بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش فرآیند واجذب هیدروژن در مخازن هیدرید فلزی با استفاده از مدلسازی ریاضی مورد مطالعه قرار گرفت. بدین منظور فرآیند واجذب با استفاده از روش حجم محدود شبیه سازی شد و نتایج حاصل از شبیهسازی با اطلاعات آزمایشگاهی در دسترس مقایسه گردید.
توافق خوبی بین نتایج آزمایشگاهی و شبیهسازی به دست آمد و اعتبار مدل اثبات شد. سپس به منظور بررسی تأثیر انتقال حرارت بر عملکرد مخزن، چهار مخزن با شرایط متفاوت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از شبیهسازی این چهار مخزن نشان داد که افزایش همزمان ضریب انتقال حرارت جابجایی و ضریب هدایت حرارتی، سرعت واجذب هیدروژن را بهطور چشمگیری افزایش میدهد و در این مخازن مقاومت انتقال حرارت هدایتی محدود کنندهی انتقال حرارت است.
-1 مقدمه
امروزه مشکلات زیست محیطی سوختهای فسیلی و خطر اتمام منابع آنها، عرضهی سوختهای جایگزین را به یک ضرورت تبدیل کرده است. هیدروژن بهعلت عدم آلودگی محیط زیست، سوخت مناسبی برای جایگزینی منابع نفتی میباشد. اما ذخیرهسازی هیدروژن مشکل اصلی در استفاده از این گاز به عنوان سوخت است.
روشهای مختلفی از جمله ذخیرهسازی در فشار بالا، مایعسازی و استفاده از مخازن هیدرید فلزی برای ذخیرهسازی هیدروژن بهکار میرود که در این بین مخازن هیدرید فلزی به دلیل انتقال گاز به فاز جامد و ذخیرهسازی در دمای محیط و فشار نزدیک به اتمسفر کاربرد فراوانی دارند .
در این مخازن ابتدا هیدروژن طی یک واکنش گرمازا بر روی سطح فلز جذب شده و سپس در هنگام لزوم توسط یک فرآیند واجذب گرماگیر از مخزن خارج میشود. وجود واکنشهای گرماگیر و گرمازا، استفاده از یک سیستم انتقال حرارت مناسب برای تأمین شرایط دمایی مورد نیاز را ضروری ساخته است. فلز مورد استفاده در این مخازن به طور معمول به صورت پودر در آورده میشود که این کار به افزایش سطح تماس بین گاز و جامد کمک میکند. اما در بسترهای پودری ضریب هدایت حرارتی مقدار کوچکی دارد و در مخازن هیدرید فلزی در حدود - Wm-1K-1 - 1 میباشد.
کوچک بودن ضریب هدایت حرارتی یکی از مشکلات مخازن هیدرید فلزی است .[2] روشهای زیادی برای افزایش شدت انتقال حرارت در این مخازن وجود دارد که از آن جمله میتوان افزایش فلزات دیگر با ضریب هدایت حرارتی بزرگتر - مانند آلومینیوم و مس - و همچنین افزایش شدت انتقال حرارت خارجی را نام برد. تحقیقات انجام شده نشان داده است که کاهش مقاومت حرارتی در این مخازن تأثیر قابل توجهی بر زمان جذب و واجذب هیدروژن دارد
شکل :1 هندسه در نظر گرفته شده برای شبیه سازی مخزن هیدرید فلزی
در این مقاله، ابتدا فرآیند واجذب در مخازن هیدرید فلزی با استفاده از مدل ارائه شده توسط جمنی و بن نصراالله[4] 1 مدلسازی شده و معادلات حاکم بر مسئله معرفی میشود. سپس نتایج حاصل از شبیهسازی با نتایج آزمایشگاهی ارائه شده توسط لارنسل و گایت[5] 2 مورد مقایسه قرار میگیرد و اعتبار محاسبات اثبات میشود. در ادامه تأثیر تقویت انتقال حرارت بر فرآیند واجذب با استفاده از مدل ریاضی بررسی میشود.
-2 مدلسازی انتقال حرارت و جرم
برای شبیهسازی مخزن هیدرید فلزی، هندسهی مورد نظر به شکل یک استوانه در نظر گرفته شد که از یک طرف بسته بوده و در طرف دیگر آن خروجی گاز هیدروژن قرار دارد. شکل 1 نمایی از این هندسه را نشان میدهد. محاسبات برای این مخزن استوانهای با فرض تقارن محوری و در دو بعد انجام شده است.
برای مدلسازی انتقال حرارت، دمای فاز گاز و جامد در بستر متخلخل یکسان فرض شد. معادله انرژی برای این حالت عبارت است از:
ε تخلخل مخزن است و در محاسبات ثابت فرض شده است. m شدت واکنش شیمیایی بوده و توسط معادله - 3 - محاسبه میشود
