高压气动真实气体效应与减压系统基础理论及实验研究

摘要

高压气体以其独有的瞬间膨胀性大,功率密度高等优点,在武器装备,气动汽车及压缩气体储能发电等领域得到应用。现有的文献中大多针对理想气体,对高压气动真实气体效应、气动过程的多变因子取值及气体能量传输等方面研究较少,然而这些问题均是研究气动系统,特别是研究高压气动系统的基础问题。本文首次研究了高压气动系统可用能、焓、内能,充放气过程及节流减压可用能效率等热力学问题的真实气体效应,并对高压气动减压系统的原理和多变因子以及焓与可用能传递特性进行了理论及实验研究。主要内容如下:
　　 第一章,介绍了高压气动及气动减压阀的发展现状,综述了压缩空气能量定义的发展,现阶段真实气体效应的研究。介绍了开关膨胀减压系统的由来,以及多变因子与气容模型的研究现状。提出本课题的主要研究内容。
　　 第二章,研究了高压真实空气的可用能。首先通过气体可用能的定义,首次推导出真实气体可用能计算公式.通过维里方程、P-R方程及S-R-K方程建立压缩因子库,计算出高压真实空气的可用能,并分析真实气体效应对高压空气可用能计算的影响。结果表明当压力小于30MPa时真实空气可用能与理想气体假设下的可用能差别小于1％。
　　 第三章,首先分析了能量转换中空气焓及内能的真实气体效应,基于压力,焓以及内能的关系,研究了高压气动系统充放气过程的真实气体效应。结果表明,由于真实空气的压力焓与压力内能均为负值,高压真实空气的焓与内能明显小于理想气体的焓与内能。真实气体效应加速了放气过程温度和压力的下降速率,减慢了充气过程温度和压力的上升速率。由于采用真实气体建模,以及测量气动系统具体热容都较困难,本课题首次提出了理想气体假设下通过调整仿真中气动容腔的热容补偿真实气体效应的方法。
　　 第四章,计算了传统节流减压的可用能效率。使用焦耳一汤姆逊系数计算高压空气节流减压前后的温度变化,结果表明在常温30Mpa以下的气动系统中,热可用能对节流减压效率贡献很少,真实气体效应对传统节流减压的可用能效率影响很小.因此,本文推荐采用理想气体的较简单的公式计算常温空气节流减压的可用能效率。
　　 第五章,介绍了开关膨胀减压系统的减压原理,建立实验系统,对开关膨胀减压实验系统建立了综合的数学模型。获得大量实验数据,实验结果表明仿真模型很好的预测了开关膨胀减压系统的实际特性,开关膨胀减压系统在减压比和输出质量流量方面有很强的适应性。实验结果也证明了第三章提出的仿真中在理想气体假设下补偿真实气体效应的方法是可行的。
　　 第六章,分析了开关膨胀减压系统供气气罐及膨胀气罐中气体的传热特性及多变因子。通过数学推导,将多变过程建模与传热模型,第一定律建模联系起来,多变因子的取值可通过气动容腔中气体的质量交换、热交换及功交换计算获得。开关膨胀减压系统的多变因子分析表明,当气体在放气过程中吸热可以引起气体温度的上升时,多变因子小于1;若气体经历放气放热过程,则多变因子大于比热容比(1.4)。同时,利用气容的概念建立了开关膨胀减压系统的简化模型,并结合多变因子分析研究了此简化模型的误差特性。
　　 第七章,对比分析了开关膨胀减压系统的能量平衡,内能、焓和可用能的传递特性,研究了可用能分析与能量平衡分析的差异。基于以上分析,为了提高气动系统的可用能效率,无功率输出的减压环节应尽量避免。并对气动系统节能改进提出一些建议。
　　 第八章,总结了本课题的主要工作、结论及创新点,并对后续工作做出了展望。