皮囊式蓄能器蓄能效率的理论和实验

　　1 前言

　　随着地球上不可再生能源的不断消耗,节能技术日趋得到重视。蓄能器是主要的液压节能元件,如果其在工作过程中能量损失达到一定程度,则节能装置可能形同虚设。所以蓄能器蓄能效率的高低往往决定了各种液压节能装置的效果。

　　2 能量损失分析

　　如果视皮囊式蓄能器气腔为系统,充、放油过程为可逆过程,则皮囊式蓄能器工作过程见图1:充油过程(1-2)y保压过程(2-3)y放油过程(3-4)y回复过程(4-1)。皮囊式蓄能器的工作过程是一个能量损失过程,其中两种形式的不可逆因素乃是导致其能量损失的主要原因:一是热的不可逆因素,在皮囊式蓄能器工作过程中,尤其在保压过程中,由于系统内气体温度T高于外界温度T0,就不可避免地发生热量向外界传递。这种系统能量以热量形式损失于系统外部是能量的量损失;二是耗散性阻力,耗散性阻力导致皮囊式蓄能器在充油过程中系统气体温度T的迅速上升,即:有用功转化为等量的热量。虽然,这些热量Q有可能部分转化为功,但是,按照热力学第二定律,其转化的最大值不会超过Q(1-T0/T)。这种发生在系统内部的部分高品质能量转化为等量低品质能量乃是能量的质损失。没有能量的质损失,系统气体温度就不会升高,也不会存在传热等引起的能量的量损失。所以,能量的质损失是量损失的根源,量损失是质损失的表现形式。由以上分析可知,基于提高皮囊式蓄能器蓄能效率,最佳充油过程为绝热条件下的等温过程,即系统对外界是绝热的,而对系统内部则是等温过程;最佳保压过程是等温过程;最佳放油过程是低热阻条件下的绝热过程。

　　3 蓄能器的蓄能效率指标

　　定义以下为蓄能器的蓄能效率指标:

　　(1)压力损失$p,保压过程中系统压力的下降值,$p = p2-p3。

　　(2)压力效率Gp,系统保压过程终了时压力p3与开始时压力p2之比,Gp=p3p2=1-$pp2。

　　(3)作功率Gw,放油过程时系统对外界作的压缩功We(图1(a)面积34653)与充油时外界对系统作的膨胀功Wc之比:

　　WL-损失功。

　　4 实验结果及分析

　　图2是液压试验回路图。试验采用6.3 L皮囊式蓄能器,并分别选择多种高比热的保温和导温颗粒材料作为皮囊的填充物,其中的两种见表1。

　　在各种皮囊的填充试验物中,材料的导热系数愈小,同时比热值愈大,其降低压力损失$p效果愈好。并且,该效果与填充物质量成正比(见图3),这是由于随着填充物质量的增加,系统内物质的等效比热c增加,使充油过程更逼近等温过程。当皮囊内加入0.12 kg的2#材料后,保压600 s后的压力损失$p600下降幅度可达32% ~55%(见表2)。