發(fā)布時間：2020-07-15 09:30

【摘要】：本文針對高壓儲氫罐充放氣過程中的熱效應(yīng)展開機理研究,主要研究充放氣過程中罐內(nèi)氫氣溫度、氫氣壓力和罐壁溫度等隨著時間的變化規(guī)律,以及不同充氣參數(shù)對熱效應(yīng)的影響。針對這一問題,本文運用質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程建立了高壓儲氫罐充放氣過程熱效應(yīng)的理論模型,該模型將整個高壓儲氫罐系統(tǒng)分為兩個區(qū)域,一個是氣態(tài)區(qū);另一個是罐壁區(qū)。針對罐壁是否進行簡化處理,可分別建立相應(yīng)的單區(qū)單溫模型和雙區(qū)雙溫模型,對模型進行推導(dǎo)可得到相應(yīng)的單區(qū)解析解和雙區(qū)解析解;另外利用Matlab/Simulink仿真平臺可以搭建相應(yīng)的集總參數(shù)模型,分別得到相應(yīng)的單區(qū)數(shù)值解和雙區(qū)數(shù)值解,同時Matlab/Simulink還可將罐壁中的內(nèi)襯和外套分開考慮,從而得到相應(yīng)的三區(qū)(氣態(tài)區(qū)、內(nèi)襯區(qū)和外套區(qū))數(shù)值模型。數(shù)值解模擬的結(jié)果可以和解析解計算的結(jié)果進行對比,從而驗證理論模型的有效性。基于單區(qū)模型的解析解,本文對預(yù)冷氫氣溫度、充氣質(zhì)量和充氣狀態(tài)(SOC)進行了相應(yīng)的參數(shù)研究。為了避免氫氣溫度超過85℃,從而保證儲氫罐的安全性能,需要對氫氣進行預(yù)冷處理,預(yù)冷氫氣溫度的選擇成為一個關(guān)鍵問題。為了解決這一問題,本文在單區(qū)模型的基礎(chǔ)上,成功推導(dǎo)了預(yù)冷氫氣溫度的解析解,給出了預(yù)冷氫氣溫度和各充氣參數(shù)(初始溫度、初始壓力和充氣時間)之間的函數(shù)關(guān)系,并計算出了當最高氫氣溫度恰好達到358K時所對應(yīng)的臨界預(yù)冷條件,研究發(fā)現(xiàn),當實際初始溫度高于臨界溫度、實際初始壓力小于臨界壓力,實際充氣時間比臨界時間短時,均需要對氫氣進行預(yù)冷處理。本文還研究了充氣質(zhì)量隨充氣參數(shù)之間的變化規(guī)律,充氣質(zhì)量的解析解可以由氫氣溫度的解析解推導(dǎo)得到,充氣質(zhì)量可以分別表示為關(guān)于充氣速率、初始氫氣壓力和進氣溫度的函數(shù)關(guān)系,利用充氣質(zhì)量的解析解對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行擬合,可以確定充氣質(zhì)量與各充氣參數(shù)之間的定量關(guān)系。基于儲氫罐中氫氣密度均勻分布的假設(shè)以及充氣質(zhì)量的解析解,本文還提出了一個計算SOC的數(shù)學(xué)模型,模型中相應(yīng)的參數(shù)值可以用最小二乘法確定;在研究充氣速率和進氣溫度同時對SOC的影響時,可以在換熱系數(shù)的表達式中引入努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)來對原有的模型進行修正,通過研究發(fā)現(xiàn),新的模型具有更好的擬合效果以及表達數(shù)據(jù)的能力。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U469.7
【圖文】：

第 2 章 高壓儲氫罐充/放氣過程理論模型及解析解本章主要闡述理論模型的建立過程以及單區(qū)和雙區(qū)解析解的推導(dǎo)過程。2.1 理論模型如圖 2-1 所示，為高壓儲氫罐充放氣過程的傳熱傳質(zhì)示意圖。氫氣從進氣口處進入儲氫罐，同時伴隨著能量的變化，從而引起氣體溫度和壓力的改變，整個儲氫罐系統(tǒng)的熱效應(yīng)可以用相應(yīng)的質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程進行表示。

建立了合適的數(shù)學(xué)物理模型，然而在對應(yīng)微分方程求解的過的結(jié)果似乎無法精確得到，上文雖然通過解耦微分方程的辦法，得和罐壁溫度的近似解析解，但也對實際結(jié)果帶來了一定的誤差。為描述相應(yīng)的物理規(guī)律，精確得到氫氣溫度和罐壁溫度等隨充氣參數(shù)關(guān)系，這里還可利用一些數(shù)值方法對物理模型進行求解，通過b/Simulink 仿真平臺，得到了相應(yīng)的數(shù)值解。數(shù)值解的出現(xiàn)，為實際明了新的方向，同時，它還可跟近似解析解進行對比，用來驗證近效性和適用性。單區(qū)模型數(shù)值解 Matlab/Simulink 仿真模擬平臺中描述單區(qū)模型的質(zhì)量守恒方程，如。其中充氣速率和放氣速率（如圖 3-2）可用平臺中內(nèi)置的常數(shù)項過一定的數(shù)學(xué)運算模塊復(fù)合之后，再利用積分模塊可得氫氣質(zhì)量隨系，積分運算中需要輸入初始質(zhì)量 m0的值。

圖 3-2 放氣速率，在 Matlab/Simulink 平臺中描述能量守恒方程，如圖 3-3 為待求項，顯然是未知的，而在能量守恒方程中，又需要內(nèi)置的 from 和 goto 模塊表示。

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