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基于有限元的金属氢化物储氢罐模拟
摘要
在本文中，提出了一种用于模拟金属氢化物（LaNi 5）储氢罐的新型3D柔性工具。该模型是基于有限元，通过研究非均匀的压力和温度金属氢化物反应器，而且考虑了耦合的传热和传质阻力。使用COMSOL Multiphysics仿真环境实现和求解控制方程。模拟了不同冷却系统设计的圆柱形反应器，反应堆最短的填充时间15 min里获得冷却设计配置，其由十二个内冷却管和外部冷却夹套组成。另外的模拟表明，氢化物热导率的增加可以进一步改善反应器动态性能，条件是吸收床对氢可充分渗透。
关键词:氢储存；有限差分分析；金属氢化物
命名法
A，B 系数。通过等式计算平衡压力
Ca 系数。通过方程式计算吸附动力学， sminus;1
Cp 比热，J kg -1 K -1
dp粒径，m
Ea活化能，J mol -1
hw界面换热器壁面传热系数 - 氢化物，W m -2 K -1
ķ渗透率，m 2
L氢化物床的长度，m
Mg分子量，kg mol -1
p压力，Pa
pext充氢压力，Pa
R气体常数，8.314 J mol -1 K -1
Re氢化物床的外半径，m
rm金属管的外半径，m
t时间，s
T温度，K
u气体速度，m s -1
Delta;H焓，J kg -1
ε多孔性
lambda;导热系数，W m -1 K -1
mu;g动态粘度，kg m -1 s -1
rho;密度，kg m -3
eq平衡
f冷却液
g加油站
m金属
o初始
s氢化物
ss饱和
1.介绍
储存是氢经济发展的关键因素，特别是对于运输部门。车载储氢需要安全有效的技术，符合车辆要求。在不同的储存方法中，氢在金属氢化物上的可逆吸附似乎特别有趣。AB 5金属间化合物，尤其是LaNi 5金属氢化物，由于高储存容积密度，以及与燃料电池兼容的压力和温度操作条件（T = 20-60 °C，p = 1–10 bar），因此被认为非常适合这些应用。与传统的加压罐相比，基于金属氢化物的储氢罐更紧凑和安全。美国能源部（DOE）在DOE氢气计划的框架内建立了一些参数，这些参数代表了开发高效车载氢气储罐的技术目标。其中 ，考虑到储存的氢气质量为5 千克，特别限制的储罐填充时间必须小于10 分钟。出于这个原因，文献中研究最多的主题之一是能够在充/放氢期间有效地提供/去除热能的罐的开发。近年来已经提出了几种用于分析金属氢化物床中的氢吸收的数学模型。Mayer等人开发了一维模型，表明传热和传质是影响反应器反应速率的关键因素。Jemni和Nasrallah提出了圆柱形反应器内二维瞬态传热传质的模型。确定了一些参数（反应器半径，入口压力和温度）对动态反应器性能的影响。此外，证明通过氢化物床的对流热传递可忽略不计。Aldas等人将Jemni和Nasrallah的数学模型扩展到三维，证明氢气流量显着影响系统中的温度分布。Nakawaga等人通过氢化和脱氢动力学的二维数学模型预测了氢化物床中的瞬态传热和传质现象。证明了局部热平衡（LTE）假设的有效性。Ha 等人。通过数值求解二维模型研究了氢化物床中发生的物理机制。作者强调了通过增加金属氢化物颗粒的导热性和通过在床中插入翅片来改善床的传热和传质的重要性。Marty等人提出了一个二维和三维数值模拟，用于预测充满氢化物的工业罐的特性。2D和3D计算之间的比较表明，三维罐几何形状是正确设计罐的必要条件。Kikkinides等人模拟了一个二维圆柱形反应器，其中两个同心环形床都被冷却液包围。直接建模反应器并使用软件包gPROMS以数字方式求解。仿真结果表明，通过优化冷却系统的设计和控制策略，可以获得存储时间的改善。Nakaso等人进行了二维圆柱形氢化物床的经典数值研究，强调了提高反应器热性能的重要性，以提高能量释放速率。为此，Laurence和Goyette 实现了一个在一个维度上计算热传递的模型。该模型预测，填充约500 克合金的圆柱形储存容器可在不到15 分钟内完成吸收反应，内部铝泡沫可改善传热。杨等人。在数值上制定并解决了吸附过程的二维数学模型。参数分析表明，小床厚度，高入口压力和冷却流体的低温有利于反应器的性能。MacDonald和Rowe提出了一个二维数值模型，强调了外部传热增强对储罐性能的重要性。Gambini等人提出了金属氢化物储氢气瓶的集总参数数值模型。拟议的模型旨在被整合到一个旨在模拟整个能量系统的更大的数值模型中。布朗等人也追求类似的目标。它在Matlab-Simulink环境中实现了通常的二维动态模型，可以很容易地集成到更大的系统模型中。一些上述模型通过实验验证，证明所选择的数学方法可以有效地描述通过金属氢化物反应器的瞬时热量和质量传递。Mohan等人进行了具有嵌入式过滤器和冷却管的金属氢化物反应器的横截面的二维模拟。使用COMSOL Multiphysics商业代码进行模拟。在简化问题处理的假设中，Mohan等人床内的压力下降被忽略，并且没有模拟流过内部冷却管的传热流体。尽管存在上述限制，但模拟结果重申了床厚度作为控制氢吸收速率的主要参数的重要性。本文的目的是提供一种三维工具，用于模拟整个金属氢化物储氢罐，包括金属氢化物床，冷却系统和传热流体。通过使用COMSOL Multiphysics仿真环境通过偏微分方程（PDE）描述瞬态热量和质量传递现象，已经实现了数学模拟。有限元方法可以使模型轻松适应不同的反应器几何形状，从而可以对设计进行精确分析和优化。在论文的第一部分，介绍了模型的控制方程以及相关的边界和初始条件。然后，提出了能够累积约 1kg氢的圆柱形LaNi5基反应器的模拟。针对冷却系统的三种不同配置评估储罐的动态性能。
2.数学模型
所研究的反应器是圆柱形储存器（外半径0.1 米，长0.5 米），填充有商业LaNi 5颗粒并且能够累积约1 千克氢。模拟了冷却系统的三种不同设计，如图1所示。第一个“基本”设计呈现七个管，其中冷却水流动，沿着金属氢化物床在对称位置移位。第二种设计提供了十二个对称的内管，允许更高的传热表面。第三反应器呈现相同的十二内管构造，并且另外被冷却夹套包围。对于所有配置，氢气沿反应器轴向进入。
图1. 模拟冷却系统的三种不同设计：a“基本”七个内管; b十二个内管; c十二个内管加上冷却水套
作出以下假设：
- 固相是各向同性的并且具有均匀的孔隙率。
- 介质处于局部热平衡状态（气体温度与固体温度相同）。
- 气相是理想的。
- 平衡气体压力通过Van#39;t Hoff方程计算，忽略实际压力/浓度等温线的滞后和平台倾斜。
- 热物理性质是恒定的。
- 该系统是绝热的（没有损失/增加到周围环境的热量）。
控制方程由冷却流体，热交换器金属，氢化物床和氢扩散的质量平衡的能量平衡组成。该模型描述了使用达西定律通过氢化物床的氢扩散，并考虑了吸附的动力学作为局部压力和平衡压力之间的差异。
基于这些假设，考虑了以下等式：
冷却液的能量平衡：
（2.1）
换热器金属的能量平衡：
（2.2）
氢化物床的能量平衡：
（2.3）
氢化物床的质量平衡：
（2.4）
此外，还考虑了以下附加方程：
完善的气体法：
（2.5）
达西定律：
（2.6）
Kozeny-Carman的等式：
（2.7）
吸附动力学：
（2.8）
范特霍夫定律：
（2.9）
特别是Eq。考虑假设c确定气体密度。是众所周知的达西定律。用Kozeny-Carman定律估算吸附床的渗透率。描述了反应动力学，其中常数Ca取决于氢化物的类型; 在文献中报道了LaNi5-氢系统的活化能E a值。用Van#39;t Hoff定律计算平衡压力; A和B系数取决于所考虑的氢化物。
初始条件和边界条件如下：
初始状态：
（2.10）
边界条件：
（2.11）
其中T cool表示冷却液的入口温度。
（2.12）
其中h w表示界面金属氢化物的热阻（r m = 金属管的外半径）
（2.13）
其中p ext gt; p 0表示入口氢气压力。
未示出与绝热或对称相关的其他边界条件。
通过使用商业软件包COMSOL Multiphysics通过有限元方法（FEM）数值求解的偏微分方程（PDE）对传输现象的描述来实现数学模拟。该软件通过“化学工程”模块解决能量（对流和传导），质量（扩散）和动量（达西定律）传输方程。实现了一些特定的用户定义子程序，用于计算特定参数，如吸收率，平衡压力等。
首先，定义与计算公差相关的反应器几何形状和网格图。图2显示了实现的3D计算域。第一个域模拟上述“基本”七个内管的几何形状。第二个领域描述了十二内管的设计。通过固定适当的传热壁边界条件来引入具有冷却套的壳体。
图2在COMSOL Multiphysics仿真环境中实现的反应器几何形状。
对于每个域，定义了三个不同的子域：i）多孔金属氢化物床，ii）用作热交换器的金属管，iii）流动的冷却流体（即水）。出于对称的原因并且为了减少计算时间，计算域模拟半反应堆。
在引入金属氢化物和气体性质之后，分配边界条件和初始值。溶液的收敛决定了温度，压力和金属氢化物密度分布。
3.模拟结果
假设表1中报告了共同的输入数据，对于上述三种配置进行了模拟。考虑到入口压力为8 bar ，模拟过程是填充阶段。冷却流体的入口温度为20 ℃。最初认为该罐的温度为20 ℃，压力为1.5 bar。
表1，输入数据进行模拟。
|
参数 |
符号 |
值 |
|---|---|---|
|
氢化物床的外半径 |
Re |
0.1m |
|
氢化床的长度 |
L |
0.5m |
|
外径为金属管 |
rm |
0.005msminus;1 |
|
外部冷却液的速度 |
v |
0.5 |
|
初始温度 |
To |
20° 资料编号：[4126] |
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