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斯特林发动机热力特性分析与仿真

2014/12/30    来源:e-works    作者:徐鹏辉      
关键字:斯特林发动机  理想斯特林循环  实用等温分析法  
本文分析了斯特林机的热力学特性,运用EES软件对理想斯特林循环进行了热力计算。应用实用等温分析法建立实际斯特林循环的热力学模型,分析了主要热力参数对斯特林发动机性能的影响,为提供其整体的热力性能提供理论依据。

引言

    斯特林发动机是一种外部供热的活塞式发动机,以气体作为循环工质的进行闭式回热循环工作。1816英国工程师罗伯特·斯特林(Robert Striling)提出了由两个等温过程和定容过程组成理想的斯特林循环,其循环等同于同温限的卡诺循环的效率,是一种很有利的热力循环。此外,斯特林循环可以采用太阳能或者工业废热等廉价能源作为热源,因此,其低污染、高转换效率、噪声低等诸多优点受到了人们的极大关注。本文将运用EES软件对斯特林发动机的理想循环进行热力学分析,并采用实用等温分析法对α型双缸活塞式斯特林机的热力学特性进行了数值仿真,分析了主要热力参数对斯特林发动机性能的影响,为提供其整体的热力性能提供理论依据。

1 理想斯特林循环的热力学分析

1.1理想斯特林循环

    理想气体的斯特林循环是概括性卡诺循环的一个特例,当概括性卡诺循环中的两个多变过程为等容过程时,即为斯特林循环。换言之,斯特林循环是由两个等温过程和两个等容过程组成的,其按正向循环工作可做原动机对外做功;按逆向循环工作可以做为热泵。其结构形式多种多样,但工作原理基本相同。本文以α型双缸活塞式斯特林机为例,介绍并分析其热力循环及热力学特性。α型双缸活塞式斯特林机由动力活塞、配气活塞、加热器、冷凝器、回热器组成,如图1所示。两个活塞通过曲轴结构相连做一定规律的往复运动。工质在活塞的作用下,在膨胀腔和压缩腔之间流动。与卡诺循环的情况一样,假设活塞运动中无摩擦和气缸中的工质无泄漏,工质为理想气体。具体循环过程如下:

图1 α型双缸活塞式斯特林机结构示意图

图1 α型双缸活塞式斯特林机结构示意图

    (1)定温压缩过程一一配气活塞处于下死点,动力活塞处于上死点并紧靠回热器端面。这样,全部工质都处于压缩腔内,此时工作容积为最大值,工质的压力和温度都处于最小值。在压缩过程,配气活塞向上死点运动,动力活塞保持不动。工质在压缩腔被压缩,压力增加,热量通过气缸被排到环境中去,同时外界在整个压缩过程中向系统做功,在理想状况下,压缩热等于压缩功,因此过程中温度保持不变。

    (2)定容吸热过程一一两个活塞同时运动,配气活塞继续向回热器方向运动,并最终达到上死点并紧靠回热器端面,动力活塞则向下死点运动。在此过程中,两活塞间的容积保持不变,使工质在等容条件下通过回热器从压缩腔转移到膨胀腔。通过回热器时,工质温度从低温升高到高温。

    (3)定温膨胀过程一一动力活塞继续朝背离回热器的方向向下死点运动,并最终达到下死点,配气活塞则停留在上死点并紧靠回热器。在膨胀过程中,压力降低,从外部吸收热量。此时气缸具有完全的导热性,并且传热率为无限大,工质温度保持不变。

    (4)定温放热过程一一两个活塞同时运动,配气活塞朝背离回热器的方向向下死点运动最终达到下死点,动力活塞则开始由下死点向上死点运动最终达到上死点。在此期间,两活塞间的容积保持不变,使工质在等容条件下通过回热器从膨胀腔返回压缩腔。通过回热器基体时,工质温度从高温降低到低温。至此,斯特林循环的四个过程结束,工质状态回到循环初始点。

1.2理想斯特林循环的热力学分析

    根据理想斯特林循环的热力学过程,运用工程热力学计算软件软件EES编写程序,以空气作为循环工质,计算参数如表1所示,分析对应状态点的变化,建立理想的斯特林循环,并计算出对应的热效率,计算结果如图2、3和表2所示。

表1 理论计算的相关参数

表1 理论计算的相关参数

责任编辑:吴星星
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