Wissenschaftler der Pusan ​​National University erforschen Wärmeströme in Flüssigwasserstofftanks

Wissenschaftler der Pusan ​​National University erforschen Wärmeströme in Flüssigwasserstofftanks.

Wasserstoff gilt weithin als der Kraftstoff der Zukunft. Allerdings gibt es immer noch Herausforderungen und Sicherheitseinschränkungen bei der Verbesserung der Speichereffizienz von verflüssigtem Wasserstoffbrennstoff, wenn es um dessen kommerziellen Transport und Lagerung im großen Maßstab geht.

Jetzt haben Forscher aus Südkorea die Wärmeflüsse und Phasenänderungen innerhalb eines kryogenen Kraftstofftanks mithilfe von Mehrphasen-Wärmeflusssimulationen experimentell und numerisch untersucht, um wichtige Erkenntnisse für deren sicheres und effizientes Design zu gewinnen.

Zunehmende Bedenken hinsichtlich des Klimawandels haben die Notwendigkeit einer Umstellung von fossilen Brennstoffen auf alternative Energiequellen verdeutlicht. Von diesen gilt Wasserstoff als der vielversprechendste Kraftstoff für die Transportindustrie. Derzeit wird Wasserstoffkraftstoff als Hochdruckgas in speziellen Tanks transportiert. Diese Technik ist jedoch ineffizient und wirft ernsthafte Sicherheitsbedenken auf. Um dieser Herausforderung zu begegnen, beschäftigen sich Forscher zunehmend mit der Verwendung von Flüssigwasserstoff als Brennstoff.

Flüssiger Wasserstoff kann nur in Kryotanks (Kryotanks) transportiert werden, in denen die Temperatur unter -253 °C liegt – dem Siedepunkt von Wasserstoff. Trotz der Wärmeisolierung erfährt der verflüssigte Kraftstoff in einem Kryotank eine gewisse Verdampfung.

Die Verdampfungsströmungsrate wird als „Boil-Off Gas (BOG)“ gemessen. Ein zu hoher BOG kann zu einem übermäßigen Innendruck im Tank führen, der zu Rissen und Rissen führt. Daher ist das Verständnis und die Kontrolle von BOG ein Schlüsselfaktor bei der Konstruktion von Kryotanks.

Zu diesem Zweck hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jong-Chun Park von der Pusan ​​National University in Südkorea untersucht, wie sich der BOG mit einem anderen kritischen Konstruktionsparameter namens Tankfüllungsverhältnis (FR) verändert – dem Verhältnis der Masse des Flüssigkraftstoffs in Füllen Sie den Tank auf das Fassungsvermögen des Tanks bei 15⁰C.

Prof. Park,sagte:

In unserer Studie führten wir Experimente und Simulationen durch, um die thermodynamischen Eigenschaften des Tanks zu analysieren.

Die Studie wurde am 24. Juni 2022 online verfügbar gemacht und am 15. September 2022 in Band 255 der Zeitschrift Energy veröffentlicht.

In ihren Experimenten fanden die Forscher heraus, dass BOG quadratisch mit FR zunimmt. Sie fanden außerdem heraus, dass die Temperatur in der flüssigen Phase zwar konstant blieb, die Temperatur in der Dampfphase jedoch nichtlinear mit der FR abnahm.

Anschließend führten die Forscher mithilfe der numerischen Strömungsmechanik Mehrphasen-Wärmeströmungssimulationen des Tanks durch. Dadurch konnten sie die Wärmeübertragungen, Wärmeströme und Verdampfung innerhalb des vakuumisolierten Tanks einfach visualisieren.

„Wir haben für die Simulationen das Phasenänderungsmodell von Rohosenow übernommen, das es uns ermöglichte, den Verdampfungsprozess innerhalb des Tanks zu reproduzieren. Anhand unserer Simulationen konnten wir schließlich den Mechanismus von BOG als Ergebnis der Verdampfung aufdecken“, erklärt Prof. Park.

Die Forscher validierten ihre Simulationen anhand der Daten aus den Experimenten, die in Zusammenarbeit mit Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Co., Ltd. (DSME) durchgeführt wurden.

Die hier verwendete mehrphasige thermische Simulationstechnik könnte die Entwicklung sicherer und effizienter kommerzieller Kryotanks für verflüssigten Wasserstoff beschleunigen. Die Anwendungen dieser Forschung sind breit gefächert und reichen von Automobilen über die Luft- und Raumfahrt bis hin zu Offshore-Kraftwerken. Dies macht sie zu einem entscheidenden Schritt vorwärts für die Verwirklichung einer wasserstoffzentrierten Gesellschaft.

Höhepunkte:

Die Forscher haben untersucht, wie sich Verdampfung und Wärmeflüsse innerhalb des Kraftstofftanks je nach Tankfüllgrad unterscheiden.

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Wissenschaftler der Pusan ​​National University erläutern Wärmeströme in Flüssigwasserstofftanks, BUSAN, Südkorea, 3. Januar 2023