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液氢的安全与实验

来源:富氢水杯 编辑:James&Ani 时间:2019-08-11 10:24:28

国际对液氢安全非常重视。美国NASA和美国火灾科学国家重点实验室针对液氢以及氢气的泄漏研究比较全面。NASA在20世纪50年代在墨西哥沙滩开展了液氢大规模扩散受风速和风向的影晌试验。1981年,美国国家航空航天局(NASA)进行了一系列大规模液氢泄漏实验,他们将低温氢气充入液氢储罐,将储罐内的液氢通过一条长30.5m的液氢管输送到指定的地点,液氢通过溢流阀倾倒到钢板上,然后在压实的沙地上自由扩散与蒸发。该实验基地在不同方位布置了9座监测塔,每一座监测堪上分布有多支气体取样瓶、氢气浓度监测器、风速扰流指示器、温度传感器等,方便实时监控和记录实验数据。系列实验中,最具有代表性的实验6在38s内匀速倾倒了5.11m的液氢,当时环境的风速为2.20ms,空气温度为288.65K,垂直方向上的温度梯度为-0.0179K/m,空气相对湿度为29.3%,露点温度为271.49K。实验结果表明,从开始倾倒到液氢蒸发结束,液氧的蒸发时间约43s,可见持续时间约90s可然氢气在下风向的最远距离化160m,可燃氢气在高度方向上的最远距离达64m。

1988年,美国火灾科学国家重点实验室的 Shebeko等对封闭空间氢气的泄漏扩散做了实验硏究,并分析了射流动能是影响氢气扩散的主要因素.

2010年,英国安全研究所(HsL)进行了运输车上的液氢储罐在大空间泄漏后的点火实验。液氢出口流量为60L/min,液氢流出时间持续2min。实验过程中发现,由于液氢的低温使得空气中的水蒸气、氧气以及氮气都有不同程度的凝固,在地面上形成明显的固态沉积物。研究人员还进行了多次点火实验,点火在液氢泄漏稳定之后进行,点火地点位于距离氢源9m,高1m处。点火后,空气中先发出一些低沉的响声,然后火焰开始拉升,火焰的上升速度大约为30ms。实验结果表明,氢气燃爆浓度最远到达的距离为9m,由于液态蒸汽云的存在,即使在氢气的可燃爆浓度范围内,泄漏产生的氢气也不是非常容易燃爆。在所进行的实验之中,某次实验在点燃了4次1kJ的化学可燃物之后依然没有引起氢气的燃爆。

纯氢的液氢存在泄漏的问题,应用于家用吸氢机和物理纳米水素杯,没有任何的安全性,因为纯氢不会爆炸的风险,要特别注意的是往物理水素杯注入氢气要控制好氢气总量的问题。

我国对液氢的安全极为重视,也做了大量工作。北京航天试验技术研究所凡双玉等人报道了我国这方面的工作。2011年,北京航天试验技术研究所进行了18L液氢蒸发扩散试验。科研人员利用广口杜瓦瓶装盛液氢,将液氢瞬时倾倒入水泥池(长×宽x高为0.5mx0.2mx0.2m),测量液氢在户外试验环境下的行为。改变液氢容器泄漏量、气象条件来分别考察各种因素对蒸发的影晌。试验场地为30m2,泄漏源是直径1.6m、高2m的广囗杜瓦瓶液氢储罐。如图19-16所示。

 18L液氢蒸发扩散实验

图19-16 18L液氢蒸发扩散实验

将18L液氢泄漏在0.1m2水泥池中,50s全部蒸发完,环境温度27摄氏度,相对湿度55%,在风速2.6ms的池上方1m处采样分析。通过改变液氢扩散的风速、环境温度和泄漏量,用ALOHA软件进行扩散模拟。最后,得出如下结论:

①环境冈速对氢气扩散范围影响显著,泄漏扩散距离随着风速的增大而变小,风速越大,泄漏扩散范围越小。

②泄漏扩散距离随着环境温度的升高而变大,温度越高,泄漏扩散范围越大。

③泄漏扩散距离随着泄漏量的增加而变大,泄漏越大,泄漏圹散范围越大。

与现实试验结果相比:对于液氢蒸发试验,软件模拟与试验结果的相对误差小于11%;对于氢气扩散试验,软件模拟与试验结果的相对误差小于17%。二者均在可接受范围内。

数值模拟方面,美国国家科学研究中心利用数值模拟软件分析了,液氢泄漏后泄漏源类型和来自地面的热量是影响液氢蒸发扩散的主要影响因素[35];美国 Prankul middha等针对1980年NASA关于液氢泄漏的实验开展了相关的数值模拟硏究,验证了数值模拟方法的可行性。国内对液氢泄漏与扩散的硏究大多集中在数值模拟的理论研究阶段,国内张起源、吴光中、李茂等人对氢排放扩散进行了相关的数值模拟研究,取得了一些研究成果。

吴梦茜等进行了数值模拟。通过CFD软件 FLUENT进行数值仿真,深入探究液氢泄漏和扩散过程的化理,建立了低温氢泄漏的三维瞬态数值计算模型来分析液氢的蒸发和气态氢的扩散过程,并评估在开放环境中液氢泄漏的安全问题。

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