بررسي عددي انتقال حرارت در يك مبدل حرارتي مارپيچ در فرآيند پيش سرد كردن گاز هيدروژن در ايستگاه هاي سوخت رساني هيدروژن

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

با گسترش روزافزون بهره‌گيري از هيدروژن به‌عنوان يكي از حامل‌هاي اصلي انرژي پاك و توسعه ايستگاه‌هاي سوخت‌رساني سريع، كنترل افزايش دماي هيدروژن در فرآيند سوخت‌گيري به يكي از چالش‌هاي اساسي اين سامانه‌ها تبديل شده است. افزايش دماي گاز در اثر تراكم آدياباتيك و پديده ژول-تامسون معكوس مي‌تواند موجب افزايش دماي مخزن، كاهش جرم قابل ذخيره‌سازي و بروز مخاطرات ايمني گردد. ازاين‌رو، طراحي و بهينه‌سازي مبدل‌هاي حرارتي پيش‌سردكن، نقش مهمي در تضمين عملكرد ايمن و كارآمد سامانه‌هاي سوخت‌رساني هيدروژن ايفا مي‌كند. در اين پژوهش، عملكرد ترموهيدروليكي يك مبدل حرارتي دولوله‌اي مارپيچي به‌عنوان واحد پيش‌سردكن هيدروژن در فشار كاري 35 مگاپاسكال، به‌صورت سه‌بعدي و با استفاده از نرم‌افزار COMSOL Multiphysics مورد بررسي عددي قرار گرفت. مدل‌سازي بر پايه حل كوپل معادلات انتقال حرارت مزدوج (CHT) انجام شد و براي شبيه‌سازي جريان آشفته، مدل آشفتگي انتقال تنش برشي k-ω SST به كار گرفته شد. همچنين، به‌منظور افزايش دقت پيش‌بيني در فشارهاي بالا، خواص ترموفيزيكي هيدروژن بر اساس مدل گاز حقيقي و با استفاده از داده‌هاي وابسته به دما و فشار پايگاه داده NIST در مدل اعمال گرديد. اعتبار مدل عددي نيز از طريق مقايسه با نتايج مرجع مورد تأييد قرار گرفت. تحليل پارامتري جامع اين پژوهش بر روي سه پارامتر هندسي اصلي شامل تعداد دور مارپيچ (5، 10، 15 و 20 دور)، گام مارپيچ (07/0، 09/0، 11/0 و 13/0 متر) و نسبت انحنا انجام شد. بررسي اثر تعداد دور نشان داد كه هيدروژن پس از عبور از حدود سه دور ابتدايي، به شرايط نزديك به تعادل حرارتي با اتيلن گليكول در دماي 15/233 كلوين مي‌رسد و افزايش تعداد دور بيش از 5، تأثير محسوسي بر كاهش بيشتر دماي خروجي ندارد؛ ازاين‌رو، پيكربندي 5 دور به‌عنوان طول بهينه مبدل انتخاب گرديد. همچنين، نتايج بررسي اثر گام مارپيچ نشان داد كه كاهش گام به 07/0متر، نه تنها به دليل انحناي ملايم‌تر، كمترين مقاومت هيدروليكي و افت فشار را به سيستم تحميل مي‌كند بلكه با ايجاد شرايط مطلوب حرارتي، سريع‌ترين نرخ خنك‌سازي را نيز ارائه مي‌دهد. اثر نسبت انحنا در دو مرحله مجزا مورد ارزيابي قرار گرفت. در مرحله نخست (02/0، 026/0، 04/0 و 08/0)، با ثابت نگه داشتن قطر داخلي لوله هيدروژن و تغيير قطر كلي مارپيچ، مشخص شد كه نسبت انحناي 08/0 با كاهش طول مورد نياز براي دستيابي به دماي هدف، مناسب‌ترين موازنه ميان انتقال حرارت و افت فشار را ايجاد مي‌كند. در مرحله دوم (05/0، 08/0، 11/0 و 14/0)، با ثابت نگه داشتن قطر كلي مارپيچ و تغيير قطر داخلي لوله هيدروژن، نتايج نشان داد كه افزايش نسبت انحنا از 05/0 به 14/0 موجب كاهش 7/85 درصدي افت فشار كل، از 07/0 مگاپاسكال به 01/0 مگاپاسكال، مي‌شود. بر اساس مقايسه هم‌زمان توزيع دما و افت فشار، نسبت انحناي 14/0 به‌عنوان حالت بهينه نهايي انتخاب گرديد. اين حالت نه تنها بيشترين سرعت خنك‌سازي (دستيابي به دماي هدف در كوتاه‌ترين طول ممكن) را فراهم مي‌كند، بلكه كمترين افت فشار را نيز به سيستم تحميل مي‌نمايد. در نهايت، نتايج اين پژوهش نشان داد كه پيكربندي شامل 5 دور مارپيچ، گام 07/0 متر و نسبت انحناي 14/0، مناسب‌ترين موازنه ميان عملكرد حرارتي و افت فشار را فراهم مي‌كند. همچنين، لحاظ‌كردن رفتار گاز حقيقي هيدروژن در فشارهاي بالا، براي پيش‌بيني صحيح انتقال حرارت و افت فشار و دستيابي به طراحي قابل اعتماد پيش‌سردكن‌هاي هيدروژن، امري ضروري است و صرف‌نظر از آن مي‌تواند به خطاهاي قابل توجه در طراحي منجر شود.

237781

تبديل انرژي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان