高压储氢罐充放气过程的热效应模拟与性能预测

摘要

本文针对高压储氢罐充放气过程中的热效应展开机理研究，主要研究充放气过程中罐内氢气温度、氢气压力和罐壁温度等随着时间的变化规律，以及不同充气参数对热效应的影响。针对这一问题，本文运用质量守恒方程和能量守恒方程建立了高压储氢罐充放气过程热效应的理论模型，该模型将整个高压储氢罐系统分为两个区域，一个是气态区；另一个是罐壁区。针对罐壁是否进行简化处理，可分别建立相应的单区单温模型和双区双温模型，对模型进行推导可得到相应的单区解析解和双区解析解；另外利用Matlab/Simulink仿真平台可以搭建相应的集总参数模型，分别得到相应的单区数值解和双区数值解，同时Matlab/Simulink还可将罐壁中的内衬和外套分开考虑，从而得到相应的三区（气态区、内衬区和外套区）数值模型。数值解模拟的结果可以和解析解计算的结果进行对比，从而验证理论模型的有效性。 基于单区模型的解析解，本文对预冷氢气温度、充气质量和充气状态（SOC）进行了相应的参数研究。为了避免氢气温度超过85℃，从而保证储氢罐的安全性能，需要对氢气进行预冷处理，预冷氢气温度的选择成为一个关键问题。为了解决这一问题，本文在单区模型的基础上，成功推导了预冷氢气温度的解析解，给出了预冷氢气温度和各充气参数（初始温度、初始压力和充气时间）之间的函数关系，并计算出了当最高氢气温度恰好达到358K时所对应的临界预冷条件，研究发现，当实际初始温度高于临界温度、实际初始压力小于临界压力，实际充气时间比临界时间短时，均需要对氢气进行预冷处理。 本文还研究了充气质量随充气参数之间的变化规律，充气质量的解析解可以由氢气温度的解析解推导得到，充气质量可以分别表示为关于充气速率、初始氢气压力和进气温度的函数关系，利用充气质量的解析解对相应的数据进行拟合，可以确定充气质量与各充气参数之间的定量关系。 基于储氢罐中氢气密度均匀分布的假设以及充气质量的解析解，本文还提出了一个计算SOC的数学模型，模型中相应的参数值可以用最小二乘法确定；在研究充气速率和进气温度同时对SOC的影响时，可以在换热系数的表达式中引入努塞尔数和雷诺数来对原有的模型进行修正，通过研究发现，新的模型具有更好的拟合效果以及表达数据的能力。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 文献综述

1.2.1 高压储氢罐热效应的实验研究

1.2.2 高压储氢罐热效应的数值模拟研究

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 研究内容与研究方法

第2章 高压储氢罐充/放气过程理论模型及解析解

2.1 理论模型

2.2 单区模型解析解

2.2.1 定充/放气温度的情况

2.2.2 变充/放气温度的情况

2.2.3 休眠阶段

2.3 双区模型解析解

2.3.1 定充/放气温度的情况

2.3.2 变充/放气温度的情况

2.3.3 休眠阶段

2.4 氢气压力的解析解

2.5 本章小结

第3章 基于Matlab/Simulink的仿真模拟研究

3.1 单区模型数值解

3.2 双区模型数值解

3.3 三区模型数值解

3.4 总的数值模型

3.5 本章小结

第4章 解析模型和数值模型的结果对比及分析

4.1 单区模型解析解与数值解的对比

4.2 双区模型解析解的情况

4.3 双区模型解析解和数值解的对比

4.4 对双区模型解析解的修正

4.5 本章小结

第5章 基于单区模型解析解的参数研究

5.1 预冷氢气温度与充气参数的关系

5.1.1 与氢气初始温度的关系

5.1.2 与氢气初始压力的关系

5.1.3 与充气时间的关系

5.2 充气质量与充气参数的关系

5.2.1 与充气速率的关系

5.2.2 与初始氢气压力的关系

5.2.3 与进气温度的关系

5.3 SOC与充气参数的关系

5.3.1 SOC与进气温度的关系

5.3.2 充气速率和进气温度对SOC的影响

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目