高压加氢流程中涡流管预冷的数值模拟

高压加氢流程中涡流管预冷的数值模拟

涡流管优化设计发展电动汽车是解决汽油车污染的有效手段。而氢燃料电池汽车是有力的竞争方案之一早期的预冷装置大多使用液氮作为冷却介质预冷设备的初期投资和能耗在整个加氢站的建设和运营中都占有相当重要的一部分。据美国阿贡国家实验室报道，预冷装置与其配套的高压换热器的总成本占到了加氢站投资成本的10%涡流管是一种具有能量分离效应的空心装置涡流管结构简单，但内部流动复杂，其能量分离机理尚未完全阐明本文提出一种带涡流管的加氢流程，该流程采用涡流管取代了流量控制阀和预冷装置。针对该流程能够实施的关键部件——涡流管，建立了CFD模型来计算加氢工况下涡流管的能量分离性能，进而验证耦合涡流管的加氢流程的可行性。图2为所提出的带涡流管的加氢流程，氢气经压缩机后存储于高压储罐中，需要加氢时，氢气从高压储罐中流出，进入涡流管，并分成冷热两股流，冷端气流直接进入加氢枪，进而给车载气瓶充注。而热端的气流通过水冷机组回复至常温后，再进入中压氢气储罐。RHVT的热端可以通过控制阀调节冷热端的流量分配。在该流程中，涡流管的建设成本非常低，而水冷机组与换热器成本也远低于制冷循环机组。在使用耗电方面，也仅是水泵机组耗电。因此，无论是初期投资和使用成本方面，该流程均比现有的带制冷机组的加氢流程低。而该流程能够正常运行的关键在于涡流管在高压下的能量分离性能。因此，本文重点对涡流管开展数值计算研究。1模型和验证1.1涡流管进口压力计算鉴于涡流管的结构参数对涡流管性能影响较大，采用了一款已实现商用的涡流管为研究对象针对高压加氢（70MPa）和低压加氢（35MPa）两种典型工况，涡流管进口压力（p1.2模型验证考虑到文献中关于高压氢气的涡流管实验数据很少，采用Skye等2结果与分析2.1高压氢流域流动特性图5为p2.2不同进口温度下涡流管能量分离性能环境温度直接决定着加氢站的高压储氢罐内气体的温度，环境温度的变化会对涡流管性能产生影响。图8为不同进气口温度下涡流管的能量分离性能。可以看出，随着进气温度的升高，冷端温降和热端温升均呈增加的趋势。这是因为随着气体温度的升高，气体的密度减小，在进口压力一定的情况下，密度减小会导致动能增加，进而涡旋效应增强，能量分离效果越好。2.3不同充注工况下涡流管性能不同进口压力和压比条件下的涡流管冷热端出口温度曲线如图9所示。从图中可以看出，在充注开始阶段（大压比阶段），能量分离效应显著，当压比为4.5时，冷端的总温已经降至280K。随着压比的减小，能量分离效应减弱。由前面的分析可知，涡流管轴心附近的气体膨胀致冷，使得冷端气流温度降低，压比越大，膨胀越明显，因此，压比越大时，温度分离效应越大。在氢气从加氢枪向车载气瓶充注过程中，初始阶段，压比大，更多的压力能转化为了内能，因此升温更快，这在Zheng等图10展示了不同工况下质量流率曲线，可以发现随着充注的进行（图中从右向左），涡流管出口背压提高，压比减小，涡流管进口质量流率减小。然而，随着充注的进行，冷端质量流率却比较稳定，呈略微增加的趋势。可以认为，充注过程中，流向车载储氢罐的质量流率较为稳定，有利于加氢过程的平稳进行。图10还表明进口压力越高，无论涡流管进口和冷端出口的质量流率均呈增加的趋势。3带涡流管加氢流程的优势提出了一种带涡流管的加氢流程来实现高压氢气的预冷。针对流程中的关键部件——涡流管，开展了高压加氢工况下涡流管的能量分离效应的数值计算，主要结论如下。(1）相比传统的通过制冷机组来实现预冷的加氢流程，带涡流管的加氢流程无论在加氢站建设成本和运行成本上，均具有明显的优势。(2）数值计算结果表明高压下氢涡流管同样具有温度分离效应。且随着加氢过程压比的降低，其冷端温降减弱。恰好匹配了加氢过程中罐内气体温升减缓的趋势，证明了带涡流管加氢流