28716

تحليل ترموديناميكي و مديريت حرارتي چرخه ترموشيميايي توليد هيدروژن Na-O-H

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك-تبديل انرژِي

1400

1402/6/22

دكتر سمانه قندهاريون

مهندسي مكانيك

با توجه به افزايش نياز جهاني انرژي و نيز هدف¬گذاريهاي جهاني براي حركت به سمت توسعه پايدار و كاهش آلايندهها، هيدروژن در كانون توجه محققان قرار گرفته است. هيدروژن به طور معمول در طبيعت به طور خالص يافت نمي شود و نياز است با روشهاي مختلف ساخته شود. در اين پاياننامه با توجه به پتانسيل دماي پايين و تعداد مراحل كم و نيز فراواني آب در طبيعت به تحليل چرخه ترموشيميايي سديم-اكسيژن-هيدروژن پرداخته شده است. در مرحله اول اقدام به مدلسازي چرخه در حالت پايه براي توليد 1كيلوگرم بر ثانيه هيدروژن در نرم افزار اسپن پلاس شد. اين كار به طور مشابه با استفاده از كد نويسي و معادله حالت متفاوت انجام گرفت. پس از بررسي صحت مدلسازيها، اقدام به تحليل پينج روي اين دو سيستم اقدام به ايجاد شبكه مبادلهگر حرارتي بهينه شد. در شبكه مبادلهگر حرارتي مربوط به اسپن پلاس 74/7درصد از انرژي مورد نياز در جريان هاي چرخه ترموشيميايي با بازيابي تامين شد. براي مدل كدنويسي شده نيز 70/57درصد از حرارت مورد نياز جهت گرمايش جريانهاي چرخه ترموشيميايي بازيابي شد. بازده انرژي و اگزرژي چرخه ترموشيميايي در حالت پايه بر اساس ارزش حرارتي پايين هيدروژن به ترتيب 40/31و 71/31درصد بود و با اعمال مديريت حرارتي اين مقادير به ترتيب به 43/55و 76/27درصد رسيد. هزينه توليد هيدروژن براي حالت پايه و داراي مديريت حرارتي به ترتيب برابر با 4/08و 4/06دلار به ازاي هر كيلوگرم هيدروژن محاسبه شد. در مرحله بعد اقدام به انجام تحليل اگزرژي-اقتصادي براي هر دو سيستم شد. ميزان نرخ هزينه و هزينه ويژه جريان هيدروژن در چرخه Na-O-Hبه ترتيب برابر با 2/34دلار بر ثانيه و 0/02دلار بر مگاژول محاسبه شد. در نهايت نيز اقدام به طراحي سيستم انرژي خورشيدي جهت تامين حرارت چرخههاي پايه و داراي مديريت حرارتي شد. هزينه بالاي مربوط به تامين حرارت از منبع تجديدپذير ميتواند ارزش بازيابي حرارتي انجام شده را بسيار بالاتر ببرد. به اين ترتيب كه مشخص شد مديريت حرارتي هزينه همسطح شده توليد هيدروژن را از 8/59 به 8/02 دلار به ازاي هر كيلوگرم هيدروژن كاهش دادهاست. بررسي زيستمحيطي نيز كاهش بسيار زياد ميزان آلايندگي را از 20به تنها 1/5كيلوگرم دي اكسيد كربن به ازاي هر كيلوگرم هيدروژن با جايگزيني انرژي خورشيدي به جاي گاز طبيعي نشان مي دهد.

1402/06/28

Thermodynamic analysis and thermal management of Na-O-H thermochemical cycle for hydrogen production

9/12/2024 12:00:00 AM

Due to the increase in global energy demand and global goals to move towards sustainable development and reduce pollutants, hydrogen has gained a great attention. Hydrogen is not normally found pure in nature and needs to be made by various methods. In this thesis, due to the potential of low temperature and the number of steps, as well as the abundance of water in nature, the sodium-oxygen-hydrogen thermochemical cycle has been analyzed. In the first stage, the cycle was modeled in the basic state to produce 1 kg/s of hydrogen in Aspen Plus software. This work was done similarly by using coding and different state equation. After checking the correctness of the modeling, the Pinch analysis on these two systems was done to create an optimized heat exchanger network. In the heat exchanger network related to Aspen Plus model, 74.7% of the energy required in the thermochemical cycle flows was provided by recovery. For the coded model, 70.57% of the heat required for heating the thermochemical cycle flows was recovered. The energy efficiency and exergy of the thermochemical cycle in the basic state based on the low calorific value of hydrogen were 40.31% and 71.31%, respectively, and with the application of thermal management, these values reached 43.55 and 76.27%, respectively. The levelized cost of hydrogen production for the basic state and with thermal management was calculated as 4.08 $/kg H2 and 4.06 $/kg H2, respectively. In the next step, exergy-economic analysis was performed for both systems. The cost rate and specific cost of hydrogen flow in the Na-O-H cycle were calculated as 2.43 $/s and 0.02 $/MJ, respectively. Finally, a solar energy system was designed to provide heat for basic cycles and cycle with thermal management. The high cost of providing heat from a renewable source can reveals importance of heat recovery within this thermochemical cycle. In conclusion, it was found that thermal management has reduced the cost of hydrogen production from 8.59 $/kg H2 to 8.02 $/kg H2. The environmental survey also shows a huge reduction in the amount of pollution by replacing solar energy with natural gas.

هيدروژن سبز , چرخه ترموشيميايي , توسعه پايدار , تحليل فني و اقتصادي , تحليل زيست محيطي

Green hydrogen , sustainable development , Techno-economic analysis , environmental analysis

matin aslani yekta

samane ghandehariun