ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОНАПРУЖЕНОГО Й ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ТЕПЛОПРОВІДНОЇ МАТРИЦІ МЕТАЛОГІДРИДНОГО АКУМУЛЯТОРА

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. 2009. 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. 2008. 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. 2008. 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. 2004. 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. 2004. 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

Надійшла до редакції  06 червня 2018 р.