在小型氢液化装置的设计中，保证液氢储罐的保温性能对储氢和生产效率具有重要意义。然而，由于氢的沸点很低，它很容易受到来自环境的热渗透。当这些热泄漏穿透储罐时，氢气密集蒸发，使储罐压力增大，不仅造成超压爆炸等严重的安全问题，而且使储罐的储存能力严重下降。众所周知，油箱压力的增加会导致额外的热量输入到油箱，因为增压使液体过冷，并提高了液体和蒸汽之间的温差，增加了界面附近的轴向温度梯度，从而导致界面导热热通量的高水平。由于液体温度的进一步升高，这种界面传导热流也使界面附近的液体变暖。随着时间的推移，液体中的轴向温度梯度(称为热分层)由于从环境中泄漏的热量而增加。图1为典型液氢罐在不同外部热源作用下的热分层演变示意图。

图1 受液体和蒸气热通量影响的自加压

 在高效直接冷却小型氢液化器的开发过程中，液态氢的热分层蒸发(即沸腾蒸发)是导致储存效率和液化效率下降的主要原因。因此，控制液氢的蒸发损失对小型氢液化器的设计具有重要意义。因此，通过建立一个数值模型来预测直接冷却氢液化器的保温效率和蒸发损失，建立关于罐内热渗透的增压和热流体特性的先验知识是很重要的

为了开发具有高性价比和高绝热性能的液化氢储罐，人们开发了各种数值分析模型，并且对计算模型的依赖日益增加。因此，需要可靠的预测数值模型来辅助储罐设计过程。然而，在环境热渗透的情况下，液态氢储罐中发生的物理机制是由气相和液相的相变动力学和浮力驱动的湍流控制的。因此，到目前为止，各种数值和实验研究都是根据外部热渗透来分析液态氢储罐内的热物理现象。

图2 小型(1.3 L/h)氢气液化器原理图。

图2显示了本案例中设计小型氢液化器系统。如图所示，该小型氢液化器的设计方式是将第一、二冷却级制冷机、LN2(液氮)预冷器、内罐、防辐射罩安装在外罐内部。在该液化器中，供给液化器的气态氢通过LN2预冷器冷却至77k，然后在20k和1atm下液化。通过与制冷机冷头直接接触的第一冷却段和第二冷却段，储存在内部液氢储罐中。此外，防辐射罩可以防止从外部散发辐射热。上述主要部件(LN2预冷器、两级制冷机、内罐)均覆盖多层绝缘薄膜(25层/英寸)，以防止热泄漏。

为开发更紧凑、更具成本效益的小型氢气液化液器(1.3 L/h)，航烨能源建立了能够准确评价各种保温材料保温性能的数值分析模型。在小型氢液化器液氢储存中，普遍采用MLI，导致小型液化器价格上涨。MLI具有非常好的保温性能，但如图2所示，由于周围环境必须保持真空，因此必须安装外罐，安装成本较高，占用空间较大。因此，有必要开发一种与MLI相媲美的成本效益高、效率高的绝缘材料，而不需要外部储罐或辐射屏蔽。此外，还需要建立一个三维CFD模型来评估各种保温材料的保温性能和热力学性能。因此，本研究建立了基于VOF的界面处理三维CFD模型，该模型可以预测储氢罐内液体和气体的热流体特性，以及各种保温材料的保温性能。

罐内热流体特性

（a）

（b）

（c）

图3 不同保温厚度下槽内流线的比较:(a) 10mm， (b) 20mm， (c) 30mm

图3显示了保温厚度为200s时罐内形成的液体和蒸汽的流线和温度分布。图中省略了隔热材料的区域，以便更清楚地详细说明热渗透到储罐中所引起的热和流动特性

（a）

（b）

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图8 三种不同绝缘厚度的温度曲线的时间变化(绝缘垫不显示)。在800s时，热能混合。(a) 200秒，(b) 400秒，(c) 600秒

图9 1000秒时三种不同绝缘厚度的温度曲线(包括绝缘垫)。

从本案例的模拟结果可以看出，随着绝热层厚度的减小，由于浮力和对流之间的快速耦合，液氢内部的焓迅速增加，导致蒸发开始得更快。随着时间的推移，径向温度梯度迅速减小，但轴向温度梯度的形成更为强烈，造成了更强的温度梯度和蒸汽区罐顶附近的热积累。

研究还发现，支撑槽的滞流阻碍了冷却后的下流与壁面附近热流体的混合，导致液相温度分布不均匀，尤其使壁面附近温度升高，最终导致蒸发量增加。结果表明，由于绝缘的热容较小，蒸发引起的增压率随着绝缘厚度的减小而增大。

江苏航烨能源科技有限公司研究建立的数值模型将用于评估小型氢液化器储罐的保温性能，该储罐采用了新型保温材料。它还将用于研究内部结构(如支撑槽)对储罐内温度分布和沸腾的影响。