套管式高压氢气换热器的传热与阻力性能设计

摘 要：高压氢气预冷对于有效控制氢燃料电池汽车车载高压储氢瓶的快充温升、从而保证其安全性至关重要。本文针对套管式换热器对于加氢站氢气预冷的高压、小流量特点的适用性，建立了套管式高压氢气换热器传热与阻力性能的设计计算方法，并给出了设计案例。

关键词：高压储氢瓶;放氢;集总参数;计算流体动力学;模型

1 引言

氢能具有清洁无污染、可利用可再生能源制取、原料来源广泛、氢燃料电池能量转换效率高突出等优点，对解决“能源短缺”和“环境污染”两大世界性难题具有重要意义，被誉为21世纪的能源[1]。近年来，随着氢能技术和产业的快速发展，氢燃料电池汽车以其绿色环保、加注燃料快捷、能量转换效率高等优点引起了世界各国的高度重视[2]。在各种储氢方式中，高压氢气储氢以其制备能耗明显低于液氢、充放氢便捷、结构形式简洁、技术成熟等优点成为了当前车载储氢和燃料电池汽车加氢站储氢的主要方式[3]。目前，为达到与汽油车相似的续航里程，氢燃料电池汽车多采用35MPa或70MPa的车载高压储氢瓶进行储氢。车载高压储氢瓶主要由金属内衬（III型瓶）或塑料内衬（IV型瓶）与内衬外部的碳纤维-树脂复合材料增强层组成，由于气瓶充装速率快（通常在3～5min内完成）、复合材料增强层的热导率低，车载高压储氢瓶在充装过程中会由于内部氢气的不断压缩而产生明显的温升，而一旦该温度超高标准所规定的85℃安全温度上限，便很可能导致复合材料层的破坏，产生严重的安全问题[4-6]。为有效控制高压储氢瓶的快充温升，目前工业界比较普遍的做法是在加氢枪前设置高压氢气换热器，在高压氢气充入气瓶前对其进行预先冷却到SAE J2601中规定的温度（如-40℃）[6]。因此，高压氢气换热器的传热与阻力性能设计就显得极为重要。

本文针对加氢站内高压氢气换热器压力高、流量较小的特点，选用套管式换热器对高压氢气进行预冷，并针对套管式高压氢气换热器建立了其传热性能与阻力性能的设计方法。

2 传热面积与压降的计算模型

套管式高压氢气换热器的结构示意图如图1所示。其中，高压氢气在内管中流动，冷媒在内、外管之间的环隙中流动，采用逆流换热的方式。

2.1 高压氢气的热物性計算

本文采用NIST推荐的高精度氢气状态方程来计算高压氢气的温度、压力、密度、比热容、比焓等热力系状态参数[8，9]。该状态方程将亥姆霍兹自由能表达为理想气体项与剩余项之和，通过剩余项来表征高压氢气的实际气体效应;在此基础上，利用亥姆霍兹自由能与其他热力系参数之间的一般关系，求出其余热力系参数的表达式[7]。其亥姆霍兹自由能的表达式如下：

2.2 管路摩擦因子

对于内管和套管环隙中的摩擦因子均基于以下公式进行计算[12]：

2.3 对流传热系数

对套管式高压氢气换热器，其内管和环隙内的对流传热系数均可按下式进行计算[13]：

2.4 传热面积与压降

套管式高压氢气换热器所需换热速率可用下式表示：

式中，和分别表示高压氢气的进、出口比焓，为换热器所需换热速率，表示以内管外壁面为基准的总传热系数，表示内管的对流传热系数，表示环隙处的对流传热系数，表示内管管壁材料的热导率，表示换热器的对数平均温差。

3 设计案例

以下为加氢站高压氢气换热器的设计案例，其设计工况如表1所示。

所选取的冷媒为HC50，其参数如表2所示[15]。

计算所得的传热面积、氢气侧和冷媒侧压降如表3所示。

4 结论

本文针对燃料电池汽车加氢站用套管式高压氢气换热器，基于高压氢气热物性模型、对流传热系数与摩擦因子的经验公式、套管式换热器的稳态传热理论建立了套管式高压氢气换热器传热与阻力性能的设计计算方法，为确保高压氢气充装时的预冷效果提供了实用的设计工具。

参考文献：

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[5]ISO/TS 15869：Gaseous hydrogen and hydrogen blends-Land vehicle fuel tanks.2009.

[6]SAE J2601：Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles.Society of Automotive Engineers，2016.

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[11]Yusibani E，Nagahama Y，Kohno M，Takata Y，Woodfield PL，Shinzato K，et al.A capillary tube viscometer designed for measurements of hydrogen gas viscosity at high pressure and high temperature.International Journal of Thermophysics，2011，32（06）：1111-1124.

[12]Warren M.Rohsenow，James R Hartnett，Young I.Cho.Handbook of heat transfer.New York：McGraw-Hill，1998.

[13]Lestina，Thomas，Serth，Robert W.Process heat transfer Principles and applications.2007.

[14]https：//www.maximator.cn/MaxProducts/chaogaoyaguanfajian/22500psizhongyazhe/2017/0411/414.html.

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

作者簡介：赵磊（1985-），男，北京人，工学博士，讲师，研究方向：氢储运与氢安全。