高壓氣瓶
關(guān)注創(chuàng)建者：金黃的小錦鯉 創(chuàng)建時(shí)間：2021-01-20
高壓氣瓶的實(shí)例教程
摘 要：高壓制冷裝置通過管路給紅外探測(cè)器供氣制冷，將探測(cè)器元件冷卻至低溫或深低溫，使熱成像系統(tǒng)正常工作。高壓氣瓶為高壓制冷裝置儲(chǔ)存和提供高壓氣體，是高壓制冷裝置的主要組件。詳細(xì)闡述了高壓氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行不同載荷的仿真試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)拉梅公式對(duì)氣瓶的爆破形態(tài)進(jìn)行理論分析，最后通過瓶體爆破試驗(yàn)加以驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：紅外探測(cè)技術(shù);制冷氣瓶;拉梅公式;爆破形態(tài);仿真驗(yàn)證;
0 引言
紅外熱成像制冷技術(shù)是指通過物理或化學(xué)的手段將探測(cè)器元件冷卻至低溫或深低溫的技術(shù)[1],其目的一方面能夠保證電子器件與系統(tǒng)功能的正常，提高元器件的靈敏度，另一方面可以屏蔽或減少來自熱成像系統(tǒng)的濾光片、擋板及光學(xué)系統(tǒng)本身帶來的熱噪聲[2]。
高壓制冷裝置是紅外熱成像制冷技術(shù)的一種常用的物理制冷方法，能夠給紅外探測(cè)器制冷，低溫環(huán)境可降低紅外探測(cè)器的噪聲，提高探測(cè)器的靈敏度和分辨率[3]。高壓制冷裝置的主要結(jié)構(gòu)為高壓制冷氣瓶，瓶體內(nèi)部?jī)?chǔ)存著高壓氣體。
1833年法國(guó)巴黎大學(xué)教授G.拉梅(Lame)和克拉伯龍(Clapeyron)根據(jù)彈性理論，推導(dǎo)出了厚壁圓筒在受到內(nèi)外壓強(qiáng)作用時(shí)任意半徑處的三向應(yīng)力計(jì)算公式，即拉梅公式(Lame formula),為壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，促進(jìn)了壓力容器的發(fā)展，使得壓力容器廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)[4]。
高壓容器的可靠性設(shè)計(jì)越來越受到人們的重視[5,6,7],在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性與安全性、高壓氣體流通部位的密封性以及氣瓶材料的綜合力學(xué)性能等。
展開 而氫燃料電池汽車的關(guān)鍵部件之一便是高壓儲(chǔ)氫氣瓶，它的技術(shù)水平直接影響著汽車的續(xù)航能力。
1.2 庭田科技與某新媒體平臺(tái)的合作
庭田科技作為Cadfil在中國(guó)的總代理，始終致力于為國(guó)內(nèi)企業(yè)提供最先進(jìn)的氫能相關(guān)技術(shù)。近期，庭田科技與某新媒體平臺(tái)達(dá)成合作，共同推廣和普及基于Cadfil軟件的儲(chǔ)氫高壓復(fù)合材料氣瓶纖維纏繞技術(shù)。為了讓更多行業(yè)內(nèi)人士了解并掌握這一技術(shù)，庭田科技將與某新媒體臺(tái)共同舉辦線上公開課。
1.3 課程內(nèi)容介紹
庭田科技邀請(qǐng)到了Cadfil軟件專家（高級(jí)攻城獅）為大家講解這一技術(shù)。在這次公開課中，Cadfil軟件專家將為大家詳細(xì)介紹IV型高壓儲(chǔ)氫氣瓶的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，以及如何利用Cadfil軟件進(jìn)行氣瓶纖維纏繞仿真。課程內(nèi)容將涵蓋以下幾個(gè)方面：
1）IV型高壓儲(chǔ)氫氣瓶的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
2）纖維纏繞技術(shù)在儲(chǔ)氫氣瓶上的應(yīng)用
3）Cadfil纖維纏繞軟件的功能及應(yīng)用領(lǐng)域
4）基于Cadfil軟件的氣瓶纖維纏繞仿真實(shí)例演示
圖一 典型IV型高壓儲(chǔ)氣瓶結(jié)構(gòu)示意圖
1.4 課程收益與合作展望
參與這次線上公開課的企業(yè)和個(gè)人將在Cadfil軟件專家的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)到實(shí)用的纖維纏繞技術(shù)和Cadfil軟件操作技巧，深入了解纖維纏繞技術(shù)在高壓儲(chǔ)氫氣瓶制造中的關(guān)鍵作用，以及如何利用Cadfil軟件進(jìn)行高效、精確的纏繞仿真，更好地掌握IV型高壓儲(chǔ)氫氣瓶的設(shè)計(jì)與制造技巧，這將有助于提高企業(yè)在氫能產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，為氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大技術(shù)支持。
展開 設(shè)計(jì)內(nèi)容:1)進(jìn)行封頭、容器強(qiáng)度及金屬接嘴的強(qiáng)度設(shè)計(jì);2) 在滿足強(qiáng)度的前提下，以質(zhì)量最輕為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);3)采用計(jì) 算機(jī)模擬氣瓶的承壓性能; 4)其他你認(rèn)為有益的設(shè)計(jì)內(nèi)容。
滑梯本身如無破損，還需恢復(fù)所配備高壓氣瓶規(guī)定的壓力，將滑梯折疊復(fù)原。整個(gè)過程極其嚴(yán)謹(jǐn)復(fù)雜，滑梯折疊打包成型后，還需用專門的重物施壓使之達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，僅該流程就需4-5天。人工、材料、設(shè)備航材等損失加起來不下幾萬元。事實(shí)上，乘客也有可能會(huì)意外釋放滑梯。
總之
以后咱們上了飛機(jī)都要遵守秩序,
防止誤放滑梯之類的事件，
方便自己也方便他人!
圖2 技術(shù)聚焦區(qū)塊圖
將技術(shù)板塊做成趨勢(shì)圖，如表2所示，近20年間，“壓力容器，如氣瓶、氣罐、可替換的筒”和“容器或容器裝填排放的零部件”兩個(gè)技術(shù)方向的申請(qǐng)專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他技術(shù)，故高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是目前主流的研發(fā)方向，前景廣闊。
表2 技術(shù)申請(qǐng)趨勢(shì)
1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成
從最近5000條專利中提取語義關(guān)鍵詞和主題詞，做成旭日?qǐng)D，如圖3所示，外層的關(guān)鍵詞是內(nèi)層關(guān)鍵詞的進(jìn)一步分解
[5]。內(nèi)層主流技術(shù)領(lǐng)域分別為“高壓氫”“壓力容器”“儲(chǔ)氣瓶”“復(fù)合材料”“支撐結(jié)構(gòu)”“壓力傳感器”等；對(duì)技術(shù)進(jìn)行分解，得到外層細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域分別為“高壓容器”“高壓氣瓶”“密封結(jié)構(gòu)”“碳纖維”“儲(chǔ)氫瓶”等，既是當(dāng)前研究最熱門的方向，也是行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。了解高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域內(nèi)比較詳細(xì)的技術(shù)聚焦點(diǎn)及細(xì)分領(lǐng)域，為知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局工作提供參考。
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高壓氣瓶的最新內(nèi)容
高壓特殊應(yīng)用：
針對(duì)加氫站、高壓氣瓶充填、超臨界流體萃取等特殊場(chǎng)景，布瑯軻锳特提供了專門的高壓系列（如HIGH-TECH系列），這些儀表經(jīng)過特殊加固設(shè)計(jì)，最大工作壓力可高達(dá)400 bar甚至700 bar，在這種極端壓力下，普通的流量計(jì)可能會(huì)發(fā)生形變導(dǎo)致測(cè)量失效甚至爆裂，而專用高壓儀表則能確保持續(xù)穩(wěn)定的高精度控制。
氫氣因其零排放特性而被認(rèn)為是能源的終極形式，氫燃料電池汽車也以其零排放的特點(diǎn)成為未來汽車的發(fā)展趨勢(shì)，用于存儲(chǔ)高壓氫氣的儲(chǔ)氫氣瓶是燃料電池汽車必不可少的關(guān)鍵零部件之一。根據(jù)儲(chǔ)氫罐的結(jié)構(gòu)，它可以分為四種類型。I型儲(chǔ)氫罐是一種金屬氣缸，其重量大、儲(chǔ)存壓力低。II型的特點(diǎn)是在金屬襯套外部增加了環(huán)箍繞組，與I型相比，重量減輕，壓力增加。
[3] 劉曉超,周永強(qiáng),張艷麗,等.高壓氣瓶熱處理自動(dòng)生產(chǎn)線爐溫控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)電工程技術(shù),2019(7):118-120.
[4] 徐文祥,李金良,楊焱,等.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].新型工業(yè)化,2018(7):47-48.
[5] 孫云飛.工業(yè)自動(dòng)化控制DCS系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)分析[J].新型工業(yè)化,2022(8):12-13.
高壓氣瓶為高壓制冷裝置儲(chǔ)存和提供高壓氣體，是高壓制冷裝置的主要組件。詳細(xì)闡述了高壓氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行不同載荷的仿真試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)拉梅公式對(duì)氣瓶的爆破形態(tài)進(jìn)行理論分析，最后通過瓶體爆破試驗(yàn)加以驗(yàn)證。
內(nèi)層主流技術(shù)領(lǐng)域分別為“高壓氫”“壓力容器”“儲(chǔ)氣瓶”“復(fù)合材料”“支撐結(jié)構(gòu)”“壓力傳感器”等；對(duì)技術(shù)進(jìn)行分解，得到外層細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域分別為“高壓容器”“高壓氣瓶”“密封結(jié)構(gòu)”“碳纖維”“儲(chǔ)氫瓶”等，既是當(dāng)前研究最熱門的方向，也是行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。
目前，庭田科技已在以下幾個(gè)方面取得顯著成果：
1）高壓儲(chǔ)氫氣瓶制造技術(shù)的研發(fā)與推廣：庭田科技依托Cadfil軟件，成功開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高壓儲(chǔ)氫氣瓶制造技術(shù)，并與多家國(guó)內(nèi)外企業(yè)合作，將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，提高氫燃料電池汽車的續(xù)航能力。
現(xiàn)有的擠壓式推進(jìn)劑輸送方式需要采用高壓貯箱和氣瓶，已無法滿足新型航天器安裝空間小、質(zhì)量輕的要求。美國(guó)的勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室，研究利用小型的往復(fù)活塞泵對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行增壓輸送，可獲得高于入口10～15倍的壓力，使得推進(jìn)劑可低壓存儲(chǔ)，有效地減輕了系統(tǒng)質(zhì)量。
3.2 沉底式推進(jìn)劑位置管理
如圖6所示，沉底式利用沉底發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力形成人工重力場(chǎng)，使得慣性力遠(yuǎn)大于表面張力，抑制液體的自由浸潤(rùn)和漂移，保證推進(jìn)劑穩(wěn)定在貯箱底部或?qū)⑼七M(jìn)劑重定位至貯箱底部，是目前比較成熟的推進(jìn)劑管理辦法，工作可靠，應(yīng)用廣泛；但需要消耗推進(jìn)劑或高壓氣瓶中的氣體產(chǎn)生沉底推力，常用于大型運(yùn)載火箭的低溫末級(jí)。
它的原理是通過管道將氧氣輸送到病房?jī)?nèi)的病人或病房的區(qū)域進(jìn)行使用；在一個(gè)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器同時(shí)工作；并且能夠根據(jù)病人的需要調(diào)節(jié)流量的大小等；另外還具備有報(bào)警功能等一些特殊的功能目前國(guó)內(nèi)大部分醫(yī)院的中心供氧系統(tǒng)都采用雙路設(shè)計(jì)，即一路為醫(yī)用空氣源（一般為壓縮機(jī)制冷式）另一路為醫(yī)用氧氣源（一般為高壓氣瓶制?。?。這種配置方式主要考慮的是兩路的壓力平衡及安全性的問題。
3.2 沉底式推進(jìn)劑位置管理
如圖6所示，沉底式利用沉底發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力形成人工重力場(chǎng)，使得慣性力遠(yuǎn)大于表面張力，抑制液體的自由浸潤(rùn)和漂移，保證推進(jìn)劑穩(wěn)定在貯箱底部或?qū)⑼七M(jìn)劑重定位至貯箱底部，是目前比較成熟的推進(jìn)劑管理辦法，工作可靠，應(yīng)用廣泛；但需要消耗推進(jìn)劑或高壓氣瓶中的氣體產(chǎn)生沉底推力，常用于大型運(yùn)載火箭的低溫末級(jí)。
