560 大學生方程式賽車設計(發(fā)動機匹配試算與裝配設計)(有cad圖+三維圖)
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汽車空調的二氧化碳冷卻系統(tǒng)的
工程和濕氣-壓縮吸收的測試
摘要
跨臨界的二氧化碳冷卻循環(huán)對環(huán)保來說是相當重要的,但是在高達120bar的高操作壓力下它的應用具有很大的挑戰(zhàn)性。濕氣-壓縮吸收 (WCA) CO2 冷卻循環(huán)是通過把非揮發(fā)性液體加入 CO2 冷卻循環(huán)系統(tǒng)實現的。CO2在液體中溶解度很高并且也很容易被解析。在 WCA CO2 冷卻循環(huán)中,較高的壓力少于35bar,大大低于跨臨界的二氧化碳冷卻循環(huán)。
在這篇論文中,根據對工作液體的各項熱力學分析,WCA CO2 冷卻實驗設備是通過限制現有汽車冷卻單元的外形和操作包裝構造的。正確的操作這個獨特的設備為汽車空調傳遞足夠的冷卻條件。系統(tǒng)性能和周期律的關系及內部熱交換器的效率要經過測試。設備使用的成分完全以現有的成份為基礎而不是為提高效率追求最大化的潛在物質。
關鍵字: 二氧化碳; 壓縮-吸收的周期; 測試; 車輛; 空調
1、簡介
與其他的冷卻系統(tǒng)相較, 比如吸收或熱電的冷卻系統(tǒng),蒸汽壓縮系統(tǒng)由于他們的高效率而廣泛的被使用。但是傳統(tǒng)的蒸汽壓縮系統(tǒng)對碳氟化合物的使用易對環(huán)境造成污染而逐步被淘汰?;诃h(huán)境友好的潛在選擇性冷卻系統(tǒng)目前具有較低的性能需要發(fā)展更新的有更高價值的成分。這些問題很顯然存在于傳統(tǒng)的汽車空調的二氧化碳冷卻系統(tǒng)中,即使CO2目前是替代CFC/HCFC的最好辦法,跨臨界的二氧化碳冷卻系統(tǒng)承受較高的操作壓力,不同于現有成分的成分具有較低的性能。
為了減少跨臨界的二氧化碳冷卻循環(huán)系統(tǒng)的操作壓力和費用,本論文經過研究將濕氣-壓縮吸收 (WCA) CO2 冷卻循作為汽車空調。此循環(huán)將跨臨界的二氧化碳冷卻循環(huán)和吸收冷卻循環(huán)聯系在了一起。由于吸收劑吸收了二氧化碳在吸收體里,WCA CO2 系統(tǒng)解除壓力重要地減少到不高于35bar以便那現有的成份為基于蒸汽壓縮系統(tǒng)的碳氟化合物直接地被吸收?;旌弦后w在系統(tǒng)各處流通。吸收體和解吸蒸發(fā)器分別地代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)的凝結器。
這不是第一次聯合蒸汽壓縮和吸收周期在冷卻系統(tǒng)中。大部分共同的系統(tǒng)是
帶有VCCSC的蒸汽壓縮循環(huán)。
命名法
一 區(qū)域 (m 2) x 離心因素
C 周期 Dp 差別的壓力 (Pa)
d 公斤 kgA 1 干空氣
h 特性焓 (kJ kgA 1) 腳注
m 塊 (公斤) a 空氣
M 摩爾 (g molA 1) c 冷卻;重要狀態(tài)
P 壓力 (Pa) 壓縮物
q 空氣流程率 (m 3 sA 1) h 高溫
Q 熱流出 (千瓦) I 工作液體
T 溫度 (K) 物體內部
V 體積 (m 3) 1 低溫
W 力量 (千瓦) n 混合的成分編號
x 摩爾分數 物體外部
q 密度 (公斤)
g 效率 r 比率
Groll 發(fā)展了一個樣品單位并總結了1998年之前的研究成果。他對在以 CO2/丙酮作為工作液體對VCCSC在實驗和數字的研究具有顯著的成就。與 NH3/H2 O 系統(tǒng)相比,CO2/丙酮在高度溫度環(huán)境應用下具有很大的競爭力, 像是熱邦浦。Itard 和 Machielsen 發(fā)展了以 NH3/H2 O 作為工作液體的一個實驗的 VCCSC 樣品單位。他們發(fā)現對外表面的局部條件最好將全部NH3濃縮在制高點上。與蒸汽壓縮系統(tǒng)相較, VCCSC 的主要優(yōu)勢是較高的潛在性能、新的能力控制選項、操作壓力的減少。盡管VCCSC的性能具有恨得吸引力, 但系統(tǒng)對安裝空間受限制的汽車空調的系統(tǒng)條件要求叫復雜。因此, 在WCA 周期通過在VCCSC 取消解決線路, 單一化能潛在減少工作壓力的系統(tǒng)程序。 Spauschus獲得二個基于 WCA 周期 的冷卻系統(tǒng)專利. 連同 Visteon 一起,Spauschus 呈現他們的起始測試結果。 結果表示 CO2 WCA 周期是有能力遞送足以支撐的冷卻能力。同時地, 一個源自制高點的周期模型包含了CO2/能吸收的混合特性和外部的環(huán)境條件也得到了改善。后來的工作描述了一個 WCA CO2冷卻系統(tǒng)周期模型。模擬展現了IHX 的性能和周期比在系統(tǒng)性能上具有很強的影響。
在這篇論文中,不是以設計和生產出一種商業(yè)上可行的新的冷卻產品。相反的,主要目的是對于汽車應用使用的WCA CO2冷卻系統(tǒng)在概念示范上的證明,以及找到了系統(tǒng)性能、周期比和IHX性能之間的關系,哪一個對以后的研究有更深遠的影響。
2、原型設計和測試設備
2.1、程序和器具圖表
圖表展示了整個測試設備的結構。戶外的房間環(huán)境的情況由一個電的加熱器和一個空調控制著, 而戶內的房間環(huán)境由一個電加熱器、一個增濕器和一個空調控制著。能夠驅動風扇的變速度馬達安裝在每個房間中的空氣輸送管中模擬不同的熱交換器在實際應用中遇到的空氣速度。氣流率是以噴嘴測試。溫度和濕氣是以 Pt100 溫度計測試。 科里奧利塊流程公尺, 連同 T 熱電偶和壓力轉換器一起安裝在每個成份區(qū)域的冷凍邊緣的上下部分。壓縮物體的力用測力計直接地測量, 包括有帶子和沒有帶子的損失。測試臺簡單的反映了感應器的準確性和功能。
在圖中也展示了 WCA CO2 冷卻原型單位環(huán)。WCA 原型的主要的成份被挑選出來與汽車空調應用中現有的 R134系統(tǒng)外部尺寸大致相配。系統(tǒng)成份的概要列在表 2。安裝了三副感光鏡來監(jiān)測工作液體的狀態(tài)。WCA 的工作程序周期是:在解吸過程中,超過了蒸發(fā)溫度工作混合液體中更多揮發(fā)性成份 (CO2)就會蒸發(fā)消失。在這之后, CO2 蒸汽和吸收了C5H9的液體被壓縮到一有利于吸收體吸收的高壓環(huán)境。在吸收過程中,熱氣不經過熱洗滌槽,并且CO2蒸汽被C5H9NO所吸收。此過程完成后最終回到吸收體中。IHX被用來傳送熱氣從高溫溶液到低溫溶液。在低溫的IHX中樣品單位利用旁路管道控制它的效率。
表 1
器具規(guī)格和功能
項目 準確性量功能
PT100 ± 0.1 °C 4 空氣邊溫度和濕氣
T 熱電偶 ± 0.2 °C 15 冷凍的邊溫度
壓力下降轉換器 ± 2.5 Pa 2 空氣邊壓力不同完成的噴嘴
壓力轉換器 ± 0.5 酒吧 6 冷凍的邊絕對的壓力
力量公尺 ± 0.02個千瓦 1 壓縮物力量輸入
流程公尺 ± 0.8 公斤/h 1 冷凍的塊流程率
RPM 公尺 10個轉/每分 1 壓縮物速度
表 2
原型的主要部份成份
項目 規(guī)格
壓縮物 卷橋壓縮物, 換置 89 cc/轉
吸收體 明礬的, 六個途徑平行流程熱交換器,裝有百葉窗板的有鰭, 740. 290.(L 。 W 。 H)
使解吸 明礬的, 15條途徑帶子-管熱交換器,裝有百葉窗板的有鰭, 305. 185. 90(L 。 W 。 H)
IHX 青銅碟子熱交換器, 總數熱移動區(qū)域: 0.9 m 2
擴充活瓣 手冊, 大頭針-活瓣
接收器 明礬的, 體積: 1500 cm 3
圖 1. 原型和測試設備。
2.2. 不確定分析
主要的實驗結果是解吸空氣流程率q,系統(tǒng)冷卻能力Qc,壓縮物力量輸入
W補償和性能系數。這些叁數之間的關系是:
C 是一個常數, 0.99; n噴嘴的噴嘴區(qū)域;Dp經過噴嘴的壓力差;qa在噴嘴插入處的空氣密度;hin和hout是吸收體分別在吸收和釋放時的空氣焓。Gtotal是常數0.686計入損失的力,帶子, 抓緊、二個有柔性的聯編者和發(fā)明家。根據被Moffat提出的方法精密的器具規(guī)格在表1中,性能系數的誤差是0.036。
表3
工作液體特性
2.3.工作液體
吸收劑的基本性能是CO2能快速溶解在它里面很快地達到平衡。CO2在吸收體中的可溶性對壓力是很敏感的。吸收體應該是能夠耐高溫,比如150oC。吸收劑的其他特性是低黏質和密度、低毒性。C5H9NO被作為吸收體在這研究中。CO2和C5H9NO的純凈度是99.99%。CO2和C5H9的主要性能列在表3中并有C5H9NO的更多性能。
3.工作液體的熱力學模型
熱力學模型的發(fā)展是基于Soave提出的EOS方程式。(P ? RTAV eV t bT e4T)模型對于CO2和C5H9NO混合的液體和蒸汽是很有效的,公式中的P是總數壓力,T是絕對溫度,V是摩爾體積,R是國際瓦斯常數。對于給定的(T,P)三個典型的摩爾體積可滿足Eq,其中最小的符合液體狀態(tài)最大的符合蒸汽狀態(tài)。叁數a和b是從標準混合規(guī)則獲得的:
在這里ai、aj和bi表示純凈的CO2和C5H9的物理特性并取決于臨界參數和表3列出的離心因素。kij是一個二進位的交互作用叁數取決于實驗數據, 這里是 0.004。 xi, xj 分別表示CO2和C5H9在液體狀態(tài)下的摩爾分數。
使用這模型,CO2/C5H9NO蒸汽-液體狀態(tài)要保持在固定的壓力下??紤]到成份操作壓力和溫度限制,原型操作設備能在預計的理想情況下有幫助于控制CO2量和吸收的費用。圖2表示平衡圖表和操作設備用交叉線標記。最大值操作溫度和壓力分別是60°C和35bar。在這里,模型的主要作用是確定了原型的操作設備。熱力學模型的更多細節(jié),如何描述焓,熱力學函數改變與溫度和壓力之間的關系和蒸汽-液體狀態(tài)有關研究方面的著作。
從圖2可看出,考慮到樣品單位的操作壓力和溫度限制,最大值 CR(周期比) 大約 是0.16. CR 是有計算得出的。mCO2和mC5H9分別表示CO2和C5H9的質量。周期比根據CO2和C5H9之間的比例而改變。
4. 測試結果和討論
原型的測試真值表是根據汽車空調操作條件和原型操作的壓力限制制作的。真值表結果列在表5中。表4給出了每個標準值。表4中在IHX效率專欄中, ''0'' 表示沒有IHX, ''總數''表示使用所有的那熱交換器。IHX的效率由計算得出。熱量計測試結果在表6中。它顯示了研究獲得的最初性能。一個獨特有能力遞送持續(xù)不斷的冷卻的 WCA CO2 冷卻系統(tǒng)有和現有的HFC134a冷卻單元相當的外形設備構成。
從例1, 2 和 3,顯示系統(tǒng)周期比對系統(tǒng)性能有很大的影響。系統(tǒng)周期比變化在 8-13%范圍內,系統(tǒng)能力增加21.6%。同時, 尤其在高壓縮物旋轉速度下增加系統(tǒng)周期比,系統(tǒng)壓力將不再增加。因為操作壓力限制, 例9測試不能實現。有和沒有IHX,系統(tǒng)能力和性能系數分別是9%和19.3%,體現在例1,4和5。在例1和4,IHX 效率是95%和34%;例5沒有IHX。最大性能值在例8中,在高壓縮物速度和系統(tǒng)周期
比。
總之, WCA CO2 冷卻系統(tǒng)的效率和冷卻性能不太可能適合全負荷操作下設計完好的蒸汽-周期系統(tǒng),這就是為什么蒸汽-周期系統(tǒng)領先了數十年。 然而,這個系統(tǒng)并不是最優(yōu)的在將來的工作中有待于改善,WCA CO2 系統(tǒng)的環(huán)境利益可能是在實踐中獲得。
5、總結
使用CO2和C5H9作為工作液體的汽車空調 WCA 冷卻原型已得到發(fā)展。測試結果表示系統(tǒng)能補給足以支撐的冷卻能力。WCA系統(tǒng)在汽車應用中有優(yōu)勢并發(fā)揮重要作用,硬件能夠兼容R134a蒸汽壓縮系統(tǒng)。
從測量,發(fā)現系統(tǒng)周期比和IHX性能對系統(tǒng)容量和性能有重要影響。在特定的情況下存在一個最適宜的性能系數和IHX量。通常,對CO2和C5H9最適宜的系統(tǒng)周期比是10 – 20%。對IHX 含量, 應考慮到系統(tǒng)效率和經濟因素。通常效率可達到85%。
為了改善系統(tǒng)性能和容量適合R134a系統(tǒng),長期研究為了找到更好的吸收體找到控制CO2集中的方法,優(yōu)化壓縮物適和濕氣壓縮并校訂加熱交換器兼容CO2吸收混合體。
參考文獻
[1] G. Lorentzen,天然制冷劑的使用:對氟氯碳化物/HCFC 替換的完全解決辦法
,Int。 J. Refrig。 18(3)(1995)190 – 197.
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