IV型瓶變溫度變流量快速充注分析研究

何春輝 鄒宏偉 成志鋼

（1.江蘇國富氫能技術裝備股份有限公司 張家港 215600）

（2.張家港氫云新能源研究院有限公司 張家港 215600）

目前,壓縮氫是汽車行業(yè)選擇的用于氫動力汽車車載存儲的技術,例如燃料電池汽車,這些汽車已經(jīng)上市。由于加燃料過程中壓力的大幅增加,油箱內(nèi)的氣體溫度升高,并且由于熱傳遞,容器材料的溫度也升高。在罐排空時,氣體和材料的溫度都會由于氣體膨脹而降低。在這2種情況下,溫度都可能超出233～358 K[1]的設計溫度范圍,過高或過低的溫度可能會影響氣瓶的機械性能。在灌裝過程中使用氣體預冷將整個存儲系統(tǒng)的溫度保持在358 K的閾值以下。然而,氣體預冷會導致加氣站的資本和運營成本增加。

目前,有2種類型的氣缸用作氫動力汽車的車載存儲：III型和IV型。2個氣缸的結(jié)構(gòu)由1個外部層壓板組成,外部層壓板由碳纖維增強聚合物(CFRP)制成,以提供結(jié)構(gòu)強度和一個內(nèi)襯,其主要目的是防止泄漏。Ⅲ型瓶的內(nèi)膽由鋁組成,而Ⅳ型瓶主要是由塑料組成,塑料雖然密度較低,但是熱傳導率遠低于鋁,加注溫升時最高溫度較Ⅲ型瓶更高。

目前,國內(nèi)標準限定,中國大陸地區(qū)仍只允許使用 Ⅲ 型氣瓶（鋁合金內(nèi)襯）：Ⅲ型氣瓶與國外較通行的Ⅳ型氣瓶（高密度聚乙烯內(nèi)襯）相比,結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,能較好地規(guī)避泄漏、復合包覆材料分層等問題[2,3]。為提供舒適的用戶體驗,氫燃料電池車的加氫操作時間應與燃油車的加油操作時間相當。在限定氣瓶水容積、限定加注時間的條件下：氫氣被壓縮至高工作壓力[4]、氫氣的負焦-湯效應[5]、高速氫氣入射流的動能部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能[6]等多重要素都使得儲氫氣瓶內(nèi)產(chǎn)生較高的溫升,而過高的溫度會誘發(fā)環(huán)氧樹脂剝離、碳纖維失效[7]；與此同時,氫氣的密度將隨著溫度的上升而下降,這也可能造成儲氫氣瓶的欠充裝狀態(tài)[8]。所以,準確預測快充溫升,并給定可靠的加注策略是保障車載高壓氫安全與效能的重要課題。

此前,國內(nèi)外研究學者已從多個角度關注氫氣的加注參數(shù)（如質(zhì)量流量、升壓方式及初始壓力等）對氣瓶快充溫升的影響,并得到了一些重要結(jié)論。Zhao L等人呈現(xiàn)了不同質(zhì)量流量、初始壓力、環(huán)境溫度條件下35 MPa快充過程中的Ⅲ型儲氫氣瓶內(nèi)的溫升及其分布情況,研究表明：Ⅲ型儲氫氣瓶的最高溫升分布在瓶尾區(qū),且最大溫升隨質(zhì)量流量的增加而呈指數(shù)增長；最大溫升隨初始壓力的上升而線性下降,但環(huán)境溫度對最大溫升的影響程度不大；還基于5 min的加注過程給定了溫升預測公式［9]。Hosseini等人[10]基于能量分析研究了初始條件對溫升的影響,發(fā)現(xiàn)初始壓力越高,最終溫升越小。Yang等人[11]利用絕熱和等溫條件下的理想氣體和真實氣體對氫氣的快速填充進行了模型分析,結(jié)果表明,絕熱和等溫條件下的填充時間是給定最終目標壓力的下限和上限。Wang等人[12]建立了基于能量方程的熱力學模型,可以分析得到填充物的質(zhì)量和填充后的最終溫度。Monde等人[13]開發(fā)了一個理論模型來研究傳熱系數(shù)對最終溫度的影響,結(jié)果表明,采用適當?shù)暮愣▊鳠嵯禂?shù)計算最終溫度是可行的。Zhao等人[14]建立了二維軸對稱模型,并通過該模型研究快速充氣過程中增壓模式和增壓氫罐溫升率的影響。

綜上,以前分析與試驗數(shù)據(jù)雖然眾多,但高壓瓶尺寸并不統(tǒng)一,很多國內(nèi)瓶子尺寸的加注特性并不完全一致。本文以國富氫能自主開發(fā)的60 L車載IV瓶為研究對象,針對加注初期快速溫升,隨后溫度增加速度大大放緩的規(guī)律,進行了變溫度加注與變流量加注,并對比不同工況下瓶內(nèi)壓力變化規(guī)律,瓶內(nèi)、塑料層與碳纖維層的溫度變化以及對充裝率的影響,其分析結(jié)果對后期瓶子快速加注策略具有一定參考意義。

1 模型處理

1.1 幾何與熱力學模型

導致充氣過程中氣體溫度的升高有3個主要原因。首先,氫氣的焦耳-湯姆遜系數(shù)為負值,這不同于甲烷等其他氣體。在充氣時,氫氣通過節(jié)流裝置時會導致溫度升高,這也被稱為焦耳-湯姆遜效應。其次,充氣過程管道內(nèi)高速氫氣的動能轉(zhuǎn)換成瓶內(nèi)氣體的內(nèi)能,導致溫度升高。最后,氫氣瓶內(nèi)氫氣受壓縮做功,導致溫度升高。同時,一部分熱量經(jīng)過壁面?zhèn)鲗У街車h(huán)境中,一部分儲存在壁面各層內(nèi),導致氣體溫度下降。

氣瓶內(nèi)的氫氣和周圍環(huán)境的熱交換可分為3個部分,即瓶內(nèi)的高壓氫氣和氣瓶內(nèi)壁面之間的對流傳熱、沿瓶壁壁厚方向的熱傳導、氣瓶外壁面和環(huán)境空氣的對流傳熱。

IV型瓶內(nèi)膽由塑料組成,外圍由碳纖維（CF）和玻璃纖維組成（GF）,瓶口與瓶尾由鋁材組成堵頭。相關試驗與分析數(shù)據(jù)表明,在整個快速加注過程中,GF所吸收的熱量僅為總熱量的2%左右[15],為了簡化模型,本案例只分析塑料層與CF層。IV型瓶的主要尺寸及各組成材料屬性見表1、表2,模型如圖1所示。

表1 IV 型瓶主要尺寸 mm

表2 IV型瓶材料屬性

圖1 35 MPa IV 型瓶（60 L）模型

1.2 網(wǎng)格劃分

利用SCDM軟件建模并進行網(wǎng)格劃分,由于氣瓶是旋轉(zhuǎn)體,為簡化分析計算,取1/4模型為研究對象；5層邊界層保證交界面精準熱量傳遞,入口處速度較高,采用局部細化,保證精準捕捉充注的實時狀態(tài),其網(wǎng)格如圖2所示,總網(wǎng)格數(shù)量為320萬。

圖2 1/4氣瓶及進口區(qū)域網(wǎng)格

1.3 邊界與初始條件

IV型瓶快速加注的初始和邊界條件見表3。假設充氣前氣瓶的初始溫度和環(huán)境溫度都為293 K,氣瓶初始壓力和額定壓力分別設定為 2 MPa和35 MPa,介質(zhì)采用NIST真實氣體模型,假定堵頭與CF都是絕熱邊界。

表3 工況條件

進行時間步長無關性驗證后,計算時間步長設置為0.03 s,單個時間步最大迭代次數(shù)20次。當氣瓶壓力達到額定壓力35 MPa時,停止仿真計算。

2 CFD仿真分析與試驗驗證

2.1 壓力變化曲線

加注過程中,隨時監(jiān)控氣瓶內(nèi)的壓力變化,圖3所示是不同工況加注過程中壓力變化曲線,從圖3中可知：

圖3 加注過程氣瓶壓力曲線

1）工況1（恒溫度恒流量）仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)基本保持一致,在恒定流量與溫度下,壓力除開始段外基本趨于線性增加,在6 g/s、253 K加注條件下,110 s后壓力達到35 MPa,加注完成；

2）工況2（恒流量變溫度）由于流量較大,故壓力上升速度較快,30 s后加注溫度升高,壓力增長斜率略大于低溫加注增長斜率,在79 s左右即達到額定壓力35 MPa,明顯減少了加注時間；

3）工況 3（變溫度變流量）在變溫后保持較小流量,其壓力上升趨勢較工況1也較小,原因是瓶內(nèi)的溫度較低,從而延長了加注時間,總加注時間約為112 s。

2.2 平均溫度變化曲線

加注過程中,氣瓶內(nèi)的溫度是限制加注時間的重要因素,時刻監(jiān)控氣瓶內(nèi)與各層的溫度變化,對后期加注策略的優(yōu)化具有重要作用,其結(jié)果如圖4所示,從圖4中可知：

圖4 加注過程氣瓶與各層平均溫度曲線

1）工況1氣瓶內(nèi)的平均溫度變化與試驗數(shù)據(jù)保持較好的一致性,最大溫差控制在5 K以內(nèi),誤差可能來源于實驗中傳感器布置在靠近進口位置,且進口氣體溫度較低；加上忽略了最外層GF與環(huán)境的對流換熱,所以仿真中的數(shù)據(jù)略大于試驗數(shù)據(jù)；

2）3種工況下對CF層的溫度變化基本可以忽略不計,因為加注時間太短,傳遞到CF層的熱量有限；

3）3種加注工況對塑料層的最終溫度差異僅為2 K左右,影響有限；

4）低溫加注可以明顯降低前期溫度上升速度,也再次證明了預冷加注的重要性。30 s后提高加注溫度,氣瓶內(nèi)溫度上升速率迅速激增,工況2加注78 s后壓力達到額定值,其對應溫度已經(jīng)達到約358 K,但充裝率降低了5.7%；

5）工況3變溫度變流量加注充分利用了加注初期溫度上升較快的規(guī)律,將初始加注的預冷溫度調(diào)整為233 K,此時溫升較低,加注一段時間后（30 s)提升加注溫度為293 K,由于瓶內(nèi)總體溫度較低,且加注后期的溫升斜率明顯降低,達到額定壓力35 MPa時對應的加注時間和工況1（恒溫度恒流量）相比沒有降低,但是充裝率提高了9.1%。

2.3 溫度云圖

相關分析和試驗數(shù)據(jù)報告表明,不同長徑比模型在加注過程中的流場分布是不同的,圖5～圖7分別是加注過程中加注開始階段（4 s)、加注中途階段（50 s)以及加注完成時瓶內(nèi)、塑料層與CF層的溫度分布圖。從圖中可知：

圖5 加注過程溫度分布圖（4 s)

圖6 加注過程溫度分布圖（50 s)

圖7 加注完成溫度分布圖

1）加注初期（4 s),工況1瓶內(nèi)的溫度已經(jīng)由初始的293 K明顯上升,大部分瓶內(nèi)溫度在315 K左右,但瓶口上方形成明顯的局部氣流漩渦,該漩渦形成了相對高溫區(qū)；靠近瓶口的溫度較低,基本保持與進口溫度相等,隨著沿中心流動,其溫度不斷提高,在中心區(qū)域形成了明顯的溫度分層；由于加注時間較短,塑料層與CF層溫度基本保持不變。工況2加注初期其溫度變化趨勢與工況1基本保持相同,由于加注預冷溫度更低,導致其瓶內(nèi)溫度也較低；

2）加注中期（50 s),不同工況下的溫度分布已經(jīng)有明顯區(qū)別：工況1恒溫恒流加注,其加注50 s后瓶內(nèi)最高溫度為362 K,瓶口上方的高溫區(qū)相對較??；工況2變溫加注后,溫度處于快速上升期,加注50 s后其對應最高溫度為353 K,瓶口上方的高溫區(qū)相對較大；工況3處于工況1與工況2之間,30 s后雖提高了加注溫度,但加注流量有所降低,結(jié)果是溫度上升曲線變緩,加注50 s后溫度僅為344 K,瓶口相對高溫區(qū)也較大；3種工況在加注50 s后,塑料層和CF層的溫度已經(jīng)逐步提高；

3）加注結(jié)束時其溫度分布規(guī)律與加注中期基本保持一致,僅僅是溫度數(shù)值上有所上升。加注完成后,其工況1～工況3的最高溫度分別為379 K、371 K、373 K；塑料層與CF層的溫度差別較小。

3 結(jié)論

本研究以60 L IV型35 MPa車載瓶為研究對象,結(jié)合以往恒流恒溫加注試驗數(shù)據(jù)驗證了CFD仿真可靠性后,以加注預冷溫度和加注流量為變量對其快速加注進行仿真分析,仿真過程中時刻監(jiān)控瓶內(nèi)的壓力變化與各層的溫度變化趨勢,其結(jié)果表明：

1）恒流加注時,瓶內(nèi)的壓力變化接近于線性增加,低溫加注時壓力上升速率較低；

2）低溫加注可有效縮短加注時間,但是對充裝率具有一定影響,工況2相對工況1加注時間縮短了32 s,充裝率降低了5.7%；

3）低溫加注結(jié)合變流量加注（工況3）,可以在加注時間與最終溫升保持相同情況下,相對工況1充裝率提高了9.1%；

4）加注過程中,塑料層與CF層的溫度變化線性增加,但由于加注時間較短,不同的加注策略對塑料層與CF層的溫度變化影響較小,3種工況下的塑料層最大溫升控制在30 K以內(nèi)；

5）綜上分析,低溫加注+變流量加注是有效縮短加注時間或提高充裝率的有效手段。