Моделирование процессов тепломассообмена в металлогидридных аккумуляторах водорода

• Автор: Боровских, Ольга Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 106 с. : ил.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ВОДОРОДОПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕДАХ
1.1. Общие закономерности взаимодействия СНВ с водородом
1.2. Кинетика взаимодействия СНВ с водородом
1.3. Эффективные коэффициенты теплопроводности пористой среды, твердой и газовой фаз
1.4 Межфазный теплообмен «твердые частицы - газ» в засыпках
1.5 Коэффициент проницаемости засыпки
1.6. Расчетно-теоретические исследования процессов тепломассообмена в
аккумуляторах водорода
1.7 Выводы
2. ОПИСАНИЕ ИССЛЕДУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТАЛЛОГИДРИДНЫХ РЕАКТОРОВ, РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ИМС
2.1. Цилиндрический реактор с внутренним оребрением
2.2. Кожухотрубный металлогидридный реактор
2.3. Характеристики ИМС
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В МЕТАЛЛОГИДРИДНОМ РЕАКТОРЕ
3.1. Общие сведения о пакете ANES и описание подхода к моделированию металлогидридного реактора сложной конструкции
3.2. Математическая модель внешней задачи
3.3. Математическая модель внутренней задачи
4. ЗАМЫКАЮЩИЕ СООТНОШЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
4.1. Коэффициенты проницаемости и межфазной теплоотдачи для пучка картриджей (внешняя задача)
4.2. Коэффициенты проницаемости и межфазной теплоотдачи для засыпок ИМС (внутренняя задача)
4.3. Кинетика реакции сорбции/десорбции
4.4. Изотермы равновесного давления
4.5. Эффективный коэффициент теплопроводности
5. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
5.1. Организация численного решения
5.2. Тестовый расчет
5.3. Исследование эффективности оребрения активного объема реактора
5.3.1. Сорбция водорода
5.3.1. Десорбция водорода
5.4. Исследование процессов теплообмена в кожухотрубном реакторе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

В настоящее время основной альтернативой традиционным видам топлива является водород - универсальный, возобновляемый и экологически чистый энергоноситель [1—6]. Активные исследования в области применения водорода в качестве энергоносителя привели к появлению такого понятия как «водородная энергетика» [7]. В качестве одного из перспективных способов аккумулирования водорода рассматривается хранение его в твердофазном связанном состоянии в гидридах металлов. Уникальное свойство некоторых интерметаллических сплавов (ИМС) на основе редкоземельных и других металлов, заключающееся в способности избирательно и обратимо поглощать большие объемы водорода с образованием гидридных фаз, позволяет создавать на их основе разнообразные устройства, находящие все более широкое применение в современной и перспективной технике. В их числе не только аккумуляторы водорода для систем топливообеспечения транспортных установок и энергоустановок на базе топливных элементов, но и устройства для очистки и разделения изотопов водорода, тепловые насосы, компрессоры, системы кондиционирования, холодопроизводящие установки и т.д. [8—13]. Активные исследования и разработки последних десятилетий в этой области привели к созданию эффективных сплавов-накопителей водорода (СНВ) для широкого диапазона рабочих температур и давлений [14-18].
Обычно водородопоглощающий сплав в системах аккумулирования представляет собой мелкодисперсную засыпку из частиц диаметром
<Зр=10 -г 10 м. Это обстоятельство обусловлено не только
предварительным измельчением сплава с целью увеличения активной поверхности, но и разрушением частиц ИМС в режимах циклической сорбции/десорбции. Особенностями таких систем является также наличие реакции с большим тепловым эффектом на поверхности раздела твердое тело-газ, существенная зависимость равновесного давления водорода над твердой фазой от температуры, а также низкая эффективная
теплопроводность аккумулирующей среды, препятствующая интенсивному отводу (подводу) тепла при сорбции (десорбции) водорода. Поэтому задача обеспечения благоприятных условий для эффективного тепломассообмена в среде аккумулирования при работе металлогидридных аккумуляторов водорода является весьма сложной и приобретает первостепенное значение при проектировании устройств с заданными характеристиками.
В связи с тем, что экспериментальные исследования процессов, протекающих в системах аккумулирования водорода, а также поиск оптимальных режимных параметров и конструкторских решений достаточно сложны и сопряжены с большими материальными затратами, актуальными являются исследования методом численного моделирования, особенно на стадии предпроектных проработок новых типов конструкций.
Тематика диссертационной работы соответствует критической технологии «Технологии водородной энергетики», приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», целям и задачам проекта «Твердофазные обратимые системы хранения водорода для энергоустановок на базе топливных элементов» Международного партнерства по водородной экономике (IPHE).
Данная работа является продолжением исследований, начатых в [1926].
Цели работы состоят в:
• разработке трехмерной математической модели для описания процессов тепломассопереноса, протекающих в различных металлогидридных реакторах сложной геометрической формы в режимах сорбции/десорбции водорода;
• реализации математической модели в виде программных средств, в основе которых используется пакет прикладных программ ANES, и разработке параллельных алгоритмов для двух- и более уровневых

Рис. 19. Продольный разрез кожухотрубного реактора: 1,2 — фланцы; 3 - металлогидридные картриджи; 4 - корпус; 5, 6 - входные патрубки для внешнего и внутреннего теплоносителя; 7, 8 - входной и выходной коллекторы для внутреннего теплоносителя; 9, 10 - выходные патрубки для внутреннего и внешнего теплоносителя; 11, 13 - штуцеры для датчиков температуры, 12 - штуцер для подачи водорода.

Рис. 20. Поперечный разрез реактора, цифрами указаны «номера» картриджей