衬垫热性能及衬垫预冷对氢气储罐快速灌装热管理的影响
“Effect of liner thermal properties and liner pre-cooling on the thermal management of fast-filling of hydrogen tanks”由Ricardo Blanco - Aguilera等人撰写，旨在通过CFD模型评估和比较氢罐快速填充的替代热管理策略与传统氢气预冷策略的性能，为氢燃料电池汽车快速加氢过程中的热管理提供了有效的解决方案。
1. 研究背景氢能源的重要性与应用挑战
- 可再生能源发电对实现净零碳排放经济至关重要。在某些行业（如重型运输和移动出行）的电气化过程中，由于所需电池组尺寸和重量过大，面临技术挑战，氢作为能源载体成为一种有前途的解决方案。
- 压缩氢气是车载氢存储的常见方式之一。与其他常见化石燃料相比，氢气具有最高的质量能量密度，但体积能量密度很低。为了获得足够的体积能量密度，压缩氢气应用需将氢气存储在高达800 bar的压力下。氢罐分为不同类型，Type III和Type IV适用于运输应用，但Type IV罐存在氢气渗透较高和温度较高的问题。
- 在快速加注氢气时，罐内温度会快速大幅升高，这不仅影响氢气的荷电状态（SOC），还可能损害罐的结构完整性。国际标准规定罐内允许温度在 - 40°C到85°C之间，因此热管理对确保安全加注至关重要。
热管理策略的研究现状与局限
- 热流体分析可基于实验工作，但实验测试资源和时间消耗大。简化的0D/1D热力学模型可用于模拟氢罐的热流体行为，但存在局限性，如模型需针对固定几何和操作条件进行开发和校准，且假设状态变量完全均匀，无法提供流型和温度空间分布等关键信息。
- 计算流体动力学（CFD）模型可克服0D简化热力学模型的局限性，已被广泛应用于模拟运输应用中的压缩氢储存罐的流体动力学和热力学行为。一些研究评估了不同的热管理策略，其中氢气预冷是最常见和有效的方法，但增加了供应系统的复杂性和能耗。其他策略包括使用传统的车载热管理技术和改变罐内胆材料的热性能。
2. 材料和方法
案例研究描述
研究考虑一个28.9L的Type IV储氢罐，其结构包括流体区、与氢气接触的热塑性内胆、外部的结构聚合物层压板和罐两侧的钢制凸台。 为验证数值模型，使用Melideo等人的实验数据，设定环境温度为18.6°C，外部对流系数为6W/m²K，罐内氢气和结构元件初始温度为15°C。
- 定义了不同的案例研究：
- CS1a、CS1b、CS1c为传统氢气预冷方法，分别对应不预冷、预冷到0°C和预冷到 - 40°C，采用原始热塑性内胆。
- CS2仅修改内胆材料，增加其热导率和体积热容；CS3a在CS2基础上，将内胆和凸台预冷到 - 10°C；CS3b在CS3a基础上，在填充过程中持续冷却凸台；CS4采用原始热塑性内胆，但将内胆和凸台预冷到 - 10°C。
- **数值模型** - **控制方程和模型**
- 使用Ansys Fluent 2022 - R1软件构建CFD数值模型，分析氢气的流体动力学，采用雷诺平均纳维 - 斯托克斯（RANS）方程求解湍流流动，包括连续性和动量守恒方程。
- 湍流应力张量采用\(k - \omega\)SST湍流模型，该模型结合了\(k - \omega\)和\(k - \varepsilon\)模型的优点，适用于模拟粘性子层和远离边界层的流动。
- 考虑能量方程用于传热分析，在固体区域和流体区域分别采用相应的能量方程形式。对于氢气状态方程，选用Aungier's modified Redlich - Kwong方程。
- **计算域** - 采用轴对称二维模型以降低计算成本，计算域包括流体域和固体域（内胆、层压板和凸台）。
- 对三种不同网格（20k、34k和45k元素）进行敏感性分析，最终选择34k元素的网格，保证网格质量和模拟稳定性。
- 在流体域采用多区域网格，根据不同区域设置不同的平均元素尺寸，并在流体壁面定义膨胀以解决动量和热边界层问题。在固体域，根据不同部件设置合适的平均元素尺寸，并在模拟初期采用自适应网格。
- **边界条件**
- 入口边界条件根据案例研究设定压力和温度，所有案例中压力在204s内从20 bar线性增加到775 bar。
- 流体与固体子域边界采用无滑移边界条件。
- **求解方法** - 采用SIMPLE算法和二阶迎风格式离散方案求解压力和速度场。
- 设定收敛准则，能量的残差小于10⁻⁶，速度、连续性、湍流动能k和湍流耗散率的残差小于10⁻³。采用基于误差的自适应时间步长方法确保收敛。- **能量消耗评估** - 计算不同案例研究中的能量消耗，考虑氢气预冷（CS1b、CS1c）和内胆及凸台固体预冷（CS3a、CS3b、CS4）的情况。 - 氢气预冷的冷却能量需求通过积分氢气质量流量、比热和温度差来计算。内胆及凸台固体预冷的总能量需求通过计算各固体元件的质量、比热和温度差的乘积之和来计算，对于CS3b还需考虑凸台吸收的总热量。 - 考虑冷却系统的性能系数（COP），计算总能量消耗，氢气预冷系统的COP根据环境温度计算，内胆及凸台预冷系统的COP根据压缩机速度设定在2.5 - 4之间。
3. 结果与讨论- **数值模型验证**
- 将CFD模型结果与Melideo等人的实验和数值结果进行比较，结果显示本研究开发的CFD模型与参考研究的数值和实验结果吻合良好，模型可靠地再现了氢罐在快速加注过程中的热流体行为。
- **不同热管理策略下的氢气温度演变**
- 传统氢气预冷策略（CS1a、CS1b、CS1c）表明降低氢气入口温度可降低罐内温度，对于模拟的存储系统，预冷氢气到0°C - 40°C可使温度保持在允许范围内。 - 替代策略（CS2、CS3a、CS3b）通过改变内胆热性能也可显著降低氢气温度，且仅改变内胆材料无需氢气预冷系统，可使温度保持在允许范围内。预冷内胆和凸台（CS3a和CS3b）可进一步降低氢气温度，且CS3a和CS3b之间的温度差异较小。采用原始热塑性内胆并预冷内胆和凸台（CS4）虽可降低温度，但仍高于允许范围。
- **快速加注过程中固体元件温度和传热**
- 传热主要发生在流体和内胆之间，内胆材料的热性能对传热率有影响，替代内胆策略（CS2、CS3a、CS3b）的传热率更高。内胆和层压板之间的传热在加注50s后达到准稳态，且内胆在热管理中起更重要作用。
- 环境条件和外部对流对罐的热管理不是关键变量，在短时间加注过程中，外层温度对氢气温度影响不大。
- **罐的荷电状态演变**
- 氢气温度差异导致罐内氢气密度和质量变化，从而影响荷电状态（SOC）。较低的温度可提高罐内氢气质量和能量存储容量。
- 传统氢气预冷到 - 40°C（CS1c）可使SOC达到0.95，比氢气入口温度为15°C（CS1a）的参考案例高9%。仅改变内胆热性能（CS2）可使SOC略高于CS1a和CS1b，并能使温度保持在允许范围内。预冷内胆和凸台可进一步提高SOC，而采用原始热塑性内胆并预冷内胆和凸台（CS4）仅使SOC比CS1a提高1%，且低于其他替代方案。
- **内胆的体积热容和热导率对氢气温度演变的影响**
- 通过额外的CFD模拟分析，发现增加内胆的体积热容对温度控制效果更显著，且两种热参数存在饱和效应。 - 在填充过程初期，热导率对氢气温度下降起主导作用，后期体积热容更重要。- **热管理策略的能量消耗评估** - CS2是最节能的热管理替代方案，为被动解决方案，无需能量消耗即可使氢气温度保持在允许范围内。 - CS3a的冷却需求比预冷氢气到0°C（CS1b）高20%，但由于车载制冷系统COP较高，实际能耗较低。CS3b的冷却需求因凸台吸收热量而显著高于CS3a，但其实际能耗也因较高的COP而低于预冷氢气到 - 40°C（CS1c）。
- CS4因热塑性材料体积热容低，冷却需求和能耗低于CS3a和CS3b，但无法使氢气温度保持在允许范围内。氢气预冷到 - 40°C（CS1c）的冷却需求和最终能耗最高。
4. 实际应用考虑
- 基于内胆热性能修改的被动解决方案是控制温度升高的合适替代方法，需开发满足热物理要求的新材料，在提高热导率和体积热容的同时保持Type IV罐的重量容量，可通过增加比热而非密度来实现。
- 利用现有车载制冷系统进行罐的热管理是有效且节能的，但需开发必要的技术手段来实现，如电池、驱动或内部冷却回路等可用于内胆和凸台的预冷。
5. 研究结论
- 开发的CFD模型可靠，可用于评估氢罐快速填充的热管理策略。
- 内胆热导率和体积热容的增加可替代氢气预冷系统，预冷内胆和凸台可进一步降低氢气温度，提高SOC，从而增加罐内氢气质量、能量存储容量和车辆自主性。
- 内胆热性能对热管理有重要影响，体积热容在温度控制中作用更大，且存在饱和效应，这些方面在开发新型温度控制材料时需重点考虑。
- 通过改变内胆热性能可节能，预冷内胆和凸台虽冷却需求较高，但实际能耗较低，提出的热管理策略是传统氢气预冷系统的有效替代，可简化氢气供应系统，降低能耗，提高SOC和车辆自主性。
