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

Размещено на http://www.allbest.ru/

19

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В МЕТАЛЛОГИДРИДНЫХ УСТРОЙСТВАХ ХРАНЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДОРОДА

Лазарев Дмитрий Олегович

01.04.14 -- теплофизика и теоретическая теплотехника

Москва

2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (технический университет)» на кафедре инженерной теплофизики

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Яньков Георгий Глебович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дмитриев Александр Сергеевич

кандидат физико-математических наук

Потапкин Борис Васильевич

Ведущая организация: Институт высоких температур РАН

Защита состоится 19 мая 2006 года в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корпус Т, кафедра инженерной теплофизики, комната Т-206

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан 18 апреля 2006 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04

к.ф.-м.н., доцент Мика В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Водород как универсальный, возобновляемый и экологически чистый источник энергии является в настоящее время основной альтернативой традиционным видам топлива. В последние годы особый интерес к водородной энергетике обусловлен интенсивным развитием топливных элементов, позволяющих с высоким кпд преобразовать химическую энергию в электрическую. Активно разрабатываются водородные технологии для автономной энергетики наземного транспорта, авиации, химической, электронной и других отраслей промышленности, использующих водород в качестве экологически чистого топлива, хладоагента, химического реагента и пр. В настоящее время ведутся исследования по созданию эффективных систем твердофазного хранения водорода в связанном состоянии с использованием сплавов-накопителей водорода (СНВ). При конструировании водородных аккумуляторов на основе СНВ разработчики сталкиваются со следующими особенностями процессов, протекающих в этих устройствах:

· большим тепловым эффектом реакции гидрирования/дегидрирования;

· низкой эффективной теплопроводностью металлогидридных засыпок, препятствующей интенсивному отводу (подводу) тепла при сорбции (десорбции) водорода;

· существенной зависимостью равновесного давления водорода над твердой фазой от температуры частиц сплава;

· воздействием примесей, находящихся в исходном газе, на кинетику реакции сорбции--десорбции.

Перечисленные факторы существенным образом влияют на скорость сорбции (десорбции) водорода в аккумуляторе. Для оценки рабочих характеристик аккумуляторов различных типоразмеров, оптимизации их конструкций и режимных параметров необходимо иметь возможность детально анализировать процессы, протекающие внутри указанных устройств. Учитывая, что проведение многовариантных экспериментальных исследований сопряжено с большими материальными и временными затратами, особая роль при проектировании систем аккумулирования водорода отводится методам математического моделирования. Поэтому изучение процессов тепломассопереноса в рассматриваемых средах и создание надежной математической модели для их описания приобретают первостепенное значение при создании эффективных систем очистки и аккумулирования водорода.

Диссертационная работа является составной частью исследований, ведущихся по разделу ЭЭ.22.2/001 «Исследования, разработки и создание новых технологий и систем безопасного хранения водорода в твердофазном связанном состоянии на основе металлогидридов и композитных наноструктурных материалов» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы по направлению «Энергетика и энергосбережение».

Цель работы

Целью работы является:

· создание математической модели, описывающей теплофизические характеристики пористых металлогидридных сред, насыщенных газовой смесью, и процессы тепло- и массопереноса при поглощении и выделении водорода в металлогидридных реакторах;

· реализация математической модели в виде универсальных программных средств, доступных ординарному пользователю;

· проведение численных расчетов с использованием разработанных математических моделей применительно к металлогидридным устройствам очистки и аккумулирования водорода различных конструкций, получение количественных характеристик работы этих устройств;

· анализ механизмов процессов тепломассопереноса, протекающих в реакторах, и выявление основных факторов, определяющих динамику сорбции;

· выработка рекомендаций по оптимизации конструкции и режимов работы указанных устройств.

Научная новизна

· Разработана трехмерная математическая модель нестационарных процессов тепломассопереноса в пористых водородпоглощающих средах, учитывающая наличие «пассивных» газовых примесей в водороде.

· Предложена оригинальная методика расчета эффективного коэффициента теплопроводности пористой среды, насыщенной газовой смесью. Методика позволяет рассчитывать эффективный коэффициент теплопроводности в зависимости от состава газовой фазы, с учетом реального распределения пор засыпки по размерам и наличия температурного скачка (эффекта Кнудсена) на межфазной поверхности при размере пор менее 10-5 м.

· Впервые проведены систематические численные исследования процессов сорбции чистого водорода и водорода, загрязненного пассивными газовыми примесями, в реакторах на основе металлогидридов. Получены нестационарные поля температуры, концентрации водорода в газовой и твердой фазах, поля скорости и давления газа.

· Показано, что наличие даже небольшого количества примесей в газовой фазе (2--3 %)существенным образом изменяет динамику сорбции.

· Впервые обнаружено, что при загрязнении водорода примесными газами в свободном объеме реактора развивается интенсивное трехмерное свободно-конвективное движение газа, обусловленное градиентом концентрации компонент газовой смеси. Показано, что концентрационная конвекция оказывает существенное влияние на процессы, протекающие в реакторах со свободным объемом. Для подобного типа реакторов продемонстрировано влияние на динамику сорбции ориентации устройства относительно вектора силы тяжести.

· Впервые представлены результаты численного моделирования короткоциклового режима сорбции водорода из газовой смеси.

Практическая значимость

· Для некоторых конструктивно традиционных вариантов исполнения металлогидридных реакторов представлены подробные данные по нестационарным полям температуры и концентрации водорода в твердой и газовой фазах, а также поля давления и скорости газа в режимах абсорбции чистого водорода и водорода загрязненного примесями.

· Продемонстрировано существенное влияние теплового состояния аккумулирующей среды, давления и состава газовой фазы на динамику сорбции.

· Представлены данные об эффективности применения различных методов охлаждения аккумулирующей среды (оребрение, использование охлаждающего трубного пучка, применение тонкого слоя сорбента).

· Предложены рекомендации по оптимизации конструкции и режимов работы металлогидридного реактора. Описана конструкция реактора, обеспечивающая высокую скорость сорбции водорода из газовой смеси. Проведен расчет количественных характеристик и проанализировано влияние режимных параметров на работу предложенной конструкции реактора.

· Показано, что применение режима короткоцикловой сорбции позволяет заметно повысить скорость аккумулирования водорода, загрязненного примесями.

· Разработанные математическая модель и программное обеспечение могут быть использованы для моделирования и анализа процессов сорбции и десорбции водорода в различных металлогидридных устройствах, оценки эффективности и оптимизации их конструкции и режимов работы.

· Полученные данные использованы в Институте высоких температур РАН при проектировании и модернизации металлогидридных реакторов, входящих в систему очистки и хранения водорода.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов работы обусловлена использованием в основе математической модели фундаментальных физических законов, выбором наиболее надежных эмпирических соотношений для замыкания математической модели, проведением серии тестовых расчетов, сравнением результатов с данными других авторов.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены:

· на 3-й Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002 г.);

· XIV и XV Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Рыбинск, 2003 г. и Калуга, 2005 г.);

· Международной конференции по хранению водорода (Лукка, Италия, 2005 г.);

· Международном симпозиуме по водородной энергетике (Москва, 2005 г.);

· Международном Форуме «Водородные технологии для производства энергии» (Москва, 2006 г.);

· на семинарах Института высоких температур РАН под руководством академика А.Е. Шейндлина и зав. лабораторией интенсификации тепловых процессов Института высоких температур РАН д. ф.-м. н. С.П. Малышенко.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 105 страниц, включая 62 рисунка, 4 таблицы, и библиографию, содержащую 70 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

математический моделирование тепломассообмен водород

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость темы диссертации, сформулированы основные задачи исследования, кратко изложено содержание отдельных глав работы.

В первой главе описаны общие закономерности взаимодействия СНВ с водородом. Проведен аналитический обзор работ, посвященных экспериментальным и теоретическим исследованиям процессов тепломассопереноса в водородпоглощающих средах. Рассмотрены имеющиеся данные об эффективных теплофизических и химических свойствах металлогидридных пористых сред. Отмечено, что скорость химической реакции абсорбции водорода в активированной интерметаллической засыпке при заданном постоянном давлении ограничивается, как правило, из-за нарушения требуемого теплового режима вследствие низкой эффективной теплопроводностью засыпки, препятствующей интенсивному отводу (или подводу в случае десорбции) тепла. Показано, что все опубликованные к настоящему времени работы расчетно-теоретического плана ограничиваются лишь двумерной постановкой задач сорбции-десорбции чистого водорода. Какие-либо результаты расчетов трехмерных задач сорбции водорода из газовых смесей в доступной литературе отсутствуют. Главу заканчивает краткий обзор работ, посвященных изучению влияния примесных газов на сорбционные свойства водородпоглощающих материалов. Выполненный анализ позволил определить круг нерешенных задач и выявить наиболее актуальные направления исследований.

Во второй главе диссертации представлено описание трехмерной математической модели процессов тепломассопереноса в пористой водородпоглощающей среде. В качестве основных уравнений математической модели используются дифференциальные уравнения механики гетерогенной среды в приближении взаимопроникающих континуумов. Математическое описание включает в себя систему трехмерных нестационарных уравнений сохранения массы и энергии для твердой и газовой фаз, а также уравнение сохранения импульса для газовой фазы. При этом предполагается, что газовая фаза представляет собой гомогенную смесь, состоящую из N компонентов, один из которых водород, а твердая фаза неподвижна и состоит из непроницаемых структур (стенки, охлаждающие трубки и т.п.), проницаемых «пассивных» структур, не поглощающих водород (перфорированные ребра, внутренняя стенка), и «активных» структур (слои частиц интерметаллида). Изменение объема твердой фазы в процессе сорбции/десорбции не учитывается.

Дифференциальные уравнения математической модели для каждой из фаз имеют следующий вид. Уравнения сохранения массы (1) и энергии (2) для твердой фазы:

; (1)

; (2)

Уравнения сохранения массы j-го компонента (3), сохранения импульса в проекции на ось i (4) и сохранения энергии (5) для газовой фазы:

(3)

;

(4)

(5)

Здесь  -- пористость,  -- начальная плотность твердой фазы (кг/м3), Х -- число молей связанного водорода в одном моле металла, ММе, МН --молекулярные массы металла и атомарного водорода (кг/моль), --объемная мощность источника массы водорода (кг/(м3с)),  -- плотность фазы (кг/м3), Т -- температура (К), р -- давление (Па),  -- эффективная теплопроводность фазы (Вт/(м·К)),  -- коэффициент межфазной теплоотдачи (Вт/(м2•К)),  -- удельная межфазная поверхность (м2/м3),  -- тепловой эффект реакции абсорбции/десорбции (Дж/кг), xj -- массовая концентрация j-ого компонента смеси,  -- вектор осредненной скорости газа в порах (м/с),  -- эффективный коэффициент диффузии j-ого компонента смеси (м2/с),  -- эффективная динамическая вязкость (Пас), ki -- проницаемость в направлении i-ой оси (м-2), gi --проекция ускорения свободного падения на i-ю ось (м/с2), сp -- удельная изобарная теплоемкость фазы (Дж/(кг·К)). Индексы «g» и «s» относятся к газовой и твердой фазам соответственно, а индекс «gs» -- к межфазной поверхности.

Для замыкания математической модели используются дополнительные соотношения. В работе предложена оригинальная методика расчета коэффициента эффективной теплопроводности пористой среды, насыщенной газовой смесью, которая учитывает неоднородное распределение пор по размерам, а также наличие эффекта Кнудсена в порах. Для каждого из N компонентов газовой фазы рассчитывается средняя длина свободного пробега молекул и число Кнудсена Kni. Теплопроводность i-го компонента с учетом переходного режима и температурного скачка, определяется по формуле

, где gi -- теплопроводность газа при нормальном давлении (Kn 0), а -- эмпирический коэффициент (для засыпок из сплавов на основе LaNi5 а = 0,08). Далее проводится усреднение по размерам пор засыпки для каждого компонента смеси и рассчитывается коэффициент теплопроводности газовой смеси лg по формулам Масона и Саксены. Эффективный коэффициент теплопроводности газовой смеси определяется по уравнению, которое является предельным случаем уравнения Бруггемана при лs<< лg: . Эффективный коэффициент теплопроводности твердой фазы рассчитывается по формуле , где -- эффективный коэффициент теплопроводности вакуумированной пористой засыпки в случае локального теплового равновесия между твердой и газовой фазами, то есть в «однотемпературном» приближении. Анализ известных экспериментальных данных по эффективной теплопроводности в вакуумированных засыпках, показывает, что при почти полном отсутствии газа в порах значение этого коэффициента теплопроводности лежит в диапазоне 0,004--0,1 Вт/(м•К). Более подробно методика описана в публикации [4].

Приведены замыкающие соотношения, описывающие свойства водородпоглощающей среды и межфазное взаимодействие между газовой и твердой фазами. Кратко описаны вычислительные алгоритмы, использовавшиеся в расчетах. Проведено сравнение результатов тестовых расчетов с данными других авторов.

Все расчеты были выполнены с помощью пакета прикладных программ «ANES», разработанного на кафедре инженерной теплофизики МЭИ. В течение 20 лет этот пакет развивается и используется для решения различных задач гидродинамики и тепломассообмена, и оттестирован на огромном количестве прикладных задач. Реализация в данном пакете модели, описывающей процессы тепломассопереноса в пористых водородпоглощающих средах, является одним из этапов развития «ANES».

В третьей главе описана исходная конструкция моделируемого реактора и приведены его основные геометрические и режимные параметры. Схематично металлогидридный модуль изображен на рис. 1. Реактор состоит из четырех секций. Внешняя цилиндрическая стенка секции непроницаема и снаружи интенсивно охлаждается (на внешней поверхности модуля задаются коэффициент теплоотдачи ?f и температура охлаждающей жидкости Tf.) Внутренняя стенка секции проницаема для газа. Один из торцов модуля выполнен глухим, в другом торце имеется отверстие для подвода/отвода газа. Порошковый интерметаллический сплав заключен в пространстве между внешней и внутренней цилиндрическими стенками. В качестве сплава-накопителя водорода использовался интерметаллид Mm0,8La0,2(Ni4,1Fe0,8Al0,1)4,9,, полученный на химическом факультете МГУ.

Рис. 1. Схема реактора, использованная в расчетах

Основные геометрические и режимные параметры реактора:

Давление на входе реактора…………………… p0 = 0,8 МПа

Температура охлаждающей жидкости………… Tf = 15 оC

Коэффициент теплоотдачи от стенок

реактора к охлаждающей жидкости…………… af = 2000 Вт/м2K

Длина реактора………………………………… L = 1100 мм

Радиус внутренней трубки…………………… R1= 45 мм

Толщина внутренней пористой трубки………… d1 = 0,1 мм

Радиус внешней трубки………………………… R2=55 мм

Толщина внешней трубки……………………….. d2 = 1 мм

Средний диаметр частиц порошка……………… dp = 2 мкм

Пористость………………………………………… = 0,43

Результаты численных расчетов в «двухтемпературном» приближении показали, что при диаметре твердых частиц 2 мкм и пористости = 0,43 в аккумулирующей среде с высокой степенью точности выполняется условие локального теплового равновесия (Тs = Тg), что позволяет использовать «однотемпературное» приближение. Искусственное варьирование числа Нуссельта, определяющего межфазный теплообмен, в интервале 2Ч10-3--2Ч103 не отразилось на тепловом состоянии фаз.

Приведены результаты расчетов процесса сорбции водорода для значений коэффициента проницаемости, вычисленных по различным соотношениям, рекомендуемым в литературе. Хотя различия в вычисленных значениях коэффициента проницаемости достигали 100 %, это, однако, практически не отразилось на кривой зависимости концентрации поглощенного водорода от времени.

Проведен анализ чувствительности результатов расчета к выбору модели кинетики реакции сорбции. Показано, что использование различных соотношений для скорости поглощения водорода из газовой смеси (соотношения Майера с соавторами и Иноматы с соавторами), оказывает влияние на интегральные характеристики сорбции только в первые 10--20 с.

Исследовано влияние теплового состояния засыпки на скорость сорбции водорода в реакторе. Чтобы продемонстрировать влияние температуры засыпки на скорость сорбции водорода, были проведены расчеты сорбции чистого водорода для идеализированных изотермических условий работы реактора. Расчеты проводились для двух постоянных значений температуры засыпки 20 °C и 40 °C, а также для обычного режима, в котором теплота реакции абсорбции отводится за счет охлаждения внешней стенки реактора (Tf = 15 оC, ?f = 2000 Вт/(м2K)). Кроме того, был проведен расчет для повышенного давления водорода на входе в реактор. На рис. 2 показано изменение массовой концентрации связанного водорода для всех четырех вариантов. Представленные кривые наглядно демонстрируют зависимость скорости сорбции водорода от температуры засыпки и давления в реакторе.

Рис. 2. Изменение массовой концентрации связанного водорода:

На основании полученных результатов сделан вывод о том, что разогрев засыпки существенно ограничивает скорость сорбции чистого водорода, а внешнее охлаждение реактора оказывается малоэффективным вследствие низкой теплопроводности засыпки.

Для оценки эффективности различных методов интенсификации охлаждения засыпки была проведена серия расчетов процесса сорбции в модельной постановке. Рассматривалась двумерная задача сорбции чистого водорода в кольцевом слое сорбента, охлаждаемом по внешней образующей. На внутренней образующей задавались постоянные значения давления и температуры водорода. На рис. 3 представлены схемы рассмотренных вариантов реактора: а) начальный вариант, б), в) варианты с ребрами охлаждения, г) тонкий слой сорбента, д) вариант с охлаждающим трубным пучком. Серым цветом на рисунках отмечен сорбирующий слой, черным -- металлические элементы: стенка реактора, ребра и трубки охлаждения. Количество сорбента во всех вариантах расчета было одинаково. Для расчета температуры в ребрах (варианты б), в) решалась сопряженная задача теплообмена, температура же трубок (вариант д) полагалась постоянной и равной температуре охлаждающей жидкости .

Рис. 3. Варианты интенсификации охлаждения засыпки:

а), б), в) внутренний радиус R1 = 35 мм, толщина засыпки ? = 20 мм; г) R1 = 85 мм, ? = 10 мм; д) R1 = 25 мм, ? = 30 мм.

На рис. 4 приведен график изменения массовой концентрации связанного водорода в реакторе для всех рассчитанных вариантов реактора. Использование ребер, как видно из графика, не оказывает существенного влияния на динамику сорбции. Как показали наши расчеты, заметно интенсифицировать охлаждение засыпки с помощью ребер или охлаждающих трубок можно только в том случае, если располагать их в засыпке достаточно часто, на расстоянии, не превышающем 5--8 мм.

Наиболее эффективным для повышения скорости сорбции оказалось уменьшение толщины слоя сорбента. Однако этот способ при неизменной массе сплава, размещенного в реакторе, требует либо увеличения габаритных размеров реактора, либо усложнения его конструкции.



Рис. 4. Изменение массовой концентрации связанного водорода в реакторе

Далее в диссертационной работе анализируется влияние неабсорбируемых газовых примесей на процессы тепломассопереноса и скорость сорбции в металлогидридном реакторе. Рассматривались только пассивные газовые примеси, не взаимодействующие со сплавом-накопителем водорода и не изменяющие его сорбционные свойства. Состав газовой смеси (мольные концентрации), подаваемой в реактор, был выбран следующим: , , , что соответствует массовым концентрациям компонент газовой смеси .

Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на скорость сорбции водорода из газовой смеси, является зависимость эффективной теплопроводности от концентрации водорода. На рис. 5 показано изменение эффективной теплопроводности в одном из контрольных объемов в центральной области засыпки при сорбции водорода из газовой смеси. Значение коэффициента эффективной теплопроводности, как видно из графика, уменьшается в процессе сорбции почти в 3 раза.



Рис. 5. Изменение эффективной теплопроводности газовой фазы в одном из контрольных объемов в центральной части засыпки

Другой важный фактор, ограничивающий скорость сорбции -- изменение парциального давления водорода в газовой смеси. Скорость реакций сорбции и десорбции определяется отношением (модель Майера) или разностью (модель Иноматы) значений парциального и равновесного давления водорода. В процессе сорбции в порах металлогидридной засыпки накапливаются неабсорбируемые газовые примеси, и парциальное давление водорода уменьшается. Это приводит к замедлению поглощения водорода, причем накопление примесей в порах засыпки и свободном объеме реактора происходит достаточно быстро.

На рис. 6 показаны поля массовой концентрации водорода в объеме модельного реактора. Часть расчетной области, лежащая выше черной линии на рисунке (0,045 < r < 0,055), соответствует «активной зоне» реактора, в которой расположен сорбент. С течением времени примеси накапливаются как в пористой засыпке, так и в свободном объеме реактора. На рис. 6 видно, что только возле входного отверстия в реактор концентрация водорода близка к начальной. Таким образом, бульшая часть металлогидридной засыпки находится в области с пониженным содержанием водорода в газовой смеси, то есть с пониженным парциальным давлением водорода, что приводит к замедлению скорости сорбции.

Рис. 6. Поле массовой концентрации водорода через 300 с (слева) и 1200 с (справа) после начала сорбции

Кроме падения парциального давления влияние на скорость зарядки реактора оказывает повышение температуры реактора за счет теплового эффекта реакции сорбции. Из приведенных на рис. 7 полей температуры в реакторе в различные моменты времени следует, что разогрев реактора происходит очень быстро, в течение первых 5--10 секунд после начала сорбции. Повышение температуры приводит к увеличению равновесного давления и замедлению сорбции водорода. Охлаждение внешних стенок реактора оказывается еще менее эффективным по сравнению со случаем сорбции чистого водорода вследствие уменьшения эффективной теплопроводности пористой засыпки.

Рис. 7. Поле температуры в реакторе через 10 с (слева) и 50 с (справа) после начала сорбции

На рис. 8 показано поле концентрации связанного водорода через 20 мин после начала сорбции. Рисунок наглядно демонстрирует влияние вышеперечисленных факторов на процесс образования гидридной фазы в засыпке: концентрация гидрида максимальна в зоне, находящейся вблизи от входного отверстия реактора, где высока концентрация водорода в газовой фазе.

Рис. 8. Поле концентрации связанного водорода через 20 мин

Как правило, при численном моделировании процессов тепломассообмена в металлогидридных устройствах действием массовых сил пренебрегают. Это вполне оправдано при моделировании сорбции чистого водорода, так как термогравитационной конвекцией в реакторе можно пренебречь в силу небольших градиентов температуры. Однако в случае, когда в водороде присутствуют неабсорбируемые газовые примеси, в свободном объеме реактора может иметь место движение газа, вызванное наличием сильного градиента концентрации компонентов газовой смеси (см. рис. 6). Для оценки влияния концентрационной конвекции в свободном объеме реактора были проведены расчеты процесса сорбции водорода для четырех вариантов: 1) без учета свободной конвекции, 2) горизонтальное расположение реактора, 3) вертикальное расположение реактора, входное отверстие расположено сверху, 4) вертикальное расположение реактора, входное отверстие расположено снизу.

На рис. 9 показано изменение массовой концентрации связанного водорода во времени для четырех рассмотренных вариантов. Во втором и четвертом вариантах скорость зарядки реактора существенно возрастает. Для сравнения на рис. 9 приведена кривая, соответсвующая сорбции чистого водорода в той же модели реактора при тех же режимных параметрах. Сравнение кривых показывает, что во втором и четвертом вариантах время зарядки реактора до концентрации 1,2 % чистым и загрязненным примесями водородом практически одинаковы. Видно, что в случае нижнего расположения отверстия (рис. 10), в свободном объеме реактора формируется разнонаправленное движение газа -- восходящее в центре и нисходящее на периферии. В этом случае тяжелые примесные газы под воздействием силы тяжести «уходят» из объема реактора в питающий трубопровод. Таким образом происходит самоочистка модуля, и концентрация водорода в газовой смеси остается практически равной своему начальному значению. Реакция сорбции происходит практически по всему объему засыпки с одинаковой скоростью и поле концентрации связанного водорода однородно в течение практически всего времени сорбции. В случае, когда входное отверстие реактора расположено вверху (рис. 11), в нижней части реактора накапливаются тяжелые примесные газы. В процессе сорбции область повышенной концентрации примесей увеличивается. Увеличение концентрации связанного водорода по сравнению с данными, полученными без учета свободной конвекции, обусловлено тем, что вследствие свободно-конвективного движения газа вблизи входного отверстия поле концентрации водорода оказывается более однородным по радиусу, поэтому в области засыпки, расположенной вблизи входного отверстия, поглощение водорода происходит наиболее активно. В случае горизонтального расположения реактора (рис. 12) тяжелые газовые примеси под действием силы тяжести также удаляются из реактора в подводящий трубопровод. При этом поле концентрации водорода в смеси и связанного водорода в гидриде оказывается неоднородным по углу: наиболее активно реакция сорбции протекает в верхней части реактора, где концентрация газообразного водорода практически равна начальной. С течением времени по мере уменьшения реакции сорбции и удаления примесей из реактора поле концентрации водорода в газовой фазе выравнивается.

Следует отметить, что граничные условия, заданные на входной границе металлогидридного реактора, моделируют ситуацию, когда газовая смесь в модуль поступает из некоторого достаточно большого объема, в котором сохраняется постоянный состав газовой смеси. В этой связи приведенные данные иллюстрируют максимально возможную степень «самоочистки» модуля за счет естественной конвекции.

Рис. 9. Изменение массовой концентрации связанного водорода:

1 -- без учета свободной конвекции, 2 -- горизонтальное расположение реактора, 3 -- вертикальное расположение, входное отверстие сверху, 4 -- вертикальное расположение, входное отверстие снизу, 5 -- чистый водород



Рис. 10. Поле скорости через 300 с (а) и поле массовой концентрации водорода в газовой (б) и твердой фазах (в) через 1200 с после начала сорбции, питающий трубопровод снизу

Рис. 11. Поле скорости через 300 с (а) и поле массовой концентрации водорода в газовой (б) и твердой фазах (в) через 1200 с после начала сорбции, питающий трубопровод сверху



Рис. 12. Поле скорости через 300 с (а) и поле массовой концентрации водорода в газовой (б) и твердой фазах (в) через 1200 с после начала сорбции (горизонтальное расположение реактора, поперечное сечение z = 0,5 м)

Наличие газовых примесей, как уже отмечалось выше, существенно увеличивает время зарядки аккумулятора, снижая таким образом его эффективность. В этой ситуации целесообразной представляется периодическая «продувка» металлогидридного модуля, то есть удаление из активного объема накопившихся там газовых примесей. Такая технологическая операция, то есть короткоцикловая абсорбция (КЦА), хорошо разработана и широко применяется в химической промышленности. В диссертационной работе представлены результаты анализа применения КЦА для повышения эффективности работы металлогидридного реактора. В расчетах продувка моделировалась периодическим «обновлением» значений величин концентрации компонент газовой смеси в реакторе и принятием их равными начальным значениям.

На рис. 13 показано изменение массовой концентрации водорода в гидриде при абсорбции чистого водорода, а также для трех режимов зарядки аккумулятора: без продувки, с периодом между продувками 100 с и 400 с. Как видно из приведенных графиков, использование продувки позволяет заметно увеличить скорость зарядки металлогидридного аккумулятора водорода.



Рис. 13. Изменение массовой концентрации водорода в твердой фазе:

1 - зарядка без продувки, 2 - период продувки 400 с, 3 - период продувки 100 с, 4 -- чистый водород

С учетом полученных результатов для оптимизации процессов сорбции водорода из газовой смеси в диссертации предложена новая конструкция металлогидридного модуля. Показано, что предложенная конструкция реактора позволяет значительно увеличить скорость зарядки, а также обеспечивает возможность управления скоростью зарядки путем изменения режимных параметров работы реактора.

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы.

1. Проведен анализ опубликованных экспериментальных и расчетно-теоретических работ, посвященных исследованиям процессов тепломассопереноса в металлогидридных пористых водородпоглощающих средах и определению их теплофизических свойств. Показано, что тепловое состояние металлогидридной засыпки в эксплуатационных режимах оказывает определяющее влияние на динамику процессов сорбции/десорбции водорода. Отмечено, что в настоящее время отсутствуют расчетно-теоретические работы, в которых моделируется сорбция водорода, загрязненного примесями.

2. Низкая интенсивность переноса тепла в пористой аккумулирующей среде обусловлена чрезвычайно малым значением эффективной теплопроводности, которая определяется высоким контактным термическим сопротивлением между частицами засыпки, влиянием эффекта Кнудсена на теплопроводность газовой фазы, наличием газовых примесей с низкой теплопроводностью.

3. Разработана трехмерная математическая модель нестационарных процессов тепломассопереноса в пористых водородпоглощающих средах, позволяющая учесть наличие «пассивных» газовых примесей в исходном газе (технически чистом водороде). Предложена оригинальная методика расчета эффективного коэффициента теплопроводности пористой среды. Данная методика позволяет рассчитывать эффективный коэффициент теплопроводности в зависимости от состава газовой фазы, учитывая реальное распределение пор засыпки по размерам и наличие температурного скачка на межфазной поверхности. Проанализированы и выбраны наиболее надежные соотношения для расчета межфазной теплоотдачи, проницаемости пористой среды, кинетики реакции сорбции/десорбции, необходимые для замыкания математической модели.

4. Выполнена серия тестовых и методических расчетов процесса сорбции чистого водорода и водорода, загрязненного газовыми примесями. Впервые получены трехмерные нестационарные поля температуры и концентрации водорода в газовой и твердой фазах, скорости газа, давления в газовой фазе. Полученные результаты позволили проанализировать процессы тепломассообмена в реакторе и указать основные факторы, оказывающие существенное влияние на скорость сорбции.

5. Показано, что при определенных условиях в свободном объеме реактора развивается интенсивное трехмерное движение газа, обусловленное градиентом концентрации компонент газовой смеси. Продемонстрировано существенное влияние концентрационной конвекции на процессы, протекающие в реакторах со свободным объемом.

6. Впервые представлены результаты численного моделирования короткоциклового режима сорбции водорода из газовой смеси. Показано, что периодическая продувка реактора позволяет заметно повысить скорость сорбции водорода.

7. Предложены рекомендации по оптимизации конструкции и режимов работы металлогидридного реактора. Описана конструкция реактора, обеспечивающая высокую скорость сорбции водорода из газовой смеси. Проведен расчет количественных характеристик и проанализировано влияние режимных параметров на работу предложенной конструкции реактора.

8. Разработанные математическая модель и программное обеспечение могут быть использованы для моделирования и анализа процессов сорбции и десорбции водорода в различных металлогидридных устройствах, оценки эффективности и оптимизации их конструкции и режимов работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Численное моделирование процессов тепломассообмена в металлогидридных аккумуляторах водорода / Артемов В.И., Яньков Г.Г., Лазарев Д.О. и др. // Третья Российская национальная конференция по теплообмену, 21--25 октября 2002 г.: Сборник трудов. -- М.: Издательство МЭИ, 2002. -- Т.5 -- С. 157-165.

2. Лазарев Д.О. Математическое и численное моделирование процессов тепломасообмена в металлогидридных устройствах аккумулирования и очистки водорода // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. XIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, 26--30 мая 2003 года: Сборник трудов. -- М.: Издательство МЭИ, 2003. -- Т.2. -- С. 391-396.

3. Лазарев Д.О., Яньков Г.Г. О влиянии свободной конвекции на процессы тепло- и массообмена в металлогидридном аккумуляторе водорода // Вестник МЭИ. -- 2004. -- №1. -- С. 18--23.

4. Влияние неабсорбируемых газовых примесей на процессы тепломассообмена в металлогидридных устройствах для аккумулирования и очистки водорода / Артемов В.И., Лазарев Д.О., Яньков Г.Г. и др. // Теплофизика высоких температур. -- 2004. -- Т.42. -- №6. -- С. 972-989.

5. Численное моделирование тепломассопереноса в металлогидридных аккумуляторах водорода / Артемов В.И., Лазарев Д.О., Яньков Г.Г. и др. // Тепломассообмен. -- 2004. -- Т. 35 -- №1-2. -- С. 140-156. (на англ. яз.)

6. Борзенко В.И., Дуников Д.О., Лазарев Д.О. Исследование процессов тепломассопереноса в экспериментальным металлогидридных реакторах // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. XV Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, 23--27 мая 2005 года: Сборник трудов. -- М.: Издательство МЭИ -- 2005. -- Т.2. -- С. 231-234.

7. Основные факторы, ограничивающие скорость сорбции водорода в металлогидридных системах хранения / Артемов В.И., Лазарев Д.О., Яньков Г.Г. и др. // Международный симпозиум по водородной энергетике, 1--2 ноября 2005 года: Сборник трудов. --М.: Издательство МЭИ. -- 2005. --С. 121-126.

8. Теоретическая модель и результаты расчета процессов тепломассопереноса в системах хранения и очистки водорода на основе микро- и нанопористых аккумулирующих материалов с целью оптимизации конструкции реакторов и режимов их работы / Артемов В.И., Боровских О.В., Лазарев Д.О. и др. // Международный Форум «Водородные технологии для производства энергии», 6--10 февраля 2006 года: Тезисы докладов. -- М.: АНО «Русдем -- Энергоэффект». -- 2006. -- С. 109.

Размещено на Allbest.ru