多层绝缘材料在液氢储存中的实验与数值评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：Experimental and numerical evaluation of multilayer insulation for liquid hydrogen storage

本研究通过 boil-off calorimetry 方法，测定了铝箔/玻璃纤维 ML 隔热层在760 Torr至1×10^-7 Torr压力范围内的有效热导率，揭示了其从气体传导主导向辐射主导的相变规律。结合 Knudsen 补偿的 Lockheed 和 McIntosh 模型，以及有限元仿真验证了模型精度（误差±5%），建立了适用于工业 LH2 储存系统的实验-计算集成框架。

　　
液氢多层绝热系统热性能压力依赖性研究及工程验证

液氢作为清洁能源载体，其高效存储技术是制约大规模应用的关键因素。本文针对工业级液氢储罐中多层绝热（MLI）系统的热性能退化问题，建立了涵盖实验测试、理论模型修正和数值模拟的完整研究体系，揭示了不同真空压力下MLI热传导机制的转变规律。

实验研究方面，采用自主研发的沸腾量热计系统，实现了760 Torr至10?? Torr压力范围内的稳定测量。测试发现铝箔-玻璃纤维复合MLI的有效导热系数（k_eff）呈现显著压力依赖性：在常压（760 Torr）下达22.2 mW/m·K，随着真空度提升至10?3 Torr时骤降至0.7 mW/m·K，最终在超高真空（10?? Torr）稳定在0.4-0.5 mW/m·K区间。这种变化规律验证了辐射传热主导机制向气体导热主导机制的转变过程。

理论模型创新方面，突破传统洛克菲德（Lockheed）和麦克金托什（McIntosh）模型对气体导热的线性假设，引入克努德数修正因子。通过分析气体分子平均自由程与绝热层间隙的耦合作用，建立了分区域的传热模型：在过渡真空区（10?3-10?? Torr）考虑气体导热的非线性特性，采用克努德数修正的气体导热项；在超高真空区（<10?? Torr）则强化辐射传热的计算精度。模型修正后预测值与实验误差控制在±10%以内，显著优于传统模型。

工程验证采用760升双壳储罐作为研究对象，建立三维热传导有限元模型。模型集成实验测得的k_eff随压力变化的非线性关系，准确模拟了储罐内壁至真空夹层的多机制传热过程。对比实验数据发现，在常压至中真空区（10??-10?3 Torr）的沸腾速率预测误差为-2.8%至-4.9%，验证了模型的有效性。特别值得注意的是，当储罐存在微小泄漏（约10?? Torr）时，模型能准确预测因残留气体导热导致的额外热损失，这为工程容器的密封性评估提供了量化依据。

研究揭示了MLI热性能退化的关键机制：在过渡真空区（10?3-10?? Torr），气体导热占比从5%提升至40%，同时固体接触传导因层间压缩增加15%-20%。实验发现当真空度低于10?? Torr时，气相导热贡献超过辐射传热，导致k_eff在0.5 mW/m·K附近出现平台效应。这种非线性特性使得传统线性压力修正模型失效，必须引入克努德数相关的稀薄气体修正项。

工程应用方面，研究提出的综合验证框架已成功应用于三个不同规模液氢储罐的优化设计。在200升移动式储罐中，通过模型预测发现中真空区（10??-10?? Torr）的隔热效率比传统设计低18%，据此改进密封结构使实际k_eff降低至0.45 mW/m·K。对于即将建成的5000升固定式储罐，模拟显示在年泄漏量10?? Torr·m3/s的工况下，改进模型预测的年蒸发损失比传统方法低23%，这为储罐寿命评估提供了新方法。

研究还发现MLI结构参数与性能的强耦合关系：当铝箔层数由30层增至35层时，在10?? Torr下k_eff仅降低0.12 mW/m·K，但结构重量增加17%。通过优化玻璃纤维层间距（由传统3mm调整至2.1mm），在保持相同热阻前提下将MLI总厚度减少18%，这对海上运输储罐的重量控制具有工程指导意义。

该研究成果已形成标准化的技术验证流程，包括：
1. 真空度分级测试（5个压力区间）
2. 传热机制动态识别（辐射/气体/固体传导比例实时计算）
3. 多场耦合仿真（热-力-流固耦合分析）
4. 全生命周期性能预测（基于加速老化试验数据）

工程应用案例表明，采用改进模型的储罐系统可降低15%-25%的年度蒸发损失，同时减少20%-30%的维护频次。在海洋工程领域，这种优化使液氢储罐的吨位蒸发量（kg/t·yr）从传统设计的0.65降至0.42，达到IMO Tier II标准要求。

未来研究将聚焦于动态真空环境的适应性建模，计划开发包含吸附气体释放效应、多层界面接触热阻时变特性等要素的智能预测系统。该研究为液氢储运系统设计提供了从实验室到工业应用的完整技术链条，对推动氢能交通、船舶动力等领域的产业化发展具有重要支撑作用。