Pesquisadores da Famu-FSU College of Engineering projetaram um sistema de armazenamento e entrega de hidrogênio líquido que pode ajudar a transformar a aeronave vaga em realidade. Seu trabalho é delinear o sistema integrado que permite que o hidrogênio use como combustível limpo e adiciona vários desafios de engenharia usando um meio de resfriamento construído para um sistema crítico de energia em aeronaves elétricas.
Estudo, publicado O poder de aplicado, O 100 passageiro apresenta um projeto feito para aeronaves híbridas-elétricas que extraem energia das células de combustível de hidrogênio e dos geradores de supercondcing de turbinas de hidrogênio. Ele mostra como o hidrogênio líquido pode ser salvo com eficiência, sistemas integrais transferidos e críticos com segurança podem ser usados para esfriar – tudo ao apoiar a demanda por eletricidade durante vários vôos, como Texofs, cruzeiro e pouso.
“Nosso objetivo era criar um único sistema que conduz várias tarefas críticas: controle de economia, resfriamento e entrega de combustíveis”, disse Wei Guo, professor de departamento de engenharia mecânica e autor da pesquisa. “Esse design estabelece a base do sistema de aviação de hidrogênio do mundo real”.
O hidrogênio é visto como um combustível limpo comprometido para aeronaves, pois possui mais energia por kg do que combustível de aviação e não emite dióxido de carbono. No entanto, raramente é denso, ou seja, se não for armazenado como um líquido super envelhecido em -253 graus centígrados, é preciso mais espaço.
Para enfrentar esse desafio, a equipe operava uma ampla otimização no nível do sistema para o design do tanque criogênico e suas subseções relacionadas. Em vez de se concentrar apenas em direção ao tanque, eles definiram um novo índice gravimétrico, que é uma proporção de massa de combustível com todo o sistema de combustível. Seu índice inclui a massa de combustível de hidrogênio, estrutura do tanque, isolamento, trocador térmico, dispositivos circulantes e fluidos de funcionamento.
Os projetos principais, como pressão de ventilação e trocador de acerto, identificam repetidamente a configuração, o que fornece a massa máxima de combustível em comparação com a massa do sistema total. Como resultado, a configuração ideal alcançou um índice gravimétrico de 0,62, o que significa 62% do peso total do combustível de hidrogênio utilizável do sistema, uma melhoria significativa no projeto convencional.
A outra função principal do sistema é o gerenciamento térmico. Em vez de instalar um sistema de resfriamento separado, o design rotula o gerador ultracondary, o motor, o cabo e a eletrônica de energia através de uma série de trocadores de calor, que remove o calor de ingredientes a bordo, como geradores de supercondutor, cabo e eletrônicos de potência. À medida que o hidrogênio absorve esse calor, sua temperatura aumenta gradualmente, um processo necessário que o hidrogênio deve pré -aquecer antes de entrar nas células de combustível e turbinas.
O fornecimento de hidrogênio líquido em toda a aeronave apresenta seus próprios desafios. As bombas mecânicas acrescentam peso e complexidade e podem introduzir falhas indesejadas de calor ou risco em condições criogênicas. Para evitar esses problemas, a equipe criou um sistema livre de bombas que usa a pressão do tanque para controlar o fluxo de combustíveis de hidrogênio.
A pressão é controlada usando dois métodos: ventilação para aumentar a injeção de gás de hidrogênio de um cilindro padrão de alta pressão para aumentar o estresse e reduzir o vapor de hidrogênio. Um loop de resposta vincula os sensores de pressão ao perfil de demanda de energia da aeronave, permita que todos os voos garantam a taxa de fluxo adequado de hidrogênio para o tanque que pressiona o ajuste em tempo real. As simulações mostram que pode fornecer hidrogênio à taxa de até 0,25 kg por segundo, o que é suficiente para atender à demanda elétrica de 16,2 megawat durante o tempo do tackoff ou da emergência.
Os trocadores de calor são organizados em um período de tempo. À medida que flui através do sistema de hidrogênio, primeiro resfria os elementos de alta resfriamento operados à temperatura criogênica, como geradores e cabos de supercondcting de alto nível. Em seguida, absorve o calor de ingredientes de alto nível, incluindo motores elétricos, acionamentos de motor e eletrônicos de energia. Finalmente, antes de atingir as células de combustível, o hidrogênio é pré -aquecido para corresponder à condição ideal de entrada de células de combustível.
A concentração térmica desse estágio permite que o hidrogênio líquido sirva como refrigerantes e combustível, o hardware torna a eficiência do sistema maximizar.
“Anteriormente, as pessoas não tinham certeza de como as pessoas poderiam transferir hidrogênio líquido para uma aeronave e se você poderia usá -lo para resfriar o sistema de eletricidade”, disse Guo. “Não apenas mostramos isso possível, mas também mostramos que você precisa ter uma otimização no nível do sistema para esse tipo de design”
Futuro
Embora este estudo se concentre na otimização do projeto e na simulação do sistema, o próximo estágio está envolvido na validade experimental. Guo e sua equipe estão planejando criar um sistema de protótipo e testar o Sistema de Potência Avançado da FSU.
O projeto faz parte do Programa de aviação Zero Emition integrado da NASA, que combina as empresas americanas para desenvolver um conjunto completo de tecnologia de arbatíssimo -ar. As universidades parceiras incluem a Georgia Tech, o Instituto de Tecnologia de Illinois, a Universidade do Tennessee e a Universidade de Buffalore. A FSU lidera o armazenamento de hidrogênio, o gerenciamento de calor e o design do sistema de energia.
Na FSU, os principais colaboradores incluem estudantes de pós -graduação permitem a Verdi; Professor Lance Coolie, Juan Ordage, Hui Lee, Sastry Pamidi; E criogênica, supercondutividade e outros especialistas do corpo docente no sistema de energia.
O projeto foi apoiado pela NASA como parte da Iniciativa de Liderança da Universidade da Organização, que nos fornece universidades para receber fundos da NASA e criar suas próprias partes e determinar sua própria agenda de pesquisa como complementar e complementar à Diretoria de Missão de Pesquisa de Aeronáutica da Agência e seu plano de implementação estratégica.
A pesquisa da Guo foi realizada no Laboratório Nacional de Campo Magnético Nacional da FSU-Setter, apoiado pela National Science Foundation e pelo Estado da Flórida.
