一种基于双堆流量分配一致性的空气进气歧管设计方法与流程

1.本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种基于双堆流量分配一致性的空气进气歧管设计方法。


背景技术：

2.现有技术中，并未发现针对双堆流量分配一致性做歧管设计的，在设计歧管管径时大都按照电堆分配头尺寸保证歧管截面积＞双堆进气截面积的2倍，采取取大不取小原则设计，并未有实际理论依据，而如此设计，由于进气压力之间动压与静压在实时变化，导致进气流量存在分配不均，一般而言上堆流量大，下堆流量小，长时间运行则会出现上下堆寿命及使用条件不一致问题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于双堆流量分配一致性的空气进气歧管设计方法，有效地解决了上下堆进气流量分配不均的问题。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
5.一种基于双堆流量分配一致性的空气进气歧管设计方法，包括以下步骤：
6.s1、检测双堆在运行时的内阻变化，确定上电堆和下电堆之间是否存在空气流量分配问题；
7.s2、采集双堆系统运行参数并建立数学模型，分析出现流量分配不一致关键点；
8.s3、根据压阻特性，基于双堆流量分配一致性优化歧管结构设计参数。
9.作为上述方案的优选，步骤s1中，通过高频内阻仪检测双堆的内阻变化，内阻越大表明流量越大。
10.作为上述方案的优选，步骤s1中，确定双堆是否存在空气流量分配问题时需排除电堆自身引起的内阻差异：电堆通过点胶的形式组装，不会出现电堆差异引起内阻差异。
11.作为上述方案的优选，步骤s2中，系统运行参数包括电流、空气过量系数、气体密度、空压、水压、电堆功率、电压、气体流量、进口湿度、氢压、损耗功率、系统功率。
12.作为上述方案的优选，步骤s2中，数学模型的建立包括：
13.s21、简化歧管结构，并标出歧管的五处关键节点并标注序号：
14.标注下堆主管进口端端口处为1、下堆主管与下堆支管的连接点处为2、下堆支管出口端端口处为5、上堆主管中点处为3、上堆主管与上堆支管的连接点处为4、上堆支管出口端端口处为6；
15.s22、假设上电堆与下电堆进口气体流量q相等，求各段压损δp
16.根据以下公式(1)得到上下堆气体流量：
17.q1＝2*q
2-5
＝2*q
4-6
ꢀꢀ
(1)
18.根据以下公式(2)得到在1-2-5处的局部压损，即下堆压损：
[0019][0020]
根据以下公式(3)得到上下堆流量一致时在3-4-6处的局部压损，即上堆压损：
[0021][0022]
根据以下公式(4)得到上下堆管路之间存在的压差：
[0023]
δp＝δp
1-2-5-δp
3-4-6
ꢀꢀ
(4)
[0024]
式中，ζ为阻力系数，无单位，可通过查阻力系数表得到；ρ为气体密度，单位为kg/m3；δp为压损，单位为kpa；q为气体流量，单位为m3/s；v为进气速度，单位为m/s，可通过公式(5)计算得到；
[0025][0026]
s23、根据计算结果分析并得出结论
[0027]
1)上堆压损小于下堆压损，因此进入上堆流量偏大；
[0028]
2)上下堆压差主要来源于主管与支管之间的局部压力损失。
[0029]
作为上述方案的优选，步骤s3中，根据步骤s2中的模型计算结果分析选取优化方案：支管直径决定入堆流量及入堆压力，故在方案优化中不做调整，主要优化方向为改变歧管主管管径，以使上下堆管路压损平衡达到流量分配均匀性，具体的，为提高上堆2-4-6管路的压损，可在3-4处采用变径。
[0030]
作为上述方案的优选，确定好优化方案后，拟合阻力系数与直径比的线性关系，并将其带入到公式(4)中，选取压差最接近0时的变径段直径d
3-4
。
[0031]
由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
[0032]
本发明针对现有空气进气歧管设计结构，做0维理论计算，首先通过高频内阻仪测试双堆在测试时的内阻变化，表明存在流量分配问题；其次基于系统操作条件，分析出现流量分配不一致关键点；最后根据压阻特性，建立数学模型，优化歧管结构设计参数；有效解决了现有歧管由于上下堆流量分配不均导致出现上下堆寿命及使用条件不一致问题。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0034]
图1为本发明的工作流程图；
[0035]
图2为利用高频内阻仪检测双堆的内阻变化图；
[0036]
图3为现有技术中歧管简化结构示意图；
[0037]
图4为采集到的双堆系统运行参数图表；
[0038]
图5为上堆弯头阻力系数与直径比的线性回归图；
[0039]
图6为下堆弯头阻力系数与直径比的线性回归图；
[0040]
图7为压差与变径段直径的变化关系图；
[0041]
图8为变径段采用不同直径时的压损及压差统计图表；
[0042]
图9为方案优化后歧管简化结构示意图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
如图1所示，一种基于双堆流量分配一致性的空气进气歧管设计方法，包括以下步骤：
[0045]
s1、检测双堆在运行时的内阻变化，确定上电堆和下电堆之间是否存在空气流量分配问题
[0046]
在确定时需排除电堆自身引起的内阻差异：电堆通过点胶的形式组装，不会出现电堆差异引起内阻差异。在本实施例中，通过高频内阻仪检测双堆的内阻变化，如图2所示，内阻越大表明流量越大，由图中曲线可知，各电密下上堆内阻大于下堆内阻，即上堆流量大于下堆流量。
[0047]
s2、采集双堆系统运行参数并建立数学模型，分析出现流量分配不一致关键点
[0048]
如图4所示，系统运行参数包括主管直径、支杆直径、电流、空气过量系数、气体密度、空压、水压、电堆功率、电压、气体流量、进口湿度、氢压、损耗功率、系统功率。
[0049]
数学模型的建立包括：
[0050]
s21、简化歧管结构，如图3所示，并标出歧管的五处关键节点并标注序号：
[0051]
标注下堆主管进口端端口处为1、下堆主管与下堆支管的连接点处为2、下堆支管出口端端口处为5、上堆主管中点处为3、上堆主管与上堆支管的连接点处为4、上堆支管出口端端口处为6；
[0052]
s22、假设上电堆与下电堆进口气体流量q相等，求各段压损δp
[0053]
根据以下公式(1)得到上下堆气体流量：
[0054]
q1＝2*q
2-5
＝2*q
4-6
ꢀꢀ
(1)
[0055]
根据以下公式(2)得到在1-2-5处的局部压损，即下堆压损：
[0056][0057]
根据以下公式(3)得到上下堆流量一致时在3-4-6处的局部压损，即上堆压损：
[0058][0059]
根据以下公式(4)得到上下堆管路之间存在的压差：
[0060]
δp
1-2-5-δp
3-4-6
＝3.03-2.45＝0.58kpa
ꢀꢀ
(4)
[0061]
式中，ζ为阻力系数，无单位，可通过查阻力系数表得到；ρ为气体密度，单位为kg/m3；δp为压损，单位为kpa；q为气体流量，单位为m3/s；v为进气速度，单位为m/s，可通过公式(5)计算得到；
[0062]
[0063]
s23、根据计算结果分析并得出结论
[0064]
1)上堆压损小于下堆压损，因此进入上堆流量偏大；
[0065]
2)上下堆压差主要来源于主管与支管之间的局部压力损失。
[0066]
s3、根据压阻特性，基于双堆流量分配一致性优化歧管结构设计参数
[0067]
根据步骤s2中的模型计算结果分析选取优化方案：支管直径决定入堆流量及入堆压力，故在方案优化中不做调整，主要优化方向为改变歧管主管管径，以使上下堆管路压损平衡达到流量分配均匀性，具体的，为提高上堆2-4-6管路的压损，可在3-4处采用变径。
[0068]
确定好优化方案后，拟合阻力系数与直径比的线性关系(如图5、图6所示)，并将其带入到公式(4)中，选取压差最接近0时的变径段直径d
3-4
(如图7、图8所示)，并最终得到方案优化后歧管结构(如图9所示)，针对现有的系统应将上堆歧管直径变为40mm，采取渐变方式，从而达到流量分配一致性。
[0069]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。