Heat Control in Composite Overwrapped Pressure Vessels: Modeling and Simulation Approaches

Abstract

En composite overwraped pressure vessel fylt med nitrogengass på høyt trykk har blitt studert. Når tanken fylles, øker den indre energien til gassen, noe som igjen varmer opp tankveggen. Det ytterste vegglaget mister sin styrke når det oppvarmes forbi 65C. Målet til oppgaven er å finne ut hvor raskt tanken kan fylles uten å overstige denne grensen. En skreddersydd simulator er implementert i C++ for å utføre simuleringer av prosessen. Simulatoren kan veksle mellom ulike éndimensjonale termiske modeller, inkludert en termisk motstandsmodel og en endelige differansemetode (FDM). Motstandsmodellen gir ikke nøyaktige resultater, noe som skyldes at systemet som blir simulert er i raske transienter. FDM-modellen er en mer egnet tilnærming å bruke da den deler den tynne tankveggen inn i mindre lag, og kan enkelt utvides til to dimensjoner. En tidligere utviklet massestrømsmodell brukes for å simulere masseoverføring fra to forsyningstanker, med starttrykk på henholdsvis 200 bar og 300 bar. For å utvide grunnlaget for sammenligning mellom modellene, ble det utviklet en tredje modell ved hjelp av Simulink Simscape Fluids. Fysiske tester ble utført både for å finjustere fysiske parametere i simuleringen og for å samle empiriske data for sammenligning med de tre ulike numeriske modellene. Resultatene viste at FDM-modellen mest nøyaktig forutsier ytterveggtemperaturen. Simulink-modellen fyller tankene tregere og underestimerer temperaturen, mens motstandsmodellen overestimerer varmeoverføringen gjennom veggen under den transiente fyllingen. Det var ikke mulig å kvantitativt bestemme nøyaktigheten av simulerte gastemperaturer og indre veggtremperaturer, ettersom målingene av gastemperaturen fra testing viste seg å være feil, samtidig som det ikke var praktisk mulig å plassere en temperatursensor på den indre veggen av tanken. De empiriske dataene viste at veggetemperaturen ikke når over grensen på 65C under fyllingsprosessen ved å bruke nøye valgte begrensningsdyser. Dette resultatet forutsies også nøyaktig av FDM-modellen, noe som betyr at den kan brukes til å simulere Propulse NTNU's fremtidige systemer med bare mindre forbedringer.

A composite overwrapped pressure vessel being filled with high pressure gaseous nitrogen has been studied. As the tank is filled, the internal energy of the gas increases, which in turn heats up the tank wall. The outermost wall layer loses its strength when heated far above 65 °C. The goal is to find out how quickly the tank can be filled without exceeding this limit. A custom simulator is implemented in C++ to perform rapid simulations of the pro- cess. The simulator can switch between different one-dimensional thermal models, including a thermal resistance model and a finite difference model. The resistance model fails to give accurate results, which is due to the transient nature of the system being simulated. The FDM model is a more suitable approach to apply as separates the thin tank wall into smaller layers, and can be easily be extended to two dimensions. A previously developed mass flow model is used in order to simu- late mass transfer from two supply tanks, with initial pressures of 200 bars and 300 bars respectively. In order extend the basis for comparison between models, a third model was developed using Simulink Simscape Fluids. Physical testing was performed in order to both fine-tune physical parameters in the simulation, as well as to gather empirical data for comparison with the three different numerical models. The results showed that the finite difference model most accurately predicts the outer wall temperature. The Simulink model fills the tanks slower and undershoots the temperature, while the resistance model significantly overshoots the heat transfer through the wall during the transient filling. It was not possible to quantitatively determine the accuracy of the simulated gas temper- atures and inner wall temperatures. as the measurements of the gas temperature from testing showed to be wrong, whilst it was not practically possible to place a temperature sensor on the inner wall of the tank. The empirical data showed that the wall temperature does not reach above the limit of 65 °C during the filling process by using carefully chosen restriction orifices. This result is also predicted accurately by the finite difference model, meaning it can be utilized to simulate Propulse NTNU’s future systems only requiring minor improvements.