一种强制换热空温式液氢汽化器设计

一种强制换热空温式液氢汽化器设计

陈汝蒋1，高 ,沛1，沈 ,杰1，李科舟1

（1.浙江浙能航天氢能技术有限公司，浙江 杭州 310020）

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。

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

2.2 强度计算

强制换热空温式液氢汽化器承压管道采用为SS316L不锈钢管，管件型号为9/16’，14.283.17（进口管）。根据GB 50316-2000《工业金属管道设计规范》条文6.2.1中规定的承受内压直管厚度计算公式（1）验证是否满足要求。式（1）中，ts为管道的计算壁厚；P为管道的设计压力，取104.5MPa；Do为管道的外径，取14.28mm；Ej为焊接接头系数，本文取1；[]t为管道材料在设计温度下的许用应力，取277MPa；Y为考虑温差应力影响的系数，管件材料为奥氏体钢，使用温度482℃，因此Y取0.4。

                       （1）

ts—管道的计算壁厚(mm)

P—管道的设计压力(MPa)

Do—管道的外径(mm)

Ej—焊接接头系数(无量纲)

[]t—管道材料在设计温度下的许用应力(MPa)

Y—考虑温差应力影响的系数(无量纲)

计算得理论所需管道的壁厚：

经计算所得理论管壁厚度2.3mm<实际管壁厚度3.17mm，该管道满足强度要求。

计算得管道理论最大承压：

经计算所得承受内压管道14.283.17（进口管）理论可受压141.5MPa的压力。

3 仿真分析及验证

3.1 网格划分及仿真参数选择

使用有限元软件建立三维实体模型进行仿真分析，验证其强度是否满足要求，其中模型节点共3160298个，网格单元共2381582个。汽化器管道设计压力取104.5MPa，设计温度取-253℃。操作压力介于5MP~90MPa波动，每天循环50次，每年按365天计，设计使用年限20年。荷载主要有设备自重和地震载荷，放大系数取1.2；根据GB/T 50761-2018《石油化工钢制设备抗震设计标准》，设计基本地震加速度取0.23g；冷加工316L不锈钢的许用应力根据TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中规定，取屈服强度/1.5、抗拉强度/2.4中的最小值，因此许用应力取303MPa；根据JB 4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》附表G-5取不锈钢的材料性能，根据JB/T 4734-2002《铝制焊接容器》[13]取铝材的材料性能，具体材料性能参数见表2。

表2  材料性能参数

3.2 荷载工况与应力分析

荷载工况主要有汽化器管道压力、自重和地震荷载。压力为104.5MPa，设备自重、横向地震作用加速度为0.23g，接管处反作用力为50.7MPa，约束支腿底部所有自由度。仿真结果得到应力分布，其中Von Mises应力分布如图3所示，可见应力主要集中在承压管道处。由于该结构整体高度不高，相对于管道压力载荷，地震载荷几乎可以忽略不计，应力分布与没有地震载荷作用时相近。沿管壁厚方向取线性化路径进行分析，其中一次薄膜应力、一次薄膜应力+弯曲应力、一次与二次应力的总和曲线如图4所示，由于所分析的弯管段远离结构不连续区域，因此在进行内压+自重+地震工况的应力分析时仅需考虑一次薄膜应力，结果表明汽化器弯管段在内压+自重+地震的工况下，一次薄膜应力为153MPa，远小于该工况下的许用值363.6MPa，满足要求。

4 结语

高压液氢汽化器是液氢加氢站的关键核心设备之一，研制液氢汽化器有助于突破国外技术封锁，填补国内汽化器在液氢温区缺少实际使用检测经验的空白，并减少液氢加氢站建设费用。这种新型的强制换热空温式液氢汽化器，是对传统LNG汽化器结构进行了改造和优化，经过理论计算与仿真分析得出该汽化器承压管道能满足强度要求，相较于传统的汽化器，在提高液氢使用场景安全性的同时，能够实现液氢的高效汽化，且具有节省材料成本、减少设占地空间、便于检修等优点。希望本文能够为液氢汽化器的设计与应用提供参考。

参考文献

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作者简介：陈汝蒋（1988-），男，浙江温州人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：机械工程及自动化。