一种具有旁路进口结构的引射器 |
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| 申请号 | CN202110864066.5 | 申请日 | 2021-07-29 | 公开(公告)号 | CN113623281B | 公开(公告)日 | 2023-02-10 |
| 申请人 | 华中科技大学; | 发明人 | 涂正凯; 刘洋; 赵俊杰; 龚骋原; 范丽欣; 常华伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种具有旁路进口结构的引射器，属于气体引射技术领域，包括： 工作 流体 管路、引射流体管路、 吸入室 、混合室、旁通二次 流管 路和扩压室；混合室与扩压室的连接处设置有旁通二次流管路；引射流体管路的入口端和旁通二次流管路的入口端均连接 质子交换膜 燃料 电池 电堆出口；混合室用于充分混合工作流体和二次流回流；扩压室用于将混合 流体 动能 转换为压 力 势能 ；吸入室用于接收工作流体产生 真空 低压区域，且将工作流体的部分动量传递至主二次回流；旁通二次流管路用于将旁通二次回流卷吸进入混合室，三股流体充分混合进入扩压室，使流体速度降低且扩压室压力升高。本发明引入旁通二次流管路，增加了引射比，提高了引射器的回氢效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有旁路进口结构的引射器，其特征在于，包括：工作流体管路(1)、引射流体管路(2)、吸入室(3)、混合室(4)、旁通二次流管路(5)和扩压室(6)； |
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| 说明书全文 | 一种具有旁路进口结构的引射器技术领域[0001] 本发明属于气体引射技术领域，更具体地，涉及一种具有旁路进口结构的引射器。 背景技术[0002] 为了提高燃料的利用率，质子交换膜燃料电池普遍做法是采用闭口脉冲运行，但是阳极闭口运行很容易导致电池水淹，影响燃料电池性能；或者是在燃料电池中增加氢气循环子系统，使氢气在电池内强制循环流动；除此之外，还有另外一种气体管理方法可以兼顾提升氢气利用率和促进排水作用，即尾气再循环系统。引射器是一种很有前途的尾气循环系统装置，它可以将高压储气罐的压力势能转化为动能，实现阳极出口氢气的回收再利用，与传统机械循环泵相比，引射器具有结构紧凑、运行可靠、无运动部件、易于维护以及没有寄生功率等优点。 [0003] 但是，与传统机械循环泵相比，引射器表现出较差的性能，因此，追求高效率的引射器一直是研究人员的目标。到目前为止，越来越多的研究集中在非设计条件下的引射器性能分析。然而，具有优化几何形状的引射器仅在设计条件附近保持良好的性能，超出设计条件，其性能迅速下降，特别是过渡到亚临界模式。主要原因是引射器在纯剪切作用的基础上形成低压区域，混合段内压力回收过程中的动量浪费是造成引射器性能不佳的原因。 发明内容[0006] 工作流体管路与吸入室相连；扩压室一侧设置有用于混合气体流出的引射器出口；混合室与扩压室的连接处设置有旁通二次流管路；引射流体管路的入口端和旁通二次流管路的入口端均连接质子交换膜燃料电池电堆出口，回收未使用完的燃料气体； [0007] 工作流体管路的入口侧连接高压储氢罐；混合室用于充分混合工作流体和二次流回流；扩压室用于将混合流体动能转换为压力势能，并将混合流体输入到质子交换膜燃料电池电堆入口；吸入室用于接收工作流体产生真空低压区域，且将工作流体的部分动量传递至主二次回流；旁通二次流管路用于将旁通二次回流卷吸进入混合室，三股流体充分混合进入扩压室，使流体速度降低且扩压室压力升高。 [0008] 优选地，工作流体管路包括工作流体入口和喷嘴主体；工作流体入口设置在工作流体管路的入口侧；喷嘴主体包括渐缩喷嘴、喷嘴出口和喷嘴喉部，成漏斗状；其中，喷嘴喉部的直径为1.5mm；喷嘴出口的直径为2.0mm；喷嘴出口距离混合室入口3.6mm； [0009] 优选地，混合室为圆柱状，轴向长度为16mm，径向直径为3.6mm。 [0010] 优选地，扩压室轴向长45.72mm，开口角度为5°，出口直径为10mm； [0011] 优选地，引射流体管路的直径为6mm，旁通二次流管路的直径为1mm； [0012] 优选地，工作流体入口的直径为6mm，且轴向呈阶梯状圆柱。 [0013] 优选地，吸入室、混合室、扩压室、引射流体管路和旁通二次流管路为一体。 [0014] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果： [0015] 本发明提供的具有旁路进口结构的引射器，无论在设计工况还是非设计工况下，充分利用引射器混合室内存在很大一片低压区，流体压力明显低于二次流回流的压力，引入旁通二次流管路，从而增加引射比，提高了引射器的回氢效率。同时引射器降低了工作流体与二次流混合的压力损失，提高了引射效率，增加了燃料电池运行过程中的燃料利用率，提升了电堆性能。 [0017] 图1是本发明实施例提供的引射器三维结构示意图； [0018] 图2是本发明实施例提供的图1所示引射器的剖面图； [0019] 图3是本发明实施例提供的图1所示引射器与传统引射器在数值模拟时的引射性能随工作流体入口压力的变化情况； [0020] 标记说明： [0021] 1：工作流体(一次流)管路；2：引射流体(二次流)管路；3：吸入室；4：混合室；5：旁通二次流管路；6：扩压室；7：工作流体入口；8：渐缩喷嘴；9：喷嘴出口；10：喷嘴喉部；11：引射器出口。 具体实施方式[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0023] 引射器是利用高压储气罐与燃料电池之间的巨大压力差所蕴含的压力势能回收气体的无源装置；高压工作流体流经渐缩喷嘴，压力势能转化为动能，工作流体离开喷嘴进行吸入室，产生一个真空低压区域，同时将一部分动量传递至吸入室内的引射流体，两股流体在混合室充分混合，经过扩压室，压力升高，最终混合流体流出。本发明提供的具有旁路进口结构的引射器，无论在设计工况还是非设计工况下，为了充分利用引射器混合室内存在很大一片低压区，流体压力(混合室内低压区的流体压力)明显低于二次流回流(图1中引射流体管路2与旁通二次流管路5通入的引射流体统称为二次回流；引射流体管路2中的引射流体为主二次回流；旁通二次流管路5为旁通二次回流)的压力，引入旁通二次流管路，从而增加引射比，提高了引射器的回氢效率。本发明提供的引射器降低了工作流体与二次流混合的压力损失，提高了引射效率，增加了燃料电池运行过程中的燃料利用率，提升了电堆性能。 [0024] 实施例 [0025] 如图1和如图2所示，本实施例提供了一种具有旁路进口结构的引射器，包括：工作流体管路1、引射流体管路2、吸入室3、混合室4、旁通二次流管路5和扩压室6；工作流体管路1与吸入室3相连；扩压室6一侧设置有用于混合气体流出的引射器出口11；混合室4与扩压室6的连接处设置有旁通二次流管路5；引射流体管路2的入口端和旁通二次流管路5的入口端均连接质子交换膜燃料电池电堆出口，回收未使用完的燃料气体； [0026] 工作流体管路1包括工作流体入口和喷嘴主体；工作流体管路1的入口侧提供工作流体入口7，连接高压储氢罐；喷嘴主体包括渐缩喷嘴8、喷嘴出口9和喷嘴喉部10；相应地，形状分别为圆柱段、渐缩段和渐扩段，呈漏斗状；喷嘴喉部10的直径为1.5mm；喷嘴出口9的直径为2.0mm；喷嘴出口9距离混合室4入口3.6mm； [0027] 混合室4整体呈圆柱状，轴向长度为16mm，径向直径为3.6mm，用于充分混合工作流体和引射流体； [0028] 扩压室6轴向长45.72mm，开口角度为5°，出口直径为10mm；用于将混合流体动能转换为压力势能，并输入到质子交换膜燃料电池电堆入口； [0029] 引射流体管路2位于吸入室3外侧，直径为6mm；旁通二次流管路5位于混合室4与扩压室6的连接处，直径为1mm； [0030] 工作流体入口7的直径为6mm，且轴向呈阶梯状圆柱； [0031] 吸入室3、混合室4、扩压室6、引射流体管路2和旁通二次流管路5为一体，加工难度较小。 [0032] 如图2所示，当燃料电池汽车在行驶过程中，高压工作流体流经渐缩喷嘴8，流动截面积减小使得流动速度提高，压力势能转化为动能，工作流体离开工作流体管路1进入吸入室3，产生一个真空低压区域；且将一部分动量传递给吸入室3内的第一引射流体，工作流体和第一引射流体两股流体在混合室4充分混合，同时旁通二次流管路5的第二引射流体卷吸进入混合室4，然后三股流体充分混合进入扩压室6使速度降低而压力升高，最后从引射器出口11进入燃料电池中； [0033] 本实施例使用数值模拟方法验证本发明提供的引射器性能，使用fluent软件对图2所示的引射器以及不带旁通二次流管路5的引射器进行数值模拟，得到不同工作流体入口 7压力下的引射性能，如图3所示，经过数值模拟计算，改变工作流体入口7压力，带旁通二次流管路5的引射器性能均有所提升。 |
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