活性炭吸附储氢过程的热力学分析与模拟

活性炭吸附储氢过程的热力学分析与模拟

论文摘要

储氢过程中热效应的不利影响是氢气吸附储存应用于新能源汽车需要解决的关键问题之一。本文以车用吸附储氢罐为研究对象,在吸附等温线模型、气体状态方程等热力学分析模型基础上,利用有限元软件COMSOL及动态系统仿真工具Matlab/Simulink,建立了COMSOL多维模型及Matlab/Simulink系统模型对活性炭吸附储氢过程进行模拟,研究储氢过程中的热质传递。并针对加拿大三河城魁北克大学氢能研究所进行的低温吸附储氢实验,研究了低温条件下吸附储氢热效应的影响及热力学优化控制方法。文章首先介绍了活性炭吸附储氢过程的热力学分析模型,包括吸附等温线模型,吸附热的热力学计算以及气体状态方程。对吸附等温线模型的研究意义及选取、吸附过程中产生吸附热的数值确定方法、不同储氢条件下气体状态方程的适用性及选取进行了探讨。然后基于有限元求解法,建立了COMSOL模型对活性炭吸附储氢过程进行模拟,研究储氢过程中的热质传递。重点考虑了充气过程中高速流体的惯性阻力、活性炭床与不锈钢罐体之间的接触热阻以及活性炭床有效热导率对活性炭吸附储氢热效应的影响。并利用Matlab/Simulink,通过动态集总参数模型模拟了活性炭的吸附储氢过程,对充气过程中储氢罐内压力及温度的变化进行了分析,同时研究了储氢过程中的动态吸附曲线,对吸附储氢过程有了较直观的了解。最后针对加拿大三河城魁北克大学氢能研究所进行的低温吸附储氢实验,在吸附储氢COMSOL多维模拟及Simulink系统分析模拟基础上,进行了活性炭低温吸附储氢热效应的仿真模拟,并与实验结果进行了对比。在此基础上,研究了充气速度、活性炭床有效热导率对低温吸附储氢热效应的影响,初步探索了低温条件下活性炭吸附储氢热效应的优化控制方法。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.1.1 研究背景
  • 1.1.2 研究意义
  • 1.2 国内外研究现状
  • 1.2.1 储氢材料研究
  • 1.2.2 吸附储氢研究
  • 1.2.3 吸附过程热力学研究
  • 1.3 本文工作
  • 1.3.1 吸附储氢过程的热力学模型
  • 1.3.2 基于COMSOL的活性炭吸附储氢模拟
  • 1.3.3 基于Matlab/Simulink的活性炭吸附储氢模拟
  • 1.3.4 活性炭低温吸附储氢的热力学分析与优化
  • 第2章 吸附储氢过程的热力学模型
  • 2.1 吸附等温线模型
  • 2.1.1 吸附等温线研究的必要性
  • 2.1.2 吸附等温线的分类
  • 2.1.3 吸附等温线模型的比较
  • 2.2 吸附热的热力学计算
  • 2.2.1 吸附热的产生机理
  • 2.2.2 吸附热的计算
  • 2.3 气体状态方程
  • 2.3.1 理想气体状态方程
  • 2.3.2 实际气体状态方程
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 基于COMSOL的活性炭吸附储氢模拟
  • 3.1 活性炭吸附储氢的偏微分方程模型
  • 3.1.1 质量守恒方程
  • 3.1.2 动量守恒方程
  • 3.1.3 能量守恒方程
  • 3.2 COMSOL模型及其参数
  • 3.2.1 储氢罐几何模型
  • 3.2.2 材料物性
  • 3.2.3 边界条件
  • 3.3 COMSOL模拟结果与分析
  • 3.3.1 压力变化
  • 3.3.2 温度及速度变化
  • 3.3.3 动态吸附
  • 3.3.4 储氢系统质量平衡分析
  • 3.3.5 储氢系统热源项及热传递分析
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 基于Matlab/Simulink的活性炭吸附储氢模拟
  • 4.1 活性炭吸附储氢的常微分方程模型
  • 4.1.1 氢气质量平衡
  • 4.1.2 活性炭床能量平衡
  • 4.1.3 不锈钢罐体能量平衡
  • 4.2 Matlab/Simulink模型及其参数
  • 4.2.1 几何模型
  • 4.2.2 模型物理参数
  • 4.2.3 储氢系统Simulink模型
  • 4.3 Matlab/Simulink模拟结果与分析
  • 4.3.1 储氢罐内压力变化
  • 4.3.2 储氢罐吸附床平均温度变化
  • 4.3.3 氢气质量平衡分析
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 活性炭低温吸附储氢的热力学分析与优化
  • 5.1 低温吸附储氢的COMSOL模拟
  • 5.1.1 COMSOL低温吸附储氢模型
  • 5.1.2 物性参数及边界条件
  • 5.1.3 模拟结果
  • 5.2 低温吸附储氢的Matlab/Simulink模拟
  • 5.2.1 Simulink低温吸附储氢模型及物性参数
  • 5.2.2 模拟结果与分析
  • 5.3 低温吸附储氢的热力学优化
  • 5.3.1 活性炭床有效热导率对低温吸附储氢热效应的影响
  • 5.3.2 充气速度对低温吸附储氢热效应的影响
  • 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
  • 相关论文文献

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