Интенсификация теплоотвода при заполнении баллона газообразным водородом


DOI: 10.34759/tpt-2021-13-6-242-252

Авторы

Зарубин В. С.1*, Зарубин С. В.1**, Осадчий Я. Г.2***

1. Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Москва, 105005, Россия
2. ЗАО НПП «МАШТЕСТ», 141070, Россия, Московская обл., г. Королев

*e-mail: zarubin@bmstu.ru
**e-mail: sevlzaru@mail.ru
***e-mail: mashtest@mashtest.ru

Аннотация

Одной из областей применения газообразного водорода в качестве экологически чистого энергоносителя является автомобильный транспорт, в том числе легковые автомобили с электродвигателями. Водород на автомобиле в настоящее время принято размещать в металлокомпозитных баллонах при давлении до 70 МПа. При заполнении баллона в силу отсутствия интенсивного теплоотвода через армирующий слой композита происходит существенное повышение температуры водорода. Это приводит к снижению его плотности в баллоне и после достижения предельного давления запас водорода оказывается меньше регламентированного, а реальный пробег автомобиля на одной заправке меньше прогнозируемого. Интенсификация теплоотвода при заполнении металлокомпозитного баллона возможна путем размещения в баллоне змеевика с протекающей в нем охлаждающей водой. В данной работе представлена математическая модель, описывающая тепловой режим баллона со змеевиком, охлаждающим водород непосредственно в баллоне (в отличие от реализуемого в настоящее время варианта предварительного охлаждения водорода до его поступления в баллон). Из количественного анализа этой модели следует, что при некотором увеличении времени заполнения охлаждение водорода непосредственно в баллоне позволяет достигнуть в нем регламентированной массы водорода.

Ключевые слова:

заполнение металлокомпозитного баллона водородом, охлаждение водорода в баллоне со змеевиком, математическая модель теплового режима баллона

Библиографический список

  1. Козлов С.И., Фатеев В.Н. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы / Под ред. Е.П. Велихова. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. 520 с.

  2. Todorovic R. Hydrogen Storage Technologies for Transportation Application // Journal of Undergraduate Research. 2015. V. 5. N 1. P. 56–59.

  3. Bagotsky V.S. Fuel Cells: Problems and Solutions. Hoboken: Wiley, 2009. 320 p.

  4. Hua T.Q., Ahluwalia1 R.K., Peng J-K, Kromer M., Lasher S., McKenney K., Law K., Sinha J. Technical Assessment of Compressed Hydrogen Storage Tank Systems for Automotive Applications. Argonne National Laboratory (US), 2010. 79 p.

  5. Лупачев Д.А., Смирнов М.И. Хранение водорода (получение и хранение) // Наука, техника, образование. 2018. № 5. С. 73–77.

  6. Фатеев В.Н., Алексеева О.К., Коробцев С.В., Серегина Е.А., Фатеева Т.В., Григорьев А.С., Алиев А.Ш. Проблемы аккумулирования и хранения водорода // Kimya Problemleri ‒ Chemical Problems. 2018. V. 16. N 4. P. 453–483.

  7. Бочарников М.С., Яненко Ю.Б., Тарасов Б.П. Металлогидридный термосорбционный компрессор водорода высокого давления // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 12. С. 18–23.

  8. https://www.drom.ru/info/test-drive/toyota-mirai-73223/Автономный режим: на водородной Toyota Mirai по Владивостоку. Дата обращения 15.06.2021.

  9. https://www.drive.ru/news/toyota/5e32da6fec05c4cd07000066/Серийный водородомобиль Toyota Mirai сохранил облик концепта. Дата обращения 15.06.2021.

  10. Woodfield P.L., Monde M., Takano T. Heat transfer characteristics for practical hydrogen pressure vessels being filled at high pressure // Journal of Thermal Science and Technology. 2008. V. 3. N 2. P. 241–253.

  11. Galassi M.C., Papanikolaou E., Heitsch M., Baraldi D., Iborra B.A., Moretto P. Validation OF CFD Mjdels for Hydrogen Fast Filling Simulations // International Journal Hydrogen Energy. 2014. V. 39. N 11. P. 65–2660.

  12. Белоусова С.Ю., Зарубин В.С., Осадчий Я.Г. Численное моделирование теплового состояния металло-композитного автомобильного баллона при заполнении метаном // Транспорт на альтернативном топливе. 2015. № 3 (45). С. 15–24.

  13. Гамбург Д.Ю., Семенов В.П., Дубовкин Н.Ф., Смирнова Л.Н. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Справ. изд. / Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. М.: Химия, 1989. 672 с.

  14. Малков М.П., Данилов И.Б., Зельдович А.Г., Фрадков А.В. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. М.П. Малкова. М.: Энергоатомиздат, 1985. 432 с.

  15. Jacobsen R.T, Leachman J.W., Penoncello S.G., Lemmon E.W. Current Status of Thermodynamic Properties of Hydrogen // Int J. Thermophys. 2007. V. 28. P. 758–772. DOI: 10.1007/s10765-007-0226-7

  16. Leachman J.W., Jacobsen R.T, Penoncello S.G., Lemmon E.W. Fundamental Equations of State for Parahydrogen, Normal Hydrogen, and Orthohydrogen // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 2009. V. 38. N 3. P. 721–748.

  17. Dicken C.J.B., Merida W. Modeling the Transient Temperature Distribution within a Hydrogen Cylinder During Refueling (at Numerical Heat Transfer, Taylor and Francis Group, 2008, Part A, 53, pp. 1–24).

  18. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Изд. дом МЭИ, 2016. 496 с.

  19. Зарубин В.С., Осадчий Я.Г. Численное моделирование теплового режима металлокомпозитного баллона при заполнении водородом // Транспорт на альтернативном топливе. 2021. № 2 (80). С. 54–62.

  20. Simonovski I., Baraldi D., Melideo D., Acosta-Iborra B. Thermal simulations of a hydrogen storage tank during fast filling // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. V. 40. P. 12560–12571.

  21. Bourgeois T., Brachmann T., Barth F., Ammouri F., Baraldi D., Melide D., Acosta-Iborra B., Zaepffel D., Saury D., Lemonnier D. Optimization of hydrogen vehicle refueling requirements // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. V. 42. P. 13789–13809.

  22. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 462 с.

  23. Национальный стандарт РФ ГОСТ 53258-2009. М.: Стандартинформ, 2009. 11 с.

  24. http://metallicheckiy-portal.ru/alu/AMg6/ Центральный металлический портал РФ. Дата обращения 15.06.2021.

  25. Патент RU 2707781 C1. Гибридный композиционный материал для оболочечных конструкций высокого давления. Опубликовано: 29.11.2019. Бюл. № 34.

  26. Комков М.А., Тарасов В.А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 432 с.

  27. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М.—Л.: Госэнергоиздат, 1958. 414 с.

  28. Махутов Н.А., Гаденин М.М. Комплексная оценка прочности, ресурса, живучести и безопасности машин в сложных условиях нагружения // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2020. № 4. С. 24–34.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024