基于脉管制冷机的液氢无损贮存系统研究

论文摘要

氢能将是21世纪的重要能源。氢的资源丰富，来源多样，具有燃烧热值高、清洁环保、可贮存、可再生等优点，可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求。氢的安全高效贮运是发展氢能需要解决的关键问题。作为氢的主要贮存方式之一，液氢具有广阔的应用前景。针对液氢贮存中存在的蒸发损失问题，本文介绍了液氢无损贮存的概念，并从被动技术和主动技术两方面分类综述了液氢无贮存系统的研究现状。利用液氢无损贮存传热模型，本文对加入制冷机前后液氢无损贮存时间和液氢蒸发率的变化做出合理预测。借鉴其它低温液体的无损贮存方案，提出利用单级脉管制冷机对大型液氢贮槽内蒸发气体进行再冷凝的设想，设计了液氢回流型和液氢回收型两种方案，并从系统结构和漏热量等方面进行了对比分析。为满足液氢无损贮存的需要，自行设计制作了一台单级G-M型脉管制冷机，并对该制冷机进行了初步性能实验。初步实验结果表明，该制冷机无负载最低温度为11.3K，在21K时有20W的制冷量，可基本满足液氢无损贮存的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 氢的主要贮存方式
• 1.2.1 氢的主要贮存方式比较
• 1.2.2 液氢贮存现状
• 1.3 液氢温区典型低温制冷机介绍
• 1.4 课题主要研究内容
• 第二章 液氢无损贮存方法研究
• 2.1 被动技术
• 2.2 主动技术
• 2.2.1 借助低温制冷机改进低温贮槽结构
• 2.2.2 采用低温制冷机直接冷却液氢
• 2.2.3 采用低温制冷机冷凝蒸发的氢气
• 2.3 本章小结
• 第三章 液氢贮槽无损贮存规律研究
• 3.1 液氢无损贮存过程的热力学分析和传热模型
• 3.1.1 液氢无损贮存过程的热力学分析
• 3.1.2 液氢无损贮存过程传热模型
• 3.2 液氢无损贮存过程中贮槽内压力和蒸发率变化的理论研究
• 3.2.1 液氢贮槽传热模型
• 3.2.2 漏热流密度计算
• 3.2.3 贮槽内压力随时间的变化
• 3.2.4 液氢蒸发率随时间的变化
• 3.2.5 无损贮存过程中液氢充满率的变化
• 3.3 加入脉管制冷机后贮槽内压力和蒸发率的变化
• 3.3.1 贮槽内压力随时间的变化
• 3.3.2 液氢蒸发率随时间的变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于脉管制冷机的液氢无损贮存系统方案
• 4.1 液氢回流型系统方案
• 4.1.1 系统组成和布置
• 4.1.2 输氢管道漏热量计算
• 4.1.3 液氢回流管道内摩擦阻力计算
• 4.1.4 氢气换热器设计计算
• 4.2 液氢回收型系统方案
• 4.2.1 系统组成和布置
• 4.2.2 液氢回收量预测
• 4.3 两种方案的比较
• 4.3.1 系统结构的比较
• 4.3.2 管道漏热量比较
• 4.4 系统安全
• 4.4.1 电气防爆
• 4.4.2 安全检测设备
• 4.4.3 液氢或氢气泄漏的预防
• 4.5 本章小结
• 第五章 脉管制冷机性能实验
• 5.1 G-M型单级脉管制冷机的总体水平
• 5.2 实验系统装置
• 5.2.1 制冷机系统
• 5.2.2 真空与绝热系统
• 5.2.3 测量和数据采集系统
• 5.3 性能实验结果
• 5.3.1 未加入磁性蓄冷材料的实验结果
• 5.3.2 加入磁性续冷材料后的实验结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 主要参考文献
• 硕士阶段取得的主要成果
• 致谢