一种计算液氢储罐真空多层绝热结构的绝热性能的方法技术

本发明专利技术涉及一种计算液氢储罐真空多层绝热结构的绝热性能的方法。解决了目前暂无储罐真空多层绝热结构内蒸汽冷却屏耦合氢仲正催化转化的计算模型，导致难以得到真空多层绝热结构绝热性能的技术问题。本发明专利技术方法包括以下步骤：1)输入各绝热屏位置坐标和蒸汽冷却屏的布置位置，以及储罐的工况参数；2)构建计算温度节点的非线性方程组，在非线性方程组中引入一个源项b

【技术实现步骤摘要】
一种计算液氢储罐真空多层绝热结构的绝热性能的方法


[0001]本专利技术涉及液氢储罐蒸汽冷却屏耦合氢仲正催化转化的
，具体涉及一种计算液氢储罐真空多层绝热结构的绝热性能的方法。

技术介绍

[0002]液氢是一种高效的清洁能源，但其存储需要极低的温度和高度的安全性。为了解决液氢储存中的热损失问题，液氢储罐采用真空多层绝热结构，由内至外分别为液氢容器、内罐、隔热层、外罐和外壳。其中，内罐和外罐之间形成真空层，隔热材料填充在隔热层中，从而有效减少热量传输。然而，由于真空层与大气接触，其热损失仍较大，无法满足液氢长期存储的需求。为了更好地维持液氢温度的稳定性，在绝热结构中设置蒸汽冷却屏的技术被广泛应用于液氢储罐中。这种技术通过在液氢储罐内设置蒸汽冷却屏，将蒸汽通过冷却屏对内罐进行冷却，并将产生的气体通过真空泵抽出，从而有效控制液氢储罐的漏热和内部压力。
[0003]氢是双原子分子，根据两个原子核自旋的相对方向，氢分子可分为正氢(Ortho
‑
hydrogen)和仲氢(Para
‑
hydrogen)，通常的氢是这两种形式氢分子的混合物。正仲氢之间的平衡百分比仅与温度有关，温度降低，相对应的平衡氢中的仲氢浓度增加，当温度降低时，正氢自发转化为仲氢，并且释放出热量，引起储存的液氢大量汽化，导致液氢的损失。一般在储氢前，会通过正仲催化反应的方式得到仲氢含量95％以上的液氢产品，以减少储罐内正仲自发转化引起的液氢蒸发损失。相反地，仲氢转化为正氢会吸收热量，产生制冷作用，利用这个原理可以获得额外的冷量，但是仲氢转化为正氢的转化速率很慢，一般使用催化剂加速转化，合理的想法是在储罐的蒸汽冷却屏中布置氢仲正转化催化剂，将转化冷量充分利用。因此，构建一种储罐真空多层绝热结构内蒸汽冷却屏耦合氢仲正催化转化的计算模型，并完善为一种系统的方法，对促进氢能源高效利用具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是解决目前暂无储罐真空多层绝热结构内蒸汽冷却屏耦合氢仲正催化转化的计算模型，导致难以得到真空多层绝热结构内绝热屏和蒸汽冷却屏的最优布置形式的技术问题，而提供一种计算液氢储罐真空多层绝热结构的绝热性能的方法。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]一种计算液氢储罐真空多层绝热结构的绝热性能的方法，在液氢储罐的真空多层绝热结构中设置多层绝热屏，在每层绝热屏上布置温度节点，在其中至少一层绝热屏上设置蒸汽冷却屏，并在蒸汽冷却屏中加入氢仲正转化催化剂，所述氢仲正转化催化剂用于仲氢转换为正氢；
[0007]其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0008]1)给定工况参数，以及各绝热屏位置坐标和蒸汽冷却屏的布置位置；
[0009]所述工况参数包括储罐内液氢温度T
c
、储罐内压力P
c
、热端温度T
h
、真空绝热结构
的总厚度、绝热屏层数N；所述热端温度T
h
为环境温度；
[0010]蒸汽冷却屏的温度、压力以及蒸汽冷却屏内的氢仲正转化催化反应符合稳态假设；
[0011]2)初始化温度场；
[0012]3)根据能量守恒方程推导得到计算温度节点值T
i
的非线性方程组：
[0013][0014]T
i+1
、T
i
和T
i
‑1分别为第i+1层、i层和i
‑
1层绝热屏的温度节点值；
[0015]C
i+1
和C
i
‑1分别为绝热屏热导，表示温度节点T
i+1
和T
i
‑1对温度节点T
i
施加的影响，i为第i层绝热屏；
[0016]C
t,i
＝C
i+1
+C
i
‑1；
[0017]n表示当前迭代轮次；
[0018]b
i
代表蒸汽冷却屏引入的冷量对温度节点T
i
的影响；
[0019]4)温度场分布计算
[0020]采用高斯
‑
赛德尔迭代法对步骤3)的方程组进行求解更新温度场；在每个迭代轮次中，把当前迭代轮次计算得到的温度场分布与前一个迭代轮次的温度场分布进行比较，判断温度场残差T
err
是否小于设定的收敛性条件T
set
，若否，则更新温度场，重复步骤4，继续开始新一轮的迭代轮次；若是，则输出真空多层绝热机构中的温度分布，并计算漏热热流密度。
[0021]进一步地，步骤2)中，初始化的温度场分布为：
[0022][0023]其中，T
i
为第i层绝热屏的温度节点值。
[0024]进一步地，步骤3)中，b
i
的计算方式分以下三种情况：
[0025]遍历各绝热屏，若绝热屏i上未设置蒸汽冷却屏，则按下式中第一种方式计算；若绝热屏i上设置了蒸汽冷却屏，且蒸汽冷却屏上未放置氢仲正转化催化剂，则按下式中第二种方式计算；若绝热屏i上设置了蒸汽冷却屏，且蒸汽冷却屏上放置了氢仲正转化催化剂，则按下式中第三种方式计算；
[0026][0027]其中，h
p,in,i
和h
p,out,i
分别为设置在第i层绝热屏上的蒸汽冷却屏的入口仲氢比焓和出口仲氢比焓；
[0028]h
p,in,i
和h
p,out,i
根据nist物性数据库中的仲氢物性来确定；
[0029]m
vcs
是蒸汽冷却屏中的蒸汽质量流量；
[0030]A是储罐的表面积；
[0031]n为当前迭代轮次，而n
‑
1表示前一个迭代轮次；
[0032]h
p',in,i
和h
o',in,i
分别表示设置在第i层绝热屏上的蒸汽冷却屏的入口仲氢和入口正氢比焓；
[0033]h
p',out,i
和h
o',out,i
分别表示设置在第i层绝热屏上的蒸汽冷却屏的出口仲氢比焓和出口正氢比焓；
[0034]φ
p,in,i
和φ
p,out,i
分别表示设置在第i层绝热屏上的蒸汽冷却屏的入口仲氢浓度和出口仲氢浓度；
[0035]φ
p,in,i
的计算方法是：
[0036][0037]其中，T
cr
是氢的临界温度，T
in,i
是设置在第i层绝热屏上的蒸汽冷却屏的入口温度。
[0038]进一步地，步骤3)中，热导C
i+1
和C
i
‑1的计算方式相同，C
i+1
通过下式计算：
[0039]C
i+1
＝C
s,i+1<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算液氢储罐真空多层绝热结构的绝热性能的方法，在液氢储罐的真空多层绝热结构中设置多层绝热屏，在每层绝热屏上布置温度节点，在其中至少一层绝热屏上设置蒸汽冷却屏，并在蒸汽冷却屏中加入氢仲正转化催化剂，所述氢仲正转化催化剂用于仲氢转换为正氢；其特征在于，包括以下步骤：1)给定工况参数，以及各绝热屏位置坐标和蒸汽冷却屏的布置位置；所述工况参数包括储罐内液氢温度T
c
、储罐内压力P
c
、热端温度T
h
、真空绝热结构的总厚度、绝热屏层数N；所述热端温度T
h
为环境温度；蒸汽冷却屏的温度、压力以及蒸汽冷却屏内的氢仲正转化催化反应符合稳态假设；2)初始化温度场；3)根据能量守恒方程推导得到计算温度节点值T
i
的非线性方程组：T
i+1
、T
i
和T
i
‑1分别为第i+1层、i层和i
‑
1层绝热屏的温度节点值；C
i+1
和C
i
‑1分别为绝热屏热导，表示温度节点T
i+1
和T
i
‑1对温度节点T
i
施加的影响，i为第i层绝热屏；C
t,i
＝C
i+1
+C
i
‑1；n表示当前迭代轮次；b
i
代表蒸汽冷却屏引入的冷量对温度节点T
i
的影响；4)温度场分布计算采用高斯
‑
赛德尔迭代法对步骤3)的方程组进行求解更新温度场；在每个迭代轮次中，把当前迭代轮次计算得到的温度场分布与前一个迭代轮次的温度场分布进行比较，判断温度场残差T
err
是否小于设定的收敛性条件T
set
，若否，则更新温度场，重复步骤4，继续开始新一轮的迭代轮次；若是，则输出真空多层绝热结构中的温度分布，并计算漏热热流密度。2.根据权利要求1所述的一种计算液氢储罐真空多层绝热结构的绝热性能的方法，其特征在于，步骤2)中，初始化的温度场分布为：其中，T
i
为第i层绝热屏的温度节点值。3.根据权利要求2所述的一种计算液氢储罐真空多层绝热结构的绝热性能的方法，其特征在于：步骤3)中，b
i
的计算方式分以下三种情况：遍历各绝热屏，若绝热屏i上未设置蒸汽冷却屏，则按下式中第一种方式计算；若绝热屏i上设置了蒸汽冷却屏，且蒸汽冷却屏上未放置氢仲正转化催化剂，则按下式中第二种方式计算；若绝热屏i...

【专利技术属性】
技术研发人员：李科，文键，厉彦忠，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：