Progettazione e modellazione di sistemi di refrigerazione e di evaporazione in serbatoi di stoccaggio di idrogeno liquido

Abstract

Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo e la valutazione di una possibile configurazione di un sistema di propulsione a idrogeno liquido per una nave da crociera. In particolare, sono stati presi in considerazione quattro serbatoi criogenici, sviluppati con lo scopo di rispettare le necessità energetiche della nave, in modo tale da incrementarne la sicurezza e l’efficienza energetica. Nella trattazione è presentata una simulazione che combina la definizione della capacità strutturale dei serbatoi e il dettagliato studio della termodinamica dei fenomeni termici che si verificano all’interno dell’idrogeno liquido, fra questo e il serbatoio e fra il serbatoio e l’ambiente esterno. Per quanto riguarda la verifica della capacità strutturale, è stata condotta una verifica della resistenza meccanica (valutazione delle caratteristiche del materiale e del disegno dei serbatoi in grado di garantire un loro corretto funzionamento in condizioni reali). Dal punto di vista termodinamico, sono stati studiati i metodi di riduzione delle perdite causate dal trasferimento termico e dall’evaporazione dell’idrogeno. Sono stati confrontati pannelli di isolamento come i classici Spray-On Foam Insulation (SOFI), Multi-Layer Insulation (MLI) ed Hollow Glass Microspheres (HGM) tenendo conto delle loro prestazioni termiche, considerando anche l’impatto economico. Al fine di prevedere il comportamento di questo sistema termico sono state dunque effettuate simulazioni numeriche e sviluppati modelli matematici. Inoltre è stato preso in considerazione l’integrazione di sistemi di recupero di energia per l’idrogeno evaporato in modo tale da ottimizzarne l’efficienza energetica complessiva. I risultati del presente lavoro forniscono indicazioni importanti sulla definizione dei parametri di progettazione e sulle condizioni di funzionamento richieste per uno stoccaggio di idrogeno liquido sicuro e con elevate prestazioni per applicazioni nel futuro campo della propulsione marittima.

The aim of this thesis is the development and evaluation of a potential configuration for a liquid hydrogen propulsion system for a cruise ship. In detail, four cryogenic tanks have been considered, designed to satisfy the ship energy requirements in order to enhance safety and overall energy efficiency. The subsequent treatment presents a simulation that combines the definition of the structural capacity of the tanks with a detailed study of the thermodynamics of the thermal phenomena occurring within the liquid hydrogen, between the hydrogen and the tank, and between the tank and the external environment. With regard to the verification of structural capacity, a check of the mechanical strength has been carried out, evaluating the material characteristics and the design of the tanks (to ensure proper functioning under real conditions). From a thermodynamic perspective, methods to reduce losses caused by heat transfer and hydrogen evaporation have been studied. Insulation panels, such as the classic Spray-On Foam Insulation (SOFI), Multi-Layer Insulation (MLI), and Hollow Glass Microspheres (HGM), have been compared while taking into account their thermal performance and cost. In order to predict the behavior of this thermal system, numerical simulations have been performed and mathematical models have been developed. Furthermore, the integration of energy recovery systems for the evaporated hydrogen has been considered to optimize overall energy efficiency. The results of this work provide important indications regarding the definition of design parameters and the operating conditions required for safe and high-performance liquid hydrogen storage, as for instance in future maritime propulsion applications.