30950

شبيه‌سازي فرآيند توليد هيدروژن به روش اصلاح متان به كمك بخار در محيط متخلخل با رويكرد مقياس حفره

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1400

1402/12/20

مجيد سياوشي

ندارد

مهندسي مكانيك

امروزه يكي از دغدغه‌هاي موجود ميان محققين، انبوه‌سازي سوخت‌هاي پاك و جايگزيني آن با سوخت‌هاي فسيلي است. هيدروژن سوخت‌ي با ارزش حرارتي بالا بوده كه مي‌تواند در صنايع مختلفي بكار رود. حدود 50% هيدروژن توليدي در سطح جهان، با بهره‌گيري از روش اصلاح متان به كمك بخار (SMR) توليد مي‌شود. فرآيند SMR در دماي بالا صورت مي‌گيرد. اين مطالعه به بررسي توليد هيدروژن با استفاده از روش SMR در فوم‌هاي كاتاليستي ورونوي مي‌پردازد. بررسي هندسه‌هاي متصل بهم كه انتقال گرماي مناسبي داشته باشد، مي‌تواند به فرآيند SMR براي توليد هيدروژن كمك مناسبي كند و جايگزين هندسه‌هاي ساده و منفصل شود. در تحقيق حاضر به بررسي جريان واكنشي در فوم كاتاليزوري ورونوي با رويكرد مقياس حفره و با در نظر گرفتن انتقال حرارت هدايت – جابجايي پرداخته شده است. مدلسازي مورد بررسي در كتابخانه OpenFOAM و با استفاده از حلگر chtMultiRegionFoam انجام شده است. كتابخانه متن باز OpenFOAM، با استفاده از روش حجم محدود (FVM) معادلات را گسسته‌سازي و حل مي‌نمايد. همچنين براي شبيه‌سازي در مقياس حفره از روش شبيه‌سازي عددي مستقيم (DNS) استفاده شده است. علاوه بر اين، هدف از تحقيق حاضر بررسي مدل‌هاي فوم ورونوي شامل فوم گرادياني بر حسب تراكم حفره ، تغييرات تخلخل و تراكم حفره بر روي فوم‌هاي ساده و گرادياني، اهميت جهت جريان در فوم گرادياني و جنس پايه كاتاليستي كه بر نرخ هيدروژن توليدي موثر بوده، پرداخته شده است. در ادامه بررسي همزمان سرعت و دماي ورودي و تاثير آن بر نرخ واكنش از اهداف مطالعه مي‌باشد. جهت تامين گرماي مورد نياز فرآيند SMR از فومي با شرايط مرزي REV و با گرمايش از كف به رشته‌هاي فوم كاتاليستي استفاده شده است. هندسه‌هاي بكار رفته در اين حل عددي شامل هفت فوم با تخلخل‌هاي 60/0، 70/0 و 80/0 بوده كه در دو نوع ساده و گراداياني به آن پرداخته شده است. فوم‌هاي گرادياني بر حسب تراكم حفره و با مقادير 40-30 حفره بر اينچ و براي فوم‌هاي ساده با دو مقدار 30 و 40 حل عددي صورت گرفته است. نتايج بيان مي‌كند كه كاهش تخلخل فوم ساده از 8/0 به 6/0، دبي جرمي هيدروژن توليدي 25% رشد مي‌يابد. همچنين جايگزيني فوم گرادياني با تخلخل 60/0 به جاي فوم ساده با تخلخل 60/0، نرخ هيدروژن توليدي را 17% بيشتر مي‌كند. در ادامه نتايج حاصل نشان مي‌دهد تاثير پارامتر موثر سرعت ورودي از دماي ورودي بيشتر بوده و با افزايش سرعت ورودي از 5/0 به 2 متر بر ثانيه، نرخ هيدروژن توليدي 75% رشد مي‌يابد. اين مطالعه بر پتانسيل فوم‌هاي كاتاليسيتي ورونوي براي افزايش كارايي توليد هيدروژن در فرآيند SMR، جهت پيشبرد راه‌حل‌هاي انرژي پاك‌تر و پايدار تأكيد مي‌كند. همچنين اين هندسه با توجه به خصوصيات حرارتي، سطح موثر و جرياني خود مي‌تواند جايگزين مناسبي براي اين روش توليد هيدروژن باشد.

1403/03/22

Pore-Scale Simulation of Hydrogen Production Process by Steam Methane Reforming Method in Porous Medium

3/10/2025 12:00:00 AM

The investigation of interconnected geometries with appropriate heat transfer can facilitate the steam-methane-reforming (SMR) process for hydrogen production and replace simple and separate geometries. The present study investigates the reactive flow in a Voronoi-catalytic-foam (V.C.F) using a pore-scale approach and considering conjugate heat transfer. The modeling was performed in the OpenFOAM library using the direct numerical simulation (DNS) method. The aim of this research is to investigate the Voronoi foam (VF) models, including gradient foam based on PPI, porosity, and PPI changes on simple and gradient foam, the importance of flow direction in gradient foam, and the type of catalyst support that affects the hydrogen production rate. In addition, this numerical study investigates the simultaneous effect of inlet velocity and temperature. To provide the heat required for the SMR process, a foam with representative elementary volume (REV) boundary conditions and heating from the bottom to the catalytic foam ligaments was used. The results show that reducing the porosity of the simple foam from 0.8 to 0.6 increases the hydrogen production mass flow rate by 25%. Additionally, replacing the simple foam with a porosity of 0.6 with a gradient foam with a porosity of 0.6 increases the hydrogen production rate by 17%. The effect of the inlet velocity parameter is also more significant than the inlet temperature and increasing the inlet velocity from 0.5 to 2 m/s increases the hydrogen production rate by 75%.

ريفرمينگ متان بخار , توليد هيدروژن , فوم كاتاليستي ورونوي , شبيه‌سازي مقياس منافذ , محيط‌هاي متخلخل , اپن فوم

Steam-methane-reforming , Hydrogen production , Voronoi-catalytic-foam , Pore-scale simulation , Porous media , openfoam

Hamed Barokh

Dr. Majid Siyavoshi