70mpa儲氫氣瓶快速充氫溫度效應(yīng)的研究

70mpa儲氫氣瓶快速充氫溫度效應(yīng)的研究

1車載高壓氫氣瓶合理充氣方式分析電力是人類社會最重要的基礎(chǔ)和發(fā)展的動力。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,氫能作為新能源之一成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。氫的安全儲運(yùn)是氫能利用的關(guān)鍵技術(shù),高壓儲氫在復(fù)合材料高壓氣瓶方面取得很好的進(jìn)展,是移動式車載儲氫的主流對于車載高壓氫氣瓶有兩種充氣過程:慢速充氣和快速充氣。慢速充氣是使用壓縮機(jī)直接對氣瓶進(jìn)行充氣,充氣時間較長,以小時計。快速充氣式采用高壓大容量氣罐對車載氣瓶直接供氣的形式車載儲氫氣瓶在使用過程中,以快速充氣過程為主,快速放氣過程很少應(yīng)用,一般只有在氣瓶即將發(fā)生爆炸危險,才會緊急放氣;氫能汽車使用過程中的放氣為慢速放氣,放氣持續(xù)時間很長,以數(shù)小時計算,氣瓶內(nèi)的氣體基本與環(huán)境溫度一致,因此影響因素分析中主要針對快速充氣過程進(jìn)行。本研究以氫氣為介質(zhì),通過簡化的理論模型分析得出了充氣溫度效應(yīng)的決定因素和影響因素,并在快速充放疲勞試驗(yàn)平臺上得到了驗(yàn)證,為今后加氫站的研制和充氫控制算法提供了技術(shù)基礎(chǔ)。2非定溫c圖1為加氫站快速充氣過程示意圖。圖中A為氣源高壓儲氫罐,B為車載儲氫氣瓶。假設(shè)如圖1所示的一個無限大容積的容器對氣瓶充氣,不考慮連接兩個容器的管路、閥門等附屬部件的影響。充氣過程可以使用熱力學(xué)開口系統(tǒng)能量守恒方程的微分形式進(jìn)行計算,以接收氣瓶控制邊界條件:假設(shè)只有一種流體經(jīng)過控制邊界(進(jìn)入氣瓶),忽略速度和勢能變化并且沒有軸功,上式的基本能量方程可以簡化為:若在從無限源進(jìn)入氣瓶的氣體流動焓保持不變,則對上式兩邊積分得到:式中:m為質(zhì)量,kg;U為氣體內(nèi)能,J;H為氣體的質(zhì)量焓,J/kg;Q為散熱量,J。下標(biāo)A為氣源罐,B為儲氫氣瓶。根據(jù)質(zhì)量守恒,有Δm=m以絕對零點(diǎn)溫度為參考溫度起點(diǎn),對于理想氣體,有U=C式中:T為溫度,K;c分析式(5)可以看出,充氣后的溫度與充氣前氣體的溫度有直接的關(guān)系,充氣前氣瓶內(nèi)氣體的質(zhì)量和充氣過程中的散熱對充氣后的溫度有重要的影響。在其他條件不變的情況下,充氣前氣瓶內(nèi)氣體的質(zhì)量占充氣后的質(zhì)量比越大,充氣后的溫度越低,相當(dāng)于氣瓶原有的氣體對進(jìn)入氣瓶的氣體溫度變化起到中和作用。散熱使得氣體溫度要降低(散熱是式(5)的Q為負(fù)值);但是因碳纖維的導(dǎo)熱性較差,在快速充氣過程中其作用不明顯,但在充氣過程受到限制,充氣時間較長時溫度則明顯偏低。假定一個氣瓶絕熱(不吸熱)、氣瓶內(nèi)為真空的理想條件,即Q=0,m上式表明,若儲氫氣瓶初始壓力為0,即處于真空狀態(tài),理論上對于絕熱充氣過程,充氣后氣體的內(nèi)能等于充氣前氣體的焓值,則充氣后氣體的溫度為充氣前溫度的κ倍。因此,可以說充氣前的氣體溫度對充氣后的氣體溫度具有決定性的作用,控制快速充氣過程中的溫度效應(yīng),必須以控制氣源溫度為主,其他影響因素為輔助手段。對于比熱比κ的值,與氣體分子的運(yùn)動自由度i有關(guān)。對于單原子氣體,如He、Ne、Ar等,i=3,κ=1.67;對于空氣、N實(shí)際的上述雙原子氣體,在常溫的溫度范圍內(nèi)(大約300K到500K)κ接近于恒定值1.4,但在低溫或高溫時有偏差?；谶@一理論分析結(jié)果,似乎可以氮?dú)鈦泶鏆錃膺M(jìn)行快速充放氣疲勞試驗(yàn)。但實(shí)際上,由于氫氣的氣體分子小,更易滲漏,對于鋁合金內(nèi)襯會發(fā)生晶格間腐蝕的作用,產(chǎn)生氫脆,使得內(nèi)襯更易產(chǎn)生疲勞,因此以實(shí)際氫氣為介質(zhì)進(jìn)行快速充放疲勞試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)更可靠。不論是理想氣體還是實(shí)際氣體,氣體壓力對于比熱比κ的影響都比較微弱3氣流源對充氣溫度的影響圖2為充氣速度對充氣后氣體最高溫度的影響。采用不同的孔板通徑,可以進(jìn)行充氣質(zhì)量流量調(diào)節(jié),從而可以對比不同充氣時間的影響。圖中,充氣時間越短,充氣速度越快,所測得的最高溫度越大。這主要是由于充氣速度越快,充氣時間越短,氣體因漏熱而產(chǎn)生的溫降越小,因而所測溫度越高。圖3為氣源壓力對于對充氣后氣體最高溫度的影響。圖中P1為35MPa的充氣過程,對應(yīng)的溫度為T1,充氣最高溫度為358K;P2為70MPa的充氣過程,對應(yīng)的溫度為T2,充氣最高溫度為366K?？梢缘贸鰵庠磯毫υ礁?充氣溫度越大。這主要是因?yàn)?充氣時間相同時,漏熱量相差不大,但是充氣后壓力低,氣瓶內(nèi)氣體的質(zhì)量小,因漏熱產(chǎn)生的溫降大,因此測得的最高溫度低。圖中氣源壓力對最高溫度的影響不大,這是因?yàn)槔碚撋?氣源壓力對充氣溫度沒有影響,實(shí)際上有影響主要是因?yàn)橐蚵嵋鸬臏亟挡煌?。圖3中,若討論不同氣源壓力對氣瓶充到某一相同壓力(例如25MPa)時的差別,可以看出低壓氣源壓力的充氣溫度要高于高壓氣源的充氣溫度。從漏熱的的角度看,氣源壓力越高,充氣速度越快,充氣時間越短,漏熱越小,充氣溫度應(yīng)該越高,其實(shí)不然。這主要是因?yàn)槌錃膺^程的溫度效應(yīng)是由充氣前的焓轉(zhuǎn)變?yōu)槌錃夂蟮膬?nèi)能這一因素主導(dǎo)的,氣源壓力高,其高壓焓轉(zhuǎn)變成內(nèi)能所對應(yīng)的溫度比低壓氣源要低。因此,以高壓氣源給低壓氣瓶充氣,有利于控制充氣過程中的溫度效應(yīng),但實(shí)際上并不采取這種方式,原因有二:一是高壓氣源獲得將需要消耗更多的能量;二是高壓氣源充低壓氣瓶,操作不當(dāng)會將低壓氣瓶充爆,存在嚴(yán)重的安全隱患。由于氣源壓力對溫度效應(yīng)的影響較弱,因此在本試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計時,并沒有采用實(shí)際加氫站的分組,以3個不同的壓力依次對氣瓶充氣的方式,而是直接以一個高壓氣瓶對氣瓶充氣。由圖3可以看出,這樣做是合理的。圖4為儲氣瓶的充氣前初始壓力(即氣瓶使用后的剩余壓力)對充氣后溫度的影響。可以看出,氣瓶剩余壓力越高,充氣后的溫度越低。由于進(jìn)入氣瓶內(nèi)的氣體焓會轉(zhuǎn)化內(nèi)能,充氣后這部分氣體的充氣溫度基本不變,而氣瓶充氣的最終溫度相當(dāng)于處于常溫的剩余氣體和進(jìn)入氣瓶的高溫氣體的混合,因而剩余氣體所占的質(zhì)量比越大,混合溫度越低,即充氣后的溫度越低。雖然剩余壓力越高,充氣溫度越低,似乎可用來控制溫度效應(yīng)。但是剩余壓力高使得氣瓶內(nèi)的氣體不能有效利用,因而以剩余壓力來控制溫度效應(yīng)的方式并不可取。圖5為氣源溫度對充氣后最高溫度的影響。圖中隨著氣源溫度的升高,充氣后的最高溫度顯著升高。這主要是由于如式(6)所示,充氣后的的溫度是與氣源溫度成正比例關(guān)系的。關(guān)于氣源溫度的影響,在本文第2節(jié)的分析中有詳細(xì)的分析說明?？偨Y(jié),氣瓶充氣過程的各個因素對充氣后最高溫度的影響,可以看出,有效的比較實(shí)用的控制充氣溫度的措施有兩種:(1)充氣時間對充氣溫度的影響比較明顯?？梢酝ㄟ^延長充氣時間作為控制充氣溫度的手段之一。(2)氣源溫度對充氣溫度的影響非常顯著。可以通過控制進(jìn)入氣瓶前氣體的溫度來控制充氣溫度。4儲氫煙氣煙氣高溫車載儲氫容器在快速充氣過程中會產(chǎn)生顯著的溫度效應(yīng),對復(fù)合材料氣瓶基體強(qiáng)度、疲勞性能以及有效供氫量具有很大的影響。本研究以