авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Исследование процессов, разработка и создание металлогидридной системы хранения и очистки водорода для энергоустановок на основе ТПТЭ киловаттного класса

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БОРЗЕНКО Василий Игоревич

Исследование процессов, разработка и создание металлогидридной системы хранения и очистки водорода для энергоустановок на основе ТПТЭ киловаттного класса мощности

05.14.01 — энергетические системы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Малышенко Станислав Петрович;

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Кулешов Николай Васильевич;

доктор технических наук,

Попель Олег Сергеевич.

Ведущая организация: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт».

Защита состоится “ 30 ” мая 2012 г. в 11 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.03 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур Российской академии наук по адресу: г. Москва, ул. Ижорская, д. 13, стр. 2, экспозиционный зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 125412, Москва, Ижорская ул., д.13, стр.2, Диссертационный совет Д 002.110.03 ОИВТ РАН.

Автореферат разослан “ 27 ” апреля 2012 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.110.03

д.ф.-м.н., чл.-корр. РАН Вараксин А.Ю.

© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Рост интереса к водородным энергетическим технологиям последнего времени, в большой степени связан с успехами в разработке и создании электрохимических генераторов (топливных элементов), преобразующих водород и кислород воздуха в электрическую энергию с высоким КПД. Из всех типов топливных элементов наиболее перспективными видятся системы на основе полимерэлектролитных ячеек (твердополимерные топливные элементы, ТПТЭ), характеризующиеся низкими рабочими температурами, высокой плотностью потока энергии в единичной ячейке и большим сроком службы при правильной эксплуатации. К настоящему времени в мире создано большое число успешных демонстрационных и промышленных систем на основе ТПТЭ, в том числе транспортных, однако дальнейшее развитие технологии сдерживается рядом технических проблем, где ключевой является проблема хранения водорода, как на борту транспортного средства, так и в стационарных энергетических установках.

Среди разрабатываемых новых технологий и устройств хранения водорода наиболее экономически приемлемыми и безопасными могут стать устройства и системы, основанные на использовании обратимых металлогидридов – интерметаллических соединений (ИМС), способных избирательно и обратимо поглощать водород [1, 2]. При этом основная масса водорода в системе находится в связанном твердофазном состоянии, что обеспечивает повышенную безопасность при эксплуатации. Водород поглощается ИМС с отводом тепла и выделяется при нагреве, причем большой тепловой эффект реакции обеспечивает весьма сильную зависимость равновесного давления водорода над сплавом от температуры – для низкотемпературных систем оно может изменяться от долей атмосферы до величины порядка 1 МПа при изменении температур от 20 °C до 80-90 °C. Это позволяет обеспечить проведение процессов поглощения и выделения водорода за счет имеющихся в системе энергообеспечения ресурсов горячей и холодной воды и осуществить безмашинное компримирование газообразного водорода за счет использования низкопотенциального тепла потерь в топливном элементе. Поскольку ИМС избирательно поглощают только водород, в циклическом процессе сорбции/десорбции осуществляется очистка водорода от примесей. Для низкотемпературных гидридов ИМС весовое содержание водорода в металлогидридах относительно невелико (1-2%), но объемная плотность (более 75 кг Н2/м3) превышает плотность жидкого водорода. По низшей теплоте сгорания это соответствует более 2,5 МВтч/м3 среды хранения энергии. Поэтому металлогидридные системы очистки и хранения водорода на основе низкотемпературных гидридов весьма перспективны для создания систем аккумулирования энергии для стационарных энергоустановок, в том числе на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).



В активированном состоянии металлогидриды в реакторах сорбции/десорбции водорода являются мелкодисперсным порошком с характерными размерами частиц примерно 1-10 мкм с низкой эффективной теплопроводностью среды (0,1-1 Вт/мК), зависящей от давления водорода и концентрации поглощенного водорода частицами сплава. Реакция сорбции/десорбции водорода сопровождается большим тепловым (20-50 кДж/моль Н2) и объемным эффектами. Основным лимитирующим процессом, определяющим эффективность работы металлогидридных реакторов, является тепломассоперенос в металлогидридной засыпке при сорбции/десорбции. Теория тепломассообмена в мелкодисперсных средах при наличии фазовых превращений и реакции сорбции/десорбции, учитывающая размерные и масштабные эффекты, в настоящее время отсутствует. В этой связи важнейшими задачами становятся экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в реакторах и разработка эффективных методов их математического моделирования и инженерных методик оптимизации конструктивных решений.

Другой, не менее важный класс научных и технических задач, связан с разработкой эффективных технологий системной интеграции металлогидридных устройств для хранения и очистки водорода с энергоустановкой на основе ТПТЭ с учетом требований потребителей энергии (график потребления, требуемая электрическая и тепловая мощность), а также с источниками водорода. Для таких систем необходима оптимизация как схемы автономной энергоустановки в целом, так и режимов работы ее агрегатов, исходя из графиков электрической и тепловой нагрузки конкретных потребителей.

Цели работы:

  • Разработка и создание комплексного экспериментального стенда для проведения исследований процессов тепломассопереноса в металлогидридных реакторах систем хранения и очистки водорода и проблемы системной интеграции металлогидридных устройств с энергоустановкой киловаттного класса мощности на основе ТПТЭ.
  • Исследование особенностей тепломассопереноса в металлогидридных реакторах при сорбции и десорбции чистого водорода и водорода с примесями и создание экспериментальных образцов реакторов производительностью до 3 н.м3/ч и емкостью до 12 н.м3.
  • Исследование особенностей системной интеграции металлогидридных устройств хранения и очистки водорода с энергоустановками киловаттного класса мощности на основе ТПТЭ и создание экспериментальной системы хранения и очистки водорода для топливообеспечения энергоустановок на основе электрохимических генераторов.

Научная новизна

При выполнении работы получены следующие новые научные результаты:

  • Разработан и создан комплексный экспериментальный стенд, позволяющий проводить исследования, как тепловых процессов в металлогидридных реакторах различных типов и масштабов, так и проблем системной интеграции металлогидридных устройств с энергоустановками киловаттного класса мощности на основе ТПТЭ.
  • Выполнен комплекс исследований тепловых процессов в металлогидридных реакторах при сорбции и десорбции водорода и разработана оригинальная методика экспериментов, основанная на инструментальном ограничении расхода водорода. Впервые определены различные режимы зарядки металлогидридных реакторов и установлены условия реализации оптимальных режимов.
  • Разработаны конструкции и изготовлены экспериментальные образцы металлогидридных реакторов для систем очистки и хранения водорода. Проведены их успешные испытания и определены оптимальные режимы работы.
  • Впервые исследованы особенности тепловых процессов в металлогидридных средах, связанные с наличием неабсорбируемых газовых примесей в водороде и предложена технология глубокой очистки водорода путем циклирования давления в реакторах. Изучены основные факторы, лимитирующие потери водорода при очистке, и эффективность процессов очистки водорода.
  • Впервые исследованы основные проблемы системной интеграции металлогидридных устройств очистки и хранения водорода с промышленной энергоустановкой и создана интегрированная с ТПТЭ система топливообеспечения. Определены основные источники потерь и направления оптимизации структурной схемы системы топливообеспечения.
  • Впервые разработаны и практически реализованы алгоритмы работы автоматической системы управления технологическими процессами для металлогидридных систем очистки водорода, в том числе, в составе энергоустановки на основе ТПТЭ мощностью до 5 кВт.

Практическая значимость

  • В результате выполненных исследований созданы научно-технические основы технологии водородного аккумулирования энергии с использованием металлогидридных устройств для автономных систем энергообеспечения киловаттного класса мощности;
  • Разработанные оригинальные конструктивные решения для стационарных систем хранения и очистки водорода допускают масштабирование и могут быть практически использованы при создании систем обеспечения различных технологических процессов высокочистым водородом в микроэлектронной, фармацевтической, пищевой и ряде других отраслей.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов работы обусловлена результатами детальных экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в металлогидридных системах, экспериментальными исследованиями интегрированных систем и сопоставлением с теоретическими расчетами процессов тепломассопереноса в разработанных металлогидридных аккумуляторах.

Положения выносимые на защиту

Автор защищает:

  1. Разработку и создание комплексного экспериментального стенда для исследований процессов тепломассопереноса в металлогидридных средах и процессов системной интеграции металлогидридных устройств хранения и очистки водорода с ТПТЭ, включающего все основные элементы перспективных металлогидридных систем топливо и -энергоообеспечения автономных объектов киловаттного класса мощности.
  2. Методику экспериментальных исследований процессов в металлогидридных реакторах, основанную на аппаратном ограничении расхода водорода.
  3. Результаты фундаментальных экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в мелкодисперсных металлогидридных средах при сорбции и десорбции чистого водорода и с газовыми примесями.
  4. Разработку и реализацию алгоритма работы АСУ ТП в металлогидридной системе хранения и очистки водорода интегрированной с ТПТЭ.
  5. Разработанные конструкции и результаты испытаний экспериментальных образцов металлогидридных реакторов хранения и очистки водорода производительностью до 5 н.м3/ч и емкостью по водороду до 15 н.м3.
  6. Результаты исследований особенностей системной интеграции металлогидридных устройств и энергоустановок на основе ТПТЭ киловаттного класса мощности в автономные системы энергообеспечения и предложения по оптимизации основных схемных и конструктивных решений.

Личный вклад автора

Все перечисленные выше результаты получены автором лично или при его определяющем участии.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены на:

  • 11-ой Международной конференции по чистой энергетике, 2-5 ноября 2011 г., Тайчунг, Тайвань.
  • XVIII Школе –семинаре «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях», 23-27 мая 2011 г., Звенигород.
  • Юбилейной научной конференции, посвященной 50-летию ОИВТ РАН, Москва, сентябрь 2011 г.
  • 18-ой Всемирной конференции по водородной энергетике, 16-21 мая 2010 г., Эссен, Германия.
  • II Международной выставке и конференции «Технологии хранения водорода», 28-29 октября 2009 г., Москва.
  • Семинаре Соглашения по внедрению водорода Международного энергетического агентства (HIA IEA Task 17/22), Cакакоми лейк, Канада, 2-5 марта 2008 г.
  • 2-ом Международном конгрессе по водородной энергетике, Стамбул, Турция, 15-19 июля 2007 г.
  • Семинаре Соглашения по внедрению водорода Международного энергетического агентства (HIA IEA Task 17/22), Виндермере, Англия, 2-6 мая 2006 г.
  • Международном симпозиуме по водородной энергетике. Москва, 1—2 ноября 2005 г.
  • Конференции по технологиям хранения водорода Международного партнерства по водородной экономике, Лука, Италия, 19-22 июня 2005 г.

Публикации





По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 2 входят в перечень ВАК, получено 2 патента.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 124 страницы, включая 72 рисунка, 11 таблиц и библиографию, содержащую 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбранной темы и определены цели работы.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященной современному состоянию вопроса разработки и создания систем хранения и очистки водорода на основе металлогидридных технологий. Рассмотрены различные технологии хранения водорода, изложены физические основы технологии обратимого твердофазного хранения водорода (ОТХВ) в гидридах металлов и рассмотрены работы, связанные с исследованиями в области создания новых интерметаллических соединений для систем хранения и очистки водорода. Рассмотрены различные химические системы, пригодные в технологии ОТХВ, перспективы их практического применения. Отмечены как недостатки, в частности, низкое массовое содержание водорода, так и достоинства низкотемпературных металлогидридов (НМГ) на основе LaNi5, а именно, хорошая изученность свойств и удобство их модификации. Рассмотрены литературные источники по моделированию процессов тепломассообмена при сорбции/десорбции водорода в пористых засыпках НМГ и произведен выбор модели для сопоставления с результатами экспериментальных исследований [3]. На основе литературных источников проанализированы возможные источники и состав примесей в водороде и проведена их классификация по степени отравляющего воздействия на НМГ. Рассмотрены различные технологии очистки водорода и сделан вывод о возможности построения универсальных стационарных систем хранения и очистки водорода на основе НМГ для использования совместно с ТПТЭ в энергоустановках резервного питания и в автономных энергоустановках на основе ВИЭ в качестве аккумулятора энергии.

Во второй главе приводится описание созданного комплексного экспериментального стенда (КЭС), предназначенного для решения следующих задач: исследования процессов тепломассообмена в металлогидридных пористых средах при сорбции чистого водорода, а также при наличии примесей во входящем газе и проверки выбранных математических моделей; экспериментального исследования режимов работы металлогидридных устройств хранения и очистки водорода; исследования сорбирующих свойств различных НМГ; исследования особенностей совместной работы ТПТЭ и металлогидридной системы хранения водорода. В соответствии со сформулированными требованиями КЭС состоит из подсистем предварительной очистки водорода, экспериментальной системы тонкой очистки, системы хранения водорода, серийной энергоустановки на ТПТЭ (GenCore 5B(T) 48), системы диагностики и управления и модельного потребителя мощности. Для решения задач экспериментальных исследований тепломассообмена в пористых засыпках НМГ созданы модульные исследовательские реакторы хранения и очистки водорода РХО-1 (Рис.1), оснащенные датчиками температуры и давления. В качестве сплава образующего НМГ в реакторе использовался сплав Mm0.8La0.2Ni4.1Fe0.8Al0.1 (4,69 кг), созданный в МГУ [4] и отличающийся повышенной разностью величин давления в заданном интервале температур десорбции 20-60оС. На Рис. 2 приведены изотермы десорбции водорода указанным сплавом (Р-С-Т диаграмма).

На начальном этапе исследования в качестве металлогидридного хранилища чистого водорода был использован аккумулятор, созданный ранее в ИПМаш НАН Украины [5] совместно с ИВТ РАН и оснащенный сплавом на основе LaNi5, а именно его модификацией церием: La0,98Ce0,02Ni4,85Al0,15.

Приводятся состав и параметры системы диагностики КЭС, основанной на многофункциональном шасси NI PXI-1036, приводятся оценочные расчеты погрешностей измерений температуры, давления и расхода и описывается методика приготовления газовых смесей для исследований процессов тепломассообмена при сорбции водорода с примесями неабсорбируемых газов.

В третьей главе диссертации приводятся основные результаты экспериментальных исследований процессов тепломассообмена [6] при сорбции/десорбции чистого водорода в реакторе РХО-1, их сравнения с результатами математического моделирования, описания конструкций нескольких типов созданных металлогидридных реакторов с оптимизированными теплообменными характеристиками и результаты их испытаний. В ходе экспериментальных исследований была применена оригинальная методика аппаратного ограничения расхода на входе/выходе из реактора, позволяющая избежать потери ценных данных по интегральным расходным характеристикам реактора (Рис. 3) и определить стадии зарядки/разрядки реактора с целью, дальнейшей оптимизации его режимов работы. Для сопоставления с расчетами по модели [3] были получены временные характеристик давления и температуры (Рис. 4 и 5). По результатам серии экспериментов по зарядке и разрядке реактора РХО-1 его водородная емкость оказалась равной 690±5 нл (1,33 % масс.). Для номинальных расходов от 30% и выше время зарядки реактора до 650 нл составило 18±1 мин и практически не зависело от начальных условий, для меньших номинальных расходов наблюдался рост времени зарядки до 30 мин (режим 10%). Для большинства номинальных расходов водорода реактор не может долго поддерживать установленную скорость поглощения водорода (Рис. 3). Анализ кривых роста содержания водорода в поглощающем сплаве показывает, что в общем случае процесс поглощения водорода протекает в три стадии. На первой

Рис. 3. Расход водорода на входе в реактор для различных режимов зарядки, 1 – 100% (240 н.л/мин), 2 – 80%; 3 – 40%; 4 – 20%; 5 – 10%

Рис. 4. Температура в центре засыпки водородопоглощающего материала для различных режимов зарядки, 1 – 100%, 2 – 80%; 3 – 40%; 4 – 20%; 5 – 10%



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.