基于實驗結(jié)果的斯特林發(fā)動機實用性分析

李曉俊,李菁華

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院；2.西南交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院,成都　611756）

基于實驗結(jié)果的斯特林發(fā)動機實用性分析

李曉俊1,李菁華2

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院；2.西南交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院,成都611756）

摘要：一直以來，我國都在致力改善現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，提高天然氣的比重，天然氣以及天然氣灶在中國家庭的普及率越來越大。據(jù)統(tǒng)計，僅2000年到2004年四年時間內(nèi)，我國的天然氣年消費量就翻了一番，而我國的天然氣剩余總儲量不到世界總儲量的1.4％，所以我國的天然氣能源面臨很大壓力。基于如此嚴峻的形式，各種基于斯特林發(fā)動機的節(jié)能型家電紛紛被發(fā)明出來，為驗證斯特林發(fā)動機的真實效果，設(shè)計一下實驗進行論證。

關(guān)鍵詞：斯特林發(fā)動機；油煙機；實驗論證

1　斯特林發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)

斯特林發(fā)動機是一種外燃發(fā)動機，通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而做功。使燃料持續(xù)燃燒，蒸發(fā)的膨脹氣體作為動力氣體使活塞運動，膨脹氣體在冷氣室冷卻，如此往復(fù)循環(huán)，便可為外機提供動力。其工作原理圖如下：

1-1　斯特林發(fā)動機工作原理圖

圖示為斯特林發(fā)動機的模型。氣缸內(nèi)裝有空氣，并附帶兩個活塞，黃為交換活塞，墨綠色為動力活塞，都連接于曲軸。

缸體下部為熱氣室，上部為冷氣室。當熱氣室加熱到一定程度后，給活塞以初速度。從而動力活塞向下運動將冷氣室的氣體壓縮到熱氣室，氣體在熱氣室受熱膨脹推動活塞向上運動，當氣體到達冷氣室，氣體冷卻收縮，活塞縮回，又將氣體壓到熱氣室，從而形成一個往復(fù)運動，產(chǎn)生動力。

2　基于斯特林發(fā)動機的抽油煙機的工作流程

為分析斯特林發(fā)動機的實際效能，設(shè)計了一種基于斯特林發(fā)動機的節(jié)能抽油煙機，并將通過模擬現(xiàn)實情形對其性能進行分析。節(jié)能吸油煙機的工作步驟為：

（1）啟動階段：打開燃氣后，斯特林發(fā)動機氣缸受熱，有做功趨勢。但氣缸要達到一定溫度才工作，也即斯特林發(fā)動的啟動需要響應(yīng)時間，這是由斯特林發(fā)動機的原理決定的。

（2）工作階段：當閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速達到吸油煙機的正常工作要求后，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)會切斷電源同時切換到斯特林發(fā)動機帶動扇葉轉(zhuǎn)動模式。此后，發(fā)動機開始正常工作。

（3）停運階段：在用戶關(guān)閉燃氣后，斯特林發(fā)動機自動停運。

3　對斯特林發(fā)動機的實驗分析

3.1甲烷-空氣火焰溫度場分布計算

通過查閱文獻資料，可以得到甲烷-空氣火焰二維溫度場分布的測量方法和計算結(jié)果，對于本產(chǎn)品廢熱收集裝置的設(shè)計可以提供理論上的依據(jù)，現(xiàn)簡單介紹如下：

平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（PLIF）作為一種非接觸的激光燃燒診斷技術(shù)可以定量測量火焰溫度場分布。該技術(shù)對燃燒過程無干擾，可以

精確測量，而且時空分辨率較高，二維測量，具有可見性。經(jīng)過計算，可以推倒出溫度T為：其中，是波爾茲曼常數(shù)，為參量，可以通過理論計算求得，表示兩個吸收基態(tài)的能量差，表示激光的功率密度。最終結(jié)果如下：

圖3-1　甲烷空氣火焰溫度與燃燒路面位置的變化關(guān)系及其與CARS測溫結(jié)果比較

圖3-1中左圖是爐面中心處火焰溫度隨爐面高度的變化曲線，右圖是在距爐面12mm高的位置火焰溫度眼水平方向的變化曲線。分析該兩組曲線我們可以發(fā)現(xiàn)在距離火焰水平12mm內(nèi)，其溫度波動范圍不大，基本為1700K到1800K左右；而水平距離超過12mm以外，其溫度隨著距離的增加而快速降低。

因此我們將廢熱收集裝置的集熱板與火焰邊緣距離設(shè)定為不超過10mm。

3.2與實際情況的比較實驗

實驗?zāi)康模簽榱搜芯克固亓职l(fā)動機放置在鍋底與火焰的周圍，對燃氣具加熱時間和加熱效果，所產(chǎn)生的影響。

測試設(shè)備：100℃煤油溫度計、斯特林發(fā)動機、燃氣灶、熱電偶溫度測量儀、量杯與炊具。

試驗方法：測量燒開一杯500ml水從50℃到90℃所用的時間（秒），然后在火焰附近放置斯特林發(fā)動機，讓斯特林發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)，再次測量500ml水從50℃升溫到90℃所用時間，多次測量。

實驗結(jié)果如下表所示：

第6組數(shù)據(jù)由于環(huán)境或者其他因素影響偏差較大，刪去。由其他數(shù)據(jù)可得，在火焰周圍置發(fā)動機不會對燒水時間和燃氣利用有顯著影響。且加熱期間，斯特林發(fā)動機始終高速運轉(zhuǎn)，飛輪轉(zhuǎn)速達到1700rmp。資查閱料，抽油煙機的電機轉(zhuǎn)速為960-1500rmp，排風(fēng)扇的電機轉(zhuǎn)速為400-450rmp，所以此系統(tǒng)中的發(fā)動機飛輪完全勝任排風(fēng)扇乃至發(fā)動機的工作。因此，可以預(yù)見，斯特林在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域能夠達到期望效果。