釜山大学の科学者らが液体水素タンク内の熱流を解明

釜山大学の科学者らが液体水素タンク内の熱の流れを解明。

水素は将来の燃料として広く考えられています。 しかし、液化水素燃料を大規模に商業的に輸送および貯蔵する場合、その貯蔵効率を向上させるには依然として課題と安全上の限界があります。

今回、韓国の研究者らは、多相熱流シミュレーションを使用して極低温燃料タンク内の熱流と相変化を実験的および数値的に調査し、安全で効率的な設計のための重要な洞察を明らかにしました。

気候変動への懸念の高まりにより、化石燃料から代替エネルギー源へ切り替える必要性が強調されています。 このうち、輸送業界にとって水素燃料が最も有望視されています。 現在、水素燃料は専用のタンクで高圧ガスとして輸送されています。 しかし、この手法は非効率的であり、安全性に重大な懸念が生じます。 この課題に対処するために、研究者は液化水素燃料の使用にますます注目しています。

液化水素燃料は、水素の沸点である -253°C 以下に温度を維持する極低温タンク (クライオタンク) でのみ輸送できます。 断熱にもかかわらず、クライオタンク内の液化燃料はある程度の蒸発を経験します。

気化流量は「ボイルオフガス（BOG）」として測定されます。 BOG が高すぎると、タンク内の過剰な内圧が生じ、亀裂や亀裂が生じる可能性があります。 このため、BOG の理解と制御がクライオタンク設計における重要な要素となります。

この目的を達成するために、韓国の釜山国立大学のパク・ジョンチュン教授が率いる研究チームは、タンク充填率（FR）と呼ばれる別の重要な設計パラメータによってBOGがどのように変化するかを調査しました。タンク充填率（FR）とは、タンク内の液化燃料の質量の比です。 15℃でタンクの容量まで入れてください。

パク教授、言った：

私たちの研究では、実験とシミュレーションを実行して、タンクの熱力学特性を分析しました。

この研究は2022年6月24日にオンラインで公開され、2022年9月15日にエネルギージャーナルの第255巻に掲載されました。

研究者らは実験から、BOG が FR とともに二次関数的に増加することを発見しました。 彼らはまた、液相内の温度は一定のままであるが、気相の温度は FR とともに非線形に低下することも発見しました。

次に研究者らは、数値流体力学を使用してタンクの多相熱流シミュレーションを実行しました。 これにより、真空断熱タンク内の熱伝達、熱流、蒸発を簡単に視覚化できるようになりました。

「シミュレーションにはローホセナウの相変化モデルを採用しました。これにより、タンク内の蒸発プロセスを再現することができました。シミュレーションから、最終的に蒸発の結果としてBOGが発生するメカニズムを明らかにすることができました。」とPark教授は説明します。

研究者らは、Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Co., Ltd. (DSME) との協力を通じて実施された実験のデータを使用してシミュレーションを検証しました。

ここで使用される多相熱シミュレーション技術は、液化水素用の安全で効率的な商用クライオタンクの設計を加速する可能性があります。 この研究の応用分野は自動車、航空宇宙から洋上発電所まで多岐にわたり、水素中心社会の実現に向けた重要な一歩となります。

ハイライト:

研究者らは、燃料タンク内の気化と熱の流れがタンク充填率に応じてどのように変化するかを調査した。

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釜山国立大学の科学者らが液体水素タンク内の熱流を解明、韓国・釜山、2023年1月3日