（化工过程机械专业论文）液氮汽车动力系统换热器的理论与实验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 l m l l l l l l l l l l l l l ll ll l l l l l l l l l l l y 2 2 5 3 8 19 汽车工业的可持续发展面临着两大问题：能源与环境。为此，人们不 断寻求高效、节能的清洁汽车动力。液氮汽车动力系统的储能介质有较高 的能量密度，在其运行中排放的是无污染和无辐射的氮气，是一种新型的 汽车动力系统。目前世界各国对基于液氮汽车动力系统的新型汽车的研究 还处于起步阶段。本课题依托丹阳北吉公司的液氮气动装置的实验台架， 对以下方面作了初步的研究： 第一：对液氮汽车系统的原理进行了分析，包括：系统的工作原理分 析，系统供气过程的热力学分析，气动发动机的工作原理分析。同时对液 氮汽车的可行性和经济性进行了分析计算。 第二：对液氮汽车换热器系统的结构进行设计，使其满足液氮汽车的 正常行使要求。其中，重点对系统的重要部件翅片管换热器进行了设计计 算，使其满足液氮的汽化要求，并为下文换热器的建模仿真和实验研究提 供具体的尺寸参数。 第三：介绍了翅片管式换热器的几种常见建模方法和求解方法，并通 过f l u e n t 软件对模型进行模拟，验证换热器的出口压力和温度能满足整 个系统的工作要求；同时对换热器的结霜情况进行研究，并提出了一种抑 制结霜的新方法，通过实验验证该方法能明显抑制换热器的结霜。 第四：搭建了液氮汽车换热器系统的实验台架，并做了相关的实验。 实验研究的主要内容是：l 、换热器入口处的压力、液氮流量、环境温度 对换热器性能的影响。2 、预换热器的使用和换热器翅片间距的改变对换 热器结霜量的影响。 从模型仿真和实验研究的结果可以看出，液氮动力系统的工作压力能 稳定在3 5 m p a 之间，气动发动机能产生4 0 k w 的可用功率，基本可以满 足简易式汽车的行驶要求，具有理论和实践的可行性，因此有必要对液氮 汽车动力系统的关键技术进行深入研究，为液氮动力系统的实际应用奠定 理论基础。 摘要关键词：液氮发动机换热器模型仿真实验研究i i 硕士学位论文 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fv e h i c l ei sc h a l l e n g e db yt w os e r i o u sp r o b l e m s ，s h o r t a g eo fe n e r g y a n dp o l l u t i o n s op e o p l em a k eg r e a te f f o r tt or e a l i z et h eg r e e nv e h i c l e ，w h i c hm e a n s h i g he f f i c i e n c ya n dl o we m i s s i o np o l l u t i o n t h ee n e r g yd e n s i t yo fl i q u i dn i t r o g e ni s h i g h e rt h a no t h e re n e r g ys t o r a g em e d i u m s l i q u i dn i t r o g e ne n g i n er u n sw i t h o u th e a v y m e t a lp o l l u t i o n s oi ti so n eo ft h en e wg r e e nv e h i c l e s i nm a n yc o u n t r i e s ，t h e r e s e a r c h e so nt h et h e o r ya n de x p e r i m e n to fl i q u i dn i t r o g e nv e h i c l ep o w e rs y s t e m s h a v ej u s ts t a r t e d t h i sp a p e rr e l i e do nl i q u i dn i t r o g e ne n g i n et e s t - b e do fb e i j ic o m p a n y , t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e sh a db e e nm a d e ： t h ef i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fl i q u i dn i t r o g e na u t o m o t i v es y s t e m sw a sa n a l y z e d ， i n c l u d i n g ：t h es y s t e m sw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so fg a ss u p p l y s y s t e m ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp n e u m a t i ce n g i n e a tt h es a m et i m e ，t h ef e a s i b i l i t y a n de c o n o m yo fl i q u i dn i t r o g e nc a rw e r ea n a l y z e d t h es e c o n d l y , f o rm e e t i n gt h en o r m a le x e r c i s eo fl i q u i dn i t r o g e nv e h i c l e s ，t h i s p a p e rd e s i g n e dt h es t r u c t u r eo fl i q u i dn i t r o g e nv e h i c l ep o w e rs y s t e m m e a n w h i l e ，t h i s p a p e rd e s i g n e dt h eh e a te x c h a n g e r w h i c hi st h ei m p o r t a n tp a r t so ft h i ss y s t e m i tc o u l d m e e tt h er e q u i r e m e n t so fl i q u i dn i t r o g e n sv a p o r i z a t i o n ，f u r t h e r m o r ei tc o u l dp r o v i d e s p e c i f i cs i z ef o rm o d e l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y i n g t h et h i r d l y , t h es e v e r a lc o m m o nm o d e l i n ga n ds o l u t i o no ft h ef i n t u b eh e a t e x c h a n g e rw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h em o d e lb yf l u e n t s o f t w a r ew a ss i m u l a t e d ，t h e n t h eg a s i f i c a t i o np e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h ec a u s eo ff r o s t i n gw a s a n a l y z e d ，a n dan e wm e t h o df o ri n h i b i t i n gf r o s tw a sp r o p o s e d t h i sm e t h o dw a st u m o u tt ob ev e r ye f f e c t i v e l yb ye x p e r i m e n t s a tl a s t ，ap o w e rs y s t e mt e s t b e do fl i q u i dn i t r o g e nw a ss e tu p ，a n dan u m b e ro f r e l a t e de x p e r i m e n t sh a dd o n e t h em a i np u r p o s e so fe x p e r i m e n tw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h ei m p a c t so ft h eh e a te x c h a n g e rp e r f o r m a n c ew i t ht h ec h a n g e so ft h ef l o w , t h e p r e s s u r ea n dt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ew e r er e c o r d e d 2 t h ee f f e c t so f t h ef r o s tw i t h i i i a b s t r a c tt h eu s eo fp r e - h e a te x c h a n g e ra n df i np i t c hc h a n g e sw e r en o t e d f r o mt h em o d e ls i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i tc a nb eb r i e f l yc o n c l u d e dt h a tt h ew o r k i n gp r e s s u r eo fl i q u i dn i t r o g e np o w e rs y s t e mc a nb es t a b i l i z e da t3 - 5 m p a t h ea v a i l a b l ep o w e rg e n e r a t e db yt h ee n g i n ec o u l dr e a c ha t4 0k w s ot h ef u r t h e rs t u d yi sn e e d ，i ti sr e c o m m e n d e dt h a tt h ek e yt e c h n o l o g i e ss h o u l db ec o n t i n u o u s l ys t u d i e df o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：l i q u i dn i t r o g e ne n g i n e ；h e a te x c h a n g e r ；m o d es i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n tr e s e a r c hi v 硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 燃油汽车面临的问题1 1 2 新型汽车概述3 1 2 1 电动汽车技术3 1 2 2 气动汽车技术4 1 3 车载气动动力发展简史5 1 3 1 车载压缩空气动力发展史5 1 3 2 车载液氮动力发展史7 1 4 课题的主要工作及意义7 1 4 1 课题的主要工作7 1 4 2 本文的工作意义8 第2 章液氮汽车动力系统的原理与可行性分析一9 2 1液氮汽车动力系统的原理9 2 1 1 液氮汽车动力系统的工作原理1 1 2 i 2 液氮汽车动力系统供气的热力过程分析11 2 1 3 气动发动机的工作原理1 3 2 2 液氮汽车动力系统的可行性分析1 5 2 3 液氮汽车的经济性分析1 8 2 4 本章小结1 9 第3 章液氮汽车换热器系统的结构设计和计算2 0 3 1液氮汽车换热器系统的结构设计2 0 3 1 1 液氮罐21 3 1 2 压力控制系统2 2 3 1 3 换热器2 2 3 1 4 配气系统2 2 3 1 5 气动发动机一2 4 3 2 翅片管换热器的设计计算2 5 3 2 1 液氮与翅片管内壁的对流换热系数计算2 6 3 2 2 空气侧对流换热系数计算2 7 3 2 3 传热系数的计算2 9 3 2 。4 换热量计算及壁温校核3 0 3 - 2 5 翅片管总长度计算3l 3 2 6 翅片管式换热器的总体尺寸参数一31 v 目录3 3本章小结3 2第4 章换热器的建模分析与结霜研究3 34 1 换热器的建模分析3 34 1 1 管内侧常见的模型3 34 1 2 空气侧常见模型3 44 1 3 模型简化假设一3 54 1 4 模型的求解3 64 1 5 换热器的仿真与结果分析一3 94 2 换热器的结霜处理4 54 2 1 结霜对换热器性能的影响一4 54 2 2 换热器结霜原理4 64 2 3 换热器结霜过程的数学分析4 74 2 4 换热器除霜方法的研究一5 04 3本章小结5 2第5 章液氮汽车换热器系统的实验研究5 35 1 液氮汽车换热器系统实验台架5 35 1 1 实验台架5 35 1 2 液氮发动机换热器单元5 45 2 实验方法及原理5 55 2 1 实验方法5 55 2 2 实验原理5 55 3 实验结果及分析5 55 3 1 系统的可行性实验5 55 3 2 实验与仿真数据对比分析一5 75 3 3 换热器的管程阻力实验5 85 3 4 液氮系统换热器的结霜实验6 05 4 本章小结6 2第6 章总结6 36 1研究总结6 36 2 研究展望6 4参考文献：一6 5攻读硕士期间发表论文情况6 9致谢7 0v i 硕士学位论文 第1 章绪论 随着世界经济的发展，能源消耗和随之带来的环境污染问题成为世界各国 面临的首要问题。石油作为世界经济发展的引擎，受到世界各国的重视，但是 随着汽车工业的发展和人们生活水平的日益提高，对石油的消耗也越来越高。 根据亚洲制造业协会公布的统计数据，在中国道路上行驶的汽车是1 9 9 0 年的 2 0 0 倍，我们估计随着经济的持续增长，这种趋势还将继续维持下去。到2 0 1 0 年中国1 3 亿人口中有将近7 0 0 0 万辆车，汽车拥有量的上涨空间还很大。而非 洲石油炼制商协会( a r a ) 公布的一份最新报告称，按现有的生产速度推算，全 球石油储量将在未来5 0 年内枯竭。因此开发新能源汽车，已经成为当今世界范 围的课题。乙醇燃料汽车，锂电池汽车，天然气汽车也逐渐被开发出来。 1 1 燃油汽车面临的问题 石油属于不可再生能源，随着人类的开采和消耗逐渐减少，并最终枯竭。 据估计，全世界的石油储量只能维持使用4 5 年左右如图1 1 ( 1 1 所示，而汽车消 耗了石油产量的一半。现在世界汽车的保有量已近7 亿辆，而且还以每年上千 万辆的速度增长，预计2 0 2 0 年可达1 2 亿辆，2 0 6 0 年将达到2 5 亿辆。 图1 1 石油产量与需求变化趋势1 1 f i g1 1t h et r e n do ft h eo i lo u t p u ta n dr e q u i r e m e n td i v e r s i f i c a t i o n 第1 章绪论根据中国石油报的统计，中国已经是世界上第二大能源消费国，目前的石油消耗量为每天3 1 0 万桶，2 0 1 5 年将达到每天1 0 5 0 万桶。中国石油探明可采储量居第1 1 位，但由于中国人口众多，石油人均探明储量为2 9 吨，仅为世界人均数的1 1 ，天然气为世界人均数的4 。2 0 0 0 年，供应汽油的缺口为3 0 左右，柴油缺口为6 0 一7 0 。2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 万吨，为此国家付出的外汇为5 0 0 亿美金；预计2 0 1 0 年后进口石油将超过1 亿吨，相当于科威特一年的总产量【2 】。中国的石油产量每年的增长率是2 - 3 ，而汽车保有量增长为1 4 以上。中国是石油资源相对贫乏的国家已成为共识。因此对中国来说，能源问题显得更为突出。尽量减少对石油资源的依赖和尽量保证石油资源供应安全是我国经济发展和国家安全保障中不得不考虑的问题。自工业革命到现在，世界经济飞速发展的同时带来了人类居住环境的恶化，随着汽车保有量的快速增长，汽车尾气已成为许多城市大气污染的祸首。由于汽油、柴油燃烧不充分，排放出的尾气中含有大量直径等于或小于2 5 微米的细微颗粒物。这些细粒子很容易随着呼吸进入人体肺部，又被称为入肺颗粒物。其中有3 0 至5 0 元素碳和有机碳，有机碳中大部分为挥发性有机化合物，在紫外线照射下，产生氧化反应，变成醛、酮类化合物，还会生成过氧乙酰硝酸酯和臭氧等氧化物，是形成光化学烟雾的主要条件。光化学烟雾容易刺激人的眼睛和喉咙，导致咳嗽、哮喘等疾病。此外，尾气中还含有苯甲苯、二甲苯等，苯是致癌物质，近年来儿童白血病高发，就与此有关。目前我国汽车保有量超过8 0 0 0 万辆，摩托车4 5 0 0 万辆，农用运输车2 4 0 0万辆。与此同时，机动车排放造成的污染问题逐渐显现出来，汽车排放废气和噪声所造成的环境污染引起了社会各界普遍关注。我国机动车制造技术水平不高，致使机动车污染物排放量较大、排放控制性能的耐久性较低；机动车数量高速增长造成的污染物排放量的大幅上升，影响城市环境质量改善。所以不论是发达国家还是发展中国家，政府对汽车尾气的监控逐渐严格，制定了汽车尾气的排放标准。图1 2 为欧洲排放标准 3 o 硕士学位论文 ，- 、 喜 i 至 童 1 2 新型汽车概述 图1 2 欧洲排放标准 3 】 f i g1 2e m i s s i o nr e g u l a t i o no fe u r o 汽车尾气在温室气体和大气污染物排放中占很大比重。汽车，尤其是发动 机技术的发展为人类可持续发展已经为世界可持续发展做出了很大的贡献，其 具体体现在替代能源的应用。 1 2 1 电动汽车技术 电动汽车技术的发展经历了三个研究浪潮 4 】。第一次是在1 8 3 4 年电动车诞 生之后，它逐渐成为一种被人们喜爱的代步工具。即便在内燃机汽车发明后的 三十年的时间里，由于电动车启动方便，而被广泛接受。直到1 9 1 8 年，电启动 装置的发明以及燃油价格的大幅度下降促进了内燃机技术的推广应用，内燃机 汽车才真正登上了历史舞台，电动汽车的研究则进入低潮。第二次研究浪潮源 自上世纪7 0 年代，石油危机促使人们重新重视车用替代能源的研发工作，电动 汽车技术再度成为宠儿，发达国家竞相发展。但好景并不长，海洋大陆架石油 的发现缓解了石油危机，电动汽车技术的研发又一次进入低潮期。第三次研究 浪潮是9 0 年代开始的，这一次研究的驱动力是人们对气候变暖和大气环境的重 视，具体表现为各国争相制定了强制性的汽车排放法规。 从电动汽车技术发展的历史回顾可以看出：第一，自从内燃机汽车为人们认 同后，电动汽车技术始终作为内燃机汽车的一种替补形式出现；第二，能源和 第1 章绪论环境两大因素决定了电动汽车技术的更新和发展。这两点结论也恰好对应着电动汽车技术的缺点和优点 5 】。首先，电动汽车受到续驶里程短、充电时间长、动力性能有限等缺点的制约，始终无法与内燃机汽车抗衡。其次，其在行驶过程中的低排放、低噪音、不依赖珍贵的石油资源等优点使其具有很大的发展潜力，并且其所消耗的电能可以通过相对污染小的能源形式来获得，使其具有更好的环境保护效能。正因为如此，近十年来，美国、欧洲、日本等国政府和一些跨国公司在此项目上的投资超过1 0 0 亿美元，并且每年以不少于1 0 亿美元的投入来持续开发。我国也大力发展电动汽车技术，并将其列入“十五计划”8 6 3项目重点扶持。电动汽车又可以分为几种类型，其中最主要的是蓄电池汽车和燃料电池汽车。1 2 2 气动汽车技术气动发动机是一种不使用燃料的新型发动机，它以液氮或压缩空气储能，并以纯粹的氮气或空气作为工作介质，直接利用氮气或压缩空气膨胀做功来实现功率输出的动力机械。气动汽车与电动汽车相比最大的优势在于两点：第一，利用对环境无害的氮气或空气作为低温储能介质和做功介质杜绝了电池用重金属等二次污染；第二，气动汽车发动机技术可以沿袭传统内燃机的成熟技术。气动发动机的能量利用路线如图1 3 所示。图1 3 气动发动机的能量利用路线f i g1 3t h eu s i n gr o u t eo fe n e r g yf o ra i r - p o w e r e de n g i n e能源方面：气动汽车的发展有助于实现交通能源的多元化，可以利用较多的新型能源来发电，并通过高压气体或者液氮来储存能量。所以，气动汽车有助于节约有限的石油资源。 硕士学位论文 环保方面：采用压缩空气或者液氮可以不引入二次污染，这是电动汽车难以 达到的。如果采用清洁的能源来发电，制取液氮，也不会引入一次污染。即便 采用煤或石油来发电，因为燃烧废气中也含有大量的氮气，所以可以将其废气 液化来制造液氮，同时在液化的过程中，可以将一些有害气体分离出来。分离 出来的二氧化碳和污染物可以被喷射到已经枯竭的气井、油井、深矿、以及深 海区，或者是应用于温室农业或作为化工原料。通过这样的处理，有害物不会 扩散到大气中；通过化学反应将有害物转化成有用的或惰性的物质。这将会大 大的减少资源利用所造成的污染。 1 3 车载气动动力发展简史 1 3 1 车载压缩空气动力发展史【6 1 气动铁路：1 8 8 0 一现在 像现代地铁一样，其动力来源由沿线的管道提供。由于材料的可靠性问题， 这个发明在它提出的十九世纪二十年代没有实用价值。随着技术的发展，由 o s k a r h w c o e s t e r 发明，a e r o m o v e lg l o b a lc o r p 建立的现代版气动铁路已于上 世纪八十年代在巴西投入运行。 m e k a r s k i 气动机车：1 8 8 6 1 9 0 0 m e k a r s k i 气动发动机用于城市交通运输，它是一个单级膨胀发动机( 空气在 气缸内膨胀，然后排出) ，它通过采用进气预热技术，即在空气进入气缸前先用 热水对其预热，提高了发动机的动力性能。 h a r d i e 气动机车：18 9 2 19 0 0 r o b e r th a r d i e 的气动发动机用于纽约的城市交通运输。这种单级膨胀发动 机采用了比m e k a r s k i 气动机车更好的进气预热技术，并对刹车能量进行回收， 即当减速的时候发动机作为压缩机对气罐充气，以增加续驶里程。当时，纽约 建立了一座1 5 0 0 马力的由蒸汽机驱动的压缩空气充气站为气动机车充气。 h o a d l e v k n i g h t 气动机车：1 8 9 6 1 9 0 0 h o a d l e v k n i g h t 是第一台用于火车头的两级膨胀气动系统。它被公认为空 气在气缸内保存时间最长的发动机，能有足够多的时间吸收热量以增加续驶里 第1 章绪论程。h o a d l e y 和k n i g h t 也是n i k o l at e s l a 涡轮机的拥护者，气动和涡轮机组成的动力群保证机车不会在半途抛锚。h k p o r t e r 混合气动机车：1 8 9 6 1 9 3 0c h a r l e sb h o d g e s 做为历史上第一个也是唯一一个见到自己的发明取得商业成功的发明人。这种两级膨胀发动机在两个膨胀过程中采用中间加热器，从大气吸收热量给压缩空气加热。其续驶里程的增加是利用的太阳能，因此不必增加燃料有所花费。当时气动汽车做为城市交通动力的希望日益渺茫，而h k p o r t e r 公司在匹兹堡买给美国东部的煤矿数以百计这种机车。由于这种机车不会像电动或燃油发动机那样产生热量、且无需点火，在含瓦斯的矿井中不会产生爆炸的危险，在全世界范围内成为煤矿的标准配置设备。欧洲的三级膨胀气动机车：1 9 1 2 - 1 9 3 0欧洲的工程师们改进了h o d g e s 的专利，他们将膨胀级数改为三个，并在每个膨胀过程前都采用中间加热器。由于能利用环境的热量充分做功，其续驶里程增加了6 0 ，所以法国、德国以及其他国家如比利时的煤矿都采用这种机车。它的成功使得石油所有者感到威胁，因此在交通领域受到排挤。二次大战后，气动发动机一词从压缩空气手册中消失，气动机车也淡出人们的视野，取而代之的是装配标准化，效率较气动机车低的气动马达。t e r r ym i l l e r ，现代气动汽车运动之父1 9 7 9 年，t e n ym i l l e r 发起了的第二次气动汽车运动，这次运动一直到现在，并且证明压缩空气是很好的储能介质。他花费了1 5 0 0 美元建造了气动汽车一号并申请了专利，并在各地展示他的气动汽车。1 9 9 3 年他在t o b yb u t t e r f i e l d 的帮助下重新启动气动汽车项目，他们在零部件厂的资助下制造了名为“s p i r i to fj o p l i n 的气动汽车。该气动发动机采用四级连续膨胀做功方式，转速较低，主要是为了保证尽量多地从环境吸收热量。t o b y 成为气动汽车奠基人的根本原因是他公布了有关气动发动机的全部资料，其他人则没有这么做。法国m d i 公司，致力于气动汽车商业化：2 0 世纪9 0 年代至今法国人n e g r e 致力于将压缩空气发动机商业化，并申请了一系列相关专利 7 - 9 on e g r e 创建了m d i 公司于1 9 9 8 年生产出了第一台压缩空气汽车样车。 硕士学位论文 1 3 2 车载液氮动力发展史 采用低温储能驱动机车的想法最早出现于1 9 4 6 年，做法是将干冰作为低温 储能介质，利用通过吸热形成的高压气体推动蒸汽机车。采用干冰为动力的机 车能够持续运行一个小时。二氧化碳为温室气体，所以采用干冰的思想最终被 淘汰，取而代之的是利用液氮储能的方法在发动机中的应用。不论在国外还是 在国内，在大型的空分厂，液氮是副产品，所以价格是很低的。并且有很多都 白白浪费掉了。液氮作为是一种低温储能方式应用于驱动车辆是对能源的合理 优化利用的一种切实可行的手段。在制取液氮的过程中可以将大气中的污染物 滤除，将干净的氮气用于发动机做功后排入大气，这个过程相当于一个空气净 化器。随着液氮发动机应用逐渐广泛，城市大气环境将不断得到改善。 将液氮用于驱动汽车的思想出现于2 0 世纪7 0 年代初。1 9 7 2 年，美国人 b o e s e ，h l 申请了专利“n o n p o l l u t i o nm o t o r si n c l u d i n gc r y o g e n i cf l u i da st h e m o t i v em e a n s ” 1 0 】，正式建立了液氮发动机的理论体系。 1 9 7 4 年，美国人m a n n i n g ，l 申请了专利“n i t r o g e nv a p o re n g i n e ”，专利号 为3 ，7 8 6 ，6 3 1 1 1 。 2 0 世纪9 0 年代中期，美国北德克萨斯大学和华盛顿大学相继开始从事液 氮发动机系统的理论和研制工作，并且先后于9 0 年代末期在废旧汽车改装上液 氮发动机系统，以验证液氮发动机驱动汽车的可行性 1 2 。1 4 1 。 2 0 0 1 年，日本青山学院教授林光一也研制了液氮动力车。 1 4 课题的主要工作及意义 1 4 1 课题的主要工作 本课题依托与丹阳北吉公司的液氮动力汽车的合作项目，主要工作包括以 下几点： 1 ) 对液氮汽车动力系统的工作原理进行研究，并对液氮汽车动力系统的可 行性和经济性进行分析。 2 ) 对液氮汽车动力系统的各部件进行设计，并重点对动力系统的关键部件 换热器进行设计计算。 第1 章绪论3 ) 对换热器进行数学建模分析和f l u e n t 仿真分析，同时对换热器的结霜进行研究，找出减少换热器结霜的新方法。4 ) 搭建实验台架，对液氮动力系统进行实验研究，其主要目的是：1 、监测低温泵的液氮质量流量和工作环境温度的变化对系统输出压力的影响。2 、监测换热器入口处的压力和液氮质量流量对换热器进出口压差的影响。3 、验证前文提出的减少换热器结霜的新方法的可行性。1 4 2 本文的工作意义本文主要研究一种新型无污染的汽车动力系统液氮汽车动力系统。本系统主要是将低温液氮通过换热器换热汽化成高压气体，驱动气动发动机等装置工作，实现了从低温储能到机械能的转换，替代了传统能源。由于液氮的原料氮气广泛存在于大气中，具有取之不尽，用之不竭的特点，并且不具有污染性。对解决当今社会能源短缺和环境污染具有积极的意义。本文从理论上根据热力学知识对液氮动力系统的工作过程进行分析，并通过计算机仿真软件和实验的方法对换热器的汽化过程进行模拟，进而对换热器的性能进行分析。通过实验台架上的实验来验证理论分析和计算机仿真的结果，并为今后的工作提出进一步研究的方向。 硕士学位论文 第2 章液氮汽车动力系统的原理与可行性分析 2 1 液氮汽车动力系统的原理 液氮汽车动力系统的新概念就是在开式朗肯循环中采用液氮作为工质，环境 空气为换热器汽化提供能量，在膨胀机中做功，不过在膨胀时要确保有尽可能大 的换热量。液氮驱动系统的基本思想就是利用环境大气作为热源加热低温液体， 使其蒸发或过热，将这些膨胀蒸汽用在热动力循环系统。这与典型的热力发动机 大不相同。典型的热力发动机利用比周围空气温度高得多的能源作为热源，用周 围空气作为冷源。 图2 1 北德克萨斯大学液氮汽车( 左) 及其液氮发动机系统( 右) i l 5 j f i 醇1l i q u i dn i t r o g e nc a r ( 1 e 妁a n di t sl i q u i dn i t r o g e ne n g i n es y s t e m ( r i g h t ) o fu n i v e r s i t y o f n o r t ht e x a s 图2 1 给出了北德克萨斯大学液氮汽车( 左) 和液氮发动机系统( 右) 的实物 照片 1 5 】。其工作过程首先是液氮通过换热器汽化成高压氮气；然后通过滤清器、 压力控制器、润滑油添加器，这使得高压氮气压力稳定，并有利于发动机活动组 件的润滑；携带少量润滑油的高压氮气进入空气马达做功后排入大气。北德克萨 斯大学最初研制的液氮发动机汽车采用1 8 0 升杜瓦瓶储存1 2 4 公斤液氮，车身总 重为7 0 0 k g ，速度稳定在3 2 4 k m h 时的续驶里程为2 4 公里。液氮发动机采用功 率为9 马力的空气马达。 第2 章液氮汽车动力系统的原理与可行性分析 图2 2 华盛顿大学液氮汽车的高压氮气升压换热、稳压系统( 左) 和液氮汽车发动机( 右) 【1 6 】 f i g2 2 p r e s s u r i z a t i o na n dh e a te x c h a n g e rs y s t e m s ( 1 e i t ) & l i q u i dn i t r o g e ne n g i n ef o rl i q u i d n i t r o g e nc a l o f u n i v e r s i t yo fw a s h i n g t o n 图2 2 给出了华盛顿大学液氮汽车的高压氮气升压换热、稳压系统( 左) 和液 氮汽车发动机( 右) 1 6 】。图2 2 右图中显示的是其液氮发动机系统采用放射状排 列缸径为7 5 r a m 的五缸发动机和大众公司手动五速传动装置。图2 2 左图中包括 四个组件及其功能为：液氮储槽的容积为2 4 加仑，合9 0 8 4 升；液氮储槽压力 控制系统用于调整液氮储槽的压力；高压氮气储存瓶用来稳定发动机进气压力； 还有就是空冷换热器和回热器用于加热氮气至接近大气温度。另外，根据浙江科 技信息研究所提供的查新报告，日本青山学院林光一的液氮汽车行驶实验时速达 到4 0 公里，续驶里程为3 0 公里 1 7 】。根据林光一教授的观点，进一步改进液氮 储槽、热交换器和涡轮发动机的效率，使液氮汽车时速达到5 0 公里，续驶里程 达到2 0 0 公里，就能进入实用化阶段，成为与电动车相当的交通工具。 硕士学位论文 2 1 1 液氮汽车动力系统的工作原理 筒 气 动 发 动 机 图2 3 液氮发动机动力系统工作原理 f i g 2 3l i q u i dn i t r o g e np r o p u l s i o nc y c l e 图2 3 所示为液氮发动机动力系统的工作原理，工作时液氮经过低温泵升高 至一定的压力，然后进入预换热器对液氦进行预热，再进入换热器，在换热器中 吸收热量成为高压气体，然后进入气动发动机做功，实现机械能的输出，做功完 成后产生的尾气再流回预换热器。 预换热器的应用是对工作原理的优化，液氮罐内压力为0 1m p a ，温度为 7 7k 的液氮通过低温泵压缩至接近系统的工作压力，流进预换热器器进行进换 热器前的预热。从能量转化的观点，预换热器并不是必需的，它的作用主要是为 了降低对换热器的要求，并且可以减少换热器的结霜。从预换热器出来的气体进 入换热器与外界环境进行热交换，使氮气温度达到接近环境温度，最后在配气筒 中形成高压、近似常温的气体进入气动发动机膨胀做功。从理论上分析，液氮发 动机利用低温储能可以达到与传统内燃机高温储能同样的做功效果。 2 1 2 液氮汽车动力系统供气的热力过程分析 由热力学知识可知，对于在循环过程中存在气液相变的热力循环，采用朗肯 循环是最基本的蒸汽动力循环 1 8 】。为此我们拟采用开式朗肯循环进行热力过程 分析。 第2 章液氮汽车动力系统的原理与可行性分析e n t r o p y ( k j & g k )图2 4 开式朗肯循环的t - s 图 1 9 】f i 9 2 4t - sd i a g r a mo fo p e nr a n k i n ec y c l e图2 4 所示的温一熵图中开式朗肯循环在临界压力下工作 19 1 。卜2 为液氮的压缩过程。由于压缩过程是在液体状态下进行的，因此泵功是相对很小的值。2 - 3为流体流经预换热器和换热器的过程，是一个等压过程。3 - 4 和3 - 47 分别表示等温膨胀过程和绝热膨胀过程。如果t s 图中曲线围成的面积代表循环可获得的单位质量可用能，那么包括等温过程的卜2 - 3 - 4 和包括绝热过程的1 - 2 - 3 - 47 代表了发动机的性能上限和下限，实际过程应是介于两者之间的过程。液氮的升压过程，可以看成是一个绝热过程，每千克液氮所需泵功为w p = h 2 一h l( 2 一1 )h 1 、h 2 分别为图2 4 所示1 点、2 点状态下液氮的比焓。过程2 3 为氮的等压吸热过程，每千克液氮从外界吸收的热量为q l = h 3 一h 2( 2 2 )过程3 4 为等温膨胀过程，此时每千克质量氮气所做的功为w r = r t 31 1 1 坠( 2 3 )p 4当膨胀过程为绝热过程3 47 时，每千克氮气所做的功为w s = h 3 一h 4 ，( 2 4 )不考虑泵的机械损失，循环的熵效率可表示为1 2 硕士学位论文 对于等温膨胀过程为r r ：堕三翌 ( 2 5 ) e 对于绝热膨胀过程为7 7 。：w s - ( 2 - 6 ) 。 e 由上述分析可以看出，为了进一步利用液氮所具有的冷量熵，提高和改善液 氮汽车的单位质量可用能和熵效率，应尽可能提高和改善换热器的性能。为此在 等温膨胀的情况下，可以采用排放的氮气回热对进入换热器前的液氮进行预热， 从而减轻换热器的换热负荷，并有助于避免由于换热器表面结霜而引起换热热阻 增加，换热性能恶化，从而影响可用能的输出和相应的熵效率。同样由于在相 同的膨胀条件下，采用等温膨胀比绝热膨胀可以获得更大可用能和相应的熵效率， 因此应尽可能增强液氮与外部环境的热交换。从上文分析可以看出有关换热的研 究和换热器的设计，对于提高和改善液氮汽车的性能具有十分重要的意义。 2 1 3 气动发动机的工作原理 气动发动机是将高压空气的压缩能转换为机械能驱动输出轴的转动的一种 机械设备，实际工作原理与目前已广泛应用的某些型号的气动马达一致。高压气 体进入某一工作腔后，气体的压力使其能推动活塞或叶片对外做功，同时体积膨 胀，热力学状态发生改变，温度压力降低，气体具有的内能部分转化为活塞或叶 片的动能，最终由相应的机械结构传递到输出轴，使输出轴旋转，驱动车轮等负 载。 最基本的气动发动机的工作循环为简单的两冲程【2 1 1 ，即高压气体进入工作 腔膨胀做功冲程，和膨胀后的低压气体排出工作腔的排气冲程，其中理想的气动 发动机工作过程中，工作腔内气体的变化过程如图2 5 所示。 进气冲程开始以压力只向工作腔内进气，推动活塞下行，对外做功。当活塞 运行到某一合适位置3 时，进气阀关闭，封闭在工作腔中的高压气体开始膨胀， 压力能释放，并继续推动活塞下行对外做功。当活塞运行到下止点4 时，排气阀 开启，缸内气体向外排出，压力降低到大气压最，活塞上行将缸内残余气体排出。 图2 5 的细实线1 2 3 4 5 1 所围的面积即是高压气体所做的理论功。 第2 章液氮汽车动力系统的原理与可行性分析0v 1v 2v图2 5 气动发动机工作循环p v 图f i 9 2 5t h ep vd i a g r a mo fp n e u m a t i ce n g i n ed u t yc y c l e由图2 5 可以看到，气动发动机在进气与排气冲程与外界有工质交换，发动机气缸是开口体系，图示的理想状态下气体压力不改变，对外输出的功是技术功彬：彬= p i k p o ( 2 - 7 )在进排气阀均关闭时隔绝了与外界的工质流动，发动机气缸是闭口体系，对外输出的功是热力学过程的膨胀功既：既= ：p d v( 2 8 )因此实际高压气体所做的理论功肜是这两部分之和：= 彬+ 睨( 2 9 )应用高压氮气作为动力驱动汽车行驶，必须要求气动发动机有很高的工作效率，因为必须保证在汽车有限的高压氮气储存量下有足够的行驶里程。在对气动发动机结构方面进行优化设计制造，以减少泄漏及摩擦损失以提高机械效率外，另一个提高发动机效率的关键是提高高压氮气中所储存的能量的利用率，即尽可能的使高压氮气所蕴含的压力能在发动机中可以得到充分的释放。在进气冲程开口体系状态，高压气体由进气道充入发动机气缸并推动活塞做 硕士学位论文 功时，由于气体的压力不改变，实际气体的压力能在此没有被释放，是一个能量 输入过程