储氢工艺及设备设计

第1 章　 绪　 论…………………………………………………………………………… ( 1 )　 1. 1　 储氢的重要性 …………………………………………………………………… ( 1 )　 　 1. 1. 1　 氢的基本性质 ……………………………………………………………… ( 1 )　 　 1. 1. 2　 氢的生产和使用 …………………………………………………………… ( 2 )　 　 1. 1. 3　 氢的储存 …………………………………………………………………… ( 3 )　 1. 2　 储氢的方法 ……………………………………………………………………… ( 3 )　 　 1. 2. 1　 高压气态储氢 ……………………………………………………………… ( 3 )第1 章　 绪　 论…………………………………………………………………………… ( 1 )　 1. 1　 储氢的重要性 …………………………………………………………………… ( 1 )　 　 1. 1. 1　 氢的基本性质 ……………………………………………………………… ( 1 )　 　 1. 1. 2　 氢的生产和使用 …………………………………………………………… ( 2 )　 　 1. 1. 3　 氢的储存 …………………………………………………………………… ( 3 )　 1. 2　 储氢的方法 ……………………………………………………………………… ( 3 )　 　 1. 2. 1　 高压气态储氢 ……………………………………………………………… ( 3 )　 　 1. 2. 2　 低温液态储氢 ……………………………………………………………… ( 4 )　 　 1. 2. 3　 固态储氢 …………………………………………………………………… ( 4 )　 　 1. 2. 4　 有机液体储氢 ……………………………………………………………… ( 5 )　 　 1. 2. 5　 其他氢载体储氢 …………………………………………………………… ( 5 )　 1. 3　 储氢的瓶颈问题 ………………………………………………………………… ( 5 )　 　 1. 3. 1　 高压气态储氢的瓶颈问题 ………………………………………………… ( 5 )　 　 1. 3. 2　 低温液态储氢的瓶颈问题 ………………………………………………… ( 7 )　 　 1. 3. 3　 固态储氢的瓶颈问题 ……………………………………………………… ( 7 )　 　 1. 3. 4　 有机液体储氢的瓶颈问题 ………………………………………………… ( 8 )　 1. 4　 储氢的发展趋势 ………………………………………………………………… ( 9 )　 1. 5　 本课程的知识体系和学习方法 ………………………………………………… ( 9 )　 思考题…………………………………………………………………………………… ( 10 )第2 章　 储氢工艺………………………………………………………………………… ( 11 )　 2. 1　 氢气增压储存工艺 ……………………………………………………………… ( 11 )　 　 2. 1. 1　 氢气增压储存原理 ………………………………………………………… ( 11 )　 　 2. 1. 2　 氢气常温增压储存工艺 …………………………………………………… ( 15 )　 　 2. 1. 3　 氢气低温增压储存工艺 …………………………………………………… ( 20 )　 　 2. 1. 4　 氢气的焦耳-汤姆孙效应 ………………………………………………… ( 22 )　 2. 2　 低温液化储存 …………………………………………………………………… ( 23 )　 　 2. 2. 1　 氢液化工艺 ………………………………………………………………… ( 24 )　 　 2. 2. 2　 液氢加注和储运工艺 ……………………………………………………… ( 26 )·Ⅰ·　　2. 2. 3　 液氢系统的置换和预冷 …………………………………………………… ( 27 )　 　 2. 2. 4　 液氢储运中的不稳定因素 ………………………………………………… ( 28 )　 2. 3　 固态储氢 ………………………………………………………………………… ( 29 )　 　 2. 3. 1　 固态储氢概述 ……………………………………………………………… ( 29 )　 　 2. 3. 2　 储氢合金及其储氢原理 …………………………………………………… ( 29 )　 　 2. 3. 3　 储氢合金吸/放氢反应热力学和动力学…………………………………… ( 31 )　 　 2. 3. 4　 合金储氢装置的吸/放氢特性及其影响因素……………………………… ( 34 )　 　 2. 3. 5　 固态储运氢工艺简介 ……………………………………………………… ( 35 )　 思考题…………………………………………………………………………………… ( 36 )第3 章　 储氢设备设计基础……………………………………………………………… ( 37 )　 3. 1　 储氢设备的基本结构 …………………………………………………………… ( 37 )　 　 3. 1. 1　 结构组成 …………………………………………………………………… ( 37 )　 　 3. 1. 2　 薄壁容器与厚壁容器 ……………………………………………………… ( 38 )　 3. 2　 储氢设备的载荷分析 …………………………………………………………… ( 42 )　 　 3. 2. 1　 载荷 ………………………………………………………………………… ( 42 )　 　 3. 2. 2　 载荷工况 …………………………………………………………………… ( 43 )　 3. 3　 储氢设备的设计要求和条件 …………………………………………………… ( 44 )　 　 3. 3. 1　 设计要求 …………………………………………………………………… ( 44 )　 　 3. 3. 2　 设计条件 …………………………………………………………………… ( 45 )　 3. 4　 应力分析 ………………………………………………………………………… ( 46 )　 　 3. 4. 1　 薄壁圆筒应力分析 ………………………………………………………… ( 46 )　 　 3. 4. 2　 厚壁圆筒应力分析 ………………………………………………………… ( 47 )　 　 3. 4. 3　 受内压壳体与接管连接处的局部应力 …………………………………… ( 63 )　 3. 5　 失效模式和设计准则 …………………………………………………………… ( 66 )　 　 3. 5. 1　 失效模式 …………………………………………………………………… ( 66 )　 　 3. 5. 2　 设计准则 …………………………………………………………………… ( 69 )　 3. 6　 储氢设备壳体的常规设计 ……………………………………………………… ( 73 )　 　 3. 6. 1　 常规设计概述 ……………………………………………………………… ( 73 )　 　 3. 6. 2　 内压圆筒常规设计 ………………………………………………………… ( 74 )　 　 3. 6. 3　 外压圆筒设计 ……………………………………………………………… ( 81 )　 　 3. 6. 4　 封头设计 …………………………………………………………………… ( 91 )　 3. 7　 储氢容器壳体的分析设计 ……………………………………………………… ( 94 )　 　 3. 7. 1　 分析设计概述 ……………………………………………………………… ( 94 )　 　 3. 7. 2　 弹性应力分析方法 ………………………………………………………… ( 94 )　 　 3. 7. 3　 弹塑性分析方法 …………………………………………………………… ( 96 )　 　 3. 7. 4　 疲劳分析 …………………………………………………………………… (100)·Ⅱ·　 思考题…………………………………………………………………………………… (107)第4 章　 高压气态储氢设备设计………………………………………………………… (109)　 4. 1　 单层金属储氢容器 ……………………………………………………………… (109)　 　 4. 1. 1　 概述 ………………………………………………………………………… (109)　 　 4. 1. 2　 结构与选材 ………………………………………………………………… (110)　 　 4. 1. 3　 设计与校核 ………………………………………………………………… (113)　 　 4. 1. 4　 单层钢质储氢容器的局限性 ……………………………………………… (119)　 4. 2　 多层金属储氢容器 ……………………………………………………………… (120)　 　 4. 2. 1　 概述 ………………………………………………………………………… (120)　 　 4. 2. 2　 结构与选材 ………………………………………………………………… (121)　 　 4. 2. 3　 钢带错绕式储氢容器设计、 制造、 检验和安全管理 …………………… (123)　 　 4. 2. 4　 层板包扎式储氢容器设计、 制造、 检验和安全管理 …………………… (128)　 4. 3　 纤维缠绕储氢容器设计 ………………………………………………………… (133)　 　 4. 3. 1　 概述 ………………………………………………………………………… (133)　 　 4. 3. 2　 纤维缠绕储氢容器的结构及选材 ………………………………………… (133)　 　 4. 3. 3　 纤维缠绕工艺及成型方法 ………………………………………………… (139)　 　 4. 3. 4　 复合材料层合板力学基础 ………………………………………………… (143)　 　 4. 3. 5　 复合材料层设计基础 ……………………………………………………… (149)　 　 4. 3. 6　 纤维缠绕储氢容器的强度分析 …………………………………………… (157)　 　 4. 3. 7　 纤维缠绕储氢容器的疲劳分析 …………………………………………… (160)　 4. 4　 高压气态储氢设备的发展趋势 ………………………………………………… (161)　 　 4. 4. 1　 可靠性设计制造技术 ……………………………………………………… (161)　 　 4. 4. 2　 检验检测监测及诊断评估 ………………………………………………… (162)　 　 4. 4. 3　 规范标准体系完善 ………………………………………………………… (162)　 思考题…………………………………………………………………………………… (162)第5 章　 低温液氢储存设备设计………………………………………………………… (163)　 5. 1　 概述 ……………………………………………………………………………… (163)　 　 5. 1. 1　 分类及特点 ………………………………………………………………… (163)　 　 5. 1. 2　 基本结构 …………………………………………………………………… (166)　 5. 2　 液氢储存设备材料 ……………………………………………………………… (167)　 　 5. 2. 1　 内容器用材料 ……………………………………………………………… (168)　 　 5. 2. 2　 外容器用材料 ……………………………………………………………… (170)　 　 5. 2. 3　 夹层支撑材料 ……………………………………………………………… (171)　 　 5. 2. 4　 绝热材料 …………………………………………………………………… (171)　 　 5. 2. 5　 吸附剂材料 ………………………………………………………………… (173)·Ⅲ·　 5. 3　 液氢储存设备设计 ……………………………………………………………… (173)　 　 5. 3. 1　 设计基础 …………………………………………………………………… (173)　 　 5. 3. 2　 罐体设计计算 ……………………………………………………………… (176)　 　 5. 3. 3　 罐体夹层的真空绝热性能计算 …………………………………………… (177)　 　 5. 3. 4　 结构设计 …………………………………………………………………… (182)　 　 5. 3. 5　 安全附件设计 ……………………………………………………………… (188)　 　 5. 3. 6　 制造 ………………………………………………………………………… (190)　 　 5. 3. 7　 无损检测 …………………………………………………………………… (193)　 5. 4　 液氢储存设备设计技术进展 …………………………………………………… (194)　 思考题…………………………………………………………………………………… (195)第6 章　 固态储氢设备设计……………………………………………………………… (198)　 6. 1　 固态储氢设备概述 ……………………………………………………………… (198)　 　 6. 1. 1　 固态储氢材料 ……………………………………………………………… (198)　 　 6. 1. 2　 固态储氢设备的结构组成 ………………………………………………… (202)　 　 6. 1. 3　 固态储氢设备的性能参数 ………………………………………………… (203)　 6. 2　 固态储氢设备的设计 …………………………………………………………… (204)　 　 6. 2. 1　 失效模式和设计要求 ……………………………………………………… (204)　 　 6. 2. 2　 储氢材料的选择及用量计算 ……………………………………………… (206)　 　 6. 2. 3　 吸/放氢管路的选材和管径计算…………………………………………… (207)　 　 6. 2. 4　 换热部件设计 ……………………………………………………………… (208)　 　 6. 2. 5　 承压壳体工艺和结构设计 ………………………………………………… (217)　 　 6. 2. 6　 安全和监测附件设计 ……………………………………………………… (219)　 6. 3　 固态储氢的应用场景和发展前景 ……………………………………………… (219)　 　 6. 3. 1　 固定式应用 ………………………………………………………………… (219)　 　 6. 3. 2　 移动式应用 ………………………………………………………………… (220)　 思考题…………………………………………………………………………………… (221)参考文献…………………………………………………………………………………… (222)