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第7卷第4期 2009年12月 中 国 工 程 机 械 学 报 CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MAC HINERY Vol.7No.4 Dec.2009 基金项目 国家 “八六三” 高技术发展计划资助项目5Z ;国家自然科学基金资助项目5 5 6;上海 市白玉兰科技人才基金资助项目B ;航空科学基金资助项目33 作者简介 訚耀保65 ,男,教授,博士生导师,工学博士2y2yj 氢 能 源 汽 车 车 载 气 动 减 压 阀 出 口 温 度 特 性 研 究 訚耀保1,沈 力1,傅俊勇2,戴 瑛3 1.同济大学 机械工程学院,上海 201804 ; 2.上海航天控制技术研究所,上海 200233; 3.同济大学 航空航天与力学学院,上海 200092 摘要研究了氢能源汽车输氢系统二级高压气动减压阀出口的气体温度特性.建立了减压阀开口系统的热力学 模型,利用MA TLAB软件分析了氢气绝热节流过程中的制冷和制热转换曲线和等焓曲线.分析结果表明,工作 介质不同,减压阀出口温度相差很大;氢能源汽车以氢气作为工作介质的减压阀出口温度随着入口压力升高而 升高. 关键词气动;减压阀;热力学;绝热节流;氢能源汽车 中图分类号 TH 138. 52 文献标识码 A 文章编号 1672 - 5581200904 - 0383 - 05 Outlet temperature characteristics of pneumatic press ure2 reducing valve for hydrogen vehicles YIN Yao2bao 1 , SHEN Li 1 ,FU J u n2yong 2 , DAI Yi ng 3 1. College of Mechanical Engineering, Tongji University ,Shanghai201804, China ;2. Shanghai Aerospace Control Technology Institute ,Shanghai200233, China ;3. College of Aerospace Engineering and Mechanics , Tongji University, Shanghai200092, China Abstr act The outlet temperature characteristics of the secondary high pressure2reducing valve are ana2 lyzed on the hydrogen transmission system of hydrogen vehicles. In particular ,the ther modynamic model is established f or the open system of pressure2reducing valves. Based on the MA TLAB TM ,the cooling2heating conversion and iso2enthalpy curves are obtained during the hydrogen adiabatic throttling p rocess. Accord2 ingly ,it is found that the outlet temperatures ,which var y proportionally with inlet temperatures ,differenti2 ate f rom diverse media. Key wor ds pneumatics; pressure2reducing valve ; thermodynamics ; adiabatic throttling; hydrogen vehicle 目前氢能源汽车大多采用高压气态贮氢方式,通过气瓶内贮存的氢气和空气中的氧气发生反应产 生的电能推动汽车行驶,同时生成物为水,实现了无污染的零排放[ 1～6 ].为保证一次加氢后汽车的连续 行驶距离达到300 km以上,氢能源汽车车载输氢系统储氢气瓶的压力要求达到35 MPa以上[ 2 ].氢能源 汽车中质子交换膜燃料电池要求所提供的氢气的正常工作压力为0. 16 MPa ,为此采用了气动减压系统 控制气体压力.在输氢系统的减压过程中,由于节流效应,减压阀出口温度将产生显著的变化.一般工业 用气动系统的工作压力常常在10 MPa以内,对于10 MPa以上的高压气体的控制特性,特别是高压气 体减压阀的研究和产品尚不多见 [ 7～9 ] .如何实现高压气体的减压过程将是氢能源汽车输氢系统研制的 关键之一.本文利用热力学原理,对高压气动减压过程中减压阀出口温度的变化情况以及高压氢气的控 制特性进行了分析. 2007AA0119077 1 1 2008 110200907 800 19-. E mail into ng i. edu .cn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中 国 工 程 机 械 学 报第7卷 1 氢能源汽车输氢系统 图1所示为某氢能源汽车上使用的车载输氢系统原理图.该氢能源汽车输氢系统采用两级高压气动 减压阀进行气体压力控制.输氢系统由气源、 一级减压阀、 二级减压阀和连接部件等组成,其中一级减压阀 图1 氢能源汽车输氢系统原理图 Fig. 1 Schemat ic di agram of h ydrogen t ransportati on s ystem of hydrogen vehicle 和二级减压阀采用直动式锥形结构减压阀,并通过 插装连接方式集成于同一组合阀块上.输氢系统工 作时,高压气体由气源经过入口进入气体减压阀,经 过一级减压阀完成输氢系统的第一次减压,实现工 作压力由35～5 MPa的气体压力控制;然后经过二 级减压阀完成输氢系统第二次减压,这时控制压力 由5 MPa减压到0. 16 MPa ,气体通过节流输送到质 子交换膜燃料电池.工作过程中,一体化集成式组合 块上还设有2个气体容腔作为气容,用于调节输氢系 统的动态性能. 2 绝热节流模型 图2所示为具有锥阀阀芯的某一级减压阀节流口结构示意图.减压阀节流口处气体由截面11向截 图2 气体减压阀节流口结构示意图 Fi g. 2 Schem atic diagram of t he p neu2 mat ic p ress ure2reducing valve 面22流动,当流通面积突然减少时,气体速度增加,压力降低; 在通过节流口后,截面突然扩大,气体速度降低,压力有所回升,但 不能恢复到节流前的压力,气流通过节流后将产生明显的压降,这 种现象称为节流现象.气体流经节流口时流速较快,时间短,一般 可忽略气体与壁面的热交换,即节流过程中流体与外界没有热量 交换,认为是绝热节流过程.气体经过节流口处容易形成漩涡、 扰 动等局部阻力,产生能量耗散效应.选取距截面较远的某处,且认 为该处气体的流动处于稳定状态,以截面11和22内部的气体 作为研究对象,应用稳定流动能量方程,可得到绝热节流前后焓值 相等 [ 3 ] h1 h2 1 式中h1, h2分别为流进和流出节流口的工作介质的摩尔焓,Jmol - 1. 焓是一个状态参量,对于理想气体,hfT,即焓为温度的单值函数,理想气体绝热节流后温度不变; 对于真实气体,hf p, T,焓值与压力和温度有关.真实气体的焓与压力和温度的关系式为 [ 4 ,5 ] d h Cpd T Vm-T 9V 9Tp dp 2 式中Cp为摩尔定压热容,JmolK - 1 ;T为气体的绝对温度,K;Vm为摩尔体积,m3mol - 1 ;p为气体 绝对压力,Pa. 考虑气体的等焓变化过程,即dh 0 ,由式2可得 d T 1 Cp T 9Vm 9Tp -Vmd p3 μj 1 Cp T 9Vm 9Tp -Vm4 式中μj为焦耳2汤姆逊系数,也称作绝热节流系数.真实气体节流后,如果μj 0时,即节流后气体的温度 降低,称为节流冷效应;如果μj 0 9 将式7两边对T求偏导,可得 p 9Vm 9Tp R10 由式4 ,7 ,10可得 μj - b/ Cp,气体通过节流口后的温度 将降低,称该区域为制冷区域;当等焓曲线在转换曲线外部时,即绝热节流系数μj,气体通过节流口后 的温度将升高,称该区域为制热区域 转换曲线是气体经过节流孔时的制冷区域和制热区域的边界线 583 0 0 .. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中 国 工 程 机 械 学 报第7卷 由式12还可以得到不同气体如氢气、 氮气和空气的制冷区域和制热区域的转换曲线.转换曲线与纵 坐标交点的温度值分别称为该气体的最大转换温度Tmax和最小转换温度Tmin;转换曲线上压力最大的点称 为最大转换压力pmax.对于氢气,其Tmax,Tmin和pmax分别为223 K、27 K和11. 7 MPa ;即当氢气气瓶环境温 度高于223 K - 50℃时,减压阀节流过程为单一的制热过程;气瓶环境温度在223～27 K - 50～246 ℃时,减压阀的节流过程存在制泠和制热的两种工作状态;当减压阀出口压力大于11.7 MPa时,节流口为 单一的制热过程.氢能源汽车的工作环境温度常在223 K- 50℃以上,因此,氢能源汽车减压阀的节流 过程大多为制热过程.对于氮气,Tmax,Tmin和pmax分别为850 K、95 K和31 MPa.空气的Tmax,Tmin和pmax跟 氮气较为接近.空气和氮气作为工作介质时,常温且进口压力不高于31 MPa时,减压阀出口温度都将下 降,即属于制冷过程.减压阀在工作过程中常常会出现出口压力波动的情况,此时出口温度也将随之产生 一定的变化.如图3所示,出口温度的变化情况与出口压力是否在转换曲线内部有关.当减压阀出口压力 在转换曲线内部时,出口压力上升,出口温度也随之上升;出口压力下降,出口温度随之下降.当减压阀出 口压力在转换曲线外部时,出口压力上升,出口温度反而随之下降;出口压力下降,出口温度随之上升.当 减压阀出口压力波动点正好在转换曲线上时,出口温度变化范围正好处于制冷区和制热区的叠加区域,出 口温度可以按照具体压力变化情况和气体性质由图3和图4确定. 图3 氢气作为介质时减压阀节流口处的等焓曲线 Fig. 3 Hydrogen is oent halpy characteristics of the pressure2reducing valve 图4 转换曲线 Fig. 4 Conversion curve 3. 2 出口温度 根据等焓曲线图可以得到减压阀在不同进口状态下的出口温度特性.图5所示为氢气作为介质时,设 定p2 0. 16 MPa ,在不同T1下,T2与p1的关系曲线.图5表明,T1一定时,T2随着p1的升高而升高;且 随着T1的升高,T2随着p1的升高而升高的幅度将变大.例如T1 225 K,p1分别为5 ,35 MPa时,T2分 别升高了0. 4 ,13.8 K,而T1 350 K,p1分别为5 ,35 MPa时,T2分别升高了1. 8 ,18.2 K. 图6所示为该减压阀用于氮气作为介质时的出口温度特性.设定p2 0. 16 MPa ,在不同T1下,T2与p1 的关系曲线.图6表明,在T1一定时,T2随着p1的升高而降低.例如T1 275 K,p1分别为5 ,35 MPa时,T2 将分别降低13. 7 ,49.7 K.可见,同一减压阀控制不同种类的气体时,出口温度的变化特性不同. 图5 氢气介质减压阀出口温度 F5 yf 图6 氮气介质减压阀出口温度 F6 Nf 683 i g.H drogen outlet temp erat ure oreducing valve ig.it rogen outlet temperat ure oreducing valve 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4期訚耀保,等氢能源汽车车载气动减压阀出口温度特性研究 4 结论 1利用气体绝热节流的热力学模型,得出了以氢气作为工作介质时氢能源汽车减压阀的节流口处的 等焓曲线,结果表明在常温下氢气作为介质时减压阀节流后的气体出口温度将升高. 2分别得出了以氢气、 氮气和空气作为工作介质时绝热节流过程的转换曲线,表明氮气和空气的制 冷区域比氢气要大得多.常温下节流时,以氮气和空气作为工作介质的减压阀节流后的气体出口温度将有 所降低. 3根据等焓曲线得出了以氢气和氮气作为工作介质时气体减压阀的出口温度变化特性. 参考文献 [ 1] 陈鹰,许宏,陶国良,等.压缩空气动力汽车的研究与发展[J ] .机械工程学报,2002 ,3811 7 - 11. 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