套管式高壓氫氣換熱器的傳熱與阻力性能設計

摘 要：高壓氫氣預冷對于有效控制氫燃料電池汽車車載高壓儲氫瓶的快充溫升、從而保證其安全性至關重要。本文針對套管式換熱器對于加氫站氫氣預冷的高壓、小流量特點的適用性，建立了套管式高壓氫氣換熱器傳熱與阻力性能的設計計算方法，并給出了設計案例。

關鍵詞：高壓儲氫瓶;放氫;集總參數;計算流體動力學;模型

1 引言

氫能具有清潔無污染、可利用可再生能源制取、原料來源廣泛、氫燃料電池能量轉換效率高突出等優點，對解決“能源短缺”和“環境污染”兩大世界性難題具有重要意義，被譽為21世紀的能源[1]。近年來，隨著氫能技術和產業的快速發展，氫燃料電池汽車以其綠色環保、加注燃料快捷、能量轉換效率高等優點引起了世界各國的高度重視[2]。在各種儲氫方式中，高壓氫氣儲氫以其制備能耗明顯低于液氫、充放氫便捷、結構形式簡潔、技術成熟等優點成為了當前車載儲氫和燃料電池汽車加氫站儲氫的主要方式[3]。目前，為達到與汽油車相似的續航里程，氫燃料電池汽車多采用35MPa或70MPa的車載高壓儲氫瓶進行儲氫。車載高壓儲氫瓶主要由金屬內襯（III型瓶）或塑料內襯（IV型瓶）與內襯外部的碳纖維-樹脂復合材料增強層組成，由于氣瓶充裝速率快（通常在3～5min內完成）、復合材料增強層的熱導率低，車載高壓儲氫瓶在充裝過程中會由于內部氫氣的不斷壓縮而產生明顯的溫升，而一旦該溫度超高標準所規定的85℃安全溫度上限，便很可能導致復合材料層的破壞，產生嚴重的安全問題[4-6]。為有效控制高壓儲氫瓶的快充溫升，目前工業界比較普遍的做法是在加氫槍前設置高壓氫氣換熱器，在高壓氫氣充入氣瓶前對其進行預先冷卻到SAE J2601中規定的溫度（如-40℃）[6]。因此，高壓氫氣換熱器的傳熱與阻力性能設計就顯得極為重要。

本文針對加氫站內高壓氫氣換熱器壓力高、流量較小的特點，選用套管式換熱器對高壓氫氣進行預冷，并針對套管式高壓氫氣換熱器建立了其傳熱性能與阻力性能的設計方法。

2 傳熱面積與壓降的計算模型

套管式高壓氫氣換熱器的結構示意圖如圖1所示。其中，高壓氫氣在內管中流動，冷媒在內、外管之間的環隙中流動，采用逆流換熱的方式。

2.1 高壓氫氣的熱物性計算

本文采用NIST推薦的高精度氫氣狀態方程來計算高壓氫氣的溫度、壓力、密度、比熱容、比焓等熱力系狀態參數[8，9]。該狀態方程將亥姆霍茲自由能表達為理想氣體項與剩余項之和，通過剩余項來表征高壓氫氣的實際氣體效應;在此基礎上，利用亥姆霍茲自由能與其他熱力系參數之間的一般關系，求出其余熱力系參數的表達式[7]。其亥姆霍茲自由能的表達式如下：

2.2 管路摩擦因子

對于內管和套管環隙中的摩擦因子均基于以下公式進行計算[12]：

2.3 對流傳熱系數

對套管式高壓氫氣換熱器，其內管和環隙內的對流傳熱系數均可按下式進行計算[13]：

2.4 傳熱面積與壓降

套管式高壓氫氣換熱器所需換熱速率可用下式表示：

式中，和分別表示高壓氫氣的進、出口比焓，為換熱器所需換熱速率，表示以內管外壁面為基準的總傳熱系數，表示內管的對流傳熱系數，表示環隙處的對流傳熱系數，表示內管管壁材料的熱導率，表示換熱器的對數平均溫差。

3 設計案例

以下為加氫站高壓氫氣換熱器的設計案例，其設計工況如表1所示。

所選取的冷媒為HC50，其參數如表2所示[15]。

計算所得的傳熱面積、氫氣側和冷媒側壓降如表3所示。

4 結論

本文針對燃料電池汽車加氫站用套管式高壓氫氣換熱器，基于高壓氫氣熱物性模型、對流傳熱系數與摩擦因子的經驗公式、套管式換熱器的穩態傳熱理論建立了套管式高壓氫氣換熱器傳熱與阻力性能的設計計算方法，為確保高壓氫氣充裝時的預冷效果提供了實用的設計工具。

參考文獻：

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[13]Lestina，Thomas，Serth，Robert W.Process heat transfer Principles and applications.2007.

[14]https：//www.maximator.cn/MaxProducts/chaogaoyaguanfajian/22500psizhongyazhe/2017/0411/414.html.

[15]https：//www.nugentec.com/nutherm-hc-50.

作者簡介：趙磊（1985-），男，北京人，工學博士，講師，研究方向：氫儲運與氫安全。