Nature.com پر جانے کا شکریہ۔آپ محدود سی ایس ایس سپورٹ کے ساتھ براؤزر کا ورژن استعمال کر رہے ہیں۔بہترین تجربے کے لیے، ہم تجویز کرتے ہیں کہ آپ ایک اپ ڈیٹ شدہ براؤزر استعمال کریں (یا انٹرنیٹ ایکسپلورر میں مطابقت موڈ کو غیر فعال کریں)۔اس کے علاوہ، جاری تعاون کو یقینی بنانے کے لیے، ہم سائٹ کو بغیر اسٹائل اور جاوا اسکرپٹ کے دکھاتے ہیں۔
ایک ساتھ تین سلائیڈوں کا ایک carousel دکھاتا ہے۔ایک وقت میں تین سلائیڈوں سے گزرنے کے لیے پچھلے اور اگلے بٹنوں کا استعمال کریں، یا ایک وقت میں تین سلائیڈوں سے گزرنے کے لیے آخر میں سلائیڈر بٹن استعمال کریں۔
میٹل ہائیڈرائڈز (MH) کو ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کے لیے ان کی بڑی ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کی صلاحیت، کم آپریٹنگ پریشر اور اعلی حفاظت کی وجہ سے سب سے موزوں مادی گروپوں میں سے ایک کے طور پر پہچانا جاتا ہے۔تاہم، ان کی سست ہائیڈروجن اپٹیک کینیٹکس اسٹوریج کی کارکردگی کو بہت کم کرتی ہے۔MH سٹوریج سے تیزی سے گرمی کو ہٹانا اس کے ہائیڈروجن کے اخراج کی شرح کو بڑھانے میں اہم کردار ادا کر سکتا ہے، جس کے نتیجے میں اسٹوریج کی کارکردگی بہتر ہوتی ہے۔اس سلسلے میں، اس مطالعہ کا مقصد گرمی کی منتقلی کی خصوصیات کو بہتر بنانا تھا تاکہ MH اسٹوریج سسٹم کے ہائیڈروجن کے اخراج کی شرح کو مثبت طور پر متاثر کیا جا سکے۔نئی نیم بیلناکار کنڈلی کو سب سے پہلے ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کے لیے تیار کیا گیا تھا اور اسے اندرونی ہوا کے طور پر ہیٹ ایکسچینجر (HTF) کے طور پر شامل کیا گیا تھا۔مختلف پچ سائز کی بنیاد پر، نئی ہیٹ ایکسچینجر کنفیگریشن کے اثر کا تجزیہ کیا جاتا ہے اور روایتی ہیلیکل کوائل جیومیٹری کے ساتھ موازنہ کیا جاتا ہے۔اس کے علاوہ، ایم جی اور جی ٹی پی کے اسٹوریج کے آپریٹنگ پیرامیٹرز کا عددی طور پر مطالعہ کیا گیا تاکہ زیادہ سے زیادہ قدریں حاصل کی جاسکیں۔عددی تخروپن کے لیے، ANSYS Fluent 2020 R2 استعمال کیا جاتا ہے۔اس تحقیق کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ MH اسٹوریج ٹینک کی کارکردگی کو نیم سلنڈرکل کوائل ہیٹ ایکسچینجر (SCHE) کے استعمال سے نمایاں طور پر بہتر کیا جا سکتا ہے۔روایتی سرپل کوائل ہیٹ ایکسچینجرز کے مقابلے میں، ہائیڈروجن جذب کا دورانیہ 59% کم ہو جاتا ہے۔SCHE کنڈلی کے درمیان سب سے کم فاصلے کے نتیجے میں جذب کے وقت میں 61٪ کمی واقع ہوئی۔جہاں تک SHE کا استعمال کرتے ہوئے MG اسٹوریج کے آپریٹنگ پیرامیٹرز کا تعلق ہے، تمام منتخب پیرامیٹرز ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل میں خاصی بہتری کا باعث بنتے ہیں، خاص طور پر HTS میں داخل ہونے والے درجہ حرارت میں۔
جیواشم ایندھن پر مبنی توانائی سے قابل تجدید توانائی کی طرف عالمی سطح پر منتقلی ہے۔چونکہ قابل تجدید توانائی کی بہت سی شکلیں متحرک انداز میں بجلی فراہم کرتی ہیں، اس لیے بوجھ کو متوازن کرنے کے لیے توانائی کا ذخیرہ ضروری ہے۔ہائیڈروجن پر مبنی توانائی کے ذخیرہ نے اس مقصد کے لیے بہت زیادہ توجہ مبذول کرائی ہے، خاص طور پر اس لیے کہ ہائیڈروجن کو اس کی خصوصیات اور پورٹیبلٹی کی وجہ سے "سبز" متبادل ایندھن اور توانائی کے کیریئر کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔اس کے علاوہ، ہائیڈروجن جیواشم ایندھن2 کے مقابلے میں فی یونٹ ماس میں زیادہ توانائی کا مواد بھی پیش کرتا ہے۔ہائیڈروجن انرجی اسٹوریج کی چار اہم اقسام ہیں: کمپریسڈ گیس اسٹوریج، زیر زمین اسٹوریج، مائع اسٹوریج، اور ٹھوس اسٹوریج۔کمپریسڈ ہائیڈروجن فیول سیل گاڑیوں جیسے بسوں اور فورک لفٹوں میں استعمال ہونے والی اہم قسم ہے۔تاہم، یہ ذخیرہ ہائیڈروجن کی کم بلک کثافت فراہم کرتا ہے (تقریباً 0.089 kg/m3) اور اعلی آپریٹنگ پریشر3 سے وابستہ حفاظتی مسائل ہیں۔کم محیط درجہ حرارت اور دباؤ پر تبدیلی کے عمل کی بنیاد پر، مائع ذخیرہ ہائیڈروجن کو مائع شکل میں ذخیرہ کرے گا۔تاہم، مائع ہونے پر، تقریباً 40% توانائی ضائع ہو جاتی ہے۔مزید برآں، یہ ٹیکنالوجی سالڈ اسٹیٹ سٹوریج ٹیکنالوجیز4 کے مقابلے میں زیادہ توانائی اور محنت کے لیے جانا جاتا ہے۔ٹھوس اسٹوریج ہائیڈروجن اکانومی کے لیے ایک قابل عمل آپشن ہے، جو ہائیڈروجن کو جذب کے ذریعے ٹھوس مواد میں شامل کرکے اور ہائیڈروجن کو ڈیسورپشن کے ذریعے چھوڑ کر ذخیرہ کرتا ہے۔میٹل ہائیڈرائڈ (MH)، ایک ٹھوس مواد ذخیرہ کرنے کی ٹیکنالوجی، ہائیڈروجن کی اعلیٰ صلاحیت، کم آپریٹنگ پریشر، اور مائع اسٹوریج کے مقابلے میں کم لاگت کی وجہ سے فیول سیل ایپلی کیشنز میں حالیہ دلچسپی کا باعث ہے، اور یہ اسٹیشنری اور موبائل ایپلی کیشنز کے لیے موزوں ہے 6,7 میں۔ اس کے علاوہ، MH مواد حفاظتی خصوصیات بھی فراہم کرتا ہے جیسے کہ بڑی صلاحیت کا موثر ذخیرہ۔تاہم، ایک مسئلہ ہے جو ایم جی کی پیداواری صلاحیت کو محدود کرتا ہے: ایم جی ری ایکٹر کی کم تھرمل چالکتا ہائیڈروجن کے سست جذب اور اخراج کا باعث بنتی ہے۔
Exothermic اور endothermic رد عمل کے دوران مناسب حرارت کی منتقلی MH ری ایکٹرز کی کارکردگی کو بہتر بنانے کی کلید ہے۔ہائیڈروجن لوڈنگ کے عمل کے لیے، زیادہ سے زیادہ ذخیرہ کرنے کی گنجائش کے ساتھ مطلوبہ شرح پر ہائیڈروجن لوڈنگ کے بہاؤ کو کنٹرول کرنے کے لیے پیدا ہونے والی حرارت کو ری ایکٹر سے ہٹا دینا چاہیے۔اس کے بجائے، خارج ہونے والے مادہ کے دوران ہائیڈروجن کے ارتقاء کی شرح کو بڑھانے کے لیے گرمی کی ضرورت ہوتی ہے۔حرارت اور بڑے پیمانے پر منتقلی کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے، بہت سے محققین نے متعدد عوامل جیسے آپریٹنگ پیرامیٹرز، MG ڈھانچہ، اور MG11 کی اصلاح کی بنیاد پر ڈیزائن اور اصلاح کا مطالعہ کیا ہے۔ایم جی کی اصلاح اعلی تھرمل چالکتا مواد جیسے فوم میٹلز کو ایم جی لیئرز 12,13 میں شامل کر کے کی جا سکتی ہے۔اس طرح، موثر تھرمل چالکتا کو 0.1 سے 2 W/mK10 تک بڑھایا جا سکتا ہے۔تاہم، ٹھوس مواد کا اضافہ ایم این ری ایکٹر کی طاقت کو نمایاں طور پر کم کرتا ہے۔آپریٹنگ پیرامیٹرز کے حوالے سے، ایم جی پرت اور کولنٹ (HTF) کی ابتدائی آپریٹنگ حالات کو بہتر بنا کر بہتری لائی جا سکتی ہے۔ایم جی کی ساخت کو ری ایکٹر کی جیومیٹری اور ہیٹ ایکسچینجر کے ڈیزائن کی وجہ سے بہتر بنایا جا سکتا ہے۔MH ری ایکٹر ہیٹ ایکسچینجر کی ترتیب کے بارے میں، طریقوں کو دو اقسام میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔یہ اندرونی ہیٹ ایکسچینجرز ہیں جو MO پرت میں بنائے گئے ہیں اور بیرونی ہیٹ ایکسچینجرز ہیں جو MO پرت کو ڈھانپتے ہیں جیسے پنکھوں، کولنگ جیکٹس اور پانی کے غسل۔بیرونی ہیٹ ایکسچینجر کے حوالے سے، Kaplan16 نے MH ری ایکٹر کے آپریشن کا تجزیہ کیا، ری ایکٹر کے اندر درجہ حرارت کو کم کرنے کے لیے ٹھنڈے پانی کو جیکٹ کے طور پر استعمال کیا۔نتائج کا موازنہ 22 راؤنڈ فن ری ایکٹر اور قدرتی کنویکشن سے ٹھنڈا ہونے والے ایک اور ری ایکٹر سے کیا گیا۔وہ بتاتے ہیں کہ کولنگ جیکٹ کی موجودگی MH کے درجہ حرارت کو نمایاں طور پر کم کرتی ہے، اس طرح جذب کی شرح میں اضافہ ہوتا ہے۔پاٹل اور گوپال 17 کے ذریعہ واٹر جیکٹ والے MH ری ایکٹر کے عددی مطالعے سے پتہ چلتا ہے کہ ہائیڈروجن سپلائی پریشر اور HTF درجہ حرارت ہائیڈروجن کے اخراج اور اخراج کی شرح کو متاثر کرنے والے کلیدی پیرامیٹرز ہیں۔
MH میں پنکھوں اور ہیٹ ایکسچینجرز کو شامل کرکے گرمی کی منتقلی کے علاقے کو بڑھانا گرمی اور بڑے پیمانے پر منتقلی کی کارکردگی کو بہتر بنانے کی کلید ہے اور اسی وجہ سے MH18 کی اسٹوریج کی کارکردگی۔MH19,20,21,22,23,24,25,26 ری ایکٹر میں کولنٹ کو گردش کرنے کے لیے کئی اندرونی ہیٹ ایکسچینجر کنفیگریشنز (سیدھی ٹیوب اور سرپل کوائل) کو ڈیزائن کیا گیا ہے۔اندرونی ہیٹ ایکسچینجر کا استعمال کرتے ہوئے، کولنگ یا گرم کرنے والا مائع ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل کے دوران مقامی حرارت کو MH ری ایکٹر کے اندر منتقل کرے گا۔راجو اور کمار [27] نے ایم جی کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے کئی سیدھی ٹیوبوں کو ہیٹ ایکسچینجر کے طور پر استعمال کیا۔ان کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ جب سیدھی ٹیوبیں ہیٹ ایکسچینجر کے طور پر استعمال ہوتی تھیں تو جذب کے اوقات کم ہوتے تھے۔اس کے علاوہ، سیدھی ٹیوبوں کا استعمال ہائیڈروجن ڈیسورپشن ٹائم 28 کو کم کرتا ہے۔اعلی کولنٹ کے بہاؤ کی شرح ہائیڈروجن چارجنگ اور ڈسچارج 29 کی شرح میں اضافہ کرتی ہے۔تاہم، کولنگ ٹیوبوں کی تعداد میں اضافہ کولنٹ کے بہاؤ کی شرح 30,31 کے بجائے MH کی کارکردگی پر مثبت اثر ڈالتا ہے۔Raju et al.32 نے Reactors میں ملٹی ٹیوب ہیٹ ایکسچینجرز کی کارکردگی کا مطالعہ کرنے کے لیے LaMi4.7Al0.3 کو MH مواد کے طور پر استعمال کیا۔انہوں نے اطلاع دی کہ آپریٹنگ پیرامیٹرز نے جذب کے عمل پر خاصا اثر ڈالا، خاص طور پر فیڈ پریشر اور پھر HTF کے بہاؤ کی شرح۔تاہم، جذب درجہ حرارت کم اہم نکلا۔
ایم ایچ ری ایکٹر کی کارکردگی کو اسپائرل کوائل ہیٹ ایکسچینجر کے استعمال سے مزید بہتر بنایا گیا ہے جس کی وجہ سیدھی ٹیوبوں کے مقابلے اس کی گرمی کی منتقلی بہتر ہوتی ہے۔اس کی وجہ یہ ہے کہ سیکنڈری سائیکل ری ایکٹر25 سے گرمی کو بہتر طریقے سے ہٹا سکتا ہے۔اس کے علاوہ، سرپل ٹیوبیں MH پرت سے کولنٹ تک گرمی کی منتقلی کے لیے سطح کا ایک بڑا حصہ فراہم کرتی ہیں۔جب یہ طریقہ ری ایکٹر کے اندر متعارف کرایا جاتا ہے، تو ہیٹ ایکسچینج ٹیوبوں کی تقسیم بھی زیادہ یکساں ہوتی ہے۔وانگ وغیرہ۔34 نے MH ری ایکٹر میں ایک ہیلیکل کوائل شامل کرکے ہائیڈروجن اپٹیک کی مدت کے اثر کا مطالعہ کیا۔ان کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ جیسے جیسے کولنٹ کا حرارت کی منتقلی کا گتانک بڑھتا ہے، جذب کا وقت کم ہوتا جاتا ہے۔وو وغیرہ۔25 نے Mg2Ni پر مبنی MH ری ایکٹرز اور کوائلڈ کوائل ہیٹ ایکسچینجرز کی کارکردگی کی چھان بین کی۔ان کے عددی مطالعہ نے رد عمل کے وقت میں کمی کو ظاہر کیا ہے۔MN ری ایکٹر میں حرارت کی منتقلی کے طریقہ کار کی بہتری اسکرو پچ ٹو اسکرو پچ اور ایک ڈائمینشن لیس اسکرو پچ کے چھوٹے تناسب پر مبنی ہے۔Mellouli et al.21 کے ایک تجرباتی مطالعہ نے ایک کوائلڈ کوائل کو اندرونی ہیٹ ایکسچینجر کے طور پر استعمال کرتے ہوئے یہ ظاہر کیا کہ HTF کے آغاز کا درجہ حرارت ہائیڈروجن کے اخراج اور ڈیسورپشن کے وقت کو بہتر بنانے پر اہم اثر ڈالتا ہے۔متعدد مطالعات میں مختلف اندرونی ہیٹ ایکسچینجرز کے امتزاج کیے گئے ہیں۔عیسی پور وغیرہ۔35 نے ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل کو بہتر بنانے کے لیے مرکزی واپسی ٹیوب کے ساتھ سرپل کوائل ہیٹ ایکسچینجر کا استعمال کرتے ہوئے ہائیڈروجن اسٹوریج کا مطالعہ کیا۔ان کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ سرپل ٹیوب اور مرکزی واپسی ٹیوب کولینٹ اور ایم جی کے درمیان گرمی کی منتقلی کو نمایاں طور پر بہتر کرتی ہے۔سرپل ٹیوب کی چھوٹی پچ اور بڑا قطر گرمی اور بڑے پیمانے پر منتقلی کی شرح کو بڑھاتا ہے۔Ardahaie et al.36 نے ری ایکٹر کے اندر حرارت کی منتقلی کو بہتر بنانے کے لیے ہیٹ ایکسچینجر کے طور پر فلیٹ سرپل ٹیوبوں کا استعمال کیا۔انہوں نے بتایا کہ چپٹی سرپل ٹیوب طیاروں کی تعداد میں اضافہ کرکے جذب کی مدت کو کم کیا گیا تھا۔متعدد مطالعات میں مختلف اندرونی ہیٹ ایکسچینجرز کے امتزاج کیے گئے ہیں۔داؤ وغیرہ۔37 نے کوائلڈ کوائل ہیٹ ایکسچینجر اور پنکھوں کا استعمال کرتے ہوئے MH کی کارکردگی کو بہتر بنایا۔ان کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ یہ طریقہ پنکھوں کے بغیر کیس کے مقابلے میں ہائیڈروجن بھرنے کے وقت کو 2 کے عنصر سے کم کرتا ہے۔کنڈلی پنکھوں کو کولنگ ٹیوبوں کے ساتھ جوڑا جاتا ہے اور MN ری ایکٹر میں بنایا جاتا ہے۔اس تحقیق کے نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ یہ مشترکہ طریقہ پنکھوں کے بغیر MH ری ایکٹر کے مقابلے میں زیادہ یکساں حرارت کی منتقلی فراہم کرتا ہے۔تاہم، مختلف ہیٹ ایکسچینجرز کو یکجا کرنے سے MH ری ایکٹر کے وزن اور حجم پر منفی اثر پڑے گا۔Wu et al.18 نے مختلف ہیٹ ایکسچینجر کنفیگریشنز کا موازنہ کیا۔ان میں سیدھی ٹیوبیں، پنکھ اور سرپل کنڈلی شامل ہیں۔مصنفین نے رپورٹ کیا ہے کہ سرپل کنڈلی گرمی اور بڑے پیمانے پر منتقلی میں بہترین بہتری فراہم کرتی ہے.اس کے علاوہ، سیدھی ٹیوبوں، کوائلڈ ٹیوبوں اور کوائلڈ ٹیوبوں کے ساتھ مل کر سیدھی ٹیوبوں کے مقابلے میں، ڈبل کنڈلی گرمی کی منتقلی کو بہتر بنانے پر بہتر اثر ڈالتی ہے۔Sekhar et al کی طرف سے ایک مطالعہ.40 نے ظاہر کیا کہ ہائیڈروجن کی مقدار میں اسی طرح کی بہتری داخلی ہیٹ ایکسچینجر اور ایک بیرونی کولنگ جیکٹ کے طور پر سرپل کوائل کا استعمال کرتے ہوئے حاصل کی گئی تھی۔
مندرجہ بالا مثالوں میں سے، اندرونی ہیٹ ایکسچینجر کے طور پر سرپل کوائل کا استعمال دوسرے ہیٹ ایکسچینجرز، خاص طور پر سیدھی ٹیوبوں اور پنکھوں کے مقابلے میں بہتر حرارت اور بڑے پیمانے پر منتقلی میں بہتری فراہم کرتا ہے۔لہذا، اس مطالعہ کا مقصد گرمی کی منتقلی کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے سرپل کوائل کو مزید تیار کرنا تھا۔پہلی بار، روایتی MH سٹوریج ہیلیکل کوائل کی بنیاد پر ایک نیا نیم سلنڈرک کوائل تیار کیا گیا ہے۔اس مطالعہ سے ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کی کارکردگی کو بہتر بنانے کی توقع کی جاتی ہے جس میں ایک نئے ہیٹ ایکسچینجر ڈیزائن پر غور کیا جائے گا جس میں ایک بہتر ہیٹ ٹرانسفر زون لے آؤٹ ہے جو MH بیڈ اور HTF ٹیوبوں کے مستقل حجم کے ذریعے فراہم کیا جاتا ہے۔اس نئے ہیٹ ایکسچینجر کی اسٹوریج کی کارکردگی کا پھر مختلف کوائل پچز پر مبنی روایتی سرپل کوائل ہیٹ ایکسچینجرز سے موازنہ کیا گیا۔موجودہ لٹریچر کے مطابق، آپریٹنگ حالات اور کنڈلیوں کا فاصلہ MH ری ایکٹرز کی کارکردگی کو متاثر کرنے والے اہم عوامل ہیں۔اس نئے ہیٹ ایکسچینجر کے ڈیزائن کو بہتر بنانے کے لیے، ہائیڈروجن اپٹیک ٹائم اور MH والیوم پر کوائل اسپیسنگ کے اثر کی چھان بین کی گئی۔اس کے علاوہ، نئے ہیمی سلنڈرکل کوائلز اور آپریٹنگ حالات کے درمیان تعلق کو سمجھنے کے لیے، اس مطالعے کا ایک ثانوی ہدف مختلف آپریٹنگ پیرامیٹر رینجز کے مطابق ری ایکٹر کی خصوصیات کا مطالعہ کرنا اور ہر آپریٹنگ کے لیے مناسب اقدار کا تعین کرنا تھا۔ موڈپیرامیٹر
اس مطالعہ میں ہائیڈروجن انرجی اسٹوریج ڈیوائس کی کارکردگی کی جانچ دو ہیٹ ایکسچینجر کنفیگریشنز (بشمول 1 سے 3 کیسز میں سرپل ٹیوبیں اور کیس 4 سے 6 میں نیم بیلناکار ٹیوبیں) اور آپریٹنگ پیرامیٹرز کے حساسیت کے تجزیے کی بنیاد پر کی گئی ہے۔ہیٹ ایکسچینجر کے طور پر سرپل ٹیوب کا استعمال کرتے ہوئے پہلی بار MH ری ایکٹر کی آپریٹیبلٹی کی جانچ کی گئی۔کولنٹ آئل پائپ اور MH ری ایکٹر برتن دونوں سٹینلیس سٹیل سے بنے ہیں۔واضح رہے کہ ایم جی ری ایکٹر کے طول و عرض اور جی ٹی ایف پائپوں کا قطر تمام صورتوں میں مستقل تھا، جبکہ جی ٹی ایف کے قدموں کے سائز مختلف تھے۔یہ سیکشن HTF کنڈلی کے پچ سائز کے اثر کا تجزیہ کرتا ہے۔ری ایکٹر کی اونچائی اور بیرونی قطر بالترتیب 110 ملی میٹر اور 156 ملی میٹر تھی۔گرمی سے چلنے والے تیل کے پائپ کا قطر 6 ملی میٹر پر سیٹ کیا گیا ہے۔سرپل ٹیوبوں اور دو نیم بیلناکار ٹیوبوں کے ساتھ MH ری ایکٹر سرکٹ ڈایاگرام پر تفصیلات کے لیے ضمنی سیکشن دیکھیں۔
انجیر پر۔1a MH سرپل ٹیوب ری ایکٹر اور اس کے طول و عرض کو دکھاتا ہے۔تمام جیومیٹرک پیرامیٹرز ٹیبل میں دیئے گئے ہیں۔1. ہیلکس کا کل حجم اور ZG کا حجم بالترتیب تقریباً 100 cm3 اور 2000 cm3 ہے۔اس MH ری ایکٹر سے HTF کی شکل میں ہوا کو ایک سرپل ٹیوب کے ذریعے نیچے سے غیر محفوظ MH ری ایکٹر میں کھلایا گیا اور ری ایکٹر کی اوپری سطح سے ہائیڈروجن کو متعارف کرایا گیا۔
دھاتی ہائیڈرائڈ ری ایکٹر کے لئے منتخب جیومیٹریوں کی خصوصیت۔a) ایک سرپل نلی نما ہیٹ ایکسچینجر کے ساتھ، ب) نیم بیلناکار نلی نما ہیٹ ایکسچینجر کے ساتھ۔
دوسرا حصہ ہیٹ ایکسچینجر کے طور پر نیم بیلناکار ٹیوب پر مبنی MH ری ایکٹر کے آپریشن کا جائزہ لیتا ہے۔انجیر پر۔1b MN ری ایکٹر کو دو نیم بیلناکار ٹیوبوں اور ان کے طول و عرض کے ساتھ دکھاتا ہے۔جدول 1 نیم بیلناکار پائپوں کے تمام جیومیٹرک پیرامیٹرز کی فہرست دیتا ہے، جو ان کے درمیان فاصلے کو چھوڑ کر، مستقل رہتے ہیں۔واضح رہے کہ کیس 4 میں نیم بیلناکار ٹیوب کو کوائلڈ ٹیوب میں HTF ٹیوب اور MH الائے کے مستقل حجم کے ساتھ ڈیزائن کیا گیا تھا (آپشن 3)۔جیسا کہ انجیر کا تعلق ہے۔1b میں، ہوا کو دو نیم بیلناکار HTF ٹیوبوں کے نیچے سے بھی متعارف کرایا گیا تھا، اور ہائیڈروجن کو MH ری ایکٹر کی مخالف سمت سے متعارف کرایا گیا تھا۔
ہیٹ ایکسچینجر کے نئے ڈیزائن کی وجہ سے، اس سیکشن کا مقصد SCHE کے ساتھ مل کر MH ری ایکٹر کے آپریٹنگ پیرامیٹرز کے لیے مناسب ابتدائی اقدار کا تعین کرنا ہے۔تمام معاملات میں، ری ایکٹر سے گرمی کو دور کرنے کے لیے ہوا کو کولنٹ کے طور پر استعمال کیا جاتا تھا۔حرارت کی منتقلی کے تیلوں میں، ہوا اور پانی کو عام طور پر MH ری ایکٹرز کے لیے حرارت کی منتقلی کے تیل کے طور پر چنا جاتا ہے کیونکہ ان کی کم قیمت اور کم ماحولیاتی اثرات ہوتے ہیں۔میگنیشیم پر مبنی مرکب دھاتوں کے اعلی آپریٹنگ درجہ حرارت کی حد کی وجہ سے، اس مطالعہ میں ہوا کو کولنٹ کے طور پر منتخب کیا گیا تھا۔اس کے علاوہ، اس میں دیگر مائع دھاتوں اور پگھلے ہوئے نمکیات سے بہتر بہاؤ کی خصوصیات بھی ہیں۔جدول 2 میں 573 K پر ہوا کی خصوصیات کی فہرست دی گئی ہے۔ اس سیکشن میں حساسیت کے تجزیے کے لیے، صرف MH-SCHE کارکردگی کے اختیارات کی بہترین ترتیب (کیسز 4 سے 6 میں) لاگو کی گئی ہے۔اس سیکشن میں تخمینے مختلف آپریٹنگ پیرامیٹرز پر مبنی ہیں، بشمول MH ری ایکٹر کا ابتدائی درجہ حرارت، ہائیڈروجن لوڈنگ پریشر، HTF انلیٹ درجہ حرارت، اور HTF کی شرح کو تبدیل کرکے حساب کیا گیا رینالڈس نمبر۔جدول 3 حساسیت کے تجزیہ کے لیے استعمال ہونے والے تمام آپریٹنگ پیرامیٹرز پر مشتمل ہے۔
یہ سیکشن ہائیڈروجن جذب، ہنگامہ خیزی اور کولنٹ کی حرارت کی منتقلی کے عمل کے لیے تمام ضروری کنٹرول مساوات کو بیان کرتا ہے۔
ہائیڈروجن اپٹیک رد عمل کے حل کو آسان بنانے کے لیے، درج ذیل مفروضے کیے گئے ہیں اور فراہم کیے گئے ہیں۔
جذب کے دوران، ہائیڈروجن اور دھاتی ہائیڈرائڈز کی تھرمو فزیکل خصوصیات مستقل رہتی ہیں۔
ہائیڈروجن کو ایک مثالی گیس سمجھا جاتا ہے، اس لیے مقامی تھرمل توازن کی شرائط 43,44 کو مدنظر رکھا جاتا ہے۔
جہاں \({L}_{gas}\) ٹینک کا رداس ہے، اور \({L}_{heat}\) ٹینک کی محوری اونچائی ہے۔جب N 0.0146 سے کم ہو تو، ٹینک میں ہائیڈروجن کے بہاؤ کو بغیر کسی اہم غلطی کے تخروپن میں نظر انداز کیا جا سکتا ہے۔موجودہ تحقیق کے مطابق، N 0.1 سے بہت کم ہے۔لہذا، دباؤ کے تدریجی اثر کو نظر انداز کیا جا سکتا ہے.
ری ایکٹر کی دیواریں تمام صورتوں میں اچھی طرح سے موصل تھیں۔لہذا، ری ایکٹر اور ماحول کے درمیان گرمی کا تبادلہ 47 نہیں ہے۔
یہ بات اچھی طرح سے معلوم ہے کہ Mg پر مبنی مرکب دھاتوں میں ہائیڈروجنیشن کی اچھی خصوصیات اور ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کی اعلی صلاحیت 7.6 wt%8 تک ہوتی ہے۔ٹھوس ریاست ہائیڈروجن اسٹوریج ایپلی کیشنز کے لحاظ سے، یہ مرکب ہلکے وزن کے مواد کے طور پر بھی جانا جاتا ہے.اس کے علاوہ، ان میں گرمی کی بہترین مزاحمت اور اچھی پروسیسبلٹی ہے8۔Mg پر مبنی متعدد مرکبات میں سے، Mg2Ni پر مبنی MgNi الائے MH اسٹوریج کے لیے سب سے موزوں آپشنز میں سے ایک ہے کیونکہ اس کی ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کی صلاحیت 6 wt% تک ہے۔Mg2Ni مرکب بھی MgH48 مرکب کے مقابلے میں تیز جذب اور ڈیسورپشن کائینیٹکس فراہم کرتے ہیں۔لہذا، Mg2Ni کو اس مطالعہ میں دھاتی ہائیڈرائڈ مواد کے طور پر منتخب کیا گیا تھا۔
ہائیڈروجن اور Mg2Ni ہائیڈرائڈ کے درمیان حرارت کے توازن کی بنیاد پر توانائی کی مساوات کو 25 کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے:
X دھات کی سطح پر جذب ہونے والی ہائیڈروجن کی مقدار ہے، اکائی \(وزن\%\) ہے، جس کا حساب حرکی مساوات \(\frac{dX}{dt}\) سے جذب کے دوران حسب ذیل ہے49:
جہاں \({C}_{a}\) رد عمل کی شرح ہے اور \({E}_{a}\) ایکٹیویشن انرجی ہے۔\({P}_{a,eq}\) جذب کرنے کے عمل کے دوران دھاتی ہائیڈرائڈ ری ایکٹر کے اندر توازن کا دباؤ ہے، جو وینٹ ہوف مساوات کے ذریعہ درج ذیل ہے25:
جہاں \({P}_{ref}\) 0.1 MPa کا حوالہ دباؤ ہے۔\(\Delta H\) اور \(\Delta S\) بالترتیب رد عمل کی enthalpy اور entropy ہیں۔مرکب مرکبات Mg2Ni اور ہائیڈروجن کی خصوصیات جدول میں پیش کی گئی ہیں۔4. نامزد کردہ فہرست ضمنی حصے میں دیکھی جا سکتی ہے۔
سیال کے بہاؤ کو ہنگامہ خیز سمجھا جاتا ہے کیونکہ اس کی رفتار اور رینالڈس نمبر (Re) بالترتیب 78.75 ms-1 اور 14000 ہیں۔اس مطالعہ میں، ایک قابل حصول k-ε ٹربلنس ماڈل کا انتخاب کیا گیا تھا۔یہ نوٹ کیا جاتا ہے کہ یہ طریقہ دیگر k-ε طریقوں کے مقابلے میں زیادہ درستگی فراہم کرتا ہے، اور RNG k-ε50,51 طریقوں سے کم حساب وقت کی ضرورت ہوتی ہے۔حرارت کی منتقلی کے سیالوں کے لیے بنیادی مساوات کے بارے میں تفصیلات کے لیے ضمنی سیکشن دیکھیں۔
ابتدائی طور پر، MN ری ایکٹر میں درجہ حرارت کا نظام یکساں تھا، اور اوسط ہائیڈروجن کا ارتکاز 0.043 تھا۔یہ فرض کیا جاتا ہے کہ MH ری ایکٹر کی بیرونی حد اچھی طرح سے موصل ہے۔میگنیشیم پر مبنی مرکب دھاتوں کو ری ایکٹر میں ہائیڈروجن کو ذخیرہ کرنے اور چھوڑنے کے لیے عام طور پر ہائی ری ایکشن آپریٹنگ درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے۔Mg2Ni الائے کو زیادہ سے زیادہ جذب کے لیے درجہ حرارت کی حد 523–603 K اور مکمل ڈیسورپشن52 کے لیے درجہ حرارت کی حد 573–603 K درکار ہے۔تاہم، Muthukumar et al.53 کے تجرباتی مطالعے سے پتہ چلتا ہے کہ ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کے لیے Mg2Ni کی زیادہ سے زیادہ ذخیرہ کرنے کی صلاحیت 573 K کے آپریٹنگ درجہ حرارت پر حاصل کی جا سکتی ہے، جو اس کی نظریاتی صلاحیت کے مساوی ہے۔لہذا، 573 K کے درجہ حرارت کو اس مطالعہ میں MN ری ایکٹر کے ابتدائی درجہ حرارت کے طور پر منتخب کیا گیا تھا۔
توثیق اور قابل اعتماد نتائج کے لیے مختلف گرڈ سائز بنائیں۔انجیر پر۔2 چار مختلف عناصر سے ہائیڈروجن جذب کے عمل میں منتخب مقامات پر اوسط درجہ حرارت دکھاتا ہے۔یہ بات قابل غور ہے کہ ہر ترتیب کا صرف ایک کیس اسی جیومیٹری کی وجہ سے گرڈ کی آزادی کی جانچ کے لیے منتخب کیا گیا ہے۔اسی طرح میشنگ کا طریقہ دوسرے معاملات میں لاگو ہوتا ہے۔لہذا، سرپل پائپ کے لیے آپشن 1 اور نیم بیلناکار پائپ کے لیے آپشن 4 کا انتخاب کریں۔انجیر پر۔2a، b آپشن 1 اور 4 کے لیے ری ایکٹر میں بالترتیب اوسط درجہ حرارت دکھاتا ہے۔تین منتخب مقامات ری ایکٹر کے اوپر، درمیانی اور نیچے بستر کے درجہ حرارت کی شکل کی نمائندگی کرتے ہیں۔منتخب کردہ مقامات پر درجہ حرارت کی شکلوں کی بنیاد پر، اوسط درجہ حرارت مستحکم ہو جاتا ہے اور بالترتیب 1 اور 4 کیسز کے لیے عنصر نمبر 428,891 اور 430,599 میں معمولی تبدیلی ظاہر کرتا ہے۔لہذا، یہ گرڈ سائز مزید کمپیوٹیشنل حسابات کے لیے منتخب کیے گئے تھے۔مختلف خلیوں کے سائز کے لیے ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل کے لیے بستر کے اوسط درجہ حرارت کے بارے میں تفصیلی معلومات اور دونوں صورتوں کے لیے یکے بعد دیگرے بہتر میشیں ضمنی حصے میں دی گئی ہیں۔
مختلف گرڈ نمبروں کے ساتھ دھاتی ہائیڈرائڈ ری ایکٹر میں ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل میں منتخب پوائنٹس پر بستر کا اوسط درجہ حرارت۔(a) کیس 1 کے لیے منتخب مقامات پر اوسط درجہ حرارت اور (b) کیس 4 کے لیے منتخب مقامات پر اوسط درجہ حرارت۔
اس تحقیق میں ایم جی پر مبنی میٹل ہائیڈرائیڈ ری ایکٹر کا تجربہ متھوکمار ایٹ ال کے تجرباتی نتائج کی بنیاد پر کیا گیا۔اپنے مطالعہ میں، انہوں نے سٹینلیس سٹیل ٹیوبوں میں ہائیڈروجن کو ذخیرہ کرنے کے لیے Mg2Ni مرکب استعمال کیا۔ری ایکٹر کے اندر حرارت کی منتقلی کو بہتر بنانے کے لیے تانبے کے پنکھوں کا استعمال کیا جاتا ہے۔انجیر پر۔3a تجرباتی مطالعہ اور اس مطالعہ کے درمیان جذب کے عمل کے بستر کے اوسط درجہ حرارت کا موازنہ دکھاتا ہے۔اس تجربے کے لیے آپریٹنگ حالات منتخب کیے گئے ہیں: MG ابتدائی درجہ حرارت 573 K اور inlet پریشر 2 MPa۔انجیر سے۔3a یہ واضح طور پر دکھایا جاسکتا ہے کہ یہ تجرباتی نتیجہ اوسط پرت کے درجہ حرارت کے حوالے سے موجودہ کے ساتھ اچھے معاہدے میں ہے۔
ماڈل کی تصدیق۔(a) Mg2Ni میٹل ہائیڈرائڈ ری ایکٹر کی کوڈ کی تصدیق موجودہ مطالعہ کا موازنہ Muthukumar et al.52 کے تجرباتی کام کے ساتھ، اور (b) اسپائرل ٹیوب ٹربلنٹ فلو ماڈل کی تصدیق موجودہ مطالعہ کا کمار ایٹ ال کے ساتھ موازنہ کر کے۔ .تحقیق.54.
ٹربولنس ماڈل کو جانچنے کے لیے، اس مطالعے کے نتائج کا کمار ایٹ ال کے تجرباتی نتائج سے موازنہ کیا گیا تاکہ منتخب کردہ ٹربلنس ماڈل کی درستگی کی تصدیق کی جا سکے۔کمار وغیرہ نے ٹیوب ان پائپ سرپل ہیٹ ایکسچینجر میں ہنگامہ خیز بہاؤ کا مطالعہ کیا۔پانی کو گرم اور ٹھنڈے سیال کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے جو مخالف سمتوں سے لگایا جاتا ہے۔گرم اور ٹھنڈے مائع کا درجہ حرارت بالترتیب 323 K اور 300 K ہے۔رینالڈس کی تعداد گرم مائعات کے لیے 3100 سے 5700 تک اور ٹھنڈے مائعات کے لیے 21,000 سے 35,000 تک ہوتی ہے۔ڈین نمبرز گرم مائعات کے لیے 550-1000 اور ٹھنڈے مائعات کے لیے 3600-6000 ہیں۔اندرونی پائپ (گرم مائع کے لیے) اور بیرونی پائپ (ٹھنڈے مائع کے لیے) کے قطر بالترتیب 0.0254 میٹر اور 0.0508 میٹر ہیں۔ہیلیکل کوائل کا قطر اور پچ بالترتیب 0.762 میٹر اور 0.100 میٹر ہے۔انجیر پر۔3b اندرونی ٹیوب میں کولنٹ کے لیے نسلٹ اور ڈین نمبرز کے مختلف جوڑوں کے تجرباتی اور موجودہ نتائج کا موازنہ دکھاتا ہے۔تین مختلف ہنگامہ خیز ماڈلز کو لاگو کیا گیا اور تجرباتی نتائج کے ساتھ موازنہ کیا گیا۔جیسا کہ تصویر میں دکھایا گیا ہے۔جیسا کہ تصویر 3b میں دکھایا گیا ہے، قابل حصول k-ε ٹربولنس ماڈل کے نتائج تجرباتی ڈیٹا کے ساتھ اچھے معاہدے میں ہیں۔لہذا، اس ماڈل کو اس مطالعہ میں منتخب کیا گیا تھا.
اس مطالعہ میں عددی نقالی ANSYS Fluent 2020 R2 کا استعمال کرتے ہوئے انجام دی گئیں۔یوزر ڈیفائنڈ فنکشن (UDF) لکھیں اور جذب کے عمل کی حرکیات کا حساب لگانے کے لیے اسے توانائی کی مساوات کی ان پٹ اصطلاح کے طور پر استعمال کریں۔PRESTO55 سرکٹ اور PISO56 طریقہ دباؤ کی رفتار مواصلات اور دباؤ کی اصلاح کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔متغیر میلان کے لیے گرین گاس سیل بیس کا انتخاب کریں۔رفتار اور توانائی کی مساوات کو سیکنڈ آرڈر کے اوپری راستے سے حل کیا جاتا ہے۔جہاں تک انڈر ریلیکسیشن گتانکوں کا تعلق ہے، دباؤ، رفتار، اور توانائی کے اجزاء بالترتیب 0.5، 0.7 اور 0.7 پر سیٹ کیے گئے ہیں۔ٹربلنس ماڈل میں HTF پر دیوار کے معیاری افعال کا اطلاق ہوتا ہے۔
یہ سیکشن ہائیڈروجن جذب کے دوران کوائلڈ کوائل ہیٹ ایکسچینجر (HCHE) اور ایک ہیلیکل کوائل ہیٹ ایکسچینجر (SCHE) کا استعمال کرتے ہوئے MH ری ایکٹر کے بہتر اندرونی حرارت کی منتقلی کے عددی نقالی کے نتائج پیش کرتا ہے۔ری ایکٹر بیڈ کے درجہ حرارت پر HTF پچ کے اثر اور جذب کی مدت کا تجزیہ کیا گیا۔جذب کے عمل کے اہم آپریٹنگ پیرامیٹرز کا مطالعہ کیا جاتا ہے اور حساسیت کے تجزیہ کے سیکشن میں پیش کیا جاتا ہے۔
MH ری ایکٹر میں حرارت کی منتقلی پر کنڈلی کے وقفہ کاری کے اثر کی چھان بین کے لیے، مختلف پچوں کے ساتھ تین ہیٹ ایکسچینجر کنفیگریشنز کی چھان بین کی گئی۔15mm، 12.86mm اور 10mm کی تین مختلف پچز کو بالترتیب باڈی 1، باڈی 2 اور باڈی 3 نامزد کیا گیا ہے۔واضح رہے کہ پائپ کا قطر 573 K کے ابتدائی درجہ حرارت پر 6 ملی میٹر اور تمام صورتوں میں 1.8 MPa کے لوڈنگ پریشر پر طے کیا گیا تھا۔انجیر پر۔4 کیسز 1 سے 3 میں ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل کے دوران MH پرت میں بستر کے اوسط درجہ حرارت اور ہائیڈروجن کی حراستی کو ظاہر کرتا ہے۔لہذا، ابتدائی لمحے کی وجہ سے بستر کا درجہ حرارت تیزی سے بڑھتا ہے جب ہائیڈروجن کو پہلی بار ری ایکٹر میں داخل کیا جاتا ہے۔بستر کا درجہ حرارت اس وقت تک بڑھتا ہے جب تک کہ یہ زیادہ سے زیادہ قدر تک نہ پہنچ جائے اور پھر آہستہ آہستہ کم ہو جاتا ہے کیونکہ گرمی کو کولنٹ کے ذریعے لے جایا جاتا ہے، جس کا درجہ حرارت کم ہوتا ہے اور کولنٹ کے طور پر کام کرتا ہے۔جیسا کہ تصویر میں دکھایا گیا ہے۔4a، پچھلی وضاحت کی وجہ سے، پرت کا درجہ حرارت تیزی سے بڑھتا ہے اور مسلسل کم ہوتا ہے۔جذب کے عمل کے لیے ہائیڈروجن کی حراستی عام طور پر MH ری ایکٹر کے بستر کے درجہ حرارت پر مبنی ہوتی ہے۔جب اوسط پرت کا درجہ حرارت ایک خاص درجہ حرارت پر گر جاتا ہے، تو دھات کی سطح ہائیڈروجن جذب کر لیتی ہے۔یہ فزیسورپشن، کیمیسورپشن، ہائیڈروجن کے پھیلاؤ اور ری ایکٹر میں اس کے ہائیڈرائڈز کی تشکیل کے عمل کی سرعت کی وجہ سے ہے۔انجیر سے۔4b میں دیکھا جا سکتا ہے کہ کوائل ہیٹ ایکسچینجر کی چھوٹی سٹیپ ویلیو کی وجہ سے کیس 3 میں ہائیڈروجن جذب کی شرح دیگر معاملات کے مقابلے میں کم ہے۔اس کے نتیجے میں پائپ کی مجموعی لمبائی لمبی ہوتی ہے اور HTF پائپوں کے لیے گرمی کی منتقلی کا ایک بڑا علاقہ ہوتا ہے۔90% کی اوسط ہائیڈروجن ارتکاز کے ساتھ، کیس 1 کے لیے جذب ہونے کا وقت 46,276 سیکنڈ ہے۔کیس 1 میں جذب کی مدت کے مقابلے میں، کیس 2 اور 3 میں جذب کی مدت میں بالترتیب 724 s اور 1263 s کی کمی ہوئی۔ضمنی سیکشن HCHE-MH پرت میں منتخب مقامات کے لیے درجہ حرارت اور ہائیڈروجن کے ارتکاز کی شکلیں پیش کرتا ہے۔
اوسط پرت کے درجہ حرارت اور ہائیڈروجن کی حراستی پر کنڈلی کے درمیان فاصلے کا اثر۔(a) ہیلیکل کنڈلیوں کے لیے بستر کا اوسط درجہ حرارت، (b) ہیلیکل کنڈلیوں کے لیے ہائیڈروجن کا ارتکاز، (c) ہیمی سلنڈرک کوائلز کے لیے بستر کا اوسط درجہ حرارت، اور (d) ہیمی سلنڈرک کوائلز کے لیے ہائیڈروجن کا ارتکاز۔
MG ری ایکٹر کی حرارت کی منتقلی کی خصوصیات کو بہتر بنانے کے لیے، دو HFCs کو MG (2000 cm3) کے مستقل حجم اور آپشن 3 کے ایک سرپل ہیٹ ایکسچینجر (100 cm3) کے لیے ڈیزائن کیا گیا تھا۔ یہ سیکشن ری ایکٹر کے درمیان فاصلے کے اثر پر بھی غور کرتا ہے۔ کیس 4 کے لیے 15 ملی میٹر، کیس 5 کے لیے 12.86 ملی میٹر اور کیس 6 کے لیے 10 ملی میٹر کی کنڈلی۔ انجیر میں۔4c،d 573 K کے ابتدائی درجہ حرارت اور 1.8 MPa کے لوڈنگ پریشر پر بیڈ کا اوسط درجہ حرارت اور ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل کا ارتکاز دکھاتا ہے۔تصویر 4c میں اوسط پرت کے درجہ حرارت کے مطابق، کیس 6 میں کنڈلی کے درمیان چھوٹا فاصلہ دیگر دو صورتوں کے مقابلے درجہ حرارت کو نمایاں طور پر کم کرتا ہے۔کیس 6 کے لیے، کم بستر کے درجہ حرارت کے نتیجے میں ہائیڈروجن کا زیادہ ارتکاز ہوتا ہے (تصویر 4 ڈی دیکھیں)۔ویریئنٹ 4 کے لیے ہائیڈروجن اپٹیک ٹائم 19542 s ہے، جو HCH استعمال کرنے والے ویریئنٹس 1-3 کے مقابلے میں 2 گنا کم ہے۔اس کے علاوہ، کیس 4 کے مقابلے میں، کم فاصلے کے ساتھ کیس 5 اور 6 میں جذب کے وقت میں بھی 378 s اور 1515 s کی کمی کی گئی۔ضمنی سیکشن SCHE-MH پرت میں منتخب مقامات کے لیے درجہ حرارت اور ہائیڈروجن کے ارتکاز کی شکلیں پیش کرتا ہے۔
دو ہیٹ ایکسچینجر کنفیگریشنز کی کارکردگی کا مطالعہ کرنے کے لیے، یہ سیکشن تین منتخب مقامات پر درجہ حرارت کے منحنی خطوط تیار کرتا ہے اور پیش کرتا ہے۔کیس 3 سے HCHE کے ساتھ MH ری ایکٹر کو کیس 4 میں SCHE پر مشتمل MH ری ایکٹر کے ساتھ مقابلے کے لیے منتخب کیا گیا تھا کیونکہ اس میں مستقل MH والیوم اور پائپ والیوم ہے۔اس موازنہ کے لیے آپریٹنگ حالات 573 K کا ابتدائی درجہ حرارت اور 1.8 MPa کا لوڈنگ پریشر تھا۔انجیر پر۔5a اور 5b بالترتیب 3 اور 4 صورتوں میں درجہ حرارت پروفائلز کی تینوں منتخب پوزیشنوں کو ظاہر کرتے ہیں۔انجیر پر۔5c 20,000 s ہائیڈروجن لینے کے بعد درجہ حرارت کی پروفائل اور تہہ کی حراستی کو ظاہر کرتا ہے۔تصویر 5c میں لائن 1 کے مطابق، آپشن 3 اور 4 سے TTF کے ارد گرد کا درجہ حرارت کولنٹ کے کنویکٹیو ہیٹ ٹرانسفر کی وجہ سے کم ہو جاتا ہے۔اس کے نتیجے میں اس علاقے کے ارد گرد ہائیڈروجن کا زیادہ ارتکاز ہوتا ہے۔تاہم، دو SCHEs کے استعمال کے نتیجے میں اعلی پرت کی حراستی ہوتی ہے۔کیس 4 میں HTF خطے کے ارد گرد تیز رفتار حرکیاتی ردعمل پائے گئے۔ اس کے علاوہ، اس خطے میں 100% کی زیادہ سے زیادہ ارتکاز بھی پایا گیا۔ری ایکٹر کے وسط میں واقع لائن 2 سے، کیس 4 کا درجہ حرارت ری ایکٹر کے مرکز کے علاوہ تمام جگہوں پر کیس 3 کے درجہ حرارت سے نمایاں طور پر کم ہے۔اس کے نتیجے میں کیس 4 کے لیے ہائیڈروجن کا زیادہ سے زیادہ ارتکاز ہوتا ہے سوائے ری ایکٹر کے مرکز کے قریب کے علاقے کے جو HTF سے دور ہے۔تاہم، کیس 3 کا ارتکاز زیادہ تبدیل نہیں ہوا۔GTS کے داخلی دروازے کے قریب لائن 3 میں پرت کے درجہ حرارت اور ارتکاز میں بڑا فرق دیکھا گیا۔کیس 4 میں پرت کا درجہ حرارت نمایاں طور پر کم ہوا، جس کے نتیجے میں اس خطے میں ہائیڈروجن کا سب سے زیادہ ارتکاز ہوا، جبکہ کیس 3 میں ارتکاز کی لکیر اب بھی اتار چڑھاؤ کا شکار تھی۔یہ SCHE حرارت کی منتقلی کی سرعت کی وجہ سے ہے۔کیس 3 اور کیس 4 کے درمیان MH پرت اور HTF پائپ کے اوسط درجہ حرارت کے موازنہ کی تفصیلات اور بحث ضمنی حصے میں فراہم کی گئی ہے۔
میٹل ہائیڈرائڈ ری ایکٹر میں منتخب مقامات پر درجہ حرارت کا پروفائل اور بستر کا ارتکاز۔(a) کیس 3 کے لیے منتخب مقامات، (b) کیس 4 کے لیے منتخب کردہ مقامات، اور (c) 3 اور 4 کیسز میں ہائیڈروجن لینے کے عمل کے لیے 20,000 s کے بعد منتخب مقامات پر درجہ حرارت کا پروفائل اور پرت کا ارتکاز۔
انجیر پر۔تصویر 6 HCH اور SHE کے جذب کے لیے بستر کے اوسط درجہ حرارت (تصویر 6a دیکھیں) اور ہائیڈروجن کے ارتکاز (تصویر 6b دیکھیں) کا موازنہ دکھاتا ہے۔اس اعداد و شمار سے دیکھا جا سکتا ہے کہ ہیٹ ایکسچینج ایریا میں اضافے کی وجہ سے ایم جی پرت کا درجہ حرارت نمایاں طور پر کم ہو جاتا ہے۔ری ایکٹر سے زیادہ گرمی کو ہٹانے کے نتیجے میں ہائیڈروجن کے اخراج کی شرح زیادہ ہوتی ہے۔اگرچہ دو ہیٹ ایکسچینجر کنفیگریشنز میں HCHE کو آپشن 3 کے طور پر استعمال کرنے کے مقابلے میں یکساں حجم ہے، لیکن آپشن 4 کی بنیاد پر SCHE کے ہائیڈروجن اپٹیک ٹائم میں نمایاں طور پر 59% کی کمی واقع ہوئی ہے۔مزید تفصیلی تجزیہ کے لیے، دو ہیٹ ایکسچینجر کنفیگریشنز کے لیے ہائیڈروجن کی مقدار کو تصویر 7 میں آئسولائن کے طور پر دکھایا گیا ہے۔ یہ اعداد و شمار ظاہر کرتا ہے کہ دونوں صورتوں میں، ہائیڈروجن HTF انلیٹ کے ارد گرد نیچے سے جذب ہونا شروع ہو جاتی ہے۔ایچ ٹی ایف کے علاقے میں زیادہ ارتکاز پایا گیا، جبکہ ہیٹ ایکسچینجر سے فاصلے کی وجہ سے ایم ایچ ری ایکٹر کے مرکز میں کم ارتکاز دیکھے گئے۔10,000 سیکنڈ کے بعد، کیس 4 میں ہائیڈروجن کا ارتکاز کیس 3 کے مقابلے میں نمایاں طور پر زیادہ ہے۔ 20،000 سیکنڈ کے بعد، ری ایکٹر میں ہائیڈروجن کا اوسط ارتکاز کیس 4 میں 90% ہو گیا ہے جبکہ کیس 3 میں 50% ہائیڈروجن کے مقابلے میں۔ دو SCHEs کو ملانے کی اعلی موثر ٹھنڈک کی صلاحیت تک، جس کے نتیجے میں MH تہہ کے اندر درجہ حرارت کم ہو جاتا ہے۔نتیجتاً، ایم جی پرت کے اندر ایک زیادہ توازن کا دباؤ پڑتا ہے، جو ہائیڈروجن کو زیادہ تیزی سے جذب کرنے کا باعث بنتا ہے۔
کیس 3 اور کیس 4 دو ہیٹ ایکسچینجر کنفیگریشنز کے درمیان بستر کے اوسط درجہ حرارت اور ہائیڈروجن کے ارتکاز کا موازنہ۔
کیس 3 اور کیس 4 میں ہائیڈروجن جذب کے عمل کے آغاز کے بعد 500، 2000، 5000، 10000 اور 20000 سیکنڈ کے بعد ہائیڈروجن کے ارتکاز کا موازنہ۔
جدول 5 تمام صورتوں کے لیے ہائیڈروجن کے اخراج کی مدت کا خلاصہ کرتا ہے۔اس کے علاوہ، جدول ہائیڈروجن کے جذب ہونے کا وقت بھی دکھاتا ہے، جسے فیصد کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے۔اس فیصد کا حساب کیس 1 کے جذب وقت کی بنیاد پر کیا جاتا ہے۔ اس جدول سے، HCHE استعمال کرنے والے MH ری ایکٹر کے جذب ہونے کا وقت تقریباً 45,000 سے 46,000 s ہے، اور SCHE سمیت جذب ہونے کا وقت تقریباً 18,000 سے 19,000 s ہے۔کیس 1 کے مقابلے میں، کیس 2 اور کیس 3 میں جذب ہونے کا وقت بالترتیب صرف 1.6% اور 2.7% کم ہوا۔HCHE کے بجائے SCHE استعمال کرتے وقت، جذب کا وقت نمایاں طور پر کیس 4 سے کیس 6 تک، 58% سے 61% تک کم ہو گیا تھا۔یہ واضح ہے کہ MH ری ایکٹر میں SCHE کا اضافہ ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل اور MH ری ایکٹر کی کارکردگی کو بہت بہتر بناتا ہے۔اگرچہ MH ری ایکٹر کے اندر ہیٹ ایکسچینجر کی تنصیب سے ذخیرہ کرنے کی گنجائش کم ہو جاتی ہے، تاہم یہ ٹیکنالوجی دیگر ٹیکنالوجیز کے مقابلے گرمی کی منتقلی میں نمایاں بہتری فراہم کرتی ہے۔نیز، پچ کی قدر میں کمی سے SCHE کا حجم بڑھ جائے گا، جس کے نتیجے میں MH کے حجم میں کمی واقع ہوگی۔سب سے زیادہ SCHE والیوم کے ساتھ کیس 6 میں، MH والیومیٹرک صلاحیت میں کیس 1 کے مقابلے میں سب سے کم HCHE والیوم کے مقابلے میں صرف 5% کی کمی ہوئی تھی۔اس کے علاوہ، جذب کے دوران، کیس 6 نے جذب کے وقت میں 61 فیصد کمی کے ساتھ تیز اور بہتر کارکردگی دکھائی۔اس لیے کیس 6 کا انتخاب حساسیت کے تجزیے میں مزید تفتیش کے لیے کیا گیا۔واضح رہے کہ طویل ہائیڈروجن اپٹیک ٹائم اسٹوریج ٹینک سے وابستہ ہے جس کا MH حجم تقریباً 2000 cm3 ہے۔
رد عمل کے دوران آپریٹنگ پیرامیٹرز اہم عوامل ہیں جو حقیقی حالات میں MH ری ایکٹر کی کارکردگی کو مثبت یا منفی طور پر متاثر کرتے ہیں۔یہ مطالعہ SCHE کے ساتھ مل کر MH ری ایکٹر کے لیے مناسب ابتدائی آپریٹنگ پیرامیٹرز کا تعین کرنے کے لیے حساسیت کے تجزیے پر غور کرتا ہے، اور یہ سیکشن کیس 6 میں بہترین ری ایکٹر کی ترتیب کی بنیاد پر چار اہم آپریٹنگ پیرامیٹرز کی چھان بین کرتا ہے۔ تمام آپریٹنگ حالات کے نتائج اس میں دکھائے گئے ہیں۔ تصویر 8۔
نیم بیلناکار کوائل کے ساتھ ہیٹ ایکسچینجر کا استعمال کرتے وقت مختلف آپریٹنگ حالات میں ہائیڈروجن کے ارتکاز کا گراف۔(a) لوڈنگ پریشر، (b) بستر کا ابتدائی درجہ حرارت، (c) کولنٹ رینالڈس نمبر، اور (d) کولنٹ انلیٹ کا درجہ حرارت۔
573 K کے مستقل ابتدائی درجہ حرارت اور 14,000 کے Reynolds نمبر کے ساتھ کولنٹ کے بہاؤ کی شرح کی بنیاد پر، چار مختلف لوڈنگ پریشر منتخب کیے گئے: 1.2 MPa، 1.8 MPa، 2.4 MPa، اور 3.0 MPa۔انجیر پر۔8a وقت کے ساتھ ہائیڈروجن کے ارتکاز پر لوڈنگ پریشر اور SCHE کا اثر دکھاتا ہے۔لوڈنگ پریشر میں اضافے کے ساتھ جذب کا وقت کم ہو جاتا ہے۔1.2 MPa کے لاگو ہائیڈروجن پریشر کا استعمال ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل کے لیے بدترین صورت ہے، اور 90% ہائیڈروجن جذب حاصل کرنے کے لیے جذب کا دورانیہ 26,000 s سے زیادہ ہے۔تاہم، زیادہ لوڈنگ پریشر کے نتیجے میں جذب وقت میں 1.8 سے 3.0 MPa تک 32-42% کمی واقع ہوئی۔یہ ہائیڈروجن کے اعلی ابتدائی دباؤ کی وجہ سے ہے، جس کے نتیجے میں توازن کے دباؤ اور لاگو دباؤ کے درمیان بڑا فرق ہوتا ہے۔لہذا، یہ ہائیڈروجن اپٹیک کائینیٹکس کے لیے ایک بڑی محرک قوت پیدا کرتا ہے۔ابتدائی لمحے میں، توازن کے دباؤ اور لاگو دباؤ57 کے درمیان بڑے فرق کی وجہ سے ہائیڈروجن گیس تیزی سے جذب ہو جاتی ہے۔3.0 MPa کے لوڈنگ پریشر پر، پہلے 10 سیکنڈ کے دوران 18% ہائیڈروجن تیزی سے جمع ہو جاتی ہے۔ہائیڈروجن کو 15460 سیکنڈ تک آخری مرحلے میں 90% ری ایکٹرز میں ذخیرہ کیا گیا تھا۔تاہم، 1.2 سے 1.8 MPa کے لوڈنگ پریشر پر، جذب کے وقت میں نمایاں طور پر 32٪ کی کمی واقع ہوئی۔دیگر اعلی دباؤ کا جذب کے اوقات کو بہتر بنانے پر کم اثر پڑا۔لہذا، یہ سفارش کی جاتی ہے کہ MH-SCHE ری ایکٹر کا لوڈنگ پریشر 1.8 MPa ہو۔ضمنی سیکشن 15500 s پر مختلف لوڈنگ پریشروں کے لیے ہائیڈروجن ارتکاز کی شکل دکھاتا ہے۔
MH ری ایکٹر کے مناسب ابتدائی درجہ حرارت کا انتخاب ہائیڈروجن جذب کرنے کے عمل کو متاثر کرنے والے اہم عوامل میں سے ایک ہے، کیونکہ یہ ہائیڈروجن کی تشکیل کے رد عمل کی محرک قوت کو متاثر کرتا ہے۔MH ری ایکٹر کے ابتدائی درجہ حرارت پر SCHE کے اثر کا مطالعہ کرنے کے لیے، 1.8 MPa کے مستقل لوڈنگ پریشر اور 14,000 HTF کے رینالڈس نمبر پر چار مختلف درجہ حرارت کا انتخاب کیا گیا۔انجیر پر۔شکل 8b مختلف ابتدائی درجہ حرارت کا موازنہ دکھاتا ہے، بشمول 473K، 523K، 573K، اور 623K۔درحقیقت، جب درجہ حرارت 230°C یا 503K58 سے زیادہ ہوتا ہے، Mg2Ni الائے ہائیڈروجن جذب کے عمل کے لیے موثر خصوصیات رکھتا ہے۔تاہم، ہائیڈروجن انجیکشن کے ابتدائی لمحے میں، درجہ حرارت تیزی سے بڑھ جاتا ہے۔نتیجتاً، MG تہہ کا درجہ حرارت 523 K سے زیادہ ہو جائے گا۔ لہٰذا، ہائیڈرائیڈز کی تشکیل میں اضافہ جذب کی شرح53 کی وجہ سے سہولت فراہم کی جاتی ہے۔انجیر سے۔یہ تصویر 8b سے دیکھا جا سکتا ہے کہ ہائیڈروجن تیزی سے جذب ہوتی ہے کیونکہ MB تہہ کا ابتدائی درجہ حرارت کم ہوتا ہے۔کم توازن کا دباؤ اس وقت ہوتا ہے جب ابتدائی درجہ حرارت کم ہوتا ہے۔توازن کے دباؤ اور لاگو دباؤ کے درمیان دباؤ کا فرق جتنا زیادہ ہوگا، ہائیڈروجن جذب کا عمل اتنا ہی تیز ہوگا۔473 K کے ابتدائی درجہ حرارت پر، ہائیڈروجن پہلے 18 سیکنڈ کے دوران 27% تک تیزی سے جذب ہو جاتی ہے۔اس کے علاوہ، 623 K کے ابتدائی درجہ حرارت کے مقابلے کم ابتدائی درجہ حرارت پر جذب کا وقت بھی 11% سے کم ہو کر 24% کر دیا گیا۔ 473 K کے سب سے کم ابتدائی درجہ حرارت پر جذب کا وقت 15247 s ہے، جو کہ بہترین درجہ حرارت کی طرح ہے۔ کیس لوڈنگ پریشر، تاہم، ابتدائی درجہ حرارت ری ایکٹر کے درجہ حرارت میں کمی ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کی صلاحیت میں کمی کا باعث بنتی ہے۔MN ری ایکٹر کا ابتدائی درجہ حرارت کم از کم 503 K53 ہونا چاہیے۔اس کے علاوہ، 573 K53 کے ابتدائی درجہ حرارت پر، زیادہ سے زیادہ ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کی گنجائش 3.6 wt% حاصل کی جا سکتی ہے۔ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کی صلاحیت اور جذب کی مدت کے لحاظ سے، 523 اور 573 K کے درمیان درجہ حرارت وقت کو صرف 6% کم کرتا ہے۔لہذا، MH-SCHE ری ایکٹر کے ابتدائی درجہ حرارت کے طور پر 573 K کا درجہ حرارت تجویز کیا گیا ہے۔تاہم، جذب کے عمل پر ابتدائی درجہ حرارت کا اثر لوڈنگ پریشر کے مقابلے میں کم اہم تھا۔ضمنی حصہ 15500 s پر مختلف ابتدائی درجہ حرارت کے لیے ہائیڈروجن کے ارتکاز کی شکل دکھاتا ہے۔
بہاؤ کی شرح ہائیڈروجنیشن اور ڈی ہائیڈروجنیشن کے اہم پیرامیٹرز میں سے ایک ہے کیونکہ یہ ہائیڈروجنیشن اور ڈی ہائیڈروجنیشن59 کے دوران ہنگامہ خیزی اور گرمی کو ہٹانے یا ان پٹ کو متاثر کر سکتی ہے۔اعلی بہاؤ کی شرح ہنگامہ خیز مراحل پیدا کرے گی اور اس کے نتیجے میں HTF نلیاں کے ذریعے تیز تر سیال بہاؤ ہوں گی۔اس ردعمل کے نتیجے میں گرمی کی تیزی سے منتقلی ہوگی۔HTF کے لیے داخلے کی مختلف رفتار کا حساب 10,000، 14,000، 18,000 اور 22,000 کے رینالڈس نمبروں کی بنیاد پر کیا جاتا ہے۔ایم جی پرت کا ابتدائی درجہ حرارت 573 K اور لوڈنگ پریشر 1.8 MPa پر طے کیا گیا تھا۔انجیر میں نتائج۔8c یہ ظاہر کرتا ہے کہ SCHE کے ساتھ مل کر ایک اعلیٰ رینالڈس نمبر استعمال کرنے سے تیز رفتاری کی شرح ہوتی ہے۔جیسا کہ رینالڈس کی تعداد 10,000 سے 22,000 تک بڑھ جاتی ہے، جذب کا وقت تقریباً 28-50% تک کم ہو جاتا ہے۔22,000 کے رینالڈس نمبر پر جذب ہونے کا وقت 12,505 سیکنڈ ہے، جو مختلف ابتدائی لوڈنگ درجہ حرارت اور دباؤ سے کم ہے۔12500 s پر GTP کے لیے مختلف رینالڈس نمبرز کے لیے ہائیڈروجن کنسنٹیشن کی شکلیں ضمنی حصے میں پیش کی گئی ہیں۔
HTF کے ابتدائی درجہ حرارت پر SCHE کے اثر کا تجزیہ کیا گیا ہے اور تصویر 8d میں دکھایا گیا ہے۔573 K کے ابتدائی MG درجہ حرارت اور 1.8 MPa کے ہائیڈروجن لوڈنگ پریشر پر، اس تجزیہ کے لیے چار ابتدائی درجہ حرارت کا انتخاب کیا گیا: 373 K، 473 K، 523 K، اور 573 K. 8d ظاہر کرتا ہے کہ کولنٹ کے درجہ حرارت میں کمی inlet میں جذب وقت میں کمی کی طرف جاتا ہے.573 K کے داخلی درجہ حرارت کے ساتھ بیس کیس کے مقابلے میں، 523 K، 473 K اور 373 K کے داخلی درجہ حرارت کے لیے جذب وقت تقریباً 20%، 44% اور 56% کم ہو گیا تھا۔6917 s پر، GTF کا ابتدائی درجہ حرارت 373 K ہے، ری ایکٹر میں ہائیڈروجن کا ارتکاز 90% ہے۔اس کی وضاحت ایم جی پرت اور ایچ سی ایس کے درمیان محرک حرارت کی منتقلی کے ذریعے کی جا سکتی ہے۔کم HTF درجہ حرارت گرمی کی کھپت میں اضافہ کرے گا اور اس کے نتیجے میں ہائیڈروجن کی مقدار میں اضافہ ہوگا۔تمام آپریٹنگ پیرامیٹرز میں، HTF انلیٹ درجہ حرارت کو بڑھا کر MH-SCHE ری ایکٹر کی کارکردگی کو بہتر بنانا سب سے موزوں طریقہ تھا، کیونکہ جذب کے عمل کا اختتامی وقت 7000 s سے کم تھا، جبکہ دیگر طریقوں کا سب سے کم جذب کرنے کا وقت زیادہ تھا۔ 10000 s سے زیادہہائیڈروجن ارتکاز کی شکلیں GTP کے مختلف ابتدائی درجہ حرارت کے لیے 7000 s کے لیے پیش کی جاتی ہیں۔
یہ مطالعہ پہلی بار میٹل ہائیڈرائیڈ سٹوریج یونٹ میں مربوط ایک نیا نیم بیلناکار کوائل ہیٹ ایکسچینجر پیش کرتا ہے۔ہائیڈروجن کو جذب کرنے کے لیے مجوزہ نظام کی صلاحیت کی جانچ ہیٹ ایکسچینجر کی مختلف ترتیبوں سے کی گئی۔دھاتی ہائیڈرائڈ پرت اور کولنٹ کے درمیان حرارت کے تبادلے پر آپریٹنگ پیرامیٹرز کے اثر و رسوخ کی چھان بین کی گئی تاکہ نئے ہیٹ ایکسچینجر کا استعمال کرتے ہوئے میٹل ہائیڈرائڈز کو ذخیرہ کرنے کے لئے بہترین حالات تلاش کیا جا سکے۔اس مطالعے کے اہم نتائج کا خلاصہ اس طرح کیا گیا ہے:
نیم بیلناکار کوائل ہیٹ ایکسچینجر کے ساتھ، حرارت کی منتقلی کی کارکردگی بہتر ہوتی ہے کیونکہ اس میں میگنیشیم لیئر ری ایکٹر میں گرمی کی زیادہ یکساں تقسیم ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں ہائیڈروجن جذب کی شرح بہتر ہوتی ہے۔بشرطیکہ ہیٹ ایکسچینج ٹیوب اور میٹل ہائیڈرائڈ کا حجم کوئی تبدیلی نہ رہے، روایتی کوائلڈ کوائل ہیٹ ایکسچینجر کے مقابلے جذب کے رد عمل کا وقت نمایاں طور پر 59 فیصد کم ہوجاتا ہے۔
پوسٹ ٹائم: جنوری 15-2023