一種低溫液氫加注閥的設計研究

陳 紅 朱喬峰 王曉月 王紹成

(北京航天動力研究所 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備,是氫儲運過程中的關鍵部件。由于閥內流通的是低液氫介質,要求液氫加注閥應具備良好的安全使用性能。此外,閥門自身的絕熱性能關乎介質的利用率,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化絕熱層結構來削弱換熱,該方式對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計中的重點,因外界環境與閥門內部溫差較大,一體式操作閥桿可能出現因局部受熱不均而變形量不一致的情況,進而導致閥門操作不利。

目前,整個國際液氫加注閥設備市場,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 公司在液氫生產及使用過程有多年的應用經驗,且液氫加注已有成熟的產品,產品結構簡圖如圖1所示,閥門采用的是雙球閥聯動的方式來控制管路通斷,結構較為復雜,生產成本高,出售價格較為昂貴。

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

相對而言,國內用于調節低溫流體通斷的閥門較少,且為節省生產成本,國內液氫加注過程中多通過法蘭或者快接卡扣連接,在對接面前后通過額外的閥門實現流體的輸送控制,因此在兩個閥門之間留存有大量的殘留液氫,具有一定的危險性。此外,對接結構處完全暴露在外,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,同時填補國內民用液氫加注閥技術空白,有必要開展液氫加注閥高絕熱低殘留結構技術研究。本設計在普通球閥的結構基礎上設計了一款液氫加注閥,通過高真空絕熱技術增強了閥門絕熱性能;采用上下閥桿連動設計,可避免一體式操作閥桿因變形量不一致而導致操作卡滯的現象;采用加注槍和加注口內外圓筒對接的設計方式,可減小液氫對接體積,進而降低液氫加注結束后的液氫殘留量。

2 低溫液氫加注閥設計

所設計的液氫加注閥用于低溫液氫管路的流通和切斷,因此,液氫加注閥在設計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、開關迅速等特點,因此本文在常用球閥結構的基礎上設計滿足超低溫環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,加注槍結構如圖2 所示,加注口結構如圖3 所示。加注槍入口處接真空軟管,內外層分別與真空軟管內外層連接并密封;加注口的出口連通真空絕熱貯箱,外層為貯箱外殼,內層為貯箱內膽。工作時,加注口由加注槍出口處進入實現同軸對接,打開液氫加注閥,可向貯箱內加注液氫。

圖2 加注槍的二維結構簡圖Fig.2 Two-dimension structure diagram of filling qun

圖3 加注口的二維結構簡圖Fig.3 Two-dimension structure diagram of filling port

2.2 閥門隔熱設計

該閥門同時采用3 種能夠有效降低液氫漏熱量的結構設計方式。

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

(2)閥桿分段設計。除了閥體表面與周圍環境的熱交換外,閥桿和傳動機構成為整閥漏熱的主要部位。此外,由于真空腔內外殼體之間存在溫度差,導致閥門工作時內部殼體收縮,下端閥桿將出現軸向偏移,結合圖2 的結構簡圖,假設閥桿軸線距離右側端面距離L=195 mm,真空腔外殼溫度為288 K,內部閥體溫度20 K,因此,內部結構收縮導致下閥桿向左側移動距離為:ΔL=Lαα1ΔT=0.87 mm。

將閥桿設計為上下分段的結構形式,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軸器形式進行連接,聯軸器中設置陶瓷滾柱。十字滑塊能夠有效適應上下閥桿因溫度差帶來的的軸向偏移,同時陶瓷滾柱能夠提高聯軸器滑塊動作靈活性,其次滾柱將聯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)節流環與下閥桿間隙配合設計。節流環與下閥桿間隙配合設計,一方面保證操作閥桿時的動作靈活性,另一方面當有少量液氫經配合間隙進入波紋管內腔后,體積膨脹,形成氣阻,避免更多的液氫進入內腔,進一步提高了閥門的隔熱性能。

2.3 降低閥門液氫殘留量設計

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,殘留在閥門內部的液氫,液氫殘留量與閥門內部的對接體積大小有關,對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,本文設計的閥門采用加注槍和加注口內外圓筒對接的設計方式,如圖4 所示,可大大減小液氫對接體積,降低液氫加注結束后液氫殘留量。

圖4 加注口與加注槍的對接方式結構簡圖Fig.4 Structure diagram of docking method for filling port and filling gun

3 超低溫液氫加注閥設計計算

3.1 下閥桿的分析與校核

力矩包括:轉動球體的流體動力矩T1,克服凸輪機構頂起頂桿力矩T2,軸承轉動阻力矩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 聯軸器強度分析與校核

聯軸器結構尺寸如圖6 所示。

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

在轉動閥桿時,單個陶瓷滾柱受力為:T’=FgL。

利用ANSYS 進行強度分析,得到如圖7 結果?？芍畲蠼佑|壓力為1 461 MPa,而氮化硅陶瓷在接觸應力為6.07 GPa 時,壽命為2.358 ×106次,隨著接觸應力降低,壽命將進一步增大[1],因此在這種應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軸器實現,同時在下閥桿設置節流環,節流環與閥桿之間為小間隙配合,不起密封作用,當少量液氫進入波紋管內腔吸熱氣化后,體積膨脹,形成氣阻,避免液氫介質進入內腔,保證上閥桿和波紋管接觸與氣態氫接觸,進一步降低傳熱量。

(1)材料設定:上、下閥桿和聯軸器滑塊為不銹鋼材質;滾柱為陶瓷材料;波紋管為不銹鋼結構;節流環為聚四氟乙烯。

(2)邊界條件:下閥桿及節流環下端面為對流換熱邊界,換熱系數為90 W/(m2·K),介質溫度為20 K;上閥桿外側為對流換熱邊界,換熱系數為15 W/m2·K,介質溫度為288 K。

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

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驗證

由于液氫試驗存在一定的危險性,因此,試驗中使用低溫液氮對閥門進行預冷,進而測試閥門的低溫絕熱性能,試驗系統如圖9 所示。試驗室內環境溫度是26 ℃,試驗前為液氫加注閥抽真空,真空度為1.4 Pa。在試驗過程中,不斷向液氫加注閥內澆灌液氮,與此同時,使用手持紅外測溫儀每隔5 min 測量圖9 中的3 個測溫點的溫度,并記錄試驗數據,同時觀察液氫加注閥表面情況。

圖9 閥門絕熱性測試試驗Fig.9 Value insulation test

液氫加注閥表面上3 個測溫點的溫度變化情況如圖10 所示,可以看出:在0—30 min 內,1 號和3 號測溫點的溫度均呈下降趨勢,30—50 min 內,測溫點的溫度基本穩定,都在0 ℃以上;2 號測溫點的溫度下降幅度較小,維持在20 ℃以上,總體上試驗測得的結果滿足設計要求。

圖10 3 個測溫點的溫度變化情況Fig.10 Temperature changes at 3 temperature measurement points

6 結語

設計了一種液氫加注閥,該閥門采用高真空絕熱技術,可有效降低閥門整體的漏熱量,減少液氫因吸熱氣化而導致的介質損耗。采用上、下閥桿分段的設計方式可彌補閥體內部結構因低溫作用而產生的變形量;采用加注槍和加注口內外圓筒對接的設計方式,減小了液氫對接體積,可大大降低液氫加注結束后液氫殘留量。對閥門上、下閥桿受力、聯軸器強度等進行理論分析與校核,并利用FLUENT 軟件仿真分析了上下閥桿、波紋管的溫度場的分布情況,最后通過試驗測試了閥門的絕熱性能。研究結果表明該閥門具備在低溫工作環境下實現管路的快速通斷功能,對同類產品的設計開發具有借鑒作用。