ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОНАПРУЖЕНОГО Й ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ТЕПЛОПРОВІДНОЇ МАТРИЦІ МЕТАЛОГІДРИДНОГО АКУМУЛЯТОРА

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2018.03.075
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Випуск Том 21, № 3, 2018 (вересень)
Сторінки 75-80

 

Автори

А. М. Авраменко, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: an0100@ukr.net, ORCID: 0000-0003-1993-6311

А. М. Лєвтєров, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), ORCID: 0000-0001-5308-1375

Н. Ю. Гладкова, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), ORCID: 0000-0002-8043-4890

 

Анотація

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.

 

Ключові слова: металогідрид, водень, теплопровідна матриця, теплонапружений стан, рівень температур

 

Література

  1. Тарасов Б. П., Лотоцкий М. В., Яртысь В. А. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода. Рос. хим. журн. 2006. № 6. С. 34–48.
  2. Соловей В. В., Оболенский М. А., Бастеев А. В. Активация водорода и водородсодержащих энергоносителей. Киев: Наук. думка, 1993. 168 с.
  3. Сержантова М. В., Кузубов А. А., Аврамова П. В., Федоров А. С. Теоретическое исследование процесса сорбции водорода соединениями магния, модифицированными атомами. Журн. Сиб. федерал. ун-та. Химия. Т. 2. № 3 C. 259–265.
  4. Федоров А. С., Сержантова М. В., Кузубов А. А. Исследования адсорбции водорода внутри и на поверхности магниевых наночастиц. Журн. эксперимент. и теорет. физики. Т. 134. Вып. 1. С. 156–163.
  5. Кузубов А. А., Попов М. Н., Федоров А. С., Кожевникова Т. А. Теоретическое изучение диссоциативной хемосорбции водорода на углеродных нанотрубах. Журн. физ. химии. Т. 82. № 12. С. 2117–2121.
  6. Pranevicius L., Darius M., Thomas G. Plasma hydrogenation of Mg-based alloy films under high-flux, low energy ion irradiation at elevated temperatures. P. 611–616. https://doi.org/10.1002/3527603565.ch97
  7. Satyapal S., Read C., Ordaz G. et al. U.S. DOE hydrogen program. The Fourth U.S.-Korea Forum on Nanotechnology: Sustainable Energy, Honolulu, HI, 2007. April 26–27, 19 p. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/presentation/0511/7f29c9491f370523114f1f8fd58645a61abf.pdf (Дата обращения: 20.08.2018)
  8. Yartys V. A., Lotosky M. V., Veziroglu N. N. et al. An overview of hydrogen storage methods. Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. P. 75–104. https://doi.org/10.1007/1-4020-2669-2_7
  9. Bulychev B. M. Alumo- and borohydrides of metals: history, properties, technology, application. Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. P. 105–114. https://doi.org/10.1007/1-4020-2669-2_8
  10. Graetz J., Reilly J. J., Yartis V. A. et al. Aluminum hydride as a hydrogen and energy storage material: Past, present and future. Alloys and Compounds September. 2011. P. S517–S528. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.11.115
  11. Glushkov I. S., Kareev Yu. A., Petrov Yu. V. et al. Generation of hydrogen isotopes with an electric pulse hydride injector. J Hydrogen Energy. 1999. Vol. 24. P. 105–109. https://doi.org/10.1016/S0360-3199(98)00045-7
  12. Программный комплекс Caelinux Salome-Meca. URL: http://caelinux.com/CMS/index.php (Дата обращения: 17.08.2018)
  13. Puls M. P. The influence of hydride size and matrix strength on fracture initiation at hydrides in zirconium alloys. Metallurgical Transactions A. 1988. Vol. 19. 6. P. 1507–1522. https://doi.org/10.1007/BF02674025
  14. Xu F., Holt R. A., Daymond M. R., Rogge R. B., Oliver E. C. Development of internal strains in textured Zircaloy-2 during uni-axial deformation. Materials Sci. and Eng.: A. 2008. Vol. 488. Iss. 1–2. P. 172–185. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.11.018

 

Надійшла до редакції: 06 червня 2018 р.

Прийнята до друку