22237

شبيه سازي توليد هيدروژن در واكنش اصلاح بخار (Steam reforming) متان در يك راكتور ترموشيميايي خورشيدي با استفاده از سراميك متخلخل

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

96-99

1399/3/13

دكتر مجيد سياوشي

مكانيك

توليد انرژي هاي سازگار با محيط زيست و ذخيره آن ها يكي از معضلات اصلي امروزه بشر است. در ميان طيف گسترده¬اي از گزينه¬هاي انرژي¬هاي تجديد پذير، انرژي خورشيدي يكي از منابعي است كه پتانسيل كاهش مشكلات تامين انرژي را نشان مي دهد. با توجه به تمام فوايد انرژي خورشيدي اين منبع انرژي ايراداتي هم دارد، از جمله وابستگي شديد به ساعات روز و ماه و فصل و منطقه¬ي جغرافيايي. انتخاب اين انرژي به عنوان انرژي پايدار نياز به ذخيره سازي دارد. تاكنون روش¬هاي فراواني براي جذب انرژي خورشيدي و نگهداري آن استفاده شده است ولي اكثر اين روش ها در زمينه ذخيره سازي بسيار پرهزينه و بعضاً آلوده كننده محيط زيست هستند. در اين تحقيق روش ذخيره انرژي خورشيدي در گاز طبيعي (متان) از طريق فرآيند تغيير فرم بخار متان با تبديل آن به هيدروژن مورد بررسي قرار گرفت. هيدروژن توليد شده از طريق اين روش، ميتواند جايگزين هيدروژن توليد شده براي مصارف روزمره اين سوخت شود و يا به عنوان منبعي براي ذخيره انرژي خورشيدي استفاده شود. يك مدل عددي پايا به روش حجم محدود براي شبيه سازي فرآيند اصلاح بخار در يك رآكتور ترموشيميايي خورشيدي با فوم متخلخل در يك هندسه دوبعدي و متقارن محوري توسعه داده شد. تشعشع حرارتي به كمك تقريب P1 به منظور مدلسازي جذب حجمي حرارت مدلسازي شد و از مدل عدم تعادل حرارتي محلي (LTNE ) براي محاسبه دماي متفاوت فازهاي سيال و ماده متخلخل استفاده گرديد. خواص سيال و ماده متخلخل و معادله تابش از طريق UDF در نرم افزار FLUENT برنامه نويسي شد. عملكرد راكتور برحسب پارامترهاي سرعت گاز خوراك، نسبت واكنش دهنده ها در ورودي راكتور، ضريب تخلخل هسته متخلخل راكتور، قطر متوسط حفره¬ها در هسته متخلخل راكتور و همچنين طول اين هسته، حساسيت سنجي شد. پيكربندي جديدي براي اين راكتور ترموشيميايي ارائه گرديد. در اين پيكربندي جديد، از گرماي گازهاي خروجي براي پيش¬گرمايش گاز خوراك در راستاي افزايش عملكرد راكتور استفاده شد. در مرحله بعد، يك پيكربندي جديد براي بهبود عملكرد رآكتور ارائه شد كه در آن، از گرماي گاز هاي خروجي براي پيش‌گرمايش گاز خوراك در راستاي افزايش عملكرد راكتور استفاده شد. همچنين، استفاده از فوم چند لايه براي بهبود انتقال حرارت و عملكرد رآكتور مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان دهنده اثر معكوس افزايش سرعت سيال بر غلظت هيدروژن توليد شده است تخلخل هسته متخلخل تاثير زيادي از نظر جذب و عمق نفوذ انرژي خورشيدي در اين ماده متخلخل دارد. پيكربندي معرفي شده با تمام بهبود هاي انجام شده بر روي آن 135% عملكرد راكتور را در دبي مورد بررسي نسبت به راكتور با پيكربندي ساده بهبود داد.

1399/04/22

Simulation of hydrogen production by steam methane reforming process in a porous ceramic thermochemical solar reactor

6/3/2021 12:00:00 AM

The production and storage of environmentally friendly energy is one of the main problems of nowadays. Among the wide range of renewable energy options, solar energy is one of the sources that shows the potential for reducing energy supply problems. This energy source has its drawbacks, despite all the advantages, including its extreme dependence on the hours of the day, the moon, the season, and the geographical area. selecting this energy as sustainable energy requires storage. So far, many methods have been used to absorb and store solar energy, but most of these methods are very expensive and sometimes pollute the environment. In the present study, the method of storing solar energy in natural gas (methane) through the process of methane steam reforming by converting it to hydrogen was investigated. Hydrogen produced by this method can replace the hydrogen produced for daily use of this fuel or can be used as a source of solar energy. A two-dimensional steady-state axisymmetric model is developed to analyze performance of a thermochemical porous reactor. To conduct the simulation, finite volume method coupled with kinetics thermochemical reaction and Local Non-thermal equilibrium (LTNE) model with modified P1 approximation are employed to obtain the temperature distribution for both the fluid and the porous media. The study has been conducted for the certain pertinent parameters of inlet velocity, inlet steam to methane ratio, porosity, average cell diameter, and reactors length and results are investigated in terms of hydrogen generation, temperature, velocity and reaction rate distribution and a new configuration was provided for this thermochemical reactor. Numerical results indicate that, increasing inlet flow rate leads to a lower temperature and causes the reaction to perform incompletely. Also, by considering Gaussian distribution for irradiation, temperature and consequently hydrogen mole fraction is higher at the centerline of the foam compared to walls of the reactor. The configuration introduced with all the improvements, improved the reactor performance by 135%.