一种强制换热空温式液氢汽化器设计.docx

一种强制换热空温式液氢汽化器设计 摘 要：本文提出一种新型的强制换热空温式液氢汽化器，对其承压管道的强度进行了理论计算，并建立三维实体有限元模型进行仿真分析，结果表明:强制换热空温式液氢汽化器承压管道的强度能够满足规范要求。在满足安全性的同时，这种汽化器能够实现液氢的高效汽化，且具有结构紧凑、占地空间小、便于检修等优点。 关键词：空温式；汽化器；强度；有限元模型 0 引言 随着社会的发展，作为清洁能源的液氢使用需求日益加大[1]，液氢汽化器是氢气汽化系统中必不可少的关键设备，其工作效率与众多因素有关，包括工作压力、使用周期、环境温度、通风条件、介质温度等[2-3]。相比于LNG汽化器，由于液氢温度低、汽化升温释放冷量大，且高压液氢在汽化过程中会形成热物理性质极不稳定的超临界氢[4-5]，且我国缺乏汽化器在液氢温区的使用和检测经验，对液氢汽化器内部流体相变过程的研究不够深入，技术盲点多，因此目前大部分汽化器仅用于LNG的汽化[6-7]，少部分液氢汽化器的研制只是建立在LNG、液氮汽化器改造的基础上，存在设备体积较大，成本较高、汽化量不足等缺点[8]，因此研制具备轻量化及高汽化量特性的液氢汽化器迫在眉睫。 本文提出一种强制换热空温式液氢汽化器，利用大气环境中的空气作为热源，通过导热性能良好的铝材挤压成翅片管进行热交换，使低温液氢汽化成一定温度的气体，该汽化器在管道工作压力、使用周期、环境温度、介质温度等条件无法改变的情况下，通过增大设备顶部至设备底部的空气流速和热源交换速度，进行强制换热，提高设备的换热效率，且具有无污染、结构简单、占地空间小等优点。对汽化器承压管道的强度进行理论计算和仿真分析，结果表明该汽化器的承压管道的强度能满足规范的要求。 1 整体结构 强制换热空温式液氢汽化器采用框架结构，结构水平投影长1486mm，宽1000mm，总体高度4200mm。汽化器分为三个部分，底部为高度460mm的钢立柱，保证足够的空气能够顺利流通；中部由特制C型换热翅片和内承压管组成，高度2790mm，是主要的换热部位；顶部为高度950mm的强制换热装置，引导和加快空气流通，实现强制换热。框架材料采用轻量化特制铝材，材质与特制C型换热翅片管相同，确保两者在低温环境与常温环境下延展率一致，避免材料的热膨胀系数不同对设备整体结构造成损伤。每一根高压C型换热翅片管底部和顶部均通过U型栓与框架固定，U型栓上附着耐低温橡胶，保证在低温环境下能保持橡胶弹性和正常工作的能力。汽化器顶部的强制换热装置由2台小型防爆低温轴流风机、防雨百叶窗等功能单元组成，汽化器的整体结构示意如图1所示。 （a）侧视图 （b）俯视图 图1 汽化器结构示意 1.1 铝翅片 翅片是换热装置中重要的部件之一，其能增大散热面积，增加与空气的接触面，从而提高换热效率。强制换热空温式液氢汽化器采用C型换热翅片管，C型换热翅片管上附着4片主翅片和3片辅翅片，具有结构紧凑、单位换热面积大、安装方便、维修简单和使用寿命长等优点。每一根C型换热翅片管经过精加工去除杂质和毛刺，管的内径和壁厚对换热性能有影响较大，因此设计时必须严格符合尺寸及工艺要求。 1.2 内承压管 强制换热空温式液氢汽化器的承压管道材质为SS316L不锈钢管，具有耐高温、耐腐蚀、低温韧性好和易加工等优点，该不锈钢材料的镍含量不低于12%，能有效防止奥氏体转化为马氏体，因此抗氢脆性能好且焊后无马氏体转化，无可见焊缝。管的外壁和内壁均作抛光处理，抛光不锈钢管通过液压设备缓慢穿入C型换热翅片管，保证穿管过程中受力均匀，再通过自动化闭合焊接等规范化操作，使得抛光不锈钢管与C型换热翅片管紧密贴合，从而将高压液氢汽化器的换热效率提升至最大。 1.3 强制换热装置 液氢汽化器的强制换热装置位于设备顶部，由2台小型防爆低温轴流风机（可根据气化量确认风机数量）、防雨百叶窗、风机组组合而成，固定在设备顶部框架上。此装置能够在设备工作压力、使用周期、环境温度、介质温度等条件无法情况下，提高通风条件，增加空气流速和热源交换的速度，进行强制换热，提高设备的换热效率，解决汽化器连续长时间运行或在较低环境温度下工作时汽化效率下降的问题。 1.4 管道连接 强制换热空温式液氢汽化器的高压换热翅片管之间的连接均位于汽化器顶部，采用高压NPT角通连接，工艺先进，结构紧凑坚固，密封性能优良，安全可靠，便于设备的维护和维修。底部采用抛光不锈钢U型弯管，此设计减少了翅片管之间连接件的使用，进一步提升了设备的可靠性，降低了泄漏的风险，同时也降低了成本。 2 管道强度计算 2.1 设计参数 强制换热空温式液氢汽化器可用于95MPa高压液氢的汽化，设备各设计参数如表1所示。 表1? 强制换热空温式液氢汽化器设计参数 参数名称 参数值 工作压力/MPa 70 进口温度/oC