（热能工程专业论文）斯特林发动机运行仿真及其回热器性能模拟研究.pdf

i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：曹缈日期：口f o , l , 7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 量塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲留秒翩勰捌嗍少他7 摘要 摘要 随着能源和环境问题的日益严峻，太阳能等可再生能源越来越受到人们的关 注。碟式热发电系统由于具有独特的优势成为太阳能利用中最有潜力的方式之一， 斯特林发动机是碟式热发电系统中的关键部件，而回热器又是斯特林发动机中的 核心部分。因此本文主要对斯特林发动机和回热器进行研究。 热气机即斯特林发动机是建立在斯特林循环基础上的动力装置，它的设计依 赖于现有的各种分析方法。其中最早也最经典的是施密特分析法，最实用的则是 实用等温分析法。本文首先运用实用等温分析法编制了一套模拟四缸斯特林发动 机实时运行的软件，并用该软件计算出温度比、相位差及无益容积比对整机的循 环功和循环压力的影响，得出各参数的最佳值或取值范围，为实际设计斯特林发 动机提供参考。 回热器是斯特林发动机中必不可少的部件，一个高效的斯特林发动机绝对离 不开性能优良的回热器，本文接着就是对回热器进行研究。研究中采用了两种方 法：单吹法和循环法。 首先用单吹法模拟复合填充方式对回热器流动及传热特性的影响，得出回热 器平均孔隙率越大，流阻损失越小、升温速度越快，最大热容量越小。接着又模 拟了不同长径比对回热器的影响，结果表明在体积相同的条件下，扁平型比细长 型回热器效果更好。 然后用循环法模拟同样复合填充方式对回热器流动及传热特性的影响，结果 表明在回热器靠近热区端填充大孔隙率，靠近冷区端填充小空隙率的填充方式最 佳。回热器不仅流阻小，温升快，而且吸热比大。 本文最后设计了一个长径比为l ，内部分别装填2 0 0 目和3 0 0 目不锈钢丝网， 对应孔隙率为7 2 7 和6 2 8 的回热器。并搭建了一个入口温度为5 0 0 ，压力 为0 9 m p a ，流量可调的单吹法实验台。 关键词斯特林发动机回热器单吹法循环法 fjfijjjjiiijijiiiijiiiijiiiii _ 北京t 业大学工学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l yi n t e n s ee n e r g yf i e n d ，p e o p l ea r ep a y i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nt ot h es o l a re n e r g ya n do t h e rr e n e w a b l ee n e r g y d i s hs y s t e mi sb e c o m i n gt h e m o s tp o t e n t i a ls y s t e mf o ri t ss p e c i a la d v a n t a g e s s t i f l i n ge n g i n ei st h em o s ti m p o r t a n t e q u i p m e n to f d i s hs y s t e m ，a n dr e g e n e r a t o ri st h ec o r ec o m p o n e n to ft h es t i r l i n ge n g i n e s o ，t h i sp a p e rp r i m a r i l ys t u d i e dt h es t i f l i n ge n g i n ea n dr e g e n e r a t o r s t i r l i n ge n g i n ei sb a s e do nt h es t i r l i n gc y c l e ，i t sd e s i g nr e l i e so nav a r i e t yo f e x i s t i n ga n a l y s i sm e t h o d s o n eo f t h ee a r l i e s ta n dm o s tc l a s s i ci st h es c h m i d ta n a l y s i s ， b u tt h em o s tp r a c t i c a li st h ep r a c t i c a lt e m p e r a t u r ea n a l y s i s a tf i r s t , t h i sa r t i c l e p r o d u c e daf o u r - c y l i n d e rs t i r l i n ge n g i n er e a l t i m es i m u l a t i o ns o f t w a r eb yt h ep r a c t i c a l t e m p e r a t u r ea n a l y s i s ，t h e nu s e dt h es o f t w a r et oc a l c u l a t et h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e r a t i o ，p h a s ea n dt h eu s e l e s sv o l u m er a t i ot ot h ec y c l eo fp o w e rp r e s s u r e s t h eb e s t v a l u e so fe a c hp a r a m e t e ro rv a l u er a n g ew i l lb et h er e f e r e n c ef o rt h ea c t u a ld e s i g no f s t i r l i n ge n g i n e s r e g e n e r a t o ri sa ne s s e n t i a lc o m p o n e n to fs t i r l i n ge n g i n e ，a ne f f i c i e n ts t i r l i n g e n g i n ea b s o l u t e l yc a l l tb ew i t h o u tag o o dr e g e n e r a t o r t h i sf o l l o w e das t u d yo nt h e r e g e n e r a t o r , t h es t u d yu s e dt w om e t h o d s ：s i n g l e - b l o wm e t h o da n dt h el o o pm e t h o d f i r s t , t h ep a p e rs i m u l a t e d t h ei n f l u e n c eo fc o m p o s i t ef i l l i n g p a t t e r n s o n r e g e n e r a t o rf l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sb yt h es i n g l eb l o wm e t h o d t h e r e s u l ti st h eg r e a t e rt h ea v e r a g ep o r o s i t y , t h es m a l l e rt h eh e a tf l o wr e s i s t a n c el o s sa n d m a x i m u mt h e r m a lc a p a c i t y , t h ef a s t e rt h eh e a t i n gr a t e t h e ni ts i m u l a t e dt h ed i f f e r e n t l e n g t h - d i a m e t e rr a t i oo nt h ei m p a c to fr e g e n e r a t o r , r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h o r ta n d f l a t t y p ea r eb e t t e rt h a nt h es l i mo n e t h e n ，t h ec y c l em e t h o dw a su s e dt os i m u l a t et h ea f f e c t i o no fc o m p o s i t ef i l l i n g p a r e m so nr e g e n e r a t o rf l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h eb e s tw a yo ff i l l i n gi sn e a rt h eh o te n d 、v i t l lt h eh i 曲p o r o s i t y , n e a rt h ec o l de n d w i t ht h es m a l lp o r o s i t y t h er e g e n e r a t o rd o e sn o to n l yh a v es m a l lf l o wr e s i s t a n c ea n d q u i c kt e m p e r a t u r er a i s e ，b u ta l s oh a v el a r g ee n d o t h e r m i cr a t i o f i n a l l y , ar e g e n e r a t o rw a sd e s i g n e d ，w h o s el e n g t h d i a m e t e rr a t i oi s1 ，m e s h e so f s t a i n l e s ss t e e la r e2 0 0o r3 0 0 ，a n dp o r o s i t i e sa r e7 2 7 o r6 2 8 f u r t h e r m o r e ，a s i n g l eb l o w i n gb e n c hw a sb u i l t ，w h i c hh a sai n l e tt e m p e r a t u r eo f5 0 0 。c ，p r e s s u r eo f 0 9 m p aa n daa d j u s t a b l ef l o w k e y w o r ds t i f l i n ge n g i n er e g e n e r a t o rs i n g l e b l o wm e t h o dl o o pm e t h o d ijijijijljljljijillllilililililliiiilillililjii_ 北京t 业大学工学硕上学位论文 物理量名称及符号表 一内部阻力系数； 一热容，j ( k g k ) ； 一丝径，m m ； 粒子直径，c m ； 一当量直径，c m ； i 气缸直径，c m ； 一活塞杆直径，c m ； 一回热器直径，e r a ； 一流体的焓，j ； 一固体介质的焓，j ； 一介质的有效热传导系数，w ( m k ) ； 扫气容积比； 一丝网中心距，c m ； 一回热器长，c m ； 连杆长度，c m ； 一工质总质量，g ； 一膨胀腔工质质量，g ； 压缩腔工质质量，g ； 无益容积工质质量，g ； 一工质摩尔质量，g m o l ； 一发动机气缸数目，个； 一热区工质物质的量，m o l ； 羚区工质物质的量，m o i ； 一单缸循环功，w ； 一单缸指示功，w ； 一发动机指示功，w ； 一回热区区工质物质的量，t o o l ； 一回热器个数，个； v 一时间，s ； 死容积工质温度，k ； 一膨胀腔工质温度，k ； 一回热器工质温度，k ； 压缩腔工质温度，k ； 一工质温度，k ； 一载热体温度，k ； 加热器管壁温度，k ； 冷却器管壁温度，k ； 一压缩腔容积，c m 3 ； 一无益容积，c m 3 ； 一膨胀腔容积，c m 3 ； 一填料容积，c m 3 ； 一回热器总容积，c m 3 ； 一膨胀腔活塞扫气容积，c m 3 ； 一回热器无益容积，c m 3 ； 加热器无益容积，c m 3 ； 拎却器无益容积，c m 3 ； 一压缩腔功，j ； 循环功，j ； 一膨胀腔功，j ； 一热腔无益容积比； 拎腔无益容积比； 一回热器无益容积比； 压力比； 韫度比； 吸热比： 通流面积比： ，乃乙i乙圪屹珞k加庇厂f f q q 蟊q q环以r i k k坼丝必心帆万 心虬坼 北京工业大学r t 学硕士学位论文 p p m 卸 瞬时压力，p a ； 平均压力，蹦 一回热器压降，p a ； 仃 口 缈 换热面积比； 一曲轴转角，o ； 一活塞相位领先角，。； 目录 日三罩 日水 摘要i a b s t r a c t i i i 物理量名称及符号表v 目录v i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义。1 1 2 国内外现状2 1 2 1 碟式太阳能热发电系统研究现状2 1 2 2 碟式太阳能热发电用斯特林机研究现状2 1 2 3 碟式太阳能热发电用斯特林机回热器研究现状6 1 3 研究目标及内容7 1 3 1 研究目标7 1 3 2 研究内容8 第2 章斯特林发动机及其回热器分析方法9 2 1 斯特林循环9 2 2 斯特林循环分析方法l l 2 2 1 施密特分析法1 l 2 2 2 等温分析法1 5 2 2 3 实用等温分析法1 6 2 3 回热器分析1 9 2 3 1 回热器结构1 9 2 3 2 回热器分析方法1 9 2 4 本章小结2 1 第3 章四缸斯特林发动机运行仿真2 3 3 1 模型2 3 3 2 计算方法2 4 3 2 1 四个汽缸膨胀腔和压缩腔活塞行程2 4 3 2 2 四个汽缸热腔和冷腔的体积2 5 3 2 3 四个循环的压力及循环功2 5 3 3 界面结构2 9 3 4 参数优化3 4 3 4 1 温度比优化3 4 3 4 2 相位差优化3 6 3 4 3 无益容积比优化。3 7 3 5 本章小结3 9 第4 章单吹法下回热器性能数值模拟4 l 4 1 复合孔隙率的影响4 l 4 1 1 几何模型4l 4 1 2 动量方程的修正4 2 4 1 3 能量方程的修正4 2 4 1 4 多孔介质特性参数的设定4 3 北京t 业大学工学硕上学位论文 4 1 5 网格模型4 4 4 1 6 模型验证4 4 4 1 7 压力分布图4 5 4 1 8 温度分布图4 6 4 1 9 吸热量一4 8 4 2 长径比的影响4 9 4 2 1 沿程压力分布。4 9 4 2 2 温度分布4 9 4 2 3 吸热量5 0 4 3 本章小结5 1 第5 章循环法下回热器性能数值模拟5 3 5 2 循环法下原回热器的工况5 3 5 2 1 温度分布5 3 5 2 2 分析提出疑问一5 5 5 3 改进后的回热器工况5 6 5 3 1 沿程压力分布5 6 5 3 2 温度分布5 7 5 3 3 吸放热量6 l 5 4 本章小结6 4 第6 章回热器设计及实验台搭建6 5 6 1 回热器结构设计6 5 6 1 1 宏观几何参数6 5 6 1 2 微观几何参数6 5 6 1 3 回热器内芯设计6 6 6 1 4 回热器外壳设计6 6 6 2 单吹实验台设计6 7 6 2 1 实验流程设计6 7 6 2 2 实验设备“6 8 6 - 3 本章小结7 l 结论7 3 展望7 5 参考文献7 7 附录。8 1 攻读硕士学位期间所发表的学术论文。8 5 致谢8 7 v i 第1 章绪论 ! 皇詈鼍詈鼍曼! 詈詈鼍! ! 皇皇! ! 曼詈! ! 詈! 詈! 辜! i i 鼍i i 皇喜詈! 苎詈! ! ! ! ! 皇! ! ! 詈 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 能源是国民经济发展和人民生活所必需的重要物质基础，对社会、经济的发 展和人民物质文化生活水平的提高极为重要。现代社会的生产和生活，依赖于能 源的大量消耗。 在当今世界的能源结构中，人类所利用的主要是石油、天然气和煤炭等化石 能源，但是这些化石能源都面临枯竭的危机。同时，大量开发和利用化石能源， 造成了大气污染和全球气候变暖等环境问题。在环境污染和能源形势日趋严峻的 背景下，开发太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等对环境友好的可再生 能源成为人类迫切的需要。在众多的新能源中，太阳能因其具有储量无限性、分 布普遍性、利用清洁性、利用经济性等优点，拥有非常广阔的应用前景。 太阳能利用有两种途径，一种是通过光电池把太阳辐射转化为电能，即太阳 能光伏发电；另外一种是通过太阳能集热器把太阳辐射转化为热能，再将热能转 化为电能，即太阳能热发电。虽然目前光伏发电技术已经比较成熟，但其发电成 本降低潜力已不大，且多晶硅和单晶硅生产是一个高耗能及原材料的过程。正如 美国国家可再生能源实验室报告第二章中的一段话所说：平板光伏发电不是近期 利用太阳能大规模发电的方向。由于它是所有太阳能技术中最容易发现的，因此 平板光伏发电吸引了众多公众和支持制定者的支持，但事实上聚光太阳能热发电 技术才是今天太阳能发电技术的真正方向f i l 。太阳能热发电曾在上个世纪8 0 年 代风靡一时，但是由于石油价格的回落和太阳能热发电产品的价格居高不下， 1 9 9 2 至2 0 0 6 年间太阳能热发电的发展步入低潮。近两年由于人们对地球变暖的 担忧和能源价格的持续攀高，使太阳能热发电再次受到重视。 太阳能热发电系统主要有槽式、塔式和碟式三种形式。相比塔式及槽式太阳 能热发电系统，碟式系统具有如下优势：( 1 ) 布局灵活，应用前景非常广泛：碟 式太阳能发电系统占地面积小，可单个、并网布局，在我国华北、西北、青藏高 原等偏远地区有广泛的应用前景，以上地区太阳辐射强度高、电力资源匮乏；( 2 ) 发电效率高，起步投资少：由美国加州能源部投资的碟式太阳能发电系统至今保 持着太阳能热发电峰值效率2 9 4 的世界记录；( 3 ) 结构简单，科研攻关方向明 确：碟式太阳能发电系统主要由聚光器、吸热器和斯特林发电机组成，可以单独 对这三个方面进行攻关研究；( 4 ) 降低成本潜力巨大，为三种热发电技术之最。 因而成为了人们研究的焦点【2 j 。 表1 1 是四种太阳能发电技术的优势对刚引。 北京工业大学t 学硕l 学位论文 表1 1 太阳能发电技术的优势对比 t a b 1 - lc o m p a r i s o no fa d v a n t a g eb e t w e e ns o l a rp o w e rt e c h n o l o g i e s 槽式、塔式碟式斯特林 光伏发电系统 热发电系统热发电系统 发电成本( 每度)2 0 美分1 5 美分 l1 美分 硬件设施成本扣- 7 美元( 其中5 _ - 6 美元( 其中仁5 美元( 其中 ( 每度) 纯设施3 一美元)纯设施3 一美元) 纯设施3 美元) 光电转换效率 1 0 一1 5 1 5 一2 0 最高3 1 2 5 用水无每度电需耗3 4 0 6 升水无 1 2 国内外现状 1 2 1 碟式太阳能热发电系统研究现状 在过去三十年左右的时间里，世界上的许多国家一直致力于碟式太阳能热发 电方面的研究。然而，由于其本身存在许多技术难点，至今为止，世界上只有美 国、西班牙，德国等少数几个国家在近几年里实现了技术上的突破。美国已把较 成熟的碟式太阳能热发电技术应用到即将商业化运营的大型太阳能电厂中，他们 在此领域处于世界领先的位置。2 0 0 8 年1 月3 1 日，美国桑迪亚国家实验室( s a n d i a n a t i o n a ll a b o r a t o r i e s ，以下简称s n l ) 与斯特林能源系统公司( s e s ) 合作在该实 验室的测试平台上测得s e s “s e r i a l 群3 ”斯特林太阳能热发电系统的太阳能并网 转换效率( 光电转换效率) 达到3 1 2 5 ，这是目前太阳能发电技术中新的世界 纪录，而之前的记录为1 9 8 4 年的2 9 4 ，也是s n l 和s e s 共同创造的【4 j 。早在 2 0 0 5 年1 0 月底，加利福尼亚州公用事业委员会就通过了建设斯特林太阳能热发 电厂的规划。目前，两个最大的电厂，s o l a ro n e 和s o l a rt w o ，正在建设中。其 中s o l a ro n e 由美国南加州爱迪生公司在加州莫哈韦沙漠兴建，s o l a r t w o 则由圣 地牙哥燃气和电力公司在南加州皇县兴建。两个在建的电厂均使用由s n l 和s e s 联合研发的、能够自动跟踪太阳、单机输出电功率达到2 5 k w 、风冷散热的斯特 林太阳能热发电系统作为发电单元1 4 1 。 1 2 2 碟式太阳能热发电用斯特林机研究现状 碟式太阳能热发电系统主要包括三个部分：聚光器、集热器和热电转换装置。 其系统结构如图1 1 所示。作为热电转换装置，斯特林发动机是系统中的关键部 分。它的作用是将吸收的热能转化为动能。在斯特林发动机的末端连上一个发电 机，就可以把发动机输出的轴功转化为电能。 2 第1 章绪论 图i 1 碟式太阳能热发电系统 f i g 1 一ld i s hs o l a rt h e r m a lp o w e rs y s t e m 早在1 8 1 6 年英国人罗伯特斯特林就发明了外部燃烧的闭式循环热汽机，即 斯特林发动机，并在采石场上作泵水工作。到了1 9 3 8 年，荷兰飞利浦公司开始 了现代斯特林发动机的研制工作，并在以后的三十年内取得了重大突破。由于飞 利浦公司成功地创建了现代热汽机，引起了不少国家相关单位的重视与青睐。 1 9 5 8 年，美国的通用发动机公司率先与飞利浦公司签订了专利合同。随后参与 研制的单位越来越多。1 9 6 8 年，瑞典私营科克姆造船厂和国营军用工厂联合组 成了瑞典联合斯特林发动机公司，并相继研制出了双作用斯特林发动机u 4 p 9 5 和u 4 p 2 7 5 。西德两家规模较大的内燃机制造公司曼思公司和曼哈姆公司联 合组成了m a n m w m 斯特林发动机研究机构，研制出1 - 4 0 0 型和四缸双作用 4 - 4 0 0 型斯特林发动机情i 。 近年来，西南亚、欧洲的部分国家以及美国非常重视对斯特林太阳能热发电 技术的研究，并不断加大相关研究经费的投资力度，在技术上取得了不少重要的 进展。下面对国际上最近几年的主要进展做一个综述。 伊朗方面，用于实验的配气式斯特林机同样采用空气作为介质，目前能获得 的参数如下：动力活塞的行程为0 0 4 4 m ，直径o 1 3 m ，配气活塞的行程为0 0 5 5 m ， 直径0 4 1 m 。他们的实验结果表明：斯特林机吸热器的温度为1 1 0 ，而热沉的 温度为2 5 ，发动机在转速为1 4 r p m 时的最大输出功率为0 2 7 w ，而在太阳辐 射强度为9 0 0 w m 2 时，发动机在不加外载( 发电机) 的情况下，转速达到大约 3 0 r p m ，计算的功率为1 2 w 1 6 j 。从这些参数可以看出，伊朗和泰国的研究思路和 技术进展情况差不多，都处于起步阶段。 突尼斯方面提出了一种斯特林机的设计理念，并给出了一种分析模型：热源 3 0 0 ，热沉2 0 时，设计出的斯特林机最优扫气容积为7 5 c m 3 ，而工作频率为 7 5 h z ，此时的输出功率为2 5 0 w ，而死容积为3 7 0c m 3 l r i 。 北京t 业大学工学硕上学位论文 乌兹别克斯坦做出了一台型号为s e 0 5 的实验用太阳能斯特林样机。该样 机的结构是基于一种q 型的斯特林机，它的压缩腔与膨胀腔呈v 字型布局，具 体结构示意如图1 2 所示。s e 0 5 实验样机的工质为氦气，接受的辐射热功率为 9 k w ，自身带动的发电机最大输出电功率为o 9 k w ，转速1 4 5 0 r p m ，两个活塞的 总工作容积为2 3 0 c m 3 ，吸热器的最高壁温达到了9 2 3 k ，冷却器壁温为2 9 3 k - 3 1 3 k ， 活塞直径9 5 m m ，行程3 3 m m ，加上底座的斯特林机整体质量为l19 k g 。斯特林 机本身的吸热器部分改为了吸收太阳辐射的腔式吸热器。关于太阳能腔式吸热器 本身，他们还做了些2 d 的数值模拟工作。我们曾对其模拟工作做过验证性的计 算，算得的壁面温度场最高温度为9 1 5 k ，这和他们算的吸热器壁面的温度场结 果具有一致性。对于吸热器的安放角度，他们也做出了一定的研究，认为吸热器 的轴线与水平面夹角为7 5 度，进光口朝斜下方时，获得的吸热性能最好哺j 。 西班牙近年来研究了1 0 k w 碟式热发电系统的太阳能斯特林机。他们研究的 碟式热发电系统目前在实际操作中最大的光电转换效率接近2 0 ，并还有提升的 空间。他们以v - 1 6 0 型斯特林发动机为原型，构造同a 型的斯特林机，该发动机 的双缸也呈v 字型布局，具体结构示意如图1 3 所示。整个碟式热发电系统的太 阳能吸热器独立于斯特林机，外观结构上为一个截去了锥顶的平顶圆锥，其锥底 的直径为2 6 c m ，高1 2 c m ，锥顶直径1 8 5 c m 。基于该吸热器，他们还发展了一 种估算其辐射换热性能的模型：认为圆锥底部入口处的温度能达到1 0 6 3 7 k ，侧 面绝热，锥顶为灰体假设例。 图1 2 单缸v 型结构斯特林发动机 f i g 1 2s i n g l e - c y l i n d e rv - t y p es t i r l i n ge n g i n e 图1 3 双缸v 型结构斯特林发动机 f i g 1 - 3d o u b l e - c y l i n d e rv - 锣p es t i f l i n ge n g i n e 泰国方面，最近几年研究了一个四缸、低温的配气式太阳能斯特林机，其工 作介质为空气，机构示意如图1 4 所示。用于模拟太阳的装置是4 个l k w 的卤 素钨灯。其实验结果表明，斯特林机接收到的最大实际输入热量为1 3 7 8 w ，而 斯特林机吸热器的最高温度为4 3 9 k ，产生的最大扭矩约为2 9 1 n m ，最大轴功为 6 1 w 。该发动机在转速为2 0 r p m 时的热效率最大，也仅有0 4 4 1 叫。虽然该发 4 第l 章绪论 动机的技术参数都很低，离实用阶段还很远，但他们已经迈出了自主研究的第一 步，其研究成果具有初步的参考意义。 德国近年来和西班牙、法国方面进行了联合研究。他们正在研究的碟式热发 电系统，目前的峰值电功率能达到1l k w 。聚光系统的拦截损失为7 4 4 。在实 验测试中，对于给定的大环境，其斯特林机的机械效率为3 9 4 ，整个系统的光 电转换效率为2 2 5 】。 鼍- 4 四缸双作用结构斯慧林芋挈机图1 5 美国的s t m 仁1 2 0 型斯特林发动机 n g 1 - 4f o u r - c y l i n d e r d o u m 6 唱 茜1 5 一u s s t m 4 - 1 2 0 - t y p e s t i r l i n g ”面i s t l r l l n l ；e n g i n e 表1 2 给出了目前国外商业化的太阳能斯特林机已知的技术参数1 2 i 。可以看 出，美国的s t m 4 1 2 0 斯特林发动机目前的性能最高，其结构如图1 5 所示。 表1 2 太阳能斯特林发动机产品 t a b 1 2s o l a rs t i r l i n ge n g i n ep r o d u c t s 产品名称( 型号)制造国家及公司 工质输出功率 结构及性能特点 e p a ss t i r l i n g 最大 吸热器壁温7 5 0 1 2 ，冷却水 德国e p s a 公司空气 4 0 0 w 3 0 c ，重2 8 k g 。 $ 4 0 0 s t m4 1 2 0 美国s t mp o w e r 氢气 2 5 k w 4 缸，双作用式。 e n g i n e 公司 s o l os t i r l i n g 德国s o l o 公司氦气1 0 k w 基于1 6 0 型斯特林机，双缸， e n g i n e 高温钠热管吸热器。 我国在此方面起步较晚，从2 0 世纪7 0 年代末才开始进行碟式太阳能热发电 技术的研究，对于用于太阳能热发电系统的1 0 k w 级小型斯特林机的研制相关工 作极少。适用于碟式太阳能热发电系统的1 0 k w 级斯特林机虽有国外产品，但是 5 北京t 业大学工学硕七学位论文 价格昂贵并且属于对我国禁运产品，其中的主要关键技术，如高性能吸热器、冷 却器、回热器、工质流动均匀、工质密封、功率调控、热损失及机械损失等均没 有掌握。 直到进入2 l 世纪，碟式太阳能热发电技术又重新引起了国内相关单位和研 究机构的重视。中国科学院电工研究所曾申请到一项8 6 3 计划( 国家高技术研究 发展计划) 的课题碟式聚光太阳能热发电系统及关键技术研究，他们在2 0 0 1 年1 月至2 0 0 5 年1 2 月进行了该课题的研究，并建成了一套l k w 的碟式斯特林 热发电系统。中国科学院工程热物理研究所曾参加了其子课题碟式聚光太阳 能高效光热转换与利用技术的研究。但是电工所建成的那套l k w 碟式热发电系 统中，其核心部件一太阳能斯特林发动机是直接从国外购买的，因此接下来我 国还必须对太阳能斯特林发动机本身做较为系统的研究，尤其是关键的高温太阳 能吸热器和高效的回热器部分【i 。 图1 - 6 是国内某公司自主研发的3 k w 双活塞斯特林发动机，虽然外形粗糙， 效率也不是很高，但已初具规模。 图1 6 国内某公司自主研发的3 k w 舣活塞斯特林发动机 f i g 1 6ac o m p a n yi n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o f d o m e s t i c3k wd o u b l es t i r l i n ge n g i n e 1 2 3 碟式太阳能热发电用斯特林机回热器研究现状 对回热器的研究，国外做的工作比较多，但是公开发表的很少，而国内的相 关研究很少，且现有的研究大都停留在概念理论方面，特别是对回热器在实际工 作过程中的状态以及内部流动和传热规律的研究更是少之又少，然而正是这方面 的内容对高效回热器的优化设计以及提高斯特林发动机的性能起着关键作用。下 面就国内外对斯特林机回热器方面的研究做一个概述。 蔡保华、王幼纯和陈焕倬对斯特林发动机中回热器性能进行了分析。论文在 充分考虑回热器实际情况的基础上建立了回热器模型，并提出用、成、等 6 第l 章绪论 无量纲量来反映回热器对发动机的影响。试验结果表明，必须合理选择参数，使 斯特林发动机的功率和效率最佳，而不能一味地追求回热器的高效率i l 5 1 。 余仕成针对热声热机的钢丝型回热器的不可逆熵产率进行了分析【l 6 1 。 顾根香首次提出了回热器循环熵增的概念，为回热器的优化设计提供了评判 指标17 1 。 张存泉建立了小型斯特林回热器的理论模型，推导了表征回热器不可逆性的 熵流方程，实现了回热器不可逆性的定量获取【l 硼。 在回热器损失研究方面，董仲元等人在讨论了丝网型回热器的回热损失和摩 擦损失对斯特林发动机性能影响基础之上，对v 1 6 0 型斯特林发动机回热器进行 了分析，并用仿真软件m a r t i n i w e i s s 对该回热器进行了模拟【l 纠。 吴峰等人首次系统地提出用有限时间热力学方法对斯特林发动机进行研究 2 0 1 o r e a 和s m i t h 在假设回热器内质量流量随时间呈方形波变化，压力随时间呈 锯齿形波变化的基础上，获得了回热器效率的参数化解【2 。 q v a l e 和s m i t h 把r e a 和s m i t h 的理论进行了进一步延伸，假设压力和质量 流量随时间呈正弦波变化，但是彼此之间有一个相位差，获得了斯特林机回热器 热性能的近似解四】。 a t a e r 利用拉格朗日方法，建立了包含压力波动项的自由活塞式斯特林机中 回热器和工作流体的基本方程，推导出了气缸壁面温度和配气活塞温度之间的关 系，并利用有限差分法进行了数值求解【z 引。 z h u 和m a t s u b a r a 把气体在回热器中的流动视为一维周期性非稳态流动，基 于控制体概念建立了控制方程，并进行了数值求解1 2 引。 a n d e r s e n ，c a r l s e n 等建立了斯特林机的模型，研究了回热器基体温度振荡 对斯特林机性能的影响，并利用数值分析的方法研究在考虑回热器基体温度差异 的因素下，斯特林发动机回热器基体的最优化问题。他们发现，回热器基体温度 的摆动有两种方式：一种结果在轴向方向接近线性，而另一种在轴向结尾处曲线 向下弯曲，这将导致气体进入回热器时温度与回热器有很大的差值。第一种方式 提高了发动机的性能，而第二种方式则降低了发动机的功率和效掣2 5 l 。 h i d e k a z ut a k i z a w a 等对带有槽道的不锈钢填料回热器进行了试验，研究表明 这种回热器可以有效地提高斯特林发动机的功率及其效犁2 6 l 。 1 3 研究目标及内容 1 3 1 研究目标 影响斯特林发动机性能的参数很多，包括结构参数和工作参数共有2 0 多个， 而且它们之间的相互关系很复杂。在进行斯特林发动机的基本设计时，有些参数 7 北京工业人学工学硕卜学位论文 的影响很小可以不予考虑，但有些影响整机循环功的主要参数则必须要考虑，如 温度比、无益容积比、相位差等。本文就是要研究这些主要参数是如何影响整机 循环功的，从而为斯特林发动机的实际设计提供参考。 回热器是斯特林发动机中必不可少的部件，如果一台斯特林发动机内部没有 回热器，其功率和效率就会大打折扣，减少一半还不止。所以，就循环特性而言， 回热器是个可有可无的换热器，但一台斯特林发动机要想获得较高的循环效率就 必须要配备性能优良的回热器。回热器的工作条件极其恶劣，温度变化率高达 3 0 0 秒，热负荷、热应力都很大【2 丌。由于温度变化率高，要求材料具有较高的 导热率和耐热性。回热器的基本结构是在耐压容器中充填有蓄热材料构成的载热 体。载热体中应有一定的孔隙率，使工质能在回热器中往复流动，进行周期性的 蓄热和放热。然而对回热器的一系列要求是相互矛盾的。为了保证回热器的热能 容量达到设计要求回热器基体必须是又大又紧密；为了减小回热器基体的温度波 动，要求集体与工质的热容量比尽可能高，也要求大而紧密的基体。另一方面， 必须限制工质通过回热器基体的压降，否则会使输出功率和效率都下降，这要求 基体的空隙率要大，流程要短，即要求短而疏松的基体。再者，回热器基体的通 流面积要小，以尽量提高发动机的性能，这就要求基体是小而紧密的。以上一系 列相互冲突的要求是无法全面满足的，我们只有对回热器的尺寸，诸如丝网直径、 填充率、长径比取一个折衷的最佳值。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 编制一套模拟四缸斯特林发动机运行的软件，通过该软件研究主要参数 如：冷热腔温度比f = 乙乙、热腔无益容积比z 、冷腔无益容积比屁、回热器 无益容积比z 。、四缸活塞相位差缈对整机循环功和循环压力的影响，并得出最 佳值。 ( 2 ) 在单吹法下研究回热器长径比及填料布置方式对回热器流动及传热性能 的影响规律； ( 3 ) 在循环法下研究各种填充方式对回热器内流动与传热特性的影响。详细 研究回热器内工质的复杂周期性往复流动阻力特性与动力学特性及其影响因素， 深入探讨孔隙体系内周期性储释热过程特性与传递机理； ( 4 ) 根据模拟情况设计并制造出一个相似的回热器，搭建单吹法实验台，通 过实验测量出回热器的沿程温度分布以及进出口压力，对测量结果进行分析和处 理，并与模拟结果对比，达到互相说明、互相验证、互相修正的目的。 8 第2 章斯特林发动机及其同热器分析方法 第2 章斯特林发动机及其回热器分析方法 2 1 斯特林循环 斯特林发动机是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机，主要由外部加热系 统、闭式循环系统、传动系统和调节系统四个部分组成。其中，闭式循环系统是 斯特林发动机的核心部分，主要包括热腔( 膨胀腔) ，加热器，回热器，冷却器 和冷腔( 压缩腔) 。热腔和加热器处于循环的高温部分，因此通常称它们为热区； 冷腔和冷却器处于循环的低