串联式涡流管在氢预冷系统中的节能优化与压力平衡机制研究

为解决氢燃料汽车快速加注过程中因涡流管冷热端压差导致的系统不稳定问题，研究人员创新性提出串联节流型涡流管(TVT)系统。通过CFD模拟优化结构，证实该系统可平衡膨胀压力、防止回流，使能耗降低0.4%–7.1%，COP提升1.18%–6.7%，为氢能基础设施的能效优化提供新思路。

　　

氢能作为最具潜力的清洁能源，其储运技术面临重大挑战。氢燃料汽车需在3-5分钟内完成加注，但高压氢气的负焦耳-汤姆逊效应(J-T效应)会导致温度骤升，超过储罐安全阈值358 K。传统预冷系统能耗占加氢站总成本的50%，且现有涡流管系统因冷热端压差引发回流，进一步降低效率。这一矛盾严重制约氢能商业化应用。

中国国家自然科学基金支持的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表突破性成果。该研究采用计算流体力学(CFD)技术，创新设计串联节流型涡流管(TVT)系统。通过两阶段压力调节机制：先由首级涡流管分解高压气流为冷/热流，再由TVT混合实现等温节流，成功解决压力失配难题。

关键技术方法

1. CFD模拟优化TVT的渐缩角(12°)和长径比(2.5)等核心参数
2. 建立两阶段压缩预冷系统对比模型
3. 分析级间压力(20-50 MPa)对COP和能耗的影响规律

主要结果
数值模型验证
TVT的渐缩结构使混合腔流速达300 m/s，实现压力能-动能高效转换，冷热流混合温差仅1.2 K。

系统性能对比
在最优级间压力下：

• 能耗较传统涡流管系统降低7.1%
• COP提升6.7%
• 有效抑制高压氢(90 MPa→35 MPa)节流时的温升

压力平衡机制
TVT将热端出口压力从45 MPa调节至35 MPa，与冷端压差<0.3 MPa，彻底消除回流现象。

结论与意义
该研究开创性地将TVT的节流特性与涡流管的能量分离特性结合，形成三级压力自适应调节体系。Xu Weiwei团队证实：

1. 12°渐缩角TVT可实现近似等温节流，突破J-T效应限制
2. 级间压力控制在30 MPa时系统效率最优
3. 新系统使日处理200 kg的加氢站年节电达3.2万度

这项技术为氢能基础设施提供"零功耗"压力调节方案，使预冷系统投资回收期缩短至2.3年，推动氢能商业化进程。未来可拓展至液氢储运、航天低温系统等领域，具有重大工程应用价值。