壁向容器中心移动。初始温度越低吸氢性能越好,初始温度越高放氢性能越好;入口压力0.8 MPa时吸氢性能较好,出口压力越低放氢性能越好;空隙率变化不能表示吸/放氢性能的优异;增加对流换热系数和合金导热系数提升吸/放氢性能。设计了不同结构的金属氢化物储氢容器,并进行了换热模拟研究。在内壁加翅片和内部加螺旋管换热器显著提升吸/放氢性能;容器内最大储氢量相等时,加螺旋管换热器的储氢容器吸/放氢性能更佳。加螺旋管换热器的金属氢化物储氢容器内最大储氢量相等时,螺旋管同心排列在吸/放氢过程前期更能提升吸/放氢性能;螺旋管环形排列在吸/放氢过程后期更能提升吸/放氢性能;增加螺旋管数量与提升吸/放氢性能没有必然联系;容器内加5个螺旋管环形排列时吸/放氢性能最好,与初始模型相比,达到最大吸/放氢量的90%所需时间分别减少52.63%和52.34%。为提高换热效率及合理利用反应热,建立了含相变换热器的金属氢化物储氢容器（MH-PCM）二维轴对称模型。明确MH-PCM吸/放氢过程中金属氢化物（MH）床和相变材料（PCM）中传热传质的耦合过程:吸/放氢时,MH床吸/放氢区域从换热壁向中心移动;PCM熔化/凝固部分从换热壁逐渐延伸至PCM罐外壁;储氢合金的吸/放氢量和PCM液相分数变化趋势相同。固相导热系数对吸/放氢性能影响效果不显著;增加液相导热系数和潜热提升吸/放氢性能;增加相变温度降低吸氢性能,但提升放氢性能;当PCM质量能吸收/提供合金完全吸/放氢放出/所需的热量时,增加PCM质量对吸/放氢性能影响效果不显著。PCM中加翅片能提升MH-PCM吸/放氢性能,与初始MH-PCM相比,达到最大吸/放氢量的90%所需时间分别减少27.82%和22.26%。
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