一種低溫液氫加注閥的設(shè)計(jì)研究

陳 紅 朱喬峰 王曉月 王紹成

(北京航天動(dòng)力研究所 北京 100076)

1 引言

液氫加注閥是一種能夠控制液氫流路通斷的設(shè)備,是氫儲(chǔ)運(yùn)過程中的關(guān)鍵部件。由于閥內(nèi)流通的是低液氫介質(zhì),要求液氫加注閥應(yīng)具備良好的安全使用性能。此外,閥門自身的絕熱性能關(guān)乎介質(zhì)的利用率,目前,常用的提高閥門絕熱性的方式有堆積絕熱和真空絕熱,其中堆積絕熱容易造成閥門體積和重量增加;真空絕熱方式則多通過提高真空度或優(yōu)化絕熱層結(jié)構(gòu)來削弱換熱,該方式對(duì)閥門的密封性提出了較高要求。液氫加注閥的操作便攜性也是閥門設(shè)計(jì)中的重點(diǎn),因外界環(huán)境與閥門內(nèi)部溫差較大,一體式操作閥桿可能出現(xiàn)因局部受熱不均而變形量不一致的情況,進(jìn)而導(dǎo)致閥門操作不利。

目前,整個(gè)國(guó)際液氫加注閥設(shè)備市場(chǎng),基本被法液空、林德及俄羅斯深冷等幾家公司所壟斷,其中LINDE 公司在液氫生產(chǎn)及使用過程有多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),且液氫加注已有成熟的產(chǎn)品,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示,閥門采用的是雙球閥聯(lián)動(dòng)的方式來控制管路通斷,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,生產(chǎn)成本高,出售價(jià)格較為昂貴。

圖1 LINDE 公司的一款液氫加注閥Fig.1 A liquid hydrogen filling value from LINDE

相對(duì)而言,國(guó)內(nèi)用于調(diào)節(jié)低溫流體通斷的閥門較少,且為節(jié)省生產(chǎn)成本,國(guó)內(nèi)液氫加注過程中多通過法蘭或者快接卡扣連接,在對(duì)接面前后通過額外的閥門實(shí)現(xiàn)流體的輸送控制,因此在兩個(gè)閥門之間留存有大量的殘留液氫,具有一定的危險(xiǎn)性。此外,對(duì)接結(jié)構(gòu)處完全暴露在外,具有較大的漏熱面積,大大降低了氫的利用效率。

為解決液氫加注閥在加注過程中存在的漏熱和液氫殘留問題,同時(shí)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)民用液氫加注閥技術(shù)空白,有必要開展液氫加注閥高絕熱低殘留結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。本設(shè)計(jì)在普通球閥的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款液氫加注閥,通過高真空絕熱技術(shù)增強(qiáng)了閥門絕熱性能;采用上下閥桿連動(dòng)設(shè)計(jì),可避免一體式操作閥桿因變形量不一致而導(dǎo)致操作卡滯的現(xiàn)象;采用加注槍和加注口內(nèi)外圓筒對(duì)接的設(shè)計(jì)方式,可減小液氫對(duì)接體積,進(jìn)而降低液氫加注結(jié)束后的液氫殘留量。

2 低溫液氫加注閥設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的液氫加注閥用于低溫液氫管路的流通和切斷,因此,液氫加注閥在設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮其安裝方式、流通特性、流通能力、工作壽命等,在所有閥門中,球閥的流阻最小,而且具有密封性好,可靠性高、開關(guān)迅速等特點(diǎn),因此本文在常用球閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)滿足超低溫環(huán)境需要的液氫加注閥。

2.1 閥門組成

液氫加注閥由加注槍和加注口兩大部分組成,加注槍結(jié)構(gòu)如圖2 所示,加注口結(jié)構(gòu)如圖3 所示。加注槍入口處接真空軟管,內(nèi)外層分別與真空軟管內(nèi)外層連接并密封;加注口的出口連通真空絕熱貯箱,外層為貯箱外殼,內(nèi)層為貯箱內(nèi)膽。工作時(shí),加注口由加注槍出口處進(jìn)入實(shí)現(xiàn)同軸對(duì)接,打開液氫加注閥,可向貯箱內(nèi)加注液氫。

圖2 加注槍的二維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Two-dimension structure diagram of filling qun

圖3 加注口的二維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Two-dimension structure diagram of filling port

2.2 閥門隔熱設(shè)計(jì)

該閥門同時(shí)采用3 種能夠有效降低液氫漏熱量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。

(1)閥門高真空絕熱技術(shù)。為降低液氫氣化導(dǎo)致的介質(zhì)損耗,整閥采用了真空絕熱的形式,真空絕熱腔由進(jìn)口接管、外殼、出口接管等包圍的體積組成,真空絕熱腔內(nèi)壓力不高于0.013 MPa,腔內(nèi)表面進(jìn)行拋光,使其粗糙度優(yōu)于Ra0.8,以減少熱傳遞。真空絕熱腔相比傳統(tǒng)保溫層隔熱方式具有潔凈度高、重量輕、隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn),是閥門類絕熱設(shè)計(jì)的重要方式。

(2)閥桿分段設(shè)計(jì)。除了閥體表面與周圍環(huán)境的熱交換外,閥桿和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)成為整閥漏熱的主要部位。此外,由于真空腔內(nèi)外殼體之間存在溫度差,導(dǎo)致閥門工作時(shí)內(nèi)部殼體收縮,下端閥桿將出現(xiàn)軸向偏移,結(jié)合圖2 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,假設(shè)閥桿軸線距離右側(cè)端面距離L=195 mm,真空腔外殼溫度為288 K,內(nèi)部閥體溫度20 K,因此,內(nèi)部結(jié)構(gòu)收縮導(dǎo)致下閥桿向左側(cè)移動(dòng)距離為:ΔL=Lαα1ΔT=0.87 mm。

將閥桿設(shè)計(jì)為上下分段的結(jié)構(gòu)形式,能夠避免一體式閥桿因受熱不均而引起的變形,確保閥門的正常使用。

(3)滾柱、十字滑塊連軸器連接上下閥桿。上下閥桿中間利用十字滑塊聯(lián)軸器形式進(jìn)行連接,聯(lián)軸器中設(shè)置陶瓷滾柱。十字滑塊能夠有效適應(yīng)上下閥桿因溫度差帶來的的軸向偏移,同時(shí)陶瓷滾柱能夠提高聯(lián)軸器滑塊動(dòng)作靈活性,其次滾柱將聯(lián)軸器與閥桿的接觸形式改為線接觸,可有效降低上下閥桿件的熱傳遞。

(4)節(jié)流環(huán)與下閥桿間隙配合設(shè)計(jì)。節(jié)流環(huán)與下閥桿間隙配合設(shè)計(jì),一方面保證操作閥桿時(shí)的動(dòng)作靈活性,另一方面當(dāng)有少量液氫經(jīng)配合間隙進(jìn)入波紋管內(nèi)腔后,體積膨脹,形成氣阻,避免更多的液氫進(jìn)入內(nèi)腔,進(jìn)一步提高了閥門的隔熱性能。

2.3 降低閥門液氫殘留量設(shè)計(jì)

殘留液氫是閥門完成液氫的加注工作后,分別與貯箱和真空軟管斷開連接,殘留在閥門內(nèi)部的液氫,液氫殘留量與閥門內(nèi)部的對(duì)接體積大小有關(guān),對(duì)接體積指的是加注槍密封面與加注口密封面之間形成的體積,本文設(shè)計(jì)的閥門采用加注槍和加注口內(nèi)外圓筒對(duì)接的設(shè)計(jì)方式,如圖4 所示,可大大減小液氫對(duì)接體積,降低液氫加注結(jié)束后液氫殘留量。

圖4 加注口與加注槍的對(duì)接方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure diagram of docking method for filling port and filling gun

3 超低溫液氫加注閥設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 下閥桿的分析與校核

力矩包括:轉(zhuǎn)動(dòng)球體的流體動(dòng)力矩T1,克服凸輪機(jī)構(gòu)頂起頂桿力矩T2,軸承轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩T3。垂直軸線的力包括:軸承支撐力F1、F6,球體傳遞的介質(zhì)力F3、F4,閥座密封力F2、F5。下閥桿受力如圖5 所示。

圖5 下閥桿受力圖Fig.5 Force diagram of lower stem

3.2 聯(lián)軸器強(qiáng)度分析與校核

聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)尺寸如圖6 所示。

圖6 十字滑塊聯(lián)軸器尺寸Fig.6 Dimensional drawing of Oldham coupling

在轉(zhuǎn)動(dòng)閥桿時(shí),單個(gè)陶瓷滾柱受力為:T’=FgL。

利用ANSYS 進(jìn)行強(qiáng)度分析,得到如圖7 結(jié)果?？芍畲蠼佑|壓力為1 461 MPa,而氮化硅陶瓷在接觸應(yīng)力為6.07 GPa 時(shí),壽命為2.358 ×106次,隨著接觸應(yīng)力降低,壽命將進(jìn)一步增大[1],因此在這種應(yīng)力水平下閥門將能夠滿足使用要求。

圖7 接觸壓力分布Fig.7 Contact pressure distribution

4 上下閥桿間傳熱仿真分析

閥桿隔熱主要通過十字滑塊聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn),同時(shí)在下閥桿設(shè)置節(jié)流環(huán),節(jié)流環(huán)與閥桿之間為小間隙配合,不起密封作用,當(dāng)少量液氫進(jìn)入波紋管內(nèi)腔吸熱氣化后,體積膨脹,形成氣阻,避免液氫介質(zhì)進(jìn)入內(nèi)腔,保證上閥桿和波紋管接觸與氣態(tài)氫接觸,進(jìn)一步降低傳熱量。

(1)材料設(shè)定:上、下閥桿和聯(lián)軸器滑塊為不銹鋼材質(zhì);滾柱為陶瓷材料;波紋管為不銹鋼結(jié)構(gòu);節(jié)流環(huán)為聚四氟乙烯。

(2)邊界條件:下閥桿及節(jié)流環(huán)下端面為對(duì)流換熱邊界,換熱系數(shù)為90 W/(m2·K),介質(zhì)溫度為20 K;上閥桿外側(cè)為對(duì)流換熱邊界,換熱系數(shù)為15 W/m2·K,介質(zhì)溫度為288 K。

針對(duì)閥桿傳熱,利用FLUENT 仿真得到如圖8 所示溫度分布?？梢婇y桿波紋管內(nèi)腔中溫度較高,流入的介質(zhì)能夠完全氣化,實(shí)現(xiàn)了氣體阻隔的功能。上閥桿溫度為248 K,能夠采用蓄能密封圈或O 型密封圈實(shí)現(xiàn)密封。

圖8 閥桿溫度分布Fig.8 Stem temperature distribution

5 低溫液氫加注閥絕熱性能試驗(yàn)驗(yàn)證

由于液氫試驗(yàn)存在一定的危險(xiǎn)性,因此,試驗(yàn)中使用低溫液氮對(duì)閥門進(jìn)行預(yù)冷,進(jìn)而測(cè)試閥門的低溫絕熱性能,試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9 所示。試驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度是26 ℃,試驗(yàn)前為液氫加注閥抽真空,真空度為1.4 Pa。在試驗(yàn)過程中,不斷向液氫加注閥內(nèi)澆灌液氮,與此同時(shí),使用手持紅外測(cè)溫儀每隔5 min 測(cè)量圖9 中的3 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度,并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),同時(shí)觀察液氫加注閥表面情況。

圖9 閥門絕熱性測(cè)試試驗(yàn)Fig.9 Value insulation test

液氫加注閥表面上3 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化情況如圖10 所示,可以看出:在0—30 min 內(nèi),1 號(hào)和3 號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度均呈下降趨勢(shì),30—50 min 內(nèi),測(cè)溫點(diǎn)的溫度基本穩(wěn)定,都在0 ℃以上;2 號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度下降幅度較小,維持在20 ℃以上,總體上試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 3 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化情況Fig.10 Temperature changes at 3 temperature measurement points

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種液氫加注閥,該閥門采用高真空絕熱技術(shù),可有效降低閥門整體的漏熱量,減少液氫因吸熱氣化而導(dǎo)致的介質(zhì)損耗。采用上、下閥桿分段的設(shè)計(jì)方式可彌補(bǔ)閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)因低溫作用而產(chǎn)生的變形量;采用加注槍和加注口內(nèi)外圓筒對(duì)接的設(shè)計(jì)方式,減小了液氫對(duì)接體積,可大大降低液氫加注結(jié)束后液氫殘留量。對(duì)閥門上、下閥桿受力、聯(lián)軸器強(qiáng)度等進(jìn)行理論分析與校核,并利用FLUENT 軟件仿真分析了上下閥桿、波紋管的溫度場(chǎng)的分布情況,最后通過試驗(yàn)測(cè)試了閥門的絕熱性能。研究結(jié)果表明該閥門具備在低溫工作環(huán)境下實(shí)現(xiàn)管路的快速通斷功能,對(duì)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)具有借鑒作用。