高壓加氫流程中渦流管預(yù)冷的數(shù)值模擬

高壓加氫流程中渦流管預(yù)冷的數(shù)值模擬

渦流管優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展電動(dòng)汽車是解決汽油車污染的有效手段。而氫燃料電池汽車是有力的競(jìng)爭(zhēng)方案之一早期的預(yù)冷裝置大多使用液氮作為冷卻介質(zhì)預(yù)冷設(shè)備的初期投資和能耗在整個(gè)加氫站的建設(shè)和運(yùn)營中都占有相當(dāng)重要的一部分。據(jù)美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室報(bào)道，預(yù)冷裝置與其配套的高壓換熱器的總成本占到了加氫站投資成本的10%渦流管是一種具有能量分離效應(yīng)的空心裝置渦流管結(jié)構(gòu)簡單，但內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，其能量分離機(jī)理尚未完全闡明本文提出一種帶渦流管的加氫流程，該流程采用渦流管取代了流量控制閥和預(yù)冷裝置。針對(duì)該流程能夠?qū)嵤┑年P(guān)鍵部件——渦流管，建立了CFD模型來計(jì)算加氫工況下渦流管的能量分離性能，進(jìn)而驗(yàn)證耦合渦流管的加氫流程的可行性。圖2為所提出的帶渦流管的加氫流程，氫氣經(jīng)壓縮機(jī)后存儲(chǔ)于高壓儲(chǔ)罐中，需要加氫時(shí)，氫氣從高壓儲(chǔ)罐中流出，進(jìn)入渦流管，并分成冷熱兩股流，冷端氣流直接進(jìn)入加氫槍，進(jìn)而給車載氣瓶充注。而熱端的氣流通過水冷機(jī)組回復(fù)至常溫后，再進(jìn)入中壓氫氣儲(chǔ)罐。RHVT的熱端可以通過控制閥調(diào)節(jié)冷熱端的流量分配。在該流程中，渦流管的建設(shè)成本非常低，而水冷機(jī)組與換熱器成本也遠(yuǎn)低于制冷循環(huán)機(jī)組。在使用耗電方面，也僅是水泵機(jī)組耗電。因此，無論是初期投資和使用成本方面，該流程均比現(xiàn)有的帶制冷機(jī)組的加氫流程低。而該流程能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵在于渦流管在高壓下的能量分離性能。因此，本文重點(diǎn)對(duì)渦流管開展數(shù)值計(jì)算研究。1模型和驗(yàn)證1.1渦流管進(jìn)口壓力計(jì)算鑒于渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)渦流管性能影響較大，采用了一款已實(shí)現(xiàn)商用的渦流管為研究對(duì)象針對(duì)高壓加氫（70MPa）和低壓加氫（35MPa）兩種典型工況，渦流管進(jìn)口壓力（p1.2模型驗(yàn)證考慮到文獻(xiàn)中關(guān)于高壓氫氣的渦流管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很少，采用Skye等2結(jié)果與分析2.1高壓氫流域流動(dòng)特性圖5為p2.2不同進(jìn)口溫度下渦流管能量分離性能環(huán)境溫度直接決定著加氫站的高壓儲(chǔ)氫罐內(nèi)氣體的溫度，環(huán)境溫度的變化會(huì)對(duì)渦流管性能產(chǎn)生影響。圖8為不同進(jìn)氣口溫度下渦流管的能量分離性能?？梢钥闯?，隨著進(jìn)氣溫度的升高，冷端溫降和熱端溫升均呈增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著氣體溫度的升高，氣體的密度減小，在進(jìn)口壓力一定的情況下，密度減小會(huì)導(dǎo)致動(dòng)能增加，進(jìn)而渦旋效應(yīng)增強(qiáng)，能量分離效果越好。2.3不同充注工況下渦流管性能不同進(jìn)口壓力和壓比條件下的渦流管冷熱端出口溫度曲線如圖9所示。從圖中可以看出，在充注開始階段（大壓比階段），能量分離效應(yīng)顯著，當(dāng)壓比為4.5時(shí)，冷端的總溫已經(jīng)降至280K。隨著壓比的減小，能量分離效應(yīng)減弱。由前面的分析可知，渦流管軸心附近的氣體膨脹致冷，使得冷端氣流溫度降低，壓比越大，膨脹越明顯，因此，壓比越大時(shí)，溫度分離效應(yīng)越大。在氫氣從加氫槍向車載氣瓶充注過程中，初始階段，壓比大，更多的壓力能轉(zhuǎn)化為了內(nèi)能，因此升溫更快，這在Zheng等圖10展示了不同工況下質(zhì)量流率曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著充注的進(jìn)行（圖中從右向左），渦流管出口背壓提高，壓比減小，渦流管進(jìn)口質(zhì)量流率減小。然而，隨著充注的進(jìn)行，冷端質(zhì)量流率卻比較穩(wěn)定，呈略微增加的趨勢(shì)?？梢哉J(rèn)為，充注過程中，流向車載儲(chǔ)氫罐的質(zhì)量流率較為穩(wěn)定，有利于加氫過程的平穩(wěn)進(jìn)行。圖10還表明進(jìn)口壓力越高，無論渦流管進(jìn)口和冷端出口的質(zhì)量流率均呈增加的趨勢(shì)。3帶渦流管加氫流程的優(yōu)勢(shì)提出了一種帶渦流管的加氫流程來實(shí)現(xiàn)高壓氫氣的預(yù)冷。針對(duì)流程中的關(guān)鍵部件——渦流管，開展了高壓加氫工況下渦流管的能量分離效應(yīng)的數(shù)值計(jì)算，主要結(jié)論如下。(1）相比傳統(tǒng)的通過制冷機(jī)組來實(shí)現(xiàn)預(yù)冷的加氫流程，帶渦流管的加氫流程無論在加氫站建設(shè)成本和運(yùn)行成本上，均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。(2）數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明高壓下氫渦流管同樣具有溫度分離效應(yīng)。且隨著加氫過程壓比的降低，其冷端溫降減弱。恰好匹配了加氫過程中罐內(nèi)氣體溫升減緩的趨勢(shì)，證明了帶渦流管加氫流