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[原创] 气动汽车真的环保吗?

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发表于 2009-10-28 21:37:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
行文之初,笔者郑重声明,这篇文章并不针对任何人、任何事,仅作为一种技术论证,供大家参考。
气动汽车,是指随车携带压缩空气储气瓶,利用压缩空气膨胀做功的能量驱动自身行驶的汽车。
气动汽车不消耗燃料,不对外排放各种污染物,因此有人说气动汽车是真正的环保汽车。
从汽车自身来看,如果忽略气动发动机有可能排出的润滑油污染,则它确实不对外排放任何污染物,确实是环保的。但如果从气动汽车行驶所需要的能量来源上看,气动汽车环保的结论是站不住脚的。
驱动气动汽车行驶的能量是它所携带的压缩空气,这些压缩空气是从空气压缩站得到的。而空气压缩站制取这些压缩空气,却是需要消耗能量的。
首先简单地谈一下气体压缩过程。根据热力学知识可知,对气体进行绝热压缩需要消耗压缩功,同时气体的温度会相应升高,即从初始温度T1升高到T2。而消耗的压缩功恰好等于其体温度升高的差值与压缩前后起止温度之间气体的平均定压比热Cp的乘积,即
W=Cp*T2-T1)。
在理想情况(即压缩效率为100%,没有任何损耗,属可逆过程)下,初始温度T1确定、气体种类确定时,T2与压缩比τ有直接关系,可通过下列公式计算:
T2=T1*(τ^m)
式中,m=[K/(K-1)],而K为这种气体的比热比,也就是其定压比热与定容比热的比值。K与气体的性质有关,理想的单原子气体,K=5/3,理想的双原子气体K=7/5,理想三原子气体K=4/3。在常温以及更低的温度下,氧气、氮气与理想的双原子气体热力性质相差不大,因此空气在常温附近(一般地讲在300摄氏度之下,这个误差不大)时,比热比可以取为1.4。所以m=0.4/1.4=0.286
但这里要注意,此时的温度应取为热力学温度,即开氏度。
将上述所有子公式带入第一个公式,就可以得到气体绝热压缩时消耗的压缩功:
W=Cp*T1*[(τ^0.286-1]
实际上,现实中是没有空气压缩机能够实现可逆压缩的,即其压缩效率达不到100%。考虑进压缩效率ηc的影响之后,上述公式变为:
W=Cp*T1*[(τ^0.286-1]/ηc-1
由上式可见,对空气进行压缩时,压缩比越大,消耗的功就越多;在压缩比相同时,需要消耗的压缩功与压缩初始温度成正比。
下面了解一下其余参数的具体数值。
在热力机械上,世界标准大气条件是15摄氏度,这差不多是全球全年平均温度吧,而且在人口数量最多的温带地区,年平均温度也是这个水平。所以用这个数字进行计算,是最有代表性的。即T1=288K
空气的Cp与温度有关,温度越高,就越偏离理论值。在0-100摄氏度之间,其平均定压比热为1.006千焦/千克,在0-200摄氏度之间,其平均定压比热为1.012千焦/千克,在0-300摄氏度之间,其平均定压比热为1.019千焦/千克,在0-400摄氏度之间,其平均定压比热为1.028千焦/千克,在0-500摄氏度之间,其平均定压比热为1.039千焦/千克。
空气压缩机,压缩效率一般在85%以下。先进燃气轮机的压气机,压缩效率也只能达到88%左右的水平。
按照压缩效率88%计算,则压缩比为3时,压缩后其体温度就已经到了:
T2=288*[3^0.286-1/88%+1]=409K,即136摄氏度。
可见,增压到3大气压的过程使空气升温121摄氏度,乘以0-100摄氏度之间的平均定压比热1.006,则消耗压缩功121.7千焦/千克。
如果此时继续压缩,压比仍为3,压缩效率仍为88%,则可算得压缩后温度为:
T3=T2*[3^0.286-1/88%+1]=581K,即308摄氏度。
可见,增压到9大气压的过程使空气升温293摄氏度,乘以0-300摄氏度之间的平均定压比热1.028,则消耗压缩功301.2千焦/千克。
 楼主| 发表于 2009-10-28 21:37:52 | 显示全部楼层
有人会说,既然压缩耗功与压缩前的热力学温度成正比,那么降低压缩前温度不就可以降低压缩功了吗?正确。不过,根据热力学知识,温度高的物体自发地向温度低的物体传热,也就是热的单向性和熵增性,通常高温是我们容易得到的,可以通过燃料燃烧、聚焦光能、核反应堆等等手段来实现;但低温(低于环境温度)则是不容易得到的,必须消耗一定的功才能实现。一般来说,对压缩前的气体制冷,并不能降低总消耗的功。

所以制取压缩空气时,我们最多只能让空气在环境温度下开始压缩。

也有人会说,为什么要用绝热压缩?不能用别的压缩方法?

可以。理论上可以进行等温压缩。等温压缩需要的压缩功确实小于绝热压缩。但是压缩气体时其体温度升高这是物理规律,如果想实现等温压缩,就必须在压缩的同时对气体进行冷却,这并不是容易实现的。

实际上,工程上常用分级压缩的方法来降低实际的压缩耗功,其原理是这样的:实现压缩比为N的压缩过程时,并不是在一次压缩过程中就完成,而是分成二次或者多次来完成,每次的压缩比分别为N1、N2、N3…而N1*N2*N3…=N。

在每次压缩之后,使压缩机出口的气体(此时温度已经升高)通过热交换器进行冷却,降低温度之后再进行下一次压缩,这样,由于下一次压缩的初始温度降低了,就降低了压缩耗功。

显然,在理论上,如果将压缩过程分成无数次,每次都将空气降温到环境温度,就实现了等温压缩。但实际情况并不是如此,一方面,压缩后在热交换器中进行换热降温,必然存在压力损失(通常达到3-5%),会损失一部分压缩比;另一方面,在热交换器中冷却空气的通常也只能选择环境温度下的空气或者水,由于换热必然存在换热端差,因此实际上并不能将压缩空气降低到环境温度。再加上每增加一次冷却,就需要增加一套换热器以及气体管道等相应设备,因此造价和成本也显著上升。最后,冷却次数越多,每增加一次冷却所能够得到的增益就越小。

所以,分段压缩、中间冷却也不是越多越好的。

我们仍然通过计算来看一下分段冷却到底能节省多少压缩功。

由于单位质量或体积的压缩空气所能够对外做的功较少,所以为了保证一定的续驶能力,气动汽车压缩空气储气瓶一般采用200-300大气压的储气压力。我们就按照压缩到300大气压进行计算吧。

假设每次在冷却过程中损失3%压力,冷却后其体温度为300K,压缩机效率88%。

将压缩过程平均分成3次,每次压缩比为6.83。第一次压缩后温度为527.6K,耗功241.1千焦/千克。

后二次压缩,压缩后温度均为549.6K,耗功251.1千焦/千克。

总压缩过程耗功743.3千焦/千克。

将压缩过程平均分成4次,每次压缩比为4.26。第一次压缩后温度为455.9K,耗功168.9千焦/千克。

后3次压缩,压缩后温度均为474.9K,耗功176.0千焦/千克。

总压缩过程耗功696.8千焦/千克。

将压缩过程平均分成6次,每次压缩比为2.65。第一次压缩后温度为393.3K,耗功105.9千焦/千克。

后二次压缩,压缩后温度均为409.7K,耗功110.3千焦/千克。

总压缩过程耗功657.6千焦/千克。

将压缩过程平均分成10次,每次压缩比为1.82。第一次压缩后温度为348.9K,耗功61.3千焦/千克。

后二次压缩,压缩后温度均为363.5K,耗功63.9千焦/千克。

总压缩过程耗功636.0千焦/千克。

将压缩过程平均分成20次,每次压缩比为1.37。第一次压缩后温度为318.7K,耗功30.9千焦/千克。

后二次压缩,压缩后温度均为332K,耗功32.1千焦/千克。

总压缩过程耗功641.6千焦/千克。

可见:

1.压缩过程最多分成4-10段比较合适,再多的话不仅系统复杂性和造价大幅升高,其实际压缩效率也降低了。

2.优化之后,得到1公斤300大气压的压缩空气,也需要消耗压缩功640千焦左右。

实际上再考虑到压缩空气的泄漏损失,每公斤压缩空气需要消耗的压缩功甚至超过700千焦。
 楼主| 发表于 2009-10-28 21:38:13 | 显示全部楼层
接下来再计算一下在气动汽车上每公斤压缩空气可以做多少有用功。

高压气体的膨胀过程,其实就是压缩过程的逆过程。理论上膨胀前后温度T3和T4符合如下关系:

T4=T3/(τ^m)

考虑进膨胀做功效率ηt之后,其公式变为:

T4=T3-[T3-T3/(τ^m)]/ηt

这一过程中压缩空气所做的功为:

L=Cp*(T3-T4)= Cp*[T3-T3/(τ^m)]/ηt

可见,与气体的绝热压缩过程一样,在膨胀比和膨胀效率一定时,压缩气体膨胀时能够对外做的功与膨胀前的温度成正比。

与压缩过程的分级压缩一样,采用分级膨胀、再次膨胀之前将气体加热升温,将可以增加同样的压缩空气所能做的功。

但是与分级压缩一样,这需要设置热交换器,使系统复杂化了。而且与压缩站不同,汽车上的装置不可能过于庞大和笨重,所以不能采用较多的分级膨胀次数。

我们按照3级膨胀、每次换热时压力损失3%、每次再膨胀前空气温度为0度、膨胀效率90%计算一下每公斤300大气压的压缩空气能够做多少有用功。

每次膨胀比为6.56,第一次膨胀后温度为180K,输出膨胀功108.5千焦/千克,后2次膨胀后温度为170.8K,输出膨胀功102.9千焦/千克。

总膨胀功314千焦/千克。

值得注意的是,上述是假设气动发动机采用多级膨胀、每次在膨胀前加热、气动机效率高达90%的计算结果。如果气动发动机效率不高、不采用分级膨胀,则300大气压的压缩空气甚至无法输出200千焦/千克的有效功。



即使采用高端数值计算,也可以看出,在不计算压缩空气的生产运输过程中的泄漏损失的条件下,空气压缩站也要消耗650千焦能量来制取1千克300大气压的压缩空气,而这些压缩空气到了气动汽车上,则最多也只能输出315千焦能量,压缩空气能量利用效率为48.5%。

空气压缩站的能量来源,按照电力来计算吧,目前火力发电的热效率大约是35%左右,送变电效率94%,空压机电机效率90%,所以最终,气动汽车的燃料能量利用效率为14.5%。

相比之下,汽油发动机的汽车,发动机-车辆效率20%,汽油输送效率95%,原油精制成为汽油效率87%,最终汽油机汽车总效率16.5%。显然,柴油机汽车的总效率会更高。

电动汽车,电动机-调节器-车辆效率71%,电池充放电效率75%,送变电效率94%,燃料发电效率35%,最终电动汽车总效率为17.5%。

总能量利用效率低,说明同样的使用量下,发展气动汽车将导致消耗更多的燃料,排放更多的CO2和其他污染物。

所以,气动汽车其实并不是节能和环保的产品,发展气动汽车并不能改善我们的环境和降低能耗。
发表于 2009-10-29 08:24:25 | 显示全部楼层
理论家呀理论家。
发表于 2009-10-29 10:41:52 | 显示全部楼层
LZ说的有道理,从整体效率上来看的话,气动车绝对没有优势,
不过,他们的不同不仅是在效率上。
在做功的最后阶段,汽油、柴油车是要排除污染的,电动车的电池也是污染源。而气动车动力的来源---电力,却没有固定的来源,所以,如果保证给气动车加气的电力来源是清洁的话,比如用风力直接来压缩气体,那么气动车就真正无污染了,而完全无污染这一特点,汽油柴油电动车都是做不到的。
这就把问题归结到了到底是效率重要还是环保重要,于是各个国家就要根据自己的现实需要、技术能力来进行取舍了。
 楼主| 发表于 2009-10-29 12:17:40 | 显示全部楼层
电动车用的电池都很大,很容易进行集中回收处理,不向普通的AA电池那样用过了就扔。
所以,电动车一样没有污染。
气动车气缸等运动部件一样需要使用润滑油,总会有一部分随着空气喷出来,这也是一种污染。另外气动车还有噪声污染。
法国的那款气动车,声音就像拖拉机一样,很难想像满世界的公路都开着“拖拉机”,人们还睡的着觉不。
 楼主| 发表于 2009-10-29 12:20:11 | 显示全部楼层
搞气动的人不会不熟悉气体出口的“滋”“咚”的声音。不做特殊设计的话,即使加了市面上常用的消声器,那声音也是很恼人的。
发表于 2009-10-29 13:18:15 | 显示全部楼层
气动车电力不一定全靠火电,,,水电,风电,,核电,,等等,都能作为空气压缩机的动力,,这些可以等同地看作是永久性资源,,,除核能需特殊器械外,,其他自然界的天然能源可以说是最环保不过的了,,,而石油产品是有限的,,总有用完的一天,到时候就没有了,,
发表于 2009-10-29 13:18:49 | 显示全部楼层
所以气动汽车,,应该大力发展!!
 楼主| 发表于 2009-10-29 17:59:50 | 显示全部楼层
本帖最后由 克虏伯火炮 于 2009-10-29 18:03 编辑

从电力到汽车动力,
气动汽车总效率为:输变电效率94%乘以驱动压缩机的电动机效率90%乘以压缩气体本身的能量利用效率48.5%(实际上从我上面的计算可以看出,一些效率的取值比较高的,比如压缩机效率88%。实际上常用的压缩机构很难达到这么高的效率),等于41.0%。
电动汽车的总效率为输变电效率94%乘以蓄电池的充放电效率75%乘以电动机-调节器-车辆效率71%,等于50.0%。

所以,电能的利用率上,气动汽车的效率比不上电动汽车。
太阳能、风能......等等,同样可以让电动汽车不用化学燃料。
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