不同热导率下MIL⁃101(Cr)储氢过程的数值模拟研究

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2023.03.005

石油化工高等学校学报 ›› 2023, Vol. 36 ›› Issue (3): 31-36.DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2023.03.005

不同热导率下MIL⁃101(Cr)储氢过程的数值模拟研究

李杰¹(), 张志强², 付越³, 陈树军²(), 徐瑶¹, 范海旭²

^1.广东省特种设备检测研究院, 广东佛山 528000
^2.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院, 山东青岛 266580
^3.中国石油大学(华东) 新能源学院, 山东青岛 266580

收稿日期:2022-09-28 修回日期:2022-11-09 出版日期:2023-06-25 发布日期:2023-06-25
通讯作者: 陈树军
作者简介:李杰（1984⁃），男，硕士研究生，工程师，从事低温容器和氢能装备的检验与研究；E⁃mail：vclijie@qq.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52176028);广东省特种设备检测研究院科技项目(2021CY?1?02)

Numerical Simulation of Hydrogen Storage Process in MIL⁃101(Cr) with Different Thermal Conductivity

Jie Li¹(), Zhiqiang Zhang², Yue Fu³, Shujun Chen²(), Yao Xu¹, Haixu Fan²

^1.Guangdong Institute of Special Equipment Inspection，Foshan Guangdong 528000，China
^2.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao Shandong 266580，China
^3.New Energy Institute，China University of Petroleum（East China），Qingdao Shandong 266580，China

Received:2022-09-28 Revised:2022-11-09 Published:2023-06-25 Online:2023-06-25
Contact: Shujun Chen

摘要/Abstract

摘要：

在MOFs材料储存氢气过程中，由于材料本身热导率低，导致热量聚集，影响氢气储存性能。为了提高吸附材料的导热性能，且兼顾其储氢能力，利用数值模拟的方法，分析了吸附材料热导率的最佳调控范围。结果表明，当吸附材料热导率为0~1.2 W/（m·K）时，储氢罐的最高温度、平均温度和吸氢量随着热导率的提高得到明显的改善；当吸附材料热导率大于1.2 W/（m·K）时，改善效果明显减弱；当吸附材料热导率大于2.0 W/（m·K）时，改善效果几乎消失。因此，吸附材料的最佳热导率应当控制在1.2 W/（m·K）左右。

关键词: MIL?101(Cr), 储氢, 吸附, 热导率, 温度分布

Abstract:

In the process of hydrogen storage by MOFs materials, the low thermal conductivity of the materials leads to heat accumulation,which affects the hydrogen storage performance.In order to improve the thermal conductivity of the adsorbent material and take into account its hydrogen storage capacity, numerical simulation was used to analyze the optimal regulation range of the thermal conductivity of the adsorbent material.The results show that when the thermal conductivity of the adsorbent material is in the range of 0~1.2 W/(m·K), the maximum temperature, average temperature and hydrogen absorption capacity of the hydrogen storage tank are obviously improved with the increase of thermal conductivity.When the thermal conductivity of the material is greater than 1.2 W/(m·K), the improvement effect is significantly weakened; when the material thermal conductivity is greater than 2.0 W/(m·K), the improvement effect almost disappears. Therefore, the optimal thermal conductivity of the adsorbent should be controlled at about 1.2 W/(m·K).

Key words: MIL?101(Cr), Hydrogen storage, Adsorbent, Thermal conductivity, Temperature distribution

中图分类号:

TQ116.2

李杰, 张志强, 付越, 陈树军, 徐瑶, 范海旭. 不同热导率下MIL⁃101(Cr)储氢过程的数值模拟研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2023, 36(3): 31-36.

Jie Li, Zhiqiang Zhang, Yue Fu, Shujun Chen, Yao Xu, Haixu Fan. Numerical Simulation of Hydrogen Storage Process in MIL⁃101(Cr) with Different Thermal Conductivity[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2023, 36(3): 31-36.

图/表 7

表1 77 K温度下的材料物性

Table 1 Material properties at 77 K temperature

名称	密度/（kg·m^-3）	比热容/(J·kg^-1·K^-1)	热导率/(W·m^-1·K^-1)	动力黏度/(m²·s^-1)	孔隙率
氢气	12^*	13 125	0.069 7	8.411×10^-6	-
罐体	7 980	502	13.780 0	-	-
MIL⁃101(Cr)	541.2	780	0.062 3	-	0.79

图1 不同时刻储氢罐中心切面温度分布云图

Fig.1 Cloud map of temperature distribution in the central section of hydrogen storage tank at different times

图2 储氢罐中心切面瞬时吸附量和吸附速率分布云图

Fig.2 Cloud map of instantaneous adsorption capacity and adsorption rate distribution in the central section of the storage tank

图3 不同热导率下同一时刻储氢罐中心切面温度分布云图kp=0.062 3 kp=0.311 5

Fig.3 Cloud chart of temperature distribution at the center section of hydrogen storage tank under different thermal conductivity at the same time

图4 吸附材料在不同热导率下的最高温度变化

Fig.4 Variation rule of maximum temperature of adsorbent material under different thermal conductivity

图5 吸附材料在不同热导率下的平均温度变化

Fig.5 Variation rule of average temperature of adsorbent material under different thermal conductivity

图6 吸附材料在不同热导率下的吸氢量变化

Fig.6 Variation rule of hydrogen absorption amount of adsorbent material under different thermal conductivity

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不同热导率下MIL⁃101(Cr)储氢过程的数值模拟研究

Numerical Simulation of Hydrogen Storage Process in MIL⁃101(Cr) with Different Thermal Conductivity

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