PEMFC用噴射器試驗(yàn)研究①

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(chǔ)在高壓瓶中，從高壓瓶中出來(lái)的氫氣具有很高的壓力，若在陽(yáng)極供應(yīng)系統(tǒng)中利用噴射器來(lái)循環(huán)氫氣，那么噴射器可以將高壓瓶中出來(lái)的高壓力低流速的氫氣通過(guò)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(dòng)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(dòng)量交換，從而帶動(dòng)了氣體向前運(yùn)動(dòng)，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(guò)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(duì)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(dòng)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(dòng)量交換，從而帶動(dòng)氣體向前運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(tái)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(guò)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(huì)導(dǎo)致許多不可預(yù)測(cè)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(jiàn)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(tái)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(cè)試噴射器的入口端、出口端、引射端對(duì)該噴射器的使用性能的影響，根據(jù)以上要求搭建的臺(tái)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(duì)使用性能的影響，在上述臺(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)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(huì)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(duì)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(shí)［10］，流體在管長(zhǎng)l，管徑d的水平管道中以平均流速U流動(dòng)時(shí)，流體的沿程壓力損失為:

其中λ為沿程阻力系數(shù)，對(duì)于層流光滑管而言

對(duì)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(tái)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(dòng)方向，或者兩者兼而有之，從而干擾了流體的正常流動(dòng)，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(cè)試試驗(yàn)臺(tái)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(huì)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(duì)于突然擴(kuò)大管:

對(duì)于突然縮小管

其中收縮系數(shù)CC和流速系數(shù)CV可通過(guò)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(guò)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(dòng)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(duì)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(duì)噴射器的使用性能影響

無(wú)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(duì)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(shì)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(duì)應(yīng)的壓力損失越大，因而試驗(yàn)值與理論值的差距越來(lái)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(duì)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(duì)其進(jìn)行編程計(jì)算，經(jīng)過(guò)校核過(guò)的試驗(yàn)值與理論值的對(duì)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(guò)校核后的情況，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)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(wú)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(cè)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(wú)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(wú)法達(dá)到臨界壓力.此誤差在0.1～0.3bar，對(duì)使用性能影響不大.

3.2 引射端壓力對(duì)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(duì)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(guò)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(huì)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(duì)噴射器的使用性能影響

3.3 工作流體壓力對(duì)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(guò)校核的噴射器的工作流體壓力對(duì)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(duì)噴射器使用性能的影響比較復(fù)雜，不能簡(jiǎn)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(huì)提高噴射器的使用性能得以提升.

(2)工作流體對(duì)噴射器使用性能的影響比較復(fù)雜，不能簡(jiǎn)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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