摘 要：高壓氫氣預(yù)冷對于有效控制氫燃料電池汽車車載高壓儲(chǔ)氫瓶的快充溫升、從而保證其安全性至關(guān)重要。本文針對套管式換熱器對于加氫站氫氣預(yù)冷的高壓、小流量特點(diǎn)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(shè)計(jì)計(jì)算方法，并給出了設(shè)計(jì)案例。

關(guān)鍵詞：高壓儲(chǔ)氫瓶;放氫;集總參數(shù);計(jì)算流體動(dòng)力學(xué);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(zhuǎn)換效率高突出等優(yōu)點(diǎn)，對解決“能源短缺”和“環(huán)境污染”兩大世界性難題具有重要意義，被譽(yù)為21世紀(jì)的能源[1]。近年來，隨著氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氫燃料電池汽車以其綠色環(huán)保、加注燃料快捷、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)引起了世界各國的高度重視[2]。在各種儲(chǔ)氫方式中，高壓氫氣儲(chǔ)氫以其制備能耗明顯低于液氫、充放氫便捷、結(jié)構(gòu)形式簡潔、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)成為了當(dāng)前車載儲(chǔ)氫和燃料電池汽車加氫站儲(chǔ)氫的主要方式[3]。目前，為達(dá)到與汽油車相似的續(xù)航里程，氫燃料電池汽車多采用35MPa或70MPa的車載高壓儲(chǔ)氫瓶進(jìn)行儲(chǔ)氫。車載高壓儲(chǔ)氫瓶主要由金屬內(nèi)襯（III型瓶）或塑料內(nèi)襯（IV型瓶）與內(nèi)襯外部的碳纖維-樹脂復(fù)合材料增強(qiáng)層組成，由于氣瓶充裝速率快（通常在3～5min內(nèi)完成）、復(fù)合材料增強(qiáng)層的熱導(dǎo)率低，車載高壓儲(chǔ)氫瓶在充裝過程中會(huì)由于內(nèi)部氫氣的不斷壓縮而產(chǎn)生明顯的溫升，而一旦該溫度超高標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的85℃安全溫度上限，便很可能導(dǎo)致復(fù)合材料層的破壞，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題[4-6]。為有效控制高壓儲(chǔ)氫瓶的快充溫升，目前工業(yè)界比較普遍的做法是在加氫槍前設(shè)置高壓氫氣換熱器，在高壓氫氣充入氣瓶前對其進(jìn)行預(yù)先冷卻到SAE J2601中規(guī)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(shè)計(jì)就顯得極為重要。

本文針對加氫站內(nèi)高壓氫氣換熱器壓力高、流量較小的特點(diǎn)，選用套管式換熱器對高壓氫氣進(jìn)行預(yù)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(shè)計(jì)方法。

2 傳熱面積與壓降的計(jì)算模型

套管式高壓氫氣換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，高壓氫氣在內(nèi)管中流動(dòng)，冷媒在內(nèi)、外管之間的環(huán)隙中流動(dòng)，采用逆流換熱的方式。

2.1 高壓氫氣的熱物性計(jì)算

本文采用NIST推薦的高精度氫氣狀態(tài)方程來計(jì)算高壓氫氣的溫度、壓力、密度、比熱容、比焓等熱力系狀態(tài)參數(shù)[8，9]。該狀態(tài)方程將亥姆霍茲自由能表達(dá)為理想氣體項(xiàng)與剩余項(xiàng)之和，通過剩余項(xiàng)來表征高壓氫氣的實(shí)際氣體效應(yīng);在此基礎(chǔ)上，利用亥姆霍茲自由能與其他熱力系參數(shù)之間的一般關(guān)系，求出其余熱力系參數(shù)的表達(dá)式[7]。其亥姆霍茲自由能的表達(dá)式如下：

2.2 管路摩擦因子

對于內(nèi)管和套管環(huán)隙中的摩擦因子均基于以下公式進(jìn)行計(jì)算[12]：

2.3 對流傳熱系數(shù)

對套管式高壓氫氣換熱器，其內(nèi)管和環(huán)隙內(nèi)的對流傳熱系數(shù)均可按下式進(jìn)行計(jì)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(jìn)、出口比焓，為換熱器所需換熱速率，表示以內(nèi)管外壁面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，表示內(nèi)管的對流傳熱系數(shù)，表示環(huán)隙處的對流傳熱系數(shù)，表示內(nèi)管管壁材料的熱導(dǎo)率，表示換熱器的對數(shù)平均溫差。

3 設(shè)計(jì)案例

以下為加氫站高壓氫氣換熱器的設(shè)計(jì)案例，其設(shè)計(jì)工況如表1所示。

所選取的冷媒為HC50，其參數(shù)如表2所示[15]。

計(jì)算所得的傳熱面積、氫氣側(cè)和冷媒側(cè)壓降如表3所示。

4 結(jié)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(shù)與摩擦因子的經(jīng)驗(yàn)公式、套管式換熱器的穩(wěn)態(tài)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(shè)計(jì)計(jì)算方法，為確保高壓氫氣充裝時(shí)的預(yù)冷效果提供了實(shí)用的設(shè)計(jì)工具。

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

作者簡介：趙磊（1985-），男，北京人，工學(xué)博士，講師，研究方向：氫儲(chǔ)運(yùn)與氫安全。