Experimental and numerical investigations of effect of a heat pipe in the metal hydride tank for the hydriding process

Abstract

Enerji taleplerindeki hızlı artış ve fosil yakıtların tükeniyor olması enerji depolama tekniklerine ve metotlarının geliştirilmesi ihtiyacını yaratmıştır. Hidrojen yakın gelecekte fosil yakıtlara uygun bir alternatif sağlaması beklendiğinden, önemli fırsatlar sağlayacak ve depolanabildiği için güvenilir bir enerji kaynağı olma potansiyeline sahiptir. Hidrojenin depolanması için çeşitli yöntemler denenmiştir; bunlarla birlikte, yaygın olarak sıkıştırılmış gaz veya düşük sıcaklıklarda sıvı olarak ta depolanabilmektedir. Hidrojen fiziksel olarak karbon nano tüplerde depolanabilirken, kimyasal olarak, metal hidrür (MH) malzemeler kullanılarak katı form içinde depolanabilir. Araştırmacılar, tüm hidrojen depolama seçeneklerinde, uygun çalışma koşullarına, maksimum depolama kapasitesine ve düşük basınçlı çalışmalara izin vermesinden dolayı hidrür formunun en iyi ve en etkili depolama yöntemi olduğu konusunda hemfikirler. MH yatağındaki ısı transferi, metal hidrür tanklarının (MHT) performansını önemli ölçüde etkiler. Reaksiyon yatağı içindeki ısı transferinin artması hidrürleme hızını da arttırmaktadır. Bu tez çalışmasında, LaNi5 depolama ortamında, üç farklı metal hidrür tank (MHT) konfigürasyonu kullanılarak, I) doğal taşınım yoluyla soğutulmuş tank, II) merkez ekseni boyunca yerleştirilmiş bir ısı borulu hidrür tank ve III) kanatçıklı ısı borulu hidrür tanklar şarj süresi ve depolama kapasitesi bakımından performansın analizleri yapılmıştır. Çalışmada MHT içerisinde ısı transferini için, ısı borusu ve kanatçıklı ısı borusu kullanımının hidrojen depolama kapasitesine etkisini belirmek için; deneysel (5-15 bar şarj basıncı) ve teorik analizleri (5-35 şarj basıncı) içermektedir. Çalışma belirli çalışma koşullarına (hidrojen giriş basıncı, çevre sıcaklığı, taşınım ısı transfer katsayısı) ve tank tasarım parametreleri (kanatçıklar, ısı borusu, tank duvarı kalınlığı ve tank giriş yarıçapı) ve MH parçacık büyüklüğü gibi parametreleri inceleyen absorpsiyon deneylerini içermektedir. Hidrojen depolama sistemi bazı tasarım parametrelerinden dolayı büyük ölçekli yaklaşımları anlamak için, hidrojen absorpsiyonunu simüle eden üç boyutlu metal hidrür reaktör modeli COMSOL Multi-physics yazılım 5.2a'yı kullanılarak analiz edilmiştir. Sonuçlar hidrojenin şarj basıncı arttıkça ekzotermik reaksiyonun da arttığı; bu nedenle depolama miktarının da arttığını göstermiştir. Ayrıca hidrür reaktörde kanatçıklı ısı borusu kullanımı, depolama performansını arttırmak için iyi bir seçenek olduğunu ve şarj süresini önemli oranda etkilediğini göstermiştir. Örneğin 10 bar basınçta, şarj süresinin yaklaşık %75 azaldığı, ısı borusu olmayan reaktöre kıyasla kanatçıksız ısı borusu kullanıldığında ise %60 azaldığı görülmüştür. Parametreleri analiz etmek için nadir bulunan alaşım LaNi5 hidrür yatak kullanılarak; depolanan hidrojen kütlesi, tankın iç sıcaklık dağılımı ve şarj süresi gibi parametreler optimize edilmiş ve model, deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, simülasyon ve deneysel sonuçların birbiriyle uyum içinde olduğunu göstermiş ve modelin MHT tasarımlarının ve performansının, farklı parametrelere bağlı olarak optimizasyonunda kullanılabileceğini göstermiştir.

The excessive energy demands and depleting fossil fuels created the need to develop energy storing techniques and methodologies. Hydrogen provides an opportunity because in the future, it is expected to become a reasonable alternative to fossil fuels. Hydrogen has the potential to become a reliable energy resource because it can be stored. Several methodologies have been tried to store hydrogen; however, it can be stored as a compressed gas or as a liquid at low temperature. Physically, hydrogen storage is possible in carbon nano-tubes. Chemically, hydrogen could be stored in the solid form using metal hydride (MH) materials. Experts agree that among all the hydrogen storage options, the hydride form is the best and the most effective storage method because it allows appropriate operational conditions, maximum storage capacity, and low pressure operations. Heat transfer in MH bed significantly affects the performance of metal hydride tanks (MHTs). Enhancing heat transfer within the reaction bed improves the hydriding rate. The current thesis analyzes the performance of three different cylindrical MHT configurations in terms of time and storage capacity applying the LaNi5 storage media; I) a tank cooled using the natural convection process, II) a tank equipped with a heat pipe along its central axis, and III) tanks equipped with finned heat pipe. This research examined hydrogen storage capacity theoretically as well as experimentally for demonstrating the impact of using a heat pipe and fins for enhancing heat transfer in MHTs at varying hydrogen supply pressures (experimentally 5-15 bars, and numerically 5-35 bars). The mentioned investigation includes a hydrogen absorption test that has certain operating conditions (inlet pressure of hydrogen, coolant surrounding temperature, heat transfer coefficient (convective)), and tank design parameters (fins, heat pipe, vessel wall thickness, and inlet vessel radius), and MH particle size. The hydrogen storage system has certain design parameters; so, we applied COMSOL Multi-physics software 5.2a to understand the large-scale approaches. The results showed that as the hydrogen charge pressure increases, exothermic reaction increases as well; therefore, it increases the mass of hydrogen. Finned heat pipe showed a significant effect on hydrogen charging time. Consequently, the usage of heat pipe with fins could be a good choice to increase hydrogen storage reactor performance. It was noticed that the charging time decreased almost 75% at gas pressure 10 bars, whereas 60% reduced when a simple heat pipe was used in comparison with the reactor without any heat pipe. A model of 3D metal hydride storage was practically used that could simulate absorption of hydrogen. A metal hydride of the rare alloy LaNi5 was used to analyze parameters. Parameters such as hydrogen mass to be stored, internal temperature distribution of the tank, and their duration have been optimized. The model has been validated with experimental result. The obtained results show that the simulation and experimental results reasonably match, which proves that the model has efficiently captured the key experimental trends. Therefore, the model can be used as a helpful tool in the optimization of the MHT designs and performance.