Dynamic modeling of crossflow printed circuit heat exchangers for Liquid hydrogen

Waterstof is een brandstof met een enorme belofte, die een schoon pad biedt voor energieopwekking en de zware industrie. Toch maakt de natuurlijke aard ervan het beheer ervan moeilijk. In zijn natuurlijke staat is waterstof een gas dat een enorme hoeveelheid ruimte inneemt. Om het efficiënt te kunnen transporteren, comprimeren ingenieurs het tot een vloeistof, een proces dat het volume met ongeveer 800 keer verkleint. Deze transformatie vereist het koelen van het gas tot een temperatuur van min 253 graden Celsius, een punt dat zo koud is dat het bijna het absolute nulpunt bereikt. Eenmaal in deze vloeibare vorm moet de waterstof weer worden opgewarmd tot een gas voordat het kan worden gebruikt in motoren of brandstofcellen. Dit opwarmproces is de taak van een verdamper, een apparaat dat fungeert als een brug tussen de cryogene opslagtank en de eindgebruiker. Als dit opwarmen te snel of ongelijkmatig gebeurt, kan het systeem instabiel of onveilig worden. Daarom is het ontwerpen van een verdamper die deze extreme temperatuurverschuiving met precisie afhandelt, een cruciale technische uitdaging.

In een recente studie richtten onderzoekers zich op een specifiek type verdamper, bekend als een geprint plaatjeswarmtewisselaar (printed circuit heat exchanger). Stel je een blok metaal voor waarin kleine, ingewikkelde kanaaltjes in het oppervlak zijn geëtst, die vervolgens zijn gestapeld en aan elkaar zijn gefuseerd om een compacte, robuuste eenheid te vormen. Binnen dit blok voert één set kanalen de superkoude vloeibare waterstof aan, terwijl een aparte set kanalen, gerangschikt in een kruisstroompatroon, een warmere vloeistof voert om warmte over te dragen. Het doel van het onderzoek was om te begrijpen hoe dit apparaat zich onder verschillende omstandigheden gedraagt en om te bepalen welke warme vloeistof het beste geschikt is voor de klus. Het team gebruikte krachtige computersimulaties om de stroming van vloeistoffen en de warmteoverdracht te modelleren, waardoor ze scenario's konden testen die moeilijk of gevaarlijk zouden zijn om in een fysiek laboratorium uit te voeren.

De onderzoekers begonnen met het bouwen van een digitaal model van de warmtewisselaar, waarbij ze de afmetingen instelden op een lengte en breedte van 600 millimeter. Binnen dit model configureerden ze kanalen met een diameter van 4 millimeter, met een kanaalaantal van 10. Ze voedden de simulatie met specifieke gegevens: vloeibare waterstof kwam binnen bij een temperatuur van 50 Kelvin, terwijl de warme vloeistof binnenkwam bij 350 Kelvin. Om de computer de chaotische beweging van vloeistoffen in deze kleine kanalen te laten voorspellen, testte het team verschillende verschillende wiskundige benaderingen die bekend staan als turbulentiemodellen. Deze modellen fungeren als regels voor hoe de vloeistof kolkt en mengt. Na het draaien van de berekeningen stelden zij vast dat twee specifieke benaderingen, bekend als de realizable k-epsilon en k-omega modellen, de meest consistente en betrouwbare temperatuurresultaten boden. Deze modellen zijn bijzonder goed in het afhandelen van de complexe stromingspatronen die optreden nabij de wanden van de kanalen, wat precies de plek is waar de warmteoverdracht plaatsvindt.

Met de configuratie van de simulatie bevestigd, onderzocht het team hoe druk invloed heeft op het systeem. Ze draaiden het model bij interne drukken variërend van 100 bar tot 900 bar. De resultaten gaven aan dat naarmate de interne druk toeneemt, de temperatuurstijging van de vloeibare waterstof de neiging heeft om verder toe te nemen. Deze bevinding is essentieel voor de veiligheid en het ontwerp, aangezien het aangeeft dat druk niveaus direct invloed hebben op hoeveel de waterstof opwarmt. Als de druk te veel daalt, warmt de vloeistof mogelijk niet genoeg op; als de druk te hoog is, kan dit de structuur belasten. De simulatie bevestigde dat het beheren van deze drukbalans essentieel is voor de efficiënte en veilige werking van de verdamper.

De studie vergeleek ook twee verschillende soorten warme vloeistoffen om te zien welke effectiever zou zijn bij het verwarmen van de waterstof. De eerste was ethyleenglycol en de tweede was siliconenolie. In de simulatie vertoonde ethyleenglycol een betere prestatie dan siliconenolie, door warmte effectiever over te dragen en de temperatuur van de waterstof efficiënter te verhogen. De onderzoekers merkten echter een praktische kanttekening op. Hoewel ethyleenglycol beter werkte in de simulatie, heeft het een hoger vriespunt dan siliconenolie. Dit betekent dat ethyleenglycol in zeer koude omgevingen zou kunnen bevriezen en het systeem kan stilleggen, terwijl de siliconenolie vloeibaar zou blijven. Deze afweging suggereert dat de keuze van de vloeistof afhangt van de specifieke operationele omgeving, waarbij een balans wordt gezocht tussen de efficiëntie van de warmteoverdracht en het risico op bevriezing.

Uiteindelijk geeft dit werk een duidelijker beeld van hoe de volgende generatie waterstofverdampers ontworpen kan worden. Door computersimulaties te gebruiken om verschillende drukken, stromingspatronen en vloeistoffen te testen, hebben de onderzoekers de meest betrouwbare wiskundige instrumenten geïdentificeerd voor het voorspellen van prestaties en hebben zij de sterke en zwakke punten van verschillende verwarmingsvloeistoffen belicht. De bevindingen suggereren dat hoewel ethyleenglycol een betere warmteoverdracht biedt, het gebruik ervan zorgvuldig overwogen moet worden in koude klimaten. Deze inzichten helpen ingenieurs dichter bij het bouwen van systemen die waterstof veilig en efficiënt kunnen leveren als een schone energiebron, waardoor de extreme uitdaging van cryogene opslag wordt omgezet in een beheersbare realiteit.