Dynamic modeling of crossflow printed circuit heat exchangers for Liquid hydrogen

يعد الهيدروجين وقوداً ذا وعود هائلة، حيث يوفر مساراً نظيفاً نحو توليد الطاقة والصناعات الثقية. ومع ذلك، فإن طبيعته ذاتها تجعل التعامل معه أمراً صعباً. ففي حالته الطبيعية، يكون الهيدروجين غازاً يشغل مساحة ضخمة جداً. ولنقله بكفاءة، يقوم المهندسون بضغطه ليتحول إلى سائل، وهي عملية تقلص حجمه بنحو 800 مرة. ويتطلب هذا التحول تبريد الغاز إلى درجة حرارة تصل إلى ناقص 253 درجة مئوية، وهي نقطة من البرودة تجعلها قريبة جداً من الصفر المطلق. وبمجرد وصوله إلى هذه الحالة السائلة، يجب إعادة تسخين الهيدروجين ليعود إلى حالة الغاز قبل أن يمكن استخدامه في المحركات أو خلايا الوقود. وتتمثل مهمة "المبخر" في عملية التسخين هذه، وهو جهاز يعمل كجسر بين خزان التخزين المبرد (الكريوجيني) والمستخدم النهائي. وإذا حدث هذا التسخين بسرعة كبيرة أو بشكل غير متساوٍ، فقد يصبح النظام غير مستقر أو غير آمن. لذلك، فإن تصميم مبخر يتعامل مع هذا التحول الشديد في درجات الحرارة بدقة يمثل تحدياً هندسياً حاسماً.

في دراسة حديثة، ركز الباحثون على نوع محدد من المباخر يُعرف باسم "المبادل الحراري ذو الدوائر المطبوعة". تخيل كتلة معدنية نُقشت فيها قنوات دقيقة ومعقدة على سطحها، ثم جُمعت وصُهرت معاً لتشكل وحدة مدمجة ومتينة. داخل هذه الكتلة، تحمل مجموعة من القنوات الهيدروجين السائل شديد البرودة، بينما تحمل مجموعة أخرى من القنوات، المرتبة بنمط التدفق المتقاطع، سائلاً أكثر دفئاً لنقل الحرارة. كان الهدف من البحث هو فهم كيفية سلوك هذا الجهاز تحت ظروف مختلفة، وتحديد أي سائل دافئ هو الأفضل للقيام بهذه المهمة. استخدم الفريق محاكاة حاسوبية قوية لنمذجة تدفق السوائل وانتقال الحرارة، مما سمح لهم باختبار سيناريوهات قد يكون من الصعب أو الخطير تشغيلها في مختبر فيزيائي.

بدأ الباحثون ببناء نموذج رقمي للمبادل الحراري، حيث حددوا أبعاده بطول وعرض يبلغ 600 مليمتر. وداخل هذا النموذج، قاموا بتكوين قنوات بقطر 4 مليمترات، مع ضبط عدد القنوات عند 10. وغذوا المحاكاة ببيانات محددة: يدخل الهيدروجين السائل عند درجة حرارة 50 كلفن، بينما يدخل السائل الدافئ عند 350 كلفن. ولضمان قدرة الحاسوب على التنبؤ بالحركة الفوضوية للسوائل داخل هذه القنوات الصغيرة، اختبر الفريق عدة مقاربات رياضية مختلفة تُعرف بنماذج الاضطراب. تعمل هذه النماذج كقواعد لكيفية دوران السائل واختلاطه. وبعد إجراء الحسابات، وجدوا أن نهجين محددين، يُعرفان بنماذج "k-epsilon الواقعي" و"k-omega"، قد وفرا النتائج الأكثر اتساقاً وموثوقية فيما يتعلق بدرجة الحرارة. وتتميز هذه النماذج بقدرتها العالية على التعامل مع أنماط التدفق المعقدة التي تحدث بالقرب من جدران القنوات، حيث يحدث انتقال الحرارة فعلياً.

بعد تأكيد إعداد المحاكاة، بحث الفريق في كيفية تأثير الضغط على النظام. فقد قاموا بتشغيل النموذج عند ضغوط داخلية تتراوح من 100 بار إلى 900 بار. وأشارت النتائج إلى أنه مع زيادة الضغط الداخلي، تميل درجة ارتفاع حرارة الهيدروجين المسال إلى الزيادة أيضاً. ويعد هذا الاكتشاف حيوياً للسلامة والتصميم، لأنه يشير إلى أن مستويات الضغط تؤثر مباشرة على مدى ارتفاع درجة حرارة الهيدروجين. فإذا انخفض الضغط كثيراً، قد لا يسخن السائل بما يكفي؛ وإذا كان مرتفعاً جداً، فقد يسبب إجهاداً للهيكل. وقد أكدت المحاكاة أن إدارة توازن الضغط هذا أمر ضروري للتشغيل الفعال والآمن للمبخر.

كما قارنت الدراسة بين نوعين مختلفين من السوائل الدافئة لمعرفة أيهما سيكون أكثر فعالية في تسخين الهيدروجين. كان الأول هو "إيثيل جليكول"، والثاني هو "زيت السيليكون". وفي المحاكاة، أظهر الإيثيل جليكول أداءً أفضل من زيت السيليكون، حيث نقل الحرارة بشكل أكثر فعالية ورفع درجة حرارة الهيدروجين بكفاءة أكبر. ومع ذلك، أشار الباحثون إلى ملاحظة عملية؛ فبينما كان الإيثيل جليكول يعمل بشكل أفضل في المحاكاة، إلا أن له نقطة تجمد أعلى من زيت السيليكون. وهذا يعني أنه في البيئات شديدة البرودة، يمكن للإيثيل جليكول أن يتجمد ويوقف عمل النظام، بينما يظل زيت السيليكون سائلاً. ويشير هذا التناقض إلى أن اختيار السائل يعتمد على بيئة التشغيل المحددة، مع موازنة كفاءة نقل الحرارة مقابل خطر التجمد.

في نهاية المطاف، توفر هذه الدراسة صورة أوضح لكيفية تصميم الجيل القادم من مباخر الهيدروجين. فمن خلال استخدام المحاكاة الحاسوبية لاختبار الضغوط وأنماط التدفق والسوائل المختلفة، حدد الباحثون الأدوات الرياضية الأكثر موثوقية للتنبؤ بالأداء، وسلطوا الضوء على نقاط القوة والضعف في سوائل التسخين المختلفة. وتشير النتائج إلى أنه بينما يوفر الإيثيل جليكول نقلاً أفضل للحرارة، إلا أن استخدامه يجب أن يُدرس بعناية في المناخات الباردة. وتساعد هذه الرؤى المهندسين على الاقتراب من بناء أنظمة يمكنها، بأمان وكفاءة، توفير الهيدروجين كمصدر للطاقة النظيفة، وتحويل التحدي الهائل للتخزين المبرد إلى واقع يمكن إدارته.