Modelamiento Numérico de un Generador de Hidrógeno
Edgar Willy Rimarachín Valderrama
Escuela de Graduados de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial Universidad Nacional de Gyeongsang, 501 Jinju Dae-ro, Jinju, Gyeongnam Province 660-701, Corea del Sur.
Resumen
El gas de hidrógeno se utiliza en diversas aplicaciones industriales debido a su naturaleza de energía limpia. Sin embargo, su producción y almacenamiento siguen siendo costosos y un proceso de alto riesgo, y se han realizado importantes esfuerzos para descubrir una nueva técnica de generación de hidrógeno. Una de las formas simples pero eficientes de generar gas hidrógeno es usar la reacción de un combustible metálico (por ejemplo, aluminio) con agua que contiene algunos iones alcalinos como catalizador. El propósito de éste trabajo es desarrollar un modelamiento numérico para un generador de hidrógeno con un enfoque unidimensional inestable. Para este fin, se introducen las ecuaciones de conservación de especies para el hidrógeno y la solución alcalina, mientras que para la ecuación de conservación de energía se supone una sola mezcla de gas, líquido y sólido. Las formulaciones analíticas explícitas se emplean para calcular velocidades de gas y líquido. Se escribe un código MATLAB para calcular numéricamente las ocho variables dependientes del tiempo de la concentración molar de gas / líquido, la velocidad de gas / líquido, las fracciones de volumen de gas / líquido / sólido y la temperatura media. El código desarrollado se valida con resultados experimentales y se espera que sea útil para diseñar un generador de hidrógeno novedoso con combustible metálico.
Descriptores: Generador de Hidrógeno, Reacción Combustible Metálico – Agua, Solución Alcalina, Análisis Unidimensional.
Abstract
Hydrogen gas is utilized in diverse industrial applications due to its clean energy nature. However, its production and storage is still expensive and high-risk process, and there have been significant efforts to find out a novel hydrogen generation technique. One of the simple but efficient way to generate the hydrogen gas is to use the reaction of a metal fuel (e.g. aluminum) with water containing some alkali ions as the catalyst. The purpose of this thesis is to develop a numerical modeling for a hydrogen generator with unsteady one-dimensional approach. To this end, the species conservation equations for hydrogen and alkali solution are introduced while a single gas-liquid-solid mixture is assumed for the energy conservation equation. The analytical explicit formulations are employed to compute gas and liquid velocities. A MATLAB code is written to numerically compute the eight time-dependent variables of gas/liquid molar concentration, gas/liquid velocity, gas/liquid/solid volume fractions, and medium temperature. The developed code is validated with experimental results and it is expected to be useful in designing a novel hydrogen generator with metal fuel.
Keywords: Hydrogen Generator, Metal fuel-Water Reaction, Alkali Solution, One-dimensional Analysis.