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燃料电池又一个大消息,未来市场规模料超16万亿

发布时间2023-01-16人气:613

        本公众号得到严铭卿的授权和委托,发布严老近期闲暇时间写的关于燃气方面的随想和往事。开篇系列是燃气科技理论探索相关部分,本公众号会定期发布,欢迎收藏关注,持续阅读。

        图片 1.png

        本文为燃气科技理论探索文章

        一一引射器计算模型

        本系列文章的前期文章阅读回顾:

        燃气科技理论探索杂记

        液化石油气压缩机卸车公式

        液化石油气储罐的设计压力

        液化石油气液相管道输送

        液化石油气钢瓶自然气化

        LPG露点计算与管道气态供气的防凝动态分析

        液化石油气蒸发器计算模型


        引射器计算模型

        流体从孔道以一定速度流向相对很大的空间,称之为自由射流。对自由射流的规律性已有十分成熱的研究,有一系列的关于此种射流流动参数和几何形态的数学表达公式。

        在工程技术中有很多设备、装置中的射流是发生在有限的空间中,例如燃气工程中的混合气引射器,引射式燃具等,主导的喷射流体(燃气)在有限空间中不断卷入周边流体(例如空气)形成射流。但是具体地看待问题,就可以看到,相对于燃气以很高速度喷出的孔道或相对于射流的整体形状,接受射流的引射器空间是相对足够大的,不妨将足够大的有限空间看为无限大空间:突破概念上的约束。

        在扩大的空间中速度场的衰减是很快的,因此引射器空间边界对射流主体影响很小,即对射流并不形成明显的限制,射流的形态接近于自由射流的形态。由此可以考虑将这两类燃气设备中的气体流动混合过程按自由射流对待,使问题在利用自由射流的已有研究成果的基础上加以解决。

        射流还有一个基本特点,那就是射流喷入外部空间即进入一个均匀的压力场中,压力不是一个变量,只是一个参数:并且它只受被引射气的压力控制。这样就使得问题得以明朗化。

        在自由射流断面上实验表明流速是呈“幂函数分布”。将这一流速分布关系应用于射流体的动量守恒和流量计算式。这一点也是自由射流模型区别于传统模型的基本点(另一基本点是不在喷射口内断面与混合段进口断面之间建立动量方程)。用截面上流速的“幂函数分布”取代了传统模型的“平均分布”。无疑更接近于实际。

        考虑关于喷射气喷射前与喷射出流后的热力学参数关系,射流气出口载面上的气流密度与混合段进口载面上的混合气密度的关系,以及射流器混合段、扩压段的流动损失和动能与压力转换,即可推导出引射器的结构基本关系式和工作压力特性方程。

        ①可以知道,参数及混合比相同,容量不同的引射器在几何上是相似的。

        ②由引射器的结构基本关系式看到,引射器的结构是由喷射气、被引射气的热力学参数和要求的混合比确定的。因此,引射器设计不存在所谓混合段进口与喷嘴出口的断面积之此

        图片 2.png

        “优化”问题。反过来,在流体热力学参数一定的条件下,对应于不同的F就会产生不

        同的混合比。那样就是破坏了原先设定的混合器参数要求的前提。

        在1950年代,我国有一本从前苏联翻译的索科洛夫《引射器》权威著作,一直以来,它是引射器方面的源头文献。该著作的基本依据就是“引射段动量守恒原理”。我所进行的工作除了采取自由射流模型的新的推导过程及其他方面外,基本不同处还在于:

        ①不在喷射口内断面与混合段进口断面之间建立动量方程;

        ②由于采用自由射流模型,将传统的视引射器射流段断面上的速度是“平均分布”改进为接近实际的“幂函数分布”,即采用了半经验的表达式;

        ③不采取索科洛夫等原苏联学者研究的引射器“优化”概念。明确指出:从引射器的结构基本关系式看到:引射器的结构是由喷射气、被引射气的热力学参数和要求的混合比确定的。这即是由于(自由)射流热力学特性与流动的几何特性存在固有关系;假若用与混合段进口与喷嘴出口的断面积之比有关的其他函数(例如引射器出口压力)作优化目标,以面积比作优化变量,进行优化运算,会得出改变这种固有关系的结果。即不存在所谓混合段进口与喷嘴出口的断面积之比的“优化”问题。

        无疑,对引射器的新推导还希望更多的人认可,尤其是要否定在国内流传已久的索科洛夫等原苏联学者研究的引射器“优化”概念,对这种学术问题的探讨,会需要经历一个取得共识的过程。

        在2000年,应山东一家设备公司的要求,对一种液化石油气引射空气的混气器进行设计计算,所得结果与他们从美国进口的混气器接近。实际上是为他们的进口设备作了一次验算。

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                2018.10.2

        引射器模型相关技术内容

        在当今燃气引射混合器(引射器)实际的运行参数(喷嘴前的喷射气压力,喷嘴出口处的背压环境)条件下,引射段的流动具有很强的自主性。具有相对很高的流动强度。喷射气流与被引射气流形成混合的射流,很接近自由射流。混合气经过混合段与扩压段的流动状态变化,形成具有供出参数的状态。混合段与扩压段流动只在一定阶段,在某种程度上回馈作用影响到引射段的工作。这也是引射器具有在很宽范围内保持混合比(引射比)接近不变的特性的流体力学原因。

        基于混合器的流体力学规律,按引射段自由射流模型对燃气引射混合器进行分析,作者给出混合器结构参数的计算方法和推导出混合器工作的基本方程。

        燃气引射混合器的结构简图。

        1673838351110781.png

        混合器的引射段空间容积相对于喷嘴出口较大,被引射气流充斥其间,流速较小,因此喷射气流在引射段中形成自由射流。由于是自由射流,所以:

        ①引射段中射流中各处压力相等;

        ②射流的各截面,动量通量保持不变;

        ③喷射流出口气流的密度为未命名公式文件_20230113174957.jpg,可由喷射气体绝热膨胀关系求得:

        图片 4.png       (1)

       式中

        未命名公式文件_20230113174957.jpg ——喷射气喷嘴出口处密度(引射段压力状态),kg/m³;

        未命名公式文件_20230113174957 (2).jpg——喷射气流喷嘴前密度,kg/m³;

       未命名公式文件_20230113174957 (4).jpg ——引射段空间压力,MPa;

       未命名公式文件_20230113174957 (5).jpg——喷射气喷嘴前压力,MPa;

        未命名公式文件_20230113174957 (6).jpg——喷射气流的绝热指数。

        引射器入口段被引射气压力为:

       未命名公式文件_20230113174957 (8).jpg             (2)

        引射器入口段被引射气密度为:

        图片 5.png       (3)

        式中 

       未命名公式文件_20230113174957 (9).jpg——引射器入口段被引射气密度,kg/m³;

       未命名公式文件_20230113174957 (11).jpg——被引射气进入引射器前的密度,kg/m³;

       未命名公式文件_20230113174957 (12).jpg——被引射气进入引射器前的压力,MPa;

      未命名公式文件_20230113174957 (13).jpg——被引射气经引射器入口的压降系数。

        ④射流的各截面上沿截面的流速分布具有相似性,有如下半径验公式

        图片 6.png   (4)

        式中 

        未命名公式文件_20230113174957 (14).jpg——射流截面上r点处的速度, m/s;

       未命名公式文件_20230113174957 (15).jpg——截面轴心处的速度,m/s;

        未命名公式文件_20230113174957 (16).jpg——截面上任意点到轴心的距离(对初始段为到核心区边界的距离),m;

       未命名公式文件_20230113174957 (17).jpg——截面上的射流半径(对初始段为截面上边界层厚度),m。

        对燃气引射混合器的设计,要在给定喷射气量未命名公式文件_20230113174957 (22).jpg,喷射气压力未命名公式文件_20230113174957 (19).jpg,被引射气量未命名公式文件_20230113174957 (18).jpg,被引射气压力未命名公式文件_20230113174957 (12).jpg以及两种气体的温度等条件下确定混合器各部分的构造尺寸。

        先定义标准体积混合比(即通常称的引射比):

       图片 7.png   (5)

        质量混合比为:

        图片 8.png  (6)

        式中

        未命名公式文件_20230113174957 (21).jpg ——标准体积混合比,一般由对混合气的燃烧特性的要求确定;

       未命名公式文件_20230113174957 (18).jpg——被引射气的体积流率(标准状态),m³/h;

        未命名公式文件_20230113174957 (22).jpg一一喷射气的体积流率(标准状态),m³/h。

        未命名公式文件_20230113174957 (24).jpg——被引射气的密度(标准状态),kg/m³;

        未命名公式文件_20230113174957 (23).jpg——喷射气的密度(标准状态), kg/m³

       未命名公式文件_20230113174957 (25).jpg——质量混合比。

        在引射段末端(喉部截面,即混合段始端)完成所规定的混合,即形成质量混合比为u的混合气。这是一个基本概念。

        在引射段末端截面(标记为t)的混合气平均密度为:

        图片 9.png       (7)

        式中 

        未命名公式文件_20230113174957 (26).jpg——引射段末端截面的混合气平均密度, kg/m³;

        图片 10.png      (8)

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