Sıvı hidrojen tanklarının ısıl analizi ve optimal tasarımı

Abstract

Günümüzde hidrojen enerjisine olan ilgi hızla artmaktadır. Bunun sebeplerinden birihidrojenin birincil enerji kaynaklarından elde edilmesinin yanında su, biokütle, rüzgar vegüneş gibi yenilebilir enerji kaynaklarından da üretilebilmesidir. Fosil yakıtlara kıyasla birimkütle başına en yüksek enerji yoğunluğuna sahip olan hidrojenin yakıt olarak kullanıldığındaSO2, CO ve CO2 gibi çevre kirletici gaz emisyonları yoktur. Hidrojen ekonomisi veteknolojisindeki araştırmalar giderek büyümektedir.Hidrojen teknolojilerinin temel problemlerinden biri de hidrojenin depolanmasıdır. Hidrojeninfarklı depolama şekilleri mevcut olup gaz halde, sıvı halde ve yüksek yüzey alanlımalzemelerin içinde saklanmaktadır. Mevcut hidrojen depolama şekilleri arasında hacimselenerji yoğunluğu olarak en avantajlı olanının sıvı hidrojen olduğu bilinmektedir. Sıvıhidrojenin depolanması süper yalıtım malzemeli kriyojenik tanklarda 1 atm ve 20 K'degerçekleşmektedir. Bu tankların en önemli sorunları çeşitli sebeplerden meydana gelen ısılkayıplara bağlı olarak hidrojenin buharlaşmasıdır.Bu tez çalışmasının ilk bölümünde, genel olarak hidrojen teknolojileri, sonrasında hidrojenüretimi ve enerji sistemleri anlatılmıştır. Üçüncü bölümde ise hidrojen teknolojisinin temelprobleminden olan hidrojenin depolanması ve sıvı hidrojen teknolojileri ele alınmıştır.Dördüncü bölümde, ısı kalkanlı bir sıvı hidrojen tankının iki boyutlu ısıl modeli kurularak ısıkaçaklarını minimize edecek şekilde ısı kalkanın konumu optimize edilmiştir. Bu çerçevedeiki boyutlu sıcaklık dağılımları, ısı akıları, ısı kayıpları, ısı kalkanın konumuna ve kalınlığınagöre detaylı olarak incelenmiştir. Bu incelemeler sonucunda bu tez çalışmasında literatürdedaha önce hesaplamaları bir boyutlu ve basitleştirilmiş bir analize dayalı olarak verilmiş olanbir sıvı hidrojen tankı için ve ayrıca otomobil uygulamaları için düşünülen boyutlardaki birtank için optimum tasarımlar elde edilmiştir.Anahtar Kelimeler: Sıvı hidrojen depolama, Isıl analiz, Isıl optimizasyonBilim Dalı Sayısal Kodu:

Today there is an increasing tendency to utilize hydrogen energy. This is because hydrogencannot only be produced from fossil fuels but also from renewable energy sources such aswater, biomass, wind and solar. It has the highest gravimetric energy density compared to thefossil fuels and contains no other pollutant producing elements which have potential toproduce SO2, CO, CO2, volatile organic chemicals, etc. Therefore these advantages leadhydrogen economy and research to develop.One of the main problems of hydrogen technology is the storage stage. Hydrogen canbasically be stored at gas state, liquid state and in materials with high surface area like metalhydrides and carbon nano-structures. Among these methods the most promising one is theliquid hydrogen (LH2) storage since it has the highest volumetric energy density among theother methods. Super insulated cryogenic tanks are used to store hydrogen as a liquid at 1 atmand 20 K. The main disadvantage of LH2 tanks is the vaporization of hydrogen due to heatlosses of various reasons.In the three chapters, general hydrogen technology, production methods, hydrogen energysystems, storage methods and liquid hydrogen storage technology are reviewed.In the last chapter, a LH2 tank model with a thermal shield is designed and two dimensionalheat analyse is performed to obtain the minimum heat losses depending on the location of thethermal shield. Moreover two dimensional temperature distribution, heat rate, heat losses andtemperature gradients are examined for various sizes and locations of the thermal shield. As aresult in this study a previous basic article about thermal analysis of a LH2 tank is improvedand also a model for automobile applications is designed with optimum heat loss.Keywords: Liquid hydrogen storage, Thermal analysis, Thermal optimizationScience Code: