70mpa儲(chǔ)氫氣瓶快速充氫溫度效應(yīng)的研究

70mpa儲(chǔ)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(huì)最重要的基礎(chǔ)和發(fā)展的動(dòng)力。隨著社會(huì)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(chǔ)運(yùn)是氫能利用的關(guān)鍵技術(shù),高壓儲(chǔ)氫在復(fù)合材料高壓氣瓶方面取得很好的進(jìn)展,是移動(dòng)式車載儲(chǔ)氫的主流對(duì)于車載高壓氫氣瓶有兩種充氣過(guò)程:慢速充氣和快速充氣。慢速充氣是使用壓縮機(jī)直接對(duì)氣瓶進(jìn)行充氣,充氣時(shí)間較長(zhǎng),以小時(shí)計(jì)?？焖俪錃馐讲捎酶邏捍笕萘繗夤迣?duì)車載氣瓶直接供氣的形式車載儲(chǔ)氫氣瓶在使用過(guò)程中,以快速充氣過(guò)程為主,快速放氣過(guò)程很少應(yīng)用,一般只有在氣瓶即將發(fā)生爆炸危險(xiǎn),才會(huì)緊急放氣;氫能汽車使用過(guò)程中的放氣為慢速放氣,放氣持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),以數(shù)小時(shí)計(jì)算,氣瓶?jī)?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(duì)快速充氣過(guò)程進(jìn)行。本研究以氫氣為介質(zhì),通過(guò)簡(jiǎn)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(tái)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(guò)程示意圖。圖中A為氣源高壓儲(chǔ)氫罐,B為車載儲(chǔ)氫氣瓶。假設(shè)如圖1所示的一個(gè)無(wú)限大容積的容器對(duì)氣瓶充氣,不考慮連接兩個(gè)容器的管路、閥門(mén)等附屬部件的影響。充氣過(guò)程可以使用熱力學(xué)開(kāi)口系統(tǒng)能量守恒方程的微分形式進(jìn)行計(jì)算,以接收氣瓶控制邊界條件:假設(shè)只有一種流體經(jīng)過(guò)控制邊界(進(jìn)入氣瓶),忽略速度和勢(shì)能變化并且沒(méi)有軸功,上式的基本能量方程可以簡(jiǎn)化為:若在從無(wú)限源進(jìn)入氣瓶的氣體流動(dòng)焓保持不變,則對(duì)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(chǔ)氫氣瓶。根據(jù)質(zhì)量守恒,有Δm=m以絕對(duì)零點(diǎn)溫度為參考溫度起點(diǎn),對(duì)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?jī)?nèi)氣體的質(zhì)量和充氣過(guò)程中的散熱對(duì)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?jī)?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(duì)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(guò)程中其作用不明顯,但在充氣過(guò)程受到限制,充氣時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)溫度則明顯偏低。假定一個(gè)氣瓶絕熱(不吸熱)、氣瓶?jī)?nèi)為真空的理想條件,即Q=0,m上式表明,若儲(chǔ)氫氣瓶初始?jí)毫?,即處于真空狀態(tài),理論上對(duì)于絕熱充氣過(guò)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(shuō)充氣前的氣體溫度對(duì)充氣后的氣體溫度具有決定性的作用,控制快速充氣過(guò)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(duì)于比熱比κ的值,與氣體分子的運(yùn)動(dòng)自由度i有關(guān)。對(duì)于單原子氣體,如He、Ne、Ar等,i=3,κ=1.67;對(duì)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(shí)有偏差?；谶@一理論分析結(jié)果,似乎可以氮?dú)鈦?lái)代替氫氣進(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(duì)于鋁合金內(nèi)襯會(huì)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(duì)于比熱比κ的影響都比較微弱3氣流源對(duì)充氣溫度的影響圖2為充氣速度對(duì)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(duì)比不同充氣時(shí)間的影響。圖中,充氣時(shí)間越短,充氣速度越快,所測(cè)得的最高溫度越大。這主要是由于充氣速度越快,充氣時(shí)間越短,氣體因漏熱而產(chǎn)生的溫降越小,因而所測(cè)溫度越高。圖3為氣源壓力對(duì)于對(duì)充氣后氣體最高溫度的影響。圖中P1為35MPa的充氣過(guò)程,對(duì)應(yīng)的溫度為T(mén)1,充氣最高溫度為358K;P2為70MPa的充氣過(guò)程,對(duì)應(yīng)的溫度為T(mén)2,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(shí)間相同時(shí),漏熱量相差不大,但是充氣后壓力低,氣瓶?jī)?nèi)氣體的質(zhì)量小,因漏熱產(chǎn)生的溫降大,因此測(cè)得的最高溫度低。圖中氣源壓力對(duì)最高溫度的影響不大,這是因?yàn)槔碚撋?氣源壓力對(duì)充氣溫度沒(méi)有影響,實(shí)際上有影響主要是因?yàn)橐蚵嵋鸬臏亟挡煌D3中,若討論不同氣源壓力對(duì)氣瓶充到某一相同壓力(例如25MPa)時(shí)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(shí)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^(guò)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(duì)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(guò)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(huì)將低壓氣瓶充爆,存在嚴(yán)重的安全隱患。由于氣源壓力對(duì)溫度效應(yīng)的影響較弱,因此在本試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí),并沒(méi)有采用實(shí)際加氫站的分組,以3個(gè)不同的壓力依次對(duì)氣瓶充氣的方式,而是直接以一個(gè)高壓氣瓶對(duì)氣瓶充氣。由圖3可以看出,這樣做是合理的。圖4為儲(chǔ)氣瓶的充氣前初始?jí)毫?即氣瓶使用后的剩余壓力)對(duì)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?jī)?nèi)的氣體焓會(huì)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(lái)控制溫度效應(yīng)。但是剩余壓力高使得氣瓶?jī)?nèi)的氣體不能有效利用,因而以剩余壓力來(lái)控制溫度效應(yīng)的方式并不可取。圖5為氣源溫度對(duì)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(shuō)明?？偨Y(jié),氣瓶充氣過(guò)程的各個(gè)因素對(duì)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(shí)間對(duì)充氣溫度的影響比較明顯。可以通過(guò)延長(zhǎng)充氣時(shí)間作為控制充氣溫度的手段之一。(2)氣源溫度對(duì)充氣溫度的影響非常顯著?？梢酝ㄟ^(guò)控制進(jìn)入氣瓶前氣體的溫度來(lái)控制充氣溫度。4儲(chǔ)氫煙氣煙氣高溫車載儲(chǔ)氫容器在快速充氣過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生顯著的溫度效應(yīng),對(duì)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