El Efecto del Tamaño del Tanque de Hidrógeno Líquido en la Autopresurización y el Ventilado a Presión Constante
Autores: Matveev, Konstantin I.; Leachman, Jacob W.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
El Efecto del Tamaño del Tanque de Hidrógeno Líquido en la Autopresurización y el Ventilado a Presión Constante
Categoría
Energía
Subcategoría
Energías renovables
Palabras clave
Hidrógeno
Forma líquida
Condiciones criogénicas
Modelado térmico
Acumulación de presión
Hidrógeno líquido
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
El hidrógeno representa un combustible renovable prometedor, y su amplia aplicación puede llevar a reducciones drásticas en las emisiones de gases de efecto invernadero. Mantener el hidrógeno en forma líquida ayuda a lograr una alta densidad de energía, pero también requiere condiciones criogénicas para su almacenamiento, ya que el hidrógeno se evapora a temperaturas de aproximadamente 20 K, lo que puede provocar una gran acumulación de presión en el tanque. Este documento aborda el modelado térmico no estacionario de tanques criogénicos con hidrógeno líquido. Considerando las fases líquida y vapor en el tanque como dos nodos con propiedades promediadas, se desarrolla un método de elementos concentrados de bajo costo computacional y se utiliza para simular dos regímenes: auto-presurización (también conocida como presurización autógena, o acumulación de presión en el tanque cerrado debido a fugas de calor externas) y despresurización a presión constante (cuando se deja salir hidrógeno del tanque para mantener la presión en un nivel fijo). El modelo se compara favorablemente (dentro de varios por ciento para la presión) con observaciones experimentales para la presurización autógena en un tanque de hidrógeno líquido de la NASA. Los dos procesos de interés en este estudio se investigan numéricamente en tanques de formas similares pero de diferentes tamaños que van desde aproximadamente 2 hasta 1200 m3. Las tasas de crecimiento de presión y temperatura se caracterizan en tanques cerrados, donde la transferencia de masa interfacial manifiesta una condensación inicial seguida de una evaporación más pronunciada. En tanques donde la presión se mantiene fija al ventilar algo de hidrógeno del dominio de vapor del tanque, la tasa de despresurización inicial excede significativamente la tasa de evaporación, pero después de un período de asentamiento, las magnitudes de ambas tasas se acercan entre sí y continúan evolucionando a un ritmo más lento. El tanque más grande demuestra un aumento de presión seis veces menor que el tanque más pequeño durante un período de 100 h. Se encuentra que las pérdidas relativas por ebullición en tanques continuamente ventilados son aproximadamente proporcionales al inverso del diámetro del tanque, siguiendo así generalmente una simple escala galileana con una desviación de algunos por ciento debido a efectos de escala. El modelo desarrollado en este trabajo es flexible para analizar una variedad de procesos en sistemas de almacenamiento de hidrógeno líquido, aumentando las eficiencias, lo cual es críticamente importante para una economía futura basada en energía renovable.
Descripción
El hidrógeno representa un combustible renovable prometedor, y su amplia aplicación puede llevar a reducciones drásticas en las emisiones de gases de efecto invernadero. Mantener el hidrógeno en forma líquida ayuda a lograr una alta densidad de energía, pero también requiere condiciones criogénicas para su almacenamiento, ya que el hidrógeno se evapora a temperaturas de aproximadamente 20 K, lo que puede provocar una gran acumulación de presión en el tanque. Este documento aborda el modelado térmico no estacionario de tanques criogénicos con hidrógeno líquido. Considerando las fases líquida y vapor en el tanque como dos nodos con propiedades promediadas, se desarrolla un método de elementos concentrados de bajo costo computacional y se utiliza para simular dos regímenes: auto-presurización (también conocida como presurización autógena, o acumulación de presión en el tanque cerrado debido a fugas de calor externas) y despresurización a presión constante (cuando se deja salir hidrógeno del tanque para mantener la presión en un nivel fijo). El modelo se compara favorablemente (dentro de varios por ciento para la presión) con observaciones experimentales para la presurización autógena en un tanque de hidrógeno líquido de la NASA. Los dos procesos de interés en este estudio se investigan numéricamente en tanques de formas similares pero de diferentes tamaños que van desde aproximadamente 2 hasta 1200 m3. Las tasas de crecimiento de presión y temperatura se caracterizan en tanques cerrados, donde la transferencia de masa interfacial manifiesta una condensación inicial seguida de una evaporación más pronunciada. En tanques donde la presión se mantiene fija al ventilar algo de hidrógeno del dominio de vapor del tanque, la tasa de despresurización inicial excede significativamente la tasa de evaporación, pero después de un período de asentamiento, las magnitudes de ambas tasas se acercan entre sí y continúan evolucionando a un ritmo más lento. El tanque más grande demuestra un aumento de presión seis veces menor que el tanque más pequeño durante un período de 100 h. Se encuentra que las pérdidas relativas por ebullición en tanques continuamente ventilados son aproximadamente proporcionales al inverso del diámetro del tanque, siguiendo así generalmente una simple escala galileana con una desviación de algunos por ciento debido a efectos de escala. El modelo desarrollado en este trabajo es flexible para analizar una variedad de procesos en sistemas de almacenamiento de hidrógeno líquido, aumentando las eficiencias, lo cual es críticamente importante para una economía futura basada en energía renovable.