НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного

Чорна Наталя Анатоліївна

УДК 536.24:536.42+621.1

Підвищення ефективності металогідридних елементів

тепловикористовуючих установок

Спеціальність – 05.14.06 – технічна теплофізика

та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України в відділі термодинаміки

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Соловей Віктор Васильович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, зав. відділом термодинаміки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Каніло Павло Макарович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, доцент Петухов Ілля Іванович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського „ХАІ”, ст. науковий співробітник.

Провiдна установа:

Національний технічний університет “ХПІ”, кафедра теплотехніки, м. Харків.

Захист відбудеться „18” травня 2006 р. о 12 годинi на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 Інституту проблем машинобудування
ім. А.М. Підгорного НАН України, за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий „ 14 ” квітня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О. Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Водень, як екологічно чистий енергоносій знаходить все більш широке використання в різних сферах економіки індустріально розвинених країн, в першу чергу, з метою поліпшення екологічної ситуації. Важливою складовою інфраструктури водневої енергетики є новітні металогідридні технології енерготехнологічної переробки водню, які базуються на термохімічному принципу стиснення водню.

Металогідридні установки незалежно від області застосування є теплотехнічними об’єктами, тому розробка науково-технічних принципів їх утворювання є новим науковим напрямком промислової теплоенергетики. Суть проблеми міститься у розробці теорії металогідридної технології компримування водню та створення ефективних пристроїв для її практичної реалізації.

Здатність металогідридів (МГ) в умовах теплового впливу сорбувати за низьких тисків водень і десорбувати його при більш високих тисках дозволяє застосовувати їх для компресії робочого тіла у енергетичних установках, що працюють за замкнутим циклом. Суттєвою перевагою термохімічного способу стиснення водню в термосорбційних компресорах (ТСК) є споживання низькопотенціальної теплової енергії, тому застосування термосорбційних теплоенергетичних установок відкриває принципово новий шлях у технології компримування водню, який виключає використання електричної та механічної енергії.

Тепловикористовуючи установки на базі ТСК знаходять все більш широке застосування на практиці, що свідчить про наявність техніко-економічної доцільності здійснення термохімічних енергозберігаючих технологій в промислових масштабах. Тому підвищення термодинамічної ефективності ТСК шляхом удосконалювання конструкції генераторів-сорберів (ГС), які є основними енергоперетворюючими елементами водневих тепловикористовуючих установок різноманітного призначення, являє собою актуальну задачу і у повній мірі відповідає чинному закону України „Про енергозбереження”. Ця проблема вимагає проведення значних обсягів експериментальних та дослідних робіт с застосуванням засобів електронно-обчислювальної техніки, яка істотно розширює можливості дослідника, роблячи можливим не тільки більш повне і точне дослідження процесу тепломасообміну у МГ, але і дозволяє здійснити вибір раціональної конструкції ГС та визначити найбільш сприятливі умови його роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота пов’язана з науковими програмами і тематикою досліджень Інституту проблем машинобудування національної академії наук України:–

держбюджетною темою № 208 “Розробка концепції підвищення ефективності використання альтернативних енергоносіїв і нетрадиційних джерел енергії у виробничому комплексі України” (постанова ВФТПЕ НАН України, протокол № 2, § 9 від 05.03.96., DP № 0197U012286);–

держбюджетною темою № 16 “Наукові основи застосування водню й активаційних термохімічних технологій для поліпшення енергоекологічних характеристик теплотехнічного устаткування” (постанова ВФТПЕ НАН України, протокол № 5, § 21, п.1 від 26.04.01., DP № 0101U03587); –

науково-технічною роботою “Моделювання фазових рівноваг у системах водень-гідридотвірний матеріал для їх ефективного застосування у тепловикористовуючих пристроях” (договір № 2М/158-2001 від 13.06.01., № 0101U009113, замовник – МОН України).

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є підвищення термодинамічної ефективності металогідридних елементів тепловикористовуючих пристроїв шляхом раціональної організації тепломасопереносу у термосорбційних процесах.

Для досягнення мети у роботі було поставлено такі задачі:

1. Удосконалення математичної моделі термосорбційної взаємодії МГ з воднем шляхом введення кінетичного фактора та дослідження впливу кінетики термохімічного процесу на інтенсивність тепломасопереносу.

2. Розробка методів інтенсифікації процесу тепломасообміну в МГ.

3. Вибір раціональних геометричних параметрів металогідридних елементів для підвищення термодинамічної ефективності процесу компримування водню в ТСК та створення на цій основі удосконаленої конструкції ГС.

4. Оцінка термодинамічної ефективності компримування водню в ТСК з удосконаленою конструкцією ГС та розробка рекомендацій по їх практичному використанню.

Об'єкт дослідження – генератор-сорбер металогідридного термосорбційного компресора для стиснення водню.

Предмет дослідження – процес нестаціонарного тепломасопереносу при термосорбційній взаємодії металогідриду з воднем.

Методи дослідження – комплексне використання розрахунково-теоретичних та експериментальних методів дослідження процесів тепломасопереносу з застосуванням теорії тепломасопереносу в термохімічних процесах сорбції-десорбції водню, метод скінченних різниць, ексергетичний метод термодинамічного аналізу енергоперетворення.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Розроблено методику та алгоритм розрахунку термосорбційної взаємодії оберненої термохімічної системи „металогідрид-водень” з урахуванням кінетичного фактора, що дозволило встановити границі впливу константи швидкості реакції взаємодії МГ з воднем на інтенсивність процесу тепломасообміну.

2. Вперше розроблено методику, яка дозволяє шляхом розрахунково-теоретичного аналізу визначити геометричні та режимні характеристики ГС ТСК з теплопередаючею матрицею, що забезпечує підвищення термодинамічної ефективності компримування водню.

3. Визначено структуру втрат працездатності у процесах енергоперетворення у ГС ТСК з застосуванням ексергетичного метода термодинамічного аналізу та розроблено рекомендації щодо їх зменшення.

Практичне значення отриманих результатів

1. Визначено кількісну оцінку впливу кінетичного фактора, термосорбційних і фізико-хімічних характеристик на процес термосорбційної взаємодії МГ з воднем, що дозволяє розробляти більш ефективні конструкції ГС.

2. Розроблено методику оцінки впливу геометрії внутрішнього оребрення ГС на інтенсифікацію процесу тепломасопереносу в МГ, що на практиці дозволяє збільшити динамічні характеристики термосорбційних установок.

3. Розроблено технологічні прийоми прискореної активації МГ та формування шару з теплопередачею матрицею.

4. Отримано експериментальну і розрахункову інформацію щодо тепломасопереносу в нестаціонарних процесах взаємодії МГ з воднем, яка необхідна для створення нової тепловикористовуючої техніки підвищеної термодинамічної ефективності.

5. На базі результатів розрахунково-теоретичного дослідження процесів переносу тепла і маси в МГ створено удосконалену конструкцію ГС і визначено структуру теплових втрат, та розроблено рекомендації щодо підвищення коефіцієнта корисної дії.

Особистий внесок здобувача

Постановка задач і вибір методів дослідження виконано дисертантом разом з науковим керівником. Дисертант на підставі термодинамічного аналізу циклу термохімічного компримування водню в ТСК визначив вплив режимних параметрів та конструктивних факторів на ефективність стиснення водню [1, 2]; прийняв участь у розробці способу активації водневосорбційного сплаву [7, 8, 9]; розробив методику розрахунку термосорбційної взаємодії МГ з воднем із урахуванням кінетичного фактора та установив межі впливу константи швидкості на процес тепломасопереносу в МГ [4, 6]; обґрунтував вибір параметрів, які забезпечують підвищення ефективності процесу компримування водню і одержав кількісну оцінку втрат ексергії в запропонованій конструкції ГС [3, 5]; взяв участь у постановці та проведенні експериментальних досліджень конструкції ГС з запропонованою геометрією внутрішнього оребрення; на підставі отриманих експериментальних даних одержав коефіцієнт корисної дії удосконаленої конструкції ГС [5].

Апробація результатів дисертації

Основні результати дисертаційної роботи, що пропонується до захисту, пройшли апробацію:–

на міжнародній науково-технічній конференції "Водневе матеріалознавство і хімія гідридів металів", Кацивелі, 1999 р.;–

на міжнародних науково-технічних конференціях "Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання", Харків, 2000, 2003 рр.;–

на міжнародній науково-технічній конференції "Воднева обробка матеріалів", Донецьк, 2001 р.;–

на міжнародній міждисциплінарній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми науки та освіти", Ялта, 2003 р.;–

на обласній конференції молодих вчених "Тобі, Харківщино, – пошук молодих", Харків, 2002 р.;–

на конференціях молодих вчених і фахівців "Сучасні проблеми машинобудування", Харків, 2003-2005 рр.;–

у конкурсі „Молодь Енергетиці України – 2005: Відкритий конкурс молодих вчених”, Київ, 2005 р.

Публікації

Основний зміст дисертації викладено у 9 публікаціях (2 – патенти), 5 з них у фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура і зміст роботи

Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел, який включає 159 найменувань, додатків. Повний обсяг роботи становить 158 сторінок, 46 рисунків, 3 таблиці та додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та перспективність теми дисертаційної роботи, наведено загальну характеристику роботи.

У першому розділі, який має оглядовий і постановочний характер, розглянуті відомі на сьогодні пристрої, що використовують принцип термохімічного компримування водню. Зроблено висновок про те, що існуючі конструкції металогідридних термосорбційних пристроїв для компримування та активації водню потребують подальшого вдосконалення з метою підвищення техніко-економічних характеристик.

Для підвищення ефективності процесу компримування водню необхідно приділяти увагу удосконалюванню конструкцій ГС ТСК та визначенню найбільш сприятливих умов їх роботи.

На стадії створення та удосконалювання ГС математичне моделювання є ефективним засобом одержання необхідної інформації про особливості процесу тепломасопереносу в МГ та пошуку раціональної конструкції ГС при роботі за умов циклічним баротермічним навантаженням. На основі аналізу публікацій, у яких наведено математичні моделі тепломасопереносу в МГ, зроблено висновок про те, що при розробці математичної моделі термосорбційної взаємодії МГ з воднем поряд із базовими рівняннями нерозривності, теплопровідності, стану газу, додаткове залучення рівнянь, що описують ізотерми рівноваги та хімічної кінетики дозволить більш адекватно відтворити фізико-хімічний процес.

На основі проведеного огляду сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі сформульовано математичну модель тепломасопереносу в МГ і викладено результати розрахунково-теоретичного аналізу термосорбційної взаємодії МГ з воднем у широкому діапазоні зміни режимних параметрів.

Математичну модель процесу тепломасопереносу в МГ було утворено на базі системи об’єднання наступних рівнянь з урахуванням того, що конструкція МГ ГС являє собою циліндричну форму.

Рівняння теплопровідності записано в циліндричних координатах

, (1)

де T - температура, К; ф - час, с; аГ - коефіцієнт температуропровідності гидриду, м2/с; в - поправковий коефіцієнт; - коефіцієнт теплоємності водню, Дж/(кгМК); сГ - коефіцієнт теплоємності гидриду, Дж/(кгМК); сГ - густина гидриду, кг/м3; J - щільність потоку водню, кг/(м2•с).

Рівняння тепломасопереносу для металогідридного елемента на межі розподілу фаз збідненого і насиченого воднем МГ було записано у вигляді

, (2)

де qS - тепловий ефект реакції термохімічної взаємодії МГ з воднем, Дж/кг; ч - питомий масовміст водню в МГ, кг/кг; л - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мМК).

Рівняння, що описує зв'язок між тиском, температурою фазового переходу і масовмістом водню

, (3)

де И - ступінь заповнення міжвузлів металогідридної матриці атомами водню; - концентраційна залежність парціальної мольної ентальпії взаємодії між упровадженими атомами водню; - газова стала для водню, Дж/(кгМК).

Рівняння нерозривності для системи, яка досліджується, має вигляд

, (4)

де р - тиск, Па; П - пористість МГ; о - коефіцієнт стисливості газу.

Потік водню через шар МГ відіграє важливу роль у переносі тепла і маси в термосорбційному процесі. Встановлено, що через малий характерний розмір (середній діаметр частинок МГ відповідає діапазону 3ч30 мкм) та швидкость руху водню, в реальних умовах мають місце режими течії, за яких Re<1. З цих умов усереднення тиску і швидкості потоку водню при в'язкісному режиму дозволяють скористатися рівнянням руху у формі закону Дарсі.

Рівняння для визначення щільності потоку водню

, (5)

де h - коефіцієнт фільтрації; dсер. - середній еквівалентний діаметр частинки гідриду, м; м - динамічний коефіцієнт в'язкості, Нс/м2.

Як відмічалось вище для підвищення ступеня адекватності математичної моделі процесу нестаціонарного тепломасопереносу в МГ потрібно враховувати кінетику термосорбційних процесів. Макрокінетика термосорбційних процесів містить у собі фізичну сорбцію на поверхні сорбенту, хемосорбцію водню на поверхні сорбенту, яка проходить на активних центрах та завершується дисоціацією молекул водню на атоми, дифузійні процеси в кристалічній структурі МГ і мікрокінетику взаємодії одиничних атомів і молекул водню з кристалічною структурою МГ. Оскільки на сьогодні не встановлено детального механізму опису реакції взаємодії МГ із воднем, було використане рівняння, яке якісно відтворює у сукупності основні закономірності процесу.

Рівняння швидкості реакції взаємодії МГ із воднем було записано у вигляді

, (6)

де k - константа швидкості, що пов'язує швидкість реакції з концентраціями реагуючих речовин, с-1; рр - рівноважний тиск у системі "металогідрид - водень", Па; Е - енергія активації, Дж/кг.

Константа швидкості реакції для розглянутого класу гідридів визначалася із співвідношення

.

Систему замикає рівняння стану водню, яке записане з урахуванням віріальних коефіцієнтів

, (7)

де v – об’єм, м3; а, b – віріальні коефіцієнти.

Формують крайову задачу початкові (ф = 0): Т=Т0 (r, z);

р=р (Т0, р0);

ч= ч (Т0, р0); =с (Т0, р0);

та граничні умови: I роду Т=f(z, ф);

р=const;

II роду q=f(z, ф, ТГ);

р=const;

III роду -л(T)=б(z, ф, ТГ)•(ТГ-ТР);

р=const,

де б - коефіцієнт теплообміну, Вт/(м2МК); ТГ - температура гідриду, К; ТР - температура рідини, К.

Сформована система рівнянь являє собою математичну модель тепломасопереносу при взаємодії МГ із воднем. Її можна охарактеризувати як нестаціонарну і нелінійну. Нелінійність обумовлена залежністю теплофізичних коефіцієнтів від температури та зміною інтенсивності внутрішніх джерел теплоти від стадії процесу, що змінюються з часом.

Чисельне розв’язання описаної системи рівнянь відшукувалось методом скінченних різниць в результаті чого було визначено значення температури, тиску та масовмісту водню в вузлових точках сітки у будь-який момент часу. Виконано аналіз щодо оцінки впливу температури і тиску на зміну константи швидкості реакції. Показано, що при зміні температури десорбції і тиску в діапазоні ± 15 % більший внесок в зміну константи швидкості вносить температура (рис. 1).

Рис. 1. Вплив температури десорбції

і тиску на зміну константи швидкості реакції

Розрахунки показали, що в тих випадках, коли k<1, тривалість процесу десорбції водню істотно залежить від k, при k>>1, що відповідає діапазону температур десорбції від 400 К та вище, тривалість процесу несуттєво залежить від константи швидкості реакції (рис.2). В реальних металогідридних установках температура десорбції лежить звичайно в межах 293-400 К, що відповідає k<1, тому при моделюванні робочого процесу металогідридної системи необхідно враховувати кінетичний фактор.

Рис. 2. Тривалість десорбції водню

в залежності від зовнішніх умов

Використання уточненої математичної моделі дозволило провести чисельний експеримент щодо з’ясування впливу похибок в задані енергії фазового переходу qs і залежності T=f(p) при фазовому переході водню з хімічно зв'язаного стану у молекулярний, які можуть мати місце при вирішенні задач з недостатньою інформацією про властивості МГ. Показано, що відхилення значень T=f(p) від істинних значень більш суттєво впливає на визначення тривалості термосорбційного процесу у порівнянні з похибками визначення qs у тому ж відсотковому діапазоні. Тому це повинно враховуватися при виборі вхідних даних для проведення розрахунково-теоретичних досліджень.

У подальшому уточнена математична модель термосорбційної взаємодії МГ із воднем стала інструментом, який було використано для визначення раціональної конструкції ГС і вибору умов його роботи з метою підвищення ефективності процесу компримування водню.

У третьому розділі на підставі розрахунково-теоретичного дослідження тепломасопереносу в МГ визначені фактори, які головним чином впливають на показники інтенсифікації процесу тепломасопереносу в МГ. Наведено методику чисельного дослідження, у якій використана розроблена математична модель, що описує нестаціонарний процес термосорбційної взаємодії МГ із воднем.

У ході чисельного дослідження показана перевага методу інтенсифікації сорбційного процесу шляхом оснащення МГ теплопередачею матрицею, яка конструктивно виконана з пластин оребрення. Встановлено, що тривалість десорбції водню із шару МГ теплопередачею матрицею з мідних пластин у 3.0 рази менш, ніж у шару МГ із додаванням порошкової суміші міді та у 4.3 рази менш, ніж у шару МГ без елементів інтенсифікації. Отримані результати було використано для подальших розрахунково-теоретичних досліджень, спрямованих на вибір геометрії внутрішнього оребрення ГС з метою забезпечення більш ефективного процесу компримування водню.

На основі детальних розрахунків конструкції ГС з діаметром 0.046 м, довжиною 0.15 м у якому теплопередаюча матриця виконана з мідних пластин досліджено вплив зміни геометрії внутрішнього оребрення ГС на процес тепломасопереносу в МГ LaNі5Hx. Зокрема дослідження впливу товщини пластини оребрення на процес десорбції показало, що в області збільшення товщини пластини на 20 % і до 50 % тривалість десорбції водню зменшується до 20 %. Утонення пластини в діапазоні 20 % - 50 % приводить до збільшення тривалості десорбції до 32 %. Крім того, треба враховувати, що виготовлення надтонкої пластини недоцільно з міркувань технологічного характеру, тому що при виконанні монтажних робіт неминуча деформація пластин при формуванні теплопередаючої матриці. В цьому випадку проблематичною стає виконання умови забезпечення рівномірної щільності засипання гідридоутворюючого матеріалу.

Якщо ж піти шляхом збільшення тривалості процесу, виходячи з теплової інерційності шару МГ, то, крім зменшення продуктивності, це призведе до зниження економічності через втрати теплоти, які обумовлюються перегрівом шарів МГ, розташованих поблизу гріючої поверхні. Таким чином, встановлено, що для обраної конструкції ГС найбільш доцільною товщиною пластини оребрення є =110-4 м при діапазоні зміни товщини в межах 20 % (рис. 3).

Рис. 3. Вплив товщини мідної пластини

оребрення на тривалість процесу десорбції

При дослідженні впливу відстані між пластинами на процес десорбції водню встановлено, що при зменшенні проміжку між пластинами, процес інтенсифікується. Однак збільшення кількості пластин оребрення на одиницю довжини ГС веде до скорочення корисного об'єму МГ і, як наслідок, до зменшення вмісту в ньому водню (до 13 %). Встановлено, що для обраної конструкції ГС відстань між пластинами оребрення товщиною =110-4 м не повинна перевищувати 510-3 м (рис. 4).

Рис. 4. Тривалість десорбції водню

в залежності від відстані між пластинами

оребрення: 1 – l = 0.001 м; 2 – l = 0.003 м;

3 – l = 0.005 м; 4 – l = 0.007 м; 5 – l = 0.01 м

На основі аналізу результатів досліджень впливу висоти пластини оребрення на характер процесу десорбції водню показано, що цей фактор, як і щільність установки пластин призводить до інтенсифікації просування теплового фронту в МГ. Однак на відміну від класичних схем розвитку теплообмінної поверхні за рахунок оребрення, в нашому випадку не має місце обмеження щодо так званої „критичної” висоти ребра, оскільки теплота передається пластині оребрення як від нагрівальної поверхні у кореневій зоні, так і з бічних поверхонь від високотемпературних зон шару МГ, що контактує з ребром теплопередаючої матриці. Отже, висота шару МГ повинна обиратися виходячи з умов мінімізації ексергетичних втрат, викликаних перегрівом зон шару МГ поблизу нагрівальної поверхні, а також шляхом оптимізації відношення маси металогідридної конструкції та маси МГ (рис. 5).

Рис. 5. Розподіл температури у металогідридному елементі для ф=200 с:

а) h/l=5.3, дпл.=0.0001 м; б) h/l=8.0, дпл.=0.0001 м

У роботі надана порівняльна оцінка ефективності процесу тепломасопереносу в МГ при оснащенні ГС теплопередаючею матрицею з мідним, алюмінієвим і сталевим пакетами оребрення. Виявлено безумовну перевагу мідного пакета оребрення над іншими: так, тривалість десорбції водню із шару МГ, оснащеного мідними пластинами у 1.4 рази менш, ніж у шару МГ з алюмінієвим пакетом та у 2.7 рази менш, ніж у шару МГ з сталевим пакетом. Отримані дані свідчать, що вибір матеріалу і геометрії внутрішнього оребрення, які забезпечують заданий споживачем закон зміни витрат водню в часі на необхідному рівні тиску, є важливою складовою в процесі конструювання ГС.

Отримані в результаті розрахунково-теоретичних досліджень процесів тепломасообміну дані щодо раціональної геометрії теплопередаючої матриці, а також впливу режимних факторів на інтенсивність термосорбційної взаємодії МГ з воднем дозволили підійти до створення зразка ГС для металогідридної техніки з підвищеною термодинамічною ефективністю.

У четвертому розділі викладено результати експериментального дослідження компримування водню у створеному зразку ГС, який забезпечує більш ефективний рівень стиснення у порівнянні з існуючими зразками металогідридної техніки.

Експериментальна конструкція генератора-сорбера виконана за схемою "труба в трубі". Простір для інтерметаліду утворено трубою Ш0.046 м, днищем і трубою Ш 0.018 м, у якій розташовувався трубчастий електронагрівник патронного типу потужністю 1.0 кВт. Довжина генератора-сорбера – 0.28 м. ГС містив у собі теплопередаючу матрицю з мідних пластин товщиною 1·10-4 м. Відстань між пластинами оребрення складала 1.1·10-3 м. В якості гидридоутворюючого матеріалу використано інтерметалід LaNі5, маса якого складала 1.140 кг. У розділі наведено опис конструкції ГС і методики проведення експериментального дослідження його режимних характеристик щодо генерування водню з заданими параметрами.

Методика одержання експериментальних даних, що характеризують тривалість процесу десорбції водню, містила у собі технологію активації МГ, етап підготовки ГС та експериментальний етап з реєстрацією параметрів водню і його витрат.

Технологія активації гідридоутворюючого матеріалу застосовувалась для збільшення його ємності по водню. Гідридоутворюючий матеріал, який пройшов попередню електрохімічну та баротермічну обробку, у перших циклах насичення воднем має підвищену сорбційну ємність на 17-20 % та більш короткий термін виходу на максимальну ємність по водню порівняно з традиційною схемою активації.

Метою етапу підготовки було насичення інтерметаліду воднем і встановлення в ГС фіксованого тиску десорбції. Після підготовки ГС до роботи були проведені випробування при тисках нагнітання 5.0 і 6.0 МПа. На поверхні електронагрівника підтримувалася температура на рівні 573 К. Порівняння експериментальних та розрахункових даних, отриманих шляхом використання розробленої методики дослідження термосорбційної взаємодії МГ з воднем, наведено на рис. 6.

Рис. 6. Витратні характеристики ГС в процесі десорбції водню

При розрахунково-теоретичному дослідженні процесу десорбції водню в МГ поряд з витратними характеристиками визначені температурні поля в шарі МГ. Отримані за розрахунковим алгоритмом температурні поля дозволили більш детально дослідити механізм переносу тепла і маси в шарі МГ і визначити локальні значення температури, що не можуть бути виміряні експериментальним шляхом, але становлять значний інтерес для визначення теплових втрат на різних стадіях у термосорбційному процесі (рис. 7).

Рис. 7. Температурне поле у шарі МГ LaNi5Hx ф=400 с

На основі результатів досліджень теплового стану ГС проведено ексергетичний аналіз термодинамічної ефективності процесу компримування водню в обраній конструкції з визначенням кількісної оцінки теплових потоків, що беруть участь у процесах циклу. Втрати працездатності в окремих елементах системи при термохімічному комприміюванні водню, що зазначені у відсотках до працездатності теплоти, наведені на рис. 8.

Рис. 8. Ексергетична діаграма термохімічного компримування водню:

1 - ексергія стисненого водню; 2 - втрати ексергії внаслідок зовнішньої незворотності (на верхньому температурному рівні); 3 - втрати ексергіі у результаті недосконалості перехідного процесу; 4 - втрати ексергії внаслідок зовнішньої незворотності (на нижньому температурному рівні); 5 - втрати ексергіі, які обумовлені наявністю шкідливого простіру;

6 - втрати ексергіі у газорозподільної системі

Аналіз отриманих даних свідчить, що найбільш значні втрати працездатності теплоти мають місце у перехідних процесах. Для підвищення ефективності стиснення водню необхідно здійснення додаткових технічних заходів, які забезпечують регенерацію теплоти МГ та метала конструкції, що втрачається у процесі охолодження від температури десорбції до температури сорбції.

У розглянутому діапазоні компримування водню від 0.4 МПа до 6.0 МПа ККД генератора-сорбера з внутрішнім пакетом оребрення у 1.3 рази перевершує аналогічний показник генератора-сорбера без елементів інтенсифікації.

Таким чином, розроблена математична модель термосорбційної взаємодії МГ з воднем дозволяє шляхом розрахунку визначати потенціали переносу (температуру, тиск, питомий масовміст водню) для будь-якого інтервалу у часі та на етапі проектування конструкцій ГС – вибирати його геометричні і режимні параметри, які забезпечують найбільшу ефективність стиснення водню, та дати кількісну оцінку втрат ексергії.

Результати випробувань експериментального зразка ГС розробленого з застосуванням розрахунків, які виконано згідно з запропонованою методикою, підтвердили заявлені техніко-економічні характеристики металогідридної системи для акумулювання та компримування водню.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Вирішена задача підвищення термодинамічної ефективності металогідридних елементів тепловикористовуючих установок шляхом розрахунково-теоретичного та експериментального дослідження, що дозволило отримати наступні результати.

1. Розроблено методику та алгоритм розрахунку термосорбційної взаємодії МГ з воднем з урахуванням кінетичного фактора, що дозволяє шляхом математичного моделювання визначати потенціали переносу термосорбційного процесу у будь-який проміжок часу.

2. Встановлено границі впливу константи швидкості на процес тепломасопереносу в МГ. Розрахунки показали, що в тих випадках, коли k<1, тривалість процесу десорбції водню істотно залежить від k, при k>>1, що відповідає діапазону температур десорбції від 400 К та вище, тривалість процесу несуттєво залежить від константи швидкості реакції. В реальних металогідридних установках температура десорбції лежить звичайно в межах 293-400 К, що відповідає k<1, тому при моделюванні робочого процесу металогідридної системи необхідно враховувати кінетичний фактор.

3. На основі аналізу факторів, які впливають на показники інтенсифікації процесу тепломасопереносу в МГ, встановлено, що введення додаткової теплопередаючої матриці у конструкцію ГС забезпечує підвищення його теплотехнічної ефективності та приводить до скорочення тривалості процесу десорбції водню у 2-4 рази і, як наслідок, забезпечує підвищення продуктивності стиснення водню.

4. Розроблено рекомендації з вибору конструктивних характеристик теплопередаючої матриці, які дозволяють обирати форму, матеріал та розміри теплопередаючих елементів для ГС з заданими параметрами, щодо динаміки термосорбційних процесів, які визначають продуктивність генерації водню.

5. Розроблено і створено конструкцію ГС на базі результатів чисельного експерименту. Досліджено режими роботи ГС в діапазоні параметрів р=0.4-6.0 МПа, Т=293-390 К та зміни інтенсивності теплового потоку від Qmax=63.1 кВт/м2 Qmin=31.6 кВт/м2, що дозволило адаптувати їх до існуючих систем енерго- та газорозподілу діючих ТСК. Зокрема, для ГС із діаметром 0.046 м і довжиною 0.28 м товщина мідної пластини оребрення складає 1.110-4 м, відстань між пластинами – 1.110-3 м, що забезпечує продуктивність стиснення водню на рівні 1.5 м3/год.

6. На основі термодинамічного аналізу ефективності процесу компримування водню у ГС з теплопередаючою матрицею встановлено, що при ступені підвищення тиску р2/р1=15, коефіцієнт перетворення теплоти в енергію стисненого водню складає 12 %, що у 1.3 рази перевершує ККД того ж самого генератора-сорбера, але без елементів інтенсифікації.

7. Ексергетичний аналіз термодинамічної ефективності процесу компримування водню в обраній конструкції ГС показав, що, разом з найбільшими втратами у результаті зовнішньої незворотності мають місце значні втрати працездатності теплоти у перехідних процесах, тому для підвищення ефективності стиснення водню необхідно здійснення додаткових технічних заходів, які забезпечують повернення до циклу теплоти МГ та метала конструкції, що втрачається у процесі охолодження від температури десорбції до температури сорбції.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Соловей В.В., Черная Н.А. Теплогидравлические характеристики металлогидридных термрсорбционных компрессоров для сжатия водорода // Пробл. машиностроения. – 1999. – 2, № 3-4. – С. 117-120.

2. Соловей В.В., Лотоцкий М.В., Шмалько Ю.Ф., Черная Н.А. Технологические аспекты создания металогидридных элементов теплоэнергетических установок с заданными теплофизическими характеристиками // Авиационно-космическая техника и технология. – Харьков: ХАИ. – 2000. – Вып. 21. – С. 100-103.

3. Соловей В.В., Черная Н.А. Эксергетический анализ термохимического сжатия водорода в газотурбинных установках // Сб. научн. трудов ИПМаш „Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”. – Харьков. – 2000. – С. 576-579.

4. Соловей В.В., Черная Н.А. Расчетно-теоретическое исследование десорбции водорода в металогидридах // Сб. научн. трудов ИПМаш „Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”. – Харьков.– 2003. – 1. – С. 259-264.

5. Соловей В.В., Черная Н.А. Повышение эффективности водородных термосорбционных компрессоров // Компрессорное и энергетическое машиностроение. – 2005. – № 2 (2). – С. 98-101.

6. Черная Н.А. Анализ влияния кинетического фактора на процесс термосорбционного взаимодействия металогидрида с водородом // Экотехнологии и ресурсобережение. – 2006. – 1. – С. 37-41.

7. Пат. 38171А, МКИ7 С23 С22/00. – Спосіб активації водневосорбційного сплаву. Авт. Соловей В.В., Макаров О.О, Чорна Н.А. – Опубл. 15.05.01. Бюл. № 4. – 3 с.

8. Пат. 46185А, МКИ7 СО1 В3/00. – Спосіб одержання водню. Авт. Соловей В.В., Макаров О.О, Жиров О.С., Прогнімак О.М., Чорна Н.А. – Опубл. 15.05.02. Бюл. № 5. – 3 с.

9. Черная Н.А. Повышение эффективности активации водородосорбционного сплава // Тр. III Междун. конф. “Водородная обработка материалов” (“ВОМ 2001”). – Донецк. – 2001. – С. 205-207.

АНОТАЦIЯ

Чорна Н.А. Підвищення ефективності металогідридних елементів тепловикористовуючих установок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2006 р.

У дисертації вирішена важлива науково-технічна задача підвищення показників ефективності процесу компримування водню в ГС ТСК. Розроблено методику й алгоритм розрахунку термосорбційної взаємодії МГ із воднем з урахуванням кінетичного фактора. Встановлено, що введення кінетичного фактора робить математичну модель термосорбційної взаємодії МГ із воднем більш адекватною реальному процесу і підвищує точність одержуваних результатів.

На підставі розрахунково-теоретичного дослідження тепломасопереносу в МГ визначено фактори, що впливають на інтенсифікацію процесу тепломасопереносу в МГ. У результаті множинних експериментів показана перевага методу інтенсифікації сорбційного процесу шляхом оснащення МГ пластинами оребрення.

Розроблено рекомендації з вибору раціональної геометрії внутрішнього оребрення для конкретної моделі ГС. Встановлено, що введення додаткової теплопередаючої матриці у вигляді внутрішнього оребрення в конструкцію ГС забезпечує підвищення показників ефективності процесу компримування водню.

Розроблено і створено ГС із раціональними параметрами внутрішнього оребрення, досліджені режими його роботи.

За експериментальними даними виконано оцінку термодинамічної ефективності процесу енергоперетворення в запропонованій конструкції ГС, яка підтвердила поліпшення техніко-економічних показників металогідридного устаткування для компримування водню.

Ключові слова: енергетичні установки, тепломасообмін, термосорбційний процес, металогідрид, водень, генератор-сорбер, ефективність.

АННОТАЦИЯ

Черная Н.А. Повышение эффективности металлогидридных элементов теплоиспользующих установок. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2006 г.

В диссертации решена важная научно-техническая задача повышения показателей эффективности процесса сжатия водорода в ГС ТСК. Разработана методика и алгоритм расчета термосорбционного взаимодействия МГ с водородом с учетом кинетического фактора, позволяющая расчетным путем определить потенциалы переноса сорбционного процесса в любой момент времени. Показано, что введение кинетического фактора делает математическую модель термосорбционного взаимодействия МГ с водородом более адекватной реальному процессу и повышает точность получаемых результатов. С помощью разработанной математической модели проведено исследование влияния температуры десорбции и давления на изменение константы скорости реакции. Показано, что при изменении температуры десорбции и давления в диапазоне ± 15 % наибольший вклад в изменение константы скорости реакции вносит температура. Расчеты показали, что динамика извлечения водорода существенно зависит от константы скорости k.

На основании расчетно-теоретического исследования тепломассопереноса в МГ определены факторы, которые оказывают наибольшее влияние на интенсификацию процесса тепломассопереноса в МГ. Приведена методика численного исследования, в которой использована разработанная математическая модель, описывающая нестационарный процесс термосорбционного взаимодействия МГ с водородом при наличии дополнительной теплопередающей матрицы в ГС. В результате численных экспериментов показано, что введение теплопередающей матрицы в виде оребрения в конструкцию ГС обеспечивает повышение его теплотехнической эффективности, что приводит к сокращению длительности процесса десорбции водорода в 4.3 раза, при этом производительность компримирования водорода составляет 1.5 м3/час.

Разработаны рекомендации по выбору рациональной геометрии внутреннего оребрения для конструирования ГС с заданными параметрами, которые позволяют выбрать материал и размеры теплопередающей матрицы.

Разработан и создан ГС с рациональными параметрами внутреннего оребрения, исследованы режимы его работы при давлениях нагнетания 5.0 и 6.0 МПа. Для ГС с диаметром 0.046 м и длиной 0.28 м толщина медной пластины оребрения составляет 110-4 м, шаг между пластинами – 1.110-3 м. При этом производительность компримирования водорода составляет 1.5 м3/час.

По экспериментальным данным выполнена оценка термодинамической эффективности предложенной конструкции ГС, которая подтвердила улучшение технико-экономических показателей металлогидридного оборудования для сжатия водорода. В рассмотренном диапазоне сжатия водорода от 0.4 МПа до 6.0 МПа КПД ГС с внутренним пакетом оребрения составляет 0.12, что в 1.3 раза превышает КПД такого же ГС, но без элементов интенсификации.

Ключевые слова: энергетические установки, тепломассообмен, термосорбционный процесс, металлогидрид, водород, генератор-сорбер, эффективность.

SUMMARY

Chernaya N.A. Increasing the efficiency of the metal-hydride elements of the heat using equipment. – Manuscript.

Thesis for a Candidat’s degree by speciality 05.14.06 – heat engineering and industrial heat engineering. A.N. Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of NАS of Ukraine, Kharkov, 2006.

In the dissertation the important scientific and technical problem increasing a effeciency of hydrogen compressing process is solved. The technique and calculation algorithm of thermo-sorption interaction metal-hydride _ hydrogen is developed for case using the kinetic factor. The introduction of the kinetic factor makes a mathematical model of thermo-sorption interaction of the metal-hydride with hydrogen more adequate to real process and raises the accuracy of the results. The influences of the temperature and pressure, which changed on ± 15 %, is carried out on which goes in the generator-sorber with the additional heat-mass transport matrix. Numerical calculations to indicate the greatest influence of a temperature on a change of the speed reaction constant k.

The basic influenced factors on an intensification of a heat-mass transport process in the metal-hydride are determined. The methodic of a numerical experiment is shown. It describes the non-stationary heat-mass transport process between metal-hydride and hydrogen, which goes in the generator-sorber which inputting matrix. The profit of the intensification of the thermo-sorption process by the added copper plates into the generator-sorber is shown.

For the concrete construction generator-sorber the recommendations to a choice of the optimum geometric parameters of the internal ribbing are given. The geometric sizes of the internal ribbing must be chosen from the conditions: minimum of the exergetic heat losses; optimum of the ratio of the mass of the generator-sorber construction to the metal-hydride mass.

On the basis of results of the numerical experiment, the generator-sorber with optimum parameters of the internal ribbing was designed and constructed. In particular, the generator-sorber with internal diameter 0.046 m. and length 0.28 m. has: thickness of a copper plate of the ribbing д=1·10-4 m; step between plates l=1.1·10-3 m.

For experimental data the estimation of thermodynamic efficiency of the generator-sorber suggested design is evaluated. It proved the improvement of the technical and economical parameters of the metal-hydride equipment for the hydrogen compression.

Key words: heat-mass transport, thermo-sorption process, metal-hydride, hydrogen, generator-sorber, energetic installations, effectiveness.

Підписано до друку 12.04.2006 р. Формат видання 145х215.

Формат паперу 60х90/16. Папір офсетний. Друк – ризографія.

Ум.-друк. арк. 0,9. Наклад 100 прим. Зам. № 695902

Надруковано у ФО-П Ізрайлев Є.М.

Свідоцтво № 04058841Ф0050331 від 21.03.2001 р.

61024, м. Харків, вул. Гуданова, 4/10