基于活性磁回热器的氢液化系统构型优化与?分析

《Fuel Processing Technology》：Analysis of configurations for coupling an active magnetic regenerator with heat exchangers for hydrogen liquefaction

本文推荐了一项关于氢液化系统优化的研究。为解决传统氢液化过程高能耗问题，研究人员系统分析了四种基于活性磁回热器（AMR）的氢液化系统构型（A cLiq1-intEx0、B cLiq1-intEx1、C cLiq0-intEx0、D cLiq0-intEx1），重点考察了氢J-T阀前温度（TH2 before exp）、来自AMR的氦气温度（THe from AMR）及AMR氦气温差（ΔTHe AMR）等关键参数对系统?效率及换热器总UA（传热单元数）的影响。研究结果表明，采用多级AMR串联操作可显著提升系统?效率，最高可达47.8%，远高于当前工业水平（25-30%）。该研究为开发高效、低能耗的氢液化新技术提供了重要的理论依据和设计指导，对推动绿色氢能产业发展具有重要意义。

　　

随着全球能源转型和“双碳”目标的推进，氢能作为一种清洁、高效的二次能源，其战略地位日益凸显。然而，氢气的储存和运输是制约其大规模应用的关键瓶颈之一。将氢气液化可以使其体积缩小约800倍，极大提高储运效率，但液化过程本身能耗极高，约占整个氢能供应链成本的30%以上。因此，开发高效、低能耗的氢液化技术已成为氢能领域的研究热点和难点。传统的氢液化工艺主要基于逆布雷顿循环或克劳德循环，依赖机械式压缩机膨胀机，存在设备复杂、振动噪声大、效率提升受限等问题。近年来，基于磁热效应的活性磁回热器（Active Magnetic Regenerator, AMR）技术作为一种新兴的固态制冷技术，因其具有效率高、振动小、可靠性好等潜在优势，为氢液化提供了一条全新的技术路径。然而，如何将AMR制冷系统与氢液化流程高效集成，优化系统构型以最大化其能效优势，仍是一个亟待深入探索的科学问题。

为回答上述问题，研究人员在《Fuel Processing Technology》上发表了题为“Comparative analysis of hydrogen liquefaction system configurations using an active magnetic regenerator”的研究论文。该研究旨在系统评估和比较四种不同的基于AMR的氢液化系统构型，通过深入的?分析揭示各构型及关键操作参数对系统性能的影响规律，为高效AMR氢液化系统的设计与优化提供理论指导。

本研究主要采用了热力学建模与?分析相结合的研究方法。首先，基于Aspen HYSYS软件建立了四种氢液化系统构型（A, B, C, D）的精确热力学模型，这些构型在是否实现氢完全液化（cLiq1/cLiq0）以及是否采用中间氦回路（intEx1/intEx0）上有所区别。研究设定了氢气的进口条件（300 K, 20 bar）和液态氢的出口状态（饱和液氢，1.3 bar），并考虑了连续的正交-仲氢（o-p-H₂）催化转化。其次，研究系统分析了关键操作参数，包括氢在J-T阀前的温度（T_{H2 before exp}, 20.35-23 K）、从AMR流出的氦气温度（T_{He from AMR}, 15-19 K）以及AMR中氦气的温升（ΔT_{He AMR}, 3-7 K）对系统性能的影响。性能评估的核心指标是冷却液化段的理想?效率（η_ex,id）以及各换热器的比传热单元数（UA/?_LH2）。?效率的计算基于环境状态（T₀=298.15 K, p₀=1.013 bar），并考虑了与液氮预冷相关的?输入。此外，研究还详细计算了各组件（换热器、J-T阀、蒸气排放）的?损，并探讨了采用多级AMR（1至3级）对提升系统整体?效率的潜力。

氢冷却需求与氦气质量流量

研究首先量化了将1 kg压力为20 bar的氢气从不同入口温度冷却至不同出口温度（范围82 K至20 K）所需移出的热量，以及对应的氦气质量流量。结果表明，所需的比热交换量（kJ/kg_LH2）在氢出口温度处于40–30 K范围时最高，这是由于氢气的超临界-液态转变以及定压比热容存在峰值所致。在实现完全液化的构型（A, B）中，单位液氢的总换热负荷恒定（1401 kJ/kg_LH2），不随J-T阀前氢温变化，热量在HX₁和HX₂之间的分配随T_{H2 before exp}变化。而在非完全液化构型（C, D）中，总比换热负荷随T_{H2 before exp}降低而增加。所需的氦气与液氢的质量流量比（?_He,AMR/?_LH2）主要受ΔT_{He AMR}影响，两者近似成反比关系。在分析参数范围内，该比值的变化可达130%。

换热器比传热单元数（UA）分析

对各构型中每个换热器的比UA（UA/?_LH2）进行了详细计算。结果显示，带有中间氦回路的构型（B, D）其总比UA值远高于无中间回路的构型（A, C），高出约4至6倍，这主要源于增加了中间换热器（HX_interm）以及由此导致的各个换热器对数平均温差（LMTD）的减小。在所有构型中，HX₁的比UA随T_{He from AMR}或ΔT_{He AMR}的增加而增加（因LMTD减小），但随T_{H2 before exp}的增加而减少。在构型B和D中，HX_interm的比UA主要受ΔT_{He AMR}影响，且几乎不依赖于T_{He from AMR}。

?效率与?损分析

冷却液化段的理想?效率（η_ex,id）在有无中间回路的对应构型间（A与B，C与D）是相同的，因为氢、氦的进出口状态及流量比未变。η_ex,id随T_{He from AMR}和ΔT_{He AMR}的增加而显著提高，因为相同的冷却负荷在更高的平均温度下交换，降低了与环境状态的温差，从而减少了?损。在完全液化构型中，η_ex,id不依赖于T_{H2 before exp}；而在非完全液化构型中，η_ex,id随T_{H2 before exp}的降低而增加，因为液氢产率提高，蒸气排放造成的?损减少。?损分解表明，换热过程的?损占总?损的95%以上，是效率损失的主要来源。J-T阀膨胀和蒸气排放造成的?损各自使效率降低均小于1.5个百分点。在带有中间回路的构型中，HX_interm的?损恰好等于因引入中间回路而减少的HX₁和HX₂的?损之和，因此净?效率不变。

多级AMR系统的影响

研究进一步分析了采用多级AMR（级数N=1,2,3）对性能的提升效果。对于完全液化的情况（T_{H2 before exp}=21 K, T_{He from AMR}=19 K），采用两级和三级AMR可使冷却液化段的?效率相比单级系统分别提高约50%和70-75%。当考虑实际的液氮开式预冷时，整个液化过程的总?效率可从单级AMR的34.5-36.4%提升至二级AMR的43.4-45%和三级AMR的46.4-47.8%。这表明通过多级AMR优化温度匹配，可以显著降低换热过程的不可逆损失，从而大幅提升系统整体效率。

构型与参数的综合比较

研究通过对比?效率与总比UA的关系，对四种构型进行了综合评价。在无中间回路的构型（A, C）中，提高T_{He from AMR}可同时增加?效率和总比UA，但UA的相对增幅大于效率的提升。提高ΔT_{He AMR}对效率和UA的提升幅度相近。在构型C中，提高T_{H2 before exp}会降低效率但增加UA，存在权衡。在有中间回路的构型（B, D）中，T_{He from AMR}和ΔT_{He AMR}对两者均有显著影响。总体而言，无中间回路的构型（特别是C）在达到相近效率时所需的总比UA远低于有中间回路的构型，从经济和热力学角度看更具优势。然而，采用多级AMR被证明是大幅提升?效率最有效的途径。

本研究通过系统的构型比较和参数分析，明确了基于AMR的氢液化系统的性能特征与优化方向。核心结论是：虽然采用单级AMR的氢液化系统，其理想?效率（约34-36%，含LN₂预冷）与当前先进工业水平（约30%）相比提升有限，且引入中间氦回路会显著增加换热器面积需求而非提升?效率，但通过采用多级AMR串联操作，可以极有效地降低换热过程的不可逆性，将系统?效率提升至接近48%的潜力水平。此外，优化操作参数，如在非完全液化构型中适当降低J-T阀前氢温，也有助于提高效率。

该研究的重要意义在于，它首次对AMR用于氢液化的不同系统构型进行了详尽的、基于?分析的对比研究，清晰地揭示了各构型的优缺点、性能限制因素以及关键参数的影响规律。研究结果指出，未来的研发重点不应局限于单级AMR或复杂的中间回路，而应聚焦于开发高效、紧凑的多级AMR系统，并探索比液氮预冷更高效的预冷方案（如混合工质制冷）。这项工作为下一代低能耗、高性能氢液化技术的开发奠定了重要的理论基础，指明了技术突破的关键路径，对于推动磁制冷技术在氢能大规模储存与运输领域的实际应用具有重要的指导价值。