鄭平軍 安 剛

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京 100074)

1 引 言

隨著化石能源的短缺和制氫技術(shù)的發(fā)展，人類對氫能的開發(fā)和利用越來越廣泛。液氫作為氫氣的一種儲存和利用方式，當(dāng)前主要用作運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑，在不久的將來，可能成為飛機(jī)、汽車甚至家用燃料。本文重點(diǎn)對液氫生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行研究，該設(shè)備是一套氦制冷氫液化循環(huán)系統(tǒng)，整套系統(tǒng)主要由氦壓縮機(jī)系統(tǒng)和真空絕熱冷箱組成。在冷箱中，氫液化過程中所需的冷量主要由氦氣布雷頓制冷循環(huán)和液氮預(yù)冷過程提供。布雷頓制冷循環(huán)中，氦作為制冷工質(zhì)，在膨脹機(jī)中獲得氫液化的溫度，通過板翅式換熱器使氫液化。整個(gè)氫液化循環(huán)可分為兩個(gè)流程:氦制冷循環(huán)流程和氫液化流程，如圖1所示，表1中示出了本套氫液化設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)。

氦制冷循環(huán)是一個(gè)封閉過程。壓縮到15×105Pa左右的氦氣經(jīng)換熱器E1，E2及E3冷卻后，在膨脹機(jī)中膨脹至能使氫液化的溫度，然后經(jīng)換熱器E4、E3和E1復(fù)熱后返回氦壓縮機(jī)。

氫液化流程:如圖1所示，壓力為11×105Pa左右的氫氣首先從常溫降溫至81 K，降溫過程中液氮通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)入冷箱內(nèi)部的氣液分離器，氣液分離器底部的液氮流經(jīng)換熱器E2，在換熱器E2中氫氣被冷卻至約81 K。吸熱蒸發(fā)后的氮?dú)庠趽Q熱器E1中將氫氣和氦氣來流氣體進(jìn)行預(yù)冷。

圖1 氦制冷氫液化系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of helium refrigeration hydrogen liquefier system

氫氣從81 K冷卻至19.5 K的冷量由氦氣布雷頓制冷循環(huán)提供，在換熱器E4中被氦氣冷凝后，節(jié)流進(jìn)入100 m3液氫貯罐，未液化的氫氣復(fù)熱后返回氫壓縮機(jī)。氫冷卻過程中采用多級催化劑，使得正氫在不同溫度級向仲氫轉(zhuǎn)化。

表1 氫液化主體設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technology parameter of hydrogen liquefier system

為了從能量的數(shù)量和品質(zhì)方面評價(jià)該氫液化系統(tǒng)能量利用或轉(zhuǎn)換的效率，研究采用火用分析方法對該氫液化系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和利用效率進(jìn)行分析，找出該裝置中能量利用率不高的部位，從而為設(shè)計(jì)新裝置或改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備提供重要的參考［1］。

液化系統(tǒng)中的能量損失不僅存在于液化器本身，例如壓縮機(jī)或者透平膨脹機(jī)不可逆損失，換熱器的漏冷損失等，而且同樣發(fā)生在液氫的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中。本文結(jié)合液化工藝流程，僅對從氫氣供應(yīng)到氫液化及液氫轉(zhuǎn)注到貯罐的生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行火用分析［2］。

2 系統(tǒng)熱力學(xué)分析模型建立

熱力學(xué)關(guān)心的是能量轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)性，即花費(fèi)一定的補(bǔ)償能，可以收到多少制冷量［3］。為了對實(shí)際運(yùn)行過程中的一套氫液化設(shè)備進(jìn)行熱力學(xué)分析，本文從理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)兩個(gè)循環(huán)過程對該系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1 理想過程分析

布雷頓(Brayton)制冷循環(huán)是以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，其工作過程包括等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及等壓吸熱4個(gè)過程。

理論循環(huán)中，假定壓縮過程和膨脹過程均為理想絕熱過程，吸熱和放熱均為理想等壓過程(即沒有壓力損失)，并且換熱器出口處沒有端部溫差。其壓容圖及溫熵圖如圖2所示。圖中T0是冷箱中制冷溫度，Tc是環(huán)境介質(zhì)的溫度，1－2是等熵壓縮過程，2－3是等壓冷卻過程，3－4是等熵膨脹過程，4－1是在冷箱中的等壓吸熱過程。

圖2 布雷頓理論制冷循環(huán)壓容圖及溫熵圖Fig.2 p-v and T-S diagram of Brayton refrigerate cycle

2.2 實(shí)際過程分析

實(shí)際上，由于組成液化循環(huán)的各過程總是存在不可逆性，如壓縮機(jī)工作過程的不可逆損失、換熱器不完全熱交換損失、環(huán)境介質(zhì)傳熱給低溫設(shè)備引起的冷量損失和透平膨脹過程中的不可逆損失等等。因此任何一種理論上的理想循環(huán)都是不可能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際運(yùn)行過程中的氦制冷氫液化系統(tǒng)的T-S圖如圖3所示［2］。

圖3 氦制冷氫液化系統(tǒng)的T-S圖Fig.3 T-S diagram of helium refrigeration hydrogen liquefier system

對液化系統(tǒng)進(jìn)行火用分析，就要從能量的數(shù)量和品質(zhì)兩方面對液化系統(tǒng)各個(gè)部件進(jìn)行統(tǒng)一的評價(jià)?；鹩檬且粋€(gè)綜合考慮了熱力學(xué)第一定律和第二定律的狀態(tài)參數(shù)，單位質(zhì)量工質(zhì)的火用可表示為［3－4］:

式中:h，s分別為某狀態(tài)下的焓和熵;ha，sa分別為環(huán)境狀態(tài)下的焓和熵。

在計(jì)算一個(gè)穩(wěn)態(tài)流動過程的火用損失時(shí)，需要用到火用差，即:

火用分析法一般通過火用損失系數(shù)REx，i和火用損失率di衡量，定義為:

式中:REx，i為部件 i的火用損失 Exl，i占系統(tǒng)總供給火用Exl的比值。

式中:di為部件 i的火用損失 Exl，i占系統(tǒng)總的火用損失比例。

3 系統(tǒng)熱力學(xué)計(jì)算

為便于對系統(tǒng)中各個(gè)部件分析方便，計(jì)算中基于以下假設(shè)［5－6］:

(1)不計(jì)液化系統(tǒng)各部件中的漏冷損失;

(2)忽略管道中的壓力損失。

根據(jù)氦制冷氫液化循環(huán)實(shí)際運(yùn)行過程中的狀態(tài)參數(shù)值以及能量平衡方程求出流程中各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)值見表2－表4。

表2中是氦氣制冷循環(huán)工藝流程中的各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)值。

表3中為氫氣被冷卻冷凝過程中的各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)值。

表4中為氫氣和氦氣預(yù)冷過程中所需液氮和氮?dú)獾臓顟B(tài)參數(shù)值。

以下采用式(1)－式(4)逐個(gè)分析氫液化系統(tǒng)中各部件的火用損失

3.1 壓縮機(jī)

氦氣首先經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至高溫高壓，然后在壓縮機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的換熱器中降溫至常溫。因此分析過程中將氦氣壓縮過程近似為等溫壓縮。螺桿式壓縮機(jī)等溫效率ηT=0.6。

單位質(zhì)量工質(zhì)所耗功量:

表2 氦氣各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)Table 2 State parameter of each point on helium refrigeration system

表3 氫氣各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)Table 3 State parameter of each point on hydrogen pipes

表4 氮?dú)飧鼽c(diǎn)狀態(tài)參數(shù)Table 4 State parameter of each point on nitrogen pipes

壓縮機(jī)壓縮單位介質(zhì)所耗的實(shí)際功量:

系統(tǒng)總耗能:

氦氣在壓縮機(jī)內(nèi)得到的火用值為:

壓縮機(jī)火用損失:

3.2 換熱器E1、E2、液氮槽

以E1、E2、液氮槽整體為研究對象，如圖4所示，1、2表示高溫氦氣進(jìn)出換熱器的狀態(tài)，6、7表示低溫返流氦氣進(jìn)出換熱器的狀態(tài)，a、c表示氫氣進(jìn)出換熱器的狀態(tài)，In、Out分別表示液氮進(jìn)入換熱器的狀態(tài)、氮?dú)獬鰮Q熱器的狀態(tài)。

氦氣進(jìn)出換熱器火用損為:

圖4 換熱器E1、E2和液氮槽的火用分析圖Fig.4 Exergy Analysis of Exchange E1、E2 and LN2pot

氫氣放熱火用損為:

液氮吸熱火用損為:

3.3 E3換熱器

如圖5所示，2、3表示高溫氦氣進(jìn)出換熱器的狀態(tài)，5、6表示低溫返流氦氣進(jìn)出換熱器的狀態(tài)，c、d表示氫氣進(jìn)出換熱器的狀態(tài)。

圖5 換熱器E3的火用分析圖Fig.5 Exergy analysis of exchange E3

氦氣進(jìn)出換熱器火用損為:

氫氣放熱火用損為:

3.4 E4換熱器

如圖6所示，4、5表示低溫返流氦氣進(jìn)出換熱器的狀態(tài)，d、e表示氫氣進(jìn)出換熱器的狀態(tài)。

圖6 換熱器E4的火用分析圖Fig.6 Exergy analysis of exchange E4

氫氣進(jìn)出換熱器火用損為:

低溫氦氣進(jìn)出換熱器火用損為:

3.5 透平膨脹機(jī)

透平輸出火用為:

透平輸入火用為:

將各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)值帶入式(9)－式(18)，可得氦制冷氫液化系統(tǒng)火用損失分布，計(jì)算結(jié)果列于表5。

表5 氦制冷氫液化系統(tǒng)各部件火用損失分布Table 5 Exergy loss distribution of each part on helium refrigeration hydrogen liquefier system

4 計(jì)算結(jié)果

從表5可知，在本套氦制冷氫液化循環(huán)中，壓縮機(jī)、換熱器、膨脹機(jī)火用損失分別為181.16 kW ，147.98 kW 和74.63 kW，這3部分的火用損失都和循環(huán)氦流量成正比，在滿足相同循環(huán)制冷量的情況下，改善循環(huán)以減少系統(tǒng)氦質(zhì)量流量是提高系統(tǒng)循環(huán)效率的有效途徑。

4.1 氦壓縮機(jī)火用損原因分析

該套氦制冷氫液化系統(tǒng)中，壓縮機(jī)的火用損失最大，主要原因在于氦壓縮機(jī)的壓縮過程為不可逆等溫壓縮過程;因此壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量提高壓縮機(jī)的等溫效率，減少火用損失。

4.2 換熱器火用損原因分析

換熱器的火用損失主要在于冷熱流體間的溫差傳熱以及換熱器與環(huán)境間的熱交換。本套系統(tǒng)采用的冷箱為高真空隔熱，減小了換熱器與環(huán)境間熱交換產(chǎn)生的火用損失，因此換熱器內(nèi)冷、熱流體溫差是造成換熱器火用損失的主要原因。

4.3 膨脹機(jī)火用損原因分析

膨脹機(jī)的火用損失主要在于膨脹機(jī)內(nèi)部的不可逆過程，火用損失正比于膨脹前后的熵增，所以要降低膨脹機(jī)火用損失就應(yīng)盡量減少膨脹前后的熵增，即提高膨脹機(jī)的等熵效率。

5 小 結(jié)

(1)火用分析方法對于明確氫液化循環(huán)的成本，改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)的用能效率，是一種非常有用的方式。

(2)采用火用分析方法，綜合熱力學(xué)第一定律和第二定律，對氫液化系統(tǒng)的整體性能能夠作出客觀統(tǒng)一的評價(jià)，揭示了能量分配的數(shù)量和質(zhì)量的關(guān)系，明確了能量損失的部位及量的多少，找出了火用損較大的部位，為氫液化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

(3)在本套氦制冷氫液化循環(huán)中，壓縮機(jī)火用損最大，在整套系統(tǒng)的功耗中比重增加。

1 余 鋒，厲彥忠，陳二鋒，等.冷中子源逆布雷頓循環(huán)氦制冷機(jī)性能分析和優(yōu)化［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35(9):38－41.

2 Takashi FUKANO，Urs FITZI，Karl L?HLEIN，Isabelle VINAGE.Efficiency of Hydrogen Liquefaction Plants.

3 高洪亮.制冷裝置的用效率分析［J］.冷藏技術(shù)，1999(3):13－15.

4 朱朝輝，侯 予，熊聯(lián)友，等.逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)的火用分析［J］.低溫工程，2002(3):23－28.

5 曹建華，王 捷，楊小勇，等.高溫氣冷堆氦氣透平直接循環(huán)的Exergy分析［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2007，41(2):211－214.

6 余 鋒，厲彥忠，王斯民，等.用于冷中子源系統(tǒng)的氦制冷循環(huán)方案分析［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41(3):316－325.