ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОПРОВОДЯЩЕЙ МАТРИЦЫ МЕТАЛЛОГИДРИДНОГО АККУМУЛЯТОРА

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2018.03.075
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Выпуск Том 21, № 3, 2018 (сентябрь)
Страницы 75-80

 

Авторы

А. Н. Авраменко, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: an0100@ukr.net,  ORCID: 0000-0003-1993-6311

А. М. Левтеров, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), ORCID: 0000-0001-5308-1375

Н. Ю. Гладкова, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), ORCID: 0000-0002-8043-4890

 

Аннотация

Проблемой безопасного и эффективного хранения водорода занимаются многие исследователи в разных странах. Способ хранения водорода в химически связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах обладает рядом преимуществ по сравнению со способами хранения в сжатом и сжиженном виде. Использование гидридов металлов позволяет добиться высокой плотности упаковки водорода, которая на сегодня достигает от 0,09 до 0,19 г/см3, а для интерметаллических гидридов – до 0,56 г/см3. Также следует отметить высокую безопасность хранения водорода в металлогидридных аккумуляторах, что особенно важно при использовании водорода на транспорте. С использованием численных методов рассматривается теплонапряженное состояние теплопроводящей матрицы металлогидридного аккумулятора цилиндрической формы. Матрица выполнена из алюминиевого сплава и имеет ячейки прямоугольного сечения, заполняемые металлогидридом в виде мелкодисперсного порошка. Нагрев матрицы осуществляется двумя электронагревательными элементами: центральным стержневого типа и периферийным в виде цилиндра. Радиальное и осевое расширения матрицы в корпусе ограничены упругими элементами из жаростойкой стали. Моделирование теплонапряженного и деформированного состояний теплопроводящей матрицы выполняется для режима десорбции водорода в течение 900 с при температуре 350 оС. В качестве металлогидрида выбран гидрид магния (MgH2). Плотность упаковки водорода в металлогидриде принята равной 0,11 г/см3. Задача решается в декартовых координатах в трехмерной стационарной постановке. В результате расчета установлено, что в процессе десорбции водорода максимальный перепад температуры в радиальном направлении теплопроводящей матрицы составляет порядка 40 оС. Максимальное радиальное расширение теплопроводящей матрицы достигает 0,56 мм, что не критично для надежной работы металлогидридного аккумулятора. Уровень эквивалентных напряжений по Мизесу изменяется в пределах 10–60 МПа по участкам ячеистой структуры теплопроводящей матрицы, что не превышает уровня граничных значений напряжений для алюминиевого сплава, т. е. для данных конструктивных параметров матрицы есть резерв повышения интенсивности теплообмена.

 

Ключевые слова: металлогидрид, водород, теплопроводная матрица, теплонапряженное состояние, уровень температур.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  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. 2005. 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.
  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. Intern. 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. Iss. 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

 

Поступила в редакцию 06 июня 2018 г.

Принята в печать