Explorando o armazenamento criogênico com o Simcenter Amesim: Por que isso é importante na engenharia
- Alvaro Filho
- 16 de set.
- 5 min de leitura
O armazenamento e a distribuição criogênicos — manuseio de substâncias em temperaturas extremamente baixas — podem soar como ficção científica, mas desempenham um papel crucial em muitas aplicações de engenharia. De foguetes aeroespaciais à preservação médica, tecnologias supercondutoras ou gás natural liquefeito (GNL) em navios, os sistemas criogênicos estão por toda parte. Mas como projetar esses sistemas para que sejam eficientes com o máximo nível de segurança? Usar a simulação de sistemas termofluidos pode ajudar a fazer exatamente isso.
Nesta postagem do blog, será explorado como o Simcenter Amesim, uma plataforma de simulação de primeira linha, capacita engenheiros e entusiastas a modelar e otimizar sistemas de armazenamento criogênico de forma eficiente usando um exemplo de simulação inspirado em um experimento da NASA de autopressurização de tanques criogênicos.
Desafios do armazenamento criogênico
O armazenamento criogênico envolve o armazenamento de fluidos (hidrogênio, nitrogênio, gás natural) que são gasosos em condições ambientais. A redução de sua temperatura abaixo de um determinado ponto os transforma em líquidos muito frios, críticos em certas aplicações. O armazenamento desses líquidos criogênicos requer recipientes isolados especializados, como tanques Dewar ou criogênicos, para manter baixas temperaturas, evitar a transferência de calor e garantir a segurança. Mas baixas temperaturas trazem consigo desafios únicos, como gerenciamento térmico, acúmulo de pressão e evaporação. Lidar com esses desafios requer recursos avançados de simulação para antecipar quaisquer problemas de segurança que possam ocorrer durante o ciclo de vida do produto.
Simulando armazenamento criogênico no Simcenter Amesim
O Simcenter Amesim oferece ferramentas abrangentes para modelagem e análise de sistemas de armazenamento criogênico. Ele inclui um conjunto de componentes essenciais, como tanques criogênicos, que permitem simulações que representam fielmente as condições do mundo real, incluindo fatores como interação gás-líquido e troca térmica.
Principais capacidades:
Troca de calor e massa na interface líquido/gás
Simular as fases líquida e gasosa dentro de um tanque de armazenamento
Cenários de modelo incluindo enchimento e esvaziamento, autopressurização e evaporação
Por que usar o Simcenter Amesim para armazenamento criogênico?
O Simcenter Amesim inclui uma biblioteca de células de combustível e armazenamento de fluidos criogênicos. A compatibilidade entre essas múltiplas bibliotecas de termofluidos e a possibilidade de acoplá-las a um modelo térmico concentrado detalhado facilitam a integração em todo o sistema, aprimorando uma avaliação holística em projetos de engenharia.
Com esses recursos, desde o início da fase de projeto, o usuário pode estimar facilmente o efeito em termos de aumento de pressão e temperatura causado pela possível entrada de calor em um tanque criogênico. Graças à adição de uma camada de filme na superfície livre do tanque, as pressões e temperaturas são capturadas com maior precisão, permitindo que os engenheiros dimensionem melhor os sistemas de isolamento. Isso resulta em um modelo de tanque criogênico de 3 nós – volume, filme e volume vazio.
Tanque criogênico de três nós no Simcenter Amesim
Quanto à geometria do tanque, ela pode ter qualquer formato 3D – graças à ferramenta de mapeamento CAD de tanques Simcenter Amesim, podemos gerar a altura do líquido do tanque como uma função do volume.
Um exemplo prático: experimentos de autopressurização da NASA em um tanque de hidrogênio líquido
Com as capacidades explicadas acima, pode-se construir um modelo Simcenter Amesim com foco em evaporação e autopressurização em um tanque criogênico. Esta demonstração é baseada em experimentos no Centro de Pesquisa Lewis da NASA, que exploram o armazenamento de hidrogênio líquido (LH₂) em um tanque esférico de 4,89 m³ sujeito a uma entrada constante de calor — descobertas publicadas por Hasan et al.
Quanto à configuração dos experimentos, o tanque de LH₂ foi envolvido por uma câmara criogênica cilíndrica. A câmara pode ser resfriada com nitrogênio líquido ou aquecida acima da temperatura ambiente com resistências elétricas para manter uma determinada temperatura ao redor do tanque, que é chamada de Tamb nesta demonstração.
Compreendendo as taxas de evaporação
Três testes de evaporação foram realizados a 83 K, 294 K e 350 K de temperatura ambiente. Para resfriar a seção superior, o tanque é preenchido com LH₂ até 95% da capacidade. A pressão de ventilação é então gradualmente reduzida até a pressão operacional do sistema de controle de contrapressão de 117 kPa. A taxa de evaporação é monitorada até que se estabilize.
O modelo Simcenter Amesim usado para executar este caso de teste é mostrado abaixo:
Modelo de ebulição de hidrogênio
No modelo acima, o GH₂ é expelido do tanque através de uma válvula de alívio. O calor também é transferido do exterior para o vapor, de um lado, e do exterior para o líquido, do outro. Para cada caso, um coeficiente de transferência de calor é definido usando uma condutância térmica variável para se ajustar aos valores médios de fluxo de calor absorvido, conforme mostrado na tabela abaixo. As condutâncias térmicas são testadas com as áreas úmida e seca para calcular os fluxos de calor.
Experimentos | Temperatura ambiente [K] | Fluxo de calor [W/m²] |
Exp 1 | 83 | 0,35 |
Exp 2 | 294 | 2.0 |
Exp 3 | 350 | 3,5 |
Os valores finais das taxas de ebulição (expressas em SCMH) do modelo, após 50 h de simulação, são bem próximos, como mostrado abaixo ao lado das taxas de ebulição em estado estacionário do experimento.
Taxas de ebulição (simulação vs experimentos)
Explorando a dinâmica da autopressurização
A autopressurização em um tanque criogênico ocorre basicamente quando você deixa o tanque em um ambiente "mais quente". O LH₂ evapora e aumenta a pressão do tanque, o que pode causar um problema de segurança em algum momento. Por isso, é importante avaliar esse acúmulo de pressão no tanque criogênico.
Testes de autopressurização foram conduzidos em diferentes temperaturas ambientes: 83 K, 294 K e 350 K. O nível de enchimento inicial do tanque foi de 84% e a pressão inicial foi de 103 kPa. O objetivo aqui é configurar o modelo para corresponder aos valores da série temporal de pressão do tanque e verificar se os valores da série temporal de temperaturas estão dentro das faixas corretas.
Modelo de autopressurização
No modelo acima, não há ventilação. O LH₂ é armazenado e as condutâncias térmicas variáveis são definidas para corresponder aos fluxos de calor médios trocados com o ambiente.
Assim como os testes de evaporação, existem 3 testes de autopressurização, com duração de 20 h, 18 h e 14 h, respectivamente. Os valores de pressão são mostrados abaixo.
Valores de pressão (simulação vs experimentos)
Pode-se observar acima que, para os testes de pressurização, as pressões calculadas pelo modelo apresentam um padrão semelhante ao dos testes. Elas se desviam do experimento por um máximo absoluto variando de 1,5 a 6%.
Conclusão
Como foi visto na demonstração atual, com um modelo de tanque criogênico dividido em três nós — ulagem, filme e volume —, pode-se capturar fenômenos importantes, como taxa de evaporação e autopressurização. Para previsões aprimoradas de temperatura em ulagem, onde podem existir diferentes camadas de temperatura, uma maior discretização da parte superior pode ser benéfica.
O armazenamento criogênico é uma tecnologia fundamental que molda o futuro das indústrias que dependem de hidrogênio e outras aplicações de baixa temperatura. O Simcenter Amesim oferece não apenas uma plataforma, mas um conjunto abrangente de ferramentas para visualizar, modelar e otimizar esses sistemas. Ao aproveitar seus recursos, você pode avançar significativamente em sua compreensão e design de soluções de armazenamento criogênico.
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