Design, manufacturing and experimental testing of a mechanical exit port mechanism for a solar reactor

Joppe Rutten Jens Verschoren
De scriptie behandelt het volledig ontwerpen, fabriceren en experimenteel testen van een uitlaatpoortmechanisme voor een zonne-reactor. Deze reactor staat in voor het zonne-thermisch kraken van methaan om zo waterstof te produceren als alternatieve en propere energiebron.

Waterstofproductie in een nieuw jasje

Wat als binnenkort de voorraad fossiele brandstoffen aan zijn einde komt? Hoe kunnen we de opwarming van de aarde tegengaan? Deze vragen worden hoe langer hoe meer realiteit en de zoektocht naar oplossingen komt stilaan op gang. Maar toch moet er meer gebeuren om alternatieve energiebronnen werkelijkheid te maken. Daarom probeerden wij met onze thesis een steentje bij te dragen aan dit maatschappelijk probleem.

Alternatieve energiebron

Onderzoekers hebben de laatste decennia veel vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen. Daarmee wordt getracht de negatieve impact op het milieu en de broeikasgassen te verminderen. De meest voor de hand liggende zijn de windturbines, zonnepanelen en stuwdammen. Maar ook naar minder bekende alternatieven worden volop onderzocht. Zo kan waterstof gebruikt worden als alternatieve brandstof waarbij geen giftige gassen geproduceerd worden bij verbranding. Recentelijk stelde enkele grote autoproducenten hun nieuwe modellen op waterstof voor, zoals de u misschien wel bekende Toyota Mirai. Maar ook De Lijn wil bussen inzetten werkende op waterstof. Is de oplossing dan niet reeds gevonden? Niet helemaal; voor de productie van waterstof wordt voornamelijk gebruik gemaakt van het stoomreforming proces. Hierbij wordt methaangas door een chemische reactie omgevormd tot waterstofgas en koolstofdioxide. Dus dan mag de verbranding van waterstof wel onschadelijk zijn, blijkbaar komen er bij de productie toch ook broeikasgassen vrij.

Waterstofproductie zonder uitstoot

Een recenter proces is het zonne-thermisch kraken van methaan. Dit is een veelbelovende technologie die gebruikt kan worden voor de productie van waterstof zonder hiermee schadelijk te zijn voor het milieu. Het algemeen principe van dit proces is eenvoudig: methaangas wordt gevoed aan een zonne-reactor waarin geconcentreerde zonne-energie het gas opwarmt tot zijn ontbindingstemperatuur om zo waterstof en koolstof te produceren. In tegenstelling tot stoomreforming komt hierbij geen toevoeging van zuurstof aan te pas waardoor de vorming van broeikasgassen vermeden wordt. De geproduceerde koolstofpartikels zijn niet enkel een bijproduct, maar hebben vanwege hun hoge zuiverheid ook een economische waarde. Ze kunnen in verschillende industrieën gebruikt worden zonder veel aanpassingen. Echter, de productie ervan zorgt ook voor een ernstig knelpunt om het proces te commercialiseren. De volatiele koolstofpartikels slaan neer op de wanden ter hoogte van de kleinere uitlaatpoort van de reactor. Zodra de uitlaat van de zonne-reactor volledig geblokkeerd is door koolstof deeltjes zal de druk in de reactor zodanig opbouwen dat het uiteindelijk zal leiden tot het breken van het glazen scherm wat het productieproces zal doen stoppen. Om commercieel gebruikt te worden moet het proces continu zijn en moet dit probleem dus aangepakt worden.

Het uitlaatpoort mechanisme

In onze thesis hebben wij een oplossing ontworpen en ontwikkeld dat de uitlaatpoort mechanisch schoonmaakt en vrijhoudt van afzetting. Hierbij werd al snel duidelijk dat we ons op nieuw terrein bevonden, en dat er nog maar weinig onderzoek was in dit gebied. Daarom begon onze zoektocht naar een oplossing met een diepgaande literatuurstudie over de bestaande reactoren en de eigenschappen van koolstof, die dan uiteindelijk leidde tot een ontwerp. Kenmerkend aan dit ontwerp is de rotatiebeweging van een schraper die een schuifspanning levert om zo de krachten tussen de partikels onderling en de partikels met de wand te overwinnen. Ons doel was het optimaal benutten van de eigenschappen van koolstofpartikels. Zo hebben ze bijvoorbeeld een smerend karakter, waardoor de levensduur van verschillende onderdelen danig verhoogd kon worden. Ook zouden verwijderde, afgekoelde partikels niet meer opnieuw afzetten verder in de afvoer. Dit werd duidelijk na een grondige studie van de thermoforetische kracht, wat het drijvend mechanisme bleek te zijn achter de afzetting van koolstofpartikels. Bijkomend werd een analyse gemaakt van een koelsysteem om de afzetting te bevorderen. Dit lijkt tegenstrijdig, maar zal dus uiteindelijk voorkomen dat verderop in de afvoer van de reactor verstopping voorkomen.

Het ontwerp in de praktijk

Om enkele experimenten op het mechanisme uit te kunnen voeren moesten we dit ook in de praktijk uitwerken. Een zorgvuldige selectie van onderdelen en materialen moesten de kwaliteit van het mechanisme waarborgen. Alle onderdelen werden afzonderlijk gefabriceerd en vervolgens tot één werkend geheel geassembleerd. Een eerste voorbereiding van de experimentele fase was het maken van een basis testopstelling. Dit om het geheel in vast te zetten en de uitlijning van motor en overbrengingen te voorzien. Vervolgens werd een alternatief poeder voor koolstof gekozen met gelijkaardige eigenschappen en gedragingen om zo gemakkelijker en veiliger de werking van het mechanisme te testen.

Wat nu?

Het resultaat mag er zeker zijn. Het mechanisme, volledig van nul uitgedacht, ontworpen en gefabriceerd, blijkt te werken en is klaar voor de volgende stap. Wat die volgende stap precies is? Om te beginnen moeten enkele optimalisaties in het model doorgevoerd worden en moeten enkele experimenten uitgevoerd worden om de volledige compatibiliteit en werking op de reactor te verzekeren. Dan kan het model uitvergroot worden om in de toekomst voor grotere reactoren te dienen.

Het zonne-thermisch kraken van methaan is nog niet klaar voor commercialisatie, maar de volgende stap is gezet. Wij denken alvast dat er toekomst in zit!

Bibliografie

[1] N. Ozalp, M. Epstein, and A. Kogan, “Cleaner pathways of hydrogen, carbon nano-materials and metals production via solar thermal processing,” Journal of Cleaner Production, vol. 18, no. 9, pp. 900–907, 2010. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2010.01.020
[2] D. Hirsch and A. Steinfeld, “Radiative transfer in a solar chemical reactor for the co-production of hydrogen and carbon by thermal decomposition of methane,” Chemical Engineering Science, vol. 59, no. 24, pp. 5771–5778, 2004.
[3] M.-J. Wang, C. Gray, S. Reznek, K. Mahmud, and Y. Kutsovsky, “Carbon black,” in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Kirk-Othmer, Ed. Wiley, 2011, vol. 4, pp. 761–803. [Online]. Available: http://www.springerreference.com/index/doi/10.1007/ SpringerReference{}208034
[4] International Carbon Black Association, “Carbon Black User ’ s Guide,” p. 36, 2016. [Online]. Available: http://www.carbon-black.org/images/docs/2016-ICBA-Carbon-Black-User-Gui…. pdf
[5] S. Rodat, S. Abanades, E. Grivei, G. Patrianakos, A. Zygogianni, A. G. Konstandopoulos, and G. Flamant, “Characterisation of carbon blacks produced by solar thermal dissociation of methane,” Carbon, vol. 49, no. 9, pp. 3084–3091, 2011.
[6] D. Jaya Krishna and N. Ozalp, “Numerical investigation of particle deposition inside aero-shielded solar cyclone reactor: A promising solution for reactor clogging,” International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 40, pp. 198–209, 2013. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2012.12.004
[7] M. Kogan and A. Kogan, “Production of hydrogen and carbon by solar thermal methane splitting. i. the unseeded reactor,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 28, no. 11, pp. 1187–1198, 2003.
[8] A. Kogan, M. Kogan, and S. Barak, “Production of hydrogen and carbon by solar thermal methane splitting. ii. room temperature simulation tests of seeded solar reactor,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 29, no. 12, pp. 1227–1236, 2004.
73
74 BIBLIOGRAPHY
[9] J.-P. Minier, “A general introduction to particle deposition,” in Particles in Wall- Bounded Turbulent Flows : Deposition , Re-Suspension and Agglomeration, J.-P. Minier and J. Pozorski, Eds. Springer, 2016, ch. 1, pp. 1–36.
[10] K. Kendall and C. Stainton, “Adhesion and aggregation of fine particles,” Powder Technology, vol. 121, no. 2-3, pp. 223–229, 2001.
[11] A. R. Razmavar and M. R. Malayeri, “A simplified model for deposition and removal of soot particles in an exhaust gas recirculation cooler,” Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 138, no. 1, p. 11505, 2016.
[12] M. Abarham, T. Chafekar, J. W. Hoard, A. Salvi, D. J. Styles, C. Scott Sluder, and D. Assanis, “In-situ visualization of exhaust soot particle deposition and removal in channel flows,” Chemical Engineering Science, vol. 87, pp. 359–370, 2013.
[13] D. C. Hanselman, Brushless permanent magnet motor design, 2nd ed. Magna Physics Publishing, 2006.
[14] T. Arvind and T. Shyam, Handbook of Solar Energy, H. R. Muhammad, Ed. Springer, 2016.
[15] P.Hartley,G.Parfitt,andL.Pollack,“Theroleofthevanderwaalsforceintheagglomerationof powders containing submicron particles,” Powder technology, vol. 42, no. 1, pp. 35–46, 1985.
[16] N. Ozalp, “Hydrogen production with zero emissions footprint: Challenges and solutions towards commercialization,” inBlack Sea EnergyResource Development and Hydrogen Energy Problems, A. Veziroglu and M. Tsitskishvili, Eds. Springer, 2013, ch. 3, pp. 19–35.
[17] N. Ozalp and V. Shilapuram, “Step-by-step methodology of developing a solar reactor for emission-free generation of hydrogen,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 35, no. 10, pp. 4484–4495, 2010. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010. 02.032
[18] J. B. Donnet, Carbon Black: Science and Technology, Second Edition. Taylor & Francis, 1993. [Online]. Available: https://books.google.be/books?id=SPpx6MkRYwMC
[19] M. Abarham and J. Hoard, “Review of soot deposition and removal mechanisms in egr coolers,” SAE International Journal of Fuels and Lubricants, vol. 3, no. 1, pp. 690–704, 2010. [Online]. Available: http://saefuel.saejournals.org/content/3/1/690.short
[20] H. F. Lutro, “The effect of thermophoresis on the particle deposition on a cylinder,” Master’s thesis, Institutt for fysikk, 2012.
[21] C. Henry, “Surface forces and their application to particle deposition and resuspension,” in Particles in WallBounded Turbulent Flows: Deposition, Re-Suspension and Agglomeration, J.-P. Minier and J. Pozorski, Eds. Springer, 2016, ch. 5, pp. 209–261.
[22] J.-P. Schermann, “Modelling,” in Spectroscopy and Modeling of Biomolecular Building Blocks. Elsevier, 2008, pp. 1–57.
BIBLIOGRAPHY 75
[23] C. Henry, J. P. Minier, and G. Lef`evre, “Numerical study on the adhesion and reentrainment of nondeformable particles on surfaces: The role of surface roughness and electrostatic forces,” Langmuir, vol. 28, no. 1, pp. 438–452, 2012.
[24] J. Katainen, M. Paajanen, E. Ahtola, V. Pore, and J. Lahtinen, “Adhesion as an interplay between particle size and surface roughness,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 304, no. 2, pp. 524–529, 2006.
[25] C. Q. LaMarche, S. Leadley, P. Liu, K. M. Kellogg, and C. M. Hrenya, “Method of quantifying surface roughness for accurate adhesive force predictions,” Chemical Engineering Science, vol. 158, no. August 2016, pp. 140–153, 2017. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1016/j.ces.2016.09.024
[26] R. Wilson, D. Dini, and B. Van Wachem, “The influence of surface roughness and adhesion on particle rolling,” Powder Technology, vol. 312, pp. 321–333, 2017. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2017.01.080
[27] F. W. Delrio, M. L. Dunn, B. L. Boyce, A. D. Corwin, and M. P. De Boer, “The effect of nanoparticles on rough surface adhesion,” Journal of Applied Physics, vol. 99, no. 10, 2006.
[28] B. P. Yung, H. Merry, and T. R. Bott, “The role of turbulent bursts in particle re-entrainment in aqueous systems,” Chemical Engineering Science, vol. 44, no. 4, pp. 873–882, 1989.
[29] M. Dromgool, “On coating stainless steel,” Journal of Protective Coatings and Linings, vol. 27, no. 1, pp. 8–11, Jan. 2009.
[30] J. Bartanen, “MIG,” 2017.
[31] H. Wittel, D. Muhs, D. Jannasch, and J. Voßiek, Roloff/Matek machineonderdelen (Theorieboek), 5th ed., Heymans and Vanhove, Eds. Academic Service, 2013.
[32] O. de Weck and K. Il Yong, “Finite Element Method,” Massachusetts, 2004.
[33] R. J. Roark, W. C. Young, and R. Plunkett, Formulas for Stress and Strain. McGraw-Hill, 1976, vol. 43. [Online]. Available: http://appliedmechanics.asmedigitalcollection.asme.org/ article.aspx?articleid=1403104
[34] P. Sas, W. Desmet, W. De Roeck, and D. Moens, “Dynamische Aspecten: Theorie.”
[35] Y. A. Cengel and A. J. Ghajar, Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications, 5th ed. McGraw-Hill Education, 2011.
[36] Y. Cengel, “Heat Transfer: A Pratical Approach,” McGraw - Hill, p. 932, 2002. [Online]. Available: http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0073398128/835451/App1.pdf
[37] J. P´atek, J. Hrub, J. Klomfar, M. Souˇckov´a, and A. H. Harvey, “Reference correlations for thermophysicalpropertiesofliquidwaterat0.1MPa,”JournalofPhysicalandChemicalReference Data, vol. 38, no. 1, pp. 21–29, 2009.
76 BIBLIOGRAPHY
[38] J. G. Hust and A. B. Lankford, “Thermal Conductivity of Aluminium, Copper, Iron, and Thungsten for temperatures from 1 K To the Melting Point,” National Bureau of Standards, Colorado, Tech. Rep., 1984.
[39] R. Jansson, “Measurement of thermal properties of metals at elevated temperatures,” SP Swedish National Testing and Research Institute, Tech. Rep., 2004.
[40] R. D. McCarty, J. Hord, and H. M. Roder, “Selected properties of hydrogen,” U.S. Department of Commerce, 1981.
[41] T. W and H. E. Robinson, “Thermal conductivity of a sample of type 316 stainless steel,” National Bureau of Standards Report, 1963.
[42] R. Koech, “Water density formulations and their effect on gravimetric water meter calibration and measurement uncertainties,” Flow Measurement and Instrumentation, vol. 45, pp. 188– 197, 2015.
[43] M. Chase, “Thermochemical tables, 4th edition,” National Institute of Standards and Technology, Tech. Rep., 1998. [Online]. Available: http://www.aip.org/pubs/books/jpcrd{} books.html
[44] B. G. Kyle, “Property tables and charts,” 1984.
[45] M. Kaladhar, K. V. Subbaiah, and C. S. Rao, “Machining of austenitic stainless steels - a review,” International Journal of Machining and Machinability of Materials, vol. 12, no. 1/2, p. 178, 2012. [Online]. Available: http://www.inderscience.com/link.php?id=48564

Universiteit of Hogeschool
Industriële Ingenieurswetenschappen Elektromechanica
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. Dr. Ir. David Moens, Prof. Dr. Ir. Nesrin Ozalp
Kernwoorden