مدل‎سازي ترموديناميكي انتقال حرارت و بخار در رطوبت زن غشايي پوسته و لوله :نوع گاز – گاز

Thermodynamics Modeling of Heat and Vapor Transfer in Shell-and-Tube Membrane Humidifier: a Gas-to-Gas Type

مديريت آب نقش مهمي در عملكرد پيل سوختي پليمري دارد. مرطوب سازي گازهاي واكنش گر قبل از ورود به پيل سوختي جهت مرطوب نگهداشتن الكتروليت پليمري، از مهمترين راه هاي مديريت آب است. در تحقيق حاضر، يك مدل تحليلي از رطوبت زن غشايي پوسته و لوله نوع گاز- گاز ارايه شده است. معادلات حاكم شامل معادلات بقاي جرم و انرژي و انتقال بخاراست كه به طريق تكرار حل و به كمك داده هاي تجربي موجود در مقالات اعتبار سنجي شده است. همچنين تاثير پارامتر هاي عملكردي مانند دبي، دما و رطوبت نسبي گازهاي ورودي و پارامترهاي هندسي مانند ضخامت، قطر و تعداد لوله هاي رطوبت زن بر عملكرد آن مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج نشان مي دهند كه در دبي جرمي ورودي برابر در سمت پوسته و لوله، دماي گاز مرطوب شده خروجي، نرخ انتقال حرارت و نرخ انتقال بخار در جريان مخالف نسبت به جريان موازي بيشتر است، لذا نتايج براي اين رطوبت زن ارايه شده است. در رطوبت زن جريان مخالف، همچنين با افزايش دماي گاز خشك ورودي نرخ انتقال حرارت و نرخ انتقال بخار كاهش مي يابد نهايتا افزايش رطوبت نسبي گاز خشك ورودي باعث كاهش نرخ انتقال بخارمي شود ولي تاثير ناچيزي بر دماي گاز مرطوب شده خروجي و نرخ انتقال حرارت دارد.

Water management plays an important role in the performance of a polymer fuel cell. Humidifying the reactant gases before entering the fuel cell and adjusting the wet content are among the most important ways for water management. In this work, a membrane humidifier of a gas-gas type was modeled. The governing equations included the mass conservation as well as the energy and vapor transfer equations solved by the numerical method and validated by the experimental data available in the relevant scientific papers. Then the effects of the operating parameters such as flow rate, temperature, and relative humidity of the inlet gases, and the geometric parameters such as thickness, diameter, and number of tubes on the performance of humidifier were studied. The results obtained show that in the same inlet mass flow rate in both the wet and dry sides, the outlet wet gas temperature, heat transfer rate, and vapor transfer rate in the counter-flow are greater than the parallel flow, and therefore, the results for this humidifier are provided. In a counter-flow humidifier, by increasing the inlet dry gas temperature, the rate of heat transfer and vapor transfer rate will decrease, and also increasing the relative humidity of the inlet dry gas will reduce the vapor transfer rate, and it has a negligible impact on the outlet wet gas temperature and heat transfer rate. Finally, increasing the thickness, length, and number of membrane tubes can have negligible impacts on the heat transfer rate as well.