氫氣液化工藝裝備與技術

主要涉及4類較典型的液氫低溫液化工藝流程的具體設計計算方法 可為氫氣液化關鍵環節中所涉及主要液化工藝設計計算提供可參考樣例 有利于推進液氫系列板翅式換熱器的標準化進程 助力推進相應液氫液化工藝技術的國產化研發進程 ★液氫的國外發展現狀 ★液氫的國內發展現狀 ★液氫的低溫生產過程 ★30萬立方米PFHE型液氮預冷五級膨脹制冷氫液化系統工藝裝備 ★30萬立方米PFHE型液氮預冷一級膨脹兩級節流氫液化工藝裝備 ★30萬立方米PFHE型LNG預冷兩級氦膨脹五級氫液化工藝裝備 ★30萬立方米PFHE型四級氦膨脹制冷氫液化系統工藝裝備等內容 這4種LH2板翅式換熱器設計計算方法屬LH2裝備領域內目前流行的具有一定技術設計難度的LH2系統工藝主設備核心技術，同時，也可應用于LNG、LPG、煤化工、石油化工、低溫制冷等領域。從工藝基礎研發及設計技術等方面來講均已成熟，已能夠推進PFHE型LH2液化主設備的設計計算過程及液氫系列液化工藝的設計計算進程。

張周衛，蘭州交通大學，教授，男，國家“萬人計劃”領軍人才，國家 級創新創業人才，國家科技專家庫專家，環境科學博士后，動力工程及工程熱物理博士，畢業于西安交通大學能源與動力工程學院制冷及低溫工程系，高 級工程師，教授，主要從事空間低溫制冷技術、壓縮機械、真空低溫設備、LNG過程控制裝備、多股流纏繞管式換熱裝備、螺旋壓縮膨脹制冷機等研究，涉及系統耦合傳熱及傳熱數值模擬計算，低溫節流減壓裝置、低溫系統換熱裝備、低溫冷屏蔽系統、高超聲速飛行器空間低溫制冷機理研究等；先后參與北京航空航天大學863系統項目子項目“天然氣渦旋壓縮機”、清華大學航天航空學院973系統子項目“空間氣流組織測試模擬環境室”、總裝備部“空間低溫紅外輻射冷屏蔽系統研究”、真空低溫國防重點實驗室“空間低溫流體流動特性實驗研究”、國家重點實驗室“空間低溫流體自密封加注系統研究”等，先后參與國家 級項目20多項，主持國家自然基金及國家創新基金等6項、甘肅省創新基金4項、甘肅省自然基金等項目4項，與企業合作4項等；主持申報發明專利46項，發表論文30多篇，出版學術專著3部等；帶領創新創業團隊獲得省級二等以上獎勵54人次，廳級以上獎勵80多人次，2013年入選江蘇省啟東市“東疆英才扶持計劃”，2014年入選“國家創新人才推進計劃”，2016年入選國家“特殊人才支持計劃”。

本書共分為5章，主要介紹了液氫的國內外發展現狀和低溫生產過程、30萬立方米PFHE型液氮預冷五級膨脹制冷氫液化系統工藝裝備、30萬立方米PFHE型液氮預冷一級膨脹兩級節流氫液化工藝裝備、30萬立方米PFHE型LNG預冷兩級氦膨脹五級氫液化工藝裝備、30萬立方米PFHE型四級氦膨脹制冷氫液化系統工藝裝備等內容。研究內容主要涉及4類較典型的LH2低溫液化工藝流程的具體設計計算方法，可為LH2液化關鍵環節中所涉及主要液化工藝設計計算提供可參考樣例，并有利于推進LH2系列板翅式換熱器的標準化及相應LH2液化工藝技術的國產化研發進程。 本書不僅可供氫氣、天然氣、低溫與制冷工程、煤化工、石油化工、動力工程及工程熱物理領域內的研究人員、設計人員、工程技術人員參考，還可供高等學校能源化工、石油化工、低溫與制冷工程、能源與系統工程等相關專業的師生參考。

第1章緒論
1.1氫氣（H2）與液氫（LH2）物理特性  1
1.2液氫（LH2）國外發展現狀  3
1.3液氫（LH2）國內發展現狀  5
1.4液氫（LH2）低溫生產過程  6
1.4.1原料氫氣主要來源  8
1.4.2氫氣主要凈化方法  9
1.4.3氫氣制冷液化循環  10
1.4.4典型的氫液化系統  13
1.4.5氫氣液化系統設備  16
1.4.6液氫（LH2）板翅式主換熱裝備  17
本章小結  19
參考文獻  19

第2章30萬立方米PFHE型液氮預冷五級膨脹制冷氫液化系統工藝裝備
2.1板翅式換熱器的發展  22
2.1.1總體發展概況  22
2.1.2國外發展概況  22
2.1.3國內發展概況  24
2.2LH2板翅式換熱器設計目的  24
2.3板翅式換熱器構造及工作原理  24
2.3.1板翅式換熱器基本單元  24
2.3.2板翅式換熱器翅片作用  24
2.3.3板翅式換熱器主要附件  24
2.4板翅式換熱器中氫氣的液化  25
2.5板翅式換熱器制冷系統  25
2.6板翅式換熱器工藝流程設計  25
2.7氫氣液化工藝流程設計  25
2.8制冷劑主要參數的確定  26
2.9各狀態點參數設計計算  27
2.10氫液化流程工藝計算過程  28
2.10.1氫氣膨脹制冷循環  28
2.10.2氮氣膨脹制冷循環  33
2.11溫熵圖、壓焓圖繪制  37
2.12氫液化COP計算過程  38
2.12.1氫氣膨脹制冷循環  38
2.12.2氮氣膨脹制冷循環  40
2.13板翅式換熱器工藝計算過程  42
2.13.1氫1換熱器  42
2.13.2氫2換熱器  55
2.13.3氫3換熱器  62
2.13.4氫4換熱器  70
2.13.5氫5換熱器  74
2.13.6氮1換熱器  78
2.13.7氮2換熱器  81
2.13.8氮3換熱器  85
2.14板翅式換熱器結構設計過程  89
2.14.1封頭設計  89
2.14.2液壓試驗  98
2.14.3接管設計  103
2.14.4接管補強  108
2.14.5法蘭和墊片  133
2.14.6隔板和封條設計造型  134
2.14.7換熱器的成型安裝  136
2.14.8換熱器的絕熱保冷  138
本章小結  138
參考文獻  139

第3章30萬立方米PFHE型液氮預冷一級膨脹兩級節流氫液化工藝裝備
3.1一級膨脹兩級節流LH2板翅式主換熱器  142
3.2板翅式換熱器工藝設計計算概述  143
3.2.1板翅式換熱器設計步驟  143
3.2.2制冷劑設計參數的確定  143
3.2.3氫氣液化工藝流程設計  143
3.3板翅式換熱器工藝計算過程  143
3.3.1一級設備預冷制冷過程  143
3.3.2二級設備預冷制冷過程  145
3.3.3三級設備預冷制冷過程  146
3.3.4四級設備預冷制冷過程  147
3.3.5一級換熱器流體參數計算  148
3.3.6二級換熱器流體參數計算  154
3.3.7三級換熱器流體參數計算  159
3.3.8四級換熱器流體參數計算  163
3.3.9一級板翅式換熱器傳熱面積計算  168
3.3.10二級板翅式換熱器傳熱面積計算  174
3.3.11三級板翅式換熱器傳熱面積計算  178
3.3.12四級板翅式換熱器傳熱面積計算  182
3.3.13換熱器壓力損失計算  185
3.4板翅式換熱器結構設計  193
3.4.1封頭設計  193
3.4.2封頭計算  194
3.4.3EX1換熱器各個板側封頭壁厚計算  194
3.4.4EX2換熱器各個板側封頭壁厚計算  196
3.4.5EX3換熱器各個板側封頭壁厚計算  197
3.4.6EX4換熱器各個側封頭壁厚計算  198
3.5液壓試驗  200
3.5.1液壓試驗目的  200
3.5.2內壓通道  200
3.5.3接管計算  204
3.6接管補強  207
3.6.1補強計算  207
3.6.2接管計算  207
3.6.3EX1換熱器補強面積計算  208
3.6.4EX2換熱器補強面積計算  213
3.6.5EX3換熱器補強面積計算  216
3.6.6EX4換熱器補強面積計算  220
3.7法蘭和墊片  224
3.8隔板、導流板及封條  224
3.8.1隔板厚度計算  224
3.8.2封條設計選擇  227
3.8.3導流板的選擇  227
3.9換熱器的成型安裝  227
3.9.1板束安裝規則  227
3.9.2焊接工藝和形式  228
3.9.3絕熱保冷設計  228
本章小結  229
參考文獻  229

第4章30萬立方米PFHE型LNG預冷兩級氦膨脹五級氫液化工藝裝備
4.1LH2板翅式換熱器制冷工藝  230
4.2LH2板翅式換熱器的工藝計算  232
4.2.1板翅式換熱器工藝設計  232
4.2.2制冷劑設計參數的確定  232
4.2.3氫氣液化工藝計算過程  232
4.3換熱器長度計算  237
4.3.1一級換熱器流體參數計算  237
4.3.2一級板翅式換熱器傳熱面積計算  243
4.3.3二級換熱器流體參數計算  248
4.3.4二級板翅式換熱器傳熱面積計算  253
4.3.5三級換熱器流體參數計算  257
4.3.6三級板翅式換熱器傳熱面積計算  262
4.3.7四級換熱器流體參數計算  266
4.3.8四級板翅式換熱器傳熱面積計算  270
4.3.9五級換熱器流體參數計算  272
4.3.10五級板翅式換熱器傳熱面積計算  277
4.3.11換熱器壓力損失的計算  279
4.4板翅式換熱器結構設計  288
4.4.1封頭設計選型  288
4.4.2EX1換熱器各個板側封頭壁厚計算  289
4.4.3EX2換熱器各個板側封頭壁厚計算  291
4.4.4EX3換熱器各個板側封頭壁厚計算  292
4.4.5EX4換熱器各個板側封頭壁厚計算  293
4.4.6EX5換熱器各個板側封頭壁厚計算  294
4.5液壓試驗  295
4.5.1液壓試驗目的  295
4.5.2內壓通道  296
4.5.3接管計算  300
4.6接管補強  304
4.6.1開孔補強方式  304
4.6.2換熱器接管計算  304
4.6.3EX1換熱器補強面積計算  305
4.6.4EX2換熱器補強面積計算  310
4.6.5EX3換熱器補強面積計算  313
4.6.6EX4換熱器補強面積計算  317
4.6.7EX5換熱器補強面積計算  320
4.7法蘭與墊片選擇  323
4.8隔板、封條與導流板選擇  324
4.8.1隔板厚度計算  324
4.8.2封條設計選擇  327
4.8.3導流板形式選擇  327
4.9換熱器的成型安裝  327
4.9.1板束安裝規則  327
4.9.2焊接工藝形式  328
4.9.3試驗、檢驗  328
4.9.4絕熱保冷設計  328
本章小結  329
參考文獻  329

第5章30萬立方米PFHE型四級氦膨脹制冷氫液化系統工藝裝備
5.1基于級聯式LH2液化工藝的板翅式主液化裝備  331
5.2LH2板翅式主液化裝備工藝設計計算  333
5.2.1一級換熱器  333
5.2.2二級換熱器  333
5.2.3三級換熱器  333
5.2.4四級換熱器  334
5.2.5換熱器A  334
5.2.6換熱器B  335
5.2.7換熱器C  335
5.3板翅式換熱器流體參數及換熱器板束長度計算  337
5.3.1一級換熱器流體參數計算(單層通道)  337
5.3.2二級換熱器流體參數計算(單層通道)  344
5.3.3三級換熱器流體參數計算(單層通道)  349
5.3.4四級換熱器流體參數計算(單層通道)  354
5.3.5換熱器A流體參數計算(單層通道)  359
5.3.6換熱器B流體參數計算(單層通道)  365
5.3.7換熱器C流體參數計算(單層通道)  370
5.4板翅式換熱器結構設計  375
5.4.1封頭設計選型  375
5.4.2一級換熱器各個板側封頭壁厚計算  376
5.4.3二級換熱器各個板側封頭壁厚計算  376
5.4.4三級換熱器各個板側封頭壁厚計算  377
5.4.5四級換熱器各個板側封頭壁厚計算  378
5.4.6換熱器A各個板側封頭壁厚計算  378
5.4.7換熱器B各個板側封頭壁厚計算  379
5.4.8換熱器C各個板側封頭壁厚計算  379
5.5液壓試驗  381
5.5.1液壓試驗目的  381
5.5.2內壓通道計算  383
5.5.3尺寸校核計算  384
5.6接管確定  386
5.6.1接管尺寸確定  386
5.6.2一級換熱器接管壁厚  386
5.6.3二級換熱器接管壁厚  387
5.6.4三級換熱器接管壁厚  387
5.6.5四級換熱器接管壁厚  387
5.6.6換熱器A接管壁厚  387
5.6.7換熱器B接管壁厚  387
5.6.8換熱器C接管壁厚  388
5.6.9接管尺寸匯總  388
5.7接管補強  389
5.7.1補強方式  389
5.7.2接管補強計算  389
5.7.3一級換熱器補強面積計算  390
5.7.4二級換熱器補強面積計算  392
5.7.5三級換熱器補強面積計算  394
5.7.6四級換熱器補強面積計算  396
5.7.7換熱器A補強面積計算  398
5.7.8換熱器B補強面積計算  400
5.7.9換熱器C補強面積計算  402
5.8法蘭與墊片選擇  404
5.8.1法蘭與墊片  404
5.8.2法蘭與墊片型號選擇  404
5.9隔板、封條與導流板選擇  404
5.9.1隔板厚度計算  404
5.9.2封條選擇  407
5.9.3導流板選擇  407
5.10換熱器的成型安裝  407
5.10.1換熱器組裝要求  407
5.10.2板束要求  408
5.10.3焊接要求  408
5.10.4封頭選擇  408
5.10.5試驗、檢驗  408
5.10.6換熱器安裝  409
5.10.7絕熱及保冷  409
本章小結  409
參考文獻  409

附錄

致謝