CN113466691B - 一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法 - Google Patents

一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，将发动机工作过程具体分为第一压缩、第二压缩、中冷、燃烧、膨胀、膨胀六个阶段，每个阶段取步长
Figure DDA0003121916860000011
为0.1，与混合加热理想循环每个阶段相对应，进行迭代求解，将得到的压力进行积分计算，求出工作过程的有效功W，再根据有效功W与总投入热量Qtotal的比值求出有效热效率，与所耦合电机的效率相乘，即为整个两阶段压缩膨胀发电机的发电效率；本发明不局限于某一特定运行工况，并且对发动机具体型号依赖相对较小，相比CFD模型计算速度相对较快，可广泛应用于工作过程仿真，进行发动机性能预测、故障诊断等方面的研究，为更广范围的发电机热效率优化设计提供了数值预测手段。

Description

一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法
技术领域
本发明涉及发电机工作过程优化领域，具体地，涉及一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法。
背景技术
近年来，随着社会的不断发展，能源短缺问题日益突出。在各种形式的能源中，电能是被使用最为广泛的能源之一，而电能在车辆、船舶等行业中又是主要由柴油机进行提供的。因此，在由传统的柴油机引发的负面影响日益加剧的情况下，新型自由活塞式内燃发电机(FPLA)成为研究热点。FPLA是自由活塞式内燃机(FPE)与直线发电机(LA)直接耦合的产物，且综合了两者优点,将燃料的化学能直接转化为电能。而现有的双自由活塞发电机更是采用四冲程设计，并应用两阶段压缩两阶段膨胀的新式循环，可以有效消除二冲程发电机带来的震动，相比于传统的内燃机发电过程具有更高的发电效率与经济性能，因此正在受到越来越多的关注。
由于自由活塞式发电机的发电效率与发动机的热效率和电机的效率密切相关，而一般我们所采用的电机其效率通常在90％-95％之间，因此相比于电机效率，发动机热效率的高低对于整个自由活塞发电机的发电效率起着关键性的作用，而采用一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法预测发电机效率更是具有重要意义。
目前有效热效率的仿真预测主要分为零维模型(单区模型)、准维模型(多区模型)和多维模型。复杂的准维及多维模型,尽管具有再现燃油喷射燃烧过程中物理化学反应的潜力,但仍然受到缺少某些过程的精确知识的限制,并且计算量相当可观,耗费机时过长,不能满足性能预测、控制分析及实时仿真的要求。在动力装置控制与仿真中应用的主要还是零维模型,像容积法模型、平均值模型等都属于零维模型。因此本发明主要应用零维模型中的容积法模型，并以混合加热理想循环(萨巴德循环)为理论基础，基于两阶段压缩两阶段膨胀的工作过程，提出了一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法。
发明内容
本发明为提出了一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，实现在任意发电机运行工况下其发电效率的快速稳健预测，为两阶段压缩膨胀发电机工作性能优化与发电效率的提升提供更优的数值分析方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，所述方法包括以下步骤：
将发动机工作过程具体分为第一次压缩、第二次压缩、中冷、燃烧、第一次膨胀、第二次膨胀六个阶段，每个阶段取步长
Figure BDA0003121916840000021
取值相同，与混合加热理想循环每个阶段相对应，进行迭代求解；
步骤一：根据所用发动机的几何参数和初始参数确定边界条件与初始条件，并给定绝热指数κ；所述绝热指数是指理想气体可逆绝热过程的指数；
步骤二：在所述第一次压缩阶段中，用绝热指数κ进行计算，利用理想气体可逆过程计算公式可得第一个压缩阶段后的温度T2及压力P2，并将其作为第二次压缩阶段过程的起始参数；
Figure BDA0003121916840000022
Figure BDA0003121916840000023
Figure BDA0003121916840000024
其中，P1为第一次压缩阶段前的压力，T1为第一次压缩阶段前的温度，V1 K为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，
Figure BDA0003121916840000025
为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段后的体积；V1为第一次压缩阶段前的体积，V2为第一次压缩阶段后的体积，ε为第一次压缩阶段前后的体积比；
步骤三：对所述第二次压缩过程进行计算，根据压缩过程一个步长
Figure BDA0003121916840000026
内的传热量
Figure BDA0003121916840000027
体积功
Figure BDA0003121916840000028
工质质量m，第二次压缩过程工质比热容cv1，通过热力学第一定律求出第二次压缩过程中一个步长内的温度变化
Figure BDA0003121916840000029
Figure BDA00031219168400000210
其中，QW为第二次压缩过程中的传热量，V为第二次压缩过程中的体积，T为第二次压缩过程中的温度；
根据步骤二得到的第一个压缩阶段后的温度T2，求解出第二次压缩过程中的第一个步长终点的温度T3，将T3作为下一步长的初始温度迭代计算，得到压缩过程各步长的温度；将各步长温度，通过理想气体状态方程pV＝RT，计算得到相应各步长的压力；
步骤四：对中冷器过程进行计算，根据中冷器出口空气温度Ts的计算公式得出经过中冷器后的温度，使用空气通过中冷器造成的压力损失Δps计算出口的压力ps，具体公式如下：
Figure BDA0003121916840000031
Figure BDA0003121916840000032
ps＝pK-Δps
其中，t为时间，TK为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，Two为中冷器出口冷却水温度，Twi为中冷器入口冷却水温度，Csw为传热系数K和传热面积AK的乘积，cpw为冷却水定压比热容，mw为冷却水质量，ms为空气质量，
Figure BDA0003121916840000033
为空气质量流量，ρs为中冷器进口处空气的密度，Ak为中冷器通流面积，ηr为中冷器阻力系数，pK为绝热指数κ状态中冷器的压力；
步骤五：对燃烧过程进行计算，设为混合加热理想循环中的定容加热和定压加热，根据燃烧过程一个步长
Figure BDA0003121916840000034
内的传热量
Figure BDA0003121916840000035
体积功
Figure BDA0003121916840000036
工质质量m*，燃烧过程中工质比热容cv2，燃料燃烧投入热量gf(Hu-u)，燃烧速率
Figure BDA0003121916840000037
通过热力学第一定律求出燃烧过程中一个步长内的温度变化
Figure BDA0003121916840000038
Figure BDA0003121916840000039
其中，
Figure BDA00031219168400000310
为燃烧过程中的传热量，V*为燃烧过程中的体积；T*为燃烧过程中的温度；
重复步骤3的温度迭代步骤，求解得出各步长的温度与压力；
步骤六：对两次膨胀过程进行计算，设定为混合加热理想循环中的绝热膨胀，重复步骤3的计算过程，代入燃烧过程后的工质比热容cv3，求解得出膨胀过程各步长的温度与压力；
步骤七：对步骤3、步骤4、步骤5、步骤6得到的压力进行积分计算，求出工作过程的有效功W，再根据有效功W与总投入热量Qtotal的比值求出有效热效率，与所耦合电机的效率相乘，即为整个两阶段压缩膨胀发电机的发电效率：
Figure BDA0003121916840000041
η＝η1·η2。
进一步地、在步骤一中，当发动机的压缩过程中气体的温度范围为300～400℃；
当发动机的压缩过程中气体的初态温度和终态温度变化幅度大于600K，则采取平均定熵指数κav来代替给定的绝热指数κ。
进一步地、在步骤三中，将第二次压缩过程的环境，设定为混合加热理想循环中的绝热压缩。
进一步地、在步骤四中，中冷器在设计工况时的压力损失，Δps＝0.3～0.5kPa。
本发明有益效果
(1)本发明以混合加热理想循环(萨巴德循环)为理论基础，基于两阶段压缩两阶段膨胀的工作过程，对任意初始工况下两阶段压缩膨胀发电机工作过程进行近似计算，可得到不同工况下每一步长的温度及压力，使得该方法的应用范围不局限于某一特定运行工况；
(2)本发明以零维模型中的容积法模型为依托，对发动机具体型号依赖相对较小，相比CFD模型计算速度相对较快，可广泛应用于工作过程仿真，进行发动机性能预测、故障诊断等方面的研究，为更广范围的发电机热效率优化设计提供了数值预测手段。
附图说明
图1为本发明的预测方法流程图；
图2为利用本发明的预测方法得到的缸压计算结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，所述方法包括以下步骤：
将发动机工作过程具体分为第一次压缩、第二次压缩、中冷、燃烧、第一次膨胀、第二次膨胀六个阶段，每个阶段取步长
Figure BDA0003121916840000051
为0.1，与混合加热理想循环每个阶段相对应，进行迭代求解；
步骤一：根据所用发动机的几何参数和初始参数确定边界条件与初始条件，并给定绝热指数(定熵指数)κ；所述绝热指数是指理想气体可逆绝热过程的指数；
步骤二：在所述第一次压缩阶段中，用绝热指数κ＝1.4进行计算，利用理想气体可逆过程计算公式可得第一个压缩阶段后的温度T2及压力P2，并将其作为第二次压缩阶段过程的起始参数；
Figure BDA0003121916840000052
Figure BDA0003121916840000053
Figure BDA0003121916840000054
其中，P1为第一次压缩阶段前的压力，T1为第一次压缩阶段前的温度，V1 K为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，
Figure BDA0003121916840000055
为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段后的体积；V1为第一次压缩阶段前的体积，V2为第一次压缩阶段后的体积，ε为第一次压缩阶段前后的体积比；
步骤三：对所述第二次压缩过程进行计算，根据压缩过程一个步长
Figure BDA0003121916840000056
内的传热量
Figure BDA0003121916840000057
体积功
Figure BDA0003121916840000058
工质质量m，第二次压缩过程工质比热容cv1，通过热力学第一定律求出第二次压缩过程中一个步长内的温度变化
Figure BDA0003121916840000059
Figure BDA00031219168400000510
其中，QW为第二次压缩过程中的传热量，V为第二次压缩过程中的体积，T为第二次压缩过程中的温度；
根据步骤二得到的第一个压缩阶段后的温度T2，求解出第二次压缩过程中的第一个步长终点的温度T3，将T3作为下一步长的初始温度迭代计算，得到压缩过程各步长的温度；将各步长温度，通过理想气体状态方程pV＝RT，计算得到相应各步长的压力；
步骤四：对中冷器过程进行计算，根据中冷器出口空气温度xs的计算公式得出经过中冷器后的温度，使用空气通过中冷器造成的压力损失Δps计算出口的压力ps，具体公式如下。
Figure BDA0003121916840000061
Figure BDA0003121916840000062
ps＝pK-Δps
其中，t为时间，TK为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，Two为中冷器出口冷却水温度，Twi为中冷器入口冷却水温度，Csw为传热系数K和传热面积AK的乘积，cpw为冷却水定压比热容，mw为冷却水质量，ms为空气质量，
Figure BDA0003121916840000063
为空气质量流量，ρs为中冷器进口处空气的密度，Ak为中冷器通流面积，ηr为中冷器阻力系数，pK为绝热指数κ状态中冷器的压力；
步骤五：步骤五：对燃烧过程进行计算，设为混合加热理想循环中的定容加热和定压加热，根据燃烧过程一个步长
Figure BDA0003121916840000064
内的传热量
Figure BDA0003121916840000065
体积功
Figure BDA0003121916840000066
工质质量m*，燃烧过程中工质比热容cv2，燃料燃烧投入热量gf(Hu-u)，燃烧速率
Figure BDA0003121916840000067
通过热力学第一定律求出燃烧过程中一个步长内的温度变化
Figure BDA0003121916840000068
Figure BDA0003121916840000069
其中，
Figure BDA00031219168400000610
为燃烧过程中的传热量，V*为燃烧过程中的体积；T*为燃烧过程中的温度；
重复步骤3的温度迭代步骤，求解得出各步长的温度与压力；
步骤六：对两次膨胀过程进行计算，设定为混合加热理想循环中的绝热膨胀，重复步骤3的计算过程，代入燃烧过程后的工质比热容cv3，求解得出膨胀过程各步长的温度与压力；
步骤七：对步骤3、步骤4、步骤5、步骤6得到的压力进行积分计算，求出工作过程的有效功W，再根据有效功W与总投入热量Qtotal的比值求出有效热效率，与所耦合电机的效率相乘，即为整个两阶段压缩膨胀发电机的发电效率；
Figure BDA0003121916840000071
η＝η1·η2。
两阶段压缩膨胀发电机的发电效率结果如表1所示：
Figure BDA0003121916840000072
表1
在步骤一中，当发动机的压缩过程中气体的温度通常不超过300～400℃，κ≈1.4；
当发动机的压缩过程中气体的初态温度和终态温度变化幅度大于600K，则采取平均定熵指数κav来代替给定的绝热指数κ。
在步骤三中，将第二次压缩过程的环境，设定为混合加热理想循环中的绝热压缩。
在步骤四中，中冷器在设计工况时的压力损失，Δps＝0.3～0.5kPa。
以上对本发明所提出的一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，进行了详细介绍，本文中应用了数值模拟算例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将发动机工作过程具体分为第一次压缩、第二次压缩、中冷、燃烧、第一次膨胀、第二次膨胀六个阶段，每个阶段取步长
Figure FDA0003376460480000011
取值相同，与混合加热理想循环每个阶段相对应，进行迭代求解；
步骤一：根据所用发动机的几何参数和初始参数确定边界条件与初始条件，并给定绝热指数κ；所述绝热指数是指理想气体可逆绝热过程的指数；
步骤二：在所述第一次压缩阶段中，用绝热指数κ进行计算，利用理想气体可逆过程计算公式可得第一个压缩阶段后的温度T2及压力P2，并将其作为第二次压缩阶段过程的起始参数；
Figure FDA0003376460480000012
Figure FDA0003376460480000013
Figure FDA0003376460480000014
其中，P1为第一次压缩阶段前的压力，T1为第一次压缩阶段前的温度，V1 K为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，V2 K为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段后的体积；V1为第一次压缩阶段前的体积，V2为第一次压缩阶段后的体积，ε为第一次压缩阶段前后的体积比；
步骤三：对所述第二次压缩过程进行计算，根据压缩过程一个步长
Figure FDA0003376460480000015
内的传热量
Figure FDA0003376460480000016
体积功
Figure FDA0003376460480000017
工质质量m，第二次压缩过程工质比热容cv1，通过热力学第一定律求出第二次压缩过程中一个步长内的温度变化
Figure FDA0003376460480000018
Figure FDA0003376460480000019
其中，QW为第二次压缩过程中的传热量，V为第二次压缩过程中的体积，T为第二次压缩过程中的温度；
根据步骤二得到的第一个压缩阶段后的温度T2，求解出第二次压缩过程中的第一个步长终点的温度T3，将T3作为下一步长的初始温度迭代计算，得到压缩过程各步长的温度；将各步长温度，通过理想气体状态方程pV＝RT，计算得到相应各步长的压力；
步骤四：对中冷器过程进行计算，根据中冷器出口空气温度Ts的计算公式得出经过中冷器后的温度，使用空气通过中冷器造成的压力损失Δps计算出口的压力ps，具体公式如下：
Figure FDA0003376460480000021
Figure FDA0003376460480000022
ps＝pK-Δps
其中，t为时间，TK为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，Two为中冷器出口冷却水温度，Twi为中冷器入口冷却水温度，Csw为传热系数K和传热面积AK的乘积，cpw为冷却水定压比热容，mw为冷却水质量，ms为空气质量，
Figure FDA00033764604800000210
为空气质量流量，ρs为中冷器进口处空气的密度，Ak为中冷器通流面积，ηr为中冷器阻力系数，pK为绝热指数κ状态中冷器的压力；
步骤五：对燃烧过程进行计算，设为混合加热理想循环中的定容加热和定压加热，根据燃烧过程一个步长
Figure FDA0003376460480000023
内的传热量
Figure FDA0003376460480000024
体积功
Figure FDA0003376460480000025
工质质量m*，燃烧过程中工质比热容cv2，燃料燃烧投入热量gf(Hu-u)，燃烧速率
Figure FDA0003376460480000026
通过热力学第一定律求出燃烧过程中一个步长内的温度变化
Figure FDA0003376460480000027
Figure FDA0003376460480000028
其中，
Figure FDA0003376460480000029
为燃烧过程中的传热量，V*为燃烧过程中的体积；T*为燃烧过程中的温度；
重复步骤三的温度迭代步骤，求解得出各步长的温度与压力；
步骤六：对两次膨胀过程进行计算，设定为混合加热理想循环中的绝热膨胀，重复步骤三的计算过程，代入燃烧过程后的工质比热容cv3，求解得出膨胀过程各步长的温度与压力；
步骤七：对步骤三、步骤四、步骤五、步骤六得到的压力进行积分计算，求出工作过程的有效功W，再根据有效功W与总投入热量Qtotal的比值求出有效热效率，与所耦合电机的效率相乘，即为整个两阶段压缩膨胀发电机的发电效率：
Figure FDA0003376460480000031
η＝η1·η2。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤一中，发动机的压缩过程中气体的温度范围为300～400℃；
当发动机的压缩过程中气体的初态温度和终态温度变化幅度大于600K，则采取平均定熵指数κav来代替给定的绝热指数κ。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤三中，将第二次压缩过程的环境，设定为混合加热理想循环中的绝热压缩。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤四中，
Figure FDA0003376460480000032
取0.3～0.5kPa。
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