液氮发动机的热力循环设计方案之研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 液氮发动机的热力循环设计方案之 研究 【摘 要】本文对于液氮发动机 的热力循环设计方案进行了系统的研究， 并且根据单级朗肯循环液氮发动机效率 低的和主换热气外表面结霜的问题进行 了改良的优化设计，通过对于等熵膨胀 的液氮加完乙烯重新设计了液氮发动机 动力系统。经过大量的实验表明，在相 同的实验环境下，基于重新设计的热力 循环系统中，液氮的输出比基于单级朗 肯循环系统提高了 129%。即使不考虑 外界的环境变化因素，对于液氮的使用 依然要比蓄电池的输出功大。同时，在 新系统中才用了最新一集热力循环系统， 似的其中温度超过了水的冰点，这样就 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 避免了主换热器出现结霜的问题。而且， 对于太阳能系统的引入，不仅进一步提 高了系统的动力效率，对于新型循环和 基于二级的布莱顿循环的液氮动力系统 能够在理想的状态下比输出功能十分接 近。但是由于外界环境的因素，例如压 降和温差的影响，二级布莱顿循环比输 出功小于朗肯循环。 中国论文网 /8/view-12745967.htm 【关键词】液氮发动机 多级朗 肯循环 无霜换热器 所谓的液氮发动机是指，能够在 环境热源与液氮冷源之间工作的一种将 热能转化成为机械能的热工机械。因为 液氮是可再生的绿色能源，所以作为绿 色汽车的主要动力能源之一。最早开展 液氮发动机研究的是美国华盛顿大学和 北德克萨斯大学，并且取得了一定的阶 段性研究成果。他们各自研发出液氮动 力汽车“LN2000”和“COOLN2”。其中， LN2000 所采用的方式时活塞式的液氮 发动机，并且配以开式朗肯循环系统方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 案，还添加了三套管式换热器。经过这 些调整，每消耗 109L 的液氮能够保证 汽车行驶 3.2 千米。而 COOLN2 同样选 择了开式朗肯循环系统方案，但是并没 有采用活塞式液氮发动机，而是选择了 旋转式马达输出动力，再加上对于回热 器的合理利用，使得液氮能够提前预热， 这样的结果就是每消耗 180L 液氮可以 使汽车行驶 24 千米，由此可见，旋转 式马达输出功率的强力之处。 从目前的发展情况来看，我国对 于液氮汽车的研发工作主要表现为气动 发动机的性能提升，对于液氮汽车的动 力转换系统则主要存在俩方面的问题， 其一是对于液氮冷能的有效利用，从而 适当增加汽车的行驶里程；其二是对于 无霜器的设计与开发。 1 热力循环设计方案 根据相关的研究显示，对于液氮 发动机的理想状态，即采用卡诺循环时， 如果环境温度为 300K，那么液氮的比 输出功率能够达到 799kj/kg.但是，如果 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 采用等熵的朗肯循环时，在压力为 3MPa 时，液氮的比输出功只能够达到 189.8kj/kg。相比较而言，等熵朗肯循 环要比卡诺循环的能损率高达 60%。 当液氮在低于 3MPa 时，其沸点 是 125K，再这样的沸点中，空气中的 水蒸气、二氧化碳等低沸点物质能够在 换热器的表面迅速凝结成冰，大量的冰 块能够组个发动机的能量传递，导致能 量大量损耗，这样的问题就是液氮发动 机的结霜问题。所以，要想解决液氮发 动机的结霜问题，最主要的办法是抱枕 换热器表面温度高于水的冰点。具体的 做法是，在能量损失的地方添加适当的 热力循环并向外输出管，这样的做法既 能够保证开式朗肯循环的正常工作，又 能够提高系统的总输出功。 由于朗肯循环可以分为很多组， 而且各个循环之间按照沸点的高低能够 形成一个串联的系统，上级的循环能够 为下级提供热能，二下级的循环又能够 为上级循提供冷源。这样就形成了完整 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 的热力传递体系。首先，环境中的热量 最先传递到上级的循环高温部分，然后 经过循环到达最底层的液氮循环，通过 压力的调节，能够控制最上级的循环公 质的沸点，这样就能够始终保持高压部 分的温度高于冰点，从而避免换热器出 现结霜问题。由于沸腾鱼冷凝换热的换 热系数比气体的换热系数要高很多，所 以在各个循环之间的换热器通常排列的 相当紧凑，按照最小熵曾理论的说发， 如果换热器的温差不大并且比较平均， 这是换热器的不可逆性导致熵增最小， 也就是热力学第二效率高。如果相变换 热器始终保持在小温差的恒热换热的条 件，切同时满足最小熵增时，如果运用 布莱顿循环，由于气体的比定压热熔小， 所以在吸热之后温度迅速上升，导致气 体的环境温差变化频繁，在总体上来说 会降低液氮的比输出功。如果循环体系 单独存在，器内部系统的压力增强，从 而使得输出功提高。但是，由于压力的 增加导致系统内部存在的不可逆性随之 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 提高，这样做只能够导致总体的输出共 下降。液氮发动机汽车最为新兴的交通 工具，必然要保证行驶安全，还要保证 现在的材料能够满足车辆制造的要求， 所以要降低系统内部的压力，为此，必 须对于串联的系统内的温度进行联系， 这样才能够使得更循环之间的压差满足 对外做功的需求。为此，我们选择甲烷、 乙烯和 R134a 作为闭式朗肯循环的工质， 假定最上级的循环系统之外的其他各个 循环压力均为 1MPa，按照环境温度在 300K 时，根据等熵工作的方式计算， 在温度达到 290K 时，压力饱和，为 0.52MPa，根据这样的情况可以计算出 各个循环输出功之间的总和在 434.8KJ。 相变换热的温差通常在 5-10K 左 右，根据相变温度能够了解到，上下级 之间的循环流体温差较大。例如，r134a 在 0.10MPa 的情况时其相变温度在 247.0k，而乙烯在在 1.00MPa 时其相变 温度变为 220.1K，两者之间的相变温度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 差大约在 27k。如果持续的增加乙烯的 侧压力或者减低 R134a 的侧压力可以减 小两者之间的温差，这样系统就能够产 生更多的机械功。由于 R134a 之间的循 环压力可以调控，所以该系统不受气候 条件的限制。在空气湿度大或者阴雨天 气时，大气测的换热系数持续上升，我 们可以采用降低温差来保持系统内的热 量平衡；当天气晴朗、温度升高时，换 热器能够吸收太阳能，进一步加强高压 气体的温度，这样才能够提高系统的做 工能力。在不同的温度情况下，R134a 的系统饱和压力之间呈正比关系。 2 多级循环系统设计 对于理想的热力循环方式的确定 主要体现在两方面。第一方面要确定该 循环的做工界限，第二方面要确定设备 的初步选型。假定三个封闭的系统分别 表示的是 R134a、乙烯和甲烷。那么， 当液氮通过这三种物