工程科学学报，第41卷，第5期：672-681.2019年5月 Chinese Joural of Engineering,Vol.41,No.5:672-681,May 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.014;http://journals.ustb.edu.cn 椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 李珊珊)，张蓝)，王玉琪)四，王迪”，李海娣)，杨福胜)，吴震)， 张早校2) 1)西北大学化工学院，西安7100692)西安交通大学化学工程与技术学院，西安710049 区通信作者，E-mail:wangyuqi@(wu.cdu.cn 摘要为提高储氢反应器的传热及吸放氢速率，对现有金属氢化物反应器进行了系统的综合分析与评价.基于强化传热传 质特性，设计优化出了一种高效的新型椭圆螺旋微管束反应器(E$MBR),其具有结构紧凑、传热效果好、反应速度快及操作方 便等特点.对研究的储氢反应器进行了建模，并通过实验验证了该模型的准确性和有效性.通过COMSOL软件对比ESMBR、 圆形螺旋微管束反应器(SMBR)和直管微管束反应器(MTBR)的数值模拟结果得出，ESMBR在储氢时具有优异的传热传质性 能.进一步的敏感性分析结果表明，ESMBR中椭圆螺旋管结构参数的敏感性顺序为主直径(D)>椭圆截面长轴(A)>椭圆 截面短轴(B)>节距(P)>螺旋角度（α）.采用多元价值取向模型对不同的反应器方案进行了系统的分析评估，结果表明： ESMBR的综合优度高达0.845，对比结果也明显优于其他反应器，在氢能领域将有广阔的应用前景. 关键词金属氢化物：微管束：反应器：储氢：多元价值取向模型 分类号0121.8：G558 Parameter optimization and performance evaluation of elliptical spiral mini-tube bundle reactor LI Shan-shan),ZHANG Lan),WANG Yu-qi,WANG Di),LI Hai-di),YANG Fu-sheng?,WU Zhen2),ZHANG Zao-xiao2) 1)School of Chemical Engineering,Northwest University,Xi'an 710069,China 2)School of Chemical Engineeringand Technology,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049.China Corresponding author,E-mail:wangyuqi@nwu.edu.cn ABSTRACT Storage and transportation are one of the primary restrictions on the approach involving hydrogen energy.The traditional hydrogen storage methods,including high-pressure gas cylinder and cryogenic liquid tank show unfavorable economy,thus hindering their further industrial application and development.Metal hydrides can reversibly react with hydrogen and accomplish the hydriding dehydriding process under mild operation conditions,which feature advantages such as large hydrogen storage amount,low operation pressure and energy consumption.This process is expected to replace the conventional hydrogen storage and transportation.Meanwhile, considering the strong endothermal/exothermic effect during hydrogenation/dehydrogenation,the prompt heat removal/support inside the metal hydride reactor is a key parameter for H,absorption/desorption rate and H storage efficiency.To improve the heat transfer and absorption/desorption rates of metal hydride reactor,comprehensive analysis and evaluation were conducted.Based on the heat and mass transfer intensification,a new elliptical spiral mini-tube bundle reactor (ESMBR)with high efficiency was designed and proposed;the reactor possesses numerous features,such as high heat transfer speed,compact structure,high reaction rate,and con- venient operation.All the hydrogen storage reactor models were established,and both the model accuracy and effectiveness were exper- imentally validated.Numerical simulations of ESMBR,spiral mini-tube bundle reactor,and mini-tube bundle reactor were calculated 收稿日期：2018-04-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目(21276209)：陕西省自然科学基金资助项目(2017M2033):化学工程联合国家重点实验室开放课题 资助项目(SKL-ChE-18A02)
工程科学学报,第 41 卷,第 5 期:672鄄鄄681,2019 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 5: 672鄄鄄681, May 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 05. 014; http: / / journals. ustb. edu. cn 椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 李珊珊1) , 张 蓝1) , 王玉琪1)苣 , 王 迪1) , 李海娣1) , 杨福胜2) , 吴 震2) , 张早校2) 1) 西北大学化工学院, 西安 710069 2) 西安交通大学化学工程与技术学院, 西安 710049 苣通信作者,E鄄mail: wangyuqi@ nwu. edu. cn 摘 要 为提高储氢反应器的传热及吸放氢速率,对现有金属氢化物反应器进行了系统的综合分析与评价. 基于强化传热传 质特性,设计优化出了一种高效的新型椭圆螺旋微管束反应器(ESMBR),其具有结构紧凑、传热效果好、反应速度快及操作方 便等特点. 对研究的储氢反应器进行了建模,并通过实验验证了该模型的准确性和有效性. 通过 COMSOL 软件对比 ESMBR、 圆形螺旋微管束反应器(SMBR)和直管微管束反应器(MTBR)的数值模拟结果得出,ESMBR 在储氢时具有优异的传热传质性 能. 进一步的敏感性分析结果表明,ESMBR 中椭圆螺旋管结构参数的敏感性顺序为主直径(Dc ) > 椭圆截面长轴(A) > 椭圆 截面短轴(B) > 节距(Pt) > 螺旋角度(琢). 采用多元价值取向模型对不同的反应器方案进行了系统的分析评估,结果表明: ESMBR 的综合优度高达 0郾 845,对比结果也明显优于其他反应器,在氢能领域将有广阔的应用前景. 关键词 金属氢化物; 微管束; 反应器; 储氢; 多元价值取向模型 分类号 O121郾 8; G558 收稿日期: 2018鄄鄄04鄄鄄09 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(21276209); 陕西省自然科学基金资助项目(2017JM2033); 化学工程联合国家重点实验室开放课题 资助项目(SKL鄄ChE鄄18A02) Parameter optimization and performance evaluation of elliptical spiral mini鄄tube bundle reactor LI Shan鄄shan 1) , ZHANG Lan 1) , WANG Yu鄄qi 1)苣 , WANG Di 1) , LI Hai鄄di 1) , YANG Fu鄄sheng 2) , WU Zhen 2) , ZHANG Zao鄄xiao 2) 1) School of Chemical Engineering, Northwest University, Xi蒺an 710069, China 2) School of Chemical Engineeringand Technology, Xi蒺an Jiaotong University, Xi蒺an 710049, China 苣Corresponding author, E鄄mail: wangyuqi@ nwu. edu. cn ABSTRACT Storage and transportation are one of the primary restrictions on the approach involving hydrogen energy. The traditional hydrogen storage methods, including high鄄pressure gas cylinder and cryogenic liquid tank show unfavorable economy, thus hindering their further industrial application and development. Metal hydrides can reversibly react with hydrogen and accomplish the hydriding / dehydriding process under mild operation conditions, which feature advantages such as large hydrogen storage amount, low operation pressure and energy consumption. This process is expected to replace the conventional hydrogen storage and transportation. Meanwhile, considering the strong endothermal / exothermic effect during hydrogenation / dehydrogenation, the prompt heat removal / support inside the metal hydride reactor is a key parameter for H2 absorption / desorption rate and H2 storage efficiency. To improve the heat transfer and absorption / desorption rates of metal hydride reactor, comprehensive analysis and evaluation were conducted. Based on the heat and mass transfer intensification, a new elliptical spiral mini鄄tube bundle reactor ( ESMBR) with high efficiency was designed and proposed; the reactor possesses numerous features, such as high heat transfer speed, compact structure, high reaction rate, and con鄄 venient operation. All the hydrogen storage reactor models were established, and both the model accuracy and effectiveness were exper鄄 imentally validated. Numerical simulations of ESMBR, spiral mini鄄tube bundle reactor, and mini鄄tube bundle reactor were calculated
李珊珊等：椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 ·673· and compared by COMSOL.ESMBR was proven to exhibit favorable heat and mass transfer performance during the H,storage.Results of further analysis indicate that the sensitivity order of elliptical spiral structure parameters as follows:D.>A >B>Pt a.A multi- element valued model was used to evaluate the reactor schemes systematically,and the calculation results show the integrated superiori- ty of ESMBR could achieve a value of 0.845.The comparison results indicate that the ESMBR presents an outstanding performance compared with other reactors and features a broad application prospect in the field of hydrogen energy. KEY WORDS metal hydride;mini-tube bundle;reactor;hydrogen storage;multi-element value model 金属氢化物反应器(metal hydride reactor, 反应器并进行了实验研究.Ma等]在直管上添加了 MHR)能实现静态的氢气压缩，对储氢系统的工作 翅片，增大了换热面积，进一步加快了储氢反应器的 性能起着决定性作用.金属氢化物(metal hydride, 传热传质速率。 MH)与反应器组成一体共同工作，是MHR中实现 直管微管束会因热应力和挤压应力引起焊点脱 能量转换的核心部分1)]，其性能优劣直接影响 落，MH吸放氢过程的材料膨胀/收缩会挤压微管束 MHR的最大储氢量、输出功率、，性能系数等基本参 管致使其变形甚至断裂.这严重影响了微管束反应 数.然而MH本身导热性能差，使得传统反应器无 器的传热性能，缩短了反应器的使用寿命.针对这 法实现高效换热，进而导致合金与氢气不能充分反 一问题，本文提出了具有良好的弹性与温度补偿性 应.为了提高MH的吸氢能力，降低MHR工作时的 能的新型椭圆螺旋微管束反应器(elliptical spiral 温度，设计一种高效的MHR显得尤为重要. mini-tube bundle reactor,.ESMBR),该反应器传热面 传统的MHR可归纳如下：列管式反应器(tubular 积大、换热均匀、换热效率高.螺旋管不仅能够自动 reactor,TR),也是最早应用于储氢反应的反应器，具 补偿热膨胀，有效克服直管热胀冷缩及热应力带来 有结构简单、紧凑、密封性好的特点，然而氢气在合金 的损害[9-]：而且由于螺旋管的弹性结构，能有效消 床层扩散困难，MH利用率较低.为了提高反应器的 除MH材料膨胀/收缩对管体带来的挤压，改善微管 换热性能，Anevi等提出了盘式反应器(disc reac- 束因受挤压而变形的现象.由于椭圆螺旋管在壳体 tor,DR),其换热面积较大，反应速率较高，但体积大、 中排列紧凑，能很好的克服流体诱导振动，提高了操 MH装填量少、结构复杂等问题限制了其发展.为此， 作可靠性，同时减缓了反应器的老化.螺旋椭圆结 Anevi还研究了高压釜式反应器(autoclave reactor,简 构能增大管内换热流体的湍动程度，在增强流体扰 称AR),在金外通入换热流体将热量带走，其结构简 动的同时降低管内侧层流传热膜，实现在低雷诺数 单，耐压性能较好，但传热和传质效果差，而且釜内反 (R)下获得高传热系数：此外，相比于TBR, 应床层不同位置温度差异较大.20世纪90年代初， ESMBR增加了换热通道的有效比表面积，提高了微 随着微化工技术的发展，微管束反应器应运而生s] 管束反应器的换热效率. 近期，Bao等6提出了一种传热传质效果较明显的直 1反应器模型建立 管微管束反应器(mini-tube bundle reactor,MTBR),微 管束管内通过换热流体，外部充填MH,具有结构简 1.1几何模型建立 单、传热效果好、反应速度快等优点.之后，Meng 为了改善微管束因受挤压而变形的问题（如图 等]采用内径为0.7mm的铜管作为换热管，制作该 1所示)，本文设计了如图2所示的ESMBR.反应器 (a) 图1MTBR使用前和使用后对比)].(a)使用前：(b)使用后 Fig.1 Before and after using MTBR[]:(a)before;(b)after
李珊珊等: 椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 and compared by COMSOL. ESMBR was proven to exhibit favorable heat and mass transfer performance during the H2 storage. Results of further analysis indicate that the sensitivity order of elliptical spiral structure parameters as follows: Dc > A > B > Pt > 琢. A multi鄄 element valued model was used to evaluate the reactor schemes systematically, and the calculation results show the integrated superiori鄄 ty of ESMBR could achieve a value of 0郾 845. The comparison results indicate that the ESMBR presents an outstanding performance compared with other reactors and features a broad application prospect in the field of hydrogen energy. KEY WORDS metal hydride; mini鄄tube bundle; reactor; hydrogen storage; multi鄄element value model 金 属 氢 化 物 反 应 器 ( metal hydride reactor, MHR)能实现静态的氢气压缩,对储氢系统的工作 性能起着决定性作用. 金属氢化物(metal hydride, MH)与反应器组成一体共同工作,是 MHR 中实现 能量转换的核心部分[1鄄鄄3] ,其性能优劣直接影响 MHR 的最大储氢量、输出功率、性能系数等基本参 数. 然而 MH 本身导热性能差,使得传统反应器无 法实现高效换热,进而导致合金与氢气不能充分反 应. 为了提高 MH 的吸氢能力,降低 MHR 工作时的 温度,设计一种高效的 MHR 显得尤为重要. 图 1 MTBR 使用前和使用后对比[7] . (a) 使用前; (b) 使用后 Fig. 1 Before and after using MTBR [7] : (a) before; (b) after 传统的 MHR 可归纳如下:列管式反应器(tubular reactor,TR),也是最早应用于储氢反应的反应器,具 有结构简单、紧凑、密封性好的特点,然而氢气在合金 床层扩散困难,MH 利用率较低. 为了提高反应器的 换热性能,Anevi 等[4] 提出了盘式反应器(disc reac鄄 tor,DR),其换热面积较大,反应速率较高,但体积大、 MH 装填量少、结构复杂等问题限制了其发展. 为此, Anevi 还研究了高压釜式反应器(autoclave reactor,简 称 AR),在釜外通入换热流体将热量带走,其结构简 单,耐压性能较好,但传热和传质效果差,而且釜内反 应床层不同位置温度差异较大. 20 世纪 90 年代初, 随着微化工技术的发展,微管束反应器应运而生[5] . 近期,Bao 等[6]提出了一种传热传质效果较明显的直 管微管束反应器(mini鄄tube bundle reactor,MTBR),微 管束管内通过换热流体,外部充填 MH,具有结构简 单、传热效果好、反应速度快等优点. 之后,Meng 等[7]采用内径为 0郾 7 mm 的铜管作为换热管,制作该 反应器并进行了实验研究. Ma 等[8]在直管上添加了 翅片,增大了换热面积,进一步加快了储氢反应器的 传热传质速率. 直管微管束会因热应力和挤压应力引起焊点脱 落,MH 吸放氢过程的材料膨胀/ 收缩会挤压微管束 管致使其变形甚至断裂. 这严重影响了微管束反应 器的传热性能,缩短了反应器的使用寿命. 针对这 一问题,本文提出了具有良好的弹性与温度补偿性 能的新型椭圆螺旋微管束反应器( elliptical spiral mini鄄tube bundle reactor,ESMBR),该反应器传热面 积大、换热均匀、换热效率高. 螺旋管不仅能够自动 补偿热膨胀,有效克服直管热胀冷缩及热应力带来 的损害[9鄄鄄10] ;而且由于螺旋管的弹性结构,能有效消 除 MH 材料膨胀/ 收缩对管体带来的挤压,改善微管 束因受挤压而变形的现象. 由于椭圆螺旋管在壳体 中排列紧凑,能很好的克服流体诱导振动,提高了操 作可靠性,同时减缓了反应器的老化. 螺旋椭圆结 构能增大管内换热流体的湍动程度,在增强流体扰 动的同时降低管内侧层流传热膜,实现在低雷诺数 (Re) 下 获 得 高 传 热 系 数; 此 外, 相 比 于 MTBR, ESMBR增加了换热通道的有效比表面积,提高了微 管束反应器的换热效率. 1 反应器模型建立 1郾 1 几何模型建立 为了改善微管束因受挤压而变形的问题(如图 1 所示),本文设计了如图 2 所示的 ESMBR. 反应器 ·673·
.674· 工程科学学报，第41卷，第5期 外壳为柱形结构，内部微管束为环形排布，微管束之 边界条件： 间间距较小，采用反应器顶部中央开口通氢，在同一 氢气进床层边界假设为绝热，氢气通道无能量 个端口实现吸放氢，将高目数的通氢滤网管(200 交换假设为绝热壁面： 目)从开口处插入反应器中，氢气由氢管壁分布孔 ar 0 =0.ar (7) (开孔率≤25%)通过滤网沿径向水平扩散，以减小 在反应床层中的扩散厚度，使氢快速、均匀的分布在 MH与换热管接触面： 反应器中，在提高反应器稳定性的同时加快反应速 -k部=a(T-n.-0 (8) 度.反应器中，换热流体从椭圆螺旋管一端流入并 从另一端流出，在此过程中流体与管外反应床层进 式中：p为床层有效密度；Ps为MH密度；P为氢气密 行热量交换.反应器侧面开有圆孔，可替换反应器 度；△p为床层有效密度变化量：C为床层有效比定 内填充的MH,实现反应器的可循环使用.该设计已 压热容；Cp为氢气的比定压热容；Cp.s为MH的比 获得国家发明专利授权(ZL.201310189618.2)[). 定压热容；T为床层平均温度；T为反应平衡时的床 层平均温度；t为时间：u.为床层氢气流速：k为导 (b) 热系数：ε为空隙率：Q为换热速率；K为MH床层 渗透率；为氢气的动力黏度；P为氢气压力；P为 反应平衡压力：δ为反应速率常数：X为MH的反应 分率；X。为MH的初始反应分率；X,为MH的终了反 应分率：E为反应活化能：h为换热系数；d为螺旋管 当量直径；入为热导率：Re为雷诺数；为曲率比；R。 为气体常数；P为普朗特常数：r为床层半径.其中 下标：e表示床层的有效状态；P表示氢气压力；eg 表示平衡状态；g表示气体；S表示固体：0表示初始 状态：s表示终了状态 1.3床层网格独立性测试 图2反应器结构.(a)ESMBR结构：(b)微管束3D结构 采用基于有限元法的多物理场耦合计算软件 Fig.2 Structure of reactor:(a)structure of ESMBR;(b)3D struc- C0MS0L3.5a进行数值模拟仿真，所有独立变量 ture of mini-tube bundle 的相对误差和绝对误差分别小于10-3和10-4时收 1.2数学模型建立 敛.本文采用8552、9661、18731、56330和103471 MH床层反应过程能量方程6,2-)： 的网格单元数进行独立运算，运算结果如图3所 示.从图中可以看出，网格单元数为8552、9661、 ((p( 18731时，运算偏差较大.而当分割网格单元数为 (k)+(1-e)0竖 56330或更多时，模型运行2000s计算出的床层平 (1) 均温度曲线几乎重合.此现象可充分证实“56330 (pCp).=PsCp.s+(1-8)CP. (2) 个”网格分割单元数作为反应器数学模型的网格 340 根据达西定理，气相的动量守恒方程： 单元格数 u.=-KVp (3) 330 -■-8552 g ·-9661 -+18731 气-固相质量守恒方程[13-16： 320 ▣-56330 -*-103471 e+T·(p,u,)=-p(1-8)Q (4) dt MH反应床层动力学方程3-5)： 300 普-±： -E P (Xo-x.)exp (R.T (5) 79 500 1000 1500 2000 换热管传热系数计算式)： 时间，ts 兴-0s(02“m: 图3网格独立性测试曲线 (6) Fig.3 A grid independence test curve
工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 外壳为柱形结构,内部微管束为环形排布,微管束之 间间距较小,采用反应器顶部中央开口通氢,在同一 个端口实现吸放氢,将高目数的通氢滤网管(200 目)从开口处插入反应器中,氢气由氢管壁分布孔 (开孔率臆25% )通过滤网沿径向水平扩散,以减小 在反应床层中的扩散厚度,使氢快速、均匀的分布在 反应器中,在提高反应器稳定性的同时加快反应速 度. 反应器中,换热流体从椭圆螺旋管一端流入并 从另一端流出,在此过程中流体与管外反应床层进 行热量交换. 反应器侧面开有圆孔,可替换反应器 内填充的 MH,实现反应器的可循环使用. 该设计已 获得国家发明专利授权(ZL. 201310189618. 2) [11] . 图 2 反应器结构. (a) ESMBR 结构;(b) 微管束 3D 结构 Fig. 2 Structure of reactor: (a) structure of ESMBR; (b) 3D struc鄄 ture of mini鄄tube bundle 1郾 2 数学模型建立 MH 床层反应过程能量方程[6,12鄄鄄15] : ((籽CP ) T e ) 鄣T 鄣t + 驻 ·(籽CP,gugT) = 驻 ·(keq 驻 T) + (1 - 着)Q dX dt (1) (籽CP )e = 着籽SCP,S + (1 - 着)CP,g (2) 根据达西定理,气相的动量守恒方程: ug = - K 滋g 驻 P (3) 气鄄鄄固相质量守恒方程[13鄄鄄16] : 鄣籽g 鄣t 着 + 驻 ·(籽gug) = - 驻籽(1 - 着)Q dX dt (4) MH 反应床层动力学方程[13鄄鄄15] : dX dt = 依 啄 (P - Peq ) Peq (X - Xs) (X0 - Xs) exp ( - Ea Rg ) T (5) 换热管传热系数计算式[17] : hd 姿 = 0郾 0266 ( Re 0郾 85 j 0郾 15 + 0郾 225j ) 1郾 55 Pr 0郾 4 (6) 边界条件: 氢气进床层边界假设为绝热,氢气通道无能量 交换假设为绝热壁面: 鄣T 鄣r = 0, 鄣Tr 鄣r = 0 (7) MH 与换热管接触面: - keq 鄣T 鄣r = h(Teq - T), 鄣P 鄣r = 0 (8) 式中:籽 为床层有效密度;籽S为 MH 密度;籽g为氢气密 度;驻籽 为床层有效密度变化量;CP为床层有效比定 压热容;CP,g为氢气的比定压热容;CP,S为 MH 的比 定压热容;T 为床层平均温度;Teq为反应平衡时的床 层平均温度;t 为时间;ug为床层氢气流速;keq为导 热系数;着 为空隙率;Q 为换热速率;K 为 MH 床层 渗透率;滋g为氢气的动力黏度;P 为氢气压力;Peq为 反应平衡压力;啄 为反应速率常数;X 为 MH 的反应 分率;X0为 MH 的初始反应分率;Xs为 MH 的终了反 应分率;Ea为反应活化能;h 为换热系数;d 为螺旋管 当量直径;姿 为热导率;Re 为雷诺数;j 为曲率比;Rg 为气体常数;Pr 为普朗特常数;r 为床层半径. 其中 下标:e 表示床层的有效状态;P 表示氢气压力;eq 表示平衡状态;g 表示气体;S 表示固体;0 表示初始 状态;s 表示终了状态. 图 3 网格独立性测试曲线 Fig. 3 A grid independence test curve 1郾 3 床层网格独立性测试 采用基于有限元法的多物理场耦合计算软件 COMSOL 3郾 5a 进行数值模拟仿真,所有独立变量 的相对误差和绝对误差分别小于 10 - 3和 10 - 4时收 敛. 本文采用 8552、9661、18731、56330 和 103471 的网格单元数进行独立运算,运算结果如图 3 所 示. 从图中可以看出,网格单元数为 8552、9661、 18731 时,运算偏差较大. 而当分割网格单元数为 56330 或更多时,模型运行 2000 s 计算出的床层平 均温度曲线几乎重合. 此现象可充分证实“56330 个冶网格分割单元数作为反应器数学模型的网格 ·674·
李珊珊等：椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 ·675. 划分基准可以保证金属氢化物反应器模型计算的 2模拟结果与分析 网络无关性 1.4模型有效性验证 2.1三种反应器对比 本文选用LaNi,储氢合金为原材料进行实验研 当温度和供氢压力分别为293.15K和0.8MPa 究，采用定容法对LaNi,合金进行了吸氢动力学实验 时，考虑到对称性，对直管微管束反应器(mini-tube 测试，同时利用式(1)~式(8)对反应过程进行了模 bundle reactor,MTBR)、圆形螺旋微管束反应器(spi- 拟.本文实验研究中以水作为换热流体，不同供氢 ral mini-tube bundle reactor,简称SMBR)和新型椭圆 压力下的实验和模拟结果如图4所示.从图中可以 螺旋微管束反应器(elliptical spiral mini-tube bundle 看出，实验数据和模拟数据非常一致，模拟结果能较 reactor,ESMBR)三种反应器的1/4几何区域进行了 准确的体现实验值，故该模型可在后期的模拟过程 模拟分析对比，吸氢模拟结果如图5、图6、图7 中使用 所示. 340 1.0 1.0 ·-ESMBR(X 0.8 ·-ESMBR(T) 330 0.8 -SMBR( 模拟值.1.2MPa -模拟值.0.8MPa 0.6 -SMBR(T) 320 0.6 MTBR(X) 实验值，1.2MPa MTBR(7) 实验值.0.8MPa 区0.4 310 0.2 300 02 00 1000 1500 2007290 100 200 300 400 500 600 时间，s 时间，s 图5换热管体积相同时MTBR,SMBR和ESMBR吸氢过程曲线 图4模型方程验证 Fig.5 Hydrogen absorption process of MTBR,SMBR,and ESMBR Fig.4 Model equation verification with the same volume of heat exchange tubes SMBR ESMBR T/K 335 509 320 500 35 310 305 300 1750g 295 图6换热管体积相同时MTBR,SMBR和ESMBR吸氢过程不同时刻床层平均温度 Fig.6 Bed temperature at different times during hydrogen absorption process of MTBR,SMBR,and ESMBR with the same volume of heat exchange tubes 图5展示了换热管体积相同的情况下三种反应 温。整体来看，换热管附近床层平均温度下降最快， 器对吸氢过程的影响.从温度曲线可以看出ESMBR 且ESMBR床层低温区域最大.50s时ESMBR和 的床层平均温度小于SMBR和MTBR,在18O0s时 SMBR换热管附近床层平均温度已降低到320K, 已经低于300K,并且在2000s时达到295K,而 MTBR床层平均温度仍在330K以上.500s时， SMBR和MTBR的床层平均温度降低到3OOK所需 ESMBR床层低温区域明显增加，到1750s时大部分 时间分别为1900s和1950s.图6为吸氢过程不同 床层都回到了初始温度：而SMBR和MTBR床层平 时刻床层平均温度分布，红色代表高温，蓝色代表低 均温度降低速度明显较慢，特别是MTBR在1750s
李珊珊等: 椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 划分基准可以保证金属氢化物反应器模型计算的 网络无关性. 1郾 4 模型有效性验证 本文选用 LaNi 5储氢合金为原材料进行实验研 究,采用定容法对 LaNi 5合金进行了吸氢动力学实验 测试,同时利用式(1) ~ 式(8)对反应过程进行了模 拟. 本文实验研究中以水作为换热流体,不同供氢 压力下的实验和模拟结果如图 4 所示. 从图中可以 看出,实验数据和模拟数据非常一致,模拟结果能较 准确的体现实验值,故该模型可在后期的模拟过程 中使用. 图 4 模型方程验证 Fig. 4 Model equation verification 2 模拟结果与分析 2郾 1 三种反应器对比 当温度和供氢压力分别为 293郾 15 K 和 0郾 8 MPa 时,考虑到对称性,对直管微管束反应器(mini鄄tube bundle reactor,MTBR)、圆形螺旋微管束反应器(spi鄄 ral mini鄄tube bundle reactor,简称 SMBR)和新型椭圆 螺旋微管束反应器( elliptical spiral mini鄄tube bundle reactor,ESMBR)三种反应器的 1 / 4 几何区域进行了 模拟分析对比, 吸氢模拟结果如图 5、 图 6、 图 7 所示. 图 5 换热管体积相同时 MTBR、SMBR 和 ESMBR 吸氢过程曲线 Fig. 5 Hydrogen absorption process of MTBR, SMBR, and ESMBR with the same volume of heat exchange tubes 图 6 换热管体积相同时 MTBR、SMBR 和 ESMBR 吸氢过程不同时刻床层平均温度 Fig. 6 Bed temperature at different times during hydrogen absorption process of MTBR, SMBR, and ESMBR with the same volume of heat exchange tubes 图 5 展示了换热管体积相同的情况下三种反应 器对吸氢过程的影响. 从温度曲线可以看出ESMBR 的床层平均温度小于 SMBR 和 MTBR,在 1800 s 时 已经低于 300 K,并且在 2000 s 时达到 295 K,而 SMBR 和 MTBR 的床层平均温度降低到 300 K 所需 时间分别为 1900 s 和 1950 s. 图 6 为吸氢过程不同 时刻床层平均温度分布,红色代表高温,蓝色代表低 温. 整体来看,换热管附近床层平均温度下降最快, 且 ESMBR 床层低温区域最大. 50 s 时 ESMBR 和 SMBR 换热管附近床层平均温度已降低到 320 K, MTBR 床层平均温度仍在 330 K 以上. 500 s 时, ESMBR床层低温区域明显增加,到 1750 s 时大部分 床层都回到了初始温度;而 SMBR 和 MTBR 床层平 均温度降低速度明显较慢,特别是 MTBR 在 1750 s ·675·
.676· 工程科学学报，第41卷，第5期 340 1.0 ·-ESMBR(X) 0.8 ·ESMBR(T) 330 -SMBRC 0.6 -SMBR(T) 320 MTBR(X MTBR(T) 310 0.2 300 0 500 1000 1500 200790 时间，s 图7换热面积相同时MTBR,SMBR和ESMBR吸氢过程曲线 图8椭圆螺旋管结构 Fig.7 Hydrogen absorption process of MTBR,SMBR,and ESMBR Fig.8 Spiral pipe structure with the same area of heat exchange tubes L.=VmD.)2+P吧.150 Pt (9) 时近1/3的床层平均温度高达320K.这是由于反 应器换热管的表面积大小会直接影响床层平均温 螺旋管体积： 度，换热面积增大，能加快吸氢过程中热量的移除 V=-(0,)+业 (10) Pt 4 三种反应器换热管体积相同时，换热管表面积大小 螺旋管表面积： 为S:SMRR>SMBR>SMBR,因此ESMBR具有较好的传 热性能。 S=L.·(TB+2(A-B))= 图7为换热管表面积相同的情况下三种反应器 VD,)广+m.0-(B+2(A-B)() 对吸氢过程的影响.从图中可以看出，当反应器的 ESMBR是一个多参数模型，数值模拟可能对螺 换热管表面积相同时，ESMBR同样表现出了良好的 旋管的特定结构参数更为敏感.由式(9)~(11)可 传热能力，即床层平均温度小于SMBR和MTBR. 知，螺旋管体积和表面积随D。、A、B增加而增大，随 由于吸氢是放热过程，吸收氢气的同时向反应床层 P1的增加而减小，不随α变化.以螺旋管结构参数 放出热量，床层平均温度及时移除可以加快反应速 D.=10mm、Pt=6mm、A=4mm、B=2mm、a=45°为 度.ESMBR传热性能最好，因而床层的吸氢速度 基准，分别对结构参数值变化率-40%~+40%的 最快 范围进行了数值模拟和讨论.将ESMBR在吸氢过 2.2椭圆螺旋管参数敏感性分析 程中反应分率从0.1~0.9所用的时间和1000s时 研究发现，改变反应器结构能提高反应速率，减 床层平均温度作为评估上述影响因素的函数，基于 少反应时间，并强化传热，使反应器床层及时移出/ 螺旋管的单因素敏感性分析的模拟结果如图9所 获取能量].本文选取反应器的1/4作为研究对 示，每个五边形所对应的螺旋管参数值变化率列于 象，模拟结果将为椭圆螺旋微管束反应器的结构优 表1中. 化设计提供指导9].基本参数：管数4，环形排布： 由图9知，该螺旋管结构参数的作用效力顺序 吸氢时，水温T。=293.15K;H2压力P=0.8MPa; 为D.>A>B>Pt>a,即：主直径D.的变化对椭圆 LaNi,储氢合金填充率为70%.由于吸氢是强放热 螺旋管的换热效果影响最大，螺旋角度α变化时对 反应，因此床层的反应热必须尽快移走.本工作，主 椭圆螺旋管的换热效果的影响最小.D。、A、B、P1的 要集中在对吸氢过程换热结构的优化，重点是提高 变化对换热效果的影响相对于α更敏感，是因为 传热效率和反应速率.椭圆螺旋管的结构参数是影 D。、A、B、Pt不仅影响椭圆螺旋管的结构，还改变了 响热效应的关键因素，主要由椭圆截面长轴(A)、椭 换热管的换热面积，表2为椭圆螺旋管参数值变化 圆截面短轴(B)、主直径(D)、节距(Pt)、螺旋角度 率为实验D时换热面积的变化率.从换热面积的变 (:椭圆截面长轴A与xoy平面法线的夹角)构成， 化率和结构参数的作用效力顺序对比来看，D。、A、 如图8所示.反应器的外部结构是直径50mm,长 B、α改变引起的换热面积变化同其作用效力顺序一 150mm的圆柱. 致，而Pt在减小20%时换热面积增加最多，作用效 螺旋管长度： 力却不是最高，因此换热面积的变化不是影响椭圆
工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 图 7 换热面积相同时 MTBR、SMBR 和 ESMBR 吸氢过程曲线 Fig. 7 Hydrogen absorption process of MTBR, SMBR, and ESMBR with the same area of heat exchange tubes 时近 1 / 3 的床层平均温度高达 320 K. 这是由于反 应器换热管的表面积大小会直接影响床层平均温 度,换热面积增大,能加快吸氢过程中热量的移除. 三种反应器换热管体积相同时,换热管表面积大小 为 SESMBR > SSMBR > SMTBR,因此 ESMBR 具有较好的传 热性能. 图 7 为换热管表面积相同的情况下三种反应器 对吸氢过程的影响. 从图中可以看出,当反应器的 换热管表面积相同时,ESMBR 同样表现出了良好的 传热能力,即床层平均温度小于 SMBR 和 MTBR. 由于吸氢是放热过程,吸收氢气的同时向反应床层 放出热量,床层平均温度及时移除可以加快反应速 度. ESMBR 传热性能最好,因而床层的吸氢速度 最快. 2郾 2 椭圆螺旋管参数敏感性分析 研究发现,改变反应器结构能提高反应速率,减 少反应时间,并强化传热,使反应器床层及时移出/ 获取能量[18] . 本文选取反应器的 1 / 4 作为研究对 象,模拟结果将为椭圆螺旋微管束反应器的结构优 化设计提供指导[19] . 基本参数:管数 4,环形排布; 吸氢时,水温 T0 = 293郾 15 K;H2 压力 P = 0郾 8 MPa; LaNi 5储氢合金填充率为 70% . 由于吸氢是强放热 反应,因此床层的反应热必须尽快移走. 本工作,主 要集中在对吸氢过程换热结构的优化,重点是提高 传热效率和反应速率. 椭圆螺旋管的结构参数是影 响热效应的关键因素,主要由椭圆截面长轴(A)、椭 圆截面短轴(B)、主直径(Dc)、节距(Pt)、螺旋角度 (琢:椭圆截面长轴 A 与 xoy 平面法线的夹角)构成, 如图 8 所示. 反应器的外部结构是直径 50 mm,长 150 mm 的圆柱. 螺旋管长度: 图 8 椭圆螺旋管结构 Fig. 8 Spiral pipe structure Lc = (仔Dc) 2 + Pt 2· 150 Pt (9) 螺旋管体积: V = Lc· 仔AB 4 = (仔Dc) 2 + Pt 2· 150 Pt · 仔AB 4 (10) 螺旋管表面积: S = Lc·(仔B + 2(A - B)) = (仔Dc) 2 + Pt 2· 150 Pt ·(仔B + 2(A - B)) (11) ESMBR 是一个多参数模型,数值模拟可能对螺 旋管的特定结构参数更为敏感. 由式(9) ~ (11)可 知,螺旋管体积和表面积随 Dc、A、B 增加而增大,随 Pt 的增加而减小,不随 琢 变化. 以螺旋管结构参数 Dc = 10 mm、Pt = 6 mm、A = 4 mm、B = 2 mm、琢 = 45毅为 基准,分别对结构参数值变化率 - 40% ~ + 40% 的 范围进行了数值模拟和讨论. 将 ESMBR 在吸氢过 程中反应分率从 0郾 1 ~ 0郾 9 所用的时间和 1000 s 时 床层平均温度作为评估上述影响因素的函数,基于 螺旋管的单因素敏感性分析的模拟结果如图 9 所 示,每个五边形所对应的螺旋管参数值变化率列于 表 1 中. 由图 9 知,该螺旋管结构参数的作用效力顺序 为 Dc > A > B > Pt > 琢,即:主直径 Dc的变化对椭圆 螺旋管的换热效果影响最大,螺旋角度 琢 变化时对 椭圆螺旋管的换热效果的影响最小. Dc、A、B、Pt 的 变化对换热效果的影响相对于 琢 更敏感,是因为 Dc、A、B、Pt 不仅影响椭圆螺旋管的结构,还改变了 换热管的换热面积,表 2 为椭圆螺旋管参数值变化 率为实验 D 时换热面积的变化率. 从换热面积的变 化率和结构参数的作用效力顺序对比来看,Dc、A、 B、琢 改变引起的换热面积变化同其作用效力顺序一 致,而 Pt 在减小 20% 时换热面积增加最多,作用效 力却不是最高,因此换热面积的变化不是影响椭圆 ·676·