[发明专利]一种氢气循环疲劳测试系统中氢气储罐容积计算方法

摘要

本发明涉及一种氢气循环疲劳测试系统中氢气储罐容积计算方法。本发明包括高压储罐容积的计算过程以及低压储罐容积的计算过程。通过本发明，可以计算获得氢气循环疲劳测试系统中高压储罐以及低压储罐的最小容积，实现在确保氢气循环疲劳试验正常进行的情况下，氢气循环疲劳试验中使用的氢气量最少以提高试验安全性，另外使得试验运行成本得到降低。

主权项

1.一种氢气循环疲劳测试系统中氢气储罐容积计算方法，其特征在于：包括高压储罐容积的计算以及低压储罐容积的计算：所述高压储罐容积的计算过程如下：确定高压储罐的初始压力为P₁₀、温度为T₁₀，待测气瓶初始压力为P₂₀、温度为T₂₀；待测气瓶容积为V₂，充气结束时的气体压力为P₂；最大充气流量为W_G(max)；假设高压储罐气体容积为V₁，充气结束时的气体压力为P₁，温度为T₁；充气结束时待测气瓶的气体温度为T₂；充气过程中高压储罐气体经过换热器将待测气瓶的入口温度控制为T₀₀；根据充气过程质量守恒得到：m₁₀+m₂₀＝m₁+m₂         (1)式(1)中m₁₀为高压储罐在初始时刻气体的质量，m₂₀为待测气瓶在初始时刻气体的质量，m₁为高压储罐在充气结束时气体的质量，m₂为待测气瓶在充气结束时气体的质量；将公式(1)根据气体状态方程换算得到：式(2)中Z₁、Z₂、Z₁₀、Z₂₀为真实气体的压缩因子，Z₁＝1+αP₁/T₁、Z₂＝1+αP₂/T₂、Z₁₀＝1+αP₁₀/T₁₀、Z₂₀＝1+αP₂₀/T₂₀，α＝1.8922×10^‑6；高压储罐放气结束时的温度T₁按绝热膨胀关系式有：式(3)中k为绝热指数，对于氢气取值为1.4；被测气瓶绝热充气结束后的温度T₂可由下式计算：依据标准HG/26570.7‑95《管道压力计算》得到：式(5)中，ΔP为充气管道系统总压力降，ΔP_f为充气管道摩擦压力降，g为重力加速度，λ为摩擦系数，L为充气管道长度，W_G为气体质量流量，d为充气管道内直径，ρ_m为气体平均密度；其中ΔP＝P₁‑P₂              (6)且式(7)中，ρ₁、ρ₂分别为充气管道上、下游气体密度，所述ρ₁、ρ₂可由式(8)分别求得，即：式(8)中R为氢气气体常数；联立式(5)、(6)、(7)、(8)得到函数ΔP＝f(W_G)；联立式(2)、(3)、(4)、(6)得到函数ΔP＝f(V₁)；根据所述最大充气流量等于W_G(max)以及函数ΔP＝f(W_G)计算得到对应的ΔP值，再根据所述ΔP值以及函数ΔP＝f(V₁)计算得到对应的高压储罐容积V₁；所述低压储罐容积的计算过程如下：确定被测气瓶放气开始时的压力为P₂、容积为V₂、温度为T₂，对应低压储罐的压力为P₃、温度为T₃；确定放气流量为f_o，压缩机流量为f_c，假设在放气t₁时间后，启动压缩机，又假设经t₂时间后，放气与压缩同时结束，此时确定被测气瓶又恢复初始状态即压力为P₂₀、温度为T₂₀，对应低压储罐的压力恢复至初始状态即压力为P₃、温度为T₃，假设低压储罐的容积为V₃；经t₁+t₂时间后，从被测气瓶流入低压储罐的氢气质量等于被测气瓶放气前后氢气质量之差，即：(t₁+t₂)f_o＝mass(P₂、V₂、T₂)‑mass(P₂₀、V₂、T₂₀)           (9)所述mass(*)为已知真实氢气压力、容积以及温度求得氢气质量的函数；由于低压储罐初始状态与最终状态相同，则流入低压储罐氢气质量等于流出氢气质量，即：(t₁+t₂)f_o＝t₂f_c                                 (10)联立式(9)、(10)求得t₁、t₂值；并且计算得到经过t₁时间后所述被测气瓶中氢气的质量m_tt1和压力P_tt1分别有：m_tt1＝mass(P₂、V₂、T₂)‑t₁f_o                   (11)P_tt1＝m2p(m_tt1、V₂、T_tt1)                           (12)所述m2p(*)为已知氢气质量、容积以及温度求得氢气压力的函数，所述T_tt1为经过t₁时间后所述被测气瓶中氢气的温度；式(12)中T_tt1可由绝热放气过程关系式计算：式(13)中k为绝热指数，对于氢气取值为1.4；联立式(12)、(13)得到被测气瓶在t₁时间后的压力值P_tt1；根据放气流量的要求，忽略所述被测气瓶与低压储罐之间的压差，则经过t₁时间后被测气瓶与低压储罐的氢气压力相等，即所述低压储罐在t₁时氢气压力P_lt1＝P_tt1；此时，低压储罐的氢气质量为：M_lt1＝mass(P₃、V₃、T₃)+t₁f_o                        (14)相应的低压储罐的容积为：V₃＝Volume(M_lt1、P_lt1、T_lt1)                     (15)volume(*)为已知氢气质量、压力、温度时求解氢气容积的函数，所述T_lt1为经过t₁时间后所述低压储罐中氢气的温度；式(15)中的T_1t1由于低压储罐的表面积较大，罐体对流换热系数较大，充入气体的质量流量较小，能够与环境温度平衡，视为等于环境温度；联立式(14)、(15)得到低压储罐容积V₃的值。