氫氣瓶疲勞檢測實驗艙溫度控制系統(tǒng)設計

周俊海 趙盼盼 劉孝亮 張 偉 黃 靜

(1 合肥通用機械研究院有限公司壓縮機技術(shù)國家重點實驗室 合肥 230031)

(2 合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責任公司 合肥 230031)

1 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基石,當今世界化石能源長期使用帶來的碳排放引起的環(huán)境問題日益嚴峻,使得人類迫切需要采用綠色可再生的新能源,中國已宣布到2030 年,非化石能源占一次能源消費比重達到25% 以上。 氫能是一種零碳能源,具有能量密度高、使用過程環(huán)境友好,無碳排放等優(yōu)點,被標為21 世紀的理想能源。 因此,各先進國家均在大力發(fā)展氫能,投入大量研發(fā)精力[1-3]。 氫能使用的關(guān)鍵是安全高效的氫能儲運技術(shù),目前,大規(guī)模采用的是高壓氣態(tài)儲存氫能的方法,在用氣瓶最大工作壓力為70 MPa[4],氣瓶一般分為4 類:I 型全金屬氣瓶、II 型金屬內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶、III 型金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶、IV 型全復合材料氣瓶及V 型無內(nèi)膽復合材料氣瓶。

車用高壓氫氣瓶屬于特種設備,其使用過程中涉及的設計、制造和使用必須按照相應的法規(guī)和技術(shù)標準要求展開相應的型式試驗后方可投入實際,以確保安全。 根據(jù)聯(lián)合國GTR 法規(guī)和ISO 標準中的相關(guān)技術(shù)要求,氫氣瓶需在-40—85 ℃的環(huán)境溫度下進行充放氫的疲勞檢測,即必須在規(guī)定溫度的環(huán)境模擬系統(tǒng)中完成氫氣瓶產(chǎn)品對應的各項檢驗試驗。

美國、日本及歐洲發(fā)達國家均有性能參數(shù)不等的高壓氫氣疲勞檢測實驗艙,美國SAE 與加拿大Powertech 試驗室建立了氫氣疲勞試驗裝置,可實現(xiàn)70 MPa 儲氫氣瓶的氫氣疲勞試驗[5]。 日本氫能源測試與研發(fā)中心研發(fā)的氫氣測試系統(tǒng)應用于測試小尺寸產(chǎn)品[6]。 日本九州大學、制鋼所和住友金屬公司等機構(gòu)也相應建立了小尺寸管狀氣瓶試樣高壓氫氣測試系統(tǒng),用于測試氣瓶的疲勞性能[7-9]。 國外的氫氣瓶循環(huán)檢測實驗艙的尺寸較小,僅用于較小樣件的測試,而我國目前的儲氫氣瓶疲勞檢測試驗裝置大多以高壓液體作為介質(zhì),不能進行高壓儲氫氣瓶型式試驗,且不具備-40—85 ℃溫度范圍的環(huán)境測試能力,嚴重制約了我國高壓儲氫氣瓶的技術(shù)進步和氫能的廣泛利用。

本研究是針對氫氣瓶充放氫過程中存在的潛在泄露氫氣易燃易爆等風險特性設計的一套溫度環(huán)境模擬系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由主體設備-氫氣瓶檢測實驗艙與其他系統(tǒng)(如制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等)組成,可在其中模擬測試所需環(huán)境溫度,為各類氫氣瓶產(chǎn)品的性能考核提供所需試驗環(huán)境。

氫氣瓶疲勞檢測試驗系統(tǒng)的溫度控制是該溫度模擬系統(tǒng)的一項重要內(nèi)容,本工作中通過溫度循環(huán)控制系統(tǒng)建設實踐經(jīng)驗及理論分析,提出采用液體載冷劑間接溫控方法,通過內(nèi)置大面積翅片式換熱器實現(xiàn)氣流組織分配的控溫方案,可在受限的氫氣瓶檢測實驗艙內(nèi)實現(xiàn)寬溫域模擬及其高精度控制。

2 試驗系統(tǒng)

2.1 試驗系統(tǒng)總體方案

為了滿足不同容量的氫氣瓶在-40—85 ℃環(huán)境下的充放氫過程疲勞試驗檢測需求,針對氫氣密度低極易泄露的特點及其易燃易爆特性設計了一套氫氣瓶疲勞檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由氫氣瓶檢測實驗艙、氫氣充放系統(tǒng)及溫度控制系統(tǒng)組成。 本研究主要探討氫氣瓶疲勞檢測系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng),系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

針對氫氣瓶檢測過程中涉及的所有系統(tǒng)和設備均需要嚴格滿足防爆等級要求,溫度控制系統(tǒng)主要由鹵水機組、高/低溫載冷劑箱組、實驗艙主換熱器、電加熱部件及泵、閥等組成。 氫氣瓶疲勞檢測系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)采用了載冷溫控方案,可以將溫控循環(huán)系統(tǒng)中的鹵水機組、電加熱部件及泵、閥等帶電工作設備與氫氣瓶檢測實驗艙隔離開,盡可能的降低氫氣泄露安全風險。 溫控循環(huán)系統(tǒng)中鹵水機組用于處理低溫載冷劑箱中載冷劑實現(xiàn)-40—20 ℃低溫段的載冷劑需求,高溫載冷劑箱的載冷劑溫度由電加熱器處理實現(xiàn)20—85 ℃高溫段的載冷劑需求,方案設計采用兩臺水箱,分別兼顧高溫溫度段和低溫溫度段,通過水箱溫度的恒溫設定及管路系統(tǒng)混水調(diào)節(jié),實現(xiàn)溫度目標的精準控制。 高/低溫載冷劑箱中的載冷劑由載冷劑循環(huán)泵3#將其輸送至實驗艙主換熱器,實現(xiàn)氫氣瓶檢測實驗艙環(huán)境溫度的控制。 系統(tǒng)在高溫載冷劑箱連接設置了兩臺冷板換熱器,一路利用低溫載冷劑箱的載冷劑使其降溫,另外一路利用冷卻塔提供的冷卻水實現(xiàn)自然冷源的有效利用和節(jié)能運行。

2.2 實驗艙主換熱器布置

氫氣瓶檢測實驗艙內(nèi)側(cè)壁滿布翅片結(jié)構(gòu)形式的主換熱器,左右兩側(cè)分別布置雙層共44 根翅片管,形成大面積的溫控換熱結(jié)構(gòu),如圖2a 所示,在保證快速升降溫指標后,又能依靠大面積換熱結(jié)構(gòu)的輻射換熱能力,解決實驗艙內(nèi)溫度分布均勻性的技術(shù)難題。 氫氣瓶檢測實驗艙內(nèi)部布置多個溫度測點,實時監(jiān)測環(huán)境罐內(nèi)部溫度場分布情況,布置的測點示意圖如圖2b 所示。 布置T1—T12 共12 個測點,懸空分布于實驗艙內(nèi)部空間多個位置,以實現(xiàn)實驗艙內(nèi)部溫度分布均勻性的實時監(jiān)測。

圖2 氫氣瓶檢測實驗艙內(nèi)溫度測點布置情況Fig.2 Arrangement of temperature measuring points in experiment module for hydrogen cylinder detection

2.3 系統(tǒng)調(diào)節(jié)及防爆設計

2.3.1 恒流變溫調(diào)節(jié)方案

恒流變溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中流經(jīng)主換熱器的流量通過主泵控制,實現(xiàn)恒定流量運行,并通過三通閥混水及兩臺水箱混水的方式,滿足主換熱器供水溫度的實時調(diào)節(jié),保證實驗艙主換熱器供水溫度的快速穩(wěn)定,如圖3 所示。 系統(tǒng)主泵載冷劑循環(huán)泵3#設計采用了定頻恒流量水泵,在該泵管路前端設置了三通調(diào)節(jié)閥EV01,三通調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)回水與主管路水的不同兌水比例,實現(xiàn)氫氣瓶檢測實驗艙主換熱器進口供水溫度的快速自動調(diào)節(jié)。

圖3 氫氣瓶檢測實驗艙溫度控制系統(tǒng)恒流變溫調(diào)節(jié)設備Fig.3 Equipment for constant flow and variable temperature regulating in temperature controlling system for hydrogen cylinder detection

2.3.2 防爆特殊應用場合溫控系統(tǒng)設計

針對防爆特殊應用環(huán)境,溫度循環(huán)控制系統(tǒng)采用液體載冷間接溫控方式,通過預處理載冷劑溫度至目標溫度后送入主換熱器,實現(xiàn)氫氣瓶檢測實驗艙內(nèi)環(huán)境溫度的控制。 避免了溫控系統(tǒng)設備與潛在泄露氫氣的直接接觸,大大降低了氫氣瓶檢測過程中的試驗風險。

2.4 實際溫度控制循環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)圖1 的工作原理,對整個氫氣瓶疲勞檢測實驗艙內(nèi)溫度控制系統(tǒng)進行了設計與安裝,該溫度控制系統(tǒng)安裝實物圖如圖4 所示。 系統(tǒng)測試實驗艙與溫度控制系統(tǒng)設備分別安裝在兩個房間,以隔絕各用電系統(tǒng)設備與最高試驗壓力高達140 MPa 氫氣的直接接觸。

圖4 氫氣瓶檢測實驗艙及系統(tǒng)管路實物圖Fig.4 Experiment module for hydrogen cylinder detection and system pipeline

3 試驗驗證分析

為了驗證溫度循環(huán)控制系統(tǒng)在封閉氫氣瓶檢測實驗艙提供所需溫度環(huán)境的可靠性,在氫氣瓶檢測實驗艙內(nèi)進行了多組溫度控制模擬的實驗研究,試驗過程中監(jiān)測了實驗艙內(nèi)布置的T1—T12 溫度測點的溫度數(shù)據(jù),分別測試了氫氣瓶檢測實驗艙內(nèi)- 40 ℃、20—25 ℃、85 ℃溫度的穩(wěn)定性和可靠性,每組測試持續(xù)穩(wěn)定時間長達12 h。

如圖5 所示,溫度控制系統(tǒng)在實現(xiàn)低于-40 ℃的控溫目標時,各溫度測點的溫度分布曲線呈現(xiàn)較好的水平線性,此時實驗艙內(nèi)的最高溫度和最低溫度的最大差值約有4 ℃,主要由于實驗艙內(nèi)氣體溫度在較低溫度下空氣密度和粘度增加,呈現(xiàn)較差的自然流動性,使得此時的最高和最低溫度的差值最大,但由于空氣具有較差的流動性,使得在測試的較長時間范圍內(nèi)單點溫度呈現(xiàn)了較好的線性,溫度波動不大。

圖5 不同溫度測點對應實驗艙內(nèi)低于-40 ℃溫度分布情況Fig.5 Distribution of temperature measuring points in experiment module while temperatures below -40 ℃

如圖6 所示,溫度控制系統(tǒng)在實現(xiàn)20—25 ℃的控溫目標時,各溫度測點的溫度分布曲線呈現(xiàn)先下降再趨于水平線性,此時的實驗艙內(nèi)溫度相較-40 ℃的環(huán)境溫度較高,實驗艙內(nèi)的空氣由于氣體密度和粘度的降低,自然對流換熱性能較好,使得單點溫度的控溫波動更大,呈現(xiàn)了更大程度的溫度參數(shù)的變化。但此時實驗艙內(nèi)的最高溫度和最低溫度的最大差值約僅有1 ℃,主要由于實驗艙內(nèi)氣體溫度的升高,增強了自然對流換熱,使得此時的最高和最低溫度的差值縮小,采取此種實驗艙內(nèi)側(cè)壁滿布翅片結(jié)構(gòu)形式的換熱器可以實現(xiàn)較高的溫控均勻性。

圖6 不同溫度測點對應實驗艙內(nèi)約20—25 ℃溫度分布情況Fig.6 Distribution of temperature measuring points in experiment module while temperatures ranges from 20 to 25 ℃

如圖7 所示,溫度控制系統(tǒng)在實現(xiàn)高于85 ℃的控溫目標時,各溫度測點的溫度分布曲線呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢,此時的實驗艙內(nèi)溫度處在最高點,由于加熱過程中,空氣溫度的升高存在一定的熱滯后性,在達到目標溫度之后,反饋到溫控系統(tǒng)載冷劑回路中,通過三通調(diào)節(jié)閥混水實時調(diào)節(jié)供液溫度,隨之實現(xiàn)空氣溫度的回降。 但此時,因空氣的密度和粘度值達到最小值,實驗艙內(nèi)部的自然對流傳熱得到更進一步增強,使得實驗艙內(nèi)溫度之間的差值約為2.5 ℃,相比流動性較差的-40 ℃以下的溫控具有更好的均勻性,但不如20—25 ℃的溫控過程的控溫波動性好。

圖7 不同溫度測點對應實驗艙內(nèi)高于85 ℃溫度分布情況Fig.7 Distribution of temperature measuring points in experiment module while temperatures above 85 ℃

綜合以上試驗研究,可得:本研究通過采用滿布式的換熱器,制定了載冷劑間接溫控方案,結(jié)合雙水箱大溫域控制系統(tǒng)、恒流變溫調(diào)節(jié)及實驗艙內(nèi)部氣體卸放等方案,能夠使得氫氣瓶檢測實驗艙內(nèi)的環(huán)境低溫溫度低于-40 ℃時均勻度達到±2 ℃,單點溫度控制精度達±0.2 ℃;實驗艙內(nèi)的環(huán)境中溫度20 ℃—25 ℃時均勻度達到±0.5 ℃,單點溫度控制精度達±0.1 ℃;實驗艙內(nèi)的環(huán)境實驗艙內(nèi)的環(huán)境高溫溫度高于85 ℃時均勻度達到±1.5 ℃,單點溫度控制精度達到±0.2 ℃,滿足氫氣瓶檢測環(huán)境溫度的國家標準要求。

4 結(jié)論

針對氫氣瓶檢測過程面臨的潛在安全風險,采用了間接液體載冷劑溫控方案,設計了雙水箱大溫域快速調(diào)溫系統(tǒng)循環(huán)模式,配合實驗艙內(nèi)滿布式主換熱器,結(jié)合恒流變溫調(diào)節(jié)方案,實現(xiàn)了快速地為氫氣瓶疲勞檢測實驗艙提供所需冷熱流體及實驗艙內(nèi)溫度- 40—85 ℃無級快速調(diào)節(jié),溫度均勻度最高達±0.5 ℃,單點控制精度最高達±0.1 ℃,滿足氫氣瓶檢測環(huán)境溫度的國家標準要求。