Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Tesla Valve for Hydrogen Decompression: Fluid Dynamic Analysis
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM).
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM).
2019 (English)Independent thesis Basic level (degree of Bachelor), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesis
Abstract [sv]

Människans påverkan på växthuseffekten har under de senaste åren varit en mycket aktuell fråga. Det är många olika faktorer som bidrar till ett negativt avtryck på miljön, där ett stort bidrag kommer från sektorn bilindustri. Majoriteten av dagens bilar drivs på fossila bränslen som genererar skadande utsläpp på miljön. Att hitta nya alternativa bränslen som är förnyelsebara och energivänliga som kan ersätta de fossila skulle kunna leda till ett signifikant minskat avtryck på klimat och miljö. Att använda väte som bränsle och i synnerhet att driva fordonet på vätgas är ett av de alternativen då avgivna utsläpp endast består av vatten och varm luft, förutsatt att man använder sig av förnybar energi vid framställning av vätgasen.

I bränsletanken återfinns ett högt tryck hos vätgasdrivna bilar, detta för att mer bränsle ska kunna förvaras och därmed öka antal mil möjliga att köra på en tank. Ett tryckfall är nödvändigt för att förse bränslecellen med vätgas vid rätt tryck, och för att uppnå högst möjliga verkningsgrad. Teslaventilen har inga rörliga delar vilket medför ett brett spektrum av applikationer i industriella situationer på grund av dess uthållighetsegenskaper. För att kunna kategorisera prestandan och uppnå optimal effekt krävs förståelse om ventilens geometriska uppbyggnad. Med rätt geometri på Tesla-ventilens olika strukturparametrar kan man uppnå ett högt tryckfall, med andra ord en hög prestanda.

I denna studie har tre olika geometriska parametrar hos Tesla-ventilen undersökts för att kunna dra slutsatser och etablera deras optimala värden för bästa prestanda. Parametrarna som varit av intresse är innerradien på kurvan av Tesla-ventilen, avståndet mellan flera sammankopplade ventiler och tvärsnittets utformning. Resultaten erhölls genom numeriska metoder av Computational Fluid Dynamics simuleringar i programmet ANSYS Fluent. Resultat visade att en liten innerradie och ett längre avstånd mellan flera sammankopplade ventiler gav upphov till högre tryckfall. Tvärsnitten som undersöktes var rektangulärt och cirkulärt, där det cirkulära visade en bättre förmåga av att effektivt sänka trycket hos fluiden. Slutsatser som drogs var att cirkulärt tvärsnitt var att föredra och att en liten innerradie och ett stort avstånd mellan ventiler optimerar prestandan hos Tesla-ventiler.

Abstract [zh]

在过去的几年里,人类对温室效应的影响一直是社会舆论中一个突出和争论的主 题。对环境造成负面影响的因素有很多,汽车便是其中之一。如今,大多数汽车依靠 化石燃料驱动,在这个过程中会造成有毒物质的排放。因此,对可再生与环境友好的 替代燃料的研究重要性愈发突出。氢,(更具体地说,氢气),由于燃烧产物只有 水,成为了一种可选的替代燃料。 在氢燃料汽车的储氢罐中,往往设置高压以提高氢气储量并增加里程数。而为了 保证燃料电池高效运行,在储氢罐和燃料电池之间必须采取减压手段,这也使高效降 压成为了氢燃料汽车研究领域中的一个长期需求。特斯拉阀在没有活动部件的情况 下,允许流体沿一个方向流动,并限制其往相反方向流动。该概念在工业环境中具备 广泛的应用潜力,而理解特斯拉阀(的工作机理)对于表征设备性能非常重要。采用 最优几何形状的特斯拉阀,可以实现高压降,换言之高性能。 本研究对特斯拉阀的三种结构参数进行了调查,得出了使特斯拉阀降压性能达到 最优时的参数值。所研究的三种参数分别是内部曲线半径,多级特斯拉阀中的阀间距 以及阀门的横截面。为了获得结果,使用计算流体动力学软件 ANSYS Fluent 进行了数 值模拟。结果表明,与较大的半径相比,较小的内部曲线半径产生更高的压降。随着 多级特斯拉阀的阀间距增大,阀门降压性能提高。对横截面的研究中,比较了矩形截 面和圆形截面的特斯拉阀的降压性能,发现圆形截面的特斯拉阀降压性能更优。本研 究的最终结论是(在特斯拉阀设计中采用)圆形横截面,小的内部曲线半径和大的阀 间距可以提高装置性能。

Abstract [en]

The last couple of years, the footprint of humankind on the greenhouse effect has been a highlighted and debated topic. There are many contributing factors to the negative impacts on the environment, one of them being the sector of automobile. Today, most cars are driven on fossil fuel energy which produces toxic emissions. The search for replaceable alternative fuels is hence of importance and keys of demands are renewable energy and energy-friendly resources. Hydrogen as a fuel, in particular the hydrogen gas, is one of the options considering the only residues to be water and hot air, provided that the energy used in the hydrogen production comes from renewable sources.

In the storage tank of cars fueled by hydrogen gas, a high pressure is set due to its advantages of opportunities of more storage and thus increased mileage of the tank. A decompression process is necessary to supply the fuel cell with hydrogen gas at the right pressure, and thus achieve highest possible degree of efficiency. The concept offers a wide set of application opportunities in industrial situations and understanding the valve is important for characterizing the performance on the device. Given correct and optimal geometry on the Tesla valve, a high pressure-drop could be achieved, in other words a high performance.

In this study three geometric parameters were investigated in order to conclude their ideal value for optimizing the performance. The parameters of interest were the inner curve radius, the valveto-valve distance in a multi-stage Tesla valve and the cross-section of the valve. In order to obtain the results, a numerical study was conducted using simulations in a Computational Fluid Dynamics program, ANSYS Fluent. The results denoted that a small inner curve radius yielded the highest pressure-drop when comparing to larger radius’. The performance was enhanced with a large valveto-valve distance of the multi-stage Tesla valves and the findings of the cross-sections, which were chosen to be rectangular and circular of interest, displayed a superior performance for the circular cross-sections. Conclusions were drawn that circular cross-section is to prefer and that a small inner curve radius and large valve-to-valve distance yield an enhanced performance of the device.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 92
Series
TRITA-ITM-EX ; 2019:322
Keywords [en]
Decompression, Hydrogen gas, Tesla valve, no-moving parts, CFD, valve-to-valve
Keywords [zh]
压降;氢气;特斯拉阀;无可动阀芯;计算流体动力学;级间距
Keywords [sv]
Decompression, Hydrogen gas, Tesla valve, No-moving parts, CFD, valve-to-valve
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-264524OAI: oai:DiVA.org:kth-264524DiVA, id: diva2:1373947
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-11-28 Created: 2019-11-28 Last updated: 2019-11-28Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6579 kB)4 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6579 kBChecksum SHA-512
91265e232849d80525ea5f1836f60dfb05b3b665f1d49892a62eadb28404dbbd5bdb5e9392d30b808fb466d2c48bce5d0e575e1a131eeb171b393d2b9264f4cf
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Industrial Engineering and Management (ITM)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 4 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 18 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf