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• W2916283391 abstract "En este trabajo, se ha desarrollado una herramienta de fluidodinamica computacional para la simulacion de la operacion estacionaria de una pila de combustible de oxido solido (SOFC), alimentada con hidrogeno. Para ello, se ha desarrollado un completo modelo matematico que describe la naturaleza multifasica de la pila, y el correspondiente algoritmo numerico para su resolucion. La validez de la herramienta ha sido comprobada, comparando sus resutados numericos con datos experimentales de la literatura. Finalmente, la versatilidad de la herramienta se ha ilustrado con un estudio numerico adicional.A continuacion se destacan las caracteristicas que distinguen al modelo matematico, desarrollado en esta tesis, de otros previamente publicados en la literatura. Estas son:1.- En los canales, se utiliza un modelo de difusion que verifica la consistencia de los flujos difusivos. De este modo, la ecuacion de conservacion de las especies en los canales se resuelve para todas las especies presentes en el fluido, evitando la imposicion artificial de la consistencia de los flujos difusivos.2.- La transferencia de masa global en los electrodos se modela con el modelo de dusty-gas desarrollado por Mason y Malinauskas. Este modelo se considera el mas adecuado para describir el transporte de masa global en los electrodos de una SOFC, y tiene en cuenta todos los posibles mecanismos de transferencia de masa, a diferencia de lo que se hace en la mayoria de los modelos publicados, donde se suele despreciar el flujo viscoso.3.- En este trabajo se presenta un tratamiento novel de las ecuaciones del dusty-gas, que permite su facil implementacion y resolucion.4.- La transferencia de calor dentro del sistema se aborda mediante la ecuacion de la conservacion de la entalpia sensible, correctamente expresada en terminos de temperatura considerando la dependencia de la temperatura de las variable termodinamicas.5.- Todos los mecanismos de transferencia de calor han sido considerados en este modelo, incluyendo la radiacion. El metodo numerico consta del algoritmo necesario para la solucion numerica del modelo matematico. Dicho algoritmo ha sido desarrollado e implementado en OpenFOAM, por la autora de esta Tesis. OpenFOAM es una plataforma de CFD, de codigo abierto, basada en el metodo de volumenes finitos.Las principales caracteristicas del metodo numerico son:A.- Multidominio: el dominio numerico se divide en cinco subdominios adyacentes, para facilitar la solucion del modelo adecuado en cada uno de los componentes de la SOFC, a saber: (1) canal de combustible; (2) anodo; (3) electrolito; (4) catodo; y (5) canal de aire. Esto implica que la solucion numerica se calcula, bien segregada bien simultaneamente, en cinco mallas.B.- La solucion del modelo matematico en cinco subdominios numericos diferentes requiere de un algoritmo adicional para el intercambio de informacion entre subdominios adyacentes. El acomplamiento de dichos subdominios se realiza de dos maneras: (1) asignacion de campos entre subdominios adyacentes; o (2) utilizando un algoritmo acoplado para el caculo de una matriz en diferentes mallas simultaneamente.C.- El algoritmo numerico puede ejecutarse en paralelo. Notese, que parte de este algoritmo, en particular las subrutinas relacionadas con el transporte de especies en canales y electrodos, ha sido incluido en una libreria de codigo abierto para la transferencia de masa, que sera publicada proximamente. La validez de la herramienta numerica se ha demostrado mediante la comparacion de los resultados experimentales de la bibliografia con los resultados numericos correspondientes. Posteriormente, la versatilidad de dicha herramienta se ha ilustrado en un adicional analisis numerico. Las principales conclusiones de este analisis se resumen a continuacion:1) La transferencia de masa de ambos reactivos y productos, dentro de los electrodos SOFC, esta dominada por una difusion eficaz y se ve obstaculizada por el contraflujo de las otras especies. Para el reactivo aparece una resistencia adicional a la transferencia de masa, debido a un flujo causado por el gradiente de presion; mientras que la evacuacion de productos se beneficia de este efecto del gradiente de presion.2) La transferencia de masa por conveccion puede representar una parte no despreciable del transporte de masa global dentro de los electrodos de una SOFC. La magnitud del flujo del DGM, originado por el gradiente de presion suele ser menor que aquella del flujo convectivo. Sin embargo, la contribucion de ninguno de ellos es despreciable en las condiciones deseables de operacion de una pila de combustible de oxido solido.3)Las corrientes de reactivos pueden refrigerar la zona activa de la celda, deteriorando su funcionamiento, si su temperatura no logra ascender hasta la temperatura de operacion antes de llegar a las zonas de reaccion.4)La radiacion pared-pared juega un papel relevante en la transferencia de calor global del sistema. La herramienta numerica presentada en esta Tesis, aunque completa para la simulacion de pilas SOFC alimentadas con H2 , puede ser completada en el futuro para cubrir otros aspectos de este tipo de pilas. Posibles lineas de actuacion serian: A) Ampliar la gama de combustibles. Modelar las reacciones de sustitucion que tienen lugar dentro del anodo cuando se alimentan hidrocarburos a la pila.B) Simulacion del stack. Modificar el algoritmo numerico para simular sistemas configurados por varias unidades repetitivas, ie stack.C) Modelo electroquimico submalla. Desarrollo de un modelo detallado para la cinetica quimica de las reacciones redox, utilizando otro metodo numerico como lattice-Boltzmann, de tal manera que los resultados de este modelo se pudieran introducir al modelo presentado en este trabajo." @default.
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