再生效率（共3篇）
再生效率 篇1
在诸如提升类负载下行、大惯量负载刹车等应用中, 电机处于能量回升的状态, 传统变频器通常采用刹车电阻消耗掉这部分能量, 这往往较难达到满意的停车效果, 造成系统的安全性问题甚至故障, 并造成了能量的大量浪费。台达AFE2000系列产品采用高阶控制算法, 能真正实现能量双向流动, 与变频器搭配使用, 可实现变频器调速系统的四象限运行, 把电机再生的能量回馈到电网中, 取代传统的利用刹车电阻将回升电能转换成热能消耗掉的做法。实际应用测试结果显示, 使用AFE2000后, 再生能量回馈电网效率可高达95%, 节电效果非常明显。
AFE2000的另一性能是可以提高功率因子, 降低谐波干扰。标配电抗器额定满载运行时, 输入侧电流THD≤4%, 功率因子高达99%以上, 与传统变频器相比, 谐波降低了55%, 功率因素提高了近20%。即使在电网极不稳定的情况下, DCBUS直流侧仍能维持电压 (或电流) 恒定。AFE2000提供一对一和一对多等多元化的电力回生解决方案, 降低谐波, 提升功率因素, 可以减少设备耗电量, 电费变得更少。
AFE2000还提供多种通信网络及现场总线选配卡, PROFIBUS、CANOPEN、MODBUSTCP、DEVICENET、ETHENET/IP等, 内置RS-485国际标准通信协议, 拥有先进的网络功能, 可以方便地融入高速网络, 实现更大型的网络控制。除了电梯、起重设备之外, AFE2000还可用于大惯量负载场合, 如离心机、粉碎机, 要求快速制动场合, 如机床、制袋机、自动仓库、冲床, 长时间回馈能量场合, 如风力发电、钢铁印刷、造纸机械放卷设备, 以及需要提高电力品质的场合, 如半导体厂、面板厂。
再生效率 篇2
沥青混合料热再生设备在对新、旧骨料的烘干、加热过程中消耗了大量的热能。因此提高设备的热能利用率能够降低设备燃油消耗, 从而降低施工成本, 减轻环境污染。
2 间歇式沥青混合料热再生设备简介
如图1所示, 设备主要由前后两个滚筒构成。前一滚筒为烘干筒, 用来加热烘干新骨料;后一滚筒为搅拌筒, 用来加热旧骨料并将其与加热好的新骨料拌合均匀。
3 工作过程的热平衡计算
通过热平衡计算可以获得燃料热能的流动方向, 确定热能利用率, 得出提高热能利用率的措施。假设整机是一个封闭的体系, 新、旧骨料以外界空气温度进入再生设备, 不考虑进料口等处的二次进风的影响。已知参数如表1。
现以沥青混合料再生设备工作单位小时来计算整机的热平衡。根据分析可知, 热量主要流向以下五个方向: (a) 新、旧骨料中水分的蒸发; (b) 新、旧骨料的加热; (c) 搅拌设备筒体的预热; (d) 筒壁向外界辐射散热; (e) 废气带走的热量。为了叙述方便, 先由上述已知参数计算出整机工作单位小时内所使用的新、旧骨料的质量M新和M旧。
3.1 骨料中水分蒸发消耗的热量
骨料中水分蒸发需要的热量Q水包括新、旧骨料两部分。水分从开始加热蒸发到最终随废气排放的过程可分为3个阶段:水分从常温t1被加热到开始蒸发的温度t2;水分在t2时气化蒸发;水蒸气进一步被加热到排气温度t4。
(1) 第一阶段:从开始加热到水分开始气化
(2) 第二阶段:水分气化为水蒸气
(3) 第三阶段:水蒸气被继续加热到废气排气温度
所以用于蒸发水分的总热量为以上三个阶段消耗的热量之和
式中, Q新i, Q旧i分别为新、旧骨料中的水分在第i阶段所需要的热量, k J/h;C水为水的比热, C水=4.2k J/ (kg·℃) ;Y为水蒸气的气化热, Y=2260k J/kg;CP为水蒸气的比热, CP=2.1k J/ (kg·℃) 。
3.2 骨料被加热至所需温度时消耗的热量
为了分析方便, 只考虑骨料初始与终了两个状态的热能变化而忽略中间过程的热交换情况。根据假设, 新、旧骨料的初始温度为大气温度t1, 出料时的温度为t3。
式中, C新、C旧分别为新、旧骨料的比热, k J/ (kg·℃) 。
3.3 筒体预热需要的热量
烘干筒、搅拌筒的质量分别为M1、M2, 正常工作时筒体的平均温度分别为T1、T2, 比热为C铁。从常温状态到筒体温度升至正常工作状态的过程中消耗的热量记做Q预。
3.4 筒壁向外界辐射散热消耗的热量
从整机开始工作便开始经过筒壁向空气散失热量, 单位时间内经筒壁散失在大气中的热量损失可以按下式计算:Q辐射=3600·π·D·L· (tA-tB) ·h (12)
式中:h-筒壁的传热系数, k W/ (m2·℃)
其中, tA-筒壁的平均温度, ℃;tB-空气的平均温度, ℃;D-筒体的直径, m;L-筒体的有效长度, m。
热量的辐射散失包括烘干滚筒和搅拌滚筒的散失, 将已知数据代入式 (12) 得
式中, 下标1、2分别表示烘干筒和搅拌筒的相应参数。
3.5 引风系统废气排放时带走的热量
最终进入除尘系统的废气温度仍有上百度之高, 这部分气体也带走了热量, 把这部分热量记为Q排。
式中, ρ为废气的平均密度, kg/m3;V为单位时间的引风量, m3;C烟为废气的比热容, k J/ (kg·℃) ;t4为废气排入大气时的温度, ℃。
再生设备工作过程中用来做有用功的热量为使沥青混合料达到指定温度的热量, 即Q料。没有用来做有用功的热量为Q水、Q预、Q辐射、Q排之和。所以设备的热效率为
4 分析
由式 (15) 中可以看出要提高热效率η就应该减小Q水、Q预、Q辐射、Q散在Q总中所占的比重。分析以上几项因素的影响以及降低各自所占比重可以采取如下措施:
Q水:由式 (9) 可以看出Q水与含水率成正比, 为了减少这部分热量, 需尽量降低骨料含水率。
Q预:由式 (11) 可以看出Q预与质量成正比, 所以在不影响机械性能的前提下应尽量减少整机质量。减少质量还方便设备的转移, 并节约了材料和加工成本。
Q辐射:由式 (13) 可以看出当整机外形尺寸确定后Q辐射随筒体表面温度的升高而增大, 所以应尽量降低筒体表面的温度。
Q排:由式 (14) 看出Q排与引风量成正比并随废气温度升高而增大。所以应降低废气温度但不能过低, 同时控制引风量。
5 结语
由上述分析可以得出, 为了提高再生设备热效率可以采取如下措施: (1) 尽量减少物料的含水率, 如把物料存放在通风良好的环境中, 降低堆积厚度, 借助阳光照射蒸发水分等。 (2) 在设计时尽量减轻整机质量以减少预热时间并降低预热消耗热能的效果。 (3) 优化筒壁设计, 减少辐射散热面积, 在筒体表面加盖保温层, 降低表面温度。 (4) 根据不同的掺配比和使用环境确定合适的排烟温度以及引风量。
参考文献
[1]姚仲鹏, 王瑞君, 张习军.传热学[M].北京理工大学出版社, 1995.
[2]陈启宗.工厂热法沥青混合料路面再生技术[J].工程机械, 2001 (5) :27-29.
[3]朱文学.热风炉原理与技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.
再生效率 篇3
电动汽车对能源的高效利用是发挥其节能和环保优势的关键所在。研究表明,在城市行驶工况,大约有50%甚至更多的驱动能量在制动过程中损失掉,郊区工况也有至少20%的驱动能量在制动过程损失掉。因此,制动能量回收是提高汽车能量利用效率的有效措施,对汽车的节能和环保有着不可替代的作用[1]。制动能量回收技术一直被世界各大知名汽车厂商所重视。丰田公司将该项技术应用在混合动力车型上,有效地提高了其能量利用效率和整车的燃油经济性[2]。日本本田汽车公司研制的Honda EV Plus混合动力轿车,它拥有电动制动能量回收系统,有很好的能量回收效果[3]。福特公司将制动能量回收技术用在其SUV车型Escape上,同样收到了很好的效果[4]。
相对于电机制动能量回收系统,在同等条件下,液压辅助系统能为车辆提供更大的辅助动力(能够解决纯电动汽车动力不足问题),并且具有更高的能量利用效率,存储和释放能量的速度要比蓄电池快的多,回收的能量也较多,相对地提高汽车的续驶里程[5]。
使用定压源(Constant Pressure Source,简称CPS)的飞轮系统由于具有结构简单、效率高等优点,成为目前汽车能量回收系统的主要形式之一[6,7]。
基于定压源(CPS)液压制动能量回收系统,本研究提出电动汽车液压再生制动系统(ECPS)[8]。在ECPS试验台上进行试验研究,通过仿真与实验的结合,找出最佳的参数匹配,从而提高ECPS的能量回收效率。
1液压再生制动系统
定压源(CPS)系统原理如图1所示。
1—发动机;2、7—离合器;3、8、16—变量泵/马达;4、12—三位四通换向阀;5—油箱;6—飞轮;9—溢流阀;10—单向节流阀;11—蓄能器;13—单向阀;14—过滤器;15—冷却器;17—驱动桥ECPS2
液压再生制动系统ECPS系统结构如图2所示。
1—油箱;2—单向阀;3—与驱动桥相连的变量泵/马达;4—压力计;5—与飞轮相连的变量泵/马达;6—离合器;7—飞轮;8—三位四通换向阀;9—蓄能器;10—溢流阀;11—总离合器
车辆需要减速或者制动时,连接驱动轮的泵/马达3作为泵工作,产生的阻力通过传动系统对车轮进行制动,同时将车辆制动时的扭矩转化为液压能,回收制动时的能量。制动力的大小通过调节3的排量来实现。高压油经过3的上方出口到连接飞轮的5中,离合器6连接飞轮7与5,5此时作为马达带动飞轮转动,将液压能转化为飞轮的动能储存起来。如果汽车回收能量时飞轮的转速临近临界转速时,离合器断开,以此来保护飞轮。此时电磁换向阀8通电,多余的能量储存到蓄能器中,如果超过系统压力上限值,溢流阀10会将剩余的能量释放。汽车要起动或加速行驶时,3作为马达工作,5作为泵工作,将飞轮和蓄能器中存储的能量释放为车轮提供动力,系统压力降低。当飞轮的转速到容许的最低转速且蓄能器的压力到最低值时,离合器6和连接传动系的总离合器11断开,ECPS系统不提供动力。
2液压再生制动系统实验装置
ECPS等效原理实验的实验装置构成如图3所示。
1—电机;2—电磁离合器;3—飞轮;4—油箱;5—变量泵/马达;6—压力计;7—单向阀;8—节流阀;9—蓄能器;10—溢流阀
其等效原理为:当电机驱动飞轮,飞轮与电机之间的离合器断开后,飞轮此时相当于供能元件,为液压系统提供能量。泵/马达作为泵工作,回收制动能量,将机械能能转化为液压能储存到蓄能器中,直至飞轮停转;当蓄能器作压力稳定后开始释放能量,泵/马达作为马达工作,将液压能转化为机械能储存到飞轮中。飞轮和蓄能器作为储能元件,在实际纯电动汽车中,与电动车机械系统并联布置于车身底盘。其对应的过程分别为汽车在加速和起动时的行驶工况和汽车在制动时的行驶工况。本研究以泵/马达的排量和蓄能器容积为实验变量,分别测得蓄能器最终压力与飞轮最终转速,计算得到蓄能器储能效率、飞轮储能效率和液压再生制动系统的能量利用率。
ECPS试验装置图如图4所示。
1—电机;2—电磁离合器;3—泵/马达;4—油液管道;5—单向阀;6—油箱;7—蓄能器;8—变频器;9—转速表;10—飞轮;11—压力表;12—节流阀;13—溢流阀;14—转速传感器
3仿真与试验研究
3.1能量回收效率仿真研究
本研究在AMESim上建立了试验装置仿真模型,用于研究回收能量效率,与蓄能器容积和泵排量关系。其结构如图5所示。
蓄能器的容积和泵排量的大小对蓄能器能回收能量大小的影响如表1所示。
从表1中可以看出,能量回收的效率随着蓄能器容积增加而增加,能量回收的效率与排量呈现非线性关系,而当泵排量为4 ml/r时,系统回收的的能量达到最大。
误差分析:因为实验中液压管道会有漏油现象,会使系统的压力下降,蓄能器的最终压力必然会比理想状态下的压力小。由于不同泵排量下做的试验均在同个试验装置下,误差可忽略,蓄能器的最终压力与泵排量的关系曲线大致是不会变的。
—信号输入;—飞轮;—定量泵;—单向阀;—油箱;6—蓄能器;7—液压油
q—泵排量;E—蓄能器回收的能量;V—蓄能器的容积
3.2试验研究
试验系统的各元件装置参数如下:
电机:5.5 k W,最高转速为1 440 r/min;飞轮尺寸:直径为300 mm,厚度为100 mm;飞轮的转动惯量J≈0.6 kg·m2;变量泵/马达的排量为0~10 ml/r;最大出口压力为31.5 MPa;蓄能器容积分别为4 L、6.3 L和10 L。
本研究分别安装4 L、6.3 L和10 L的蓄能器进行试验:条件是电动机带动飞轮以1 000 r/min转动,持续时间为15 s,在变量泵不同排量的情况下记录蓄能器最终能达到的压力;当然蓄能器最终的压力越大,它所储存的能量就越多。
试验步骤如下:
(1)首先,分别安装容积为10 L和6.3 L的蓄能器进行试验,试验要研究的是泵排量为2 ml/r~10 ml/r时蓄能器回收能量随泵排量的变化,当泵的排量为8 ml/r以下时,蓄能器均没有压力,因为泵和蓄能器的自身误差,再加上压力表本身的量程问题,在压力很小时无法读数就无从得知能回收多少能量,所要研究的变化曲线因为数据太少显得不严谨,所以不对该项目进行深入研究。
(2)最后安装容积为4 L的蓄能器进行试验,得到的数据如表2所示。
3.3分析与结论
仿真模拟中当泵排量为4 ml/r时,蓄能器能回收的能量最大。所以当蓄能器的容积为4 L和泵排量为4 ml/r时蓄能器回收的能量最大,为17 000 J。
试验中,所研究的蓄能器容积为4 L,当泵排量为6 ml/r蓄能器的最终压力最大为5.4 MPa,也就是所回收的能量最大。
根据上述仿真和试验的研究数据,本研究绘制了当蓄能器容积为4 L时,蓄能器能回收的能量随着泵排量变化的曲线,如图6、图7所示。
根据图6、图7可知,试验与仿真的结果有差别,仿真中当泵排量为4 ml/r时,蓄能器回收的能量最大;而试验结果是当泵排量为6 ml/r时,蓄能器所能回收的能量最大。笔者经过研究总结认为两者存在差别的主要原因在于:
(1)飞轮在高速转动过程中空气阻力与轴承阻力造成能量损耗,在低速转动时,轴承阻力损耗了较大一部分能量,而在仿真中是没有这些阻力的;
(2)一直存在的问题是高压管路存在泄露,尽管已经多次进行补漏措施;
(3)在实际的试验过程中,当泵的排量过小时,是无法给蓄能器充油进行能量回收的。
实验与仿真结果表明,液压泵/马达的排量不同,蓄能器最终回收的能量以及回收效率是不同的,排量越大,回收的能量越多,但是随着排量的增加,泵/马达上的阻力也增加,高于一定值后能量回收效率会下降。所以液压系统各元件之间需要良好的匹配才能获得最优的能量回收效果。
4结束语
为了提高纯电动汽车制动时的再生制动能量回收效率,本研究提出了飞轮液压复合再生制动系统。笔者对提出的再生制动系统分部进行了仿真分析与原理性试验研究。研究结果表明,影响ECPS制动能量回收效率的主要因素是泵/马达的排量,该研究结果具有借鉴价值。