沈鵬遠(yuǎn)， 倪淮生， 許思傳， 鄧金山

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院新能源工程技術(shù)中心，上海201804)

在PEMFC汽車中，氫氣存儲在高壓瓶中，從高壓瓶中出來的氫氣具有很高的壓力，若在陽極供應(yīng)系統(tǒng)中利用噴射器來循環(huán)氫氣，那么噴射器可以將高壓瓶中出來的高壓力低流速的氫氣通過工作噴嘴達(dá)到減壓增速，在噴嘴出口處達(dá)到超聲速.當(dāng)帶有一定動能的噴射氣體從噴嘴噴出時(shí)，與周圍被噴射的氣體進(jìn)行動量交換，從而帶動了氣體向前運(yùn)動，兩種氣體在混合室內(nèi)混合，在有限的混合室內(nèi)，當(dāng)前面的氣體被推向前進(jìn)時(shí)，后面的氣體變得稀少而使壓力下降，即在吸入管出口附近和混合管入口段的一定范圍內(nèi)，造成一定負(fù)壓，促使被噴射氣體不斷被吸入混合管內(nèi)，又不斷被噴射氣體帶走.利用噴射器可以不額外消耗系統(tǒng)的功率，提高系統(tǒng)的效率，但結(jié)構(gòu)固定的引射器只能在一定范圍內(nèi)滿足要求，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的噴射器使得它能夠在盡可能大的范圍內(nèi)滿足使用要求變得至關(guān)重要.因此，本文通過試驗(yàn)研究，分析噴射器出口壓力，引射壓力以及進(jìn)口壓力對噴射器使用性能的影響，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 噴射器工作原理

噴射器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由工作噴嘴，接受室，混合室和擴(kuò)壓室等構(gòu)成.其工作原理是:當(dāng)帶有一定動能的噴射氣體從噴口噴出時(shí)，與周圍被噴射的氣體進(jìn)行動量交換，從而帶動氣體向前運(yùn)動，兩種氣體在混合室混合，在有限的混合管內(nèi)，當(dāng)前面的氣體被推向前進(jìn)時(shí)，后面的氣體變得稀少，而使壓力下降，即在吸入管出口附近和混合管入口端的一定范圍內(nèi)，造成一定壓降，促使被噴射氣體不斷被吸入混合管內(nèi)，又不斷被噴射氣體帶走，噴射氣體的噴射動能越大，造成的抽吸能力越大，帶走的氣體量越多.

2 試驗(yàn)平臺的搭建

當(dāng)噴射器安裝在PEMFC系統(tǒng)中時(shí)，噴射器的入口端是經(jīng)過減壓的氫氣，出口端的條件應(yīng)該滿足電池堆入口端的要求，而引射端是與電池堆出口端相連接的，它的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)參數(shù)如表1.

表1 設(shè)計(jì)工況點(diǎn)參數(shù)

按照索科洛夫噴射器設(shè)計(jì)步驟［2］開發(fā)高壓燃料電池系統(tǒng)中使用的噴射器后，首要的一步便是驗(yàn)證噴射器的使用性能，由于電池堆成本昂貴，燃料電池系統(tǒng)復(fù)雜，若初次開發(fā)的噴射器直接與燃料電池系統(tǒng)連接應(yīng)用會導(dǎo)致許多不可預(yù)測因素，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬系統(tǒng)用于驗(yàn)證噴射器的使用性能.本文所采用的噴射器尺寸見表2.

圖1 噴射器工作示意圖

表2 噴射器的主要結(jié)構(gòu)尺寸(mm)

本文搭建噴射器性能試驗(yàn)臺架時(shí)，期望噴射器的入口端、出口端、引射端的壓力都可調(diào)節(jié)，這樣可以分別測試噴射器的入口端、出口端、引射端對該噴射器的使用性能的影響，根據(jù)以上要求搭建的臺架如圖2所示.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證噴射器的引射端壓力PH值對使用性能的影響，在上述臺架上，首先固定工作流體端的工作壓力，先設(shè)定引射端的引射壓力為205kPa值，調(diào)整噴射器的背壓，記錄對應(yīng)背壓下工作端和引射端的流體質(zhì)量流量，在后面的試驗(yàn)中分別設(shè)定引射端的引射壓力為240kPa，280kPa，重復(fù)第一次試驗(yàn)的其它步驟.同理，為了研究噴射器的工作流體壓力對適應(yīng)性能的影響，可調(diào)整工作流體端的壓力PP值為不同值，分別為 400kPa，500kPa，600kPa，然后按照以上試驗(yàn)值步驟.

3.1 出口壓力對噴射器性能影響

下圖為噴射器在Pp=500kPa，PH=205kPa時(shí)噴射器的背壓PC對噴射器性能影響的理論值和試驗(yàn)值，從圖3中看到理論值與試驗(yàn)值，除了趨勢相同，其余差距較大，主要原因?yàn)?理論計(jì)算時(shí)帶入的PP，PH，PC與試驗(yàn)時(shí)的 PP，PH，PC不是完全相同的概念，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)使用的管道外徑為3/8英寸，壁厚為1mm的塑料軟管，該管道管徑較小同時(shí)易彎，壓力損失較大，同時(shí)試驗(yàn)中安裝的閥門，傳感器等也會造成壓力損失，在試驗(yàn)中壓力損失的最明顯體現(xiàn)便是在排空閥門全開的情況下，壓力傳感器采集到的壓力大致范圍為62kPa～90kPa，這意味著排空的管道與排空閥門造成的壓力損失大約在62kPa～90kPa，因而試驗(yàn)中噴射器的出口端的實(shí)際壓力PC應(yīng)該是壓力傳感器3采集到的壓力再加上壓力傳感器3與噴射器相連的所有氫氣流經(jīng)管道的沿程壓力損失和局部損失.同理，噴射器的實(shí)際入口端壓力PP和引射端壓力PH都應(yīng)考慮流體的壓力損失.

因此應(yīng)當(dāng)對試驗(yàn)值進(jìn)行再處理，將壓力損失等條件加入考慮在內(nèi).

根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)知識［10］，流體在管長l，管徑d的水平管道中以平均流速U流動時(shí)，流體的沿程壓力損失為:

其中λ為沿程阻力系數(shù)，對于層流光滑管而言

對于湍流光滑管而言

同時(shí)由于流量與流速具有下列關(guān)系

因此將(3)帶入(1)中便可計(jì)算管道的沿程壓力損失.

而由于在該試驗(yàn)臺架上，管道中安裝了許多閥門，三通等附件及控制件，且由于不是所有管道都水平放置的，流體在這些附件和控制件內(nèi)或者被迫改變流速大小、或者被迫改變流動方向，或者兩者兼而有之，從而干擾了流體的正常流動，產(chǎn)生附加阻力，增加能量損失，因此在該試驗(yàn)中還需考慮局部壓力損失.

局部阻力損失可表示為

圖2 噴射器性能測試試驗(yàn)臺架

在該試驗(yàn)中的局部阻力系數(shù)的取值按照以下幾種情況計(jì)算:

圖3 出口壓力PC與噴射系數(shù)u的關(guān)系

圖4 三通的局部阻力系數(shù)

1)噴射器與試驗(yàn)系統(tǒng)管路連接時(shí)，由于噴射器的截面是按照設(shè)計(jì)工況設(shè)計(jì)的，因此噴射器的尺寸與系統(tǒng)的管路大小不同，因此在設(shè)計(jì)時(shí)會出現(xiàn)突然增大管和突然減小管，如在工作流體端與外部連接管道處以及在出口端與外部鏈接管道處.對于突然擴(kuò)大管:

對于突然縮小管

其中收縮系數(shù)CC和流速系數(shù)CV可通過查表獲得.

圖5 校正后的試驗(yàn)值與理論值的比較圖

2)在試驗(yàn)系統(tǒng)中，由于安裝需要，不可避免的出現(xiàn)了許多彎管，彎管的局部阻力損失系數(shù)可由下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

其中θ為彎管的方向變化角，d為彎管直徑，R為彎管軸心線的曲率半徑.

3)由于壓力傳感器等是通過三通與系統(tǒng)管路相連的，因此三通等的局部阻力系數(shù)也應(yīng)考慮在內(nèi)，根據(jù)流動方式的不同，三通的局部阻力系數(shù)如圖4.

圖6 引射流體壓力對噴射器的使用性能影響

圖7 校正后的試驗(yàn)值與理論值的比較圖

圖8 工作流體壓力對噴射器的使用性能影響

無論是沿程壓力損失還是局部壓力損失都與流體的流速相關(guān)，對于相同的介質(zhì)和管道，流體的流速與流量是成正比的，在圖4中，試驗(yàn)值與理論值之間的差距是處于增大趨勢的，這是因?yàn)閴毫p失是與流量的二次方成比例的，流量越大則對應(yīng)的壓力損失越大，因而試驗(yàn)值與理論值的差距越來越大.

由于試驗(yàn)中每個(gè)取點(diǎn)的流量不同，因此每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)對應(yīng)的壓力損失都需要計(jì)算一遍，計(jì)算量很大，因此文中對其進(jìn)行編程計(jì)算，經(jīng)過校核過的試驗(yàn)值與理論值的對比圖如圖5.

圖5是噴射器與外界相連的三個(gè)端口壓力經(jīng)過校核后的情況，可見經(jīng)過校核夠的噴射器試驗(yàn)值與理論值符合較好，但仍然存在一定誤差，這是因?yàn)槿缟纤械母鞣N誤差因素中諸如表頭的精度，文丘里管噴射器的尺寸并未與設(shè)計(jì)尺寸完全相符等許多因素都無法校核在內(nèi).而且在校核管道的壓力損失時(shí)，特別是在校核局部阻力損失時(shí)，由于管道的彎度不好測量，因此計(jì)算的壓力損失也存在一定的誤差.試驗(yàn)時(shí)噴射器無法達(dá)到極限值主要是因?yàn)楣苈窊p失太大，在噴射器的出口處無法達(dá)到臨界壓力.此誤差在0.1～0.3bar，對使用性能影響不大.

3.2 引射端壓力對噴射器性能影響

圖6為工作流體壓力為500kPa，引射流體壓力分別為205kPa，240kPa，280kPa時(shí)的理論值與試驗(yàn)值對比圖.

圖7為工作流體壓力為500kPa，引射流體壓力分別為180kPa，240kPa，280kPa時(shí)經(jīng)過校核后的試驗(yàn)值理論值效果圖.在試驗(yàn)中，引射流體壓力升高會提高噴射器的使用性能得以提升.

圖9 修正后工作流體壓力對噴射器的使用性能影響

3.3 工作流體壓力對噴射器性能影響

圖8給出了工作流體壓力分別為400kPa，500kPa，600kPa，引射端入口壓力(205kPa)保持不變的情況下，噴射器出口壓力與噴射器引射系數(shù)的關(guān)系曲線.

圖9給出了工作流體壓力分別為400kPa，500kPa，600kPa，引射端入口壓力(205kPa)保持不變的情況下，經(jīng)過校核的噴射器的工作流體壓力對噴射器使用性能的影響.

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)中亦可觀察到，工作流體對噴射器使用性能的影響比較復(fù)雜，不能簡單的歸納為增大或減小，而是取決于噴射器出口壓力的值，噴射器出口壓力所處的工況不同時(shí)，噴射系數(shù)隨工作流體壓力變化的規(guī)律是不同的.

4 試驗(yàn)結(jié)論

(1)引射流體壓力升高會提高噴射器的使用性能得以提升.

(2)工作流體對噴射器使用性能的影響比較復(fù)雜，不能簡單的歸納為增大或減小，而是取決于噴射器出口壓力的值，噴射器出口壓力所處的工況不同時(shí)，噴射系數(shù)隨工作流體壓力變化的規(guī)律是不同的.

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