70MPa復(fù)合材料氫氣瓶液壓疲勞試驗(yàn)裝置及壓力和溫度控制方法研究.pdf

1、氫能因其具有儲(chǔ)量豐富、燃燒值高、可再生等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的清潔能源，對(duì)于解決目前困擾世界的“能源短缺”和“環(huán)境污染”兩大難題具有重要的戰(zhàn)略意義。隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池汽車(chē)正逐漸成為世界汽車(chē)廠商竟相研發(fā)的熱點(diǎn)。
　　高壓儲(chǔ)氫技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、充放速度快、壓縮氫氣能耗低等優(yōu)點(diǎn)，是目前氫燃料電池汽車(chē)采用的主要儲(chǔ)氫方式。復(fù)合材料氫氣瓶承壓能力強(qiáng)，質(zhì)量輕，耐腐蝕性能好，是當(dāng)前氫燃料電池汽車(chē)用氫氣瓶的首選型式

2、。由于儲(chǔ)存的介質(zhì)是易燃易爆的氫氣，在使用過(guò)程中具有潛在的泄漏和爆炸危險(xiǎn)，因此其安全性能是氫燃料電池汽車(chē)得以被公眾廣泛接受和市場(chǎng)化推廣的關(guān)鍵。
　　液壓疲勞試驗(yàn)是檢測(cè)復(fù)合材料氣瓶宏觀強(qiáng)度、安全裕度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性與可靠性的重要手段。美國(guó)、歐盟、日本、ISO和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于液壓疲勞試驗(yàn)都提出了明確的要求。然而，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的70MPa復(fù)合材料氣瓶液壓疲勞試驗(yàn)的裝置。另外，在進(jìn)行液壓疲勞試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)壓力和溫度實(shí)施有效

3、的控制，而對(duì)于復(fù)合材料氣瓶在液壓疲勞試驗(yàn)過(guò)程中的升壓規(guī)律和溫度變化規(guī)律的研究卻很少，目前還沒(méi)有一套能夠準(zhǔn)確控制升壓速率和氣瓶溫度的方法。
　　在國(guó)家高技術(shù)研究計(jì)劃目標(biāo)導(dǎo)向課題（“863”計(jì)劃）項(xiàng)目“高壓容器儲(chǔ)氫技術(shù)和裝備（項(xiàng)目編號(hào):2006AA05Z143）”、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）課題“高密度車(chē)載儲(chǔ)氫新體系及其安全性預(yù)測(cè)理論研究（項(xiàng)目編號(hào):2007CB209706）”和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局公益性行業(yè)科研專(zhuān)

4、項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“車(chē)用纖維纏繞高壓氫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)研究”（項(xiàng)目編號(hào):10-131）等的支持下，針對(duì)復(fù)合材料氫氣瓶液壓疲勞試驗(yàn)的要求，本文從液壓疲勞試驗(yàn)裝置研制，試驗(yàn)過(guò)程中壓力和溫度的變化規(guī)律以及升壓速率和氣瓶溫度控制方法等方面開(kāi)展研究，主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)基于公稱(chēng)壓力為70MPa的復(fù)合材料氫氣瓶水壓試驗(yàn)、爆破試驗(yàn)和常溫壓力循環(huán)試驗(yàn)的技術(shù)要求，確定了液壓疲勞試驗(yàn)裝置的介質(zhì)種類(lèi)、壓力等級(jí)、輸出流量等方面關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。綜合考慮

5、液壓疲勞試驗(yàn)的要求、增壓裝置的特點(diǎn)和工作原理，提出了試驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)方案。對(duì)壓力循環(huán)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行研究，提出采用三通型和二通型氣動(dòng)換向閥聯(lián)合作用的方式，有效降低了保壓和卸壓過(guò)程的能耗。對(duì)氣動(dòng)泵和柱塞泵流量特性進(jìn)行分析，得到氣動(dòng)泵流量與輸出壓力和驅(qū)動(dòng)氣壓的關(guān)系，基于增壓泵流量特性，提出采用驅(qū)動(dòng)氣壓調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)泵和柱塞泵的流量調(diào)節(jié)。綜合考慮了壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)的特性和相關(guān)元件的調(diào)節(jié)范圍，提出通過(guò)流量控制的方式實(shí)現(xiàn)下限壓力

6、的調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行流程設(shè)計(jì)，搭建液壓疲勞試驗(yàn)裝置，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了試驗(yàn)裝置的功能。該裝置的成功研制提升了我國(guó)復(fù)合材料氫氣瓶安全性能檢測(cè)能力。
　　(2)在考慮介質(zhì)的壓縮性和氣瓶容積變化的基礎(chǔ)上，建立了復(fù)合材料氫氣瓶增壓過(guò)程的理論分析模型。基于水的狀態(tài)方程，推導(dǎo)出壓縮系數(shù)計(jì)算式。結(jié)合有限元分析方法，提出氣瓶容積的計(jì)算方法。結(jié)合理論分析模型和介質(zhì)壓縮系數(shù)、氣瓶容積及增泵流量特性，得到復(fù)合材料氣瓶升壓速率和升壓時(shí)間的計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)

7、比計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了升壓速率計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。分析了氣瓶容積變化、介質(zhì)溫度和增壓泵流量對(duì)升壓速率的影響規(guī)律，結(jié)果表明:氣瓶容積變化對(duì)升壓速率存在較大影響，介質(zhì)溫度對(duì)升壓速率的影響可以忽略，指出通過(guò)控制增壓泵流量能有效控制升壓速率?；谏龎核俾实挠?jì)算方法，提出升壓速率的控制方法，得到了保證升壓速率要求下增壓泵流量限制值。對(duì)于柱塞泵可采用調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，對(duì)于氣動(dòng)泵可采用調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣壓的方式，并得到柱塞泵電機(jī)轉(zhuǎn)速和氣動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)氣壓的取

8、值范圍。
　　(3)基于變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)理論，建立了復(fù)合材料氫氣瓶壓力循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程的熱力學(xué)模型，模型考慮了介質(zhì)的壓縮與膨脹、介質(zhì)與內(nèi)壁的對(duì)流傳熱、氣瓶壁的導(dǎo)熱以及外壁與環(huán)境的自然對(duì)流換熱等。開(kāi)展了復(fù)合材料氫氣瓶壓力循環(huán)過(guò)程溫度變化試驗(yàn)研究，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。基于該熱力學(xué)模型，對(duì)氫能與燃料電池國(guó)際合作伙伴計(jì)劃(InternationalPartnershipforHydrogenandFuelCellinEconomy

9、,IPHE)組織循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)所用24.8MPa、54L的Ⅳ型氣瓶在充入介質(zhì)溫度、循環(huán)頻率、環(huán)境溫度等參數(shù)影響下的壓力循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了各參數(shù)對(duì)氣瓶平衡溫度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)，氣瓶溫度逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);氣瓶壁面平衡溫度與充入介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度近似呈線性關(guān)系，循環(huán)頻率對(duì)氣瓶壁面平衡溫度的影響并不明顯。依據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出了較為精確的氣瓶平衡溫度計(jì)算公式?；谠撈胶鉁囟扔?jì)算公式，提出了控制氣瓶溫度