Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations
The paper considers the peculiarities of the heat and mass exchange process in a hydrogen-metal system, which takes place in metal-hydride installations. A mathematical model of non-stationary heat and mass exchange processes in metal hydride complex-design devices is proposed. The results of the ca...
Saved in:
| Published in: | Проблеми машинобудування |
|---|---|
| Date: | 2018 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2018
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158809 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations / N.A. Chorna, V.V. Hanchyn // Проблеми машинобудування. — 2018. — Т.21, № 4. — С. 63-70. — Бібліогр.: 16 назв. — англ, укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859622085988450304 |
|---|---|
| author | Chorna, N.A. Hanchyn, V.V. |
| author_facet | Chorna, N.A. Hanchyn, V.V. |
| citation_txt | Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations / N.A. Chorna, V.V. Hanchyn // Проблеми машинобудування. — 2018. — Т.21, № 4. — С. 63-70. — Бібліогр.: 16 назв. — англ, укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблеми машинобудування |
| description | The paper considers the peculiarities of the heat and mass exchange process in a hydrogen-metal system, which takes place in metal-hydride installations. A mathematical model of non-stationary heat and mass exchange processes in metal hydride complex-design devices is proposed. The results of the calculation and theoretical research performed by the authors about the prospects of using modern metal hydride technologies are presented. On the basis of the calculation and theoretical research, the influence of the accuracy of setting the heat transfer factor on the dynamics of hydrogen desorption is analyzed. The main factors that influence the choice of the geometric dimensions of a metal hydride element are identified.
У роботі розглянуто особливості процесу тепломасообміну в системі «водень-метал», що протікає в металогідридних установках. Запропоновано математичну модель нестаціонарних процесів тепломасообміну стосовно металогідридних пристроїв складної конструкції. Наведено результати розрахунково-теоретичних досліджень, виконаних авторами щодо перспектив застосування сучасних металогідридних технологій. На підставі розрахунково-теоретичного дослідження проаналізований вплив точності задання коефіцієнта тепловіддачі на динаміку десорбції водню. Виділені основні чинники, що впливають на вибір геометричних розмірів металогідридного елемента.
В работе рассмотрены особенности процесса тепломассообмена в системе "водород-металл", который протекает в металлогидридных установках. Предложена математическая модель нестационарных процессов тепломассообмена в металлогидридных устройствах сложной конструкции. Представлены результаты рассчетно-теоретических исследований, выполненные авторами относительно перспектив применения современных металлогидридных технологий. На основании рассчетно-теоретического исследования проанализировано влияние точности задания коэффициента теплоотдачи на динамику десорбции водорода. Выделены основные факторы, которые влияют на выбор геометрических размеров металлогидридного элемента.
|
| first_indexed | 2025-11-29T05:24:18Z |
| format | Article |
| fulltext |
NON-TRADITIONAL POWER ENGINEERING
ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2018, vol. 21, no. 4
УДК 536.24, 621.576.5
МОДЕЛЮВАННЯ
ТЕПЛОМАСО-
ОБМІННИХ
ПРОЦЕСІВ У
МЕТАЛОГІДРИДНИХ
УСТАНОВКАХ
Н. А. Чорна,
канд. техн. наук
nataliyachernaya7@gmaіl.com
В. В. Ганчин
Інститут проблем
машинобудування
ім. А.М. Підгорного
НАН України,
61046, Україна, м. Харків,
вул. Пожарського, 2/10
Водень як екологічно чистий енергоносій знаходить все більш широке використання
в різних сферах економіки індустріально розвинених країн, в першу чергу, для поліп-
шення екологічної ситуації. Металогідридні установки незалежно від області за-
стосування є енергоперетворювальними об’єктами, тому розробка науково-
технічних принципів їх утворювання – новий науковий напрям промислової тепло-
енергетики. У роботі розглянуто особливості процесу тепломасообміну в системі
«водень-метал», що протікає в металогідридних установках. Запропоновано ма-
тематичну модель нестаціонарних процесів тепломасообміну стосовно металогід-
ридних пристроїв складної конструкції. Наведено результати розрахунково-
теоретичних досліджень, виконаних авторами щодо перспектив застосування
сучасних металогідридних технологій. На підставі розрахунково-теоретичного
дослідження проаналізований вплив точності задання коефіцієнта тепловіддачі на
динаміку десорбції водню. Виділені основні чинники, що впливають на вибір геомет-
ричних розмірів металогідридного елемента. Особливістю моделі є універсальність,
що дає можливість застосування її під час моделювання різних типів енергоперет-
ворювальних металогідридних установок, оптимізації конструкції та режимів ро-
боти проектованих металогідридних пристроїв. Впровадження запропонованих
технологічних рішень зі створення металогідридного устаткування відкриє перспе-
ктиви широкого кола спеціалізованих енергоперетворювальних установок. Це до-
зволить підвищити рівень використання вторинних енергетичних ресурсів на під-
приємствах різних галузей, створить реальні передумови для зменшення теплового
забруднення навколишнього середовища й буде важливим кроком на шляху реалізації
програми інтеграції економіки України в єдину загальноєвропейську систему.
Ключові слова: енергоперетворювальні установки, тепломасообмінні процеси,
водень, металогідрид, математичне моделювання.
Вступ
Увага до використання водню як альтернативного виду палива існує вже не одне десятиріччя. Це
обумовлено як досягнутим за останнім часом технологічним прогресом у розглянутій області, так і при-
внесеними економічними обставинами, що пов'язані з високою ціною на викопні енергетичні ресурси та
політичними аспектами формування ринку енергоносіїв. Не в останню чергу перспективи розвитку еколо-
гічно чистої енергетики визначаються забрудненням навколишнього середовища продуктами згоряння та
прогнозованих змін клімату в результаті парникового ефекту. Воднева енергетика забезпечить більш висо-
кі і стійкі темпи економічного розвитку, зменшить загрозу незворотних змін клімату. Використання новіт-
ніх металогідридних технологій дозволить істотно інтенсифікувати розвиток водневої енергетики. Метало-
гідридні пристрої, незалежно від області застосування, є енергоперетворювальними об’єктами, тому роз-
робка науково-технічних принципів їхнього створення є новим науковим напрямом сучасної теплоенерге-
тики [1, 2]. У цих пристроях основним робочим вузлом є металогідрид (МГ), що грає роль енергоперетво-
рювального елемента, в якому енергія споживається у формі теплоти і потім трансформується в потенцій-
ну енергію стисненого газу або частково перетворюється в енергетично нерівноважні форми водню.
Постановка проблеми
Під час проектування металогідридних пристроїв особлива роль приділяється методам математи-
чного моделювання, що дозволяють знизити матеріальні та тимчасові витрати порівняно з різноманітни-
ми експериментальними дослідженнями. На основі результатів чисельних експериментів можна краще
зрозуміти суть фізичних процесів, що протікають у пристроях, оптимізувати конструкції та вибрати най-
кращі режимні параметри. Внаслідок складності фізико-хімічних процесів в металогідридних системах
математичні моделі, що описують теплофізичні та гідравлічні властивості акумулювального середовища,
кінетику реакцій сорбції-десорбції водню, теплообмін між газовою й твердою фазами, поки ще недостат-
ньо вивчені. Саме тому вивчення процесів тепломасообміну в розглянутих середовищах і створення на-
дійних математичних моделей для їхнього описання здобувають першочергове значення під час розробки
ефективних металогідридних систем.
Н. А. Чорна, В. В. Ганчин, 2018
НЕТРАДИЦІЙНІ ЕНЕРГОТЕХНОЛОГІЇ
ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2018, Т. 21, № 4
Викладення основної частини дослідження
В ІПМаш НАН України розроблена математична модель термосорбційної взаємодії водню з ме-
талогідридом, що описується рівняннями переносу тепла й маси у разі в'язкісного режиму фільтрації
водню крізь дисперсний шар металогідриду [3–7]. На відміну від раніше описаних, ця модель враховує:
– внесок конвективного переносу в загальний тепловий потік;
– рівноважні співвідношення, що описують зв'язок між тиском, температурою й концентрацією
водню в металогідриді у всьому діапазоні концентрацій;
– хімічну кінетику сорбції (десорбції).
Такий підхід максимально відповідає реальним умовам експлуатації енергоперетворювальних ме-
талогідридних систем. На цей час модель реалізована чисельним методом у вигляді пакета програм на
мові Java у середовищі Wіndows для PC-сумісних персональних комп'ютерів [8–10].
Математична модель процесу тепломасообміну в МГ набуває такого вигляду:
r
T
J
c
c
z
Т
r
T
rr
Т
а
Т
∂
∂
ρ
β
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=
τ∂
∂
2Н
2
2
2
2 1
; (1)
r
T
Jc
z
Т
r
T
rr
Т
qs
∂
∂
β+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
λ=
τ∂
χ∂
ρ
2Н2
2
2
2 1
; (2)
RT
Н
−
Θ
+
Θ−
Θ
=Θχ
)(
1
ln2)( 1 ; (3)
τ∂
χ∂
ρ−
∂
∂
+
∂
∂
+=
τ∂
∂
ξ r
p
J
r
J
p
r
Jp
ТR
Пр1
2Н
; (4)
( ) r
рd
ТR
р
hJ
∂
∂
−ξµ
=
2
2
сер
Н
3
П1
П
2
; (5)
µ′∆⋅τ∆⋅⋅χ
χ
⋅=
τ
χ
пит.д
),(
),(
fTp
Tp
А
d
d
; (6)
( ) TRbv
v
a
p
2Н2
=−
+ , (7)
де а – коефіцієнт температуропровідності гідриду; β – поправковий коефіцієнт;
2Н
с – коефіцієнт тепло-
ємності водню; с – коефіцієнт теплоємності гідриду; ρ – густина гідриду; J – щільність потоку водню; qS –
тепловий ефект реакції термохімічної взаємодії гідриду з воднем; λ – коефіцієнт теплопровідності; Θ –
ступінь заповнення міжвузлової металогідридної матриці атомами водню;
−
Θ)(1Н – концентраційна за-
лежність парціальної мольної ентальпії взаємодії між атомами водню; П – пористість металогідриду; ξ –
коефіцієнт стисливості газу; h – коефіцієнт фільтрації; dсер – середній еквівалентний діаметр частинки гід-
риду; µ – динамічний коефіцієнт в’язкості;
д
p – тиск десорбції; fпит. – питома площина; µ/
– хімічний по-
тенціал; pRTGA ln0 +∆= – комплексна величина; ∆G0 – зміна енергії Гіббса; v – об’єм; а, b – віріальні
коефіцієнти.
Систему рівнянь (1)–(7) замикають початкові й граничні умови 3-го роду.
Виконання теплотехнічних розрахунків металогідридних систем припускає заданими не тільки тер-
мосорбційні, але й теплофізичні характеристики застосованих матеріалів. Наявні дані про теплофізичні вла-
стивості металогідридів носять уривчастий характер і не враховують ряд факторів, істотних для процесів
теплопереносу під час взаємодії металогідриду із воднем. Відсутність цих даних не дозволяє встановити
залежності теплофізичних характеристик від стадії процесу у реальному діапазоні зміни режимних параме-
трів, що вносить істотну похибку в результати розрахунку конструкції металогідридних елементів.
NON-TRADITIONAL POWER ENGINEERING
ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2018, vol. 21, no. 4
Одним з найбільш ефективних шляхів ідентифікації теплофізичних характеристик є застосування
інструментарію обернених задач теплопровідності, зокрема, для визначення коефіцієнтів ефективної теп-
лопровідності металогідридів і його залежності від параметрів процесу взаємодії з воднем [11]. Матема-
тична модель тепломасообміну в металогідриді в нелінійній постановці обумовлена залежністю теплофі-
зичних властивостей і структурних характеристик МГ від параметрів термосорбційного процесу.
Ітераційний алгоритм розв’язання системи диференціальних рівнянь «водень-метал»
Запропонована вище задача (1)–(7) є крайовою задачею з умовами Стефана на межі розподілу
двох фаз металогідрид – водень. Для розв’язання такого класу задач розроблені різні числові методи, які
можна розділити на два класи. До першого класу можна віднести методи, які в своїй сіткової реалізації
так чи інакше намагаються підлаштувати сітку таким чином, щоб для кожного моменту часу вузли сітко-
вої моделі проходили межею поділу фаз. Такі методи добре підлаштовані до розв’язання одновимірних
задач. Для дво- і тривимірних задач алгоритми, що грунтуються на перебудові сіток згідно з межею роз-
поділу двох фаз, в плані проведення обчислювального експерименту є досить трудомісткими. До другого
класу задач належать такі методи, які за допомогою деяких перетворень крайову задачу з умовами Сте-
фана на межі розподілу двох фаз замінюють на крайову задачу з коефіцієнтами, що враховують стрибок
теплового потоку на межі розподілу фаз [12, 13]. Використовуючи такий підхід, крайову задачу можна
переписати в такому вигляді з граничними і початковими умовами 3-го роду:
( )( )
Tp
T
p
с
R
d
hTdiv
Т
TТqc S
grad,grad
)П1(
П
)grad(
2
3
н
н
2
сер
*
0ггг
2
2
µ−ξ
β+⋅λ=
=
τ∂
∂
−δχρ+ρ
( ) )grad
)П1(
П
()
П
(
1
2
3
н
2
сер*
0г
н 22
p
T
p
div
R
d
h
p
pp
T
p
R µ−⋅ξ
=
τ∂
∂
−δχρ+
τ∂
∂
⋅ξ
, (8)
де ( )*
TТ −δ та ( )*
pp −δ – дельта функція Дірака; *
T та *
p – температура та тиск десорбції.
Відразу зауважимо, що за такої постановки враховується умова з'єднання на межі контакту двох
фаз. Так, у роботі [13] зазначено, що під час чисельної реалізації використовувати функцію Дірака, як во-
на визначена, не є можливим. Тому у разі чисельної реалізації цього підходу проводять згладжування фу-
нкції Дірака різними методами [12, 13].
Для числової реалізації розв'язку системи з двох нелінійних рівнянь в частинних похідних пара-
болічного типу застосуємо неявну різницеву схему для тимчасової координати. Тоді систему з двох нелі-
нійних параболічних рівнянь в частинних похідних можна записати як послідовність систем двох нелі-
нійних стаціонарних рівнянь в частинних похідних
( )( )
ii
i
i
i
ii
iS
Tp
T
p
с
R
d
hTdiv
TТ
TТqc
grad,grad
)П1(
П
)grad(
2
3
н
н
2
сер
1*
0ггг
2
2
µ−ξ
β+⋅λ=
=
τ∆
−
−δχρ+ρ −
( ) ( )
)grad
)П1(
П
(
П1
2
3
н
2
сер1*
0г
н 22
i
i
iii
i
i
p
T
p
div
R
d
h
pp
pp
TR
⋅
µ−⋅ξ
=
τ∆
−
−δχρ+
⋅ξ
− , (9)
де 1−iT та 1−ip – розв'язок з попереднього тимчасового шару; τ∆ – крок за часової координати.
Для розв'язання системи з двох нелінійних рівнянь стаціонарного типу на кожному часовому
кроку лінеаризуємо систему таким чином:
НЕТРАДИЦІЙНІ ЕНЕРГОТЕХНОЛОГІЇ
ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2018, Т. 21, № 4
( )( )
1,1,
1,
2
3
н
н
2
сер
,
1,*
1,0ггг
grad,grad
)П1(
П
)grad(
2
2
−−
−
−
−
µ−ξ
β+⋅λ=
=
τ∆
−
−δχρ+ρ
jiji
ji
i
ji
iji
jiS
Tp
T
p
с
R
d
hTdiv
TТ
TТqc
( ) ( )
)grad
)П1(
П
(
П1
,
1,
1,
2
3
н
2
сер1,*
1,0г
н 22
ji
ji
jiiji
ji
i
p
T
p
div
R
d
h
pp
pp
TR
⋅
µ−⋅ξ
=
τ∆
−
−δχρ+
⋅ξ −
−−
− , (10)
де 1, −jiT та 1, −jip – розв'язок, отриманий на попередній ітерації; jiT , та jip , – розв'язок на поточній ітера-
ції для кожного часового кроку.
Для запуску ітераційного процесу на першому етапі для деякої часової координати як початкове на-
ближення вибирається розв'язок з попереднього часового кроку. Отримання просторової залежності шуканих
функцій для кожного лінійного рівняння можна застосувати метод скінченних елементів [14]. Ітераційний про-
цес продовжується, поки відносні похибки для функцій jiT , та jip , не стануть менше, ніж Tε та pε відповідно.
Числовий експеримент
За допомогою математичної моделі термосорбційної взаємодії металогідриду з воднем проведе-
но порівняння результатів з експериментальними даними процесу десорбції водню для МГ LaNі5Нх. Чи-
словий експеримент проводився за таких умов: конструкція малогабаритного генератора-сорбера (МГС)
довжиною L=0,15 м з внутрішнім діаметром dвн. = 0,04 м оснащена теплопередавальною матрицею, яка
конструктивно виконана з мідних пластин оребрення з товщиною δ=1,0⋅10
-4
м. Пакет оребрення набрано
з 74 пластин з відстанню між ними l = 5,0⋅10
-3
м. Для теплового впливу на металогідрид МГС потоком
теплоносія, що омиває його зовнішню поверхню, використаний сталевий тонкостінний стакан, що утво-
рює із зовнішньою поверхнею МГС канал. Товщина кільцевого каналу для теплоносія становила 5,0⋅10
-
4
м. Потік теплоносія, що омиває зовнішню поверхню МГС, має температуру 338 К, початкова темпера-
тура шару МГ Т0 = 284 К, початковий тиск водню р1=0,1 МПа, тиск десорбції водню р2=0,36 МПа, витра-
та гарячої води Gг.в.=0,017 кг/с. Насипна густина шару МГ LaNі5Нх становила ρ 3810 кг/м3
[15].
Під час розв’язання задач тепломасообміну в металогідриді важливим фактором є коректне за-
дання граничних умов. За граничних умов 3-го роду, що визначають закон вільного теплообміну з на-
вколишнім середовищем на границях реактора для будь-якого моменту часу, важливою величиною є
коефіцієнт тепловіддачі. Оскільки в умовах експерименту не було надано значення коефіцієнта тепло-
віддачі, згідно з [16] для обраної конструкції МГС значення α дорівнювало 3337 Вт/м2
·К, що відповідає
значенню числа Нуссельта за ламінарною течію для плоскої щілини, що обігрівається з однієї сторони.
На рис. 1 подано розрахункові та експериме-
нтальні залежності масової витрати М від часу τ [15].
Найбільш інтенсивне протікання реакції
спостерігається на ділянці 0–80 с. Це пов'язано із
властивістю гідридів поглинати та виділяти почат-
кові порції водню з підвищеними швидкостями. Із
зменшенням температурного градієнта поблизу
зони реакції в міру видалення її від нагрівальної
поверхні динаміка водню зменшується. Відхилення
значень масової витрати десорбованого водню, що
отримані в результаті розрахунку й експерименту,
не перевищували 4%.
Відповідність розробленої математичної
моделі реальній природі досліджуваного явища
дозволила розглядати її як досить дієвий інстру-
мент для аналізу впливу різних факторів на динамі-
ку водню із шару металогідриду.
––– – розрахунок; – – – експеримент [15]
Рис. 1. Характер зміни масової витрати М
десорбованого водню шару металогідриду від часу τ
NON-TRADITIONAL POWER ENGINEERING
ISSN 0131–2928. Journal of Mechanical Engineering, 2018, vol. 21, no. 4
За допомогою математичної моделі
проведено дослідження та визначено, наскі-
льки коректно треба задавати коефіцієнт те-
пловіддачі під час розв’язання задач тепло-
масообміну.
На рис. 2 наведено розрахункові за-
лежності масової витрати М десорбованого
водню з шару МГ від коефіцієнта тепловід-
дачі. Значення коефіцієнта тепловіддачі ста-
новили 3337; 700; 500; 400 Вт/(м2
·К).
З рисунка видно, що зі зменшенням
коефіцієнта тепловіддачі час виділення вод-
ню із шару МГ помітно збільшується. Розра-
хунки показали, що у разі зменшення α на
15% тривалість процесу збільшується на
35%. Отже, можна зробити висновок про
яскраво виражений вплив коефіцієнта тепло-
віддачі за інтенсивного постійного підведен-
ня теплоти до нагрівальної поверхні на шви-
дкість виділення водню із шару МГ.
Досліджено вплив температури те-
плоносія на генерацію водню (рис. 3).
Під час конструювання металогідри-
дних систем із заданим типом металогідри-
ду, вибір якого обумовлений термосорбцій-
ними характеристиками, необхідно прагнути
до скорочення тривалості циклів сорбція-
десорбція водню. Це можна здійснювати
шляхом підвищення теплових навантажень,
реалізованих у металогідридних елементах,
що досягається за рахунок збільшення пито-
мої площі поверхні теплообміну, віднесеної
до одиниці маси металогідриду.
Для вищевикладанних умов експе-
рименту на рис. 4 подано ізолінії просування
теплового фронту в процесі десорбції водню
в шарі металогідриду LaNі5Нх. Ізолінії наве-
дені для часу 60, 90, 120, 150, 180, 210 с.
1 – α=3337 Вт/(м2
·К); 2 – α=700 Вт/(м2
·К); 3 – α=500 Вт/(м2
·К);
4 – α=400 Вт/(м2
·К)
Рис. 2. Характер зміни масової витрати М десорбованого
водню з шару металогідриду від коефіцієнта тепловіддачі
1 – 353 К; 2 – 338 К; 3 – 323 К
Рис. 3. Зміна масової витрати М десорбованого водню з шару
металогідриду при α=3337 Вт/(м
2
·К) від температури теплоносія
Рис. 4 ілюструє зонний характер фазового переходу в шарі металогідриду. Перенесення теплоти
кондукцією у металогідриді здійснюється через тверду фазу зонами зіткнення частинок металогідриду та
шляхом теплопровідності в газових порах, заповнених воднем. Поширення теплоти за рахунок фільтрації
водню газовими порожнинами підкоряється законам конвективного переносу теплоти з урахуванням осо-
бливостей газодинаміки, обумовленої дрібнодисперсною структурою та позонним масообміном між тве-
рдою та газоподібною фазами. Ширина зони збільшується в міру видалення її як від нагрівальної поверх-
ні, так і від пластини оребрення.
Висота пластини оребрення, як і частота установки пластин, головним чином впливає на просу-
вання теплового фронту в МГ. Тепло надходить до пластини оребрення як від нагрівальної поверхні, так і
з бічних поверхонь від збіднених зон шару МГ. Якщо ж піти шляхом збільшення тривалості процесу ви-
ходячи з теплової інерційності шару МГ, то, крім зменшення продуктивності, це призведе до зниження
економічності через втрати теплоти, що обумовлюються перегріванням шарів МГ, розташованих поблизу
нагрівальної поверхні.
НЕТРАДИЦІЙНІ ЕНЕРГОТЕХНОЛОГІЇ
ISSN 0131–2928. Проблеми машинобудування, 2018, Т. 21, № 4
Найсуттєвіший вплив на динаміку виходу водню чи-
нять внутрішній термічний і гідравлічний опори металогідри-
ду, що накладає обмеження на геометричні розміри металогід-
ридного елемента за заданої видаткової характеристики систе-
ми. Тому висота шару металогідриду повинна вибиратися ви-
ходячи з умов мінімізації ексергетичних втрат, викликаних пе-
регріванням зон шару МГ поблизу нагрівальної поверхні, а та-
кож шляхом оптимізації співвідношення маси металоконстру-
кції до маси гідриду.
Висновки
Розроблена математична модель нестаціонарних проце-
сів тепломасообміну щодо металогідридних пристроїв складної
конструкції. На підставі розрахунково-теоретичного досліджен-
ня проаналізований вплив точності задання коефіцієнта тепло-
віддачі на динаміку десорбції водню. Виділені основні чинники,
що впливають на вибір геометричних розмірів металогідридного
елемента. Наведена математична модель пористого середовища
та програмних засобів, що її реалізують, надалі може бути вико-
ристана для оптимізації конструкції та режимів роботи проекто-
ваних металогідридних пристроїв у системах транспортування,
зберігання й енерготехнологічної переробки водню.
Рис. 4. Ізолінії просування теплового
фронту в процесі десорбції водню в шарі
металогідриду LaNі5Нх
Література
1. Соловей В. В., Ивановский А. И., Черная Н. А. Энергосберегающие технологии генерации и энерготехноло-
гической переработки водорода. Компрессор. и энерг. машиностроение. 2010. № 2(20). С. 21–24.
2. Соловей В. В., Ивановский А. И., Черная Н. А. Применение термосорбционных компрессоров для комприми-
рования водорода. ВЭБ-МПГ-2009: сб. тр. 6-го междунар. симп. (Москва, 5–6 нояб. 2009 ). М., 2009. С. 79–92.
3. Мацевитый Ю. М., Соловей В В., Черная Н. А. Повышение эффективности металлогидридных элементов те-
плоиспользующих установок. Пробл. машиностроения. 2006. Т. 9. № 2. С. 85–93.
4. Соловей В. В., Чорна Н. А., Кошельнік О. В. Розробка науково-технічних принципів створення тепловикорис-
товуючих металогідридних систем Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2011. № 7(89). С. 67–73.
5. Кошельнік О. В. Чорна Н. А. Розробка та аналіз схем високоефективних водневих енергоперетворюючих уста-
новок. Вісн. НТУ ХПІ. Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование. 2012. № 7. С. 170–174.
6. Соловей В. В., Кошельник, А. В., Черная Н. А. Моделирование тепломассообменных процессов в металлоги-
дридных теплоиспользующих установках. Пром. теплотехника. 2012. Т. 34. № 2. С. 48–53.
7. Водень в альтернативній енергетиці та новітніх технологіях (за ред. В. В. Скорохода, Ю.М. Солоніна). К.:
«КІМ», 2015. 294 с.
8. Чорна Н. А. Удосконалення математичної моделі тепломасообмінних процесів у водневих металогідридних
системах. Пробл. машиностроения. 2013. Т. 16 № 3. С. 68–72.
9. Кошельнік О. В., Чорна Н. А. Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилі-
зації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів. Пробл. ма-
шиностроения. 2014. Т. 17. № 2. С. 46–53.
10. Чорна Н. А., Зіпунніков М. М. Удосконалення моделі тепломасообмінних процесів у водневих металгідрид-
них системах. Экология и пром-сть. 2015. № 4. С. 77–80.
11. Мацевитый Ю. М. Обратные задачи теплопроводности: в 2 т. Т. 2. Приложения. Киев: Наук. думка, 2003. 392 с.
12. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. 784 с.
13. Самарский А. А., Моисеенко Б. Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана.
Журн. вычисл. математики. и мат. физики. 1965. Т. 5. № 5. С. 816–827.
14. Рояк М. Э., Соловейчик Ю. Г., Шурина Э. П. Сеточные методы решения краевых задач математической физи-
ки. Новосибирск: Изд-во Новосиб. техн. ун-та, 1998. 120 с.
15. Ивановский А. И. Повышение эффективности сжатия водорода в металлогидридном термосорбционном компрес-
соре: дис. ... канд. техн. наук / Ин-т проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины. Харьков, 1990.
16. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.
Надійшла до редакції 27.06.2018
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158809 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-11-29T05:24:18Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Chorna, N.A. Hanchyn, V.V. 2019-09-14T09:24:36Z 2019-09-14T09:24:36Z 2018 Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations / N.A. Chorna, V.V. Hanchyn // Проблеми машинобудування. — 2018. — Т.21, № 4. — С. 63-70. — Бібліогр.: 16 назв. — англ, укр. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158809 536.24, 621 The paper considers the peculiarities of the heat and mass exchange process in a hydrogen-metal system, which takes place in metal-hydride installations. A mathematical model of non-stationary heat and mass exchange processes in metal hydride complex-design devices is proposed. The results of the calculation and theoretical research performed by the authors about the prospects of using modern metal hydride technologies are presented. On the basis of the calculation and theoretical research, the influence of the accuracy of setting the heat transfer factor on the dynamics of hydrogen desorption is analyzed. The main factors that influence the choice of the geometric dimensions of a metal hydride element are identified. У роботі розглянуто особливості процесу тепломасообміну в системі «водень-метал», що протікає в металогідридних установках. Запропоновано математичну модель нестаціонарних процесів тепломасообміну стосовно металогідридних пристроїв складної конструкції. Наведено результати розрахунково-теоретичних досліджень, виконаних авторами щодо перспектив застосування сучасних металогідридних технологій. На підставі розрахунково-теоретичного дослідження проаналізований вплив точності задання коефіцієнта тепловіддачі на динаміку десорбції водню. Виділені основні чинники, що впливають на вибір геометричних розмірів металогідридного елемента. В работе рассмотрены особенности процесса тепломассообмена в системе "водород-металл", который протекает в металлогидридных установках. Предложена математическая модель нестационарных процессов тепломассообмена в металлогидридных устройствах сложной конструкции. Представлены результаты рассчетно-теоретических исследований, выполненные авторами относительно перспектив применения современных металлогидридных технологий. На основании рассчетно-теоретического исследования проанализировано влияние точности задания коэффициента теплоотдачи на динамику десорбции водорода. Выделены основные факторы, которые влияют на выбор геометрических размеров металлогидридного элемента. en Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблеми машинобудування Non-traditional power engineering Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations Моделювання тепломасообмінних процесів у металогідридних установках Моделирование теплообменных процессов в металлогидридных установках Article published earlier |
| spellingShingle | Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations Chorna, N.A. Hanchyn, V.V. Non-traditional power engineering |
| title | Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations |
| title_alt | Моделювання тепломасообмінних процесів у металогідридних установках Моделирование теплообменных процессов в металлогидридных установках |
| title_full | Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations |
| title_fullStr | Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations |
| title_full_unstemmed | Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations |
| title_short | Modeling Heat and Mass Exchange Processes in Metal-hydride Installations |
| title_sort | modeling heat and mass exchange processes in metal-hydride installations |
| topic | Non-traditional power engineering |
| topic_facet | Non-traditional power engineering |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158809 |
| work_keys_str_mv | AT chornana modelingheatandmassexchangeprocessesinmetalhydrideinstallations AT hanchynvv modelingheatandmassexchangeprocessesinmetalhydrideinstallations AT chornana modelûvannâteplomasoobmínnihprocesívumetalogídridnihustanovkah AT hanchynvv modelûvannâteplomasoobmínnihprocesívumetalogídridnihustanovkah AT chornana modelirovanieteploobmennyhprocessovvmetallogidridnyhustanovkah AT hanchynvv modelirovanieteploobmennyhprocessovvmetallogidridnyhustanovkah |