Математическое и численное моделирование процессов тепломассообмена в металлогидридных устройствах хранения и очистки водорода

• Автор: Лазарев, Дмитрий Олегович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 106 с. : ил.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ВОДОРОДПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕДАХ

1.1. Общие закономерности взаимодействия СНВ с водородом

1.2. Кинетика реакции сорбции-десорбции

1.3. Эффективный коэффициент теплопроводности пористой среды

1.4. Расчетно-теоретические исследования процессов тепломассообмена в аккумуляторах водорода
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В МЕТАЛЛОГИДРИДНОМ АККУМУЛЯТОРЕ ВОДОРОДА

2.1. Основные допущения

2.2. Система дифференциальных уравнений математической модели нестационарных процессов тепломассопереноса

® 2.3. Замыкающие соотношения математической модели

2.3.1. Коэффициент межфазной теплоотдачи

2.3.2. Коэффициент проницаемости

2.3.3. Кинетика реакции сорбции
* 2.3.4. Изотермы равновесного давления
2.3.5. Эффективный коэффициент теплопроводности
2.4. Численное решение уравнений математической модели
2.5. Тестовый расчет
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СОРБЦИИ ВОДОРОДА В МЕТАЛЛОГИДРИДНОМ АККУМУЛЯТОРЕ
3.1. Модель металлогидридного реактора
® 3.2. Анализ тепловой равновесности фаз
3.3. Чувствительность результатов расчета к выбору соотношений для проницаемости
3.4. Чувствительность результатов расчета к выбору модели кинетики
3.5. Влияние теплового состояния засыпки на скорость сорбции
3.6. Влияние неабсорбируемых газовых примесей на скорость сорбции
3.7. Режим короткоцикловой сорбции
3.8. Оптимизация конструкции реактора
* 3.9. Влияние режимных параметров на скорость сорбции
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• ЛИТЕРАТУРА

Энергоэкологическая ситуация, сложившаяся в мире к началу XXI века, такова, что вопросы сокращения и постепенного замещения традиционных топлив (нефти, газа и др.) и снижения вредных выбросов в окружающую среду приобретают первостепенное значение. Возникшие экологические и энергетические проблемы являются следствием интенсивного развития энергоустановок малой и средней мощности, представляющих энергетику транспортных, сельскохозяйственных и строительных машин, причем наиболее энергоемким является сектор транспорта. Среди различных альтернативных способов получения энергии одним из наиболее перспективных признано использование водорода. Активные исследования в области применения водорода в качестве энергоносителя привели к появлению такого понятия как «водородная энергетика» [1].
Выбор водорода как энергоносителя обусловлен рядом преимуществ, главные из которых:
- экологическая безопасность водорода (продуктом его сгорания является вода);
- исключительно высокая удельная теплота сгорания, равная 143,06 МДж/кг (для условного углеводородного топлива — 29,3 МДж/кг);
- высокая теплопроводность, а также низкая вязкость, что очень важно при транспортировке водорода по трубопроводам;
- практически неограниченные запасы сырья, если в качестве исходного соединения для получения водорода рассматривать воду.
Проблема использования водорода в качестве источника энергии является комплексной. Она включает довольно обширный круг вопросов: получение водорода из воды или другого природного сырья по конкурентоспособным ценам, создание систем очистки и аккумулирования водорода, его транспортировку и хранение, разработку наиболее эффективных способов работы современных и перспективных энергетических установок на водороде, а также решение ряда самостоятельных вопросов, таких, например, как, создание инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию различных энергетических установок.
Одной из важнейших проблем водородной энергетики является создание эффективных методов и средств аккумулирования водорода. В настоящее время рассматриваются следующие способы аккумулирования [1]:
• в газообразном состоянии под давлением (в крупным масштабах в подземных хранилищах и крупных газгольдерах, в относительно небольших масштабах — в баллонах различных типов);
• в жидком состоянии в криогенных емкостях;
• в твердофазном связанном состоянии в сплавах-накопителях водорода (СНВ);
• в адсорбированном состоянии на криоадсорбентах при низких температурах;
• в химически связанном состоянии в жидких средах;
• в комбинированных системах.
В данной работе исследуются различные аспекты аккумулирования водорода в твердофазном связанном состоянии в СНВ.
Интерес к сплавам-накопителям водорода с каждым годом нарастает, поскольку эти материалы позволяют осуществить более компактное хранение водорода по сравнению с другими способами. Плотность водорода в единице объема многих гидридов превышает плотность жидкого водорода. К тому же при диссоциации гидридов выделяется водород очень высокой чистоты. Дополнительное преимущество СНВ состоит в том, что для зарядки контейнера требуются относительно низкие давления водорода.
Хотя гидриды металлов в различных целях использовались давно, новый мощный импульс исследованиям в этом направлении дала обнаруженная в 1969 г. способность интерметаллида Ьа№5 обратимо и с высокой скоростью взаимодействовать с водородом при температурах, близких к комнатной и давлениях водорода порядка 0,1 МПа. Довольно скоро было выявлено, что этой способностью отличаются многие интерметаллические соединения состава ЯТ5, где Я — редкоземельный металл, а Т — никель или кобальт. В дальнейшем было показано, что аналогичными свойствами обладает ряд интерметаллидов титана, циркония,
Рис. 9. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности пористой среды, заполненной газовой смесью водорода, азота и углекислого газа, от мольной концентрации водорода; /хСОг =15/19,/7 = 8 атм, Т= 20 °С, пористость е = 0,43.
Как видно из графика, при уменьшении концентрации водорода в рассматриваемой смеси газов, эффективный коэффициент теплопроводности уменьшается более чем в 5 раз. Данный результат вполне закономерен, так как коэффициент теплопроводности водорода почти на порядок превышает коэффициенты теплопроводности других компонентов смеси.
2.4. Численное решение уравнений математической модели
Система дифференциальных уравнений, описывающих поля температур, скорости и концентраций компонентов в пористой среде решалась численно с помощью пакета прикладных программ «ANES», разработанного на кафедре инженерной теплофизики МЭИ.
Пакет «ANES» предназначен для моделирования одно-, двух- и трехмерных течений однофазной многокомпонентной сплошной среды в областях сложной геометрической формы, содержащих внутри твердые проницаемые и непроницаемые объекты. В составе пакета имеется набор математических моделей и численных алгоритмов для решения широкого класса задач гидродинамики и тепломассообмена.