[論文レビュー] Perforation Effect on a Rectangular Metal Hydride Tank for the Hydriding and Dehydriding Process by Using COMSOL Multiphysics Software

Evangelos I. Gkanas, Sofoklis S. Makridis+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

Hydrogen Storage and Materials参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、COMSOL Multiphysicsを用いて、LaNi5粉末における水素吸蔵および脱水素反応をシミュレートするため、穿孔された長方形金属水素化物タンクの3次元一時的数値モデルを提示する。モデルはエネルギー、質量、運動量保存の式を結合し、実験データと強い一致を示し、穿孔が熱および物質移動を向上させることで、金属水素化物反応器における反応速度および熱管理が向上することを示している。

ABSTRACT

In this paper, a 3 Dimensional dynamic model of a perforated rectangular metal hydride tank is presented. The metal hydride tank consists of powder LaNi5 and the tubes are organized in the geometry of the rectangular in order to simulate the flux of the ambient air through the reactor, which affect hardly both the hydriding and the dehydriding reaction. A simulating study is made by solving simultaneously the energy, mass and momentum differential equations of conservation by using Comsol Multiphysics (version 4.2) software. The simulation results show great agreement with the experimental data.

研究の動機と目的

• 穿孔形状が長方形金属水素化物タンク内の熱および物質移動に与える影響を調査すること。
• 実際の流れ条件下でのLaNi5ベースの反応器における動的水素吸蔵および脱水素反応をシミュレートすること。
• 結合されたマルチフィジックスモデルを用いて、システムの熱的および動的性能を評価すること。
• 正確性と信頼性を確認するため、シミュレーション結果を実験データと照合すること。

提案手法

• LaNi5粉末で満たされた長方形タンクにおける水素吸蔵および脱水素反応をシミュレートするために、COMSOL Multiphysics v4.2を用いた3次元一時的モデルを構築した。
• 熱移動、水素拡散、穿孔構造内を通過する流体の流れを表現するために、エネルギー、質量、運動量の保存式を結合して解いた。
• 穿孔部を多孔質媒体としてモデル化し、大気の流れを模擬し、対流熱伝達を強化した。
• 実際の反応器構成を模倣するように幾何形状を設計し、空気の流れと熱制御を促進するように矩形配列のチューブを配置した。
• 温度、圧力、流量などの実験的運転パラメータに基づいて境界条件を適用した。
• 予測された温度および水素濃度プロファイルを実験測定値と比較することで、シミュレーション結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 穿孔の存在が、長方形金属水素化物タンク内の熱的応答および水素吸蔵／脱吸速度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 穿孔部を通過する流体の流れおよび対流熱伝達は、水素吸蔵および脱水素反応の効率をどの程度向上させるか？
• RQ3 3次元マルチフィジックスモデルは、温度変化の推移および水素貯蔵容量の観点から、実験的挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 穿孔構造の幾何的配置および多孔率がシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• 3次元シミュレーションモデルは実験データと強い一致を示し、数値的手法の正確性が裏付けられた。
• 穿孔により対流熱伝達が顕著に向上し、水素吸蔵および脱水素サイクル中のタンク内における温度勾配が低減された。
• 熱の効果的な放出と分布が、反応速度の向上および水素吸蔵・脱吸速度の均一化に寄与した。
• モデルは時間経過に伴う温度および水素濃度プロファイルの過渡的挙動を的確に捉えた。
• エネルギー、質量、運動量保存式の結合により、さまざまな運転条件下でのシステムダイナミクスの現実的な予測が可能になった。
• 結果から、穿孔された長方形形状は、金属水素化物反応器の熱管理および全体的な性能向上に有効であることが示された。