Моделирование процессов сорбции/десорбции водорода в твердофазных системах хранения и очистки водорода

• Автор: Минко, Константин Борисович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 176 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДОРОДА
1.1. Основные уравнения математической модели
1.2. Пакет прикладных программ ANES
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ВОДОРОДОПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕДАХ
2.1. Общие закономерности взаимодействия СНВ с водородом
2.2. Эффективная теплопроводность пористых сред
2.3. Гидравлическое сопротивление в пористых средах при малых
числах Рейнольдса
2.4. Теплообмен в пористых средах при малых числах Рейнольдса
2.5. Выводы
ГЛАВА 3. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН В ЗАСЫПКАХ ИЗ СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ
3.1. Моделирование свободно насыпанного слоя частиц
3.2. Расчет эффективной теплопроводности засыпок из сферических
частиц
3.3. Расчет гидродинамических полей в слоях сферических частиц
3.3.1. Тестовый расчет
3.3.2. Гидравлическое сопротивление упорядоченных упаковок и свободно насыпанных слоев из сфер одинакового диаметра
3.3.3. Гидравлическое сопротивление в свободно насыпанных слоях из сфер с заданной функцией распределения частиц по диаметрам
3.3.4. Выбор расчетной сетки и определение требуемого количества узлов для расчета гидравлического сопротивления слоев из сферических частиц
3.4. Расчет температурных полей в упаковках из сферических частиц
3.4.1. Тестовый расчет и определение требуемого количества узлов для расчета температурных полей
3.4.2. Выбор расчетной сетки и определение требуемого количества узлов для расчета теплообмена в упаковках из сферических частиц
3.4.3. Теплообмен в упаковках из сфер одинакового диаметра
3.5. Расчет массоотдачи в упаковках из сферических частиц
3.6. Выводы

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СОРБЦИИ (ДЕСОРБЦИИ)
ВОДОРОДА В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДОРОДА
4Л. Замыкающие соотношения математической модели
4.2. Результаты моделирования десорбции водорода в аккумуляторе РХО-1 ОИВТ РАН
4.2.1. Описание конструкции реактора РХО
4.2.3. Результаты численного моделирования процессов десорбции водорода в аккумуляторе РХО
4.3. Результаты моделирования десорбции водорода в аккумуляторе РХО-3 ОИВТ РАН
4.3.1. Описание конструкции реактора РХО-3 и экспериментальных данных ОИВТ РАН
4.3.2. Результаты численного моделирования процессов десорбции водорода в аккумуляторе РХО
4.4. Результаты моделирования десорбции водорода в аккумуляторе РХ-1 ОИВТ РАН при различных схемах подвода греющего теплоносителя
4.4.1. Описание конструкции реактора РХ-1 и экспериментальных данных ОИВТ РАН
4.4.2. Результаты численного моделирования процессов десорбции водорода в аккумуляторе РХ
4.4.3. Анализ энергозатрат для обеспечения заданного режима десорбции водорода
4.4.4. Подогрев картриджей смесью пропиленгликоль-вода
4.5. Результаты моделирования сорбции водорода из смеси газов в аккумуляторе РХОП-1 ОИВТ РАН
4.5.1. Описание конструкции реактора РХОП-1 и экспериментальных данных ОИВТ РАН
4.5.2. Результаты численного моделирования процессов сорбции водорода в аккумуляторе РХОП-1 ОИВТ РАН
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Аккумулирование, транспортировка и хранение энергии являются важными прикладными проблемами. Одним из перспективных способов их решения является использование водорода в качестве универсального энергоносителя. Данный выбор обусловлен рядом преимуществ, главными из которых являются экологическая безопасность водорода, поскольку продуктом его сгорания является вода, исключительно высокая удельная теплота сгорания (143 МДж/кг), практически неограниченные ресурсы для его производства [1-3]. Однако в настоящее время новые технологии производства водорода, способы его хранения и транспортировки, которые рассматриваются как перспективные для «водородной энергетики», находятся на стадии опытных разработок и лабораторных исследований, что в значительной мере сдерживает масштабное применение водорода в энергетике [4].
В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с хранением и очисткой водорода с использованием интерметаллических соединений (ИМС) в качестве сплавов-накопителей водорода (СНВ) [5]. Хотя данный способ является далеко не единственным [6,7], он обладает рядом преимуществ и может найти свою «экономическую нишу». Главными достоинствами твердофазных систем хранения водорода являются их компактность и высокая безопасность. Благодаря последнему их использование в системах топливообеспечения автономных энергоустановок на базе топливных элементов (ТЭ), развитие которых является одним из основных направлений современных разработок по использованию водорода в малой энергетике [3,8,9], предпочтительно по сравнению с другими способами хранения водорода. Способность некоторых ИМС селективно и обратимо поглощать большие объемы водорода с образованием гидридных фаз, сильная зависимость равновесного давления от температуры позволяют

«случайно» сформированных засыпках из сферических частиц с заданной функцией распределения по размерам. Данный метод можно рассматривать как развитие методик, основанных на изучении процессов теплопроводности, происходящих в модельных ячейках пористой среды, что позволяет надеяться на получение результатов, более близких к действительности.
2.3. Гидравлическое сопротивление в пористых средах при малых
числах Рейнольдса
Прокачка жидкости через пористые материалы связана со значительными гидравлическими потерями. Так как в системах очистки и хранения водорода СНВ как правило используются в виде мелкодисперсного порошка, то при движении водорода в них могут возникать существенные градиенты давления, влияющие на скорость сорбции (десорбции) водорода. Как было показано в работе [31, 33], данное влияние существенно, например, на начальном этапе активной сорбции (в течение первых 20 с), хотя в дальнейшем неоднородность давления в металлогидридном аккумуляторе незначительна и практически не влияет на скорость сорбции, если давление в системе заметно выше равновесного. Но в системах, в которых за короткий срок поглощается (выделяется) значительное количество водорода или различие между давлением в системе и равновесным давлением незначительно, падение давления из-за высокого гидравлического сопротивления пористой среды может оказывать сильное влияние на динамику сорбции (десорбции) водорода.
Несмотря на то, что течение в пористых средах является предметом исследований на протяжении уже многих десятилетий, универсальной общепринятой методики расчета гидравлического сопротивления таких систем до сих пор не создано. Имеется огромный массив экспериментальных данных и значительное количество расчетных методик. Наиболее исследованным является течение жидкости через однородные пористые