مدل‎سازیترمودینامیکی انتقال حرارت و بخار در رطوبت‌زن غشایی پوسته و لوله :نوع گاز – گاز

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند، بیرجند

2 استادیار مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند، بیرجند

3 دانشیار مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند، بیرجند

چکیده

مدیریت آب نقش مهمی در عملکرد پیل سوختی پلیمری دارد. مرطوب‌سازی گازهای واکنش‌گر قبل از ورود به پیل سوختی جهت مرطوب نگهداشتن الکترولیت پلیمری، از مهمترین راه‌های مدیریت آب است. در تحقیق حاضر، یک مدل تحلیلی از رطوبت‌زن غشایی پوسته و لوله نوع گاز- گاز ارائه شده است. معادلات حاکم شامل معادلات بقای جرم و انرژی و انتقال بخاراست که به طریق تکرار حل و به کمک داده‌های تجربی موجود در مقالات اعتبار‌سنجی شده است. همچنین تاثیر پارامتر‌های عملکردی مانند دبی، دما و رطوبت نسبی گازهای ورودی و پارامترهای هندسی مانند ضخامت، قطر و تعداد لوله‌های رطوبت زن بر عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهند که اولا در دبی جرمی ورودی برابر در سمت پوسته و لوله، دمای گاز مرطوب شده خروجی، نرخ انتقال حرارت و نرخ انتقال بخار در جریان مخالف نسبت به جریان موازی بیشتر است، لذا نتایج برای این رطوبت‌زن ارائه شده است. ثانیا در رطوبت زن جریان مخالف، با افزایش دمای گاز خشک ورودی نرخ انتقال حرارت و نرخ انتقال بخار کاهش می‌یابد همچنین افزایش رطوبت نسبی گاز خشک ورودی باعث کاهش نرخ انتقال بخارمی‌شود ولی تاثیر ناچیزی بر دمای گاز مرطوب شده خروجی و نرخ انتقال حرارت دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Hassanzadeh H, Mansouri SH (2005) Efficiency of ideal fuel cell and carnot cycle from a fundamental perspective. P I Mech Eng A-J Pow 219(4): 245-254.

[2] Mench MM (2008) Fuel cell engines. Wily, New jersey.

[3] O'Hayre R, Cha SW, Colella W, Prinz FB (2009) Fuel cell fundamental. 2 edn. Wily, New Jersey.

[4] Ji M, Wei Z (2009) A review of water management in polymer electolyte membrane fuel cells. Energies 2(4): 1057-1106.

[5] Ramya K, Sreenivas J, Dhathathreyan KS (2011) Study of a porous membrane humidification method in polymer electrolyte fuel cells. Int J Hydrogen Energ 36(22): 14866-14872.

[6] Hooreh NB, Afshari E (2014) A parametric study of the performance of a membrane humidifier for PEM fuel cell. Modares Mechanical Engineering 14(2): 107-116.

[7] Wang L, Xing DM, Liu YH, CaiYH, Shao ZG, Zhai YF, Zhong HX, Yi BL, Zhang HM (2006) Pt/SiO2 catalyst as an addition to Nafion/PTFE self-humidifying composite membrane. J Power Sources 161(1): 61-67.

[8] Ge SH, Li XG, Hsing IM (2004) Water management in PEMFCs using absorbent wicks. J Electrochem Soc 151(9): 523-528.

[9] Ge S, Li X, Hsing IM (2005) Internally humidified polymer electrolyte fuel cells using water absorbing sponge. Electrochimica Acta 50(9): 1909–1916.

[10] Vasua G, Tangirala AK, Viswanathan B, Dhathathreyan KS (2008) Continuous bubble humidification and control of relative humidity of H2 for a PEMFC system. Int J Hydrogen Energ 33(17): 4640–4648.

[11] Casalegno A, Antonellis SD, Colombo L, Rinaldi F (2001) Design of an innovative enthalpy wheel based humidification system for polymer electrolyte fuel cell. Int J Hydrogen Energ 36(8): 5000-5009.

[12] Huizing R (2007) Design and membrane selection for gas to gas humidifiers for fuel cell applications. M.Sc Thesis, University of Waterloo, Canada.

[13] Chen D, Peng H (2005) A thermodynamic model of membrane humidifiers for PEM fuel cell humidification control. J Dyn Syst-T ASME  127(3): 424-432.

[14] Huizing R, Fowler M, Mérida W, Dean J (2008) Design methodology for membrane-based plate-and-frame fuel cell humidifiers. J Power Sources 180(1): 265-275.

[15]Yu S, Im S, Kim S, Hwang J, Lee Y, Kang S, Ahn K (2011) A parametric study of the performance of a planar membrane humidifier with a heat and mass exchanger model for design optimization. Int J Heat Mass Tran 54(7–8): 1344-1351.

[16] Park SK, Choe SY, Choi Sh (2008) Dynamic modeling and analysis of a shell-and-tube type gas-to-gas membrane humidifier for PEM fuel cell applications. Int J Hydrogen Energ 33( 9): 2273-2282.

[17] Park SK, Choe SY, Lim TW, Kim JS, Seo DH, Choi JH (2013) Analysis of a shell-and-tube type gas- to-gas membrane humidifier for an automotive polymer electrolyte  membrane fuel cell power system. Int J Auto Tech-Kor 314(3): 449-457.

[18] Dunlavy A (2009) Dynamic modeling of two-phase heat and vapor transfer characteristics in a gas-to-gas membrane humidifier for use in automotive PEM fuel cells. M.Sc Thesis, University of Auburn, Alabama.

[19] Springer TE, Zawodzinski TA, Gottesfeld S (1991) Polymer electrolyte fuelcell model. J Electrochem Soc 138(8): 2334–2342.

[20] Parish OO, Putnam TW(1977) Equation for the determination of humidity from dew point and psychrometric data, national aeronautics and space administration. Washigton D.C.

[21] Barenbrug AWT (1974) Psychrometry and psychrometric charts. 3rd edn. S.A.: Cape and Transvaal Printers Ltd, Cape Town.