基于火用分析的单螺杆压缩机轴功利用效率研究

基于火用分析的单螺杆压缩机轴功利用效率研究

吴震宇 陶国良 刘 昊

浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州,310027

摘要:运用火用方法对车载燃料电池系统单螺杆压缩机压缩过程中的轴功利用效率以及耗散方式进行研究。分析了由气体泄漏和热交换现象所引起的轴功损失,并将其细分为不可逆绝热节流、不同温度流体混合以及外泄漏等4种不同性质的火用损失形式。在依据热力传热、

学第一定律和质量连续定律建立的压缩机模型基础上,对在压缩机工作过程中通过4种形式损耗的火用值分别进行了计算和讨论。分析结果表明,在压缩机工作转速提高过程中,由于泄漏量和换热量减少,火用耗散出现明显下降。

关键词:火用分析;单螺杆压缩机;燃料电池;效率

中图分类号:)TH138 文章编号:1004-132X(200610-1003-04

’StudnUsaeEfficiencfSinleScrewComressorsShaftPowerBasedonExernalsisMethodyogyogpgyAy

WuZhenu TaoGuolianiuHao Lyg

,StateKeaboratorfFluidPowerTransmissionandControlyLyo

,HZheJianniversitanzhou,310027gUyg

:AAbstractnexerethodwasusedtostudsaeefficiencfsinlescrewcomressor'sshaftgymyugyogp

owerinthefuelcellvehicle.Astheshaftowerwastaeonbothleakaeandheatexchanewasana-ppggg

,,lzed,itcouldbefurtherclassifiedintofourkindsnamelirreversibleheatexchaneadiabaticthrot-yyg

,mixinftwoflowsandleakaetoenvironment.Onthebasisofsinlescrewcomres-tlinfgasgoggpgo

’,sorsmathematicalmodelwhichwasestablishedaccordintothefirstlawandmassbalancetheexer-gossbthefourkindsmentionedabovewerecalculatedandthediscussionwaspresented.Theanal-gylysisresultsindicatetheexerossdecreaseswhentheleakaeandheatexchanedecreasewhichisygylggcausedbheincreaseofthecomressor'srotatineed.ytpgsp

:;;;Keordsexernalsissinlescrewcomressorfuelcellefficiencygyaygpyw

0 引言

燃料电池电动汽车是一种使用新型能源的清洁运输工具,其动力来源于由氢气和氧气发生电化学反应产生的电能。空气压缩机是车载燃料电池系统中的重要部件,它将环境大气压缩到一定压力后输送到燃料电池,氧气和存储在高压气罐中的氢气进行充分反应,从而驱动车辆运行,其中部分电能用于驱动空气压缩机。因此,车载燃料电池系统不仅要求空气压缩机具有体积小、质量轻、噪声低等特性,而且希望轴功利用效率尽可能高,以减少燃料电池对压缩机的能量供给。这就需要对压缩机轴功耗散方式和相应量值有明确的认识,为节能优化设计提供理论依据。

火用方法可以将气体状态变化过程前后内能变化率通过火用变化率表示,使用这一数值可以对压缩机工作过程中不同物理现象所导致的能量损

收稿日期:2005-07-05

基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目();教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目2003AA501360()NCET-04-02

失作直接的比较,分析出在压缩过程中造成轴功损失的主要环节,从而为提高能量利用率的优化提供设计依据。

本文在基于热力学第一定律和质量连续性方程的压缩机模型仿真研究基础上,采用火用方法对用于燃料电池的单螺杆压缩机压缩过程中两个主要不可逆过程即泄漏和热交换进行了研究。

1 单螺杆压缩机数学模型

本文工作基础是基于热力学第一定律和质量连续性方程的单螺杆压缩机数学模型。

模型中的空气压缩机是一台直流电机驱动的CP型单螺杆压缩机。图1是该压缩机的结构图,

主要运动部件包括一个具有6个螺槽的螺杆和两个具有1其结构参数如表1所示。1齿的星轮,

表1 模型中压缩机的基本结构参数

星轮半径(mm)螺杆半径(mm)中心距(mm)螺杆进气半径(mm)

进气角()º

74.070.0112.053.532.0

·1003·

中国机械工程第17卷第10期2006年5月下半月

2.1 压缩过程中的气体火用增量

系统内能火用是指系统从当前状态到达与环境平衡状态时,能够对外界做出的最大功。

在指定环境条件T0、控制容积内气体p0下,的内能火用为

]()Eu=mk[u-uv-vs-s1-T0(0+p0(0)0)式中,mk为控制容腔中气体质量;u、v、s分别为腔内单位质量气体的内能、比容以及比熵;uvs0、0、0分别为处于环

图1 单螺杆压缩机结构图

境状态单位质量气体的内能、比容以及比熵。

为了简 由于压缩过程中物理现象非常复杂,

化计算过程,做如下假定:①压缩过程中气体和冷由理想气体的熵方程

ds=cpdTdP-Rg

()2

却水均相分布,压缩容积内流体各点温度、压力完全相同;②空气为理想气体,比热、内能仅与温度有关。

该模型以单螺杆压缩机螺杆、星轮以及壳体围成的封闭腔体作为控制容积,对其运用热力学第一定律和质量守恒方程进行求解。在模型中,考虑了不同压缩时刻进出控制容积的气体质量、被压缩气体和压缩机机壳及腔体内冷却水之间的换热量。

通过以上方法得到的数学模型为

dTQdmdφ=1dTdm1mcdφ-mdφ+mcTi

iVcV%pdφ-1mccTdmoRogTdVV%pdφ-Vcdφ=0Vdm=dmi-d

mo式中,Q为压缩过程瞬态传热量;Rg为气体常数;T、m分别为封闭容腔内气体的温度和质量;cV、cp分别为气体定容比热容、定压比热容;mi、mo、Ti、To分别为进出容腔气体的质量和温度;V、φ分别为封闭容腔容积和螺杆转角。

采用四阶Runge-Kuta方法可计算出在不同螺杆转角下,控制容腔的输入功率、进出气体流率、换热通量以及气体状态变量。

压缩过程中的火用分析

热力学中使用火用来说明能量的做功能力。其定义如下:在给定环境条件下,任一形式的能量中,理论上最大可能转变为有用功的那部分能量称为该能量的火用或有效能

[1]

。

输入轴功能够被完全转换成为有用功,所以轴功的火用值在数值上等于本身全部能量。在压缩机工作过程中,轴功被转移到被压缩气体中,这部分能量可以通过气体的内能火用增量来表示。在这个过程中,由于工作过程中多种不可逆过程的存在,必然会伴随着相应的火用耗散。因此,从输入轴功减去被压缩气体中内能火用增量,就可以得到全部火用损耗总和。·1004·

T积分得

Ts-s20=

.

TcpdTT-Rg

lnp1

p(3

)0

代入式(1

),得到Eu=mk[cV(

T-T0)+.

T2TcpdT1

T-Rglnpp+p0(v](4

)0

-v0)

依据以上数学模型的计算结果,将压缩过程始末两个状态下螺槽内气体质量、状态参数代入式(4)计算就可以得到这两个状态下内能火用。压缩过程中控制腔体内气体火用增量为

ΔEu=Eue-Eu

s

式中,Eus、Eu

e分别为始末状态下的内能火用。2.2 火用耗散途径及量值

单螺杆压缩机火用损失主要发生在两个不可逆现象即泄漏和换热过程中,它的具体形式又可分为绝热节流、不同温度的流体混合、外泄漏以及不可逆传热4种。

根据物质流向,单螺杆压缩机的泄漏分为外泄漏和内泄漏。内泄漏是指在单螺杆压缩机压缩过程中,气体从高压腔体向低压腔体转移;外泄漏是指气体从压缩腔体内直接向环境大气逸散。

在内泄漏过程中,气体经历了绝热节流变化,变化前后气体温度保持不变,但压力从高压侧螺槽ph变化到低压侧螺槽pl。绝热节流过程中的火用损耗率可以通过下式求得:

·

Ethi=T·

s·

0mΔ=T0m(sh-sl)(5

)式中,s·

h、sl为流体节流前后的比熵;m为通过缝隙的流体质量流量。

对于理想气体,节流前后熵差由下式确定:

sh-sl=-Rg

lnphpl由于高压气体通过绝热节流进入低压螺槽的过程是等焓变化,因此,进入低压腔体的气体和原来气体之间存在温度差,它们之间将会发生热量

2--吴震宇 陶国良 刘 昊基于火用分析的单螺杆压缩机轴功利用效率研究-2]

交换[。以下讨论不同温度流体混合过程中的火用终了压力约为2单个螺槽的压缩过32kPa条件下,程中不可逆传热、绝热节流、不同温度流体混合、外泄漏4种方式所造成的有效能损失。从表中可在压缩过程中,大约有7以看出,2.9%的能量最终传递到被压缩气体中,其他则通过不同途径损在造成损失的诸因素中,不可逆传热和绝热失了。

节流起主要作用,分别占总能量损失的43.0%和由流体混合所造成的有效能损失与上述37.0%。

两种途径的损失相比要小两个数量级。

损耗的计算方法。

由于内泄漏气体质量远小于低压螺槽内原来因此,可以认为在这个混合过程中,的气体质量,

低压螺槽内气体温度不发生变化。

假设来流温度为Th,低压螺槽内气体温度为在某一时刻内泄漏质量流量为m。Tl,

当来流温度发生d来流发生热量传T变化,递d相应的火用损失为Q=-mcdT,p·

·

·

·

dE·

1=-mcpdT[(Th-T0)/Th](6

)对于接受热量的容腔气体来说,获得的火用增量为

·

dE·

2=-mcpdT[(Tl-T0)/Tl](7

)因此,混合气体所构成系统火用量变化为式(6)和式(7

)的差值,即·

·

·

ΔE=dEE·

1-d2=-mcpdT(1/Th-1/Tl)(8

)将式(8)从Th到Tl积分,可得到不同温度气体混合过程中火用损耗率:

·

Emix=

.

Tl[T-m·

cp(

1/Th-1/Tl)]dTh

对于理想气体,上式可以表示为

·

E·

TlTlix=-mp(

ln-Th

mT0cT)(9)h-Tl

外泄漏中具有内能火用的气体从压缩腔体周围的缝隙逸入环境大气。由式(4)可以计算出t时刻被压缩气体的比内能火用eu,那么明确了当时的外泄漏质量流量m·

o,就可以计算出由外泄漏引起

的火用损耗率[

3]

:·

E·

lo=moeu

(10

)在压缩机工作过程中,压缩气体向工作腔体中冷却水和压缩机机壳传递热量,这是一个由温度梯度产生的不可逆过程。假设在某一个分析瞬时流体和压缩机壳体的温度分别为Tb、Tc,则由于热量传递所造成的火用损耗率为

·

EQ=T0ds=T0dQ(1/Tb-1/Tc)

(11

)上述4种形式火用损耗率构成了燃料电池单螺杆压缩机在t时刻有用功的耗散率:

·

·

·

·

·

Ec=Ethi+Emix+Elo+EQ

(12

)将式(5)和式(9)～式(11)代入式(12),并将它在压缩始末时间内积分,即可计算出整个压缩过程的火用损耗。

计算结果

.1 4种火用方式损耗比较

表2为单螺杆压缩机工作在4500r/min、

压缩表2 压缩机工作在4

500r/min、232kPa下的有效能损失损耗类型有效能损失E'(J

)输入能量2.4185不可逆传热

0.2810绝热节流0.2419流体混合0.0084外泄漏

0.1228气体获得的有效能

1.75

从热力学分析中可知,

随着压缩机工作转速变化,封闭容器中气体的状态会发生较大的改变,从而也会对压缩过程中有效能损失造成影响。因此,需要对变转速条件下有效能损失进行具体分析,同时对两个主要的有效能损失方式在转速变

化中所表现的特性进行分析。

3.2 工作转速对火用耗散的影响

在单螺杆压缩机热力学模型和火用分析的基础上,对不同工作转速压缩机火用耗损作了分析。

图2显示了在不同压缩机工作转速下,输入到单个螺槽的轴功和压缩终了螺槽内气体具有的内能火用。这两条曲线之间差值为单个螺槽在工作过程中所损耗的火用值。从图中可看出,随着工作转速提高,压缩过程中火用损耗从3000r/min时的0.7746J减小到9000r/min时的0.3487J,出现明显的下降。这主要是由于在高转速工况下,单个螺槽压缩时间会缩短,从而使螺槽压缩过程中泄漏量和换热量出现明显下降。由式(5)、式(9)～式(11

)可知,泄漏量和换热量的降低会直接导致火用损耗率的减少。

由于在压缩过程中,单螺杆压缩机封闭容腔和排气腔是完全分割的,负载压力对容腔内气体状态几乎没有影响。只有在气体结束封闭压缩和排气腔连通之后,根据负载压力的高低使被压缩气体发生突然的压缩或膨胀,才能造成气体状态的变化。因此,本文在压缩过程期间轴功利用效率的分析中没有考虑负载压力的影响。

3.3 热交换中的火用损耗

将压缩机工作过程中的换热量和换热过程所

·1005·

331.

输入轴功 2.内能火用图2 不同工作转速下单个螺槽输入功和

压缩结束时内能火用的关系

引起的火用损数据进行归一化处理:

Q'=Q(n)/Q(3000

)Q'ex

=Qex(n)/Qex(

3000)式中,Q(n)、Qex(n)分别为单螺杆压缩机工作在n转速下,单个螺槽压缩过程中释放的热量和通过热量耗散的火用值。

图3显示了当压缩机工作转速从3000r/min

到9000r/min变化时,Q'、Q'g

x的变化趋势。图中显示,当压缩机工作在9000r/min时换热量下降到

1.

换热火用损 2.换热量图3 不同压缩机转速下换热量和换热火用损

000r/min时的20%,与此同时,热火用耗散却只下降到原来的40%左右。说明了通过减少热量损失的方法并不能减少相同比例的热火用值。造成这一现象的主要原因在于随着换热量下降,更多轴功转换成为被压缩气体的内能,从而导致气体温度升高。由式(11)可知,在较高温度下,同样热流量中将会携带更多的热量火用,所以,

试图通过降低压缩过程中热流量来减少火用损失的方式效率并不高。此外,减少被压缩空气对外传热,也会导致终了空气压力、温度过高,从而不能满足下游燃料电池电堆的要求。

.4 内泄漏

表3显示了在不同工作转速下内泄漏现象所引起的节流损耗、混合损耗以及内泄漏质量。从表中可以看出:由于压缩机速度提高,内泄漏质量出·1006·

中国机械工程第17卷第10期2006年5月下半月

现了明显减少;由节流引起的损耗逐步变小,而混合过程引起的损耗变大。这两个由内泄漏现象引发的火用损耗过程呈现了不同的变化趋势。依据式(5

),节流火用损的较少是内泄漏量减小的直接结果,而不同温度气流混合中火用损耗增加却是因为被压缩气体换热量不足所导致的压缩螺槽内温度随压缩角度迅速升高的后果。

表3 压缩机在不同工作转速下的内泄漏量、

节流损失、混合损失

转速n节流损耗Ethe

混合损耗Emix

泄漏量m(r/min)(J)(J)(10-6kg

)3000

0.29260.00319.941145000.24190.00847.148760000.20200.01075.565000

0.1478

0.0105

3.8309

结论

(1

)在燃料电池单螺杆压缩机数学模型的基础上,将一个典型压缩过程中的轴功损耗区分为绝热节流、不同温度混合、不可逆换热以及外泄漏种形式,

并使用火用损耗率对其进行定量描述。(2)研究结果表明,较高的工作转速将会导致火用损耗减少,更多的输入轴功转变成为被压缩气体内能火用。

(3

)抑制工作过程中压缩气体向环境的热传递可以适当减少火用损耗,但是出口气体可能会不能满足下游系统要求,减少气体质量泄漏是提高轴功率利用率的有效途径。

参考文献:

[1] 项新耀.

工程火用分析方法.北京:石油工业出版社,1990

[2] McGovernJA,HarteS.AnExergyM

ethodforCompressorPreforemanceAnalysis.InternatioanlJournalofrefrigeration,1995,18(6):421～433[3] SagiaAS,PaignigiannisN.ExergyL

ossesinRe-frigeratingSystems.AStudyforPerformanceComparisonsinCompressorandCondenser.Inter-nationalJournalofEnergyResearch,2003,27(10):1067～1078

(编辑 周本盛)

作者简介:吴震宇,男,1978年生。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室博士研究生。主要研究方向为燃料电池空气压缩机技术。陶国良,男,19年生。浙江大学机械与能源工程学院教授、博士研究生导师。刘 昊,男,1975年生。浙江大学机械与能源工程学院博士后研究人员。

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