Отзыв оппонента 2 (Исследование тепловых процессов в системах твердофазного аккумулирования и очистки водорода)

отзыв официального оппонента доктора технических наук, профессора Московского авиационного института (национального исследовательского университета),МАИ Никитина Петра Васильевича на диссертационную работу Блинова Дмитрия Викторовича «Исследование тепловых процессов в системах твердофазного аккумулирования н очистки водорода», представленную к защите на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.04.14 — «Теплофизика и теоретическая теплотехника». 1.

Ак альность темы яссе та ии. Диссертационная работа Блинова Д. В. направлена на решение одной из важнейших проблемных задач современности — поиска новых первичных источников энергии с целью компенсации ограниченных ресурсов нефти и газа. В этом плане ученые особое внимание уделяют водороду - альтернативе традиционным видам топлива. Последнее обусловлено тем, что водород, благодаря своим природным ресурсам, теплофизическим и термодинамическим свойствам, имеет несравнимые преимущества по сравнению с другими видами энергоносителей.

В связи с указанным, все дальнейшее развитие химической энергетики с использованием водорода в качестве горючего стало одним из приоритетных направлений науки и техники, Сегодня это развитие строится в основном на базе использования электрохимических генераторов и топливных элементов, эффективно преобразующих энергию экзотермической реакции горения водорода в кислороде воздуха в электрическую энергию. Надежность таких преобразователей энергии подтверждена многолетней их эксплуатацией.

Тем не менее, не смотря на отмеченные положительные факторы, в технологии водородной энергетики все еще имеется ряд «белых пятен» (не решенных проблемных задач), которые тормозят ее дальнейшее развитие. К таким задачам, прежде всего, относятся разработка научно обоснованных надежных малогабаритных аккумуляторов с высокой объемной плотностью водорода ~более 75 кгlм ), а также его безопасного хранения и транспортировки. В настоящее время доказано, что среди разрабатываемых новых технологий, а на их базе и оборудования аккумулирования водорода, наиболее эффективными и безопасными являются те, которые используют интерметаллические материалы. Главная их особенность выражается в том, что они обладают свойством избирательно поглощать водород в объеме своей структуры.

Причем такая технология аккумулирования водорода обеспечивает более высокую, чем в жидком виде, объемную плотность. Это важно как для повышения ресурса непрерывной работы преобразователей энергии, так и для хранения водорода. Еще одно из важнейших качеств интерметаллических поглотителей водорода выражается в том, что основная его масса находится в связанном твердофазном состоянии. Это обеспечивает предельную безопасность интерметаллических аккумуляторов при эксплуатации. Кроме того, обратимая реакция поглощения ~выделения) водорода реализуется достаточно просто - при нагреве 1охлаждении) интерметаллида.

При этом громадный тепловой эффект указанной реакции создает весьма сильную зависимость от температуры равновесного давления водорода над поверхностью конструкции. Этот процесс дает возможность регулировать интенсивность поглощения и выделения водорода из интерметаллической структуры посредством ее нагрева или охлаждения с использованием водяной системы. Это очень важно, поскольку такая технология дает возможность изменять давление водорода, не используя механический компрессор. Однако, несмотря на отмеченные выше положительные факторы, до сих пор проблема создания эффективных систем обратимого твердофазного хранения водорода не решена полностью.

Трудность ее решения обусловлена тем, что создание высокоэффективных металлогидридных устройств из водородопоглощающих материалов строится на использовании микродисперсных порошков, порядка 1+10 мкм. Как известно, такие структуры Кроме указанных, нерешенной проблемной задачей является исследование закономерностей системной интеграции металлогидридных реакторов проточного типа с энергоустановкой на основе топливных элементов. обладают сравнительно низкой эффективной теплопроводностью -1 Виlм град., зависящей от рода порошка, давления заполняющего структуру, а также от массовой концентрации водорода, поглощенного частицами.

При такой теплопроводности интенсивность подвода и отвода теплоты к пористой структуре водородопоглощающего материала весьма низкая. Это с учетом большого теплового эффекта реакции поглощения (выделения) водорода ~25 —:70 ~Дж/моль) приводит к существенному снижению скорости поглощения и выделения массы водорода металлогцдридной системой. Тем не менее, важным преимуществом металлогидридов является их способность обратимо и селективно поглощать водород, отделяя его при этом от неадсорбируемых газов.

Эта особенность позволяет в одном устройстве сочетать два процесса: очистки водорода и его хранения. Например, степень очистки водорода может достигать предельного уровня -99,9999%. При всех достоинствах основным лимитирующим процессом, определяющим эффективность работы металлогидридных реакторов, является тепло — и массоперенос в металлогидридной пористой структуре.

Это отражается на интенсивности процессов сорбции и десорбции водорода. Следует отметить, что теоретическая модель тепло - и массообмена в мелкодисперсных средах при наличии фазовых превращений и реакций сорбции и десорбции в настоящее время отсутствует. В результате на первый план выходят экспериментальные исследования процессов тепло — и массопереноса в реакторах проточного типа. Кроме того, важнейшей задачей является разработка эффективных методов математического моделирования таких задач.

Совокупность экспериментальных и теоретических исследований и их результаты должны стать базой инженерных методик проектирования оптимальных конструкций реакторов проточного типа. На основании проведенного оппонентом анализа можно сделать вывод, что диссертационная работа Блинова Д.В. направлена на решение ряда проблемных задач, решение которых будет способствовать дальнейшему развитию реакторов твердофазного аккумулирования водорода, его очистки и хранения.

Зто, несомненно, укорит процесс промышленного производства водородных энергоустановок для энергоснабжения, в том числе с применением возобновляемых источников энергии. В связи с указанным, считаю, что анализируемая диссертационная работа является своевременной и актуальной. Она нацелена на решение одной из проблемнь|х задач промышленной и бытовой электроэнергетики — создание экологически чистых энерговодородных установок промышленного образца. 2. Степень обоснованности и остове ности на чных положений выво ов и сформулированных в диссертации. Основное содержание диссертационной работы изложено во введении, 5 главах и заключении.

Анализ указанных разделов диссертации показал, что автором критически проанализированы опубликованные многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей по проблеме исследования тепловых процессов в системах твердофазного аккумулирования и очистки водорода. Список цитируемой автором литературы других авторов содержит 175 наименований. В диссертационной работе для достижения поставленной цели автором сформулированы и решены следующие важнейшие задачи: - исследованы процессы тепло — и массообмена в металлогидридных системах хранения и очистки водорода; - разработаны научно-технические основы металлогидридной технологии очистки водорода; - разработаны конструкции высокоэффективных реакторов проточной очистки водорода с использованием твердополимерного электролита для обеспечения топливом энергоустановок на основе топливных элементов; на основе использования твердополимерного электролита для очистки биоводородного топлива разработана и доведена до эксплуатации экологически промышленного образца.

Проведены чистая энергоустановка экспериментальные исследования процессов. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и заключений, полученных в диссертации, подтверждаются тем, что автор в теоретической части работы (глава 3) использовал основные положения физической химии и теплотехники. В экспериментальной части при проведении исследования автор на установке использовал современные измерительные приборы и оборудование, обеспеченное сертификатами, Результаты исследований подвергались глубокому анализу по оценке погрешностей измерений, а также сравнивались с расчетными данными. Апробация достоверности основных результатов осуществлялась в опубликованных работах, на конференциях и семинарах.

Основные выводы диссертационной работы научно обоснованы и отражают ее содержание. Все отмеченное указывает на высокую степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций анализируемой диссертационной работы. З.Новизна на чных положений выво рви екомен а ий. Научная новизна диссертационной работы состоит: в развитии методов экспериментального исследования сложных процессов тепло — и массообмена в металлогидридных микродисперсных средах, при наличии в них эффузии смеси водорода и неабсорбируемых газовых примесей; предложена технология очистки водорода от примесей путем организации непрерывного потока газовой многокомпонентной смеси через металлогидридную микродисперсную засыпку.

Выявлены основные факторы, лимитирующие эффективность процесса очистки водорода; - разработаны конструкции и изготовлены экспериментальные образцы ~РХО-8 и РХО-ЗИ) металлогидридных реакторов проточного типа для систем очистки и хранения водорода. Проведены испытания и определены их оптимальные режимы работы. Получены положительные результаты при длительном испытании металлогидридных реакторов проточного типа; - в сочетании твердополимерного электролита и топливных элементов спроектирована и апробирована экспериментальная энергоустановка мощностью 200 Вт, использующая в качестве горючего биоводород; - проведен комплекс экспериментальных исследований процессов тепло— и массопереноса в металлогидридных реакторах проточного действия при очистке водорода от неабсорбируемых газовых примесей.

По результатам экспериментальных исследований установлено перемещение фронта реакции сорбции водорода в ходе процесса очистки. Доказана применимость и эффективность технологии проточной очистки водорода в таких устройствах; - экспериментально показано отсутствие деградации металлогидридного сплава при взаимодействии с углекислым газом в условиях нагрева до температуры Т = 70 С и давлении Р = 0,65 ИПа; - экспериментально определен коэффициент вязкостной проницаемости засыпки интерметаллического соединения: 1.а%„цМпЕзРеаь 4. Практическая ценность работы и реализации ее результатов. В результате проведенных исследований разработана научно обоснованная технология металлогидридной очистки водорода проточным методом. Такая технология может быть использована как в автономных энергоустановоках на основе топливных элементов в энергетической отрасли, так и в других отраслях промышленности, где требуется обеспечение производственного цикла высокочистым водородом.