70MPa船载储氢气瓶快充过程研究

作     者：邹东方 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丛立新

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：快充 温升 储氢气瓶 数值仿真 

摘      要：新能源是未来发展大势,作为最具发展前景的氢能源无疑是必然选择,大力发展氢能与船舶结合的氢燃料电池船非常重要。然而氢燃料电池船发展过程中会遇到船载储氢气瓶充装时温度过高和时间过长等问题。为此建立一套完整、具体的和规范的加氢系统以缩短储氢气瓶充装时间;加氢过程中气瓶内部压力快速上升也导致温度急剧上升进而影响碳纤维复合层的力学性能,具有极大的安全隐患。因此对船载储氢气瓶快充过程进行详尽的研究意义重大。研究内容如下:(1)依据规范建立完整的氢燃料电池船加氢系统并确定离子液压缩机进、涡流管、高压水分离器和高压储氢罐等主要设备;通过对加氢系统工艺流程的优化确定三级压缩系统和0.6 m,97 MPa压储氢罐;确定加氢系统满足快充要求并得到快充流量曲线。(2)通过热力学分析,影响船载储氢气瓶快充温升的主要因素为压缩效应、节流效应、动能转化以及环境换热;建立考虑湍流、传热、流动和真实气体效应的CFD模型,并对模型的有效性进行验证。(3)针对不同工况下的船载储氢气瓶快充过程进行数值模拟,气瓶内部形成加强对流传热的再循环流,氢气流速最高的区域出现在气瓶轴线部分和外壁面区域且气瓶顶部现在局部高温区;环境温度、初始压强和预冷温度在内因素对快充温升有线性影响,并通过理论分析和线性拟合方法建立温升影响曲线。(4)通过对不同结构参数的船载储氢气瓶进行快充数值模拟,长径比越大、直管内伸长度越长使得气瓶内部再循环流范围和氢气速度减小导致气瓶内部温升越恶劣;对于开口越小的气瓶其氢气速度越快,以此加强了气瓶的对流换热从而降低温升。