Modellierung einer dreistufigen Wärmeübertrager-Kaskade zur Verflüssigung von Wasserstoff

Die Bedeutung von Wasserstoff für die Energiewirtschaft nimmt seit einigen Jahren stetig zu. Er kann nicht nur aus erneuerbaren Energien gewonnen werden, sondern setzt bei der Verwendung auch keine schädlichen Emissionen frei. Für die Lagerung und den Transport im flüssigen Zustand ist die Abkühlung des Wasserstoffs auf ca. 20 K nötig. Dabei spielt die Energiefreisetzung infolge der Umwandlung von Ortho- in Parawasserstoff während der Verflüssigung eine wichtige Rolle, die durch den Einsatz von Katalysatoren realisiert wird. Ohne diese Ortho-Para-Konversion würde der verflüssigte Wasserstoff schnell wieder verdampfen.
Am Institut für Technische Physik des KIT wird eine bestehende Helium-Kälteanlage mit einem Wasserstoffverflüssiger erweitert. In diesem sollen pro Stunde ca. 100 L Wasserstoff in drei Stufen von 300 K auf 16 K abgekühlt und anschließend durch Expansion verflüssigt werden. Die Ortho-Para-Konversion erfolgt dabei an einem Eisenoxid-Katalysator.
Die Modellierung der Wärmeübertrager-Kaskade zur Wasserstoffverflüssigung erfordert sowohl die genaue Kenntnis der druck- und temperaturabhängigen Stoffdaten, als auch die Berücksichtigung der Kinetik der Ortho-Para-Konversion. ... mehrIn diesem Beitrag werden diese Aspekte der Auslegung genauer beleuchtet. Das um die Katalyse erweiterte Wärmeübertragermodell wird beschrieben und die Ergebnisse der Auslegung werden vorgestellt.