Dynamic modeling of crossflow printed circuit heat exchangers for Liquid hydrogen

हाइड्रोजन अपार संभावनाओं वाला एक ईंधन है, जो ऊर्जा उत्पादन और भारी उद्योगों के लिए एक स्वच्छ मार्ग प्रदान करता है। फिर भी, इसकी प्रकृति ही इसे संभालना कठिन बनाती है। अपनी प्राकृतिक अवस्था में, हाइड्रोजन एक गैस है जो बहुत अधिक स्थान घेरती है। इसे कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने के लिए, इंजीनियर इसे तरल में संकुचित करते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो इसके आयतन को लगभग 800 गुना कम कर देती है। इस परिवर्तन के लिए गैस को शून्य से 253 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक ठंडा करना आवश्यक है, जो इतना ठंडा बिंदु है कि यह लगभग परम शून्य (absolute zero) के करीब है। एक बार तरल रूप में आने के बाद, हाइड्रोजन को इंजन या फ्यूल सेल में उपयोग करने से पहले वापस गैस में गर्म करना पड़ता है। यह गर्म करने की प्रक्रिया एक वेपोराइज़र (वाष्पीकरण यंत्र) का काम है, जो एक ऐसा उपकरण है जो क्रायोजेनिक स्टोरेज टैंक और अंतिम उपयोगकर्ता के बीच एक सेतु के रूप में कार्य करता है। यदि यह गर्माहट बहुत तेज़ी से या असमान रूप से होती है, तो सिस्टम अस्थिर या असुरक्षित हो सकता है। इसलिए, एक ऐसा वेपोराइज़र डिजाइन करना जो इस अत्यधिक तापमान परिवर्तन को सटीकता के साथ संभाल सके, एक महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चुनौती है।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के वेपोराइज़र पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'प्रिंटेड सर्किट हीट एक्सचेंजर' कहा जाता है। एक धातु के ब्लॉक की कल्पना करें जिसमें सतह पर सूक्ष्म, जटिल चैनल उकेरे गए हैं, फिर उन्हें एक कॉम्पैक्ट और मजबूत इकाई बनाने के लिए एक के ऊपर एक रखा और जोड़ा गया है। इस ब्लॉक के भीतर, चैनलों का एक सेट अति-ठंडे तरल हाइड्रोजन को ले जाता है, जबकि दूसरा सेट, जो क्रॉसफ्लो पैटर्न में व्यवस्थित है, ऊष्मा स्थानांतरित करने के लिए एक गर्म तरल को ले जाता है। अनुसंधान का लक्ष्य यह समझना था कि यह उपकरण विभिन्न स्थितियों में कैसे व्यवहार करता है और यह निर्धारित करना था कि कौन सा गर्म तरल इस कार्य के लिए सबसे अच्छा है। टीम ने तरल पदार्थ के प्रवाह और ऊष्मा के स्थानांतरण को मॉडल करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिससे उन्हें उन परिदृश्यों का परीक्षण करने की अनुमति मिली जो भौतिक प्रयोगशाला में चलाना कठिन या खतरनाक होता।

शोधकर्ताओं ने हीट एक्सचेंजर का एक डिजिटल मॉडल बनाकर शुरुआत की, जिसमें उन्होंने इसकी लंबाई और चौड़ाई 600 मिलीमीटर निर्धारित की। इस मॉडल के भीतर, उन्होंने 4 मिलीमीटर व्यास वाले चैनलों को कॉन्फ़िगर किया, जिसमें चैनलों की संख्या 10 रखी गई। उन्होंने सिमुलेशन को विशिष्ट डेटा के साथ फीड किया: तरल हाइड्रोजन 50 केल्विन के तापमान पर प्रवेश करती है, जबकि गर्म तरल 350 केल्विन पर प्रवेश करता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि कंप्यूटर इन छोटे चैनलों के भीतर तरल पदार्थों की अराजक गति की भविष्यवाणी कर सके, टीम ने कई अलग-अलग गणितीय दृष्टिकोणों का परीक्षण किया जिन्हें टर्बुलेंस मॉडल (विक्षोभ मॉडल) कहा जाता है। ये मॉडल इस बात के नियम के रूप में कार्य करते हैं कि तरल कैसे घूमता और मिश्रित होता है। गणना करने के बाद, उन्होंने पाया कि दो विशिष्ट दृष्टिकोण, जिन्हें 'रियलाइजेबल क-एप्सिलॉन' (realizable k-epsilon) और 'क-ओमेगा' (k-omega) मॉडल कहा जाता है, सबसे सुसंगत और विश्वसनीय तापमान परिणाम प्रदान करते हैं। ये मॉडल विशेष रूप से उन जटिल प्रवाह पैटर्न को संभालने में अच्छे हैं जो चैनलों की दीवारों के पास होते हैं, जहाँ वास्तव में ऊष्मा का स्थानांतरण होता है।

सिमुलेशन सेटअप की पुष्टि होने के बाद, टीम ने जांच की कि दबाव सिस्टम को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने मॉडल को 100 बार से लेकर 900 बार तक के आंतरिक दबाव पर चलाया। परिणामों ने संकेत दिया कि जैसे-जैसे आंतरिक दबाव बढ़ता है, द्रवीकृत हाइड्रोजन के तापमान में वृद्धि और अधिक होने की प्रवृत्ति होती है। यह निष्कर्ष सुरक्षा और डिजाइन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह दर्शाता है कि दबाव का स्तर सीधे तौर पर इस बात को प्रभावित करता है कि हाइड्रोजन कितनी गर्म होती है। यदि दबाव बहुत कम हो जाता है, तो तरल पर्याप्त रूप से गर्म नहीं हो पाएगा; यदि यह बहुत अधिक है, तो यह संरचना पर तनाव डाल सकता है। सिमुलेशन ने पुष्टि की कि वेपोराइज़र के कुशल और सुरक्षित संचालन के लिए इस दबाव संतुलन को प्रबंधित करना आवश्यक है।

अध्ययन ने दो अलग-अलग प्रकार के गर्म तरल पदार्थों की तुलना भी की ताकि यह देखा जा सके कि हाइड्रोजन को गर्म करने में कौन सा अधिक प्रभावी होगा। पहला 'एथिल ग्लाइकॉल' था, और दूसरा 'सिलिकॉन ऑयल' था। सिमुलेशन में, एथिल ग्लाइकॉल ने सिलिकॉन ऑयल की तुलना में बेहतर प्रदर्शन दिखाया, जो अधिक प्रभावी ढंग से ऊष्मा स्थानांतरित करता है और हाइड्रोजन के तापमान को अधिक कुशलता से बढ़ाता है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने एक व्यावहारिक चेतावनी भी दी। जबकि एथिल ग्लाइकॉल सिमुलेशन में बेहतर काम करता है, इसका हिमांक (freezing point) सिलिकॉन ऑयल की तुलना में अधिक है। इसका अर्थ है कि बहुत ठंडे वातावरण में, एथिल ग्लाइकॉल जम सकता है और सिस्टम को काम करने से रोक सकता है, जबकि सिलिकॉन ऑयल तरल बना रहेगा। यह विरोधाभास बताता है कि तरल का चयन विशिष्ट ऑपरेटिंग वातावरण पर निर्भर करता है, जो ऊष्मा स्थानांतरण दक्षता और जमने के जोखिम के बीच संतुलन बनाता है।

अंततः, यह कार्य अगली पीढ़ी के हाइड्रोजन वेपोराइज़र को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट चित्र प्रदान करता है। विभिन्न दबावों, प्रवाह पैटर्न और तरल पदार्थों का परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शन की भविष्यवाणी करने के लिए सबसे विश्वसनीय गणितीय उपकरणों की पहचान की है और विभिन्न हीटिंग तरल पदार्थों की ताकत और कमजोरियों को उजागर किया है। निष्कर्ष बताते हैं कि हालांकि एथिल ग्लाइकॉल बेहतर ऊष्मा स्थानांतरण प्रदान करता है, लेकिन ठंडी जलवायु में इसके उपयोग पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए। ये अंतर्दृष्टि इंजीनियरों को क्रायोजेनिक स्टोरेज की चरम चुनौती को एक प्रबंधनीय वास्तविकता में बदलकर, हाइड्रोजन को एक स्वच्छ ऊर्जा स्रोत के रूप में सुरक्षित और कुशलतापूर्वक वितरित करने वाली प्रणालियों के निर्माण के करीब ले जाने में मदद करती हैं।