Modelling of Liquid Hydrogen Transfer using Aspen HYSYS

Denne masteroppgaven utforsker modellering av flytende hydrogen (LH2)-overføring ved bruk av ASPENHYSYS, med vekt på både statiske og dynamiske simuleringsmetoder. Utført innenfor rammeverket Reliability, Availability, Maintainability, and Safety (RAMS) ved NTNU, fokuserer forskningen på å lage en detaljert modell for å simulere LH2-strømning gjennom rørledninger. Modellen tar hensyn til variabler som massestrømningshastighet, trykk, temperatur og ruhet i rørledningen. Simuleringene varierer nøkkelparametere, inkludert massestrømningshastighet (fra 5 kg/t til 400 kg/t), innløpstrykk (1,5 bar, 6 bar og 10 bar), innløpstemperatur (19 K, 20 K og metningstemperaturer) for de respektive trykk), og ruhet (ε fra 15 mikron til 1,5 mm).

Videre undersøker oppgaven de dynamiske egenskapene til LH2 under fylling av lagertank, og vurderer hvordan ulike reguleringsventilinnstillinger og strømningshastigheter påvirker prosessen. Resultatene viser at rørledningens ruhet og strømningshastighet er kritiske faktorer som påvirker trykkfall og dampdannelse, mens plassering av kontrollventiler er avgjørende for å optimalisere fylleprosessen. Denne studien gir betydelig innsikt i effektiv og sikker håndtering av LH2-overføringssystemer, og gir praktiske anbefalinger for bransjer som romfart og maritim som er avhengig av kryogene teknologier. Fremtidig forskning foreslås for å utvide modelleringen til å inkludere skrå rørledninger, fleksible rørsystemer og ytterligere kryogene komponenter for ytterligere å avgrense og utvide anvendeligheten til simuleringene.

Abstract

This master’s thesis explores the modeling of liquid hydrogen (LH2) transfer using ASPENHYSYS,

with an emphasis on both static and dynamic simulation methods. Conducted within the Reliability,

Availability,Maintainability, and Safety (RAMS) framework at NTNU, the research focuses

on creating a detailed model to simulate LH2 flow through pipelines. The model takes into consideration

variables such as mass flow rate, pressure, temperature, and pipeline roughness. The

simulations vary key parameters, including mass flow rate (ranging from 5 kg/h to 400 kg/h),

inlet pressure (1.5 bar, 6 bar, and 10 bar), inlet temperature (19 K, 20 K, and saturation temperatures

for the respective pressures), and roughness (ε ranging from 15microns to 1.5 mm).

Furthermore, the thesis examines the dynamic characteristics of LH2 during storage tank filling,

assessing how different control valve settings and flow rates affect the process. The results

demonstrate that pipeline roughness and flow rate are critical factors influencing pressure drop

and vapor formation, while the positioning of control valves is essential for optimizing the filling

process. This study provides significant insights into the efficient and safe handling of LH2

transfer systems, offering practical recommendations for industries such as aerospace and maritime

that depend on cryogenic technologies. Future research is suggested to expand the modeling

to include inclined pipelines, flexible piping systems, and additional cryogenic components

to further refine and broaden the applicability of the simulations.

Publisher

NTNU