Působení vnějšího zdroje tepla na tlakovou láhev

Abstract

Bakalářská práce se zabývá působením vnějšího tepelného zdroje na tlakovou láhev určenou pro skladování plynného vodíku. Před teoretickou částí práce je řešená problematika zasazena do širšího kontextu bezpečnosti vodíkových technologií a rizik spojených s tepelným namáháním tlakových nádob. Teoretická část shrnuje základní fyzikální a chemické vlastnosti vodíku, přehled konstrukčních typů tlakových nádob pro jeho skladování a základní mechanismy přenosu a přestupu tepla při tepelném zatížení. Praktická část je zaměřena na vytvoření a ověření numerického modelu pro odhad prohřívání stěny nádoby, ohřev vnitřního média, vývoj tlaku a změny materiálových vlastností při zvýšených teplotách. Model je formulován jako dvourozměrná neustálená úloha vedení tepla, doplněná o energetickou bilanci plynu, rozklad kompozitní matrice a zjednodušené pevnostní kritérium. Model byl validován na dvou případech. Prvním byla otevřená ocelová láhev typu I, u níž simulace velmi dobře reprodukovala experimentálně naměřenou teplotní odezvu. Druhým případem byla kompozitní nádoba typu IV odpovídající zásobníku vozidla Toyota Mirai první generace, u níž byly sledovány teplotní průběhy, tlaková odezva vodíku a degradace kompozitní matrice. Porovnání numerických výsledků s experimentálním měřením ukázalo, že navržený model je použitelný pro predikci základního chování tlakové nádoby při lokálním tepelném zatížení, zároveň však odhalilo i jeho omezení, zejména v pozdější fázi děje po ztrátě těsnosti nádoby.

This bachelor’s thesis investigates the effects of an external heat source on a pressure cylinder designed for gaseous hydrogen storage. Prior to the theoretical part of the thesis, the investigated issue is set within the broader context of hydrogen technology safety and the risks associated with the thermal loading of pressure vessels. The theoretical part summarizes the fundamental physical and chemical properties of hydrogen, provides an overview of the design types of pressure vessels used for its storage, and describes the basic mechanisms of heat transfer under thermal loading. The practical part focuses on the development and validation of a numerical model for estimating the heating of the vessel wall, the heating of the internal medium, pressure development, and changes in material properties at elevated temperatures. The model is formulated as a two-dimensional transient heat conduction problem, complemented by a gas energy balance, composite matrix decomposition, and a simplified strength criterion. The model was validated on two cases. The first case was an open type I steel cylinder, where the simulation accurately reproduced the experimentally measured thermal response. The second case was a type IV composite vessel corresponding to the tank of a first-generation Toyota Mirai vehicle, in which temperature profiles, hydrogen pressure response, and composite matrix degradation were monitored. A comparison of numerical results with experimental measurements demonstrated that the proposed model is applicable for predicting the fundamental behavior of a pressure vessel under local thermal loading, while also revealing its limitations, particularly in the later stages of the process following the loss of vessel integrity.