甘繼鵬

（武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070）

液氮發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)設(shè)計(jì)方案之研究

甘繼鵬

（武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070）

本文對(duì)于液氮發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并且根據(jù)單級(jí)朗肯循環(huán)液氮發(fā)動(dòng)機(jī)效率低的和主換熱氣外表面結(jié)霜的問(wèn)題進(jìn)行了改良的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)于等熵膨脹的液氮加完乙烯重新設(shè)計(jì)了液氮發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)表明，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，基于重新設(shè)計(jì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)中，液氮的輸出比基于單級(jí)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(duì)于液氮的使用依然要比蓄電池的輸出功大。同時(shí)，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(guò)了水的冰點(diǎn)，這樣就避免了主換熱器出現(xiàn)結(jié)霜的問(wèn)題。而且，對(duì)于太陽(yáng)能系統(tǒng)的引入，不僅進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的動(dòng)力效率，對(duì)于新型循環(huán)和基于二級(jí)的布萊頓循環(huán)的液氮?jiǎng)恿ο到y(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(jí)布萊頓循環(huán)比輸出功小于朗肯循環(huán)。

液氮發(fā)動(dòng)機(jī) 多級(jí)朗肯循環(huán) 無(wú)霜換熱器

所謂的液氮發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械能的熱工機(jī)械。因?yàn)橐旱强稍偕木G色能源，所以作為綠色汽車(chē)的主要?jiǎng)恿δ茉粗?。最早開(kāi)展液氮發(fā)動(dòng)機(jī)研究的是美國(guó)華盛頓大學(xué)和北德克薩斯大學(xué)，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?jiǎng)恿ζ?chē)“LN2000”和“COOLN2”。其中，LN2000所采用的方式時(shí)活塞式的液氮發(fā)動(dòng)機(jī)，并且配以開(kāi)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(guò)這些調(diào)整，每消耗109L的液氮能夠保證汽車(chē)行駛3.2千米。而COOLN2同樣選擇了開(kāi)式朗肯循環(huán)系統(tǒng)方案，但是并沒(méi)有采用活塞式液氮發(fā)動(dòng)機(jī)，而是選擇了旋轉(zhuǎn)式馬達(dá)輸出動(dòng)力，再加上對(duì)于回?zé)崞鞯暮侠砝茫沟靡旱軌蛱崆邦A(yù)熱，這樣的結(jié)果就是每消耗180L液氮可以使汽車(chē)行駛24千米，由此可見(jiàn)，旋轉(zhuǎn)式馬達(dá)輸出功率的強(qiáng)力之處。

從目前的發(fā)展情況來(lái)看，我國(guó)對(duì)于液氮汽車(chē)的研發(fā)工作主要表現(xiàn)為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升，對(duì)于液氮汽車(chē)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)則主要存在倆方面的問(wèn)題，其一是對(duì)于液氮冷能的有效利用，從而適當(dāng)增加汽車(chē)的行駛里程；其二是對(duì)于無(wú)霜器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

1 熱力循環(huán)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)相關(guān)的研究顯示，對(duì)于液氮發(fā)動(dòng)機(jī)的理想狀態(tài)，即采用卡諾循環(huán)時(shí)，如果環(huán)境溫度為300K，那么液氮的比輸出功率能夠達(dá)到799kj/kg.但是，如果采用等熵的朗肯循環(huán)時(shí)，在壓力為3MPa時(shí)，液氮的比輸出功只能夠達(dá)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(dá)60%。

當(dāng)液氮在低于3MPa時(shí)，其沸點(diǎn)是125K，再這樣的沸點(diǎn)中，空氣中的水蒸氣、二氧化碳等低沸點(diǎn)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量傳遞，導(dǎo)致能量大量損耗，這樣的問(wèn)題就是液氮發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)霜問(wèn)題。所以，要想解決液氮發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)霜問(wèn)題，最主要的辦法是抱枕?yè)Q熱器表面溫度高于水的冰點(diǎn)。具體的做法是，在能量損失的地方添加適當(dāng)?shù)臒崃ρh(huán)并向外輸出管，這樣的做法既能夠保證開(kāi)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(gè)循環(huán)之間按照沸點(diǎn)的高低能夠形成一個(gè)串聯(lián)的系統(tǒng)，上級(jí)的循環(huán)能夠?yàn)橄录?jí)提供熱能，二下級(jí)的循環(huán)又能夠?yàn)樯霞?jí)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(jí)的循環(huán)高溫部分，然后經(jīng)過(guò)循環(huán)到達(dá)最底層的液氮循環(huán)，通過(guò)壓力的調(diào)節(jié)，能夠控制最上級(jí)的循環(huán)公質(zhì)的沸點(diǎn)，這樣就能夠始終保持高壓部分的溫度高于冰點(diǎn)，從而避免換熱器出現(xiàn)結(jié)霜問(wèn)題。由于沸騰魚(yú)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(gè)循環(huán)之間的換熱器通常排列的相當(dāng)緊湊，按照最小熵曾理論的說(shuō)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(dǎo)致熵增最小，也就是熱力學(xué)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(shí)滿足最小熵增時(shí)，如果運(yùn)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(dǎo)致氣體的環(huán)境溫差變化頻繁，在總體上來(lái)說(shuō)會(huì)降低液氮的比輸出功。如果循環(huán)體系單獨(dú)存在，器內(nèi)部系統(tǒng)的壓力增強(qiáng)，從而使得輸出功提高。但是，由于壓力的增加導(dǎo)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(dòng)機(jī)汽車(chē)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(chē)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(duì)于串聯(lián)的系統(tǒng)內(nèi)的溫度進(jìn)行聯(lián)系，這樣才能夠使得更循環(huán)之間的壓差滿足對(duì)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(jí)的循環(huán)系統(tǒng)之外的其他各個(gè)循環(huán)壓力均為1MPa，按照環(huán)境溫度在300K時(shí)，根據(jù)等熵工作的方式計(jì)算，在溫度達(dá)到290K時(shí)，壓力飽和，為0.52MPa，根據(jù)這樣的情況可以計(jì)算出各個(gè)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(jí)之間的循環(huán)流體溫差較大。例如，r134a在0.10MPa的情況時(shí)其相變溫度在247.0k，而乙烯在在1.00MPa時(shí)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(jī)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(shí)，大氣測(cè)的換熱系數(shù)持續(xù)上升，我們可以采用降低溫差來(lái)保持系統(tǒng)內(nèi)的熱量平衡；當(dāng)天氣晴朗、溫度升高時(shí)，換熱器能夠吸收太陽(yáng)能，進(jìn)一步加強(qiáng)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(jí)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)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(shè)備的初步選型。假定三個(gè)封閉的系統(tǒng)分別表示的是R134a、乙烯和甲烷。那么，當(dāng)液氮通過(guò)這三種物質(zhì)的膨脹氣體和大氣的加熱之后，會(huì)進(jìn)行開(kāi)始朗肯循環(huán)。在加熱之后的液氮通過(guò)等熵膨脹之后的溫度能夠達(dá)到155.4K，而且還鞥能夠繼續(xù)提供冷源，為此我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制作了冷源回收器，從而推動(dòng)R134a閉式循環(huán)來(lái)進(jìn)行回收利用的工作。

除了R134a能夠進(jìn)行高壓側(cè)的換熱器與周?chē)h(huán)境直接進(jìn)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(méi)有推動(dòng)做功二直接與環(huán)境之間進(jìn)行換熱的情況。其中，3個(gè)閉式循環(huán)的高壓側(cè)和低壓側(cè)都含有2個(gè)換熱器，其中液氮發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)的高壓側(cè)緊挨著壓縮機(jī)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(gè)換熱器主要的作用在于將氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)一步加熱，在液氮通過(guò)的路徑中有壓縮機(jī)后的第一個(gè)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?shí)的計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)于液氮消耗能量之間的分配情況，假定壓縮機(jī)的等熵效率能夠達(dá)到90%，這樣膨脹器的等熵效率就是80%。而工質(zhì)在通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)的過(guò)程中，每經(jīng)過(guò)一個(gè)換熱器，其壓力就會(huì)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(gè)換熱器的熱漏都能夠轉(zhuǎn)變成10%的熱能，這時(shí)最小的換熱溫差達(dá)到5K。通過(guò)計(jì)算可以得出具體的結(jié)論，當(dāng)液氮的總輸出功早240.1kj時(shí)，如果一輛1000kg的汽車(chē)要以12m/s的速度在公路上勻速運(yùn)行時(shí)所需要的輸入功率為2.36KW。，汽車(chē)行駛100km時(shí)大概要消耗液氮80.88kg。

3 基于熱力循環(huán)設(shè)計(jì)和多級(jí)循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算的深入探討

液氮和液氧是分廠常見(jiàn)的工業(yè)氣體，在一般的城市都可以買(mǎi)到。但是液氮作為儲(chǔ)能介質(zhì)為汽車(chē)提供動(dòng)力的情況還是非常新鮮的，而且，液氮的價(jià)格大概每千克大概在5元左右，對(duì)于部分消費(fèi)者來(lái)說(shuō)還是偏高的，如果能夠大規(guī)模的商用，價(jià)格降低至1元左右，液氮?jiǎng)恿ζ?chē)還是具有很高的商用價(jià)值的?？梢詰?yīng)用于旅游車(chē)、觀光車(chē)等工具。

對(duì)于系統(tǒng)中的膨脹器的選擇往往有兩種，分別是往復(fù)式膨脹器和旋轉(zhuǎn)式膨脹器。一般情況下，往復(fù)式膨脹器具有輸出轉(zhuǎn)矩大、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但不能夠在同樣的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工作，這對(duì)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(fù)式鵬賬器。但是旋轉(zhuǎn)式膨脹為不能夠適應(yīng)高負(fù)荷的工作情況。為此，我們可以將往復(fù)式膨脹器和旋轉(zhuǎn)式膨脹器相結(jié)合，并且通過(guò)兩者的有點(diǎn)相結(jié)合進(jìn)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(shì)，又能夠保證汽車(chē)的正常運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)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(dāng)工質(zhì)自升壓到開(kāi)始液化的這一過(guò)程中，要吸收大量的熱能，如果在未來(lái)的某一天能夠開(kāi)發(fā)出110-240k性能的類(lèi)似于R34a的工質(zhì)，該系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)一步發(fā)揮出高效能。

很多文章對(duì)于膨脹器的對(duì)外輸出功的較高單位質(zhì)量的可用能進(jìn)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(guò)程中提供充足的熱量，與此配套的是，結(jié)霜問(wèn)題的處理，要保證液氮發(fā)動(dòng)機(jī)不結(jié)霜。但是，從目前的研究發(fā)展情況來(lái)看，這兩個(gè)問(wèn)題還是沒(méi)有完美的解決方案。對(duì)于等熵膨脹的多級(jí)串聯(lián)朗肯循環(huán)和解決熱漏問(wèn)題，后者更容易得到解決。

4 結(jié)語(yǔ)

從目前的發(fā)展情況來(lái)看，我國(guó)對(duì)于液氮汽車(chē)的研發(fā)工作主要表現(xiàn)為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升，對(duì)于液氮汽車(chē)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)則主要存在倆方面的問(wèn)題，其一是對(duì)于液氮冷能的有效利用，從而適當(dāng)增加汽車(chē)的行駛里程；其二是對(duì)于無(wú)霜器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。 所謂的液氮發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械能的熱工機(jī)械。因?yàn)橐旱强稍偕木G色能源，所以作為綠色汽車(chē)的主要?jiǎng)恿δ茉粗弧Ｗ钤玳_(kāi)展液氮發(fā)動(dòng)機(jī)研究的是美國(guó)華盛頓大學(xué)和北德克薩斯大學(xué)，并且取得了一定的階段性研究成果。對(duì)于太陽(yáng)能系統(tǒng)的引入，不僅進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的動(dòng)力效率，對(duì)于新型循環(huán)和基于二級(jí)的布萊頓循環(huán)的液氮?jiǎng)恿ο到y(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(jí)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣相位對(duì)工作過(guò)程的影響［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2004，38（1）：65-69.

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圖6-1 數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)

（1）獲取車(chē)輛基本運(yùn)行狀況，為車(chē)輛的日常檢修維護(hù)提供故障診斷基礎(chǔ)。

（2）實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛的載重信息，預(yù)防裝貨時(shí)超限超載，保障行車(chē)安全。

4 總體架構(gòu)及總體布局

車(chē)輛能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)充分考慮系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、易維護(hù)性、操作簡(jiǎn)便等方面的要求，采用分層設(shè)計(jì)思路，總體框架包括“六大層次”和“三大體系”，見(jiàn)圖4-1所示。

根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)任務(wù)，交通運(yùn)輸能耗統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的總體布局如圖4-2所示。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

車(chē)輛能耗統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)包括：業(yè)務(wù)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及入庫(kù)（靜態(tài)數(shù)據(jù)交換、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）、數(shù)據(jù)預(yù)處理（入庫(kù)前預(yù)處理、分析前預(yù)處理）、數(shù)據(jù)報(bào)警及修復(fù)（數(shù)據(jù)報(bào)警、數(shù)據(jù)預(yù)警）。

（2）業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)車(chē)輛監(jiān)控（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)查詢(xún)、油耗曲線圖、載荷曲線圖）、地圖服務(wù)（地圖展示、車(chē)輛定位、軌跡回放）、單車(chē)分析（單車(chē)油耗、單車(chē)?yán)锍?、單?chē)運(yùn)量）。

（3）大數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)：統(tǒng)計(jì)報(bào)表、簡(jiǎn)單查詢(xún)、高級(jí)查詢(xún)。

（4）系統(tǒng)管理子系統(tǒng)：用戶權(quán)限管理、平臺(tái)參數(shù)管理、基礎(chǔ)信息管理、業(yè)務(wù)日志管理、設(shè)備分配。

6 數(shù)據(jù)資源規(guī)劃

根據(jù)車(chē)輛能耗監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)定位，車(chē)輛能耗統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)劃分為：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)子庫(kù)、管理數(shù)據(jù)子庫(kù)、綜合分析數(shù)據(jù)子庫(kù)四個(gè)數(shù)據(jù)子庫(kù)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子庫(kù)主要包括：設(shè)備信息數(shù)據(jù)等。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)子庫(kù)主要包括：車(chē)輛基本數(shù)據(jù)、車(chē)輛動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)核算數(shù)據(jù)、綜合分析數(shù)據(jù)、預(yù)警信息數(shù)據(jù)等。

管理數(shù)據(jù)子庫(kù)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(kù)主要包含：?jiǎn)诬?chē)日耗油量匯總數(shù)據(jù)、單車(chē)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(kù)的總體結(jié)構(gòu)如圖6-1數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)所示。

7 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合能耗監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)工作需要，對(duì)能耗監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的問(wèn)題根源及業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了分析，提出了一種車(chē)輛能耗監(jiān)測(cè)原型平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，對(duì)平臺(tái)的總體架構(gòu)、總體布局、功能模塊及數(shù)據(jù)資源進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。

甘繼鵬（1994—），男，漢族，河南信陽(yáng)人，學(xué)生，單位：武漢理工大學(xué)車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：車(chē)身或者發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。