（动力机械及工程专业论文）液氮汽车换热器的建模与实验研究.pdf

， 浙江大学顾七学位论文 摘要 汽车工业的可持续发展面临两大问题，能源与环境。为此，人们不断寻求 高效、节能的清洁汽车动力。液氮发动机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物辐射的氮气，真正实现了零污染；它的工作原理类似 于传统内燃机汽车，只不过驱动活塞连杆机构的能量来源于高压氮气。 浙江大学动力机械及车辆工程研究所首次对液氮发动机进行理论和实验研 究，已经取得较大的进展，但是对于液氮汽车的换热器研究还处于起步阶段。 本课题依托于国家教育部博士点基金项目“液氮发动机理论与实验研究”等项 目，对以下方面作了研究： 第一、从能源与环境与内燃机的关系分析了新型动力汽车的必要性，并介 绍了不同类型的新型汽车；从经济性等方面论证了气动汽车存在和发展的可能 性，介绍了国内外的研究现状。 第二、基于$ 1 8 5 柴油机建立了液氮发动机系统的工作台架，通过液氮发动 机的试验数据，对液氮发动机的性能进行分析，着重分析了液氮换热器直接影 响的入口压力和入口温度对于液氮发动机性能的影响。 第三、介绍了国内外常见模型。根据假设后的物理模型建立稳态分布参数 模型，在两相流区采用既能保证误差在允许范围内，又能使计算大大简化的“均 相模型”。具体分析换热器模型的计算方法，包括：两相区强制对流关系式的选 用、翅片的计算、换热量的求解等。 第四、从仿真值和实验值的对比验证了模型的准确性。根据模型，研究了 不同管径、变入口压力、不同的质量流量等因素的变化对于换热器效果的影响， 并对所得到的结果进行了分析。逆求换热器，根据换热器的出口状况，仿真换 热器的入口状态。针对换热器的结霜状况，分析了原因与相应得对策。 主要创新成果： 首次对液氮机车换热器进行建模研究。搭建了液氮发动机系统的实验台架， 做了一些相关的台架实验，根据实验中的管翅式蒸发器，建立了详细的稳态分 布参数数学模型，对模型采用了顺序求解的方法，避免了全场求解以及由此引 起的方程组求解收敛难的问题。 对比实验和模型预测值，以此来证明模型的准确性利用建立的稳态分布 缸 、cj 参数模型，丌展了管带式蒸发器性能的研究，并提出了一些建议。这为换热器 的虚拟设计提供了基础。根据模型，逆求换热器，即知道换热器出口状态，仿 真出换热器的进口状态，这为以后液氮汽车电子控制单元的设计提供了部分的 依据。 ：关键词：液氮汽车换热器分布参数模型仿真实验研究 r ：- l ；u ， i c ， 浙江大学硕士学位论文 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 f e n e r g ya 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 h m e r r l sh 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 l i q u i dn i t r o g e nc a ri so n eo ft h e g r e e nv e h i c l e s 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 sh i g h e rt h a no t h e re n e r g y s 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 ym e t a lp o l l u t i o n i ti ss o m u c hc l e a na sa na t m o s p h e r ec l e a n e r i ns o m es e n s e ，l i q u i dn i t r o g e ni sr e g a r da s w a s t eb y p r o d u c t ，s oi ti sn o te x p e n s i v e t h ep o w e rm a c h i n e r ya n dv e h i c u l a re n g i n e e r i n gi n s t i t u t eo fz h ej i a n g u n i v e r s i t yh a sf i r s t l yd o n es o m et h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho nl i q u i dn i t r o g e n e n g i n ea n dh a sm a d es o m ea c h i e v e m e n t h o w e v e rt h er e s e a r c ho nh e a te x c h a n g e r h a s j u s ts t a r t e d t h i sp a p e rh a sm a d ef o l l o w i n gr e s e a r c hb a s e do nt h ed o c t o rf u n do f n a t i o n a lm i n i s t r yo f e d u c a t i o n “t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s o nl i q u i dn i t r o g e ne n g i n e ” f i r s t l y , t h en e c e s s i t yo fn e wp o w e rm o t o ri sa n a l y z e db a s e do nt h er e l a t i o n s h i p o fr e s o u r c e 、e n v i r o n m e n ta n di n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，a n ds o m ek i n d so fn e w m o t o r sa r ei n t r o d u c e d ；t h ep o s s i b i l i t yo fa i r - p o w e r e dm o t o r s e x i s t e n c ea n d d e v e l o p m e n ti sd e m o n s t r a t e do nt h er o l eo fe c o n o m y ，a n di t sp r e s e n tr e s e a r c hs t a t e i sa l s oi n t r o d u c e d s e c o n d l y , b a s e do nd i e s e le n g i n es 1 8 5w es e tu pl i q u i dn i t r o g e ne n g i n e o p e r a t i n gp l a t f o r m ，a n a l y z et h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ee n g i n et h r o u g ht e s td a m w em a i n l ya n a l y z et h ei n f l u e n c eo fl i q u i dn i t r o g e nh e a te x c h a n g e r se n t r yp r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r eo nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ee n g i n e t h i r d l y ，t h eu s u a lh e a te x c h a n g e rm o d a l si na n da b r o a da r ei n t r o d u c e d t h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d a li sa d o p tt ot h eh e a te x c h a n g e r t h e h o m o g e n e o u sm o d e lw a sa p p l i e dt ot h et w o p h a s er e g i o n f o u r t h ，f r o mc o m p a r i s o no fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l tt h e m o d a lw a sj u s t i f i e d a c c o r d i n gt ot h i sm o d a l ，w er e s e a r c ht h ei n f l u e n c e ，0 浙江火学母l 十学位论文 o fd i f f e r e n tf a c t o r so nh e a te x c h a n g e ra n da n a l y z et h er e s u l t f o rt h e f r o s t i n g o ft h ee x c h a n g e r ，w ea l s oa n a l y z et h ec a u s ea n dt h e c o r r e s p o n d i n gt r e a t m e n t m a i ni n n o v a t i o n ： f i r s t l ys e tu pm e d a l sf o rh e a te x c h a n g e ro fl i q u i dn i t r o g e ne n g i n e c r e a t ea e x p e r i m e n tp l a t f o r m f o rl i q u i d n i t r o g e ne n g i n es y s t e ma n dd o s o m er e l a t e d e x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h ew a v yf i n n e dt u b eh e a te x c h a n g e r i nt h ee x p e r i m e n tw e s e tu pad e t a i l e ds t e a d y s t a t ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d a l ，u s es e q u e n c e m e t h o dt oa v o i dc o n v e r g e n c ep r o b l e mc a u s e db yt h i s c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n ta n dm o d a lp r e d i c t i n gr e s u l t ，w ej u s t i f yt h e m o d a l t ou s es t e a d y s t a t ed i s t r i b u t i o np a r a m e t e rm o d a l ，w ed i ds o m e r e s e a r c ho nt h ew a v yf i n n e dt u b eh e a te x c h a n g e ra n dg i v eo u ts o m es u g g e s t i o n s a l lt h o s ew o r ki st h eb a s eo f v i r t u a ld e s i g no f h e a te x c h a n g e r k e y w o r d ：l i q u i dn i t r o g e n c a r t h ew a v yf i n n e dt u b eh e a te x c h a n g e r d i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d a ls 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 h i ，y ，0 t j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：力山盎 签字日期：三p 驴6年易月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑鎏蠢堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有苯部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 杌妻 导师签夤： 签字日期：工口口6 年6 月彳日签字目期：跏羼占月fo 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： ， j 浙江丈学碘 哗位论文 第一章绪论 在世界原油能源紧张，环保要求日益增高的情况下，替代能源的研究成为 汽车工业研究的最热门话题。对于替代能源的需求首先出自于对大气环境的保 护尽管近十年来内燃机排放技术的迅速发展，废气排放质量得到极大的改善， 然而传统燃油汽车排出的二氧化碳不可避免，由此造成的地球温室效应同益明 显。对于替代能源的需求还出自于人类对地球上有限的石油资源的忧虑。由于 上述能源与环境问题直接关系到汽车产业的可持续发展道路，因此，各国各大 汽车公司都在努力开发新型汽车的相关技术。 1 1 燃油汽车面临的问题 1 1 1 燃油汽车与能源问题 石油属于不可再生能源，随着人类无限的开采和消耗而逐渐减少，终将枯 竭有人估计，全世界的石油储量只能维持使用4 5 年左右“1 。汽车消耗了世界 石油产量的一半。当今世界的汽车保有量已近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 f i 9 1 1t h et r e n do f t 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 ， j 浙江大学硕十学位论文 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 l ，但是中国逐渐成为继美国之后的是世晃 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，据预测，2 0 1 5 年将 达到每天1 0 5 0 万桶。2 0 0 5 年全年石油净进口量为1 3 6 1 7 万吨，比上年减少7 5 6 万吨相当于科威特一年的总产量。1 。石油对外依存度为4 2 9 ，下降2 2 个百分 点。但由于油价高涨，石油进i = 1 用汇达到6 0 0 多亿美元，比上年增加3 2 ，石 油贸易逆差首次突破5 0 0 亿美元。中国的石油产量每年的增长率是2 一3 。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。表一例举了中国中国历年( 1 9 9 0 - 2 0 0 1 年) 石油净 进口量。 石油生产量 石油消费量 石油生产量与消费量石油净进口量 年份 ( 万吨)( 万吨)的差额( 万吨)( 万吨) 1 9 9 0 矩1 3 8 3 11 1 4 8 62 3 4 52 3 5 5 ( 净出口量) 1 9 9 1 正1 4 0 9 91 2 3 8 41 7 1 61 4 5 5 ( 净出口量) 1 9 9 2 芷1 4 2 1 01 3 3 5 48 5 6 5 6 5 ( 净出口量) 1 9 9 3 芷1 4 5 2 4 。1 4 7 2 l1 9 79 8 8 1 9 9 4 矩1 4 6 0 81 4 9 5 63 4 82 9 0 1 9 9 5 芷1 5 0 0 51 6 0 6 51 0 6 01 0 0 5 1 9 9 6 生 1 5 7 3 31 7 4 3 6- 1 7 0 3 1 3 9 5 1 9 9 7 芷 1 6 0 7 41 9 6 9 23 6 1 8 3 3 8 4 1 9 9 8 薤1 6 1 0 0 1 9 8 1 8 - 3 7 1 82 9 1 3 1 9 9 9 年1 6 0 0 02 1 1 3 l- 5 1 3 1 4 3 8 1 2 0 0 0 正1 6 3 0 02 2 4 3 7- 6 1 3 7 6 9 7 4 2 0 0 1 色1 6 5 0 02 1 8 0 65 3 0 67 4 1 6 表1 1 中国历年石油净进口量 t a b l e1 1t h ef o r m e rp e t r o | e u mi m p o r ti nc h i n a 2 ， h j 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 燃油汽车与环境问题 自从工业革命到现在，世界经济飞速发展的同时带来了人类居住环境的恶 化。空气污染，酸雨、温室效应、臭氧层破坏等等造成了全球性环境恶化，威 胁着人类的生存【3 l 。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。在北京，去年上半年汽车污染出现回升趋势；在广州，汽车尾 气被市民评为“最不可忍受的污染物”。 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( 简称p m 2 5 ) 。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( 碳黑) 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【钔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。细粒 子中还有半挥发性多环芳烃化合物，其中苯并( a ) 芘等强致癌物质( 特别是肺 癌) 。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( 血癌) 高发，就与此有关。细粒子还富集了铅、砷、钒等重金属氧化物。 目前，许多城市儿章血液中的含铅量达到2 0 至3 0 微克1 0 0 m l ，世界卫生组织 的最高限值是l o 微克1 0 0 m l 。 交通噪声是城市噪声公害的重要来源之一，随着汽车保有量的发展，城市 噪声愈来愈严重，据国家环境质量公报报告，2 0 0 0 年监测2 1 4 个城市道路交通 噪声等效声级范围在5 6 2 - 8 0 7 d b 之间，8 9 的城市污染较重，2 2 4 城市声环 境质量较差，重点城市道路交通噪声基本处于轻度污染状态【4 1 。 目i i 全国汽车保有量超过2 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 高速增长造成污染物排放量的大幅度上升，影响城市环境质量的改善。所以不 论是发达国家还是发展中国家，政府对汽车尾气污染的监控逐渐严格( 见图 i - 2 ) ，制定了汽车排放标准伊q 一 j 浙江大学硕七学位论文 1 2 新型汽车概述 图1 2 欧洲排放标准 f i 1 2e m l 9 5 i o nr e g u i a t i o r lo fe u r o 1 2 1 电动汽车技术 众所周知，为了实现汽车和人、汽车和自然界和谐共处，人们探索了各种 形式的绿色动力，用以减少对矿物燃料的依赖。其中最为人熟知的是电动汽车， 它可分三类：混合动力电动汽车( h e v ) 、电池驱动电动汽车( b e y ) 和燃料电池 电动汽车( f c e v ) 9 - 1 4 1 。 a 、混合动力轿车 这罩指的混合动力汽车是用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合 使用热能和电能两套系统开动汽车。混合动力系统的最大特点是油、电发动机 的互补工作模式。在起步或低速行驶时，车子仅依靠电力驱动，此时汽油发动 机关闭，车辆的燃油消耗量是零；当车辆行驶速度升高( 一般达4 0 k m h 以上) 或者需要紧急加速时，汽油发动机和电机同时启动并开始输出动力；在车辆制 动时，混合动力系统能将动能转化为电能，并储存在蓄电池中以备下次低速行 驶时使用。 这些特点使得混合动力车在遇到堵车时的燃油消耗量、尾气排放量等要远 远低于仅靠汽、柴油内燃机驱动的车，排放下降约8 0 ，可节省燃料5 0 。而与 纯电动车、燃料电动车两种电动车相比，混合动力车在动力性能、续行里程、 使用方便性等方面具有优势，因而最具商业价值和量产可能。 4 川眦们|堇哪恤。 (山萏一量1霍芒 ， “l 浙江大学硕十学位论文 目前，国内汽车界有关未来汽车技术发展的路线已基本达成共识，认为： 中近期应主要发展油电混合动力汽车，以降低油耗和排放。目前，国内已经介 入混合动力汽车研究的主要有一汽、上汽、东风、长安、奇瑞、吉利和比亚迪 等厂家。 b 、蓄电池汽车 为了适应电动汽车的发展，美国先进电池联合体( u s a b c ) 提出了电动汽 车车用电池性能参数指标，见表1 2 。电池汽车又分为几种形式，表1 2 还列出 了相应的技术参数加以比较。根据表中的数据可以进行核算，得出以下结论： l 、 电池质量大，占整车质量的1 4 左右： 2 、续驶里程仅为一般内燃机汽车的1 ，5 ，一般汽车的续驶里程为6 0 0 k m 以上， 镍铬电池如果也达到6 0 0 k i n ，其电池质量就要1 6 1 0 k g ； 3 、 充电时间长，影响运行； 4 、 加速性能较内燃机汽车差一倍。 能t 密 比能量忱功奉功率密度循环寿命充电时阊工作强度价格 度 备洼 ( w h i , | )( w k g )( w l ) ( 次) ( m m )( ) 讥w h ) ( w h l ) u s a b c g o - 2 0 01 3 5 - 瑚i s o - 4 0 02 5 0 棚 6 0 0 1 0 0 0 l 如d o 枷i 铅馥 3 0 - 5 06 52 0 0 - 4 0 0l 4 0 0 j 0 0 0 馒 o 4 01 成本和寿龠低 慑铬4 0 脚 l l o1 5 0 - 3 5 09 0 0 - 2 0 0 01 如1 6 3 0 0有记忆，有毒 辣氲5 0 - - 8 01 9 01 5 0 - 3 0 04 9 08 0 “1 0 0 01 3o 4 02 成奉商有记忆 钠麓1 0 0 - 1 5 0i 蛐1 5 0 2 s 03 1 01 1 0 0 1 2 3 如，0 0 高钳腐蚀 毪嵩子1 0 1 4 02 蛐 2 0 0 - 3 0 0 1 2 慢4 5 02 锂有毒 表1 2 几种电池性能参数与u s a b 0 指标的比较 t a b l e1 2p a r a m e t e r sc o m p a r i s o nb e t w e e ns o m es t o r a g eb a t t e r i e sa n du s a b c ， 浙江大学颂十学位论文 c 、燃料电池汽车 燃料电池以其优越的性能指标基本上满足u s a b c 的要求( 表1 2 ) 【1 引。 燃 料电池是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，它从外表上看有 正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电 厂” 燃料电池也有多种类型，最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。燃料电 池的优点是l 、能量转化效率高。燃料电池的能量转换效率可高达6 0 - - 8 0 ，为 内燃机的2 - - 3 倍。2 、不污染环境。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的 水，它本身工作不产生c o 和c 0 2 ，也没有硫和微粒排出，没有高温反应，也不产生 n o x 如果使用车载的甲醇重整催化器供给氢气，仅会产生微量的c o 和较少的 c 0 2 。3 、寿命长。燃料电池本身工作没有噪声，没有运动性，没有振动，其电极仅 作为化学反应的场所和导电的通道，本身不参与化学反应，没有损耗，寿命长。 目前，燃料电池在汽车上的应用已取得重大进展，质子交换膜电池简称p e m 燃料电池功率密度已大大提高，每公斤可产生的电力，已从1 9 9 0 年时的1 4 0 w 提 高到2 0 0 1 年的2 2 0 0 w 。质子交换膜的价格下降到5 4 0 美元c m 2 ，工作寿命可长 达5 7 0 0 0 h 。各种供给氢气的方法都有明显进步，为利用现有加油站“加油”而 保持汽车长距离行驶提供可能。 p e m 燃料电池要在性能特别是价格方面达到可与内燃机汽车竞争的水平还 有大量的工作要做。为了降低价格，正在大力研究新材料、新结构、新工艺和 新技术 在美国、日本、欧洲等发达国家，电动汽车已开始逐步进入实用化阶段l j s q 7 】。 这主要是因为政府干预的结果，例如，美国加利福尼亚州政府要求各大汽车公 司每销售十两车中必须要有一辆零排放汽车。这种措施大大加速了电动汽车的 商业化进程。但这种商业化并不意味着电动汽车可以取代内燃机汽车了。这主 6 ， 浙江大学硕十学位论文 要因为：l 、电动汽车的一些关键技术还远不成熟；2 、各国主要汽车生产厂商 追求的主要目标都是以最低的成本达到市场的最大化，尽可能地扩大现有产品 的产量，最大可能地提高质量和降低价格以占有更大的市场，电动汽车的产业 化有操作上的困难；3 、充电站等硬件设施很稀少，并且还有配件供应和专业维 修等一系列问题构成了电动汽车进入市场的障碍 1 2 2 气动汽车 以压缩空气、液态空气、液氮等为介质，通过吸热膨胀做功供给驱动能 量的汽车称为气动汽车，气动发动机不发生燃烧或其他化学反应，排放的是无 污染物辐射的空气或氮气，真正实现了零污染。目前开发比较成功的是压缩空 气动力汽车( a p v ) ，工作原理类似于传统内燃机汽车，只不过驱动活塞连杆机构 的能量来源于高压空气a p v 介质来源方便、清洁，社会基础设施建设费用不 高，较容易建造。无燃料燃烧过程，对发动机材料要求低，结构简单，可借鉴 现有内燃机技术因而研发周期短，设计和制造容易。但目前a p v 能量密度和能 量转换率还不够高，续驶里程短。气动发动机的能量利用路线如图1 3 所示。 f i 9 1 3 t h e u s i n gr o u t e o f e n e r g y f o r a i r - p o w e r e de n g i n e 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 者石油来发电，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， 7 ， 浙江大学硕士学位论文 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。 噪声污染小，这是气动发动机的另一个主要特点。气动汽车目前的研制目 标就是应用于城市的公共交通和旅游观光，这不仅可以为减少城市污染做出贡 献，还可以大大降低公共场所的噪声污染。对于环保要求较高的旅游城市或者 景区具有较广的应用前景。 此外，与内燃机相比，气动发动机的做功方式更简单，总体结构可以更紧 凑。由于气动发动机的工作温度较低，对于零部件没有热负荷可言，同时也没 有较高的爆发压力，所以对发动机的零部件强度要求较低，制造成本可以降低。 同时通过发动机的工作介质( 气体) 可以实现全车的气动化。 当代对于气动发动机的研究始于法国设计师g u r yn e g r e ，他于1 9 9 1 年获得 了压缩空气动力发动机的专利，并加盟m d i 公司，于1 9 9 8 年推出了第一台空 气动力汽车样车【1 刖m d i 公司现正在南非约翰内斯堡、墨西哥等城市推广基于 压缩空气动力发动机的城市用出租车。由于本课题研究的是液氮汽车换热器， 因此下面会对气动的液氮部分作一个比较详细的介绍：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 ，申请了专利“n o n p o l l u t i o n m o t o r si n c l u d i n gc r y o g e n i cf l u i d 鹊t h em o t i v em e a n s ”，专利号为3 ，6 8 1 ，6 0 9 1 9 】。 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 2 0 1 。随后也有人相继申请了关于液氮储能和液氮汽车方面的专利【2 1 出l 。 但是液氮发动机系统的系统的研究工作直到2 0 世纪9 0 年代中期才开始。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 s - 2 7 1 美国华盛顿大学于1 9 9 7 年研制了一台以液氮为动 力的气动原型汽车l n 2 0 0 0 ，是在一辆送邮件的有蓬货车上改装起来的。其总体 布置与液氮循环如图1 4 所示。工作时，液氮( l n 2 ) 经过低温泵( p u m p ) 升 高至一定的压力，然后进入换热器( h e a te x c h a n g e r ) ，液态的氮在换热器中吸 收热量成为高压气体，然后进入膨胀器( e x p a n d e re n g i n e ) 膨胀做功，实现机 s 浙江大学硕士学位论文 械能的输出。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。 图1 4 华盛顿大学液氦汽车的高压氯气升压换热、稳压系统( 左) 和液氮汽车发动机( 右) f i 9 1 4 p r e s s u r i z a t i o na n d h e a t e x c h a n g 盯s y s t e m s ( i c n ) l i q u i d n r r o g e n g i n e f o f i i q u i d n i 仃。窖c a r o f u n i v e r s i o f w h i n g o n 图1 4 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) 。图1 4 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1 4 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；还有就是空温换热器和回热器用于加热氮气至接近大气温度【2 5 1 。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 图1 5l n 2 0 0 0 液氮汽车示意图 f i g1 5t h es k e t c ho f l i q u i dn i t r o g e n2 0 0 0 9 一 j 浙江大学硕七学位论文 实验时速达到4 0 公里，续驶里程为3 0 公里。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。 图1 5 为华盛顿大学液氮汽车示意图和工作流程图。 表1 4 列出了文献 2 9 中根据美国液氮市场价格核算的液氮发动机经济性 指标。在我国，液氮的价格与使用批量相关，如果大量购买，每公斤液氮价格 将低于1 元人民币可以计算出在中国液氮发动机运行经济性指标 3 0 1 ： 绝热过程：小于1 5 r m b k m等温过程：小于0 9 3r m b k m 液氮发动机机的经济性能指标为：小于0 6 r m b k m 。 | p r o c e s s ： a d i a b a t i ci s o t h e r m a l i r u m pw o r k ：； 6k j k g - l n 2 l sk j k g - l n 2 | n e t w 。r k 。m ： kj 1 3 1 4 k j k g 1 9 4k j k g - l n 2 1 3 1 4k j k g - l n 2 l l i h e a t - n p u t ： 4 1 9k j k g - l n 2 7 5 0k j k g - l n 2 1 e 。r g y 5 4w - h k g - l n 28 7w - h k g - l n 2 i l d e n s i t y ： l | 】l n 2f l a wm _ _ r _ 1 0 9 a t e ：t i 臣d p e r a t 堍9 # k a n1 2 - 4 # k m tb a s e do i l7 8k wf o rh i g h w a yc r u i s ea t9 7k n v h 1b a s e d o n2 6 # p e rk g l n 2p r o d u c t i o nc o s t 表1 4 液氮发动机汽车的技术经济性能参数 t a b l e1 4p a r a m e t e r sf o rl i q u i dn i t r o g e ne n g i n e 在国内，浙江大学动力机械及车辆工程研究所首次对气动发动机进行理论 浙江大学硕f 。学位论文 和实验研究，已经取得一定的进展，但许多工作还正处起步阶段，包括本文的 研究工作内容。 1 3 本文主要工作及意义 本文的主要工作包括以下几点： 1 ) 根据现有的管翅式蒸发器结构，建立以液氮作为管内工质的稳态分布 参数数学模型。 2 ) 对模型采用顺序求解方法进行了求解分析。 3 ) 根据液氮发动机系统所做的实验，对比实验和模型预测值，以此来证 明模型的准确性 4 ) 利用建立的稳态分布参数模型，开展了管翅式蒸发器性能的研究，并提 出了一些改进设计的建议。 5 ) 根据模型，逆求换热器，即知道换热器出i z l 状态，反求换热器进口状态， 这为以后液氮汽车电子控制单元的设计提供了部分的依据。 本文提出的模型和实验结果比较，模型的准确性较高，除此之外，它还具有 较好的通用性，可以推广应用，既可用来计算课题所研究的管翅式换热器，也可 用来计算其他类型的换热器，当然，同样适用与各种连通管，所不同的仅仅是边 界条件而已，只需修改相应的边界条件。根据本模型可以进行一系列的仿真，从 而避免了重复实验带来的不必要麻烦。本模型的提出，为后续的研究，比如换热 器设计，除霜等提供了基础。 浙江大学硕士学位论文 第二章液氮发动机台架实验研究 车载液氮发动机系统总体上分液氮升压换热部分和液氮发动机部分，换热 器直接影响了发动机的进气参数。对于本论文而言，台架实验研究的主要目的 是：针对进气系统对发动机性能的影响进行试验研究，了解不同进气工况下发 动机运行性能，为后续工作中换热器的设计提供实验依据；为下一步的理论研 究提供验证和改进依据。 2 1 液氮发动机的试验系统 2 1 1 实验台架 图2 1 液氮发动机的实验台 f i 口1t h ee x p e r i m e n t a lb e n c hf o rt h el i q u i d - n y t r o g e np o w e r e de n g i n e 矽钟，叩 ”4 ” 浙江大学硕士学位论文 从液氮发动机的动力系统的循环可以知道，影响工作介质的初始状态参数 的主要设备就是无霜升压换热器为了研究换热器对液氮发动机的工作过程和 性能的影响，对液氮发动机系统进行台架试验，实验样机及主要设各如图2 1 所示。实验中，为了保证液氮发动机的迸气压力稳定，在发动机进气口前安装 稳压箱。液氮发动机采用液氮储液罐供气。 2 1 2 液氮发动机换热器单元 从最大限度的提升工作介质的可用能的角度出发，要求换热器的阻力要 小，引起的压降相应也小，换热性能要好，因此氮气在发动机入口处的温度 才能较高。根据液氮发动机的工作特性，换热器有很大部分必须在很低的温 度环境下工作，换热器设计的难点就在于如何避免换熟器的表面结霜。华盛 顿大学液氮发动机系统的预热器和换热器采用壳管的形式，它采用平行的布 置方式，壳侧流过的是从膨胀机中排放出来的废氮气，管侧流过的则是从储 气筒中流出的液氮。下图即为华盛顿大学的液氮汽车推进系统的预热器以及 换热器。 图2 2l n 2 0 0 0 液氮汽车的预热器和换热器 f i 9 2 2e c o n o m i z e ra n da m b i e n th e a te x c h a n g e ro f l n 2 0 0 0 浙江大学对于液氮汽车换热器的研究还处于初级阶段，还没有设计出适合 车用的紧凑式换热器。在台架实验的过程中，首先选用了能够提供足够换热量 和流动损失尽量小的换热器。换热器采用宁波明欣化工机械有限公司生产的编 号为f 6 3 0 6 0 产品。如图2 3 所示： 浙江大学碗十学位论文 图2 3 建模用的换热器 f i 9 2 3t h eh e a te x c h a n g e ri nt h em o d u l e 换热器的技术特性如表2 1 所示 产品名称1 6 0 m 3 h 低压汽化器产品编号 f 6 3 0 6 0 技术特性表 名称指标名称指标 供气能力m 3 h 1 6 0 水压试验压力 2 4 工作压力m p a 1 6 气密试验压力 1 6 设计压力m p a 1 6 无损检测方法，比例 p t1 0 0 加热方式 自然环境空气工作介质 l n 2 ；l 0 2 ；l a r ；n 2 ；0 2 等 工作环境温度c o) - - - 4 0出口气体温度c 。低于环境5 一l o 表2 1 产品的技术特性 t a b 2 1t h et e c h n i c a lf e a t u r e so f t h ep r o d u c t 2 1 3 数据采集系统 图2 4 是液氮发动机实验台架组成示意图，图中显示了一些传感器的分布。 下面就将对部分作一个介绍。 1 4 浙江丈学硕士学位论文 1 液氮储罐及升压换熟器2 蒸发换热器3 稳压箱4 气动发动机5 测功机6 计算机数 据采集与处理系统 图2 4 液氮发动机实验台架组成示意图 f i 昏2 a l a y o u t o f e n d i n g t e s t b e n c h a n d m e a s u r e m e n t l o c a t i o n s 1 ) 热式气体质量流量计 h q 9 8 1 热式质量流量计是目前一种最先进的气体流量仪表之一，它从原理 上是一种直接测量气体质量流量的仪表。不需要常规的温度压力补偿。它是目 前流量界公认的气体流量仪表发展的趋势。选用h q 9 8 1 热式质量流量计的原 因在于：1 、用一种稳定性很高的热敏传感器代替了体积、温度、压力三种传感 器，从而提高了测量精度和稳定性。2 、较宽的量程比，可以达到1 0 0 ：l ，远远 高于压差( 3 ：1 ) 、涡街( 1 0 ：1 ) 等形式的流量计。3 、对气体中的粉尘、油份、 水分不敏感，对气体洁净度要求低。4 、压力损失小。5 、介质温度范围适用范 围广6 、不需要常规的温度压力补偿。 实验用的流量计为上海华强仪表有限公司生产的热式气体质量流量计，型号 为：h q 9 8 1 5 0 - 2 1 2 1 1 2 。其数值可以由表头直接显示 主要技术参数如表2 2 所示 浙江大学硕士学位论文 量程比1 ：1 2 0 最小流速上限 0 5 m s 最大流速上限6 0 m s 输出 4 - - 2 0 m a 显示：累积量显示十位、瞬时罐显示四位 精度： ， l 重复性0 2 满量程 环境温度 - 4 0 5 0 环境湿度 5 9 0 介质温度- 4 0 1 2 0 工作压力小于2 5 m p a 2 ) 压力传感器 表2 2 流量计的主要技术参数 t a b 2 2t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e ro f t h ef l o w m e t e r 压力范屠 、 小于4 酬p a 过载能力1 2 0 参考灵敏度5 0 2 m v 1 0