椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价

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·

李珊珊等：椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 ·677. 330K b 2000 320 150 一实验A -实验A 一实验B 一实验B ·一实验C ·一实验C ◆一实验D 一实验D 一实验E 一实验E 9 B Pt 图9椭圆螺旋管结构参数敏感性分析.(a)吸氢过程1000s时床层平均温度：(b)吸氢过程反应分率从0.1~0.9所需时间 Fig.9 Sensitivity analysis of elliptical spiral tube structure parameters:(a)the average temperature of the bed during the hydrogen absorption process at 1000s;(b)time required for reaction fraction from0.I to0.9 during hydrogen absorption process 表1椭圆螺旋管结构参数值变化率 层温度(T0)分布如图11所示.由图10和11可 Table 1 Change rate of elliptical spiral tube structure parameter values 知，椭圆螺旋管参数值变化率为实验D时，椭圆螺 参数值变化率/% 编号 旋管占据床层径向面积和床层内的低温区域体积大 D Pt A B 小顺序均为D.>A>B>P.由于D.增加20%时，床 实验A -40 40 -40 -40 -40 层平均温度降低最快，因而反应分率从0.1升至 实验B -20 20 -20 -20 -20 0.9所需时间最短. 实验C 0 0 0 0 0 实验D 不同螺旋角度α的双椭圆螺旋管如图12所示， 20 -20 20 20 20 实验E 40 -40 40 40 40 α的改变对换热效果的影响较小，但是其影响仍然 不可忽略.从图9可以看出，随着α的增大，金属氢 表2椭圆螺旋管参数值变化率为实验D时换热面积的变化率 化物床层平均温度越低，反应越快.这是由于随着 Table 2 Change rate of the heat transfer area with test D α的增加，换热管在床层径向所占面积区域增大. 参数 参数值变化率/% 换热面积变化率/% 但是由于换热面积没有增加，因此对换热效果的影 De 20 19.35 响较小 Pt -20 24.21 A 20 15.56 综上可知，对于特定换热体积或换热面积的椭 B 20 4.44 圆螺旋换热管，可以根据参数敏感性分析确定D。、 20 0 A、B、Pt的取值，并在反应器内部空间允许的情况 下，使螺旋角度α的值达到最大 螺旋管换热效果的主要因素 对于结构参数D。、A、B、Pt,根据椭圆螺旋管的 3性能综合评价 结构，可以得出：D改变影响椭圆螺旋管在床层内 的径向分布，P1改变影响椭圆螺旋管在床层内的轴 3.1评价模型 向分布，而A、B改变既影响其径向分布又影响轴向 研究反应器的综合性能，需全方位考虑设备投 分布.椭圆螺旋管参数值变化率为实验D时，不同 资、操作费用、质量储氢密度（最大储氢量）、循环时 参数改变导致螺旋管在床层内的径向分布如图10 间、使用寿命、调控性能、工业应用潜力、传热系数和 所示，不同的螺旋管参数变化使得在吸氢500s时床 MH填充量等多重因素，并且存在各种因素间相互作 图10D。,A,B,P改变时椭圆螺旋管在床层内的分布 Fig.10 Distribution of elliptical spiral tube in bed with changes of D.,A,B,and Pt

李珊珊等: 椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 图 9 椭圆螺旋管结构参数敏感性分析. (a) 吸氢过程 1000 s 时床层平均温度; (b) 吸氢过程反应分率从 0郾 1 ~ 0郾 9 所需时间 Fig. 9 Sensitivity analysis of elliptical spiral tube structure parameters: ( a) the average temperature of the bed during the hydrogen absorption process at 1000 s; (b) time required for reaction fraction from 0郾 1 to 0郾 9 during hydrogen absorption process 表 1 椭圆螺旋管结构参数值变化率 Table 1 Change rate of elliptical spiral tube structure parameter values 编号 参数值变化率/ % Dc Pt A B 琢 实验 A - 40 40 - 40 - 40 - 40 实验 B - 20 20 - 20 - 20 - 20 实验 C 0 0 0 0 0 实验 D 20 - 20 20 20 20 实验 E 40 - 40 40 40 40 表 2 椭圆螺旋管参数值变化率为实验 D 时换热面积的变化率 Table 2 Change rate of the heat transfer area with test D 参数 参数值变化率/ % 换热面积变化率/ % Dc 20 19郾 35 Pt - 20 24郾 21 A 20 15郾 56 B 20 4郾 44 琢 20 0 图 10 Dc,A,B,Pt 改变时椭圆螺旋管在床层内的分布 Fig. 10 Distribution of elliptical spiral tube in bed with changes of Dc, A, B, and Pt 螺旋管换热效果的主要因素. 对于结构参数 Dc、A、B、Pt,根据椭圆螺旋管的 结构,可以得出:Dc改变影响椭圆螺旋管在床层内 的径向分布,Pt 改变影响椭圆螺旋管在床层内的轴 向分布,而 A、B 改变既影响其径向分布又影响轴向 分布. 椭圆螺旋管参数值变化率为实验 D 时, 不同 参数改变导致螺旋管在床层内的径向分布如图 10 所示,不同的螺旋管参数变化使得在吸氢 500 s 时床 层温度( T500 ) 分布如图 11 所示. 由图 10 和 11 可 知,椭圆螺旋管参数值变化率为实验 D 时,椭圆螺 旋管占据床层径向面积和床层内的低温区域体积大 小顺序均为 Dc > A > B > Pt. 由于 Dc增加 20% 时,床 层平均温度降低最快,因而反应分率从 0郾 1 升至 0郾 9 所需时间最短. 不同螺旋角度 琢 的双椭圆螺旋管如图 12 所示, 琢 的改变对换热效果的影响较小,但是其影响仍然 不可忽略. 从图 9 可以看出,随着 琢 的增大,金属氢 化物床层平均温度越低,反应越快. 这是由于随着 琢 的增加,换热管在床层径向所占面积区域增大. 但是由于换热面积没有增加,因此对换热效果的影 响较小. 综上可知,对于特定换热体积或换热面积的椭 圆螺旋换热管,可以根据参数敏感性分析确定 Dc、 A、B、Pt 的取值,并在反应器内部空间允许的情况 下,使螺旋角度 琢 的值达到最大. 3 性能综合评价 3郾 1 评价模型 研究反应器的综合性能,需全方位考虑设备投 资、操作费用、质量储氢密度(最大储氢量)、循环时 间、使用寿命、调控性能、工业应用潜力、传热系数和 MH 填充量等多重因素,并且存在各种因素间相互作 ·677·

.678· 工程科学学报，第41卷，第5期 0⑥ 335 330 325 320 315 310 305 图11D。,A,B,P相同变化率时床层温度分布 Fig.11 Distribution of bed temperature with same rate of changes of D,A.B.and Pt =30 ar=60° a=90° 图12不同螺旋角度α的椭圆螺旋管 Fig.12 Elliptical spiral tube with different spiral angles 用.本文选用多目标决策分析对设计方案进行评价， 标，对现有方案进行重点改进及优化.反应器的尺寸 将各种不同的或具有矛盾性的因素转化为统一的目 和换热管的体积均以ESMBR为基准，如表3所示. 表3 ESMBR的尺寸 Table 3 Size of ESMBR 换热管尺寸/mm 外壳长度/mm 外壳直径/mm 氢管直径/mm 换热管数 a/() Pt De A B 150 50 6 6 5 2 1 90 选取六种不同反应器，以管内装填1 kg LaNi,合 值取向模型(multi--element valued model)[2o]对反应 金粉进行反应的MHR作为计算基准，应用多元价 器进行综合评估，选择六项MHR主要指标进行分

工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 图 11 Dc,A,B,Pt 相同变化率时床层温度分布 Fig. 11 Distribution of bed temperature with same rate of changes of Dc, A, B, and Pt 图 12 不同螺旋角度 琢 的椭圆螺旋管 Fig. 12 Elliptical spiral tube with different spiral angles 用. 本文选用多目标决策分析对设计方案进行评价, 将各种不同的或具有矛盾性的因素转化为统一的目 标,对现有方案进行重点改进及优化. 反应器的尺寸 和换热管的体积均以 ESMBR 为基准,如表 3 所示. 表 3 ESMBR 的尺寸 Table 3 Size of ESMBR 外壳长度/ mm 外壳直径/ mm 氢管直径/ mm 换热管数 换热管尺寸/ mm Pt Dc A B 琢/ (毅) 150 50 6 4 6 5 2 1 90 选取六种不同反应器,以管内装填 1 kg LaNi 5合 金粉进行反应的 MHR 作为计算基准,应用多元价 值取向模型(multi鄄element valued model) [20] 对反应 器进行综合评估,选择六项 MHR 主要指标进行分 ·678·

李珊珊等：椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 ·679. 析.被评价方案的集合G={G1,G2,G3,G4,G5,G6}, 根据汪应洛对层次分析法(AHP)的表述[2) 其中：G,:TR型系统方案；G2:DR型系统方案；G3: Saaty等提出的两两因素对比方法可以用来解决多 AR型系统方案；Ga:MTBR型系统方案；G:SMBR 元素指标集中的n个元素对评价结果影响程度不同 型系统方案；G6:ESMBR型系统方案.六项主要评 的问题.本文取P:和P两个因素指标对评价结果 价指标为： 影响大小进行对比，结果记为c,利用数字1~9及 P1:初投资成本（人民币，元），反映基于相同寿 其倒数作为标度，确定两两因素相比判断值∫(P:), 命周期的一次性投资费用； 表5所示.依此记录所有的对比结果并用矩阵表示 P1=设备投资+合金初装费+初投资费用 为C,其中，c=1/cr (12) P2:操作运行成本（人民币，元），反映基于相同 表5因素指标重要程度的判断值 寿命周期的生产运行费用与设备折旧情况： Table 5 Judgment value of importance degree of factor index P:反应器输出功率(W)； 因素：与乃相比重要程度等级 fe(pi) fe(pi) P3=hS·△T (13) 同等重要 1 1 P4:质量储氢密度，也称最大储氢量（质量分 稍微重要 1 3 数，%)； 明显重要 1 5 P5:动态投资回收周期(a),反映计入利率资金 强烈重要 1 7 时间价值条件下净利润回收投资额的时间，在年利 润相等情况下可按下式计算： 同时，依据工业反应器经济技术评价指标2]】 -受) 可获得基于表5指标集各方案反应器的判断矩阵 P5=-1 C: Ig(1 +i) (14) 1 n 127 P6:安装维修指标，简单方便取1.0，较简便取 1 1 1 2 7 0.7,复杂困难取0.32) 1/21/2 11/2 1 式中：S为螺旋管表面积：△T为温度差：I为总投资 C= 1 1 2 1 2 1 现值；i为银行利率：Y为正常年利润 1/21/2 1 1/2 1 3.2评价结果 1/71/71/41/71/41 以装填1 kg LaNis材料为反应计算基准，反应器 采用不锈钢304材质（市价），LaNi,的物性数据与工 C的最大特征值f为6.0030，特征矩阵阶数n 艺成本计算方法来源于文献[4]和[22]，计算出的 为6，相应地其C1(一致性指标)为： 结果见表4.方案指标值经量纲一化可得矩阵U. C1=_-"=6.0030-6=0.006 n-1 6-1 表4六种反应器的因素指标对比 六阶矩阵的平均随机一致性指标RI=1.24,从 Table 4 Comparison of the indicators of six reactors 方案 而判断矩阵的一致性比例CR=CI/RIZ,>Z4>Z3>Z,>Z2·微管束反应器MTBR、 0.8950.8720.8350.9520.979 1 SMBR、ESMBR的综合优度明显优于其他传统反应 0.6020.6920.2150.6690.835 1 器，而改进结构的ESMBR方案综合优度为0.845， 0.5 0.60.80.40.35 0.3 优于MTBR和SMBR方案.从综合优度的计算结果

李珊珊等: 椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 析. 被评价方案的集合 G = {G1 ,G2 ,G3 ,G4 ,G5 ,G6 }, 其中:G1 :TR 型系统方案;G2 :DR 型系统方案;G3 : AR 型系统方案;G4 :MTBR 型系统方案;G5 :SMBR 型系统方案;G6 :ESMBR 型系统方案. 六项主要评 价指标为: p1 :初投资成本(人民币,元),反映基于相同寿 命周期的一次性投资费用; p1 = 设备投资 + 合金初装费 + 初投资费用 (12) p2 :操作运行成本(人民币,元),反映基于相同 寿命周期的生产运行费用与设备折旧情况; p3 :反应器输出功率(W); p3 = hS·驻T (13) p4 :质量储氢密度,也称最大储氢量( 质量分 数,% ); p5 :动态投资回收周期( a),反映计入利率资金 时间价值条件下净利润回收投资额的时间,在年利 润相等情况下可按下式计算; p5 = - lg (1 - I 伊 i ) Y lg(1 + i) (14) p6 :安装维修指标,简单方便取 1郾 0,较简便取 0郾 7,复杂困难取 0郾 3 [21] . 式中:S 为螺旋管表面积;驻T 为温度差;I 为总投资 现值;i 为银行利率;Y 为正常年利润. 3郾 2 评价结果 以装填 1 kg LaNi 5材料为反应计算基准,反应器 采用不锈钢 304 材质(市价),LaNi 5的物性数据与工 艺成本计算方法来源于文献[4]和[22],计算出的 结果见表 4. 方案指标值经量纲一化可得矩阵 U. 表 4 六种反应器的因素指标对比 Table 4 Comparison of the indicators of six reactors 方案 p1 p2 p3 p4 p5 p6 G1 390郾 0 262郾 5 18郾 259 1郾 320 11郾 057 0郾 5 G2 340郾 0 312郾 0 8郾 420 1郾 286 9郾 624 0郾 6 G3 227郾 0 285郾 7 0郾 343 1郾 215 30郾 921 0郾 8 G4 290郾 0 302郾 0 142郾 977 1郾 385 9郾 945 0郾 4 G5 295郾 9 302郾 6 178郾 990 1郾 425 7郾 973 0郾 35 G6 301郾 9 303郾 2 184郾 532 1郾 455 6郾 656 0郾 3 U = 0郾 582 0郾 668 1 0郾 783 0郾 767 0郾 752 1 0郾 841 0郾 919 0郾 869 0郾 867 0郾 866 0郾 099 0郾 046 0郾 002 0郾 775 0郾 970 1 0郾 895 0郾 872 0郾 835 0郾 952 0郾 979 1 0郾 602 0郾 692 0郾 215 0郾 669 0郾 835 1 é ë ê ê ê ê ê ê ê ê ù û ú ú ú ú ú ú ú ú 0郾 5 0郾 6 0郾 8 0郾 4 0郾 35 0郾 3 根据汪应洛对层次分析法(AHP) 的表述[22] , Saaty 等提出的两两因素对比方法可以用来解决多 元素指标集中的 n 个元素对评价结果影响程度不同 的问题. 本文取 pi 和 pj 两个因素指标对评价结果 影响大小进行对比,结果记为 cij,利用数字 1 ~ 9 及 其倒数作为标度,确定两两因素相比判断值 f pj (pi), 表 5 所示. 依此记录所有的对比结果并用矩阵表示 为 C,其中,cij = 1 / cji . 表 5 因素指标重要程度的判断值 Table 5 Judgment value of importance degree of factor index 因素 pi 与 pj 相比重要程度等级 f pi (pj) f pj (pi) 同等重要 1 1 稍微重要 1 3 明显重要 1 5 强烈重要 1 7 同时,依据工业反应器经济技术评价指标[23] , 可获得基于表 5 指标集各方案反应器的判断矩阵 C: C = 1 1 2 1 2 7 1 1 2 1 2 7 1 / 2 1 / 2 1 1 / 2 1 4 1 1 2 1 2 7 1 / 2 1 / 2 1 1 / 2 1 4 1 / 7 1 / 7 1 / 4 1 / 7 1 / 4 1 C 的最大特征值 fmax为 6郾 0030,特征矩阵阶数 n 为 6,相应地其 CI(一致性指标)为: CI = fmax - n n - 1 = 6郾 0030 - 6 6 - 1 = 0郾 0006 六阶矩阵的平均随机一致性指标 RI = 1郾 24,从 而判断矩阵的一致性比例 CR = CI/ RI Z5 > Z4 > Z3 > Z1 > Z2 . 微管束反应器 MTBR、 SMBR、ESMBR 的综合优度明显优于其他传统反应 器,而改进结构的 ESMBR 方案综合优度为 0郾 845, 优于 MTBR 和 SMBR 方案. 从综合优度的计算结果 ·679·

·680· 工程科学学报，第41卷，第5期 可知，ESMBR满足传热传质的动态性能要求，具有 Unim,2013.27(6):952 良好的工业应用基础与开发推广意义. (张建文，田小花，况春江.套管式微通道反应器内传递-反 应性能研究.高校化学工程学报.2013,27(6)：952) 表6综合优度计算结果 [6]Bao Z W,Wu Z,Nyamsi S N,et al.Three-dimensional modeling Table 6 Comprehensive calculation results and sensitivity analysis of multi-tubular metal hydride reactors.Ap- 方案 反应器类型 Z 结果 pl Therm Eng,2013,52(1):97 G TR 0.704 [7]Meng X Y,Wu Z,Bao Z W,et al.Performance simulation and G2 DR 0.700 experimental confirmation of a mini-channel metal hydrides reac- Ga tor.Int J Hydrogen Energy,2013,38(35):15242 AR 0.755 Z6>Z5>Z4>Z3>Z1>Z2 [8]Ma J C,Wang Y Q,Shi S F,et al.Optimization of heat transfer Ga MTBR 0.799 device and analysis of heat mass transfer on the finned multi-tu- C SMBR 0.831 bular metal hydride tank.Int Hydrogen Energy,2014,39(25): Go ESMBR 0.845 13583 [9]Li W.Wang Q,Yang X J,et al.Manufacturing process of spiral- 4结论 tube heat exchanger with small diameter and large length.Pressure Vessel Technol,2018,35(1):67 (1)通过对几种MHR进行特点分析，提出了具 (李伟，王强，杨笑瑾，等.小直径大长度螺旋管换热器制造 有椭圆螺旋管结构的新型ESMBR,该反应器能有效 工艺.压力容器，2018,35(1)：67) 消除热应力及挤压应力，具有传热效果优良、设备结 [10]Zhao X D.Spiral plate-shell heat exchanger:China Patent, CN201611017725.7.2017-05-31 构紧凑、管内流体湍动程度高、传热速度快、操作方 (赵晓东.螺旋板壳式换热器：中国专利， 便等优点 CN201611017725.7.2017-05-31) (2)通过COMSOL对MTBR、SMBR和ESMBR [11]Wang Y Q,Ma J C,Yang F S,et al.An Elliptical Spiral Micro- 三种微管束反应器进行了数值模拟，分析对比结果 channel Gas-Solid Phase Reactor:China Patent, 表明ESMBR具有优异的传热传质性能.对椭圆螺 CN201310189618.2.201308-14 旋管的优化结果表明，螺旋管结构参数的敏感性顺 (王玉琪，马进成，杨福胜，等.一种椭例螺旋管式微通道 气-固相反应器：中国专利，CN201310189618.2.201808- 序为D.>A>B>Pt>a. 14) (3)采用多元价值取向模型对ESMBR进行了 [12]Li H D,Wang Y Q,He C,et al.Design and performance simu- 系统评价，得出其综合优度为0.845，明显优于TD、 lation of the spiral mini-channel reactor during H2 absorption.Int TR、AR、MTBR和SMBR等其他反应器.ESMBR结 JHydrogen Energ3,2015,40(39):13490 构可以满足MHR的反应传热要求，具有重要的研 [13]Wu Z,Yang F S,Zhu L Y,et al.Improvement in hydrogen de- 究推广前景. sorption performances of magnesium based metal hydride reactor by incorporating helical coil heat exchanger.Int Hydrogen Ener- 参考文献 y,2016,41(36):16108 [14]Singh A,Maiya M P,Murthy SS.Performance of a solid state [1]Wei H J,Li S M,Hou MM,et al.Ru-Ni foam catalyst for hy- hydrogen storage device with finned tube heat exchanger.IntJ drogen generation from hydrolysis of sodium borohydride.JUnin Hydrogen Energy,2017,42(43):26855 Sci Technol Beijing,2010,32(1):96 [15]Ma J C.Yang F S,Wang Y Q,et al.Study on heat and mass (魏浩杰，李山梅，侯森森，等.NBH4水解制氢泡沫镍载钉 transfer symmetry characteristic of metal hydride thermal compres- 催化剂.北京科技大学学报，2010,32(1)：96) sor during absorption/desorption process.Xi'an Jiaotong Univ, [2]Patil S D,Gopal M R.Analysis of a metal hydride reactor for hy- 2013,47(9):119 drogen storage.Int J Hydrogen Energy,2013,38(2):942 (马进成，杨福胜，王玉琪，等。金属氢化物热压缩机吸放氢 [3]Li P,Wang T,Fan L Z,et al.Preparation and performance of 传热传质的对称性研究.西安交通大学学报，2013,47(9)： Mg-4%Ni-1%NiO hydrogen storage materials by eryomilling.J 119) Univ Sci Technol Beijing,2011,33(7):846 [16]Chippar P,Lewis S D,Rai S,et al.Numerical investigation of (李平，王腾，范丽珍，等.低温球磨制备Mg-4%Ni-1%NiO hydrogen absorption in a stackable metal hydride reactor utilizing 储氢材料及其性能.北京科技大学学报，2011,33(7)：846) compartmentalization.Int Hydrogen Energy,2018,43(16): [4]Anevi G.Jansson L,Lewis D.Dynamics of hydride heat pumps. 8007 J Less Common Met,1984,104(2):341 [17]Wu Z,Yang F S,Zhang Z X,et al.Magnesium based metal hy- [5]Zhang J W,Tian X H,Kuang C J.Mass transfer chemical reac- dride reactor incorporating helical coil heat exchanger:Simulation tions in tube-in-tube microchannel reactor.J Chem Eng Chin study and optimal design.Appl Energy,2014,130:712

工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 可知,ESMBR 满足传热传质的动态性能要求,具有 良好的工业应用基础与开发推广意义. 表 6 综合优度计算结果 Table 6 Comprehensive calculation results 方案 反应器类型 Zj 结果 G1 TR 0郾 704 G2 DR 0郾 700 G3 AR 0郾 755 Z6 > Z5 > Z4 > Z3 > Z1 > Z2 G4 MTBR 0郾 799 G5 SMBR 0郾 831 G6 ESMBR 0郾 845 4 结论 (1)通过对几种 MHR 进行特点分析,提出了具 有椭圆螺旋管结构的新型 ESMBR,该反应器能有效 消除热应力及挤压应力,具有传热效果优良、设备结 构紧凑、管内流体湍动程度高、传热速度快、操作方 便等优点. (2)通过 COMSOL 对 MTBR、SMBR 和 ESMBR 三种微管束反应器进行了数值模拟,分析对比结果 表明 ESMBR 具有优异的传热传质性能. 对椭圆螺 旋管的优化结果表明,螺旋管结构参数的敏感性顺 序为 Dc > A > B > Pt > 琢. (3)采用多元价值取向模型对 ESMBR 进行了 系统评价,得出其综合优度为 0郾 845,明显优于 TD、 TR、AR、MTBR 和 SMBR 等其他反应器. ESMBR 结 构可以满足 MHR 的反应传热要求,具有重要的研 究推广前景. 参 考 文 献 [1] Wei H J, Li S M, Hou M M, et al. Ru鄄鄄Ni foam catalyst for hy鄄 drogen generation from hydrolysis of sodium borohydride. J Univ Sci Technol Beijing, 2010, 32(1): 96 (魏浩杰, 李山梅, 侯淼淼, 等. NaBH4 水解制氢泡沫镍载钌 催化剂. 北京科技大学学报, 2010, 32(1): 96) [2] Patil S D, Gopal M R. Analysis of a metal hydride reactor for hy鄄 drogen storage. Int J Hydrogen Energy, 2013, 38(2): 942 [3] Li P, Wang T, Fan L Z, et al. Preparation and performance of Mg鄄鄄4% Ni鄄鄄1% NiO hydrogen storage materials by cryomilling. J Univ Sci Technol Beijing, 2011, 33(7): 846 (李平, 王腾, 范丽珍, 等. 低温球磨制备 Mg鄄鄄4% Ni鄄鄄1% NiO 储氢材料及其性能. 北京科技大学学报, 2011, 33(7): 846) [4] Anevi G, Jansson L, Lewis D. Dynamics of hydride heat pumps. J Less Common Met, 1984, 104(2): 341 [5] Zhang J W, Tian X H, Kuang C J. Mass transfer chemical reac鄄 tions in tube鄄in鄄tube microchannel reactor. J Chem Eng Chin Univ, 2013, 27(6): 952 (张建文, 田小花, 况春江. 套管式微通道反应器内传递鄄鄄 反 应性能研究. 高校化学工程学报, 2013, 27(6): 952) [6] Bao Z W, Wu Z, Nyamsi S N, et al. Three鄄dimensional modeling and sensitivity analysis of multi鄄tubular metal hydride reactors. Ap鄄 pl Therm Eng, 2013, 52(1): 97 [7] Meng X Y, Wu Z, Bao Z W, et al. Performance simulation and experimental confirmation of a mini鄄channel metal hydrides reac鄄 tor. Int J Hydrogen Energy, 2013, 38(35): 15242 [8] Ma J C, Wang Y Q, Shi S F, et al. Optimization of heat transfer device and analysis of heat & mass transfer on the finned multi鄄tu鄄 bular metal hydride tank. Int J Hydrogen Energy, 2014, 39(25): 13583 [9] Li W, Wang Q, Yang X J, et al. Manufacturing process of spiral鄄 tube heat exchanger with small diameter and large length. Pressure Vessel Technol, 2018, 35(1): 67 (李伟, 王强, 杨笑瑾, 等. 小直径大长度螺旋管换热器制造 工艺. 压力容器, 2018, 35(1): 67) [10 ] Zhao X D. Spiral plate鄄shell heat exchanger: China Patent, CN201611017725. 7. 2017鄄05鄄31 ( 赵 晓 东. 螺 旋 板 壳 式 换 热 器: 中 国 专 利, CN201611017725. 7. 2017鄄05鄄31) [11] Wang Y Q, Ma J C, Yang F S, et al. An Elliptical Spiral Micro鄄 channel Gas鄄Solid Phase Reactor: China Patent, CN201310189618. 2. 2013鄄08鄄14 (王玉琪, 马进成, 杨福胜, 等. 一种椭圆螺旋管式微通道 气鄄鄄固相反应器: 中国专利, CN201310189618. 2. 2018鄄08鄄 14) [12] Li H D, Wang Y Q, He C, et al. Design and performance simu鄄 lation of the spiral mini鄄channel reactor during H2 absorption. Int J Hydrogen Energy, 2015, 40(39): 13490 [13] Wu Z, Yang F S, Zhu L Y, et al. Improvement in hydrogen de鄄 sorption performances of magnesium based metal hydride reactor by incorporating helical coil heat exchanger. Int J Hydrogen Ener鄄 gy, 2016, 41(36): 16108 [14] Singh A, Maiya M P, Murthy S S. Performance of a solid state hydrogen storage device with finned tube heat exchanger. Int J Hydrogen Energy, 2017, 42(43): 26855 [15] Ma J C, Yang F S, Wang Y Q, et al. Study on heat and mass transfer symmetry characteristic of metal hydride thermal compres鄄 sor during absorption / desorption process. J Xi蒺an Jiaotong Univ, 2013, 47(9): 119 (马进成, 杨福胜, 王玉琪, 等. 金属氢化物热压缩机吸放氢 传热传质的对称性研究. 西安交通大学学报, 2013, 47(9): 119) [16] Chippar P, Lewis S D, Rai S, et al. Numerical investigation of hydrogen absorption in a stackable metal hydride reactor utilizing compartmentalization. Int J Hydrogen Energy, 2018, 43 (16 ): 8007 [17] Wu Z, Yang F S, Zhang Z X, et al. Magnesium based metal hy鄄 dride reactor incorporating helical coil heat exchanger: Simulation study and optimal design. Appl Energy, 2014, 130: 712 ·680·

李珊珊等：椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 ·681· [18]Bao Z W,Li L,Yuan S Y.Numerical analysis and optimization Chungbuk province.J Eniron Manage,1995,56:119 of metal hydride reactors incorporating helical coils during adsorp [21]Wang Y Q,Yang F S,Zhang Z X,et al.Design and process tion.J Sichuan Univ Eng Sci Ed,2015,47(5):185 simulation of metal hydride reactors.Xian Jiaotong Unir, (鲍泽威，刘亮，袁晟毅.内螺旋管金属氢化物反应器吸氢 2006,40(7):831 过程数值分析及优化.四川大学学报（工程科学版），2015， (王玉琪，杨福胜，张早校，等.金属氢化物反应器的设计与 47(5):185) 过程模拟.西安交通大学学报，2006,40(7)：831) [19]Cao J,Jin B S,Zhong W Q,et al.Numerical simulation of the [22]Wang Y L.Systems Engineering Theory,Methodology and Appli- particle flow characteristic in cross-flow moving bed with inter- cations.Beijing:Higher Education Press,1998 nals.J Mech Eng,2013,49(10):144 (汪应洛.系统工程理论、方法与应用.北京：高等教育出版 (曹俊，金保异，钟文琪，等.带有内构件错流移动床颗粒流 社.1998) 动特性的数值模拟.机械工程学报，2013,49(10)：144) [23]Yang L K.Chemical Reactor.3rd Ed.Beijing:Chemical Indus- [20]Cho CJ.The economic-energy-environmental policy problem:an try Press,2012 application of the interactive multiobjective decision method for (杨雷库.化学反应器.3版.北京：化学工业出版社，2012)

李珊珊等: 椭圆螺旋微管束反应器参数优化与性能评价 [18] Bao Z W, Li L, Yuan S Y. Numerical analysis and optimization of metal hydride reactors incorporating helical coils during adsorp鄄 tion. J Sichuan Univ Eng Sci Ed, 2015, 47(5): 185 (鲍泽威, 刘亮, 袁晟毅. 内螺旋管金属氢化物反应器吸氢 过程数值分析及优化. 四川大学学报(工程科学版), 2015, 47(5): 185) [19] Cao J, Jin B S, Zhong W Q, et al. Numerical simulation of the particle flow characteristic in cross鄄flow moving bed with inter鄄 nals. J Mech Eng, 2013, 49(10): 144 (曹俊, 金保昇, 钟文琪, 等. 带有内构件错流移动床颗粒流 动特性的数值模拟. 机械工程学报, 2013, 49(10): 144) [20] Cho C J. The economic鄄energy鄄environmental policy problem: an application of the interactive multiobjective decision method for Chungbuk province. J Environ Manage, 1995, 56: 119 [21] Wang Y Q, Yang F S, Zhang Z X, et al. Design and process simulation of metal hydride reactors. J Xi蒺an Jiaotong Univ, 2006, 40(7): 831 (王玉琪, 杨福胜, 张早校, 等. 金属氢化物反应器的设计与 过程模拟. 西安交通大学学报, 2006, 40(7): 831) [22] Wang Y L. Systems Engineering Theory, Methodology and Appli鄄 cations. Beijing: Higher Education Press, 1998 (汪应洛. 系统工程理论、方法与应用. 北京: 高等教育出版 社, 1998) [23] Yang L K. Chemical Reactor. 3rd Ed. Beijing: Chemical Indus鄄 try Press, 2012 (杨雷库. 化学反应器. 3 版. 北京: 化学工业出版社, 2012) ·681·