Моделирование процессов сорбции/десорбции водорода в твердофазных системах хранения и очистки водорода Минко, Константин Борисович

Введение к работе

Актуальность тематики. 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. 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. В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с хранением и очисткой водорода с использованием интерметаллических соединений (ИМС) в качестве сплавов- накопителей водорода (СНВ). Хотя данный способ является далеко не единственным, он обладает рядом преимуществ и может найти свою «экономическую нишу». Главными достоинствами твердофазных систем хранения водорода являются их компактность и высокая безопасность. Способность некоторых ИМС селективно и обратимо поглощать большие объемы водорода с образованием гидридных фаз, сильная зависимость равновесного давления от температуры позволяют создавать на их основе разнообразные устройства, находящие все более широкое применение в современной и перспективной технике. В их числе системы топливообеспечения транспортных установок и энергоустановок на базе топливных элементов, устройства для очистки водорода, металлогидридные тепловые насосы, компрессоры и т. д.

В технических устройствах металлогидриды находятся в виде порошкообразных засыпок с размерами твердых частиц 10^-6—10^-4 м. Большие тепловые эффекты процессов сорбции/десорбции, низкие эффективная теплопроводность и проницаемость аккумулирующей среды оказываются в числе важнейших факторов, отрицательно влияющих на динамику процессов массообмена в объеме металлогидридной засыпки. Поэтому задача обеспечения благоприятных условий для интенсификации массообмена в среде аккумулирования является весьма актуальной при создании устройств с заданными характеристиками.

При проектировании металлогидридных устройств особая роль отводится методам математического моделирования, которые позволяют снизить материальные и временные затраты по сравнению с многовариантными экспериментальными исследованиями. На основе результатов численных экспериментов можно лучше понять суть физических процессов, протекающих в устройствах, оптимизировать конструкции и выбрать наилучшие режимные параметры.

Вследствие сложности физико-химических процессов в активном объеме металлогидридного аккумулятора, математические модели, описывающие теплофизические и гидравлические свойства аккумулирующей среды, кинетику реакций сорбции/десорбции водорода, теплообмен между газовой и твердой фазами, пока еще недостаточно надежны. Именно поэтому изучение процессов тепломассопереноса в рассматриваемых средах и создание надежных математических моделей для их описания приобретают первостепенное значение при разработке эффективных систем очистки и аккумулирования водорода. Перечисленные обстоятельства обусловливают актуальность темы диссертации.

Цели исследования

1. Получение замыкающих соотношений для математической модели пористой среды методом прямого численного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена в модельных пористых средах.

2. Верификация математической модели на основе численных исследований процессов тепломассопереноса в режимах сорбции/десорбции водорода применительно к конструктивно различным типам металлогидридных аккумуляторов (реакторов) и сравнения результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными.

3. Анализ полученных данных; выработка рекомендаций по оптимизации конструкций и режимов работы металлогидридных аккумуляторов.

Научная новизна работы

3. 1. Для широкого спектра модельных пористых сред (упорядоченные и неупорядоченные структуры из сферических частиц) впервые выполнено прямое численное моделирование процессов гидродинамики, тепло- и массообмена при течении с малыми числами Рейнольдса (Re_d).

   2. Впервые методом прямого численного моделирования получены данные о гидравлическом сопротивлении свободно насыпанных слоев из сферических частиц с заданной функцией распределения по размерам.

   3. Впервые получены данные о значениях предельных (при Re_d<1) чисел Нуссельта для различных типов упорядоченных структур, которые существенно превышают значение предельного числа Нуссельта для одиночной сферы. Показано, что при малых числах Рейнольдса перед фронтом засыпки существует значительный неизотермический слой, без учета которого определение предельного числа Нуссельта является некорректным.

   4. Методом прямого численного моделирования впервые показано, что применительно к условиям работы металлогидридных аккумуляторов с размерами частиц СНВ порядка нескольких микрометров равенство температур газовой и твердой фаз выполняется с высокой точностью.

   5. Впервые показано, что для условий работы металлогидридных аккумуляторов градиент концентрации водорода в газовой фазе вблизи твердых частиц при сорбции водорода из смеси газов пренебрежимо мал и не влияет на кинетику сорбции (отсутствие диффузионного ограничения).

   6. С целью верификации используемой математической модели выполнено численное моделирование процессов десорбции водорода в новых металлогидридных реакторах хранения водорода, разработанных в ОИВТ РАН, и показана работоспособность математической модели и реализующих ее программных средств.

   7. Впервые представлены результаты расчетов процессов сорбции водорода из газовой смеси применительно к условиям работы «проточного» металлогидридного реактора ОИВТ РАН. Достоверность математической модели кинетики сорбции водорода из газовой смеси (водород + «пассивные» газовые примеси) подтверждена соответствием результатов расчета данным экспериментальных исследований ОИВТ РАН.

   Практическая ценность работы

   3. 7. 1. Разработанная математическая модель формирования засыпки из сферических частиц с заданной функцией распределения частиц по размерам, а также реализующие ее программные средства могут быть использованы в будущем для моделирования гидродинамики и тепломассообмена в различных пористых средах.

         2. Полученные результаты прямого численного моделирования полей скорости, температуры и концентрации компонент в различных засыпках из сферических части носят фундаментальный характер и могут быть использованы при разработке математических моделей, методик экспериментальных исследований, а также в качестве тестовых данных.

         3. Верифицированная математическая модель пористой среды и реализующее ее программное обеспечение могут быть использованы для моделирования и анализа процессов сорбции и десорбции водорода в различных металлогидридных устройствах, оценки эффективности и оптимизации конструкций и режимов работы оборудования.

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

         5. Даны рекомендации по снижению энергозатрат на десорбцию водорода при работе аккумулятора совместно с топливным элементом, а также рекомендации по оптимизации конструкций проточных металлогидридных систем очистки водорода.

         Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов работы обусловлена использованием в основе математической модели фундаментальных физических законов, выбором наиболее надежных соотношений для замыкания математической модели, проведением серии методических и тестовых расчетов, соответствием результатов расчета имеющимся экспериментальным данным.

         Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ [1-7].

         Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (Жуковский, 2009 г.), Восемнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов
         

         НИУ МЭИ (Москва, 2012 г.), Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» (Москва, 2012 г.).

         Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 176 страниц, включая 128 рисунок, 10 таблиц, и библиографию, содержащую 148 наименований.

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

         

         Математическое и численное моделирование процессов тепломассообмена в металлогидридных устройствах хранения и очистки водородаЛазарев Дмитрий Олегович

         

         Моделирование процессов тепломассообмена в металлогидридных аккумуляторах водородаБоровских Ольга Владимировна

         

         Экспериментальное моделирование взаимодействия плазмы изотопов водорода с материалами стенки термоядерного реактора Елистратов Николай Геннадьевич

         

         МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК В УСЛОВИЯХ ДВУХОСНОГО РАСТЯЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ТЕПЛОПЕРЕНОСАТретьяков Илья Викторович

         

         Моделирование процессов окисления материалов активной зоны водо-водяных реакторов в условиях тяжёлых аварий на АЭСШестак Валерий Евгеньевич

         

         Численное моделирование процессов конденсации из газовой среды Казакова, Ирина Васильевна

         

         Моделирование процессов гидродинамики и теплообмена при взаимодействии двухфазных потоков с пористой средойКичатов Борис Викторович

         

         Моделирование процесса тепловолнового воздействия на продуктивный пласт в условиях горизонтальных скважинГатауллин Рустем Наилевич

         Моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в микроканальных элементах систем охлаждения электронной аппаратурыШматов, Дмитрий Павлович

         

         Моделирование процессов тепло- и массопереноса при глубинном захоронении радиоактивных растворовИванов, Дмитрий Владимирович