釜山国立大学确定液氢储罐隔热新方案：低温牺牲流体冷却优化

氢是一种前景广阔的清洁能源载体，但储存仍是难题。将其冷却至约20 K（–253℃）可制得液氢，其体积能量密度约为氢气气体的800倍。即使微小的热泄漏也会导致蒸发，增加储罐压力并降低储存效率。

在对KRISO设计的C型储罐的模拟中，结构支撑在基准配置中占总热侵入的85%以上。针对这些热桥以及封头-壳体连接处设置低温流体通道，可使热侵入最大幅度降低：使用LNG时降低43.6%，使用LN2时降低66.5%。这些数值仅适用于所建模的储罐及其运行条件。

多层隔热材料、聚氨酯泡沫（PUF）和玻璃微珠等传统隔热材料虽能减少热传递，但有其局限性。韩国船舶与海洋工程研究所（KRISO）提出的低温牺牲液体（CSF）概念，利用外部供给的LNG或LN2在通道中流动，在热量到达内罐之前将其拦截。

为优化这一方法，由韩国釜山国立大学（PNU）船舶与海洋工程系Jong-Chun Park教授领导的研究团队，对KRISO设计的船用C型液氢（LH2）储罐的半主动式CSF辅助隔热系统进行了评估。此处的“牺牲”是指二次冷却剂在氢气之前吸收热量；该流体旨在被重新液化并循环使用，而非直接排放。Park教授解释说：“关键在于在热量到达液氢储罐之前将其拦截。通过控制通道的流量和布置，我们可以将更多传入热量引导至二次冷却剂中。”该论文于2026年4月8日在线发表于《Energy Conversion and Management》期刊，并刊载于2026年6月1日第357卷。

研究人员建立了一个三维模型，将储罐的热传导与CSF通道内的多相流动和壁面沸腾耦合起来，评估了通道尺寸、质量流量、数量和布置方式对热侵入和冷却剂蒸发的影响。

模拟结果显示，在没有主动CSF循环的情况下，进入储罐的热量中有超过85%是通过结构支撑而非隔热层传入的，这使得支撑结构成为主要的热桥。将冷却通道布置在这些支撑结构沿线并延伸至封头-壳体连接处，比将通道分布在其他位置能更有效地减少热侵入，这表明布置位置比通道数量更为重要。

研究还发现，增大通道尺寸最终会带来收益递减，当通道与储罐直径比（d/D）接近0.04时，效果开始趋于饱和。在最佳布置方案中，模拟总热侵入使用LNG时减少了43.6%，使用LN2时减少了66.5%。虽然LN2因其温度更低而提供更强的冷却效果，但更容易产生蒸汽；而LNG则提供较小但更稳定的冷却效果。研究人员还发现，通道内较强的局部传热并不一定能改善整体隔热性能，因为效果取决于热量被重新引导至何处以及冷却剂蒸发了多少。

Park教授指出：“我们的研究结果表明，有效的液氢储存并非简单地增加隔热层厚度或增加冷却通道数量。最大的收益来自于识别储罐的热桥位置，并将冷却精确布置在热量进入的地方。更智能的布置，而非更多的材料，才是关键。”他补充道：“这为平衡热性能、冷却剂稳定性和系统复杂性提供了实用的设计策略。”

该研究成果为改进液氢储存系统提供了实用指导。不过，研究结果仅针对所建模的KRISO储罐在稳态条件下的情况，在实际应用之前，还需要进行实验验证和瞬态分析。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890426003717?via%3Dihub

（素材来自：PNU 全球氢能网、新能源网综合）