Численное моделирование теплонапряженного и деформированного состояния теплопроводящей матрицы металлогидридного аккумулятора
Ключевые слова:
металлогидрид, водород, теплопроводная матрица, те-плонапряженное состояние, уровень температурАннотация
Проблемой безопасного и эффективного хранения водорода занимаются многие исследователи в разных странах. Способ хранения водорода в химически связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах обладает рядом преимуществ по сравнению со способами хранения в сжатом и сжиженном виде. Использование гидридов металлов позволяет добиться высокой плотности упаковки водорода, которая на сегодня достигает от 0,09 до 0,19 г/см3, а для интерметаллических гидридов – до 0,56 г/см3. Также следует отметить высокую безопасность хранения водорода в металлогидридных аккумуляторах, что особенно важно при использовании водорода на транспорте. С использованием численных методов рассматривается теплонапряженное состояние теплопроводящей матрицы металлогидридного аккумулятора цилиндрической формы. Матрица выполнена из алюминиевого сплава и имеет ячейки прямоугольного сечения, заполняемые металлогидридом в виде мелкодисперсного порошка. Нагрев матрицы осуществляется двумя электронагревательными элементами: центральным стержневого типа и периферийным в виде цилиндра. Радиальное и осевое расширения матрицы в корпусе ограничены упругими элементами из жаростойкой стали. Моделирование теплонапряженного и деформированного состояний теплопроводящей матрицы выполняется для режима десорбции водорода в течение 900 с при температуре 350 оС. В качестве металлогидрида выбран гидрид магния (MgH2). Плотность упаковки водорода в металлогидриде принята равной 0,11 г/см3. Задача решается в декартовых координатах в трехмерной стационарной постановке. В результате расчета установлено, что в процессе десорбции водорода максимальный перепад температуры в радиальном направлении теплопроводящей матрицы составляет порядка 40 оС. Максимальное радиальное расширение теплопроводящей матрицы достигает 0,56 мм, что не критично для надежной работы металлогидридного аккумулятора. Уровень эквивалентных напряжений по Мизесу изменяется в пределах 10–60 МПа по участкам ячеистой структуры теплопроводящей матрицы, что не превышает уровня граничных значений напряжений для алюминиевого сплава, т. е. для данных конструктивных параметров матрицы есть резерв повышения интенсивности теплообмена.Библиографические ссылки
Tarasov, B. P., Lototskiy, M. V., & Yartys, V. A. (2006). Problema khraneniya vodoroda i perspektivy ispolzovaniya gidridov dlya akkumulirovaniya vodoroda [The problem of hydrogen storage and the prospects of using hydrides for hydrogen storage]. Ros. Khim. Zhurn. − Russian Chemical Bulletin, no. 6, pp. 34–48 [in Russian].
Solovey, V.V., Obolenskiy, M.A., & Basteyev, A.V. (1993). Aktivatsiya vodoroda i vodorodsoderzhashchikh energonositeley [Activation of hydrogen and hydrogen-containing energy carriers]. Kiyev: Nauk. dumka, 168 p. [in Russian].
Serzhantova, M. V., Kuzubov, A. A., Avramova, P. V., & Fedorov, A. S. (2009). Teoreticheskoye issledovaniye protsessa sorbtsii vodoroda soyedineniyami magniya, modifitsirovannymi atomami [Theoretical study of hydrogen sorption process by magnesium compounds modified by atoms]. Zhurn. Sib. Federal. Un-ta. Khimiya − Journal of Siberian Federal University. Chemistry, vol. 2, no. 3, pp. 259–265 [in Russian].
Fedorov, A. S., Serzhantova, M. V., & Kuzubov, A. A. (2008). Issledovaniya adsorbtsii vodoroda vnutri i na poverkhnosti magniyevykh nanochastits [Investigations of hydrogen adsorption inside and on the surface of magnesium nanoparticles]. Zhurn. Eksperiment. i Teoret. Fiziki − Journal of Experimental and Theoretical Physics, vol. 134, iss. 1, pp. 156–163 [in Russian].
Kuzubov, A. A., Popov, M. N., Fedorov, A. S., & Kozhevnikova, T. A. (2008). Teoreticheskoye izucheniye dissotsiativnoy khemosorbtsii vodoroda na uglerodnykh nanotrubakh [Theoretical study of dissociative chemisorption of hydrogen on carbon nanotubes]. Zhurn. Fiz. Khimii − Journal of Physical Chemistry, vol. 82, no. 12, pp. 2117–2121 [in Russian].
Pranevicius, L., Darius, M., & Thomas, G. (2005). Plasma hydrogenation of Mg-based alloy films under high-flux, low energy ion irradiation at elevated temperatures, pp. 611–616. doi: https://doi.org/10.1002/3527603565.ch97
Satyapal, S., Read, C., & Ordaz, G. et al. (2007). U.S.DOE Hydrogen Program. The Fourth U.S.-Korea Forum on Nanotechnology: Sustainable Energy, Honolulu, HI, April 26–27, 19 p. Retrieved from https://pdfs.semanticscholar.org/presentation/0511/7f29c9491f370523114f1f8fd58645a61abf.pdf (accessed20 August 2018)
Yartys, V. A., Lotosky, M. V., Veziroglu, N. N. et al. (2004). An Overview of hydrogen storage methods. Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. Kluwer Academic Publishers, pp. 75–104. doi: https://doi.org/10.1007/1-4020-2669-2_7
Bulychev, B. M. (2004). Alumo- and borohydrides of metals: History, properties, technology, application. Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. Kluwer Academic Publishers, pp. 105–114. doi: https://doi.org/10.1007/1-4020-2669-2_8
Graetz, J., Reilly, J.J., Yartis, V.A. et al. (2011) Aluminum hydride as a hydrogen and energy storage material: Past, present and future. J. Alloys and Compounds. September, pp. 517–528. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.11.115
Glushkov, I.S., Kareev, Yu. A., Petrov, Yu. V. et al. (1999). Generation of hydrogen isotopes with an electric pulse hydride injector. Intern. J Hydrogen Energy, vol. 24, pp. 105–109.
Software Complex 'Caelinux Salome-Meca'. Retrieved from http://caelinux.com/CMS/index.php (accessed 17 August 2018).
Puls, M. P. (1988). The influence of hydride size and matrix strength on fracture initiation at hydrides in zirconium alloys. Metallurgical Transactions A., vol. 19, iss. 6, pp. 1507 – 1522. doi: https://doi.org/10.1007/BF02674025.
Xu, F., Holt, R. A., Daymond, M. R., Rogge, R. B., & Oliver, E. C. (2008). Development of internal strains in textured Zircaloy-2 during uni-axial deformation. Materials Sci. and Eng.: А., vol. 488, iss. 1–2, pp. 172–185. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.11.018
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2018 Andrey N. Avramenko, Anton M. Levterov, Nataliya Yu. Gladkova
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NoDerivatives» («Атрибуция — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
Авторы, публикующиеся в этом журнале, соглашаются со следующими условиями:
- Авторы оставляют за собой право на авторство своей работы и передают журналу право первой публикации этой работы на условиях лицензионного договора (соглашения).
- Авторы имеют право заключать самостоятельно дополнительные договора (соглашения) о неэксклюзивном распространении работы в том виде, в котором она была опубликована этим журналом (например, размещать работу в электронном хранилище учреждения или публиковать в составе монографии), при условии сохранения ссылки на первую публикацию работы в этом журнале.
- Политика журнала позволяет размещение авторами в сети Интернет (например, в хранилищах учреждения или на персональных веб-сайтах) рукописи работы, как до подачи этой рукописи в редакцию, так и во время ее редакционной обработки, поскольку это способствует возникновению продуктивной научной дискуссии и позитивно отражается на оперативности и динамике цитирования опубликованной работы (см. The Effect of Open Access).
