氫無(wú)損儲(chǔ)存系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

收稿日期：2023-04-05

基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳基本科研項(xiàng)目面上項(xiàng)目（LJKMZ20220980）；中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（CRYO202207）

通信作者：邵 雪（1984—），女，博士、副教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事低溫傳熱、液氫相關(guān)設(shè)備方面的研究。shaoxue2006@aliyun.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0439 文章編號(hào)：0254-0096（2023）11-0465-10

摘 要：針對(duì)氫燃料在動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用需求，從氫儲(chǔ)存和氫增壓輸送兩個(gè)方面，綜述氫燃料儲(chǔ)存的研究現(xiàn)狀，探討氫儲(chǔ)存原理、輸送方案、適用裝置、各自優(yōu)缺點(diǎn)以及安全控制手段，比較幾種無(wú)損安全設(shè)計(jì)方案。依據(jù)氫無(wú)損儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求而設(shè)計(jì)的液氫儲(chǔ)罐，包括儲(chǔ)箱形狀設(shè)計(jì)、絕熱結(jié)構(gòu)選擇、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防晃設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)等，進(jìn)行較為綜合的比較與分析；并利用CFD內(nèi)嵌模塊對(duì)儲(chǔ)罐的傳熱和強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，評(píng)估其低溫絕熱結(jié)構(gòu)的保冷效果；根據(jù)承受載荷，對(duì)低溫條件下的儲(chǔ)罐載荷進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，分析應(yīng)力應(yīng)變特性；最后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該儲(chǔ)罐保證熱流密度小于1.4 W/m2的無(wú)損儲(chǔ)存的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：氫燃料；液氫儲(chǔ)罐；無(wú)損儲(chǔ)存；數(shù)值模擬；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中國(guó)分類號(hào)：TK91；TG142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

氫存于大氣和海洋之中，具有燃燒熱值高、無(wú)害、可儲(chǔ)存、可再生等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)成為世界新能源舞臺(tái)的主角［1］。常壓下，液氫與氣氫的密度比為780∶1，液氫與35 MPa氣氫的體積能量密度比為3∶1［2］，與高壓儲(chǔ)氫相比，液氫在單位質(zhì)量和體積儲(chǔ)氫密度兩方面都已接近實(shí)用化目標(biāo)要求［3-4］。盡管液氫是氫氣在常壓下降溫到20 K實(shí)現(xiàn)的，制取耗費(fèi)較大，但對(duì)于超長(zhǎng)運(yùn)輸距離，綜合考慮運(yùn)輸費(fèi)用和貯存損耗費(fèi)用，液氫方式的綜合成本是低于高壓氣氫的［3］，所以液氫在高科技領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，其在軍用、民用大規(guī)模部署運(yùn)輸、高續(xù)航儲(chǔ)存等方面的優(yōu)勢(shì)使其相關(guān)配套設(shè)備亟待開發(fā)和升級(jí)。

1 氫儲(chǔ)存系統(tǒng)

1.1 氫儲(chǔ)存系統(tǒng)原理

由于液氫沸點(diǎn)低且極易蒸發(fā)，所以對(duì)液氫的貯存一般選用絕熱壓力容器；運(yùn)輸方式主要有公路、鐵路、海運(yùn)和航空等幾種；常用液氫儲(chǔ)存與運(yùn)輸形式總結(jié)于表1。隨著絕熱技術(shù)的發(fā)展以及高性能壓力容器材料的出現(xiàn)，液氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸朝著低蒸發(fā)率、高質(zhì)量密度的方向快速發(fā)展。

液氫的儲(chǔ)存離不開熱控技術(shù)，熱控技術(shù)分為主動(dòng)熱控和被動(dòng)熱控兩類。被動(dòng)熱控技術(shù)是指依靠絕熱方式（輻射屏布置方式、敷設(shè)絕熱材料）和改進(jìn)絕熱材料性能而減少液氫儲(chǔ)罐的傳熱量，達(dá)到保冷作用，降低液氫的蒸發(fā)損失。主動(dòng)熱控技術(shù)是使用低溫制冷設(shè)備（制冷機(jī)）保持氫工質(zhì)液相狀態(tài)。

這種技術(shù)使得液氫蒸發(fā)率接近零，但制冷機(jī)的使用限制了其使用場(chǎng)合，同時(shí)使得儲(chǔ)氫質(zhì)量密度減?。?］。表2為美國(guó)航空航天局格倫實(shí)驗(yàn)室所做的主動(dòng)熱控與被動(dòng)熱控各項(xiàng)數(shù)據(jù)的對(duì)比，研究表明在相同內(nèi)外溫差及相同漏熱量情況下，主動(dòng)熱控增加的質(zhì)量是被動(dòng)熱控增加的質(zhì)量的15倍，由于儲(chǔ)罐儲(chǔ)氫質(zhì)量密度要求較大，并且適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)率對(duì)燃料輸運(yùn)有幫助，綜合考慮漏熱量和熱控設(shè)備質(zhì)量等因素，選擇被動(dòng)熱控方式進(jìn)行絕熱保護(hù)，有利于儲(chǔ)罐減輕質(zhì)量，并能達(dá)到漏熱要求。

1.2 氫與常規(guī)燃料的比較

氫燃料具有熱值大（是航空燃油的3倍）和燃燒產(chǎn)物無(wú)污染等特點(diǎn)，較適合作為長(zhǎng)時(shí)間飛行的航空燃料。另外，液氫可提供冷量，用于冷卻飛機(jī)外表面，從而減少振動(dòng)和阻力。氫的比重輕，一旦泄漏會(huì)很快揮發(fā)上浮，而且氫在燃燒時(shí)熱輻射也較小。與煤氣、丙烷等氣體燃料相比，氫相對(duì)更加安全，可替代石油成為最有潛力的動(dòng)力燃料［9］。

比沖是液體發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的性能參數(shù)，與煤油、肼類等燃料相比，液氫+液氧比沖最高，在真空狀態(tài)下，液氫+液氧比沖最高大于420 s［10］，盡管液氫燃料成本較高，儲(chǔ)存體積巨大，這意味著可用較少體積的液氫燃料獲得相同的動(dòng)力載荷，中國(guó)的長(zhǎng)征5號(hào)等新一代火箭就采用液氫燃料。

如圖1可看出，氫燃料在各類常用燃料中擁有最大的質(zhì)量能量密度，但由于其密度小，釋放同樣的熱量需要比其他燃料更多的儲(chǔ)存空間，這就使得儲(chǔ)罐質(zhì)量增加，要想充分利用氫燃料的熱值就需要加大氫的儲(chǔ)存密度，使之變成液體甚至膠體來(lái)提高使用效率［11］。

1.3 氣體增壓方案

為保證按照設(shè)計(jì)的壓力、流量將推進(jìn)劑輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)泵或燃燒室的系統(tǒng)［12］就要控制燃料儲(chǔ)箱的氣枕壓力和承載內(nèi)壓，從而保證動(dòng)力裝置推進(jìn)系統(tǒng)的加注、泄出、排放、排氣與安全。飛行器液體發(fā)動(dòng)機(jī)因其任務(wù)和用途的差異提出不同的關(guān)于推力值、工作時(shí)間和工作狀態(tài)的要求，因此增壓輸送方案多種多樣。由于增壓輸送系統(tǒng)在動(dòng)力機(jī)械變工況下運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，需考慮變負(fù)荷的變氣枕壓力方案，而此方案對(duì)儲(chǔ)罐多壓力的承壓能力以及工作過(guò)程中低溫推進(jìn)劑漏熱蒸發(fā)引起的溫度分層而產(chǎn)生的自增壓部分需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

為解決這一系列新的技術(shù)問(wèn)題，增壓輸送系統(tǒng)發(fā)展成為眾多類型動(dòng)力、低溫系統(tǒng)的主流方案，根據(jù)液體推進(jìn)系統(tǒng)的工作方式，其增壓輸送系統(tǒng)主要分為擠壓式和泵壓式兩大類型［12-13］。

1.3.1 擠壓式氣體增壓方案

貯箱推進(jìn)劑在克服阻力的情況下，以足夠的氣枕壓力與流量，強(qiáng)迫推進(jìn)劑擠入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的增壓輸送系統(tǒng)［12］。為保證氣枕壓力能滿足損失壓力值，在系統(tǒng)初始將自增壓液相變?yōu)闅?，并逐漸受熱使氣體進(jìn)行自由膨脹體積變大，將推進(jìn)劑擠入燃燒室，擠壓式輸送系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：

1）系統(tǒng)動(dòng)作和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)沒(méi)有渦輪泵那樣復(fù)雜的工作程序，無(wú)旋轉(zhuǎn)組合件。

2）系統(tǒng)輸送壓力較高。推進(jìn)劑壓力必須克服輸送系統(tǒng)阻力損失，噴注器壓降，以滿足燃燒室的壓力要求。

3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量與飛行器工作時(shí)間、速度有直接關(guān)系，隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量增大，飛行速度增大，發(fā)動(dòng)機(jī)推力需增大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量也增大，其不產(chǎn)生推力的工質(zhì)的消極質(zhì)量也增大。

4）系統(tǒng)簡(jiǎn)單，部件最少，系統(tǒng)可靠性高。

5）有利于實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用。

由于擠壓式系統(tǒng)的工作原理，使其儲(chǔ)箱內(nèi)壓較大，對(duì)剛性容器的應(yīng)力要求較高，同時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)氣體承載量較大，設(shè)計(jì)的儲(chǔ)罐體積較大，罐體質(zhì)量較大［12］，但該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠，被廣泛應(yīng)用于包括導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、航天器等領(lǐng)域。

1.3.2 泵壓式氣體增壓方案

泵壓式增壓輸送系統(tǒng)可保證推進(jìn)劑儲(chǔ)罐內(nèi)氣枕壓力為低壓（0.15～0.60 MPa）狀態(tài)，推進(jìn)壓力完全依靠渦輪驅(qū)動(dòng)泵帶動(dòng)，在設(shè)計(jì)的額定揚(yáng)程下，將推進(jìn)劑泵送進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)［13］。其主要特點(diǎn)為：

1）泵前增壓輸送壓力較低，推進(jìn)劑箱增壓壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)推力無(wú)直接關(guān)系，發(fā)動(dòng)機(jī)硬件質(zhì)量基本上與飛行器工作時(shí)間無(wú)關(guān)。

2）在推力大、工作時(shí)間長(zhǎng)的飛行應(yīng)用中，一般比其他類型發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量小。

3）推進(jìn)系統(tǒng)有旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，系統(tǒng)較為復(fù)雜。

泵壓式增壓輸送系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是貯箱可保持低壓，對(duì)剛性容器的承載要求低、安全性較好，系統(tǒng)中推進(jìn)劑的壓力完全由渦輪泵驅(qū)動(dòng)，而渦輪泵是多葉片的動(dòng)力機(jī)械，當(dāng)設(shè)備裝置啟停時(shí)，渦輪泵不靈敏會(huì)引起系統(tǒng)滯后，不適用于變工況運(yùn)行的推進(jìn)系統(tǒng)。其系統(tǒng)類型有貯存式惰性氣體增壓式、自生增壓式、貯存式惰性氣體/自生增壓式。

無(wú)論是在氣體增壓作為主要增壓源的擠壓式輸送系統(tǒng)中，還是在氣體增壓作為輔助補(bǔ)壓的泵壓式輸送系統(tǒng)中，都需要引入氣體進(jìn)行外部增壓或自生增壓輸送。增壓通常采用氮?dú)夂秃鈦?lái)實(shí)現(xiàn)。在相同壓力下氦的沸點(diǎn)比氫低，且體積密度較小，在液氫溫區(qū)采用氦氣增壓效果明顯。

1.3.3 兩種增壓系統(tǒng)的總結(jié)與比較

氦氣擠壓加壓系統(tǒng)加壓源為氦氣源加壓，通過(guò)氦氣輸入到儲(chǔ)罐內(nèi)，作為外增壓氣體來(lái)驅(qū)動(dòng)液氫流動(dòng)，如圖2所示。

氦氣擠壓加壓輸送方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便快捷，但也存在明顯的缺點(diǎn)：1）無(wú)論是內(nèi)熱源的加入使得液氫蒸發(fā)加大蒸汽壓力，還是外氣源的導(dǎo)入使得液氫儲(chǔ)罐的壓力增加，這兩種方案都增加了儲(chǔ)罐的壓力，使得儲(chǔ)罐的壁厚增加，安全設(shè)計(jì)相應(yīng)提高，增加了制造成本；2）氣壓源將室溫線直接引入儲(chǔ)槽，使得在氣液界面插入管系上產(chǎn)生巨大的溫度梯度，這增加了發(fā)生振蕩的危險(xiǎn)性。

為避免管系熱聲振蕩問(wèn)題，需將輸氣管增長(zhǎng)，同時(shí)管內(nèi)流動(dòng)壓降加大，管道尺寸增加；另一種解決方式是安置低溫液氫泵加壓。通過(guò)液氫泵變工況控制揚(yáng)程，從根本上抑制振蕩的產(chǎn)生，可有效將液氫儲(chǔ)槽與配氣系統(tǒng)隔開，液氫儲(chǔ)槽可按常壓標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，其體積小、安全可靠、技術(shù)成熟、成本低。同時(shí)，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，調(diào)節(jié)泵的速度，實(shí)現(xiàn)有效合理的供氣量。液氫泵的布置可分為儲(chǔ)罐內(nèi)置與儲(chǔ)罐外置兩種方案。儲(chǔ)罐內(nèi)置方案（圖3a）的優(yōu)點(diǎn)是：減少了聯(lián)接機(jī)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)體積減小，冷損減小，但低溫泵的制造難度大。儲(chǔ)罐外置（圖3b）的優(yōu)點(diǎn)是：泵的幾何尺寸受到外系統(tǒng)限制較少，但對(duì)于整個(gè)輸運(yùn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，體積大、冷損大、聯(lián)接結(jié)構(gòu)多會(huì)帶來(lái)安全效率等問(wèn)題。

綜合來(lái)說(shuō)，兩種方案的共同缺點(diǎn)是泵的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)存在動(dòng)密封，沒(méi)有可靠的密封結(jié)構(gòu)可完全解決動(dòng)密封的泄露問(wèn)題，系統(tǒng)的安全性受到威脅。解決方案是，將低溫液體泵連同驅(qū)動(dòng)部分一起置于儲(chǔ)罐內(nèi)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：基本無(wú)附加漏熱，無(wú)動(dòng)密封泄露問(wèn)題，安全有保障，有助于解決低溫液體泵面臨的氣蝕現(xiàn)象。一般適用于發(fā)動(dòng)機(jī)總沖較小或推進(jìn)劑量相對(duì)較小、燃燒室壓力較低、發(fā)動(dòng)機(jī)推重比較小、需要反復(fù)短脈沖工作的推進(jìn)系統(tǒng)。在泵壓式系統(tǒng)中，推進(jìn)劑箱壓力低、貯箱質(zhì)量小、總沖較大、燃燒室壓力較高時(shí)，采用泵壓式較為適宜。采用泵壓為主、氣瓶補(bǔ)氣加壓為輔的增壓方式，既能控制流量，又可使儲(chǔ)罐內(nèi)壓力不會(huì)過(guò)高，減輕儲(chǔ)罐質(zhì)量。

2 液氫無(wú)損儲(chǔ)存系統(tǒng)方案

2.1 液氫儲(chǔ)箱設(shè)計(jì)方案

2.1.1 儲(chǔ)箱形狀設(shè)計(jì)

低溫液體儲(chǔ)罐應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形狀有球形（圖4a）和圓柱形（圖4b）兩種。在相同儲(chǔ)存能力（體積）條件下，球形儲(chǔ)罐表面積較?。ü?jié)省原材料）、受力性能好、冷損耗少（減少蒸發(fā)率）、冷卻周期短（減少預(yù)冷時(shí)間）和承載壓力高等優(yōu)點(diǎn)，但其在制造和安裝方面要求較高。圓柱形儲(chǔ)罐具有成型要求低、易加工等優(yōu)點(diǎn)，適用于工作壓力較低的場(chǎng)合［14］。

由表3可知，具有相同容積的球形儲(chǔ)罐和圓柱形儲(chǔ)罐，以圓柱儲(chǔ)罐的表面積為目標(biāo)函數(shù)，最優(yōu)化半徑求得時(shí)圓柱表面積最小，此時(shí)[S=29.01] m2，由此可知，最小的圓柱表面積也要比球體表面大14.5%，這說(shuō)明同等體積情況下，圓柱形儲(chǔ)罐漏熱量比球形儲(chǔ)罐漏熱量大14.5%，并且需使用更多的材料，增加了儲(chǔ)罐的整體質(zhì)量。

注：r—圓柱形周向截面半徑，mm；L—圓柱形長(zhǎng)度，mm。

對(duì)于液氫儲(chǔ)罐而言，單位存儲(chǔ)量和耗材是主要因素，但由于儲(chǔ)罐是高壓特種設(shè)備，內(nèi)裝特殊工質(zhì)，需考慮儲(chǔ)罐滿負(fù)荷、變負(fù)荷的靜水壓力載荷和內(nèi)壓載荷，對(duì)殼壁的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行評(píng)定是至關(guān)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。以下分別對(duì)圓柱形和球形儲(chǔ)罐殼壁的受力進(jìn)行分析計(jì)算。

圓柱體儲(chǔ)罐具有軸向?qū)ΨQ性，端面為半圓形；球形殼體在幾何特性上與圓筒形殼體不同，球形殼體是球心的立方體，球形殼體各點(diǎn)軸向與環(huán)向半徑相等，且對(duì)稱于球心。不同形狀其受力不同，利用工程力學(xué)中的截取法，計(jì)算不同受力方向的應(yīng)力，已知圓柱筒體上的軸向應(yīng)力[σ1]、周向（徑向）應(yīng)力[σ2]；球形立方體上的應(yīng)力為[σ]，根據(jù)靜力學(xué)平衡原理，建立內(nèi)壓不同方向的應(yīng)力與作用于殼壁橫截面上的拉力等式，得到不同方向的應(yīng)力值見表4。

圓柱體軸向合力作用于左右兩側(cè)封頭內(nèi)壁［17-18］，與之相對(duì)的是在圓筒截面上必然存在軸向拉力且數(shù)值相同；而徑向是圓形，具有圓心對(duì)稱性，在內(nèi)壓作用下，垂直于筒體截面的徑向力與筒體截面的縱向力產(chǎn)生的總拉力數(shù)值相同；由于受到周向作用力，在內(nèi)壓力作用下有使球殼變大的趨勢(shì)，垂直于殼體截面上的總壓力與殼體截面上的總拉力相等。由此分別得到不同外形儲(chǔ)罐受力與應(yīng)力平衡關(guān)系式［19-21］：

圓柱體軸向：

[pπ4D2=σ1πDδ]"""" （1）

圓柱體徑向：

[LDp=2Lσ2δ]"""" （2）

球體圓周力：

[pπ4D2=σπDδ]""""" （3）

式中：[p]——儲(chǔ)罐內(nèi)工質(zhì)作用于殼壁的內(nèi)壓力，N/m2；[D]——周向截面直徑，mm；[σ1]——圓柱體軸向應(yīng)力，N/m2；[δ]——儲(chǔ)罐殼壁壁厚，mm；[L]——圓柱體長(zhǎng)度，mm；[σ2]——圓柱體周向應(yīng)力，N/m2；[σ]——球殼周向應(yīng)力，N/m2。

從以上計(jì)算可知，[σ2=2σ1]，說(shuō)明在圓筒形殼體中，周向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的2倍。在相同罐內(nèi)壓力[p]、相同壁厚[δ]的條件下，球形殼體截面上產(chǎn)生的最大應(yīng)力與圓筒體容器產(chǎn)生的軸向應(yīng)力相等，但僅是圓筒形容器周向應(yīng)力的1/2，這說(shuō)明在相同壓力和直徑的情況下，球形殼體的壁厚為圓筒形殼體的1/2，驗(yàn)證了相同存儲(chǔ)量下球形殼體更節(jié)省原材料［21］。

綜合考慮質(zhì)量、受力性能和容積/表面積設(shè)計(jì)制造因素（見表5），得到的球形儲(chǔ)罐是最佳選擇。

2.1.2 絕熱結(jié)構(gòu)

液氫為極低溫工質(zhì)（20 K）與環(huán)境溫度（300 K）的大溫差使液氫儲(chǔ)罐的絕熱結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)而保證無(wú)損儲(chǔ)存。低溫液體儲(chǔ)罐被動(dòng)熱控采用多屏、真空多層絕熱方式。常用低溫絕熱材料有泡沫發(fā)泡材料、纖維絕熱材料（石棉、玻璃棉）、粉狀絕熱材料（珍珠巖、玻璃泡、氣凝膠）等。多層絕熱結(jié)構(gòu)是由高反射性的屏材料和此類低熱導(dǎo)率的絕熱材料、間隔材料所組成的復(fù)合多層結(jié)構(gòu)。常用屏材料有鋁箔、表面鍍鋁滌綸；間隔材料為玻璃纖維布（紙）、尼龍網(wǎng)、植物纖維紙［22-23］、電容器紙；常用復(fù)合材料有單SiO2粉末的噴鋁箔膜、填炭絕熱紙。

常用聚氨酯泡沫材料和鋁箔多層絕熱材料的密度和熱導(dǎo)率列于表6。從表6可看出，二者密度相差不大，但表觀熱導(dǎo)率相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。綜合考慮技術(shù)成熟度，對(duì)于減小儲(chǔ)罐蒸發(fā)量的控制、無(wú)熱膨脹、減輕儲(chǔ)罐質(zhì)量這3方面，液氫儲(chǔ)罐采用多層真空絕熱結(jié)構(gòu)［24］優(yōu)勢(shì)明顯。

2.1.3 支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)位于空間低溫容器的壓力容器與真空外殼之間。壓力容器和它所容納的低溫流體、元器件的全部質(zhì)量都通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)傳到真空外殼上。要提高支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度必然會(huì)增加漏熱量。如何兩者兼顧，往往是容器設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題之一。支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意選用導(dǎo)熱率小、強(qiáng)度高的材料，同時(shí)考慮由于受到容器體積限制，增加支撐結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的方法不能被考慮，所以支撐結(jié)構(gòu)需進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)。參考國(guó)內(nèi)外航空領(lǐng)域中幻影眼液氫氣機(jī)，其采用了耳軸式支撐結(jié)構(gòu)。圖5為國(guó)外用于液氫儲(chǔ)存系統(tǒng)的耳軸式支撐結(jié)構(gòu)示意圖，它將支撐結(jié)構(gòu)至少延長(zhǎng)了2倍以上，再加上減少接觸面積有效減少了漏熱，同時(shí)減少了儲(chǔ)罐內(nèi)外球殼相對(duì)晃動(dòng)，所以支撐結(jié)構(gòu)選擇耳軸式為最優(yōu)方案。

2.1.4 防晃措施

為保證儲(chǔ)罐在動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，在筒體的橫斷面上設(shè)置橫向防波板，以降低飛行器轉(zhuǎn)彎或者緊急躲閃時(shí)介質(zhì)對(duì)容器側(cè)壁的沖擊而引起的側(cè)向沖擊，在罐體內(nèi)設(shè)置縱向防波板。由于飛行器工作的大部分時(shí)間是在空中，進(jìn)行轉(zhuǎn)向或躲避的動(dòng)作較多，所以考慮采用縱向防波板，如圖6所示。

2.1.5 壁厚及強(qiáng)度計(jì)算

1）內(nèi)壓球殼壁厚

根據(jù)JB/T 4734—2002（鋁制焊接容器），查得2024鋁合金許用應(yīng)力［σ］t為110 MPa。球形殼體壓力適應(yīng)范圍為[pc≤0.4σtφ]。

內(nèi)球殼壁厚如式（4）所示，計(jì)算得到[δ=3.65] mm，取整4 mm。

[δ=pcDi4σtφ-pc]""nbsp;"" （4）

式中：[pc]——計(jì)算壓力，取0.6 MPa（液體靜壓最大值為0.0014 MPa）；[Di]——內(nèi)球殼內(nèi)直徑，取2.14 m；[φ]——焊接接頭系數(shù)，取0.8。

2）外壓球殼壁厚

根據(jù)文獻(xiàn)［25］，真空外殼壁厚δ如式（5）所示，[p]取0.12 MPa，代入公式計(jì)算得到[δ=2.47] mm，取整3 mm。

[δ=0.8Di′p31-μ2Et0.5+cr]"""" （5）

式中：[Di′]——外球殼內(nèi)徑，取2.394 m；[μ]——泊松系數(shù)，取2219鋁合金在4～77 K的平均泊松系數(shù)0.32；[Et]——彈性模量，取2024鋁合金在20 K的彈性模量80300 MPa。

2.2 總體方案

依據(jù)前文分析以及表7的設(shè)計(jì)要求，采用液氫無(wú)損系統(tǒng)儲(chǔ)罐式設(shè)計(jì)（如圖7所示），儲(chǔ)罐采用雙層真空絕熱結(jié)構(gòu)［24］；內(nèi)外球殼采用2219鋁合金材料；采用耳軸式支撐硬連接，以防止內(nèi)外球殼之間的晃動(dòng)；測(cè)量?jī)x表與閥門統(tǒng)一由儲(chǔ)罐加液口引出，以減少漏熱量；采用減壓閥保證儲(chǔ)罐內(nèi)壓力維持穩(wěn)定；排氣增壓閥用來(lái)進(jìn)行氣體增壓與儲(chǔ)罐內(nèi)多余氣體排出；儲(chǔ)罐下部用3個(gè)耳軸式支撐結(jié)構(gòu)固定內(nèi)外球殼。

2.3 液氫儲(chǔ)箱數(shù)值仿真計(jì)算

2.3.1 隔熱結(jié)構(gòu)絕熱效果分析

根據(jù)文獻(xiàn)［12］給出的在真空度10-9 MPa量級(jí)情況下，將表8代入表9。

表中：[Q1]—外球殼導(dǎo)熱量，W；[Q2]—真空夾層輻射換熱量，W；[Q3]—絕熱材料導(dǎo)熱量，W；[Q4]—內(nèi)球殼導(dǎo)熱量，W；[λ1]—環(huán)境溫度下鋁合金熱導(dǎo)率，取120 W/（m·K）；[λ2]—液氫溫度下鋁合金熱導(dǎo)率，取17 W/（m·K）；[λ]—多層絕熱材料熱導(dǎo)率，取0.00025 W/（m·K）；[ε1]、[ε2]—鍍鋁滌綸表面發(fā)射率，取0.03；[Q1=Q2=Q3=Q4=Q]代入方程聯(lián)立求解得到：[T1=21.83] K；[T2=310.88] K；[T3=317.99] K。

1）根據(jù)熱導(dǎo)率公式得到通過(guò)球殼壁面導(dǎo)熱與輻射漏熱量為11.6 W。

2）輸液管漏熱量7 W（鋁合金平均熱導(dǎo)率[λ=60 ]W/（m·K），輸液管外徑31 mm，內(nèi)徑25 mm，長(zhǎng)度660 mm）。

3）支撐結(jié)構(gòu)漏熱量0.57 W共6個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，總漏熱量為3.4 W（G10平均熱導(dǎo)率[λ=0.5 ]W/（m·K），支撐結(jié)構(gòu)直徑40 mm，長(zhǎng)度330 mm）。

綜上所述系統(tǒng)總漏熱量為22 W，熱流密度為1.47 W/m2。

根據(jù)導(dǎo)熱量以及汽化潛熱計(jì)算得到在設(shè)計(jì)情況下，由表10可知，多層真空結(jié)構(gòu)汽化量為0.05 g/s。1∶1比例構(gòu)建幾何模型，網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬溫度分布如圖8所示。球殼和支撐結(jié)構(gòu)及輸液管采用不同網(wǎng)格劃分方式。球殼：基于曲率的網(wǎng)格劃分方式，最大單元長(zhǎng)度50 mm，最小單元長(zhǎng)度10 mm。支撐結(jié)構(gòu)及輸液管：六面體網(wǎng)格，單元長(zhǎng)度5 mm。內(nèi)外壁溫度邊界條件22 K和318 K。

計(jì)算的溫度分布如圖9所示，由于球殼非常?。▋?nèi)殼4 mm，外殼5 mm），并且球殼兩側(cè)的溫差很小，所以球殼上幾乎沒(méi)有溫度梯度，漏熱量數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符，圖10為保溫材料沿厚度方向的溫度梯度云圖，其與理論計(jì)算完全相同。

可見，儲(chǔ)罐由于有真空絕熱層的保護(hù)，由內(nèi)球殼到外球殼的溫度分布均勻，呈現(xiàn)一定的溫度梯度變化，溫度梯度主要出現(xiàn)在進(jìn)液口頸部和支撐結(jié)構(gòu)桿上，這是由于整個(gè)儲(chǔ)罐的進(jìn)液口和支撐結(jié)構(gòu)的一端在大氣環(huán)境中，處于環(huán)境溫度下，而另一端與內(nèi)球殼中低溫工質(zhì)溫度接觸，極大的溫差通過(guò)固體導(dǎo)熱作用向儲(chǔ)罐內(nèi)球殼導(dǎo)熱，沿儲(chǔ)罐徑向產(chǎn)生溫度梯度。

2.3.2 強(qiáng)度分析

如圖11所示，球罐應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在外球殼赤道處、進(jìn)液口與內(nèi)外球殼的連接處、支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)外套管的連接處、支撐結(jié)構(gòu)與內(nèi)外球殼連接處。外球殼承受壓應(yīng)力，內(nèi)球殼承受拉應(yīng)力，對(duì)于壓力容器，壓應(yīng)力的破壞作用大于拉應(yīng)力。外球殼的壓應(yīng)力集中在赤道處，為減輕這種影響，在外球殼布置加強(qiáng)筋，支撐結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)筋的采用在一定程度上減小了儲(chǔ)罐的應(yīng)變，起到了保護(hù)作用。進(jìn)液口不但用于加注液體，而且通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)與內(nèi)外球殼連接，對(duì)儲(chǔ)罐產(chǎn)生向上的提拉力，所以在連接處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中。由于考慮減小漏熱，支撐結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)以盡量小為宜，由于重力與熱應(yīng)力的作用，在下支撐板與內(nèi)球殼的連接處出現(xiàn)應(yīng)力峰值（為264 MPa），取安全系數(shù)1.8，此處溫度為液氫溫度，計(jì)算得到屈服強(qiáng)度在462 MPa以上，符合材料強(qiáng)度要求（2219鋁合金材料在295 K溫度下的屈服強(qiáng)度為353 MPa，77 K為462 MPa，4 K為511 MPa）。

另外，模擬結(jié)果顯示輸液管入口和上支撐結(jié)構(gòu)與內(nèi)外球殼連接根部的應(yīng)力也較集中，約為200 MPa，取鋁合金安全系數(shù)1.5和玻璃鋼安全系數(shù)2.1，由于支撐結(jié)構(gòu)采用玻璃鋼材料，屈服強(qiáng)度在常溫下為519 MPa，所以未超過(guò)屈服強(qiáng)度，符合使用安全標(biāo)準(zhǔn)。為增強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)及輸液管與內(nèi)外球殼連接強(qiáng)度，采用加強(qiáng)板及肩臺(tái)固定連接處的方式減小應(yīng)力。

2.4 液氫儲(chǔ)存安全性設(shè)計(jì)

液氫易燃易爆，需對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行安全設(shè)計(jì)：

1）在儲(chǔ)罐與環(huán)境之間設(shè)置實(shí)物屏障，并且當(dāng)物理隔離屏障完整性被破壞時(shí)，可及時(shí)探測(cè)到此事故的失效探測(cè)系統(tǒng)也是必須的；

2）采用高純氫，并保證氧含量在極低范圍小于10-7；

3）氫儲(chǔ)存系統(tǒng)的運(yùn)行壓力恒高于環(huán)境壓力；

4）氫設(shè)備及輸氫管道外設(shè)保護(hù)氣，以阻止氫氣與空氣接觸；

5）保證氫系統(tǒng)清潔性并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氫系統(tǒng)保護(hù)氣層或真空層的壓力變化。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有低溫儲(chǔ)罐（有效容積500 L）的蒸發(fā)量進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，獲取蒸發(fā)量經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，實(shí)驗(yàn)采用工質(zhì)液氦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如圖12所示，將輸液管道兩端同時(shí)緩慢插入加注罐與500 L液氫儲(chǔ)罐，連接加注罐與500 L測(cè)試儲(chǔ)罐。通過(guò)加壓氣瓶增壓，維持加注罐與500 L測(cè)試儲(chǔ)罐之間約0.02 MPa的壓差，加注液氦；待測(cè)試儲(chǔ)罐壓力表壓力指數(shù)反復(fù)振蕩劇烈跳變，排氣口出現(xiàn)濃烈霧狀氦氣束，表明儲(chǔ)罐已經(jīng)充滿液氦，停止加注；待儲(chǔ)罐及液體處于熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)后，靜置稱量質(zhì)量，記錄初始總質(zhì)量；每隔一定時(shí)間，稱量?jī)?chǔ)罐總質(zhì)量，并記錄；通過(guò)計(jì)算質(zhì)量差，得到液氫儲(chǔ)罐蒸發(fā)量和蒸發(fā)率。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 絕熱技術(shù)繼承性

液氦在沸點(diǎn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的密度為0.125 kg/L，汽化潛熱為20.9 kJ/kg。儲(chǔ)罐在不同注滿率下的平均日蒸發(fā)量為2.2 L/d，計(jì)算得到儲(chǔ)罐的單日漏熱量為5.75 kJ（0.067 W），熱流密度為0.02 W/m2。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液氫的沸點(diǎn)溫度為20.39 K，液氦為4.23 K。液氫儲(chǔ)罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度的溫差小于液氦儲(chǔ)罐，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，在外界環(huán)境、儲(chǔ)存條件相同的情況下，液氫儲(chǔ)罐內(nèi)外溫差為儲(chǔ)存液氦溫差的0.94倍，所以熱流密度為0.019 W/m2；另外，液氫的汽化潛熱為445.4 kJ/kg，為液氦的21倍多，所以同樣儲(chǔ)存情況下液氫的蒸發(fā)率也要小于液氦。上述兩點(diǎn)證明，本文實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐的絕熱形式能夠滿足熱流密度小于1.4 W/m2，儲(chǔ)氫密度為39.4%（液氫/（液氫+儲(chǔ)罐+保溫材料+支撐結(jié)構(gòu)+防波板+輸液口）），日均蒸發(fā)量小于2.2 L/d，可達(dá)到氫無(wú)損儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

將儲(chǔ)罐注滿液氦靜置，每隔一定時(shí)間，測(cè)量?jī)?chǔ)罐總重量（罐體+儲(chǔ)存液體），計(jì)算得到液氫儲(chǔ)罐蒸發(fā)率。由表11可看出，儲(chǔ)罐在不同質(zhì)量（297.2 kg和271.8 kg）、不同注滿率（95%和55%）下，實(shí)驗(yàn)得到日均蒸發(fā)量分別為2.8 L/d和1.6 L/d，計(jì)算得到平均日蒸發(fā)量為2.2 L/d，根據(jù)液氦在沸點(diǎn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的密度為0.125 kg/L，汽化潛熱為20.9 kJ/kg，計(jì)算得到儲(chǔ)罐的單日漏熱量為5.75 kJ（0.067 W），熱流密度為0.02 W/m2。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液氫的沸點(diǎn)溫度為20.39 K，液氦沸點(diǎn)為4.23 K。液氫儲(chǔ)罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度的溫差小于液氦儲(chǔ)罐，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，在外界環(huán)境、儲(chǔ)存條件相同的情況下，液氫儲(chǔ)罐內(nèi)外溫差為儲(chǔ)存液氦溫差的0.94倍，所以熱流密度為0.019 W/m2；另外，液氫的汽化潛熱為445.4 kJ/kg，約為液氦的21倍，所以同樣儲(chǔ)存情況下液氫的蒸發(fā)率也要小于液氦。上述兩點(diǎn)證明，本文實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐的絕熱形式能夠滿足熱流密度小于1.4 W/m2，儲(chǔ)氫密度為39.4%（液氫/（液氫+儲(chǔ)罐+保溫材料+支撐結(jié)構(gòu)+防波板+輸液口）），日均蒸發(fā)量小于2.2 L/d，可達(dá)到氫無(wú)損儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 儲(chǔ)氫質(zhì)量密度技術(shù)繼承性

研制儲(chǔ)罐的儲(chǔ)氫密度可通過(guò)實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐的儲(chǔ)氫密度估算，實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐由304不銹鋼制造，由于304不銹鋼的密度是2219鋁合金的2.78倍，2219鋁合金的熱導(dǎo)率是304不銹鋼的7～8倍，所以實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐的儲(chǔ)氫密度小于研制儲(chǔ)罐的儲(chǔ)氫密度，如表12所示。

4 結(jié) 論

氫作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、能源汽車、燃料電池的優(yōu)質(zhì)燃料被廣泛使用，然而其相關(guān)配套的儲(chǔ)存與運(yùn)輸系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)研究較少，亟需開發(fā)與升級(jí)。利用低溫儲(chǔ)罐儲(chǔ)運(yùn)液氫已成為氫能儲(chǔ)運(yùn)的首選，由于液氫沸點(diǎn)低、潛熱值低以及易燃易爆的特性，對(duì)儲(chǔ)罐的絕熱性能、力學(xué)性能、安全性能提出了更高的要求，優(yōu)化并預(yù)測(cè)液氫儲(chǔ)罐在大氣環(huán)境下液氫儲(chǔ)罐內(nèi)蒸發(fā)量、傳熱量、應(yīng)力應(yīng)變量對(duì)無(wú)損儲(chǔ)運(yùn)顯得極其重要，可為后續(xù)國(guó)內(nèi)液氫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1）液氫具有高熱值、大儲(chǔ)存密度的特點(diǎn)，是氫燃料最優(yōu)儲(chǔ)存態(tài)；采用泵壓為主、氣瓶補(bǔ)氣加壓為輔輸送方式可實(shí)現(xiàn)變工況調(diào)節(jié)；綜合受力性能和容積/表面積設(shè)計(jì)等因素，球形儲(chǔ)罐是最佳選擇。

2）依據(jù)氫無(wú)損儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求而設(shè)計(jì)的液氫儲(chǔ)罐，采用雙層真空絕熱結(jié)構(gòu)多層真空絕熱（鍍鋁滌綸薄膜絕熱材料）；內(nèi)外球殼為2219鋁合金材料；儲(chǔ)罐下部3個(gè)耳軸式支撐結(jié)構(gòu)連接固定內(nèi)外球殼；采用泵壓式外加補(bǔ)氣瓶增壓輸送方式；測(cè)量?jī)x表與閥門統(tǒng)一由儲(chǔ)罐加液口引出；采用減壓閥保證儲(chǔ)罐內(nèi)壓力維持穩(wěn)定，排氣增壓閥用來(lái)進(jìn)行氣體增壓與儲(chǔ)罐內(nèi)多余氣體排出。

3）數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了帶有絕熱支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的液氫儲(chǔ)罐絕熱性能，外球殼厚度5 mm、內(nèi)球殼厚度4 mm條件下，液氫儲(chǔ)罐能夠達(dá)到熱流密度小于1.4 W/m2、儲(chǔ)氫密度39.4%、日蒸發(fā)量小于2.2 L/d的無(wú)損儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，為下一步設(shè)計(jì)、制造高性能低溫儲(chǔ)罐打下基礎(chǔ)。

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RESEARCH AND DESIGN FOR ZERO BOIL-OFF

STORAGE OF HYDROGEN

Shao Xue1，2，Zhang Shanshan1，Hou Chenyu1，Zhu Shiqing1

（1. School of Civil and Architectural Engineering， Liaoning University of Technology， Jinzhou 121001， China；

2. CAS Key Laboratory of Cryogenics， Technical Institute of Physics and Chemistry， Beijing 100190， China）

Abstract：Aiming at the application requirements of hydrogen fuel in power systems， the research mainly focused on two sides： hydrogen storage and pressurization transport， including that the research status was reviewed， the principle of hydrogen storage was introduced， the storage and transportation scheme was summarized， the advantages and disadvantages were compared， and the strategy for enhancing system security hydrogen was valid， further， the zero boil-off storage schemes were compared. According to the system requirements and technology guide line for zero boil-off storage of hydrogen， the liquid hydrogen （LH2） storage tank was designed， related techniques were indicated below： firstly， the shape designing of a storage tank， the selection of thermal insulation structure， the demonstration of schemes for support structure， the designing of sloshing suppression for LH2 storage tank， and analysis of the design of strength； in addition， the heat transfer and strength of LH2 storage tanks were numerical calculated using CFD modules to evaluate the insulation effect of cryogenic insulation structures and analyzed the stress-strain of loaded LH2 storage tanks to strength calculation in cryogenic conditions； Finally， the test verified that the designed LH2 storage tank can meet the design requirements of zero boil-off storage that the value of heat flux was less than 1.4 W/m2. The results provided a theoretical basis and guidance for designing， developing， numerical simulation， and applying LH2 storage tanks in China.

Keywords：hydrogen fuel； liquid hydrogen storage tank； zero boil-off storage； numerical simulation； test verification