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70MPa加氢站工艺过程模拟及氢气冷却器结构分析与优化
| 论文题名： | 70MPa加氢站工艺过程模拟及氢气冷却器结构分析与优化 |
| 关键词： | 加氢站;氢气冷却器;芯体结构;工艺过程模拟;流场模拟;力学分析 |
| 摘要： | 随着化石燃料的日益枯竭，氢能源是世界范围内大力发展的新能源。在氢能源市场化过程中，需要大量建设加氢站，从而保证氢燃料电池车的行驶里程。加氢站氢源经增压、储存、加注等流程注入车载气瓶的过程中，氢气由于压缩和节流膨胀效应，温度明显升高，过高的温度会对加氢站氢气储罐和车载气瓶的安全造成威胁。因此设计开发在加氢过程中传热良好、结构紧凑、且在高压环境内安全可控的氢气冷却器很有必要。本文主要研究内容如下： 首先，根据加氢站从供氢源、增压系统、储存系统到加注系统的工艺流程特点，利用Aspen HYSYS过程模拟软件中稳态与动态模拟功能，基于SAE J2601-2016中要求的加氢站工艺规范，建立氢气增压系统、储存系统和加注系统的模拟流程。通过仿真分析，得到各工艺单元中冷却器的进出口流体物性与热负荷，对模拟仿真数据进行分析，确定出一个标准冷却器，以流量为6.64m3/h、热负荷为29.7kW作为加氢站标准冷却器工艺参数，并建立了由标准冷却器组合构成的加氢站换热网络。 其次，以标准冷却器工艺参数为依据，采用错流式窄流道紧凑型冷却器芯体结构，并对芯体结构进行分析和优化，主要优化的冷却器芯体结构参数包括氢气孔道的孔径、孔数、排布方式、水平与垂直孔中心距、氢气流通长度。用SolidWorks软件建立该冷却器芯体10mm、8mm、6mm三种氢气孔径下不同氢气水平孔心距和竖直孔心距的三维模型。（1）基于ANSYS Workbench中结构力学分析模块对其进行有限元分析，并对冷却器芯体中应力最大值处进行应力线性化分析，确定出三种氢气孔径下最优氢气孔水平孔心距和交错孔竖直孔心距，进而对冷却器芯体氢气流通截面尺寸做出定义。（2）用FLUENT对这三种优化方案进行流场模拟，观察其氢气流通截面的温度变化趋势，得出达到冷却需求时的氢气流通长度，确定了冷却器芯体在氢气流通方向的长度尺寸。依据冷却器体积最小的优化目的，确定出6mm氢气孔直径的冷却器芯体结构为最终优化方案。 最后，对最终优化方案确定的标准冷却器芯体结构，增设氢气分布结构和冷流体侧封头，完成标准冷却器整体结构设计，并对冷却器整体进行结构力学分析和流场模拟，验证了其整体强度满足要求，且氢气在孔道内分布均匀。说明这种错流式窄流道紧凑型冷却器结构能够满足70MPa加氢站氢气冷却的需要。 |
| 作者： | 刘瑞 |
| 专业： | 化学工程 |
| 导师： | 王晓静;宋秀铎 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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