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气动汽车真的环保吗?

行文之初,笔者郑重声明,这篇文章并不针对任何人、任何事,仅作为一种技术论证,供大家参考。
气动汽车,是指随车携带压缩空气储气瓶,利用压缩空气膨胀做功的能量驱动自身行驶的汽车。
气动汽车不消耗燃料,不对外排放各种污染物,因此有人说气动汽车是真正的环保汽车。
从汽车自身来看,如果忽略气动发动机有可能排出的润滑油污染,则它确实不对外排放任何污染物,确实是环保的。但如果从气动汽车行驶所需要的能量来源上看,气动汽车环保的结论是站不住脚的。
驱动气动汽车行驶的能量是它所携带的压缩空气,这些压缩空气是从空气压缩站得到的。而空气压缩站制取这些压缩空气,却是需要消耗能量的。
首先简单地谈一下气体压缩过程。根据热力学知识可知,对气体进行绝热压缩需要消耗压缩功,同时气体的温度会相应升高,即从初始温度T1升高到T2。而消耗的压缩功恰好等于其体温度升高的差值与压缩前后起止温度之间气体的平均定压比热Cp的乘积,即
W=Cp*(T2-T1)。
在理想情况(即压缩效率为100%,没有任何损耗,属可逆过程)下,初始温度T1确定、气体种类确定时,T2与压缩比τ有直接关系,可通过下列公式计算:
T2=T1*(τ^m)
式中,m=[K/(K-1)],而K为这种气体的比热比,也就是其定压比热与定容比热的比值。K与气体的性质有关,理想的单原子气体,K=5/3,理想的双原子气体K=7/5,理想三原子气体K=4/3。在常温以及更低的温度下,氧气、氮气与理想的双原子气体热力性质相差不大,因此空气在常温附近(一般地讲在300摄氏度之下,这个误差不大)时,比热比可以取为1.4。所以m=0.4/1.4=0.286
但这里要注意,此时的温度应取为热力学温度,即开氏度。
将上述所有子公式带入第一个公式,就可以得到气体绝热压缩时消耗的压缩功:
W=Cp*T1*[(τ^0.286)-1]
实际上,现实中是没有空气压缩机能够实现可逆压缩的,即其压缩效率达不到100%。考虑进压缩效率ηc的影响之后,上述公式变为:
W=Cp*T1*{[(τ^0.286)-1]/ηc-1}
由上式可见,对空气进行压缩时,压缩比越大,消耗的功就越多;在压缩比相同时,需要消耗的压缩功与压缩初始温度成正比。
下面了解一下其余参数的具体数值。
在热力机械上,世界标准大气条件是15摄氏度,这差不多是全球全年平均温度吧,而且在人口数量最多的温带地区,年平均温度也是这个水平。所以用这个数字进行计算,是最有代表性的。即T1=288K。
空气的Cp与温度有关,温度越高,就越偏离理论值。在0-100摄氏度之间,其平均定压比热为1.006千焦/千克,在0-200摄氏度之间,其平均定压比热为1.012千焦/千克,在0-300摄氏度之间,其平均定压比热为1.019千焦/千克,在0-400摄氏度之间,其平均定压比热为1.028千焦/千克,在0-500摄氏度之间,其平均定压比热为1.039千焦/千克。
空气压缩机,压缩效率一般在85%以下。先进燃气轮机的压气机,压缩效率也只能达到88%左右的水平。
按照压缩效率88%计算,则压缩比为3时,压缩后其体温度就已经到了:
T2=288*[(3^0.286-1)/88%+1]=409K,即136摄氏度。
可见,增压到3大气压的过程使空气升温121摄氏度,乘以0-100摄氏度之间的平均定压比热1.006,则消耗压缩功121.7千焦/千克。
如果此时继续压缩,压比仍为3,压缩效率仍为88%,则可算得压缩后温度为:
T3=T2*[(3^0.286-1)/88%+1]=581K,即308摄氏度。
可见,增压到9大气压的过程使空气升温293摄氏度,乘以0-300摄氏度之间的平均定压比热1.028,则消耗压缩功301.2千焦/千克。

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