運行參數及回熱器對斯特林發動機性能的影響

陳鵬帆，朱建炳，冶文蓮

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

運行參數及回熱器對斯特林發動機性能的影響

陳鵬帆，朱建炳，冶文蓮

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

建立斯特林發動機的絕熱分析模型并介紹其數值求解方法。分析了該模型下的計算結果獲得不同運行參數（充氣壓力和運行頻率）、回熱器容積和回熱器平均溫度對系統性能的影響。結果表明，增大充氣壓力及運行頻率有助于提高系統的輸出功率；對于孔隙率一定的回熱器而言，從軸向增大其容積會使輸出功率降低；另外，回熱器平均溫度降低會使膨脹腔及壓縮腔溫度波動更為劇烈。研究結果能夠對提高斯特林發動機系統的性能提供一定指導及幫助。

斯特林發動機；絕熱模型；運行參數；回熱器

0 引言

斯特林發動機是一種以太陽能、化學燃料、生物廢料及核能等作為熱源的高效清潔的動力裝置[1]，具有結構簡單、質量輕、體積小等優點，目前已成功應用于地面熱電聯產、太陽能碟式發電、航海動力等領域[2]；同時斯特林發動機在航天領域中也具有廣闊的應用前景，利用自由活塞式斯特林發動機在空間環境中進行發電能夠滿足未來的深空探測工程中空間用電的需要[3]。對于大功率（大于1 kW）的斯特林發動機系統而言，其冷端溫度一般約為300 K，熱端溫度可達到900~1 200 K[4]。

運行參數是影響斯特林發動機性能的重要因素之一。一般運行參數主要有充氣壓力、運行頻率等，選擇恰當的運行參數，使各參數之間具有良好的匹配性，一方面能夠提高系統性能；另一方面能夠維持系統的穩定運行。回熱器是特林發動機的核心部分，起著交替吸收和釋放熱量的作用。在極短的時間內由于工質反復流經回熱器基體，因此回熱器內部會出現非常劇烈的溫度及壓力變化。回熱器的性能直接影響和決定著整個斯特林循環的效果，對于較小功率斯特林熱機而言，回熱效率每下降1%，則會導致整個系統熱損失增加1.5%[5]，因此優化回熱器的性能是提高斯特林發動機性能的重要途徑。

1 數學模型

目前，對斯特林發電機進行分析計算主要有等溫模型和絕熱模型兩種分析模型。等溫模型由Schmitt提出[6]，又稱一級分析法，主要是將斯特林熱力循環中工質的壓縮及膨脹過程視為在等溫條件下進行，這種模型簡化了循環過程，便于分析和計算，目前使用較為普遍，但是該模型認為氣體與壁面換熱系數無限大，各工作腔溫度均勻不變，這種假設過于理想化，因此不能真正反映實際的循環過程。絕熱模型如圖1所示，是由Finkelestein提出[7]，又稱二級分析法，是在Schmitt等溫模型的基礎上，將壓縮和膨脹過程假設在絕熱條件下進行，考慮壓縮腔、膨脹腔及各交界面的溫度變化，并將系統劃分為有限單元逐一分析，利用數值求解方法進行計算獲得各參數的變化情況，因此該模型較等溫模型更接近實際循環過程。

圖1 五部件絕熱模型示意圖Fig.1 Sketch of five componentsadiabaticmodel

在利用絕熱模型對斯特林循環進行分析時，由于假設系統瞬時壓力處處相等，并且工質可視為理想氣體，因此遵循如式（1）狀態方程：

式中：p為系統瞬時壓力；Vi為各工作腔瞬時工質流通容積；mi為各工作腔瞬時工質質量；Ti為各工作腔瞬時溫度；Rg為工質氣體常數。

對于加熱器及冷卻器而言，氣體容積和溫度均恒定已知，回熱器氣體流通容積及基體平均溫度可分別根據以下方法計算：

式中：Vr為回熱器實際的氣體流通容積；Φ和VR分別為回熱器的孔隙率及容積。

對于各工作腔之間的交界面質量流量及溫度而言，可歸納為式（5）形式進行求解：

最后可由式（6）～（7）計算出絕熱模型下的吸熱量及循環功：

非線性微分方程組對各待求參量設定適當的初值，通過四階龍格—庫塔法進行數值求解即可得到待求參量隨循環時間的變化結果，如圖2所示。

圖2 絕熱模型計算流程圖Fig.2 Flow chartof adiabaticmodel’s calculation

2 計算結果

2.1 充氣壓力對系統的影響

由于斯特林發動機具有很高的工作頻率，因此工質的壓力呈振蕩趨勢急劇變化，當系統運行穩定之后，工質的平均壓力與充氣壓力近似相等，因此可以將充氣壓力作為平均壓力對系統進行熱力學分析計算[9]。在絕熱分析模型中，不同的充氣壓力對整個斯特林發電機系統會產生不同的影響，通過改變充氣壓力值，得到了分別以氦氣、氫氣作為工質的充氣壓力對系統輸出功率的影響，如圖3所示。

圖3 不同充氣壓力下的輸出功率曲線Fig.3 Theoutputpowerof differentcharge pressure

圖3表明對于特定的斯特林熱機系統，隨著充氣壓力的增大，輸出功率也隨之增大，可以通過增大充氣壓力來獲得更大的輸出功率。由于設備結構及材料有一定的承載能力，因此充氣壓力不宜無限增大，對于大功率斯特林發動機而言，一般充氣壓力設定在3.5 MPa左右。

2.2 運行頻率對系統的影響

對于自由活塞式斯特林發動機而言，一般可以通過對板彈簧進行動力學分析計算，控制其剛度來對系統運行頻率進行調節[10]。圖4為在不同充氣壓力下系統輸出功率隨運行頻率的變化情況。但充氣壓力一定時，增大運行頻率，輸出功率也隨之增大。在工程實際中，應選擇恰當的運行頻率，一般在60~80 Hz之間。如果運行頻率過高，會使設備的震動及運動部件的摩擦加劇，這會嚴重影響整個斯特林發動機系統的穩定性和工作壽命。

2.3 回熱器容積對系統的影響

回熱器中填料可視為多孔介質，在工質流經回熱器時，氣體與填料的熱交換能量平衡方程可分別表示為式（8）、式（9）[11]，回熱器傳熱單元數（NTU）可表示為式（10）[12]。

式中：cp、cv、cs分別表示氣體的定壓比熱、定容比熱以及填料的比熱容；m?、msL分別為氣體的質量流量和單位長度回熱器填料質量；AL、Af分別為單位長度填料的傳熱面積和回熱器自由流通截面積；T、Ts分別表示為氣體及填料的溫度；h為氣體與填料間的換熱系數；L為回熱器長度；ρ為氣體密度。

圖4 不同運行頻率下的輸出功率曲線Fig.4 The outputpowerof differentoperating frequency

對于孔隙率一定的回熱器，通過增大容積，也就增加了回熱器內氣體的流通容積，這對系統輸出功率產生的影響如圖5所示。

圖5 不同回熱器容積下的輸出功率曲線Fig.5 Theoutputpowerof different regeneratorvolume

圖5顯示在絕熱模型分析下，在充氣壓力一定的情況下，系統輸出功率隨回熱器容積近似呈線性變化，通過增加回熱器長度進而增大回熱器的容積，會導致輸出功率的減小。這是由于當孔隙率一定時，回熱器單位長度的傳熱單元數，即NTU數一定，當回熱器直徑不變，增加回熱器長度會使得工質流經回熱器時產生更大的流動阻力，從而造成的壓力損失增加[13-14]；另一方面由于回熱器容積的增加會造成整個系統死容積的增加，這些因素均會導致輸出功的損失。

2.4 回熱器溫度對系統的影響

回熱器作為斯特林發動機高低溫級的連接部分，其基體內部的溫度分布較為復雜。為便于對回熱器進行分析計算，一般將其基體平均溫度以加熱器及冷卻器溫度的對數平均值表示，如式（3）所示。作為整個循環系統的冷熱源，冷卻器與壓縮腔及加熱器與膨脹腔的溫差在設計時一般控制在?TCK=20~50 K、?THE=60~100 K范圍之內[15]。改變加熱溫度及冷卻溫度會使回熱器平均溫度也隨之發生變化，同時也會導致膨脹腔及壓縮腔內工質溫度的變化情況發生改變，如圖6、圖7所示。

圖6 不同回熱器溫度下的膨脹腔溫度變化曲線Fig.6 The temperature variation of expansion chamberunder different regenerator temperature

圖7 不同回熱器溫度下的壓縮腔溫度變化曲線Fig.7 The temperature variation of compression chamber under different regenerator temperature

絕熱模型分析結果顯示，當回熱器平均溫度在555~570 K時，膨脹腔及壓縮腔內溫度的波動較小；當回熱器平均溫度降低至540 K以下時，兩工作腔內工質溫度波動則比較劇烈，這對整個系統的運行會產生一定不利的影響。因此在實際工程應用中，需要通過調節冷卻及加熱溫度從而合理控制回熱器的平均溫度，盡量減小膨脹腔及壓縮腔內工質溫度的波動。

3 結論

通過在絕熱模型下對斯特林發動機熱力循環利用四階Runge-Kutta法進行數值求解，并分析了充氣壓力、運行頻率、回熱器容積及回熱器平均溫度對系統性能的影響。研究結果表明，充氣壓力對斯特林發動機系統的輸出功率有著重要影響，在設備允許的范圍之內，一般將充氣壓力保持在3.5 MPa左右。提高系統的運行頻率能夠增大輸出功率，在保持系統的穩定性及設備工作壽命的前提下，一般將系統的運行頻率定為60~80 Hz。對于回熱器而言，當孔隙率一定，系統輸出功率隨回熱器容積近似呈線性變化，從長度方向增大其容積會使氣體的壓力損失增加，從而導致系統輸出功率的下降。除此之外，回熱器平均溫度的變化會引起膨脹腔及壓縮腔溫度波動的變化，回熱器平均溫度在555~ 575 K時，兩工作腔內溫度的波動程度較小；當回熱器平均溫度低于535 K時，則兩氣缸內變化溫度較為劇烈，因此工程實際應用中，通過調節加熱溫度及冷卻溫度從而控制回熱器平均溫度，在一定范圍內，盡量減小兩氣缸內的溫度波動程度。

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THE INFLUENCEOFOPERATION PARAMETERSAND REGENERATOR ON PERFORMANCEOFSTIRLING ENGINE

CHEN Peng-fan，ZHU Jian-bing，YEWen-lian
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The adiabatic model of Stirling engine was built and its simulation solution method was introduced.The study analysed the effect to the Stirling engine performance of differentoperation parameters（the charge pressure and the operating frequency），regenerator volume and regenerator average temperature and the results were discussed.It is showed that increasing the charge pressure and operating frequency contributes to the enhancementof outputpower.Otherw ise，increasing the volume of regenerator in axial direction which the porosity is a constantwould decrease the output power.Moreover，reducing the average temperature of regeneratorwould lead to themore violent fluctuate of temperature of the expansion and compression space.The study could provide some guidance for the optim ization of Stirling engine performance.

stirling engine；adiabaticmodel；operation parameter；regenerator

TB651

A

1006-7086（2017）03-0177-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.03.011

2017-03-02

陳鵬帆（1992-），男，甘肅蘭州人，碩士研究生，主要研究方向為空間斯特林發電技術。E-mail：cpfcast@163.com。