车库道路车辆压缩气态氢存储系统允许氢渗透速率评估；第 3 部分：绝热壁静止空气车库中氢渗透的建模

气瓶设计的小攻城狮

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这篇文章是英国阿尔斯特大学J-B. Saffers, D. Makarov, A. V. Molkov教授撰写，今天让我们一起学习一下

文章主要研究三个点：

1.研究渗透对车库内氢分布的影响；

2.第 2 部分侧重于 CFD 扩散计算的实验验证；

3.通过研究渗透释放氢的行为来解释其原理；

第一部分

渗透是流体在压力差作用下穿过膜的整体过程。对于氢来说，这种现象尤为明显，因为它是扩散率最高的最小元素，氢对特定材料的渗透率中的公式计算，单位为 mol・s⁻¹・m⁻¹・MPa⁻¹/²，公式如下：

P 是储罐材料的渗透率，R 是理想气体普适常数，T 是环境温度。P₀是渗透率的预指数因子，E₀是活化能。渗透率强烈依赖于预指数因子和活化能，这些都是材料相关的值。温度起着重要作用 —— 温度升高会导致渗透率增加。(普适气体常数是表征理想气体性质的一个常数，由于这个常数对于满足理想气体条件的任何气体都是适用的，故称普适气体常数。亦称通用气体常数，理想气体常数，或称气体常数。R的物理意义是：1摩尔理想气体在压强不变时，温度升高1K对外界所作的功。)

通过选定材料的单一膜的渗透速率以每秒每平方米材料的氢摩尔数表示。计算公式为：

其中，J 是氢的渗透速率，pr 是储罐压力，l 是储罐壁厚。特定材料在特定温度下的渗透速率将取决于内部压力和膜厚度。渗透速率随着压力的升高和膜厚度的减小而增加。方程（1）和（2）适用于金属和非金属材料，也适用于单一膜壁。

车载氢罐的渗透对于封闭空间来说是一个安全问题，因为氢可能随着时间的推移积聚，与空气形成可燃混合物。在密封性良好、空气交换率低的封闭空间中，空气中氢的体积浓度达到 4% 的低易燃极限可能需要相当长的时间。其实主要是为了评估氢气是否可以达到爆炸区间。我记得之前看过相关案例，这项研究主要是研究家庭的车库，例如这样。考虑的是1台氢能源汽车，视乎放到国内并不太适用。

这是之前的一篇文章，大家可以看看，道路车辆的允许氢渗透率

2. 氢渗透评估

文章中做出了如下的假设

储罐的表面积 Ar=1.87 m²。环境温度 T 选为 298 K。所考虑的封闭空间是一个典型尺寸的车库，尺寸为 6（长 × 宽 × 高 = 5×3×2.2 m），体积 Vg=33 m³。
纯铁的渗透率非常高，比非金属材料高两个数量级。铁的特定预指数因子和活化能取自实验研究，分别为 P₀=5.35×10⁻¹⁴ mol・s⁻¹・m⁻¹・MPa⁻¹/² 和 E₀=33.6 kJ・mol⁻¹。这对应的渗透速率 J=1.40×10⁻⁶ mol・s⁻¹・m⁻² 或 1.14 NmL・hr⁻¹・L⁻¹（储罐的水容量）。这接近联合国欧洲经济委员会（UN ECE）关于 IV 型容器法规草案中规定的最大允许渗透速率（即容器内部体积的 1.0 NmL・hr⁻¹・L⁻¹），这个数据我正在寻找来源，因为国标和R134还有GTR13，我记得是6NmL・hr⁻¹・L⁻¹，我需要去核实一下。

从储罐渗透出的分子会发生布朗运动。布朗运动描述了悬浮在液体或气体中的分子的随机运动。这种无规则运动受到氢分子与空气中其他分子碰撞的影响。根据爱因斯坦定律描述的布朗运动，“粒子在 x 轴方向上的平均位移，或者更准确地说，均方根位移”λx 为：（这也是为什么测泄露的时候要等压力稳定后再测的一个因素）

其中，D 是氢在 25℃空气中的扩散系数（即 7.79×10⁻⁵ m²・s⁻¹），t 是时间。
考虑渗透开始后的时间 t，分子的最大位移为√(2Dt)。因此，包含所有已渗透氢分子的体积 Vx 可通过以下公式计算：

其中，Ar 是储罐表面积。该体积中的氢物质的量 n 为：

假设氢分子在 Vx 中均匀分布，经过时间 t 后的氢浓度 [H₂] t 为氢体积与总体积之比，其中 Vm25 是 25℃时的摩尔体积（即 0.0244 m³・mol⁻¹），计算公式为：

将以上方程结合起来，我们得到

来源：气瓶设计的小工程师

我们一起来学习API520 中气体和蒸气排放的定径计算

大家早上好，今天我们一起学习一下API 520中关于气体排放的相关计算；主要参考：API 520-安全阀计算，我看到网上有中文版，我们就按这个中文版一起学习。首先，我们明确一下气体的流动特性：如果可压缩气体经过一个喷管、一个孔板或管子的终端产生膨胀，其速度和比容将随下游压力的减小而增大。对于一给定的上游条件（以一个喷管为例），通过这个喷管的质量流量将一直增大直到喷管中达到极限速度。可以得知这个极限速度是该处流动介质的音速。与此极限速度相对应的流量称为临界流量。（大家通常熟悉空气中音速为343m/s,而氢气的音速大概是1295m/s,简单的计算可以根据音速公式计算：）补充一下：气体在喷管中的流动状态与喷管出口处气体压力Pe和周围环境压力Pa的相对大小密切相关。判断方法当Pe > Pa时，气体在出口处仍具有较高的压力，有继续向外膨胀的趋势，此时气体处于欠膨胀状态。当Pe < Pa时，气体在出口处压力低于环境压力，受到外界压力的挤压，这种情况属于过膨胀状态。当Pe = Pa)时，气体在出口处恰好达到与环境压力平衡，为理想膨胀状态。临界压力比：音速时喷管出口压力（Pcf与进口压力P1的绝对压力比值称为临界压力比。Pcf称为临界流动压力，在临界流动条件下，即使下游压力再低，泄压阀喷嘴出口的实际压力也不会降至临界流动压力以下。在临界流动下，流体发生膨胀，从喷嘴压力降到下游压力，伴随着湍流中的能量消散到周围介质中，这些过程是不可逆的。可以用这个公式计算，不过这边有个现成的的表我们可以看到氢气的临界压力比：为0.52，那我们是不是就知道70MPa下氢气泄放到达喷口出的压力了，大概是一半的压力，它不会立即缩减为大气气压。然后我们就可以根据下面公式计算泄放面积了；来源：气瓶设计的小工程师