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液氢瓶设计中逃不开的话题——正氢和仲氢

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信息来源上资料   

   但愿人长久千里共婵娟,马上就要过中秋了,提前把氛围预热起来,今天来讲一讲液氢瓶设计中的重点,信息是从网上获取,我给进行了一下拟人化处理,这样我觉得好理解点。

   

想象一下,氢气的世界就像是一场精彩绝伦的狂欢派对,派对里有两个性格迥异但又形影不离的明星——正氢和仲氢。他们俩就像是一对欢喜冤家,在派对中不停地变换着角色,你方唱罢我登场。在我们日常的温度下,派对里大约有75%的正氢和25%的仲氢,这种组合就像是派对的招牌,我们亲切地称之为“正常氢”或“标准氢”,并用一个酷炫的符号n-H2来代表。

 

   但是,当温度开始下降,就像派对的气氛突然冷却一样,原本活力四射的正氢这位高能小哥哥就会慢慢变成低能态的仲氢。这个过程中,正氢会释放出热乎乎的能量,仿佛在为派对增添一丝温暖。即使没有派对策划师——催化剂的参与,液态氢也会慢慢地发生正氢到仲氢的转换,只不过这个过程进行得极其缓慢,就像蜗牛爬行一样。如果直接将氢气液化,这个转换过程就会在液氢的储存罐里悄无声息地进行。  

    关键的问题在于,正氢变成仲氢的过程中会释放出大量的热量,这些热量甚至比液氢的汽化潜热还要高。结果就是,储存罐里的液氢开始逐渐蒸发,变成了气态氢。这下可就麻烦了,气态氢会导致储存罐内的压力急剧上升,对罐子造成潜在的损害,同时还会缩短液氢的储存时间,使得氢气再液化的成本大幅增加。因此,正仲氢转换这个环节必须在氢气液化的过程中就得到妥善处理。但是,这个转换过程实在是太缓慢了,所以我们必须借助催化剂这个加速器来加快进程。目前,我们国家所使用的正仲氢转换催化剂仍然依赖进口,这无疑是一个令人焦虑的问题.




来源:气瓶设计的小工程师
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著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-28
最近编辑:1月前
气瓶设计的小攻城狮
硕士 从事IV储氢气瓶行业。
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气瓶设计的一般流程

1.需求分析:-明确使用环境:确定气瓶工作的温度、压力范围,例如是常温、高温还是低温环境,以及所承受的最大压力值等。比如在航空航天领域,可能会面临极端的温度和压力条件;在一般工业应用中,温度和压力条件相对较为常规。-确定用途和功能:了解气瓶是用于储存何种气体(如氧气、氢气、氮气等),以及具体的使用场景(如潜水、医疗、工业生产等),这关系到气瓶的材料选择、结构设计等方面。-了解法规和标准:熟悉相关的国家和行业标准规范,如设计压力、安全系数、材料性能要求、制造工艺要求、检验检测要求等,确保设计的气瓶符合法规标准。2.初步设计:-选择材料:-内衬材料:根据使用环境和气体特性选择合适的内衬材料,常见的有金属材料(如铝合金、不锈钢等)和非金属材料(如塑料等)。例如,对于储存腐蚀性气体,可能需要选用耐腐蚀的内衬材料;对于有轻量化要求的场合,铝合金可能是合适的选择。-纤维增强材料(适用于复合材料气瓶):如碳纤维、玻璃纤维等,需考虑其强度、模量、韧性等性能指标,以及与内衬材料的兼容性。不同的纤维材料具有不同的力学性能和成本,设计时要综合权衡。-设计结构:-形状设计:常见的气瓶形状有圆柱形、球形等。圆柱形气瓶制造相对简单,球形气瓶在同等体积下受力更均匀,但制造难度可能较大。例如在一些对空间要求较高的场合,可能会选择球形气瓶;而在一般的工业应用中,圆柱形气瓶较为常见。-封头设计:封头的形状和结构要保证气瓶的密封性和强度,有半球形封头、椭圆形封头等多种形式。封头与筒身的连接方式也需要合理设计,以避免应力集中。-瓶口和阀门设计:确定瓶口的尺寸、螺纹规格等,以便与阀门等配件连接;阀门要选择合适的类型和规格,确保密封可靠、操作方便,并能满足使用过程中的流量和压力控制要求。-厚度计算:根据设计压力、材料的许用应力以及安全系数等,通过相应的计算公式或经验公式初步确定气瓶各部分(如筒身、封头)的厚度。例如,对于薄壁圆筒结构,可采用薄膜应力理论进行厚度计算;对于复杂形状和结构,可能需要借助有限元分析等方法进行优化设计。-铺层设计(针对复合材料气瓶):确定纤维缠绕的角度、层数和方式等。缠绕角度会影响气瓶的强度和刚度,不同的缠绕方式(如螺旋缠绕、环向缠绕等)可以满足不同方向的力学性能要求。通常需要根据气瓶的受力特点和性能需求,进行合理的铺层设计,以充分发挥纤维增强材料的作用。3.详细设计与计算:-强度计算:-利用理论公式计算:根据气瓶的结构形状和受力情况,应用材料力学、弹性力学等相关理论公式,计算气瓶在各种工况下(如内压、外压、温度变化等)的应力分布和变形情况,包括轴向应力、环向应力、剪切应力等。例如,对于圆柱形气瓶,可根据薄壁圆筒理论计算其周向应力和轴向应力。-有限元分析:建立气瓶的三维有限元模型,输入材料的性能参数(如弹性模量、泊松比、强度等)、边界条件(如约束方式、加载压力等)和网格划分等信息,通过有限元软件进行数值模拟分析,得到更为精确的应力、应变和变形结果。有限元分析可以考虑气瓶结构的复杂性、材料的非线性以及各种实际工况,能够更全面地评估气瓶的强度和可靠性。例如,分析气瓶在不同温度和压力组合下的应力分布,以及在冲击、振动等特殊工况下的响应。-稳定性分析:对于长径比较大的圆柱形气瓶或其他可能存在失稳风险的结构,需要进行稳定性计算,如轴向压缩稳定性、弯曲稳定性等。确定临界载荷和失稳模式,采取相应的措施(如增加加强筋、优化结构形状等)来提高气瓶的稳定性。-疲劳分析(如果适用):如果气瓶在使用过程中会受到循环载荷(如频繁的充放气),则需要进行疲劳分析。通过材料的疲劳性能数据和实际的载荷循环次数,评估气瓶在疲劳载荷作用下的寿命和可靠性,预测可能出现疲劳裂纹的位置和扩展情况,并采取相应的抗疲劳设计措施,如优化结构、选择抗疲劳性能好的材料等。4.优化设计:-根据计算结果优化:分析强度计算、稳定性分析和疲劳分析等结果,找出设计中的薄弱环节和可优化的部分。例如,如果某些区域的应力集中较大,可以通过调整结构形状、增加过渡圆角、优化铺层设计等方式来降低应力集中;如果发现重量过大或材料利用率不高,可以考虑优化结构尺寸或采用更先进的材料。-多方案比较:针对不同的优化方向,提出多个改进方案,并对每个方案进行重新计算和评估。比较各方案的优缺点,如强度性能、重量、成本、制造工艺难度等,综合选择最优的设计方案。例如,可以比较采用不同纤维缠绕角度和层数的方案对气瓶性能的影响,选择既能满足性能要求又能降低成本的方案。5.设计验证与确认:-样机制作:根据最终确定的设计方案,制作气瓶样机。样机的制造过程应严格按照设计要求和相关工艺规范进行,确保样机能够真实反映设计的性能和质量。-试验验证:-压力试验:对样机进行耐压试验,逐渐增加压力至设计压力的一定倍数(如1.5倍或2倍),保持一定时间,检查气瓶是否有泄漏、变形、破裂等现象,验证气瓶的强度和密封性。-爆破试验:在极端情况下进行爆破试验,以确定气瓶的实际爆破压力,并与理论计算值进行对比,验证设计的准确性和安全性。-其他试验(如果需要):根据气瓶的具体用途和要求,还可能进行诸如疲劳试验、冲击试验、温度循环试验等特殊试验,以验证气瓶在各种复杂工况下的性能和可靠性。-设计确认:综合试验结果和实际使用要求,对设计进行最终确认。如果试验结果不符合要求,需要分析原因,返回优化设计步骤进行改进,直到设计满足所有要求。6.文档编制:-设计图纸:绘制详细的气瓶设计图纸,包括总装图、零件图等,标注清楚尺寸、公差、材料、表面处理要求等技术信息,作为生产制造的依据。-设计报告:编写设计报告,详细记录设计过程、计算分析结果、优化改进措施、试验验证情况等内容,为后续的生产、检验、维护提供参考和指导。-材料清单:列出气瓶制造所需的各种材料,包括规格、数量、材质等,便于采购和生产管理。7.生产制造:-工艺规划:根据设计要求和生产批量,制定合理的生产工艺路线,包括下料、成型、焊接(如果有)、缠绕(对于复合材料气瓶)、热处理、表面处理、装配等工序,并确定各工序的工艺参数和质量控制要求。-生产准备:准备好所需的原材料、设备、模具、工装等,对生产人员进行培训,确保他们熟悉工艺要求和操作方法。-生产过程控制:严格按照工艺要求进行生产,对每个工序进行质量检验和控制,确保产品质量符合设计标准。例如,对焊接质量进行无损检测,对纤维缠绕的角度和层数进行监控等。-最终检验:对完成生产的气瓶进行全面的最终检验,包括外观检查、尺寸测量、压力试验、气密性试验等,确保产品合格后才能出厂。来源:气瓶设计的小工程师

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