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      基于通風安全的燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)氫泄漏量評價研究

      2021-05-07 04:01:14醉WuDiWenZui
      北京汽車 2021年2期
      關(guān)鍵詞:發(fā)動機艙爆炸性發(fā)熱量

      吳 迪,文 醉Wu Di,Wen Zui

      基于通風安全的燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)氫泄漏量評價研究

      吳 迪,文 醉
      Wu Di,Wen Zui

      (中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司,天津 300300)

      基于通風理論分析影響燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)通風量的各個因素;通過試驗驗證、合理計算以及針對不同車型的燃料電池發(fā)動機艙空間大小假設(shè),結(jié)合GB 3836.14─2014《爆炸性環(huán)境第14部分場所分類爆炸性氣體環(huán)境》對艙內(nèi)空間危險區(qū)域進行劃分,得到燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)氫氣最大釋放速率的計算方法,可用于指導(dǎo)燃料電池汽車氫安全設(shè)計。

      通風措施;氫氣泄漏率;釋放等級;危險區(qū)域

      0 引 言

      氫燃料電池汽車具有高效率和零排放優(yōu)點,被認為是新能源汽車的終極方案,具有廣闊的發(fā)展前景。近年來,我國燃料電池客車在很多地區(qū)開始商業(yè)示范運營,其各種性能指標基本達到運營要求,并且開始邁向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。由于氫燃料電池中氫氣的易揮發(fā)、易燃、易爆及氫脆等特性,使氫燃料電池汽車的安全性備受關(guān)注。確保用氫安全,需控制氫泄漏量和排氫濃度,需考慮使用材料、元器件防爆性能,做好氫氣濃度監(jiān)控等。

      燃料電池發(fā)動機正常工作中會出現(xiàn)少量氫氣泄漏,此時發(fā)動機艙作為一個封閉或半封閉空間,存在安全隱患;因此,除了在發(fā)動機艙內(nèi)安裝氫氣濃度探測器外,還應(yīng)該確保氫氣外漏時不會出現(xiàn)艙內(nèi)氫氣聚集,避免局部氫氣濃度升高產(chǎn)生爆燃風險[1]。

      分析燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)的通風效果,評價在一定氫氣釋放流量下,發(fā)動機艙內(nèi)的通風量是否滿足氫安全要求,是否需要增加通風措施,以及在特定通風條件下,是否需要進一步限制氫氣釋放流量。

      1 發(fā)動機艙內(nèi)通風效果分析

      1.1 艙內(nèi)通風質(zhì)量影響因素

      通常乘用車燃料電池發(fā)動機艙體積小于1 m3,空間形狀不規(guī)則且狹小,空氣流動時容易產(chǎn)生較大阻力而造成通風不良,氫氣密度小,容易在空間上方聚集,容易出現(xiàn)局部氫氣濃度過高。商用車燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)部空間較大、形狀規(guī)則且多為方形,空氣流動相對較好,如客車常將其置于車輛尾部或頂部,貨車常置于車頭與貨廂之間,其排風多置于頂部或側(cè)上方,艙內(nèi)也會布置其他車用部件,一定程度上會阻礙空氣流動。

      此外,燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)熱源的數(shù)量和發(fā)熱量也會影響氫氣擴散。當艙內(nèi)存在熱源時,艙內(nèi)空氣被加熱,空氣壓力降低而被排擠出殼體、艙體,這時外界空氣進入殼體,在殼體內(nèi)達到熱平衡,如圖1所示[2]。

      根據(jù)熱平衡原理得到消除內(nèi)部熱量所需的自然通風量為[3]

      式中:為通風量,m3/s;為發(fā)熱量,kJ/s;為空氣的質(zhì)量比熱,取值1.01 kJ/(kg′℃);p為排風溫度,℃;j為進風溫度,℃。

      由式(1)可知,在相同的艙內(nèi)空間下,熱源發(fā)熱量會影響通風效果,較大的發(fā)熱量增強了艙內(nèi)空氣流動,總體通風效果與艙內(nèi)空間大小和結(jié)構(gòu)有關(guān)。在燃料電池發(fā)動機艙內(nèi),電堆等多個電器部件會產(chǎn)生熱量,實際評估艙內(nèi)通風量時不應(yīng)忽略這些熱量所造成的影響。

      圖1 艙內(nèi)空氣流動示意圖

      1.2 艙內(nèi)空間危險區(qū)域劃分

      在GB 3836.14─2014《爆炸性環(huán)境第14部分場所分類爆炸性氣體環(huán)境》中,根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境出現(xiàn)的頻次和持續(xù)時間將危險場所分為0區(qū)(爆炸性氣體環(huán)境連續(xù)出現(xiàn)或頻繁出現(xiàn)或長時間存在)、1區(qū)(在正常運行時,可能偶爾出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境)、2區(qū)(在正常運行時,不可能出現(xiàn)爆炸性氣體或者即使出現(xiàn)僅是短時間存在)。燃料電池發(fā)動機正常運行時,在排放口處可能會出現(xiàn)易燃氣體危險區(qū)域,所以將此區(qū)域定義為1區(qū);在燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)空間要求為2區(qū),即中級通風,并要求通風良好時,可視情況采取監(jiān)控、強制通風措施或通過系統(tǒng)自動切斷氫源等其他有效措施預(yù)防或解除危險,如當探測到區(qū)域內(nèi)的氫氣濃度達到25%LEL(Lower Explosion Limited,爆炸下限)時,應(yīng)采取應(yīng)急措施稀釋氫氣濃度。燃料電池艙內(nèi)垂直范圍危險區(qū)域如圖2所示。

      圖2 燃料電池艙內(nèi)垂直范圍危險區(qū)域示意圖

      2 氫泄漏量限值評定

      2.1 艙內(nèi)最大氫氣泄漏量

      為了確保氫氣濃度始終在可控范圍內(nèi),要求燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)不出現(xiàn)局部氫氣濃度過高的情況,即保證發(fā)動機艙內(nèi)空間劃分為2區(qū),至少為中級通風,該等級能夠控制濃度;雖然釋放源正在釋放中,但區(qū)域界線穩(wěn)定,在釋放源停止釋放后,爆炸性環(huán)境持續(xù)存在時間不會過長[4]。

      稀釋給定的可燃性物質(zhì)達到低于爆炸下限規(guī)定濃度的新鮮空氣的最小通風速率,即允許的最小通風量為

      式中:(d/d)min為新鮮空氣的最小體積流速,m3/s;(d/d)max為最大氫氣泄漏量,m3/s;為環(huán)境溫度;LELm為爆炸下限值,取值0.003 328 kg/ m3;為適用于爆炸下限的安全系數(shù),其典型值=0.25(連續(xù)級釋放和1級釋放),=0.5(2級釋放);為爆炸性氣體環(huán)境有效稀釋程度,即通風效率系數(shù),理想狀態(tài)下=1,典型值=10,空氣流動受阻礙時=5,考慮氫氣的特點取=10。

      為了滿足中級通風要求,結(jié)合式(1),得到最大氫氣泄漏量為

      2.2 最大氫氣泄漏量的影響因素

      由式(3)可知,評估燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)允許的最大氫氣泄漏量,需要計算或測量諸多參數(shù),其中,可選擇連續(xù)級釋放或1級釋放的典型值,即=0.25;應(yīng)考慮不同車型的燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)空間的特點,乘用車可選擇嚴苛的空氣流動受阻的典型值,即=10,商用車取值為5~10;、、LELm為常數(shù)定值;因此,直接影響因素為艙內(nèi)發(fā)熱量、排風溫度p、進風溫度j,這些因素均與艙內(nèi)空間達到熱平衡時的通風量有關(guān)。當進風溫度不變、艙內(nèi)發(fā)熱量一定時,可以通過改善燃料電池發(fā)動機艙的通風環(huán)境降低排風溫度,提高通風量;當艙內(nèi)通風環(huán)境受限時,可以進一步研究艙內(nèi)各部件產(chǎn)生的總熱量與排風溫度之間的關(guān)系,評估艙內(nèi)通風量是否滿足允許最大氫氣泄漏量的要求。

      以某燃料電池客車為例,其燃料電池發(fā)動機艙布置于客車后側(cè),燃料電池發(fā)動機的額定功率為30 kW,艙內(nèi)主要的發(fā)熱部件包括燃料電池發(fā)動機、冷卻水管路、排氣管路、空壓機、氫泵、電流轉(zhuǎn)換器以及整車控制器等,當燃料電池發(fā)動機在額定功率下運行時,進風溫度j(大氣溫度)約為27℃,其排風出口分布于燃料電池發(fā)動機艙的車身兩側(cè)上方,排風出口溫度p約為38℃,通過假設(shè)和簡化計算得到總發(fā)熱量約為35 W,選取通風效率系數(shù)=6,根據(jù)式(3)計算得到允許的燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)最大氫氣泄漏量為223 mL/min。

      3 結(jié)束語

      分析燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)空間大小分布及內(nèi)部 發(fā)熱量對通風質(zhì)量產(chǎn)生的影響,并基于GB 3836.14─2014中對危險區(qū)域等級的定義將燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)各區(qū)域進行劃分,為保證艙內(nèi)氫安全,燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)的安全通風水平應(yīng)為中級通風。

      提出燃料電池發(fā)動機艙內(nèi)允許的最大氫氣泄漏量計算公式,以及主要影響參數(shù)為艙內(nèi)發(fā)熱量和進、出口排風溫度,并分析這些參數(shù)與艙內(nèi)通風量之間的關(guān)系,有助于評價燃料電池艙內(nèi)的氫安全風險,以及為艙內(nèi)空間設(shè)計和優(yōu)化提供幫助。

      [1]中華人民共和國工業(yè)和信息化部. 燃料電池電動汽車安全要求:GB/T 24549─2020 [S]. 北京:中國標準出版社,2020.

      [2]楊婉. 通風與空調(diào)工程[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

      [3]苗青. 室內(nèi)強熱源對空氣環(huán)境影響及對策研究[D]. 上海:同濟大學,2008.

      [4]中國電器工業(yè)協(xié)會. 爆炸性環(huán)境第14部分場所分類爆炸性氣體環(huán)境:GB 3836.14—2014 [S]. 北京:中國標準出版社,2015.

      2020-10-28

      國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”重點專項:國際與國內(nèi)先進燃料電池動力系統(tǒng)對比測試及可靠性(2018YFB0105603)。

      U469.72+2:TM912.9

      A

      10.14175/j.issn.1002-4581.2021.02.007

      1002-4581(2021)02-0022-03

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