Численное моделирование теплонапряженного и деформированного состояния теплопроводящей матрицы металлогидридного аккумулятора

Autor: Avramenko, Andrey N., Levterov, Anton M., Gladkova, Nataliya Yu.
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2018
Předmět:
Zdroj: Journal of Mechanical Engineering; Том 21, № 3 (2018); 75-80
Проблемы машиностроения; Том 21, № 3 (2018); 75-80
Проблеми машинобудування; Том 21, № 3 (2018); 75-80
ISSN: 0131-2928
2411-0779
Popis: The problem of safe and effective storage of hydrogen is dealt with by many researchers in different countries. The method of storing hydrogen in a chemically bound state in metal hydride accumulators has a number of advantages in comparison with the storage methods in compressed or liquefied form. The use of metal hydrides makes it possible to achieve high packing density of hydrogen, which today reaches from 0.09 to 0.19 g/cm3, and for intermetallic hydrides − up to 0.56 g/cm3. The high safety of hydrogen storage in metal-hydride batteries should also be noted, which is especially important when using hydrogen in transport. When using numerical methods, the heat-stressed state of the heat-conducting matrix of a cylindrical metal hydride battery is considered. The matrix is made of an aluminum alloy and has rectangular cells filled with metal hydride in the form of a fine powder. The matrix is heated by two electric heating elements: a rod-type central element and a cylindrical peripheral one. The radial and axial expansions of the matrix in a body are limited by elastic elements made of heat-resistant steel. The simulation of the heat-conducting matrix heat-stressed and deformed states is performed for a hydrogen desorption regime for 900s at a temperature of 350 °C. As a metal hydride, magnesium hydride (MgH2) is chosen. The packing density of hydrogen in a metal hydride is assumed to be 0.11 g/cm3. The problem can be solved in Cartesian coordinates in a three-dimensional stationary setting. Calculation results show that during the hydrogen desorption process, the maximum temperature difference in the radial direction of the heat-conducting matrix is about 40 °C. The maximum radial expansion of the heat-conducting matrix reaches 0.56 mm, which is not critical for the reliable operation of a metal-hydride battery. The level of equivalent von Mises stresses varies within 10-60 MPa on the sections of the heat-conducting matrix cell-based structure, which does not exceed the level of the stress boundary values for the aluminum alloy, i.e. for these matrix design parameters there is a reserve for increasing heat exchange intensity.
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.
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.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: