Numerical and experimental investigation on condensation inside a turbine designed for an 100 kW polymer electrolyte membrane fuel cell system

冷凝 涡轮机 努森数 入口 机械 成核 材料科学 喷嘴 工作(物理) 总压比 热力学 电解质 蒸发 气体压缩机 机械工程 核工程 化学 工程类 物理 电极 物理化学
作者
Haoyu Mao,Xingwang Tang,Jinling Liu,Shuping Xu
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.09.237
摘要

This work presents mathematical modelling of moist air condensation process in a fuel cell turbine. A condensation model based on the classical nucleation theory and the Hertz–Knudsen droplet growth model is established. The numerical approach is validated through experimental results of the MS nozzle and a fuel cell turbine, and the simulation fits the experimental data well. Influences of inlet temperature and pressure on condensation process in the turbine is examined. Results show that increase of inlet temperature apparently weakens condensation and inlet heating can be realized by arranging a gas-to-gas heat exchanger in the air supply subsystem without consuming additional energy. Moreover, at the same mass flow rate increase of inlet pressure reduces the expansion ratio, thereby curbing the condensation. Compared with the matching scheme of a bypass valve, turbocharger matching with a back-pressure valve allows higher inlet pressure to be achieved and can effectively suppress the condensation.
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