低温储罐热性能评估新方法：基于凹性假说的液氢存储热传递模型构建与应用

为解决液氢(LH2 )存储中因冷边界温度(CBT)降低导致的热传递不确定性难题，挪威科技大学团队创新性提出"凹性假说"(Concavity Hypothesis)，通过热网络模型与有限元分析对比验证，证明LN2 测试数据外推至20K时热流增幅不超过26%，并开发出误差<1%的快速预测工具，为大型海运液氢储罐设计提供关键理论支撑。

　　

在全球能源转型背景下，液氢(LH₂
)作为零碳能源载体面临重大存储挑战。与液化天然气(LNG)相比，液氢的沸点低至20K，体积潜热仅为甲烷的1/7，这使得传统基于液氮(LN₂
，77K)测试的绝缘材料性能评估存在巨大不确定性。更棘手的是，大型海运储罐中支撑结构导致的"冷点效应"会显著改变热流分布，而现有模型难以准确预测这种复杂几何下的温度场。

挪威科技大学研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究中，创新性建立了包含冷点修正的热网络模型。通过引入"凹性假说"——即热流随冷边界温度降低呈凹函数递减的规律，团队首次量化了从77K外推至20K时最大26%的热流增幅。研究采用有限元法(FEM)验证了该模型对40,000m³
球形储罐的预测精度，热流误差仅0.3%，冷点温度偏差<1K。关键技术包括：热导率积分(K)计算、基于圆柱坐标系的二维轴对称FEM求解、以及支持裙冷点特征长度(Ξ)理论推导。

研究结果部分，在"材料特性对热流的影响"章节发现：典型绝缘材料如珍珠岩(perlite)在293K-20K区间的热导率积分K值，其基于77K测试数据的上限估计值K_max
^diff
与实际值偏差<5%。"自支撑球形储罐案例研究"显示：6.5cm厚SS316支撑裙导致70%热流泄漏，通过冷点修正后，模型准确预测了外罐286.6K的低温集中区（与FEM结果287.2K吻合）。敏感性分析证实：环境温度每升高1K，珍珠岩绝缘储罐的蒸发率(BOR)增加约1%；而采用微玻璃球(glass bubbles)替代珍珠岩可使BOR从0.04%/d降至0.036%/d。

该研究突破性地解决了深低温领域两个关键问题：一是建立了LN₂
测试数据向LH₂
应用场景的外推理论框架，二是开发出可捕捉局部冷点效应的快速计算工具。特别是提出的13%经验修正系数，为缺乏20K测试数据的工程决策提供了可靠依据。研究同时揭示：非真空绝缘材料（如氦气填充聚氨酯泡沫）虽使BOR升至0.3%/d，但其结构简化优势可能适合船用燃料系统。这些发现为下一代液氢储罐的优化设计奠定了理论基础，对实现国际氢能海运具有重要意义。