Etude numérique du transfert de chaleur et de masse lors déstockage solide d'hydrogène

Abstract

L’objet du présent travail est d’étudier numériquement du transfert de chaleur et de masse, afin d’adéquatement décrire l’écoulement de fluide dans le lit désorbant considéré comme milieu poreux. Les équations de continuité, de quantité de mouvement et d’énergie ont été résolues par la méthode des volumes finis, en accommodant le code commercial ANSYS FLUENT via des fonctions définie par l’utilisateur (UDF), pour résoudre numériquement les équations de transports gouvernants les processus de désorption étudiés. Le modèle numérique a été confronté à des résultats expérimentaux rapportés dans la littérature pour le cas d'une géométrie régulière simple. Un bon accord a été trouvé entre les résultats actuels de calcul et les données expérimentales un réacteur d’hydrure de métal du type ADR, destiné au stockage solide d’hydrogène. Un modèle mathématique de géométrie bidimensionnelle simple réunissant les équations gouvernant le phénomène de stockage et déstockage d’hydrogène a été envisagé, dans lequel les équations de Navier-Stokes ont été augmentées du terme de source.

Les simulations numériques ont montré que la chute de pression dans le lit désorbant d'hydrure métallique provoquée par l'inertie de fluide peut être considérable dans ce type d'écoulement, en outre le temps de désorption d'hydrogène dépend de la configuration et les dimensions géométriques du dispositif d'échange de chaleur. Ainsi, la minimisation du temps de désorption se réduit à la fiabilisation du processus d’échange de chaleur dans le réacteur à lit empaqueté. En outre, la conductivité est un facteur clef dans la conception efficace de réacteurs d’hydrure du métal الغرض من ھذا العمل ھو الدراسة العددیة لانتقال الحرارة و المادة في مفاعل حلقي لھیدرید المعدن المستعمل في إجراء التفريغ الصلب للھیدروجین. نموذج ریاضي ثنائي الأبعاد ذو ھندسة بسیطة مكون من المعادلات التي تحكم ظاھرة تخزین الھید روجین المدروسة، والتي استخدمت فیھا معادلات Navier-Stokes مضافا الیھا حد تصحیح Forchheimer لتصف بدقة تدفق السوائل في الوسط المسامي. تم حل معادلات الاستمراریة و كمیة الحركة والطاقة، وذلك باستعمال برنامج ANSYS FLUENT باستخدام طریقة الحجوم المنتھیة من خلال انشاء و تضمین دوال المستخدم (UDF) للحلول العددیة. و تمت مقارنة نتائج النموذج العددي مع النتائج التجریبیة التي أعلنت في الأبحاث ا لھندسة عادیة بسیطة. وقد تم الحصول على توافق جید بین النتائج العددیة الحالیة و البیانات التجریبیة. وقد اظھرت المحاكاة العددیة أن انخفاض الضغط في مفاعل الھیدرید الناجم عن عطالة المائع یمكن أن یكون معتبرا في ھذا النوع من السریانات، وعلاوة عن ذلك فان زمن امتصاص الھیدروجین یعتمد على التصمیم و الھندسة الفعالة لأبعاد المفاعل الحراري. بالإضافة إلى ذلك فان الناقلیة الحراریة ھي عامل رئیسي في التصمیم الفعال لمفاعلات الھیدرید.

The purpose of this work is to numerically study of heat and mass transfer in an annulus-disc metal hydride reactor used for hydrogen solid destocking. A twodimensional mathematical model of a simple geometry consisting of the equations governing the phenomenon of hydrogen storage has been proposed, in which the Navier-Stokes equations were used in addition of the source term with the Forchheimer’s modification, to adequately describe fluid flow in the packed bed considered as porous medium. The equations of continuity, momentum and energy were solved using the finite volume method; by accommodating the commercial code ANSYS FLUENT through user-defined functions (UDF), to numerically solve the equations governing the sorption processes studied. The numerical model results were compared to experimental results reported in the literature for the case of a simple regular geometry. A good agreement was found between present calculations results and experimental data. Numerical simulations have shown that the pressure drop in the metal hydride packed bed caused by the fluid inertia can be considerable in this flow type. Moreover, the hydrogen sorption time depends on the configuration and geometrical dimensions of the heat exchange device. Thus, the minimization of absorption or desorption time is reduced to the reliability of the heat exchange process in the packed bed reactor. In addition, the conductivity is a key factor in the efficient design of the metal hydride reactors.