Basınçlı hidrojen silindirinin dolum sürecinde başlangıç basıncı ve giriş sıcaklığının son sıcaklığa ve depolanan hidrojen kütlesine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of initial pressure and inlet temperature in the filling process of the compressed hydrogen cylinder on the final temperature and stored hydrogen mass
Yazar: MERT MERCAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHİTTİN BİLGİLİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Yapılan bu çalışma tip 3 yüksek basınçlı (350 bar) hidrojen tankına ait hidrojen dolum prosesinde sıcaklık dağılımlarını HAD analizi ile incelenmiştir. Uluslararası standartlarda izin verilen sıcaklık değerleri dikkate alınarak analizler ele alınmaktadır. Ayrıca yapılmış olan çalışma ile hidrojen dolum prosesinde tank başlangıç basıncı ve debinin, tankın ulaştığı son sıcaklığa ve dolum süresine etkisi incelenmiştir. Hesaplamalarda kullanılmak üzere 5 farklı hidrojen debisi ve 4 farklı başlangıç basıncı değerinin birbiri ile kombinasyonlarından 20 farklı durum elde edilmiştir. Elde edilen her durum için izin verilen sıcaklığa uygunluğu değerlendirilmiş olup, uygun olamayan durumlarda dolum yapılacak hidrojene ön soğutma uygulanarak analizler tekrarlanmıştır ve sonuçlar incelenmiştir. Hidrojen giriş sıcaklık değerleri her durum için izin verilen aralığa getirilmiştir. Bu çalışmanın ardından ön soğutmalı ve ön soğutmasız dolum sonuçlarından tank içerisinde depolanan hidrojen kütlesi incelenmiş, ön soğutma ile depolanan kütle arasındaki artış ilişkisi gösterilmiştir. Yapılan bu analizlerde k-epsilon türbülans modeli kullanılmıştır. Yapılan analiz sayısının çok olması ve analiz modelinin simetrik çözüme uygun olması nedeni ile modelleme 2-boyutlu yapılmıştır. Model kurulumundan sonra elde edilen sonuçlar, standartlarda izin verilen sıcaklık değerleri ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen veriler ışığında dolum işleminin izin verilen sıcaklık aralığında yapılması hedeflenmektedir. Çalışmanın sonuçları, hidrojen dolum prosesindeki sıcaklık dağılımlarının önemli bir faktör olduğunu göstermektedir. Hidrojen tankının izin verilen sıcaklık değerlerini aşması, güvenlik risklerini artırabilir ve tankın termal performansını olumsuz etkileyebilir. Ancak, hidrojen giriş sıcaklığının düşürülmesiyle bu risklerin önüne geçilebilir ve tankın güvenliği sağlanabilir. Bu tez, hidrojen dolum işlemlerinde termal yönetimin önemini vurgulayarak, hidrojen depolama sistemlerinin güvenli ve etkin bir şekilde kullanılmasına katkıda bulunmayı hedeflemektedir.

Abstract:
In this study, the temperature distributions in the hydrogen filling process of the type 3 high pressure hydrogen tank (350 bar) were examined by CFD analysis. Analyzes are handled by taking into account the temperature values allowed in international standards. In addition, the effect of the tank initial pressure and flow rate on the final temperature reached by the tank and the filling time in the hydrogen filling process was investigated with the study. To be used in the calculations, 20 different situations were obtained by combining 5 different hydrogen flow rates and 4 different initial pressure values with each other. Compliance with the allowable temperature was evaluated for each situation obtained, and in unsuitable cases, pre-cooling was applied to the hydrogen to be filled, and the analyzes were repeated and the results were examined. Hydrogen inlet temperature values are brought to the allowable range for each case. After this study, the hydrogen mass stored in the tank was examined from the filling results with and without pre-cooling, and the increase relationship between the pre-cooling and the stored mass was shown. The k-epsilon turbulence model was used in these analyzes. Since the number of analyzes was high and the analysis model was suitable for the symmetrical solution, the modeling was done in 2 dimensions. The results obtained after the model setup were compared with the temperature values allowed in the standards. In the light of the data obtained, it is aimed to carry out the filling process in the allowable temperature range. The results of the study show that the temperature distributions in the hydrogen filling process are an important factor. Exceeding the allowable temperature of the hydrogen tank can increase safety risks and adversely affect the thermal performance of the tank. However, these risks can be avoided and the safety of the tank can be ensured by lowering the hydrogen inlet temperature. This thesis aims to contribute to the safe and effective use of hydrogen storage systems by emphasizing the importance of thermal management in hydrogen filling processes.