液氮發(fā)動機的熱力循環(huán)設計方案之研究

甘繼鵬

（武漢理工大學，湖北武漢 430070）

液氮發(fā)動機的熱力循環(huán)設計方案之研究

甘繼鵬

（武漢理工大學，湖北武漢 430070）

本文對于液氮發(fā)動機的熱力循環(huán)設計方案進行了系統(tǒng)的研究，并且根據(jù)單級朗肯循環(huán)液氮發(fā)動機效率低的和主換熱氣外表面結(jié)霜的問題進行了改良的優(yōu)化設計，通過對于等熵膨脹的液氮加完乙烯重新設計了液氮發(fā)動機動力系統(tǒng)。經(jīng)過大量的實驗表明，在相同的實驗環(huán)境下，基于重新設計的熱力循環(huán)系統(tǒng)中，液氮的輸出比基于單級朗肯循環(huán)系統(tǒng)提高了129%。即使不考慮外界的環(huán)境變化因素，對于液氮的使用依然要比蓄電池的輸出功大。同時，在新系統(tǒng)中才用了最新一集熱力循環(huán)系統(tǒng)，似的其中溫度超過了水的冰點，這樣就避免了主換熱器出現(xiàn)結(jié)霜的問題。而且，對于太陽能系統(tǒng)的引入，不僅進一步提高了系統(tǒng)的動力效率，對于新型循環(huán)和基于二級的布萊頓循環(huán)的液氮動力系統(tǒng)能夠在理想的狀態(tài)下比輸出功能十分接近。但是由于外界環(huán)境的因素，例如壓降和溫差的影響，二級布萊頓循環(huán)比輸出功小于朗肯循環(huán)。

液氮發(fā)動機 多級朗肯循環(huán) 無霜換熱器

所謂的液氮發(fā)動機是指，能夠在環(huán)境熱源與液氮冷源之間工作的一種將熱能轉(zhuǎn)化成為機械能的熱工機械。因為液氮是可再生的綠色能源，所以作為綠色汽車的主要動力能源之一。最早開展液氮發(fā)動機研究的是美國華盛頓大學和北德克薩斯大學，并且取得了一定的階段性研究成果。他們各自研發(fā)出液氮動力汽車“LN2000”和“COOLN2”。其中，LN2000所采用的方式時活塞式的液氮發(fā)動機，并且配以開式朗肯循環(huán)系統(tǒng)方案，還添加了三套管式換熱器。經(jīng)過這些調(diào)整，每消耗109L的液氮能夠保證汽車行駛3.2千米。而COOLN2同樣選擇了開式朗肯循環(huán)系統(tǒng)方案，但是并沒有采用活塞式液氮發(fā)動機，而是選擇了旋轉(zhuǎn)式馬達輸出動力，再加上對于回熱器的合理利用，使得液氮能夠提前預熱，這樣的結(jié)果就是每消耗180L液氮可以使汽車行駛24千米，由此可見，旋轉(zhuǎn)式馬達輸出功率的強力之處。

從目前的發(fā)展情況來看，我國對于液氮汽車的研發(fā)工作主要表現(xiàn)為氣動發(fā)動機的性能提升，對于液氮汽車的動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)則主要存在倆方面的問題，其一是對于液氮冷能的有效利用，從而適當增加汽車的行駛里程；其二是對于無霜器的設計與開發(fā)。

1 熱力循環(huán)設計方案

根據(jù)相關(guān)的研究顯示，對于液氮發(fā)動機的理想狀態(tài)，即采用卡諾循環(huán)時，如果環(huán)境溫度為300K，那么液氮的比輸出功率能夠達到799kj/kg.但是，如果采用等熵的朗肯循環(huán)時，在壓力為3MPa時，液氮的比輸出功只能夠達到189.8kj/kg。相比較而言，等熵朗肯循環(huán)要比卡諾循環(huán)的能損率高達60%。

當液氮在低于3MPa時，其沸點是125K，再這樣的沸點中，空氣中的水蒸氣、二氧化碳等低沸點物質(zhì)能夠在換熱器的表面迅速凝結(jié)成冰，大量的冰塊能夠組個發(fā)動機的能量傳遞，導致能量大量損耗，這樣的問題就是液氮發(fā)動機的結(jié)霜問題。所以，要想解決液氮發(fā)動機的結(jié)霜問題，最主要的辦法是抱枕換熱器表面溫度高于水的冰點。具體的做法是，在能量損失的地方添加適當?shù)臒崃ρh(huán)并向外輸出管，這樣的做法既能夠保證開式朗肯循環(huán)的正常工作，又能夠提高系統(tǒng)的總輸出功。

由于朗肯循環(huán)可以分為很多組，而且各個循環(huán)之間按照沸點的高低能夠形成一個串聯(lián)的系統(tǒng)，上級的循環(huán)能夠為下級提供熱能，二下級的循環(huán)又能夠為上級循提供冷源。這樣就形成了完整的熱力傳遞體系。首先，環(huán)境中的熱量最先傳遞到上級的循環(huán)高溫部分，然后經(jīng)過循環(huán)到達最底層的液氮循環(huán)，通過壓力的調(diào)節(jié)，能夠控制最上級的循環(huán)公質(zhì)的沸點，這樣就能夠始終保持高壓部分的溫度高于冰點，從而避免換熱器出現(xiàn)結(jié)霜問題。由于沸騰魚冷凝換熱的換熱系數(shù)比氣體的換熱系數(shù)要高很多，所以在各個循環(huán)之間的換熱器通常排列的相當緊湊，按照最小熵曾理論的說發(fā)，如果換熱器的溫差不大并且比較平均，這是換熱器的不可逆性導致熵增最小，也就是熱力學第二效率高。如果相變換熱器始終保持在小溫差的恒熱換熱的條件，切同時滿足最小熵增時，如果運用布萊頓循環(huán)，由于氣體的比定壓熱熔小，所以在吸熱之后溫度迅速上升，導致氣體的環(huán)境溫差變化頻繁，在總體上來說會降低液氮的比輸出功。如果循環(huán)體系單獨存在，器內(nèi)部系統(tǒng)的壓力增強，從而使得輸出功提高。但是，由于壓力的增加導致系統(tǒng)內(nèi)部存在的不可逆性隨之提高，這樣做只能夠?qū)е驴傮w的輸出共下降。液氮發(fā)動機汽車最為新興的交通工具，必然要保證行駛安全，還要保證現(xiàn)在的材料能夠滿足車輛制造的要求，所以要降低系統(tǒng)內(nèi)部的壓力，為此，必須對于串聯(lián)的系統(tǒng)內(nèi)的溫度進行聯(lián)系，這樣才能夠使得更循環(huán)之間的壓差滿足對外做功的需求。為此，我們選擇甲烷、乙烯和R134a作為閉式朗肯循環(huán)的工質(zhì)，假定最上級的循環(huán)系統(tǒng)之外的其他各個循環(huán)壓力均為1MPa，按照環(huán)境溫度在300K時，根據(jù)等熵工作的方式計算，在溫度達到290K時，壓力飽和，為0.52MPa，根據(jù)這樣的情況可以計算出各個循環(huán)輸出功之間的總和在434.8KJ。

相變換熱的溫差通常在5-10K左右，根據(jù)相變溫度能夠了解到，上下級之間的循環(huán)流體溫差較大。例如，r134a在0.10MPa的情況時其相變溫度在247.0k，而乙烯在在1.00MPa時其相變溫度變?yōu)?20.1K，兩者之間的相變溫度差大約在27k。如果持續(xù)的增加乙烯的側(cè)壓力或者減低R134a的側(cè)壓力可以減小兩者之間的溫差，這樣系統(tǒng)就能夠產(chǎn)生更多的機械功。由于R134a之間的循環(huán)壓力可以調(diào)控，所以該系統(tǒng)不受氣候條件的限制。在空氣濕度大或者陰雨天氣時，大氣測的換熱系數(shù)持續(xù)上升，我們可以采用降低溫差來保持系統(tǒng)內(nèi)的熱量平衡；當天氣晴朗、溫度升高時，換熱器能夠吸收太陽能，進一步加強高壓氣體的溫度，這樣才能夠提高系統(tǒng)的做工能力。在不同的溫度情況下，R134a的系統(tǒng)飽和壓力之間呈正比關(guān)系。

2 多級循環(huán)系統(tǒng)設計

對于理想的熱力循環(huán)方式的確定主要體現(xiàn)在兩方面。第一方面要確定該循環(huán)的做工界限，第二方面要確定設備的初步選型。假定三個封閉的系統(tǒng)分別表示的是R134a、乙烯和甲烷。那么，當液氮通過這三種物質(zhì)的膨脹氣體和大氣的加熱之后，會進行開始朗肯循環(huán)。在加熱之后的液氮通過等熵膨脹之后的溫度能夠達到155.4K，而且還鞥能夠繼續(xù)提供冷源，為此我們專門設計制作了冷源回收器，從而推動R134a閉式循環(huán)來進行回收利用的工作。

除了R134a能夠進行高壓側(cè)的換熱器與周圍環(huán)境直接進行接觸以外，其他的換熱器都必須與外界的環(huán)境相隔絕，避免出現(xiàn)熱漏、冷源沒有推動做功二直接與環(huán)境之間進行換熱的情況。其中，3個閉式循環(huán)的高壓側(cè)和低壓側(cè)都含有2個換熱器，其中液氮發(fā)動機的熱力循環(huán)的高壓側(cè)緊挨著壓縮機的是相變換熱器，主要的作用在于將工質(zhì)由業(yè)態(tài)汽化成氣態(tài)，第二個換熱器主要的作用在于將氣態(tài)工質(zhì)進一步加熱，在液氮通過的路徑中有壓縮機后的第一個換熱器是變相換熱器，剩下的就是氣相換熱器。

我們?yōu)榱烁诱鎸嵉挠嬎愠鱿到y(tǒng)對于液氮消耗能量之間的分配情況，假定壓縮機的等熵效率能夠達到90%，這樣膨脹器的等熵效率就是80%。而工質(zhì)在通過循環(huán)系統(tǒng)的過程中，每經(jīng)過一個換熱器，其壓力就會下降3%，而上下循環(huán)之間的溫度差能夠控制在5-10K。每一個換熱器的熱漏都能夠轉(zhuǎn)變成10%的熱能，這時最小的換熱溫差達到5K。通過計算可以得出具體的結(jié)論，當液氮的總輸出功早240.1kj時，如果一輛1000kg的汽車要以12m/s的速度在公路上勻速運行時所需要的輸入功率為2.36KW。，汽車行駛100km時大概要消耗液氮80.88kg。

3 基于熱力循環(huán)設計和多級循環(huán)系統(tǒng)計算的深入探討

液氮和液氧是分廠常見的工業(yè)氣體，在一般的城市都可以買到。但是液氮作為儲能介質(zhì)為汽車提供動力的情況還是非常新鮮的，而且，液氮的價格大概每千克大概在5元左右，對于部分消費者來說還是偏高的，如果能夠大規(guī)模的商用，價格降低至1元左右，液氮動力汽車還是具有很高的商用價值的。可以應用于旅游車、觀光車等工具。

對于系統(tǒng)中的膨脹器的選擇往往有兩種，分別是往復式膨脹器和旋轉(zhuǎn)式膨脹器。一般情況下，往復式膨脹器具有輸出轉(zhuǎn)矩大、負荷適應性強的特點，但不能夠在同樣的區(qū)域內(nèi)進行工作，這對于旋轉(zhuǎn)式膨脹器卻不受影響，而且在輸出功率方面，旋轉(zhuǎn)式膨脹器要高于往復式鵬賬器。但是旋轉(zhuǎn)式膨脹為不能夠適應高負荷的工作情況。為此，我們可以將往復式膨脹器和旋轉(zhuǎn)式膨脹器相結(jié)合，并且通過兩者的有點相結(jié)合進行熱工系統(tǒng)的控制。這樣既能夠保證發(fā)揮出兩大膨脹器各自的優(yōu)勢，又能夠保證汽車的正常運行。

通過對于串聯(lián)閉式朗肯循環(huán)系統(tǒng)的介紹，我們知道甲烷和乙烯并不是最優(yōu)質(zhì)的中間介質(zhì)，這是由于它們的氣化曲線傾斜率小的原因。當工質(zhì)自升壓到開始液化的這一過程中，要吸收大量的熱能，如果在未來的某一天能夠開發(fā)出110-240k性能的類似于R34a的工質(zhì)，該系統(tǒng)就會進一步發(fā)揮出高效能。

很多文章對于膨脹器的對外輸出功的較高單位質(zhì)量的可用能進行了采用，而這一技術(shù)的關(guān)鍵在于系統(tǒng)中配置了高熱流密度的換熱器，能夠在氣體膨脹的過程中提供充足的熱量，與此配套的是，結(jié)霜問題的處理，要保證液氮發(fā)動機不結(jié)霜。但是，從目前的研究發(fā)展情況來看，這兩個問題還是沒有完美的解決方案。對于等熵膨脹的多級串聯(lián)朗肯循環(huán)和解決熱漏問題，后者更容易得到解決。

4 結(jié)語

從目前的發(fā)展情況來看，我國對于液氮汽車的研發(fā)工作主要表現(xiàn)為氣動發(fā)動機的性能提升，對于液氮汽車的動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)則主要存在倆方面的問題，其一是對于液氮冷能的有效利用，從而適當增加汽車的行駛里程；其二是對于無霜器的設計與開發(fā)。 所謂的液氮發(fā)動機是指，能夠在環(huán)境熱源與液氮冷源之間工作的一種將熱能轉(zhuǎn)化成為機械能的熱工機械。因為液氮是可再生的綠色能源，所以作為綠色汽車的主要動力能源之一。最早開展液氮發(fā)動機研究的是美國華盛頓大學和北德克薩斯大學，并且取得了一定的階段性研究成果。對于太陽能系統(tǒng)的引入，不僅進一步提高了系統(tǒng)的動力效率，對于新型循環(huán)和基于二級的布萊頓循環(huán)的液氮動力系統(tǒng)能夠在理想的狀態(tài)下比輸出功能十分接近。但是由于外界環(huán)境的因素，例如壓降和溫差的影響，二級布萊頓循環(huán)比輸出功小于朗肯循環(huán)。

［1］蔡金雷，俞小莉，元廣杰，等.氣動發(fā)動機進氣相位對工作過程的影響［J］.浙江大學學報：工學版，2004，38（1）：65-69.

［2］舒水明，凌賀飛，桑蘭芬.液氮發(fā)動機主換熱器的防霜技術(shù)研究［J］.流體機械，2003，31（5）：61-64.

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圖6-1 數(shù)據(jù)庫總體結(jié)構(gòu)

（1）獲取車輛基本運行狀況，為車輛的日常檢修維護提供故障診斷基礎。

（2）實時獲取車輛的載重信息，預防裝貨時超限超載，保障行車安全。

4 總體架構(gòu)及總體布局

車輛能耗監(jiān)測平臺體系結(jié)構(gòu)充分考慮系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、可擴展性、易維護性、操作簡便等方面的要求，采用分層設計思路，總體框架包括“六大層次”和“三大體系”，見圖4-1所示。

根據(jù)項目建設目標和建設任務，交通運輸能耗統(tǒng)計監(jiān)測平臺的總體布局如圖4-2所示。

5 系統(tǒng)設計方案

車輛能耗統(tǒng)計監(jiān)測平臺包括：業(yè)務管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)和系統(tǒng)管理子系統(tǒng)四部分內(nèi)容。系統(tǒng)主要功能模塊如圖5-1所示。

（1）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)：實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及入庫（靜態(tài)數(shù)據(jù)交換、動態(tài)數(shù)據(jù)交換）、數(shù)據(jù)預處理（入庫前預處理、分析前預處理）、數(shù)據(jù)報警及修復（數(shù)據(jù)報警、數(shù)據(jù)預警）。

（2）業(yè)務管理子系統(tǒng)：實現(xiàn)車輛監(jiān)控（動態(tài)數(shù)據(jù)查詢、油耗曲線圖、載荷曲線圖）、地圖服務（地圖展示、車輛定位、軌跡回放）、單車分析（單車油耗、單車里程、單車運量）。

（3）大數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)：統(tǒng)計報表、簡單查詢、高級查詢。

（4）系統(tǒng)管理子系統(tǒng)：用戶權(quán)限管理、平臺參數(shù)管理、基礎信息管理、業(yè)務日志管理、設備分配。

6 數(shù)據(jù)資源規(guī)劃

根據(jù)車輛能耗監(jiān)測統(tǒng)計平臺定位，車輛能耗統(tǒng)計監(jiān)測數(shù)據(jù)庫劃分為：基礎數(shù)據(jù)子庫、業(yè)務數(shù)據(jù)子庫、管理數(shù)據(jù)子庫、綜合分析數(shù)據(jù)子庫四個數(shù)據(jù)子庫。

基礎數(shù)據(jù)子庫主要包括：設備信息數(shù)據(jù)等。

業(yè)務數(shù)據(jù)子庫主要包括：車輛基本數(shù)據(jù)、車輛動態(tài)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟核算數(shù)據(jù)、綜合分析數(shù)據(jù)、預警信息數(shù)據(jù)等。

管理數(shù)據(jù)子庫主要包括：用戶信息數(shù)據(jù)、日志信息數(shù)據(jù)等。

綜合分析子庫主要包含：單車日耗油量匯總數(shù)據(jù)、單車日加油量數(shù)據(jù)、月度、季度、年度等匯總數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫的總體結(jié)構(gòu)如圖6-1數(shù)據(jù)庫總體結(jié)構(gòu)所示。

7 結(jié)語

本文結(jié)合能耗監(jiān)測業(yè)務工作需要，對能耗監(jiān)測業(yè)務的問題根源及業(yè)務需求進行了分析，提出了一種車輛能耗監(jiān)測原型平臺設計方案，對平臺的總體架構(gòu)、總體布局、功能模塊及數(shù)據(jù)資源進行了方案設計。

甘繼鵬（1994—），男，漢族，河南信陽人，學生，單位：武漢理工大學車輛工程專業(yè)，研究方向：車身或者發(fā)動機的設計。