[논문 리뷰] Perforation Effect on a Rectangular Metal Hydride Tank for the Hydriding and Dehydriding Process by Using COMSOL Multiphysics Software

Evangelos I. Gkanas, Sofoklis S. Makridis외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 19.

Hydrogen Storage and Materials참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 COMSOL Multiphysics를 사용하여 라니5 흩어린 분말에서 수소화 및 탈수소화 과정을 시뮬레이션하기 위해 구멍 뚫린 직사각형 금속 수소화물 탱크의 3차원 일시적 수치 모델을 제시한다. 이 모델은 에너지, 질량, 운동량 보존 방정식을 결합하여 실험 데이터와 강한 일치를 보이며, 구멍 뚫린 구조가 열과 질량 이동을 향상시켜 반응 동역학 및 금속 수소화물 반응기의 열관리를 향상시킴을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 구멍 뚫린 기하학적 형상이 직사각형 금속 수소화물 탱크 내 열 및 질량 이동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실제 유량 조건 하에서 라니5 기반 반응기에서의 동적 수소화 및 탈수소화 과정을 시뮬레이션하기 위해.
• 결합된 다물리 모델을 사용하여 시스템의 열 및 동역학적 성능을 평가하기 위해.
• 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교 검증하기 위해.

제안 방법

• LaNi5 분말로 채워진 직사각형 탱크에서의 수소화 및 탈수소화 과정을 시뮬레이션하기 위해 COMSOL Multiphysics v4.2를 사용하여 3차원 일시적 모델을 개발하였다.
• 열 전도, 수소 확산, 그리고 구멍 뚫린 구조를 통한 유체 흐름을 나타내기 위해 에너지, 질량, 운동량 보존 방정식을 결합하여 해석하였다.
• 구멍 뚫린 부분은 대기 중 공기 흐름을 모의하고 대류 열전달을 향상시키기 위해 다공성 매체로 모델링하였다.
• 실제 반응기 구조를 반영하기 위해 기하학적 형상이 설계되었으며, 공기 흐름과 열 조절을 촉진하기 위해 튜브를 직사각형 패턴으로 배열하였다.
• 실험적 운영 조건에 기반하여 경계 조건을 적용하였으며, 온도, 압력, 유량 등이 포함되었다.
• 예측된 온도 및 수소 농도 프로파일을 실험 측정값과 비교하여 시뮬레이션 결과의 정확성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구멍 뚫힌 부분이 직사각형 금속 수소화물 탱크의 열 반응성과 수소 흡착/탈착 동역학에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 구멍 뚫린 부분을 통한 유동 및 대류 열전달이 수소화 및 탈수소화 과정의 효율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 3차원 다물리 모델이 온도 변화 및 수소 저장 용량 측면에서 실험 결과를 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ4 구멍 뚫린 구조의 기하학적 배열 및 다공성은 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 3차원 시뮬레이션 모델은 실험 데이터와 강한 일치를 보이며, 수치적 접근의 정확성을 검증하였다.
• 구멍 뚫힌 부분은 대류 열전달을 크게 향상시켜 수소화 및 탈수소화 사이클 중 탱크 내 열 기울기를 감소시켰다.
• 열 제거 및 분포가 향상되어 반응 동역학이 빨라지고 수소 흡착 및 탈착 속도가 더욱 균일해졌다.
• 모델은 시간에 따른 온도 및 수소 농도 프로파일의 일시적 거동을 성공적으로 캡처하였다.
• 에너지, 질량, 운동량 보존 방정식의 결합은 다양한 운영 조건 하에서 시스템 역학을 현실적으로 예측할 수 있게 하였다.
• 결과적으로, 구멍 뚫린 직사각형 기하학적 형상은 금속 수소화물 반응기의 열관리 및 전체 성능 향상에 효과적임을 입증하였다.