斯特林發動機系統中儲熱器的實驗研究

李煥龍，何子春

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 200093)

0 引言

我國是煤炭生產大國，煤層氣資源豐富，然而我國煤層氣呈現整體甲烷濃度低的特點[1-3]，每年有大量的濃度(體積分數)低于30 %的抽放瓦斯和小于1 %的超低濃度瓦斯，如礦井通風乏氣中含有的瓦斯，由于無法利用而直接排向大氣，既浪費了能源又對環境造成了一定的危害[4]。

瓦斯發電是煤層氣利用的一個重要方式，目前我國利用高濃度瓦斯發電技術已趨向成熟[5，6]，但低濃度瓦斯由于瓦斯含量少、穩定性差且接近爆炸極限，會造成發電機組熄火停機、加速設備老化、發電操作難度大[7，8]。雖然燃氣內燃機發電技術現已可以利用甲烷濃度在10 %左右的低濃度瓦斯進行發電，但是發電機組運行的可靠性與穩定性仍然是一個難題。

斯特林發動機是一種外部加熱、閉式循環、往復活塞式發動機，可適用多種燃料，具有熱效率高、污染小等優點[9-13]。下面研究基于儲熱器的煤層氣斯特林發動機系統，旨在利用儲熱器來解決氣源濃度不穩定帶來的發電系統不穩定的問題。

1 實驗系統構建

1.1 斯特林發動機系統

如圖1所示是基于儲熱器的斯特林發動機系統，煤層氣進入多孔介質燃燒器燃燒，燃燒產生的高溫煙氣進入儲熱器把熱量傳遞給儲熱器中的儲熱介質，再由儲熱介質將熱量傳遞給斯特林發動機的熱缸以驅動斯特林發動機。

采用儲熱器可以降低系統中由于氣源不穩定燃燒帶來的熱量不穩定對發動機沖擊的影響，采用高效蓄熱介質把放熱介質不穩定熱量轉化為蓄熱介質較穩定的熱量，從而減少放熱介質直接加熱帶來的沖擊，增強系統的平穩性，減少震動和噪聲，延長機器的使用壽命。

1.2 實驗臺

本實驗臺主要由配氣系統、多孔介質燃燒系統、煙氣控制及輸送系統、儲熱系統、斯特林發動機系統、煙氣排放系統組成，如圖2所示。

圖2 實驗系統示意

1.3 實驗儀器

1.3.1 熱電偶

本實驗需要測溫儀器——熱電偶，主要測量儲熱器的溫度分布、燃燒器出口煙氣的溫度、混合后煙氣的溫度。儲熱器的溫度分布由儲熱器筒壁上布置的3排(每排4列)熱電偶讀出。熱電偶及對應數字自動巡回檢測儀參數如表1所示。

表1 熱電偶、數顯儀參數

1.3.2 流量計

在瓦斯供給和空氣供給管路上設置流量計，通過流量計讀數調節調節閥控制管路上的流量，使空氣與瓦斯達到預期的燃燒配比。本實驗采用具有結構簡單、直觀、壓力損失小、維修方便等特點的玻璃轉子流量計，其參數如表2所示。

表2 玻璃轉子流量計參數

1.3.3 空氣壓縮機

燃燒用空氣由空氣壓縮機提供，空氣壓縮機參數如表3所示。

表3 空氣壓縮機主要技術參數

2 儲熱器設計

2.1 儲熱材料及儲熱介質的選擇

目前，蓄熱方式中潛熱型式最具有發展前途，也是目前應用最多的蓄熱方式。潛熱型是利用蓄熱材料在相變時吸熱或放熱來進行熱能儲存和溫度調節控制，這類材料不僅具有容積蓄熱密度大，而且具有設備簡單、體積小、設計靈活、使用方便且易于管理等優點[8]。本研究選用氧化鋁陶瓷蓄熱球作為儲熱材料，其具有耐高溫、良好的導熱性與蓄熱性的優點，其基本理化性能指標如表4所示。

表4 氧化鋁蓄熱球理化性能指標

2.2 儲熱器的設計

儲熱器設計如圖3所示，儲熱器由上環、中環、底環、外壁、內壁組成。儲熱器孔隙里塞滿氧化鋁陶瓷蓄熱球。斯特林熱端、儲熱器外、內壁見圖4。

圖3 儲熱器設計

圖4 儲熱器斯特林熱缸、外壁、內壁(從左到右)

儲熱器上環中部開孔與煙氣管道進行連接。從多孔介質燃燒器出來的高溫煙氣，通過煙氣引入口引入儲熱器，其中一部分煙氣通過內筒上面流入儲熱內筒里，另一部分煙氣流入儲熱器內、外管筒之間然后通過儲熱器內筒側面的開口均勻進入內筒里。內筒壁側面開有5排小孔使煙氣均勻進入并加熱儲熱介質。儲熱器外筒壁開有小孔，安裝熱電偶來測量儲熱介質的溫度分布。熱電偶通過外筒壁的3排開孔與內筒壁底下3層的開孔插入內筒里面。上環與外壁之間通過螺栓連接，以方便拆卸上環來填充更換蓄熱球及后期實驗研究。內壁焊接在底環上，與外壁之間通過中環焊接。中環的作用是使高溫煙氣通過內壁側面的開孔從內壁里面儲熱器中環與斯特林熱端之間的空隙流出，以防止高溫煙氣從內外壁之間直接流出，浪費熱量。內筒壁里面是斯特林熱缸，斯特林熱端浸在蓄熱球中。儲熱器外壁與底環通過螺栓連接，方便拆卸。底環與斯特林發動機的法蘭盤通過螺栓連接起到固定的作用。

煙氣通過內筒壁與斯特林熱端加熱管段的邊緣間隙，流入儲熱器中環、底環、外壁包圍的煙氣緩沖腔中，其作用是緩沖煙氣流出不均造成的儲熱器內部速度場分布的波動從而破壞儲熱器的整體溫度分布均勻性。

考慮到實際加工情況，儲熱器設計修改如圖5～6所示。在原來的基礎上增加了上環法蘭、中環法蘭。上環法蘭通過焊接與外筒壁直接連接。儲熱器上環原來與外壁通過螺栓直接連接，現改為上環先通過螺栓與上環法蘭連接。儲熱器內壁與中環法蘭焊接固定，儲熱器中環與外壁焊接，然后中環與中環法蘭通過螺栓連接，使儲熱器內、外壁連接。改變后的方案，增強了連接的牢固性，有效防止了斯特林發動機振動使螺栓松動。

圖5 修改后儲熱器

圖6 修改后儲熱器結構分解

3 實驗結果分析

3.1 儲熱介質儲熱能力探究

為了研究斯特林發動機在加熱、運行、?；痣A段儲熱器的溫度分布變化及儲熱能力，首先通過直接多儲熱器燃燒加熱，煙氣出口利用引風機抽吸煙氣，目的是使高溫煙氣對儲熱介質進行加熱。儲熱器溫度分布隨時間的變化的實驗數據如表5所示，儲熱介質溫度變化如圖7所示。

表5 儲熱器溫度隨時間的變化

圖7 儲熱器溫度變化曲線

0～320 s是斯特林發動機加熱啟動時間，320～512 s是斯特林發動機運行階段，512 s后?；?。由圖7可知，儲熱器的溫度在加熱狀態下均勻受熱升溫，基本呈線性關系遞增，由于引風機的作用煙氣的往下流通，使儲熱器的上下層溫度分布比較均勻。斯特林發動機運行階段由于斯特林發動機帶走一部分熱量，在相同供熱量的前提下，儲熱器溫度有些降低。?；鸷螅瑑崞魃蠈訙囟认陆递^下層快是因為，儲熱器上層溫度高，儲熱器上端與大氣聯通，儲熱器與空氣換熱大；下層溫度有的不降反升是因為，引風機的抽引作用使得空氣攜帶上面的一部分熱量在儲熱器流動的時候，把熱量傳遞給了下層的儲熱介質。

3.2 儲熱球粒徑對儲熱性能的影響

為了探究儲熱器儲熱介質緩沖煙氣波動的能力，分別測試了儲熱器內無儲熱球，以及不同儲熱球粒徑時儲熱器平均溫度變化狀況。儲熱球粒徑分別為φ6、φ8、φ10、φ12。實驗得到幾種工況下儲熱器平均溫度見表6，其變化曲線見圖8。

表6 儲熱器平均溫度變化

圖8 不同儲熱球粒徑時儲熱器溫度變化

由圖8可知，有儲熱球時儲熱器溫度變化普遍比無儲熱球時溫度明顯變化緩慢，說明儲熱球儲熱效果較好。同時儲熱球直徑對儲熱效果有影響，但是不呈單純線性關系，從本實驗結果來看，儲熱球粒徑為10 mm時溫度變化最緩慢，儲熱效果最好。

為了研究儲熱器內部溫度分布以及儲熱介質的換熱情況，對儲熱器各個方向熱電偶的的溫度進行測量。結果如圖9～13所示。

圖9 無儲熱球時儲熱器溫度分布

圖10 φ12儲熱球時儲熱器溫度分布

圖11 φ10儲熱球時儲熱器溫度分布

圖12 φ8儲熱球時儲熱器溫度分布

圖13 φ6儲熱球時儲熱器溫度分布

有儲熱球時儲熱器，上層溫度變化較下層快，因為儲熱器上層溫度高，與外界換熱較多，另外儲熱器上層溫度會以導熱形勢傳遞給下層較冷的儲熱球，導致上層溫度下降的同時下層溫度上升，結果是儲熱器溫度趨于均勻。

由表7可知，有儲熱球時斯特林發動機停機時間比無儲熱球時要長，說明儲熱球儲熱效果較好，同時儲熱球直徑對停機時間有影響，但是不呈單純線性關系。從本實驗結果來看，儲熱球粒徑為10 mm時停機時間最長，儲熱效果最好，這與儲熱球溫度隨儲熱球粒徑變化趨勢所反應的結果是吻合的(見圖14)。

表7 不同粒徑儲熱球時斯特林停機時間

圖14 不同粒徑儲熱球時斯特林停機時間

4 結論

以上研究得出了如下結論。

1) 與無儲熱球填充儲熱器時相比，有儲熱球時儲熱器溫度變化較平緩，相同最高轉速(相同慣量時)有儲熱器時斯特林停機時間較長，說明儲熱器效果較好。

2) 儲熱球直徑不同會影響儲熱器的儲熱性能，它們之間不是單純的線性關系，儲熱器溫度變化速率隨儲熱球直徑的減小呈現先減小后增加的趨勢，停機時間隨儲熱球直徑的減小呈現先增加后減小的趨勢，因此存在一個最佳粒徑。從實驗結果來看，儲熱球粒徑為10 mm時效果是最好的。