Чисельне моделювання теплонапруженого й деформованого стану теплопровідної матриці металогідридного акумулятора
Ключові слова:
металогідрид, водень, теплопровідна матриця, теплонапружений стан, рівень температурАнотація
Проблемою безпечного і ефективного зберігання водню займаються багато дослідників в різних країнах. Спосіб зберігання водню в хімічно зв'язаному стані в металогідридних акумуляторах має низку переваг порівняно зі способами зберігання в стиснутому і зрідженому вигляді. Використання гідридів металів дозволяє домогтися високої щільності упаковки водню, яка на сьогодні сягає від 0,09 до 0,19 г/см3, а для інтерметалевих гідридів – до 0,56 г/см3. Також слід зазначити високу безпеку зберігання водню в металогідридних акумуляторах, що особливо важливо під час використання водню на транспорті. З використанням чисельних методів розглядається теплонапружений стан теплопровідної матриці металогідридного акумулятора циліндричної форми. Матриця виконана з алюмінієвого сплаву і має комірки прямокутного перерізу, які заповнюються металогідридом у вигляді дрібнодисперсного порошку. Нагрівання матриці здійснюється двома електронагрівальними елементами: центральним стрижневого типу і периферійним у вигляді циліндра. Радіальне і осьове розширення матриці в корпусі обмежені пружними елементами, виконаними з жаростійкої сталі. Моделювання теплонапруженого та деформованого стану теплопровідної матриці виконується для режиму десорбції водню протягом 900 с за температури 350 °С. Як металогідрид обрано гідрид магнію (MgH2). Щільність упаковки водню в металогідриді дорівнює 0,11 г/см3. Задача розв’язується в декартових координатах у тривимірній стаціонарній постановці. В результаті розрахунку встановлено, що в процесі десорбції водню максимальний перепад температури в радіальному напрямку теплопровідної матриці становить близько 40 °С. Максимальне радіальне розширення теплопровідної матриці досягає 0,56 мм, що не є критичним для надійної роботи металогідридного акумулятора. Рівень еквівалентних напружень за Мізесом змінюється в межах 10 – 60 МПа ділянками комірчастої структури теплопровідної матриці, що не перевищує рівня граничних значень напружень для алюмінієвого сплаву, тобто для даних конструктивних параметрів матриці є резерв підвищення інтенсивності теплообміну.Посилання
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
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2018 Andrey N. Avramenko, Anton M. Levterov, Nataliya Yu. Gladkova
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.
Автори, які публікуються в цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи і передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензійного договору (угоди).
- Автори мають право самостійно укладати додаткові договори (угоди) з неексклюзивного поширення роботи в тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати в складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установи або на персональних веб-сайтах) рукопису роботи як до подачі цього рукопису в редакцію, так і під час її редакційної обробки, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії і позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
