仲氢绝热转化为正氢的制冷效应分析研究安刚曹建解辉刘玉涛(北京航天试验技术研究所北京100074)摘要:进行了仲氢转化为正氢的制冷效应技术研究，建立数学物理模型，通过理论分析确定仲氢绝热转化过程和节流过程的制冷温度和制冷量，计算了制冷效应用于液氢储罐内低温氢气液化的系数。关键词:仲氢正氢绝热转化制冷效应:TB66文献标识码:A:1000-6516(2013)05-0024-04AnalysisresearchontherefrigeratingeffectoftheparahydrogenconvertingtoorthohydrogenadiabaticallyAnGangCao激anXieHuiLiuYutao(Bei激ngInstituteofAerospaceTestingTechnology，Bei激ng100074，China)Abstract:Theresearchontherefrigeratingeffecttechnologyoftheparatoorthohydrogenconversionwascarriedoutinthis．Basedonthemathematicandphysicalmodelofthepara-hydrogenadiabaticconversionprocessandthethrottlingprocess，therefrigeratingtemperatureandtherefrigeratingcapacitywereanalyzedtheoretically，andtheliquefactioncoefficientofthegasintheliquidhydrogentankwascalcu-latedaccordingthisrefrigeratingeffect．Keywords:para-hydrogen;ortho-hydrogen;convertadiabatically;refrigeratingeffect得储存第一天的蒸发量达到总储存量的20%以上。因此在成熟的氢液化设备中，都采用一级或者多级催化，在氢液化的降温过程中将正氢转换为接近平衡浓度的仲氢，得到仲氢含量95%以上的液氢产品，以减少正仲氢转换引起的液氢蒸发损失。反之，可推断，仲氢转化为正氢会吸收热量，产生制冷作用，在绝热的情况下会产生降温，利用这个原理可以获得额外的冷量，这个冷量在某些场合如空间液氢储存和管理是极为可贵。关于仲正氢转化已有一些初步的研究。低温仲氢转化为正氢主要是为了回收冷量，减少液氢储罐蒸1引言氢是双原子分子，两个氢原子核是绕轴自转的。根据两个核自旋的相对方向，氢分子可分为正氢(Or-tho-H2)和仲氢(Para-H2)，简写为o-H2和p-H2。通常的氢是这两种形式氢分子的混合物，正仲氢之间的平衡百分比仅与温度有关。室温以上的温度时，一般称为正常氢，含正氢75%，仲氢25%。一大气压的液氢饱和温度20．4K下，仲氢的平衡浓度为99．82%。当温度降低氢气液化时，正氢会自发的转换为仲氢，并释放出来热量，引起储存的液氢大量汽化，甚至使收稿日期:2013-08-10;修订日期:2013-10-06作者简介:安刚，男，38岁，博士，高级工程师。---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---25第5期仲氢绝热转化为正氢的制冷效应分析研究发损失，这在宇航条件下有重要的意义。文献［1］认为通过对来自贮槽的汽化仲氢进行仲-正氢转换回收冷量，可使得汽化氢气的40%重新进行液化。美国专利［2］介绍了利用强磁场作用进行仲正氢转换的装置引来一小股补充常态氢气具有催化作用，与仲氢相混合，可以促进转换速率的增加，此发明已用于火箭导弹中。文献［3］也报道了核火箭发射场中的仲正氢转换问题。佛罗里达大学的太阳能研究中心［4］对在轨长时间液氢储箱的研制中，提出了以仲正氢转换作为冷屏的液氢储箱结构，认为可以节省液氢蒸发损失50%以上。现有的液氢储罐监测表明，储罐内的液氢在长时间储存后仲氢含量会超过99%，而由于漏热罐内的汽化氢气其温度高于仲氢含量的平衡温度，因此仲氢会自发的转化为正氢，但转化速度很慢，在实际使用中一般使用催化剂使得仲氢快速转化为正氢，以利用其冷量。课题为仲氢转化为正氢的冷量开展技术研究，建立仲正氢绝热转化数学物理模型，通过理论分析确定仲正氢转化的制冷温度和制冷量，为今后仲正氢转化的冷量用于减少液氢储存损失的研究打下基础。根据仲正氢绝热转化的过程，假定:(1)绝热转化是理想过程，与周围环境无热交换;(2)绝热转化率为100%，即绝热转化后平衡氢的仲氢含量达到了与出口温度下的仲氢浓度相一致;(3)转化器足够大，气流流动速度很小，过程中的流动阻力及摩擦生热引起的热交换忽略不计。平衡氢的仲氢浓度及转化热只与氢气的温度有关，与压力无关。根据已知的氢气物性，有如下的关联式［6］:仲氢浓度:φ=fφ(T)(1)式中:φ为仲氢浓度;T为温度...