车用液氢气瓶快充过程数值研究

车用液氢气瓶加注过程中,因加注速度快且气瓶容积小,极易造成过充现象,导致安全事故发生。针对设有气包防过充装置的车载液氢气瓶建立三维对称模型,采用CFD方法对气瓶快速加注过程开展数值仿真。分析了开孔孔径、加注速率、初始充满率和防过充装置容积对防过充装置性能的影响规律。结果表明:开孔孔径是影响防过充装置性能的主要因素,其限制了液体的流通能力;采用6 mm孔径和初始充装量为50%的状况下,充装结束后气瓶都将过充,最大充装率可达98.4%;采用大容积的防过充装置可以为气瓶预留更多的气相安全空间,但同时也会导致充装量不足等问题,当防过充装置容积为100 L时,最终充装量仅有77.2%。

低温容器用多层绝热材料的绝热性能研究进展

多层绝热材料被广泛应用于低温容器,其绝热性能是人们重点关注的性能指标。真空良好下,影响其绝热性能的因素包括夹层真空度、材料型号和种类、层数、层密度、等密度或变密度布置以及材料包覆工艺等;真空失效下,夹层气体压力、破空气体种类以及绝热结构参数等会对多层绝热材料的绝热性能产生影响。本文综述了多层绝热材料绝热性能的预测公式。应用Lockheed分析模型对不同边界温度、不同层数下的多层绝热材料的绝热性能进行预测,得到最佳层密度和最小热流密度;在层数一定的条件下,应用Layer-by-layer传热模型对等密度和变密度多层绝热方案的绝热性能进行预测,分析获得了两种实用性较高的多层绝热方案。

套管对空温式气化器传热的影响

在空温式气化器翅片管内加装套管,将翅片管与套管作为整体建立传热计算模型,采用计算流体力学(CFD)数值模拟空温式气化器的传热过程,获得不同内径(φ6、φ8、φ10 mm)套管气化器流速、温度、气含率、传热系数的分布规律。搭建套管结构空温式气化器实验平台,通过实验验证数值模拟结果的可靠性。结果表明:模拟的气化器出口温度和实验结果误差为4.75%~6.46%,翅片表面的温度误差在7%以内,验证了数值模拟所采用假设的准确性;套管对传热管内流体的流动特性具有扰动作用,并提高了其换热能力;3种规格套管中φ6 mm套管翅片表面温度最高,其气含率比无套管结构提高4%,强化传热效果最优。

中空玻璃微球用于低温液体储罐绝热研究进展

中空玻璃微球作为一种新型绝热材料,因其绝热性能好、不沉降、维护成本低等优点被认为可以替代珠光砂应用于低温液体储罐。从生产工艺、产品性能、导热机理、应用优势、工程实例、未来发展方向等方面,综述了这一新材料用于低温液体储罐绝热的研究进展,论述了规模化生产应用的可行性。

车载LNG气瓶稳定供气及自增压气化量分析

LNG汽车供液系统主要采用自增压方式输送液体。考虑到车载LNG气瓶内液位下降而引起供液动力不足,致发动机燃料无法稳定供给,提出了气瓶稳定供气的条件。并建立了稳定供气过程中,空温式气化器气化量与发动机燃料流量的关系式,为LNG汽车自增压系统设计提供了参考。

辐射屏数及密度对超导腔垂直测试杜瓦漏热的影响

超导腔垂直测试杜瓦为广口液氦容器,对绝热性能有较高要求,其内筒体采用高真空多层绝热,顶部盖板侧为多屏绝热。为减少杜瓦顶部盖板侧漏热,提出了变密度辐射屏方法,以盖板、辐射屏、液面和氦气为对象建立了导热、对流与辐射耦合换热的传热模型,并通过实验进行了验证。通过数值计算得到了辐射屏数对漏热的影响规律及最优辐射屏密度。结果表明:1)实验测得的辐射屏温度与传热模型计算结果较为一致,平均相对偏差为8.37%,认为传热模型是合理的;2)靠近液面处第1层辐射屏(屏1)与液面间氦气的格拉晓夫数Gr随屏1温度T_1的升高存在极大值(T_1=9.14 K,Gr=1.12×10^(14)),T_1超过35 K后Gr基本保持不变;3)等间距分布时,辐射屏数大于11层后总漏热变化不明显,一定辐射屏数下,相邻两屏之间气体导热占主导地位,低温区域(靠近液面侧)至高温区域(靠近盖板侧)导热热流比重减小,辐射热流比重升高;4) 11层辐射屏数下,高温区域布置7层、低温区域布置4层的变密度辐射屏方式漏热最小,与等间距分布相比漏热可减少4%。

超导HWR腔垂直测试低温系统试验研究

中国科学院先导科技专项ADS(Accelerator Driven Suberitical,ADS)嬗变系统中超导HWR(half-wave resonator,HWR)腔垂直测试需低温系统维持4.2 K(液氦)的低温环境,低温系统降温过程包括氮气置换、液氮预冷、氦气置换和液氦冷却。通过实验建立了低温系统降温4个阶段不同测点温度随时间的变化规律,在此基础上,计算了液氦的消耗速率和杜瓦的静态热负荷,分析了低温系统在稳定工作状态时最佳的液氦补液时间间隔。结果表明:该低温系统满足超导HWR腔垂直测试需求,消耗液氮约175 kg、液氦约2 048 L,低温系统稳定工作时液氦体积消耗速率为32 L/h,杜瓦静态热负荷为21.36 W,液氦合理补液时间间隔为4 h,为后续超导HWR腔垂直测试提供了保障。

LNG球形储罐预冷计算

预冷是大型低温储罐投用前最为关键的一步,充分的储罐预冷作业前准备、冷却速率和预冷用液氮量的计算以及安全措施的严格执行是大型低温储罐预冷得以顺利实施的重要保证。通过分析LNG球形储罐预冷时的热力过程,以一台3000m3球形LNG储罐为例,计算其预冷时间和预冷用液氮总量,得到了定压下LNG储罐预冷所需的液氮总量及罐体温度随时间变化的动态趋势,为制定液化天然气球形储罐预冷方案提供了理论依据。

真空条件下氧化铂吸氢特性与微观结构研究

为探究氧化铂(PtO2)作为吸附剂在低温容器夹层的吸氢特性,采用静态膨胀法获得了PtO2、PdO、Ag2O及5A分子筛对氢气的吸附等温线,通过比较4种吸附剂对氢气的吸附性能,研究了氧化铂吸附氢气的机理,提出了常用吸附剂PdO配置PtO2、Ag2O的组合吸附剂。此外,利用BET理论、t-Plot法、BJH法分析了氧化铂的孔隙结构信息,为氧化铂在低温容器中的应用提供了理论支撑。结果表明:PdO在较宽平衡压力范围内吸氢性能优异,吸附量能达到1.7×10^4 Pa·L/g;PtO2在平衡压力大于10^ Pa后对氢气的吸附作用较强;Ag2O在平衡压力低于3×10^-1Pa时吸氢量大于PtO2,在2×10^-2Pa左右时吸附性能甚至与PdO相当。低温容器常用吸附剂PdO中按比例配置PtO2、Ag2O形成组合吸附剂,在不整体降低吸附性能的同时,可以较大幅度减少吸附剂费用,提高经济性。PtO2的总孔容积、比表面积、微孔容积、微孔比表面积均大于PdO,孔结构方面的优势使得PtO2能够提供更大的吸附和反应场所。

基于泄放阀泄放反力作用下的低温管系动态分析

应用CAESARII软件对某低温乙烯液体输送管系进行动态分析,校核了在泄放阀泄放反力作用下管系的位移、应力是否符合规范,并对管系结构进行了优化。结果表明:管系基频过低、应力超标,距离泄放阀最近端管系弯头纵向振幅较大,泄放阀泄放反力作用弯头位置横向振动剧烈,须重新对管系进行改进。提出改进方案:将管系中间位置约束改为固定支撑,以增大管系刚度;将距离泄放阀最近弯头处承重支撑改为弹簧支撑,以承担竖直方向的反冲力;在泄放阀进口管段设置阻尼约束,泄放阀出口管弯头位置加设承重支撑与限位,并调整限位与管系之间的间隙,找到最佳间隙为6.63 mm。据改进后的方案重新建模并分析,管系在X、Y、Z向的最大振幅分别减弱了88.12%、76.02%、99.86%。

结构参数对液态甲烷-丙烷喷射混合器混合特性的影响

为了优化液化天然气气质,探究结构参数对喷射混合器内部流场的影响,优化其结构,基于不同沸点低温液体互溶混合机理,以液态甲烷、液态丙烷为工质,分析了不同引射角度和喷嘴直径喷射混合器内两股流体的流动特性和混合效果。分析结果表明:液态甲烷和丙烷可互溶,引射角度发生变化时,速度核心发生了不同程度的偏移,随着引射角度的增加速度核心偏移程度逐渐得到改善。压降随着引射角度的增加呈现先减小后增大的变化趋势,混合流体出口压力呈增大的趋势,两股流体混合后引射流体质量分数沿中心轴线方向呈逐渐增加的趋势,当引射角度为90度时,两股流体混合后流场分布相对其它引射角度均匀,速度核心偏移现象较不明显,且压力降、混合流体出口压力及引射流体的质量分数最大。喷嘴直径过大时,喷射混合器出口位置出现了回流现象。随着喷嘴直径的增加喷射混合器内两股流体达到均匀混合所需的距离增大,压力降、混合流体出口压力及混合后引射流体质量分数逐渐减小,当喷嘴直径为13 mm时,压力降、混合流体出口压力和两股流体混合后引射流体的质量分数最大。

矿用救生舱除湿方式研究

根据我国煤矿现有条件及要求,对煤矿救生舱内除湿技术进行了研究。针对煤矿井下发生事故后的客观条件,从动力缺失、空间大小、简单易用等方面分析其对除湿系统的特殊要求。阐述并比较了冷凝除湿、液体吸收除湿、固体吸附除湿、热泵除湿这些常见除湿方式的优缺点,选用固体动态吸附除湿技术控制矿用救生舱内的湿度。

真空失效对低温容器绝热性能的影响

针对高真空多层绝热低温容器真空失效问题,建立不同真空度下的传热计算数学模型并搭建相应试验平台,使用干燥氮气作为破空介质开展真空失效试验研究。对几何容积120 L、初始充满率为50%的低温容器,分析其夹层真空度分别为10^(-3)、1、10^(2)、103 Pa时的排放量、压力及温度变化,并与理论计算结果进行验证。结果表明:低温容器压升率、排放量及气相温度随着夹层真空度的降低而升高;夹层真空度为103 Pa时低温容器热流密度分别为10^(2)、1及10^(-3)Pa时的1.32、12.96及122.21倍,最大排放量分别为10^(2)、1及10^(-3)Pa的2.15、9.69、13.77倍;随着夹层真空度的降低,低温容器的安全隐患逐渐加剧。

多能耦合可再生能源制沼气系统设计及效益分析

一次能源的消耗不断加大,使世界能源紧缺的现状更加严峻,而可再生能源以其清洁、再生、高效的优势逐渐成为人们研究的热点。基于多能互补、能量梯级综合利用的思想,设计了多能耦合可再生能源制沼气系统,并对该系统的主要装置进行了选型。通过实例计算,分析了该系统的能量利用率、火用效率和经济效益,表明该系统是可行的。该系统的投资回收期为2.5年,能量利用率达到60%,火用效率达到57%。

高空真多层绝热低温管道中波纹管简化有限元模拟方法

基于有限元方法对高真空多层绝热(HV-MLI)低温管道进行多场耦合分析时,由于内管道波纹管几何及材料的非线性特性,使整个分析过程极为耗时,限制了有限元法在HV-MLI低温管道优化设计中的应用。为提高有限元分析效率,结合HV-MLI低温管道对所受载荷的响应特征,提出了用Combine14弹簧单元或等截面管等效替代波纹管的方法。通过对Combine14弹簧单元和等截面管相关参数的理论计算及定义,建立了两种HV-MLI低温管道内管的等效有限元计算模型,并对含波纹管、Combine14弹簧单元及等截面管内管道模型分别进行了有限元模拟计算,得到了各模型内管的应力及变形结果。结果表明:建立的两种等效模型合理、有效;与含波纹管模型相比,两种等效模型均在保证分析精度的同时,将分析效率提高了300倍;相比含Combine14弹簧单元模型,含等截面管模型在结构不连续处的应力集中程度较轻,且与含波纹管模型相符,更适于HV-MLI低温管道的多场耦合分析。

套管结构对翅片管气化器结霜特性的影响

结霜会对不同类型气化器造成长效性能的衰减。为研究套管结构对强化传热与表面结霜效果的影响,本文搭建了实验台,在普通传热管内加装套管,以液氮为工质,根据不同套管内径(Φ6、Φ8、Φ10 mm)及入口流量,设计了12组实验工况进行研究,获得翅片管表面不同测点处温度、霜层厚度及翅片管出口流体温度等参数。结果表明:入口流量为2.5 g/s时,普通传热管及套管内径为Φ6、Φ8、Φ10 mm结构的管内出口温度分别为193、205、200、199 K,相比于无套管结构,套管结构有效延缓了霜层生长,在3种规格套管中,Φ6 mm套管延缓霜层生长的效果较好;入口流量为2.5、3.5、4.5 g/s时,使用内径为Φ6 mm的套管结构及较低的入口流量可延缓翅片表面结霜。

结霜工况下空温式翅片管气化器传热试验研究

为深入掌握低温液体在空温式翅片管汽化器内的气化情况以及其与翅片管表面霜层生长的相互影响规律,以液氮为介质进行了低温液体在空温式翅片管气化器内的气化试验。通过热电偶和刻度带分别对翅片管上不同位置的温度和霜层厚度进行了测量,并分析了翅片管表面霜层的生长规律及翅片管内低温液体的流动特性。结果表明:气化器表面结霜过程受冷表面温度影响较大,冷表面温度越低,结霜速率越大,霜层越厚。结霜工况下的气化器工作状态分预冷和稳态两种工作状态。预冷工作状态低温液体进入气化器后迅速气化,其过程包含气液两相和单气相两个换热段。稳态工作状态低温液体在气化器内气化经历单液相、气液两相、单气相三个换热段,单液相段翅片管表面结霜最为严重,单气相段翅片管表面无霜晶形成。因此认为,可通过分状态分段设计空温式翅片管气化器从而减弱结霜对翅片管传热的影响,提高气化器换热效率。

基于两相流的无损储存系统仿真与实验研究

研究了无损储存(Zero Boil-Off,ZBO)储罐内低温液体流场的变化情况,针对液氮无损储存储罐建立二维轴对称模型,以UDF程序定义蒸发冷凝模型,分别对制冷机关闭和开启两种工况下储罐内部温度场、速度场进行数值仿真计算,得到了液氮储罐内流体流动、传热等规律。结果表明:制冷机关闭工况下,氮气温度从边界到储罐中心逐渐降低,液氮在储罐漏热作用下产生涡旋,温度逐渐趋于一致;制冷机开启工况下,模拟初始阶段储罐内流场与制冷机关闭工况基本一致,后期氮气温度降低至77 K,制冷量对液氮流场影响较小。搭建液氮储罐实验平台对模拟结果进行验证,仿真计算结果与实验结果对比表明:两者结果较为吻合。

高真空多层绝热低温容器绝热夹层真空度对内容器压升率的影响

绝热夹层真空度、初始充满率对低温容器压升率会产生影响,通过搭建试验平台,测试并分析了绝热夹层真空度为0.001,1,100,1000 Pa及初始充满率为30%,50%,70%时内容器压力、温度的变化规律。结果表明:初始充满率一定时,压升率随真空度的降低而增大,内容器气相空间温度随真空度的下降而升高,当初始充满率为50%时,绝热夹层真空度为1000 Pa时的压升率分别是100,1,0.001 Pa的1.36倍、2.66倍、5.27倍;绝热夹层真空度一定时,压升率随初始充满率的增加而增大,当绝热夹层真空度为1 Pa时,初始充满率为70%时的压升率分别是50%,30%的1.51倍、1.95倍。

预加张力对电容薄膜真空计感压膜片变形的影响

针对电容薄膜真空计感压膜片在预加张力情况下的均布载荷-挠度特性,选择冯·卡门方程和Beams方程作为感压膜片理论模型,并结合ANSYS Workbench软件中的静力学模块进行非线性有限元仿真分析。结果表明:预加张力对感压膜片挠度的影响十分明显,膜片挠度随着预加张力的增加而下降;随着均布载荷和预加张力的增大,感压膜片挠度下降幅度减弱。同一均布载荷下,预加张力越大,其影响比例越大。当均布载荷不断增加、感压膜片挠度增大,预加张力引起的挠度变化在不断减弱,影响比例逐渐下降;感压膜片受1 Pa均布载荷发生初始变形时,13 MPa的预加张力对膜片挠度影响为93%;当均布载荷超过800 Pa时,预加张力所带来的挠度影响不到整个感压膜片挠度变化的35%;均布载荷为1000 Pa、预加张力为7 MPa时,其影响比例为17.9%。利用实际电容薄膜真空计产品对仿真结果进行了初步验证。