70 MPa加氫站高壓氫氣冷卻器結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

王曉靜 劉 瑞

（天津大學(xué)化工學(xué)院）

氫能是新能源發(fā)展的主流，氫能的普及依賴加氫站的建設(shè)［1］。目前，我國(guó)已建成的加氫站均為35 MPa等級(jí)，為了保證氫能源汽車更高的行駛里程，我國(guó)正積極進(jìn)行70 MPa加氫站的研發(fā)與示范站點(diǎn)建設(shè)工作［2］。在加氫站工作過(guò)程中，氫氣由于壓縮和節(jié)流膨脹效應(yīng)，溫度將明顯升高，過(guò)高的溫度會(huì)對(duì)加氫站氫氣儲(chǔ)罐和車載氣瓶的安全造成威脅。 因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種傳熱良好、結(jié)構(gòu)緊湊且高壓環(huán)境內(nèi)安全可控的氫氣冷卻器極其重要。

國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)加氫站氫氣冷卻器進(jìn)行了一定的研究，Kojima N研究出了一種套管式氫氣冷卻器，該冷卻器通過(guò)在外層套管中通入低溫液化氮?dú)鈦?lái)冷卻內(nèi)層管路的高壓氫氣，能較好地適應(yīng)35 MPa的工作環(huán)境［3］。 Takata Y也設(shè)計(jì)了一種套管式氫氣冷卻器，該冷卻器通過(guò)將冷卻介質(zhì)壓力提升至與氫氣側(cè)相同，從而減小內(nèi)層套管的厚度，以降低傳熱阻力，提高傳熱效果［4］。 高頂云等研制了一種沉浸式氫氣冷卻器，通過(guò)制冷機(jī)不斷向冷卻箱體提供冷流體，實(shí)現(xiàn)氫氣的降溫［5］。

然而，目前對(duì)加氫站高壓氫氣進(jìn)行預(yù)冷的冷卻器研究中，大多描述的是預(yù)冷方案，對(duì)給出的氫氣冷卻器結(jié)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的力學(xué)分析，無(wú)法確定其能否滿足70 MPa加氫站的承壓要求。 因此， 筆者提出一種窄流道緊湊型錯(cuò)流氫氣冷卻器芯體結(jié)構(gòu)，并利用ANSYS與FLUENT對(duì)芯體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與流場(chǎng)模擬， 通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)芯體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化， 確定滿足強(qiáng)度與熱負(fù)荷要求且結(jié)構(gòu)緊湊的冷卻器芯體結(jié)構(gòu)尺寸， 為窄流道緊湊型錯(cuò)流氫氣冷卻器芯體在70 MPa加氫站中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 冷卻器芯體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

70 MPa 加氫站冷卻器最高工作壓力為90 MPa，并且加氫站氫氣冷卻器要求橇裝在對(duì)應(yīng)的橇裝模塊中占用空間小，因此氫氣冷卻器必須在保證換熱量需求與強(qiáng)度要求的同時(shí)結(jié)構(gòu)盡量緊湊。 為了降低氫氣換熱器的設(shè)計(jì)、制造和加工成本， 實(shí)現(xiàn)對(duì)加氫站換熱網(wǎng)絡(luò)熱負(fù)荷的精準(zhǔn)控制，加氫站采用一種標(biāo)準(zhǔn)冷卻器，筆者對(duì)該制式冷卻器提出了一種窄流道緊湊型錯(cuò)流冷卻器芯體結(jié)構(gòu)，高壓氫氣孔道與冷卻液孔道在冷卻器芯體內(nèi)分層交錯(cuò)排布， 利用固體間壁實(shí)現(xiàn)熱交換。芯體材料采用316L奧氏體不銹鋼，冷卻液采用乙二醇水溶液，其優(yōu)點(diǎn)為芯體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能適應(yīng)高壓工作環(huán)境且換熱效率高。

筆者主要對(duì)冷卻器氫氣側(cè)的孔徑、 孔數(shù)、排布方式、水平/垂直孔心距、氫氣流通長(zhǎng)度進(jìn)行分析與優(yōu)化。

為了控制變量數(shù)量，冷流體側(cè)孔徑取10 mm，水平孔心距取20 mm。 初始設(shè)定10、8、6 mm這3種氫氣孔徑的交錯(cuò)孔式氫氣冷卻器芯體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其物性與設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 3種氫氣孔徑的交錯(cuò)孔式氫氣冷卻器芯體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 冷卻器物性與設(shè)計(jì)參數(shù)

2 氫氣水平孔心距與垂直孔心距的優(yōu)化

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

通過(guò)工藝過(guò)程的模擬得出氫氣冷卻器在實(shí)際工況下的最大通量為6.64 m3/h，SAE J2601要求高壓氫氣在內(nèi)徑不大于10 mm的通道中的流速不超過(guò)0.5 m/s［6］，故取0.4 m/s。氫氣流通截面布孔總數(shù)η的計(jì)算式為：

式中 d——?dú)錃庠诶鋮s器中流通的通道直徑，m；

Q——?dú)錃饫鋮s器在實(shí)際工況下的最大通量，m3/h；

v——?dú)錃庠诶鋮s器芯體通道中的流速，m/s。

依據(jù)流通截面長(zhǎng)寬基本一致的原則確定氫氣在流通截面x-y上的排布方式，其氫氣側(cè)布孔方式如圖1所示,氫氣流通路徑設(shè)置在z軸上，路徑長(zhǎng)度預(yù)設(shè)為600 mm。 在y-z平面上建立冷流體流通截面，冷流體流通路徑設(shè)置在x軸上，冷流體的排布方式是根據(jù)換熱需要， 沿y軸方向冷熱流體上下交錯(cuò)排列，并且芯體最上層和最下層均為冷流體層。最終得到冷卻器芯體冷/熱流體孔道排布方式見(jiàn)表2。

表2 芯體冷熱流體孔道排布方式

建立模型時(shí)，采用應(yīng)力模擬試算法確定滿足強(qiáng)度需求的水平孔心距D1和交錯(cuò)孔垂直孔心距D2的大致范圍，在該范圍上下取值，D1取3個(gè)數(shù)值，每個(gè)D1對(duì)應(yīng)4個(gè)交錯(cuò)孔垂直孔心距D2，因此每種氫氣孔徑建立12個(gè)模型。 在SolidWorks中分別建立10、8、6 mm這3種氫氣孔徑的36個(gè)結(jié)構(gòu)模型，作為強(qiáng)度分析的實(shí)驗(yàn)組。 表3列出了6 mm氫氣孔徑下不同孔心距的模型參數(shù)。 8、10 mm可采用同樣的方法列出相應(yīng)的氫氣孔徑對(duì)應(yīng)不同孔心距的模型參數(shù)，在此不再贅述。

表3 6 mm氫氣孔徑不同孔心距的模型參數(shù)

選取網(wǎng)格尺寸（element size）為1.5 mm。 網(wǎng)格總體劃分依據(jù)采用更能適應(yīng)圓孔的曲率控制法，劃分后以Skewness方法評(píng)價(jià)網(wǎng)格質(zhì)量為優(yōu)良，說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量滿足ANSYS力學(xué)分析要求。

2.2 施加載荷、邊界條件與應(yīng)力線性化路徑選擇

根據(jù)冷卻器實(shí)際工作中的最大受力情況施加載荷與邊界條件， 在y軸負(fù)方向施加重力加速度，在氫氣側(cè)孔內(nèi)壁施加90 MPa壓力，冷卻液孔內(nèi)壁施加0.3 MPa壓力，在芯體下壁面施加固定約束邊界條件從而進(jìn)行位移限制。

冷卻器芯體結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)：一是兩相鄰氫氣孔孔心水平連線處的最薄壁面，該壁面由于兩側(cè)都是高壓氫氣，壓力對(duì)稱分布，需要承受最大的薄膜應(yīng)力和等效應(yīng)力， 而彎曲應(yīng)力很小；二是高壓氫氣孔道與上下層相鄰冷流體孔道的孔心垂直連線處的最薄壁面，該壁面所受薄膜應(yīng)力較小，但由于上下兩孔道呈交錯(cuò)排布，其所受彎曲應(yīng)力比水平孔之間大得多，存在強(qiáng)度失效的可能。 因此，需對(duì)這兩個(gè)壁面的應(yīng)力分布情況進(jìn)行重點(diǎn)分析。 在每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)力計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力最大值點(diǎn)建立沿水平和豎直方向的兩條應(yīng)力線性化路徑，如圖2所示。

圖2 冷卻器芯體孔道應(yīng)力線性化路徑

2.3 結(jié)果分析

依據(jù)JB 4732—1995（2005年確認(rèn)），316L鋼材的許用薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為117 MPa， 薄膜加彎曲應(yīng)力強(qiáng)度許用值為175.5 MPa，等效應(yīng)力強(qiáng)度許用值為180 MPa。

以氫氣孔徑6 mm為例進(jìn)行說(shuō)明。 表3有12組模擬數(shù)據(jù)， 每組模型經(jīng)ANSYS Workbench應(yīng)力分析計(jì)算后，在最大應(yīng)力點(diǎn)處建立水平方向沿最薄壁面的路徑一和豎直方向沿最薄壁面的路徑二，對(duì)兩條路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化分析，得到路徑上的薄膜應(yīng)力、薄膜加彎曲應(yīng)力和等效應(yīng)力的線性化曲線，取每種應(yīng)力曲線中各應(yīng)力的最大值，得到氫氣孔水平孔心距不變時(shí)，應(yīng)力隨垂直孔心距變化的曲線如圖3所示。

圖3 6 mm氫氣孔徑下水平孔心距不變時(shí)應(yīng)力隨垂直孔心距變化的曲線

由圖3可知，當(dāng)氫氣水平孔心距D1=12 mm時(shí)，路徑一的薄膜應(yīng)力強(qiáng)度在102.7～104.9 MPa之間，與許用薄膜應(yīng)力值（117 MPa）接近，為其0.89倍，強(qiáng)度余量不足， 等效應(yīng)力在186.7～201.9 MPa之間，大于許用等效應(yīng)力（180 MPa），結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生疲勞失效，說(shuō)明氫氣水平孔心距D1=12 mm時(shí)不足以應(yīng)對(duì)90 MPa的高壓需求； 當(dāng)D1=15 mm時(shí)，路徑一的薄膜應(yīng)力強(qiáng)度在84.4～86.7 MPa之間，為許用薄膜應(yīng)力的0.73倍， 能夠應(yīng)對(duì)實(shí)際過(guò)程中可能發(fā)生的應(yīng)力突變情況， 是比較理想的承壓狀態(tài)；當(dāng)D1=18 mm時(shí)， 路徑一的薄膜應(yīng)力強(qiáng)度在62.1～65.9 MPa之間，為許用薄膜應(yīng)力的0.54倍，說(shuō)明氫氣孔水平孔心距過(guò)大，強(qiáng)度余量過(guò)多，結(jié)構(gòu)不緊湊，因此當(dāng)氫氣孔徑為6 mm時(shí)適宜的氫氣水平孔心距D1為15 mm。

在確定氫氣水平孔心距D1=15 mm后， 由圖3c、d可以看出，D2=11 mm時(shí)， 路徑一的等效應(yīng)力為182.7 MPa，大于許用等效應(yīng)力（180 MPa），當(dāng)D2=12 mm和D2=13 mm時(shí)都滿足薄膜加彎曲應(yīng)力和等效應(yīng)力要求，所以在滿足強(qiáng)度要求且結(jié)構(gòu)緊湊的前提下，優(yōu)先選擇D2=12 mm。

綜上，對(duì)于6 mm氫氣孔徑，滿足強(qiáng)度要求且保證結(jié)構(gòu)緊湊的前提下最優(yōu)孔心距為D1=15 mm、D2=12 mm。 用同樣的方法可以得出10、8 mm氫氣孔徑下最優(yōu)氫氣孔水平孔心距與垂直孔心距，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 3種氫氣孔徑下x-y截面最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸

3 氫氣流通長(zhǎng)度的分析及優(yōu)化

3.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

采用3種氫氣孔徑的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)在Solid-Works中建立三維模型。 首先依據(jù)水平和垂直孔心距在x-y平面建立氫氣流通截面，氫氣流通路徑設(shè)置在z軸上，路徑長(zhǎng)度均設(shè)置為600 mm。 在DM模塊中建立氫氣和冷流體的流場(chǎng)區(qū)域后， 導(dǎo)入Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 總體上依據(jù)曲率控制法，在流體區(qū)域采用加密網(wǎng)格，以便更精確地觀察流體區(qū)域的溫度場(chǎng)變化。

3.2 物性與邊界條件設(shè)置

依據(jù)表1設(shè)置3組物性參數(shù)，然后把對(duì)應(yīng)的流體與固體區(qū)域設(shè)置為相應(yīng)材料。

流體入口邊界條件設(shè)置為速度入口，氫氣孔內(nèi)入口流速為0.4 m/s，入口溫度為45 ℃；冷流體側(cè)入口流速為0.8 m/s，入口溫度為-40 ℃。流體出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，氫氣側(cè)壓力為90 MPa，冷流體側(cè)壓力為0.3 MPa。 近壁面采用增強(qiáng)壁面函數(shù)設(shè)置， 計(jì)算中梯度方法采用Least Squares Cell Based，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率方程均采用一階迎風(fēng)格式，采用SIMPLE算法計(jì)算壓力-速度耦合方程，質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒的計(jì)算精度設(shè)置為10-5，其余計(jì)算精度設(shè)置為10-3，監(jiān)控殘差曲線的變化，達(dá)到設(shè)置的收斂條件后，冷卻器芯體流體數(shù)值模擬計(jì)算完成。

3.3 氫氣流通長(zhǎng)度的確定

分別在平行于x-z平面取氫氣流通截面，得到3種氫氣孔徑的冷卻器芯體氫氣流通截面的溫度分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出，318.15 K的高溫氫氣由左端進(jìn)入孔道后和固體壁面發(fā)生了熱量交換，固體壁面溫度上升至303～308 K，隨著氫氣流通長(zhǎng)度的變長(zhǎng)，參與換熱的冷流體孔道數(shù)量不斷增加，冷卻器固體壁面溫度先于孔道內(nèi)氫氣流體下降。 氫氣流體溫度下降速度沿流通方向逐漸變慢， 這是由于入口處冷熱流體溫差較大，隨著傳熱行為的進(jìn)行， 冷熱流體溫差逐漸減小，傳熱推動(dòng)力變小導(dǎo)致的。 最外側(cè)氫氣孔內(nèi)流體只受一側(cè)孔道內(nèi)熱流體熱傳導(dǎo)的影響，而中間氫氣孔道受兩側(cè)熱流體熱傳導(dǎo)的影響，故最外側(cè)氫氣孔道溫度下降速度比內(nèi)部孔道快。

由圖4還可以看出， 在600 mm氫氣流通長(zhǎng)度下，隨著孔徑的減小，氫氣的降溫效果變好。 為了能更好地觀察孔內(nèi)氫氣溫度隨流通長(zhǎng)度的變化情況， 垂直于氫氣流通方向截取冷卻器芯體截面，觀察流通截面內(nèi)氫氣孔平均溫度變化（圖5）。第1個(gè)截面取在氫氣流通長(zhǎng)度z=10 mm處，此時(shí)氫氣還沒(méi)有途徑冷流體孔道并進(jìn)行換熱，其孔內(nèi)溫度與入口處基本一致。 第2個(gè)截面取在z=30 mm處， 此時(shí)氫氣通過(guò)了第1個(gè)交錯(cuò)冷流體孔道的換熱，其相鄰固體壁面溫度有所降低，固體壁面溫度大約在283～286 K之間。 之后沿氫氣流通方向每隔20 mm垂直截取一個(gè)截面，共計(jì)30個(gè)截面。

圖4 3種氫氣孔徑的冷卻器芯體氫氣流通截面的溫度分布云圖

圖5 垂直氫氣流通方向的30個(gè)芯體截面溫度云圖

圖6為氫氣孔徑10、8、6 mm時(shí)氫氣孔截面平均溫度隨流通長(zhǎng)度變化的曲線。 由圖6可知，氫氣流通長(zhǎng)度的前200 mm，溫度下降快，由318.15 K下降到280～290 K之間，之后降溫速度逐漸變慢。該冷卻器芯體內(nèi)氫氣需要經(jīng)冷流體冷卻后最終達(dá)到278.15 K， 以氫氣平均溫度為278.15 K時(shí)所截取的流通長(zhǎng)度為基準(zhǔn)，加上冷卻器芯體最外排孔距芯體外邊緣的距離， 最終得出10、8、6 mm這3種氫氣孔徑所對(duì)應(yīng)的冷卻器芯體在z軸上的長(zhǎng)度分別為400、340、260 mm。

圖6 氫氣孔截面平均溫度隨流通長(zhǎng)度變化的曲線

4 最優(yōu)冷卻器芯體尺寸

通過(guò)有限元模擬與流體力學(xué)模擬，分析優(yōu)化出3種冷卻器的芯體尺寸見(jiàn)表5。 由表5可知，隨著孔徑的減小，氫氣流通長(zhǎng)度減小很多，基于氫氣冷卻器必須在保證熱負(fù)荷需求與強(qiáng)度要求的同時(shí)，結(jié)構(gòu)盡量緊湊，冷卻器體積盡量小，故最終選擇6 mm氫氣孔徑的冷卻器芯體結(jié)構(gòu)作為分析優(yōu)化結(jié)果。

表5 3種氫氣孔徑對(duì)應(yīng)的最優(yōu)芯體尺寸

5 結(jié)論

5.1 冷卻器氫氣孔徑為6 mm時(shí)芯體體積最小，滿足強(qiáng)度需求的最優(yōu)氫氣孔水平孔心距為15 mm，交錯(cuò)孔垂直孔心距為12 mm，滿足熱負(fù)荷需求的最優(yōu)氫氣流通長(zhǎng)度為260 mm。

5.2 分析與優(yōu)化得到的氫氣冷卻器芯體結(jié)構(gòu)，不但解決了70 MPa加氫站高壓氫氣因壓縮和節(jié)流膨脹效應(yīng)溫度升高對(duì)氫氣儲(chǔ)罐、車載氣瓶造成的損壞問(wèn)題，而且冷卻器芯體結(jié)構(gòu)體積小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能適應(yīng)高壓工作環(huán)境、換熱效率高，易橇裝在設(shè)備橇裝模塊中，很好地滿足了70 MPa加氫站對(duì)高壓氫氣冷卻器的性能需求。