Optimization of hydrogen liquefaction process with mixed refrigerant precooling
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2779973Utgivelsesdato
2021Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Hovedmålet med denne masteroppgaven er å finne en optimal for-kjølingstemperaturmellom 80-120 K for en optimalisert 100 tdp flytende hydrogenprosess ved å bruke MRfor-kjølingssyklus, og å utføre en eksergianalyse på den optimale konfigurasjonen for åvurdere for forbedringer i videre arbeid.
Optimalisering av separat SMR-forkjøling og en hydrogen Claude-syklus har blittutført med en steg-størrelse på 10 K, over temperaturområdet fra 80 K til 120 K.To konfigurasjoner for for-kjølingssyklusen er optimalisert som skilles i forhold tilseparasjonsgrad mellom komponenter som har høye og lave kokepunkt for å reduseremuligheten for frysing av kjølemediet.
Ved å analysere SEC i for-kjølingssyklusen i sammenheng med hydrogen Claude-syklusenindikerer det en optimal forkjølingstemperatur ved 90 K. SMR-sykluskonfigurasjonen sombruker en høy grad av faseseparasjon har indikert en rimelig lav sannsynlighet for frysingav kjølemiddel, med lavt effektivitetskompromiss. Optimalisert resultat viser en SMRfor-kjølingssyklus SEC og eksergieffektivitet, henholdsvis på 1,27 kW h/kgLH2 og 42,77 %.For hydrogen-Claude-syklusen er SEC og eksergieffektivitet henholdsvis på 5,76 kW h/kgLH2og 35,62 %. For den totale kondenserings prosessen viser en SEC og eksergieffektivitet påhenholdsvis 6,52 kW h/kgLH2 og 37,01 %, hvis 100 % av turbinarbeidet blir gjenvunnet ikompressorene.
Basert på å analysere eksergitapene i 90 K SMR for-kjølingssyklusene, har det blittfunnet at det er mindre rom for forbedringer mens det opprettholdes et relativt lavt antallkomponenter. Imidlertid har SMR-sykluskonfigurasjonen med en lav grad av faseseparasjonblitt funnet å ha litt bedre SEC og eksergieffektivitet. Så det kreves bedre beregning avfrysepunktet for blandet kjølemedium for å finne den optimale SMR-sykluskonfigurasjonen.
80 % av de totale eksergitapene tilskrives hydrogen Claude-syklusen. Eksergianalysehar indikert at det er rom for forbedringer ved å omorganisere konfigurasjonen avkjølemediesyklusen og erstatte strupeventilene med en tett faseutvidelse. Små variasjoner imodelltilpasning av den estimerte likevekts hydrogen modellen har indikert å ha en betydeliginnvirkning på effektiviteten og den eksoterme ortho-parakonvertering. The main objective of this Master thesis is to find an optimal precooling temperature inbetween 80-120 K for an optimized 100 tdp hydrogen liquefaction process utilizing an MRprecooling cycle and to perform an exergy analysis on the optimal configuration in orderto assess for improvements in further work.
Optimization of decoupled SMR precooling cycle and a hydrogen Claude cycle has beenconducted with a precooling temperature step size of 10 K over the temperature span from80 K to 120 K. Two configurations of the SMR precooling concept have been optimizedthat differentiate in the degree of phase separation between high- and low-boilers in orderto reduce the refrigerant freeze-out probability.
By analyzing the SEC of the precooling cycle in context to the hydrogen Claude cycleindicates an optimal precooling temperature at 90 K. The SMR cycle configuration utilizinga high degree of phase separation has indicated a reasonably low probability of refrigerantfreeze-out, with low efficiency compromise. Optimized result shows an SMR precoolingcycle SEC and exergy efficiency of 1.27 kW h/kgLH2 and 42.77%. For the hydrogen Claudecycle, the SEC and exergy efficiency is 5.76 kW h/kgLH2 and 35.62%, respectfully. With atotal hydrogen liquefaction SEC and exergy efficiency of 6.52 kW h/kgLH2 and 37.01%, if100% of the turbine expander work is recovered in the compressors.
Based on analyzing the exergy losses in the 90 K SMR precooling cycles, it has beenfound that there is minor room for improvements while maintaining a relatively low numberof components. However, the SMR cycle configuration with a low degree of phase separationhas been found to have slightly improved SEC and exergy efficiency. So, a better predictionof the mixed refrigerant freeze-out estimation is required in order to find the optimumefficiency for a SMR cycle configuration.
80% of the total exergy losses are attributed to the hydrogen Claude cycle. Exergyanalysis has indicated that there is room for improvements by rearranging the refrigerantcycle configuration and replacing the throttling valves with a dense phase expander. Smallvariations in the estimated equilibrium hydrogen estimation model-fitting have indicatedto have a significant impact on the efficiency and the exothermic ortho-para conversion.