车用天然气吸附储存及热效应模拟研究

论文摘要

随着汽车数量的增多,汽车排放物对环境造成越来越严重的污染。与汽油相比,天然气作为汽车燃料是一种相对清洁的燃料,它不仅能够降低运输成本,而且可以提高发动机的热效率和延长发动机的使用寿命。目前使用天然气做汽车燃料的关键是发展一种合适的储气方式,压缩天然气（CNG）储存技术比较成熟,已广泛应用于天然气汽车,但CNG高压设备存在安全隐患。液化天然气（LNG）储气方式,低温冷却技术复杂,建设投资巨大,且液化气瓶维护困难。吸附天然气（ANG）储存量大,储存状态是常温、中低压（3MPa4MPa）,尤其适用于车用燃料。但目前吸附储存天然气应用于汽车的主要瓶颈问题,是没有很好的解决吸脱附过程热效应的不利影响:一方面在加气站完成的充气吸附过程,是放热过程,必须对系统降温;另一方面汽车行驶中完成的放气脱附过程,需要吸热,必须给系统补充热量。本文针对车用天然气储罐吸脱附过程产生的热效应问题,进行了理论研究,模拟计算了吸脱附过程中储罐内温度、压力和吸附量的变化,分析了影响吸脱附量的因素,并提出了解决热效应的措施,具体工作如下:首先,从吸附的原理和本质出发,通过对实验数据的分析,选取了吸附等温线模型,并利用克劳修斯-克拉贝龙方程计算得到等量吸附热。通过研究吸脱附过程的热力学路径,分析了热效应对吸脱附过程的影响。同时分析了吸附天然气用于汽车的可行性及存在的问题。其次,以车用吸附储罐为研究对象,建立了储罐吸附过程的数学模型,用SIMPLER算法求解了压力速度和温度耦合问题,得到储罐内部压力场、温度场和速度场。通过对计算结果的分析得出:快速充气时,储罐内部温度迅速升高,严重影响充气量,长时间的充气和外壁面采用强迫对流的方式散热能缓解热效应,增加充气量。再次,根据车用储罐脱附过程中天然气流动和换热的特点,建立了车用储罐脱附过程的动态模型,通过分析脱附过程中储罐壁温、罐内压力、吸附剂温度以及罐外自然对流等参数的变化,得到影响脱附量和脱附效率的主要因素。通过分析计算结果得出:脱附过程中,储罐中心附近温度最低;罐壁外侧的自然对流换热对脱附性能的影响很小。本文进一步提出利用发动机余热作为加热热源,补充脱附过程所需热量的可行方案,通过模拟计算,得出应用发动机冷却水和烟气进行脱附,可使脱附效率提高12.34%和14.17%。最后,本文针对活性碳纤维（ACF）具有高吸附存储性和良好导电发热性的特点,通过实测碳纤维的电阻,研究了发动机余热加热储罐外壁面和通电加热碳纤维吸附剂两种工况下的脱附性能。通过分析得到:电加热碳纤维能从根本上改善储罐内部温度场的不均匀性。我国吸附天然气汽车的研究仍处于起步阶段,随着吸附储存天然气热效应的合理解决,吸附天然气汽车必将得到大规模的推广应用,本课题的研究成果能为吸附天然气汽车的推广应用提供理论依据和技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 吸附天然气的国内外研究现状分析
• 1.2.1 天然气吸附理论的研究现状
• 1.2.2 高性能吸附剂的研究现状
• 1.2.3 吸附过程中热效应的研究现状
• 1.2.4 吸附天然气国内外研究现状总结
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 车用天然气吸附理论基础及工作过程
• 2.1 吸附等温线的实验测定
• 2.2 吸附热效应
• 2.2.1 吸附热产生机理
• 2.2.2 吸附热的计算
• 2.2.3 吸附热效应的影响分析
• 2.3 车用吸附天然气的可行性
• 2.4 车用天然气吸附储罐的设计与布置
• 2.5 吸附天然气汽车的工作过程
• 2.6 车用吸附天然气存在的关键问题
• 2.7 本章小结
• 第3章 车用储罐吸附过程模型的建立及求解
• 3.1 充气过程的数学模型
• 3.1.1 几点假设
• 3.1.2 数学模型
• 3.1.3 初值和边界条件
• 3.2 模型的求解方法
• 3.2.1 方程的离散
• 3.2.2 求解步骤
• 3.3 车用储罐充气过程模拟算例
• 3.3.1 储罐几何模型
• 3.3.2 初始条件
• 3.3.3 物性参数
• 3.3.4 计算约束条件
• 3.4 车用储罐充气过程的模拟结果
• 3.4.1 充气过程的计算结果
• 3.4.2 减小热效应影响的措施
• 3.5 本章小结
• 第4章 车用储罐脱附过程模型的建立及求解
• 4.1 脱附过程的数学模型
• 4.1.1 几点假设
• 4.1.2 脱附过程的数学模型
• 4.1.3 初值和边界条件
• 4.1.4 边界对流换热系数ha的计算
• 4.2 模型的求解方法
• 4.2.1 方程的离散
• 4.2.2 方程的求解步骤
• 4.3 车用储罐脱附过程模拟计算
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 储罐温度场分析
• 4.4.2 脱附速率的影响
• 4.4.3 自然对流的影响
• 4.4.4 储罐壁面热容量的影响
• 4.4.5 热阻分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 汽车发动机余热用于脱附吸热的分析
• 5.1 脱附性能的影响因素
• 5.1.1 导热系数的影响
• 5.1.2 外加热源的影响
• 5.1.3 储罐内初始压力的影响
• 5.1.4 储罐几何形状的影响
• 5.2 汽车发动机余热用于脱附吸热
• 5.2.1 汽车发动机余热用于脱附的可行性
• 5.2.2 利用发动机余热的车用储罐设计
• 5.2.3 冷却水用于脱附的数学模型
• 5.2.4 排气用于脱附的数学模型
• 5.3 发动机余热用于脱附的模拟算例
• 5.4 模拟结果
• 5.4.1 冷却水用于脱附的计算结果
• 5.4.2 排气用于脱附的计算结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 车用活性碳纤维储罐的脱附热效应
• 6.1 活性碳纤维的结构特性
• 6.2 活性碳纤维的吸附性能
• 6.3 活性碳纤维储罐脱附过程的模拟
• 6.3.1 活性碳纤维用作吸附剂的可行性
• 6.3.2 控制方程的建立
• 6.3.3 控制方程的求解
• 6.4 计算结果分析
• 6.4.1 自然对流情况下的脱附
• 6.4.2 通电加热吸附剂情况下的脱附
• 6.4.3 发动机冷却水用于脱附
• 6.4.4 发动机烟气用于脱附
• 6.4.5 发动机余热和活性碳纤维电加热的联合应用
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历