[發(fā)明專利]一種氫氣循環(huán)疲勞測試系統(tǒng)中氫氣儲(chǔ)罐容積計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711495309.2
• 申請(qǐng)日: 2017-12-31
• 公開（公告）號(hào): CN108225470B
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉孝亮;陳學(xué)東;范志超;徐鵬;江慧豐;許明;郭曉璐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥通用機(jī)械研究院有限公司;合肥通用機(jī)械研究院特種設(shè)備檢驗(yàn)站有限公司
• 主分類號(hào): G01F17/00
• 分類號(hào): G01F17/00
• 代理公司: 合肥和瑞知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺;鄭琍玉

1.一種氫氣循環(huán)疲勞測試系統(tǒng)中氫氣儲(chǔ)罐容積計(jì)算方法，其特征在于：包括高壓儲(chǔ)罐容積的計(jì)算以及低壓儲(chǔ)罐容積的計(jì)算：

所述高壓儲(chǔ)罐容積的計(jì)算過程如下：

確定高壓儲(chǔ)罐的初始?jí)毫镻₁₀、溫度為T₁₀，待測氣瓶初始?jí)毫镻₂₀、溫度為T₂₀；待測氣瓶容積為V₂，充氣結(jié)束時(shí)的氣體壓力為P₂；最大充氣流量為W_G(max)；

假設(shè)高壓儲(chǔ)罐氣體容積為V₁，充氣結(jié)束時(shí)的氣體壓力為P₁，溫度為T₁；充氣結(jié)束時(shí)待測氣瓶的氣體溫度為T₂；充氣過程中高壓儲(chǔ)罐氣體經(jīng)過換熱器將待測氣瓶的入口溫度控制為T₀₀；

根據(jù)充氣過程質(zhì)量守恒得到：

m₁₀+m₂₀＝m₁+m₂ (1)

式(1)中m₁₀為高壓儲(chǔ)罐在初始時(shí)刻氣體的質(zhì)量，m₂₀為待測氣瓶在初始時(shí)刻氣體的質(zhì)量，m₁為高壓儲(chǔ)罐在充氣結(jié)束時(shí)氣體的質(zhì)量，m₂為待測氣瓶在充氣結(jié)束時(shí)氣體的質(zhì)量；

將公式(1)根據(jù)氣體狀態(tài)方程換算得到：

式(2)中Z₁、Z₂、Z₁₀、Z₂₀為真實(shí)氣體的壓縮因子，Z₁＝1+αP₁/T₁、Z₂＝1+αP₂/T₂、Z₁₀＝1+αP₁₀/T₁₀、Z₂₀＝1+αP₂₀/T₂₀，α＝1.8922×10^-6；

高壓儲(chǔ)罐放氣結(jié)束時(shí)的溫度T₁按絕熱膨脹關(guān)系式有：

式(3)中k為絕熱指數(shù)，對(duì)于氫氣取值為1.4；

被測氣瓶絕熱充氣結(jié)束后的溫度T₂可由下式計(jì)算：

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HG/26570.7-95《管道壓力計(jì)算》得到：

式(5)中，ΔP為充氣管道系統(tǒng)總壓力降，ΔP_f為充氣管道摩擦壓力降，g為重力加速度，λ為摩擦系數(shù)，L為充氣管道長度，W_G為氣體質(zhì)量流量，d為充氣管道內(nèi)直徑，ρ_m為氣體平均密度；

其中ΔP＝P₁-P₂ (6)

且

式(7)中，ρ₁、ρ₂分別為充氣管道上、下游氣體密度，所述ρ₁、ρ₂可由式(8)分別求得，即：

式(8)中R為氫氣氣體常數(shù)；

聯(lián)立式(5)、(6)、(7)、(8)得到函數(shù)ΔP＝f(W_G)；

聯(lián)立式(2)、(3)、(4)、(6)得到函數(shù)ΔP＝f(V₁)；

根據(jù)所述最大充氣流量等于W_G(max)以及函數(shù)ΔP＝f(W_G)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的ΔP值，再根據(jù)所述ΔP值以及函數(shù)ΔP＝f(V₁)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的高壓儲(chǔ)罐容積V₁；

所述低壓儲(chǔ)罐容積的計(jì)算過程如下：

確定被測氣瓶放氣開始時(shí)的壓力為P₂、容積為V₂、溫度為T₂，對(duì)應(yīng)低壓儲(chǔ)罐的壓力為P₃、溫度為T₃；確定放氣流量為f_o，壓縮機(jī)流量為f_c，假設(shè)在放氣t₁時(shí)間后，啟動(dòng)壓縮機(jī)，又假設(shè)經(jīng)t₂時(shí)間后，放氣與壓縮同時(shí)結(jié)束，此時(shí)確定被測氣瓶又恢復(fù)初始狀態(tài)即壓力為P₂₀、溫度為T₂₀，對(duì)應(yīng)低壓儲(chǔ)罐的壓力恢復(fù)至初始狀態(tài)即壓力為P₃、溫度為T₃，假設(shè)低壓儲(chǔ)罐的容積為V₃；

經(jīng)t₁+t₂時(shí)間后，從被測氣瓶流入低壓儲(chǔ)罐的氫氣質(zhì)量等于被測氣瓶放氣前后氫氣質(zhì)量之差，即：

(t₁+t₂)f_o＝mass(P₂、V₂、T₂)-mass(P₂₀、V₂、T₂₀) (9)

所述mass(*)為已知真實(shí)氫氣壓力、容積以及溫度求得氫氣質(zhì)量的函數(shù)；

由于低壓儲(chǔ)罐初始狀態(tài)與最終狀態(tài)相同，則流入低壓儲(chǔ)罐氫氣質(zhì)量等于流出氫氣質(zhì)量，即：

(t₁+t₂)f_o＝t₂f_c (10)

聯(lián)立式(9)、(10)求得t₁、t₂值；

并且計(jì)算得到經(jīng)過t₁時(shí)間后所述被測氣瓶中氫氣的質(zhì)量m_tt1和壓力P_tt1分別有：

m_tt1＝mass(P₂、V₂、T₂)-t₁f_o (11)

P_tt1＝m2p(m_tt1、V₂、T_tt1) (12)

所述m2p(*)為已知?dú)錃赓|(zhì)量、容積以及溫度求得氫氣壓力的函數(shù)，所述T_tt1為經(jīng)過t₁時(shí)間后所述被測氣瓶中氫氣的溫度；

式(12)中T_tt1可由絕熱放氣過程關(guān)系式計(jì)算：

式(13)中k為絕熱指數(shù)，對(duì)于氫氣取值為1.4；

聯(lián)立式(12)、(13)得到被測氣瓶在t₁時(shí)間后的壓力值P_tt1；

根據(jù)放氣流量的要求，忽略所述被測氣瓶與低壓儲(chǔ)罐之間的壓差，則經(jīng)過t₁時(shí)間后被測氣瓶與低壓儲(chǔ)罐的氫氣壓力相等，即所述低壓儲(chǔ)罐在t₁時(shí)氫氣壓力P_lt1＝P_tt1；

此時(shí)，低壓儲(chǔ)罐的氫氣質(zhì)量為：

M_lt1＝mass(P₃、V₃、T₃)+t₁f_o (14)

相應(yīng)的低壓儲(chǔ)罐的容積為：

V₃＝Volume(M_lt1、P_lt1、T_lt1) (15)

volume(*)為已知?dú)錃赓|(zhì)量、壓力、溫度時(shí)求解氫氣容積的函數(shù)，所述T_lt1為經(jīng)過t₁時(shí)間后所述低壓儲(chǔ)罐中氫氣的溫度；

式(15)中的T_1t1由于低壓儲(chǔ)罐的表面積較大，罐體對(duì)流換熱系數(shù)較大，充入氣體的質(zhì)量流量較小，能夠與環(huán)境溫度平衡，視為等于環(huán)境溫度；

聯(lián)立式(14)、(15)得到低壓儲(chǔ)罐容積V₃的值。