双层级翅片管换热器在大规模金属氢化物反应器中的氢吸收数值模拟与热管理优化

为解决大规模金属氢化物反应器(MHR)热管理效率低、温度梯度大的问题，研究人员开发了集成双层级双板纵向翅片管换热器的80 kg储氢系统三维模型。研究表明，该设计显著降低峰值温度(367.15 K→338.15 K)，优化传热流体(HTF)流速和初始氢压可提升吸收速率，为高容量固态储氢(SSHS)系统设计提供重要理论支撑。

　　

在全球推进"双碳"战略的背景下，氢能作为清洁能源载体面临储存技术瓶颈。传统金属氢化物反应器(MHR)在扩大规模时，因热传导性能差导致温度梯度剧增，严重制约氢吸收/desorption速率。尤其当储氢量超过80公斤级时，现有单层换热设计难以满足快速充放需求，成为制约氢能商业化应用的关键技术壁垒。

河南理工大学团队创新性地提出双层级双板纵向翅片管换热器架构，通过建立三维非等温传热-反应耦合模型，首次实现了80 kg级MHR系统的性能预测。研究发现，翅片结构将床层最高温度降低29 K，传热流体(Heat Transfer Fluid, HTF)流速从0.1增至0.5 m/s可使氢吸收速率提升37%。特别值得注意的是，初始氢压从3 MPa升至5 MPa时，系统能在90分钟内完成80%储氢容量，这为工业级储氢设备参数优化提供了量化依据。

关键技术包括：1) 基于PCT曲线构建CN-1合金热力学模型；2) 建立包含多孔介质传质、非等温管流的三维CFD模型；3) 采用双板纵向翅片增强传热；4) 通过多入口/出口设计优化流体分布。实验验证采用304不锈钢反应器，内置铝制翅片，监测点温差控制在±5 K内。

【Reactor design and experimental set-up】
2.5立方米反应器采用双层16管布局，TC1/TC2热电偶监测显示，模拟与实测温度偏差<7%，验证模型可靠性。

【Kinetic and thermodynamic analysis】
CN-1合金在293.15 K时最大储氢容量达1.92 wt%，通过Van't Hoff方程计算得到吸收焓ΔH为-28.7 kJ/mol H₂，符合稀土系储氢材料特性。

【Thermodynamic and kinetic analysis for hydrogen absorption】
对比传统单管设计，双层级翅片使温度均匀性提升60%，HTF流速0.3 m/s时达到性价比最优，此时氢吸收速率达120 Nm³/h。

结论表明，该研究突破了大尺度MHR的热阻瓶颈，提出的"翅片缩短传热距离+多流道强化对流"协同策略，使系统在3-5 MPa工作压力下实现>180 Nm³/h的释氢速率。Dong Zhang等开发的数值模型成功预测了吨级镁基储氢系统的动态行为，为分布式能源系统(DERS)的储氢模块设计建立了标准化评估方法。这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的成果，标志着中国在大型SSHS工程仿真领域达到国际领先水平。