بخشی از مقاله
چکیده
مقاله حاضر یک مدل ریاضی دو بعدي براي سنجش انتقال جرم و حرارت گذرا در یک مخزن هیدرید فلزي - پس از این با عنوان - MHT با مبدل حرارتی فوم فلزي ارائه مینماید. این مدل از طریق مقایسه با دادههاي آزمایشگاهی اعتبارسنجی شد. سازگاري قابل قبولی بدست آمد.پارامترهاي هندسی و عملیاتی فوم فلزي - نظیر ماده اصلی، سایز حفره و چگالی نسبی - مورد مطالعه قرار گرفته است تا تاثیر آنها را بر عملکرد فرآیند بارگیري MHT شناسایی نماید. سپس، مدل مذکور بعنوان ابزاري براي پیشبینی عملکرد فرآیند بارگیري هیدروژن از دو ساختار MHT با مبدل حرارتی فوم فلزي استفاده شد. نتایج بدست آمده نشان داد که کاهش زمان ذخیرهسازي حاصل از مبدل حرارتی فوم فلزي زمانی که MHT با یک لوله مبدل حرارتی هممرکز مجهز میشود اهمیت بیشتري پیدا میکند.
کلمات کلیدي: : ذخیره هیدروژن،مخزن هیدرید فلزي،فوم فلزي،مبدل حرارتی،زمان شارژ
-1 مقدمه
رشد همزمان جمعیت دنیا و انتشار آلودگی هواي تولیدشده توسط سوختهاي کربندار، جایگزینی بنزین با سوختهاي تجدیدپذیر تمیزتر نظیر هیدروژن رامخصوصا براي وسایل نقلیه پیل سوختی گریزناپذیر میکند. ضرورت تبدیل فراگیر از سوختهاي فسیلی به هیدروژن، رفع برخی موانع موجود در راستاي مراحل مختلف تکنولوژي هیدروژن را نیازمند است.[1] یکی از مسائل عمده در استفاده فراگیر از انرژي هیدروژن در صنعت خودرو، فرآیند ذخیرهسازي است. هیدروژن به شکل هیدریدهاي فلزي توام با برخی فلزات و آلیاژهاي سوق دهنده به ذخیرهسازي حالت جامد تحت دما و فشار ملایم،در میآید که مزیت ایمنی مهمی نسبت به روشهاي ذخیرهسازي گاز و مایع دارد. هیدریدهاي فلزي چگالی ذخیرهسازي هیدروژن بالاتري براي نسبت به گاز هیدروژن یا هیدروژن مایع وسایل/ نقلیه است.[2]دارند.
بنابراین، ذخیرهسازي هیدرید فلزي یک روش ذخیرهسازي ایمن و کارآمد براي کاربردهاي در کاربردهاي پیل سوختی که منبع توان سیار است، نظیر خودرو یا کاربرد پرتابل - سفري - ، یک مخزن سوخت حمل هیدروژن مورد نیاز است. مشکل عمده در استفاده از وسایل نقلیه هیدروژن سوز، ذخیرهسازي هیدروژن بر روي وسیله و همچنین هیدریدهاي فلزي است که کاندیدهاي بالقوه براي ذخیره نمودن هیدروژن هستند.[3]بهرحال، میدانیم که انجام بارگیري تا تخلیه از هیدرید فلزي به انتقال حرارت ، انتقال جرم و واکنشهاي جنبشی بستر هیدرید فلز وابسته است. بنابراین، براي طراحی مخازن بهینه، پیشبینی انتقال جرم و حرارت گذرا در بستر هیدرید فلزيضروري است.مبدل هاي حرارتی اغلب در مقالات بکار گرفته شدهاند تا جذب/ پسدهی در مخزن هیدرید فلز را تسریع نماید.تحقیقات عملی و تئوري متعددي روي برخی از جنبههاي ذخیرهسازي انرژي موجود است.[10-4]
مبدل حرارتی نوع مارپیچی براي یکMHT مورد مطالعه قرار گرفته است.[4] نتایج آزمایشگاهی نشان داد هنگامی که یک مبدل حرارتی استفاده میشود، دفعات بارگیري/ تخلیه مخزن به میزان قابل توجهی کاهش مییابد. بعلاوه، اثرات پارامترهاي مختلف نظیر دما و شارش جرم سیال خنک کننده، حجم مخزن و فشار عملکرد بررسی گردید و نتیجه شد که انتخاب صحیح این پارامترها ضروري است.به منظور مطالعه فرآیندهاي جذب و پسدهی و تاثیر مبدل هاي حرارتی مختلف روي انتقال حرارت از/ به بستر هیدرید،یک ست آپ آزمایشگاهی طراحی گردید.[5] علاوه بر آن، یک مدل ریاضی براي پیشبینی تغییرات دما، فشار و غلظت هیدروژن درون یک MHT ایجاد میشود. این مدل از یک سو حرارت توام و نیز انتقال جرم درون بستر هیدرید و از سوي دیگر، سیال گرم کننده/ خنک کننده را در نظر میگیرد. یک برنامه کامپیوتري براساس این مدل ایجاد شده و براي مطالعه سه ساختار MHT بکار گرفته شده است.نتایج حاصل با دیتاي آزمایشگاهی مقایسه شده و نتیجه شد که مدل پیشنهادي، ملزومات فیزیکی اصلی فرآیندهاي جذب را به میزان کافی دارا بوده و میتواند براي طراحی یکMHT بهتر بکار رود.
-2 مدل ریاضی
در شکل MHT - 1 - هاي مختلفی که در این تحقیق مورد آزمایش قرار گرفتهاند ارائه شدهاند. فرض میکنیم ماده هیدرید درون مخازن داراي خصوصیات − است. دو طراحی در نظر گرفته میشود:
حالت :1 یک مخزن استوانهاي مجهز به فوم فلزي که حرارت را از طریق سطوح اصلی و جانبی در یک دماي ثابت مبادله مینماید - شکل . - - 1a -
حالت :2 مشابه حالت 1، به اضافه یک لوله مبدل حرارتی هممرکز با فوم فلزي و مملو از سیال خنک کننده روان - شکل . - - 1b -
متقارن محوري بودن، MHT هاي شکل - 1 - بصورت یک سیستم متقارن محوري دوبعدي مدل میشود. براي پودر هیدرید، با گرفتن متوسط معادلات ماکروسکوپی در سرتاسر - روي - یک حجم نمونه و با استفاده از فرضیات زیر،معادلات دیفرانسیل ماکروسکوپی بدست میآید:فرض میشود هیدروژن یک گاز ایدهآل است بطوري که فشار در داخل بستر ملایم است.تعادل حرارتی موضعی، معتبر است.انتقال حرارت تابشی قابل صرفنظر کردن است.دوره انتقال جابجایی افقی هوا بر اثر گرما قابل صرفنظر کردن است.مشخصات حرارتی- فیزیکی مستقل از دما و غلظت بستر در نظر گرفته میشود.با توجه به این فرضیات، معادلات حاکم بر انتقال جرم و حرارت و واکنش شیمیایی درون MHT ها - شکل - - 1 - در ادامه نشان داده میشود. [7]
1-2 معادله انرژي
با فرض تعادل حرارتی بین هیدرید و هیدروژن، معادله انرژي میتواند بصورت زیر بیان گردد:
ضریب - - در معادلات انتقال حرارت یک پارامتر مرکب است:
چگالی هر یک از مواد موجود در راکتور با احتساب ویژگیهاي ε سنجیده میشود.در روابط فوق،که میتواند مقادیر بین 0 و 1 را اختیار کند، کسري از ظرفیت بارگیري هیدروژن ماکزیمم در یک
شبکه مشخص است. جرم مولکولی میباشد.رسانایی حرارتی موثر بصورت زیر است:
