液態(tài)空氣驅(qū)動的半開半閉循環(huán)發(fā)動機(jī)

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(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 北京　100191)

引言

零排放汽車近年來被廣泛地探索研究，其歸類[1]包含電池電動汽車、氫氣汽車和空氣動力汽車。電池電動汽車提供了最高的效率，然而重金屬污染、高初始成本、短練習(xí)場和長充電時(shí)間已經(jīng)限制了其發(fā)展[2]；氫的優(yōu)越性是高能量密度，然而分布和存儲困難使其目前難以被廣泛的應(yīng)用[3，4]；空氣動力與電池電動汽車的效率很接近，卻低運(yùn)營成本[5，6]、充氣時(shí)間更少[7]。本研究是關(guān)于液態(tài)空氣驅(qū)動的發(fā)動機(jī)[8，9]的研究。

儲存在液態(tài)空氣的能量可分為冷能和膨脹能。在大氣壓力，液態(tài)空氣的溫度低達(dá)零下196 ℃(液氮零下196 ℃， 液氧零下183 ℃)。液態(tài)空氣被用來作為冷源搭配空氣(熱源)形成一個(gè)熱機(jī)。通過液態(tài)空氣作為冷源而吸收的能量被稱為低溫能源(冷能)。Knowlen[5]使用液氮作為冷源級聯(lián)起來達(dá)到封閉的蘭金循環(huán)，Ordonez[7]采用封閉布雷頓循環(huán)將低溫能源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。液體空氣氣化后，空氣的壓力將會增加，它可以作為一個(gè)壓力源來驅(qū)動發(fā)動機(jī)工作。儲存在壓縮空氣中的能量被稱為膨脹能量，可作為壓力源。Knowlen[6]利用液氮作為工作流體來實(shí)現(xiàn)開放蘭金循環(huán)，陳[10]利用開環(huán)分析膨脹能量轉(zhuǎn)換軸功的過程。

限制液體空氣燃料汽車發(fā)展的主要因素是汽車可行駛里程，由于其發(fā)動機(jī)效率低。某大學(xué)發(fā)明的引擎[9]只能驅(qū)動汽車行駛24 km卻需要消耗180 L的液態(tài)氮。發(fā)動機(jī)[9，11，12]的研究過程要么僅利用其低溫能源，要么僅利用其擴(kuò)張能量，卻始終沒有找到一個(gè)有效的方法同時(shí)利用兩者，這是發(fā)動機(jī)效率低的一個(gè)重要原因。

本研究提出設(shè)計(jì)液態(tài)空氣驅(qū)動的發(fā)動機(jī)，采用閉環(huán)利用冷能和開環(huán)利用膨脹能。

對于閉環(huán)，斯特林發(fā)動機(jī)具有熱效率高、長期維護(hù)間隔和移動部件少等優(yōu)點(diǎn)，然而在實(shí)際使用斯特林發(fā)動機(jī)過程中，耐高溫活塞密封阻礙了斯特林發(fā)動機(jī)的廣泛應(yīng)用[13]。液態(tài)空氣發(fā)動機(jī)的工作溫度很低，因此斯特林發(fā)動機(jī)就有應(yīng)用于液態(tài)空氣發(fā)動機(jī)的可能。對于普通的斯特林發(fā)動機(jī)，熱源溫度不低于700 ℃[14]，空氣(20 ℃)作為冷源，因此溫差應(yīng)不小于680 ℃。然而已知最大溫差的液態(tài)空氣發(fā)動機(jī)是216 ℃。如果一個(gè)斯特林發(fā)動機(jī)運(yùn)行在這么低的溫差(LTD)[15，16]下，相比于正常的斯特林發(fā)動機(jī)需要增大置換器氣缸的傳熱面來吸收或釋放更多的熱量[17]。低溫差條件將導(dǎo)致增加斯特林發(fā)動機(jī)的重量和大小以及更高傳熱速率，這也許會限制其在汽車上應(yīng)用。

這項(xiàng)研究的目的是使封閉斯特林循環(huán)和開環(huán)相結(jié)合的簡單機(jī)械裝置達(dá)到將發(fā)動機(jī)適用于低溫差條件。此外，這種半閉半開環(huán)形式可以高效利用低溫能量和膨脹能量，提高液態(tài)空氣驅(qū)動發(fā)動機(jī)效率。

1　液態(tài)空氣的能量儲存

工作周期見圖1，A部分類似于一個(gè)傳統(tǒng)閉環(huán)發(fā)動機(jī)，液體空氣儲存在一個(gè)固定的儲氣室充當(dāng)冷源，被加熱空氣的狀態(tài)變化經(jīng)歷三個(gè)時(shí)期。

圖1　半開半閉循環(huán)發(fā)動機(jī)

第一個(gè)時(shí)期是低溫冷源的溫度在液態(tài)空氣的沸點(diǎn)以下上升。如果無窮小的熱dQc被冷源吸收， 功dW基于卡諾循環(huán)由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生，給出：

(1)

吸收熱量會導(dǎo)致低溫冷源溫度升高，給出：

dQc=CldTc

(2)

由于低溫冷源的溫度Tc從T0變化到Tph，因此摩爾熱容Cl不是一個(gè)常數(shù)。在這一過程中產(chǎn)生的功是：

(3)

在第二個(gè)時(shí)期，液態(tài)空氣在溫度Tph下經(jīng)歷一個(gè)液體到氣體相變的等溫過程。通過相變，潛熱L從高溫?zé)嵩?大氣)轉(zhuǎn)移出來。產(chǎn)生的功為：

(4)

在第三個(gè)時(shí)期，氣態(tài)空氣的摩爾熱容用Cg表示。低溫冷源的溫度從沸點(diǎn)Tph到大氣溫度Ta。產(chǎn)生的功類似于方程(3)，為：

(5)

將膨脹能轉(zhuǎn)換為功的過程類似于那些壓縮空氣發(fā)動機(jī)[18]，將壓縮氣體作為工作介質(zhì)驅(qū)動氣動馬達(dá)或渦輪，將釋放的氣體排放到大氣中。在壓力p0條件下氣化過程生成的氣態(tài)空氣存儲在汽缸(見圖1B部分)。壓縮空氣經(jīng)歷一個(gè)等溫膨脹過程，同時(shí)壓縮空氣的氣壓逐漸下降到大氣壓pa。膨脹過程中產(chǎn)生的功為：

(6)

2　半開半閉循環(huán)發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)模型

在研究中提出的發(fā)動機(jī)是從γ型斯特林發(fā)動機(jī)[15]發(fā)展來的。在理論上雙作用活塞的γ結(jié)構(gòu)可以達(dá)到最高可能的機(jī)械效率[15]。圖2為發(fā)動機(jī)的示意圖。

圖2　發(fā)動機(jī)的原理

在充氣過程中，存儲在儲氣室的壓縮空氣通過進(jìn)氣閥被充進(jìn)置換器氣缸，同時(shí)動力活塞驅(qū)動曲柄產(chǎn)生功。在等溫膨脹過程，工作氣體從置換器氣缸進(jìn)入動力氣缸的過程中溫度保持為大氣溫度。在放氣過程中，隨著曲柄推動動力活塞壓縮工作氣體，額外的空氣通過排氣閥排出。在等溫壓縮過程中，工作氣體的溫度下降到和液態(tài)空氣一樣的溫度，同時(shí)壓縮熱能轉(zhuǎn)移到冷源(液態(tài)空氣)，液體空氣放置在置換器氣缸的上部來充當(dāng)閉合循環(huán)的冷源，在一個(gè)特定的壓力下，液體空氣吸收足夠的壓縮熱能后會氣化生成壓縮空氣，壓縮空氣存儲在儲氣室中來充當(dāng)開環(huán)的壓縮空氣源。

圖3 A～F顯示了工作氣體的熱變化過程。截面面積為A的動力氣缸放置在工作氣體上方，其中x坐標(biāo)軸表示動力活塞的位置。置換器氣缸放置在工作氣體下方，用來存放做功氣體的置換器氣缸的有效容積用Vd表示。當(dāng)動力活塞位于x0，壓力p0小于大氣壓pa時(shí)，發(fā)動機(jī)開始動作。圖3A～C陰影區(qū)域表示在該區(qū)域的空氣溫度為大氣溫度Ta，而圖3D～F陰影區(qū)域表示空氣溫度為低溫冷源溫度(液態(tài)空氣)Tc。

圖3　熱變化過程

在階段A，置換器位于冷側(cè)，防止工作氣體的熱量轉(zhuǎn)移到冷源。當(dāng)壓縮空氣從儲氣室以絕熱狀態(tài)充到氣缸，動力活塞應(yīng)移到了x1。工作氣體的壓力應(yīng)保持在p0。在階段A產(chǎn)生的功為

Wa=p0A(x1-x0)=p0Vdkv

(7)

其中kv是加入的空氣體積與置換器氣缸(有效容積)的體積比。

在階段B，動力活塞緩慢到達(dá)x2，維持在準(zhǔn)靜態(tài)過程。在準(zhǔn)等溫膨脹過程中工作氣體的壓力降低到大氣壓力。從大氣中轉(zhuǎn)移的熱量等于工作氣體所做的功，得出：

(8)

在C階段，工作氣體在絕熱條件下被排放到大氣中，動力活塞回到x3。這里所做的功為：

Wc=-paA(x3-x2)

(9)

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，被排放空氣nch的數(shù)量應(yīng)該等于充入氣體ndc的數(shù)量。階段A和C的守恒方程為：

(10)

因此，階段A產(chǎn)生的功應(yīng)等于階段C消耗的功，得出：

Wc=-Wa

(11)

在D階段，置換器移動到熱端來讓工作氣體冷卻到冷源溫度。工作氣體的溫度下降到低溫冷源溫度Tc，這導(dǎo)致工作氣體會在大氣壓下收縮。與此同時(shí)，動力活塞回到x4。階段D產(chǎn)生的功為：

Wd=-paA(x4-x3)

(12)

被冷源吸收的熱量為：

Wd1=-paA(x4-x3)

(13)

在階段E，動力活塞移動到x5，在準(zhǔn)等溫壓縮過程中工作氣體的壓力增加到p0，被低溫冷源吸收的熱量等于做功氣體做的功，得出：

(14)

在階段F，置換器移動到冷的一面。在等壓膨脹過程中做功氣體被大氣加熱到Ta，驅(qū)使動力活塞到x0。階段F產(chǎn)生的功等于做功氣體在階段D消耗的功，得出：

Wf=p0Ax0=-Wd

(15)

從大氣轉(zhuǎn)移的熱量等于低溫冷源在D階段吸收熱量，得出：

Qf=Qd

(16)

3　結(jié)果與分析

基于之前關(guān)于液態(tài)空氣的能量儲存的討論，能量E由兩部分組成，得出：

E=Ec+Eep

(17)

第一部分名為冷能Ec，從大氣中提取熱量轉(zhuǎn)移到工作氣體然后轉(zhuǎn)移到液態(tài)空氣的過程來做功。第二部分代表膨脹能Eep，它解決了能源供給由空氣氣化作為壓縮空氣源。通過以上分析，冷能可以表示為：

(18)

膨脹能可以表示為：

(19)

表1給出了式(17)～式(19)來分析液態(tài)空氣能量組成。液態(tài)空氣的初始溫度T0被設(shè)置為液態(tài)氮的沸點(diǎn)(LN2)77.36 K，而不是液態(tài)氧90.2 K。蒸發(fā)的過程中，生成氣體的壓力被限制在1 MPa(abs)，即氣體的初始壓力p0等于1 MPa。以前的研究對膨脹能投入了太多關(guān)注，然而膨脹能只占儲存在液態(tài)空氣中能量的26.5%，而相當(dāng)于膨脹能2.78倍的低溫冷源卻常常被忽略。氣態(tài)空氣只有膨脹能，這是液態(tài)空氣和氣態(tài)空氣在能量儲存上的最大區(qū)別[19，20]。

表1　基于不同工作介質(zhì)的能量構(gòu)成

圖4說明了氣體壓強(qiáng)p0從0.1013 MPa變化到3 MPa 過程中，能量成分與氣體的壓強(qiáng)關(guān)系，能量增加5.97%后發(fā)現(xiàn)更多的能量可以通過增加工作壓力手段從液體空氣中提取出來。Eep/E的比從0增加到37.9%表明膨脹能在很高的工作壓力下會變得更高，但仍低于冷能。

圖4　相對于工作壓力的能量組成變化

4　結(jié)論

對儲存在液態(tài)空氣的能量的數(shù)值和成分進(jìn)行研究。由于其低溫性和氣化后的壓縮性，該能量可分為冷能和膨脹能。該能量的組成和數(shù)量與氣化壓力p0(工作壓力)有關(guān)。如果工作壓力從0.103 MPa增加到3 MPa，總能量會增加5.97%，膨脹能的百分比從0%增加到37.9%，而冷能從100 kJ/kg降到到63.1 kJ/kg。純粹的閉合循環(huán)發(fā)動機(jī)只能利用低溫能源。半開半閉的循環(huán)發(fā)動機(jī)則充分利用冷能和膨脹能?；诶碚摲治?，我們找到了一個(gè)方法來利用液態(tài)空氣中冷能和膨脹能。

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