بخشی از مقاله
شبیه سازی CFD جداسازی هیدروژن از گاز سنتز توسط غشا پالادیم با نرم
افزار کامسول
چکیده
هیدروژن سوختی پاک است. و یکی از امیدوارترین انرژی است که می تواند جایگزین نفت خام شود. هدف از این مطالعه، شبیه سازی پدیده ی جداسازی در یک مدول غشایی و اثر آن بر دبی جریان نفوذ کننده به روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می باشد. برای این مورد از یک غشا از جنس پالادیوم و خوراکی متشکل از گاز سنتز در نظر گرفته شده است. در پایان میزان فلاکس عبوری که مهمترین پارامتر شبیه سازی است و اثر غلظت در حالت جریان نامتقابل مورد بررسی قرار داده شد.
واژههای کلیدی: شبیه سازی CFD، گاز سنتز، غشا متخلخل.
1
-1 مقدمه
هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک به منظور استفاده در پیل های سوختی جهت تولید نیروی الکتریکی در چندین سال اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است. بهبود روشهای تولید هیدروژن یا ارتقاء روش های جداسازی آن از مخلوط گازی برای تولید هیدروژن قابل استفاده در پیل های سوختی از نکات اصلی در این مورد بوده است ( وینستون و همکاران، )1(1992بورگراف و همکاران، )2(1996لین، )3(2001پرابو و همکاران،4(2000 هیدروژن به طور گسترده ای در تولید آمونیاک، متانول، گوگرد و همچنین در محصولات دارویی مورد استفاده قرار می گیرد. (لین و همکاران، )5(2001 رحیم پور و همکاران، (2011 در زمینه ی سوختی، هیدروژن می تواند در موتورهای موشک، سفینه های فضایی، توربین گازی و موتورهای احتراق داخلی به عنوان منبع قدرت مورد استفاده قرار گیرد.
یکی از روشهای پیشنهاد شده در این زمینه استفاده از غشاء های با قابلیت جداسازی هیدروژن می باشد. غشاء های با کارایی منحصر به فرد را میتوان به تنهایی برای جداسازی هیدروژن از مخلوط گازی استفاده نمود و یا اینکه به همراه راکتورهای شیمیایی به عنوان راکتورهای غشایی به کار برد.
در این مبحث به جداسازی هیدروژن از گاز غنی از هیدروژن با استفاده از غشا پالادیومی پرداخته شده است که به نظر می رسد بیشترین انعطاف را برای جنبه ی اقتصادی هیدروژن در آینده دارد. (لاتین و همکاران، )6(2007 چن وهمکاران، 7(2010
هدف مطالعه حاضر استفاده از یک محاسبات عددی دو بعدی برای جدایش هیدروژن از مخلوط های گازی و بررسی جزئیات آن است.
-2 مدلسازی جریان سیال
هندسه ی مورد بررسی در این مطالعه به شکل استوانه است که در سال 2009 توسط وی چن8 و همکارانش و تا سال 2013 توسط وی چن و همکارانش مورد توسعه قرار گرفت. در مدلسازی این جریان برای سریعتر انجام شدن کار ابتدا با یک مدل ساده تر کار شروع شده است. در شبیه سازی مورد نظر حالت دو بعدی متقارن محوری انتخاب شده است زیرا؛
1. مدل دو بعدی به زمان حل کوتاهی نیاز دارد.
2. به مقدار کمی از حافظه کامپیوتر نیاز دارد.
3. نتایج آن راحت تر بدست می آید و به راحتی تفسیر میشوند.
هندسهی شبیه سازی شده مستطیلی به طول 200 میلیمتر و عرض 9 میلیمتر انتخاب شده است.
در شبیه سازی حاضر حالت غیر وابسته به زمان1 انتخاب شده است. میزان فلاکس عبوری ، پارامتر اصلی مورد بررسی در این شبیه سازی است.
2
-3 مشخصات فازهای موجود در جریان شبیهسازی
جدول((1 مشخصات فازهای موجود
-4 اعمال شرایط مرزی
شرایط مرزی نشاندهندهی مشخصات متغیرهای جریانی سیستم میباشند، در این تحقیق شرایط مرزی به صورت زیر انتخاب شده است:
در تصویر 1 شرایط مرزی انتقال جرمی در لوله نشان داده شده است.
تصویر -1 شرایط مرزی انتقال جرمی در لوله
در تصویر 2 شرایط مرزی انتقال جرمی در shell نشان داده شده است.
تصویر -2 شرایط مرزی انتقال جرمی در shell
در تصویر 3 شرایط مرزی انتقال جرمی در غشا نشان داده شده است.
تصویر -3 شرایط مرزی انتقال جرمی در غشا
5
-4-2 شرط مرزی متقارن1
این شرط در مواقعی که یک مرز تقارن تعریف میشود مورد استفاده قرار میگیرد. در این مرز شرط هیچ مؤلفه سرعت خاصی یا مؤلفه عمودی انتقال ممنتوم وجود ندارد. در ضمن یک شرط Axial Symmetry مشخص برای مدهای کاربردی منطبق مدل شده در این ناحیه وجود دارد.
-5 شبکه بندی2
پس از تکمیل شدن تعریف هندسهی مورد بررسی و تعیین خصوصیات و شرایط مرزی سیستم، هندسهی مورد نظر شبکهبندی3 شد. عمل شبکهبندی هندسه به دو صورت زیر انجام میپذیرد:
بصورت خودکار توسط نرم افزار کامسول
تعیین مشخصات و نوع آن توسط کاربر
برنامه کامسول با بهرهگیری از رابط گرافیکی و در اختیار قرار دادن دسته ای از ابزار مخصوص، قابلیت ایجاد هندسه (CAD) در فضای یک، دو و سه بعدی را فراهم میآورد.
شبکه های ایجاد شده بر روی سطح از چهار قسمت اصلی بلوک ها4، گره ها5، گوشه ها6 و سطوح ساخته شده است، به این صورت که یک سطح از تعدادی گوشه و یک گوشه از تعدادی گره تشکیل شده است. برای شکلگیری یک شبکه سطحی، چندین سطح به یکدیگر متصل میشوند.
از شبکه Mapped برای تکمیل شبکهبندی استفاده شده است. شبکه برای شبیه سازی این هندسه شامل 10000خانه است. مشخصات هندسهی شبکهبندی شده در جدول 2 نشان داده شده است.
تصویر هندسه ی شبکه بندی شده در شکل 4 نشان داده شده است.
