高氧气浓度下的ZEMPES使用优化方案

在McCormick（2003）和Ashley（2005）早期的著作中，假设氧气在“人造空气”中的体积比为0.21，与空气中含量一样。增加这个比例，可以增强燃烧加大功率输出，这种高浓度氧气的操作将ZEMPES的发展推进了一个新的高度，被命名为高氧气浓度零排放膜燃料电池（Hi-OxZEMPES），为了简化计算，用甲烷气作燃料，然后是丙烷与汽油的计算。

所选取的活塞发动机的参数都是被广泛使用的：孔径＝冲程＝0.092m，转速为3800r/min，6缸，压缩比为16。容积效率（填充系数）假设为85％，由于汽缸排量大概为0.6113dm³，因此在有效容积中参加反应的理论反应物流量为0.02547mol/cycle，对于完全燃烧反应，CH₄＋2O₂＝CO₂＋2H₂O，摩尔质量：16＋64＝44＋36，1mol的甲烷完全燃烧需要2mol的氧气，假设混合物的总压等于氧气分数压力，在点1、2、4、6、7、9、11、17、18、24、28、29处的压力为1013kPa，点19处的压力为5066kPa，点23处的压力为5036kPa。温度的重要假设：

T₂₉＝T₆＝T₇＝T₉＝T₁₇＝313K，

T₂₃＝T₂-20K，T₄＝T₂₈＝T₁₉＋15K，

改变氧气在混合物中的比例并计算了对循环周期造成的影响，计算结果见表7-1，从表中可以发现当氧含量上升时会有两个重要变化：

1）随着氧含量增加对应化学反应平衡相应的燃料量也要增加，将会导致每个缸体中出力增大；

2）循环的二氧化碳量减少会使效率增大。

由于进入涡轮机前温度升高，将会使功率明显增大。当保持发动机功率为107kW时，由于每个缸体的功率增加，所以可以减少缸体的数目。当氧含量为04时，3个汽缸是足够的，与正常氧含量为0209时所需汽缸数为6相当。(www.xing528.com)

在进入空气透平前，AMR中的废弃空气的热流量增加了60倍，与之相反的是，为了保持进行膜分离的空气条件，进入膜反应器的空气热量与所有氧气热量近乎相等。然而，当氧含量占05时，24点排出的废气热量损失占到燃料热量的1/3，并且温度高达1575K，这种情况是不理想的。各节点的参数见表7-2。系统仍未得到优化。

表7-1 高氧气浓度的零排放膜活塞发动机计算结果

注：源自于Shokotov，M．andE．Yantovsky，2006。

表7-2 高氧气浓度的零排放膜发动机各节点参数

注：源自于Shokotov，M．andE．Yantovsky，2006。