涡轮喷气发动机的热力循环(液氮发动机的热力循环设计方案之研究)

所谓液氮发动机是指能够在环境热源和液氮冷源之间工作，并将转化热能转化为机械能的热力机械。由于液氮是一种可再生的绿色能源，它是绿色汽车的主要能源之一。美国的华盛顿大学和北德克萨斯大学率先开展了液氮发动机的研究，并取得了一定的阶段性研究成果。他们分别开发了液氮动力汽车“LN2000”和“COOLN2”。其中，LN2000为活塞式液氮发动机，具有开放式朗肯循环系统和三套管式换热器。经过这些调整，每消耗109升液氮就能保证汽车行驶3.2公里。COOLN2也选择了开放式朗肯循环系统方案，但它选择了旋转电机来输出动力，而不是采用活塞式液氮发动机。此外，再生器中对的合理利用使液氮提前预热，使汽车每消耗180升液氮可行驶24公里。因此，旋转电机的输出功率很大。

从目前的发展情况来看，中国对的液氮汽车研发主要表现在气动发动机性能的提高，而对的液氮汽车动力转换系统存在两个主要问题：一是有效利用对，的液氮冷能，以适当增加车辆里程；另一个是对1号热力循环设计方案中无霜设备的设计与开发

据相关研究，当对处于液氮发动机的理想状态时，即使用卡诺循环时，环境温度为30万K时，液氮的比输出功率可达799kj/kg，而使用等熵朗肯循环时，当压力为3MPa时，液氮的比输出功率只能达到189.8kj/kg。相比之下，等熵朗肯循环的能量损失率与循环， 卡诺相比高达60%，当液氮温度低于3MPa时，其沸点为125K，在此沸点下，空气中的水蒸气、二氧化碳等低沸点物质会在换热器表面迅速凝结成冰，大量的冰块会传递发动机的能量，造成大量的能量损失。这个问题就是液氮发动机的结霜问题。因此，解决液氮发动机结霜问题的主要途径是枕形换热器的表面温度高于水的冰点。具体方法是在能量损失的地方增加适当的热循环，将管道输出到外界，这样既可以保证开放朗肯循环，的正常运行，又可以提高系统的总输出功率。

因为朗肯循环可以分成许多组，每个循环可以根据沸点形成一个系列系统，上级循环可以为下级提供热能，第二下级循环可以为上级循环提供冷源。这样，就形成了一个完整的传热系统。首先，环境中的热量首先传递到循环较高液位的高温部分，然后通过循环到达最低液位的液氮循环，通过调节压力，可以控制循环最高液位的沸点，使“始终保持”高压部分的温度高于冰点，从而避免换热器结霜。由于沸腾鱼的冷凝传热系数远高于气体的冷凝传热系数，循环之间的换热器通常布置得相当紧凑。根据最小熵理论，如果换热器的温差很小且平均，则换热器的不可逆性导致最小熵增加，即第二高热力学效率。如果相变换热器始终保持在小温差的恒定传热条件下，同时满足最小熵增，如果采用布莱顿循环，吸热后温度迅速上升，导致气体环境温差频繁变化，总体上会降低液氮的比输出功。如果循环系统单独存在，反应堆内部系统的压力会增加，从而增加输出功。然而，由于压力的增加，系统的不可逆性增加，这只能导致整体产量下降。液氮发动机车辆最新兴的运输方式必须确保行驶安全，并确保现有材料能够满足车辆制造的要求。因此，为了降低系统的内部压力，对必须与串联系统中的温度相连，以便循环之间的压差能够满足在对之外做功的需要。因此，我们选择甲烷、乙烯和R134a作为封闭的朗肯循环的工作流体。假设除了最高级别的循环系统之外，每个循环的压力为1MPa。根据30万时的环境温度和等熵工作方法，当温度达到29万时，压力饱和为0.52兆帕。根据这种情况，可以计算出每个循环的总输出功为434.8千焦.相变传热的温差通常约为5-10K。根据相变温度可知，循环流体的上下温差相对较大。例如，r134a在0.10兆帕时的相变温度为247.0千，而乙烯在1.00兆帕时的相变温度为220.1千，它们之间的相变温差约为27千。如果不断增加乙烯的侧压力或降低R134a的侧压力可以减小它们之间的温差，那么系统可以产生更多的机械功。因为R134a之间的循环压力是可以控制的，所以系统不受气候条件的限制。当空气湿度较高或下雨时，大气测得的传热系数继续上升，我们可以通过降低温差来维持系统内的热平衡。当天气晴朗，温度上升时，热交换器可以吸收太阳能，进一步增强高压气体的温度，从而提高系统的工作能力。在不同的温度条件下，R134a系统的饱和压力是成正比的。

2.对多级循环系统的设计主要体现在两个方面。一方面，有必要确定循环，的工作极限，另一方面，有必要确定设备的初步选型。假设三个封闭系统分别代表R134a、乙烯和甲烷。然后，当液氮被这三种物质的膨胀气体和大气加热时，朗肯循环就开始了。加热后的液氮进行等熵膨胀后，温度可达155.4K，镅可继续提供冷源。因此，我们指定