斯特林发动机中回热器性能研究

斯特林热机演示实验观察报告1.实验目的：了解斯特林机的工作原理，弄清具体工作过程，把理论与实际实验过程建立一定的联系，深入对斯特林机的理解。

2.实验原理：斯特林热机是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式发动机。

它由苏格兰牧师斯特林提出。

18世纪末和19世纪初正值工业革命的高潮时期，热机普遍为蒸汽机。

热机的重要标志之一是它的效率，即吸收来的热量有多少转化为有用的功。

当时，蒸汽机的效率很低，只有3%~5%左右。

这一方面是由于散热、漏气、摩擦等因素损耗能量，另一方面是由于部分热量在低温热源处放出。

为了提高热机的效率，人们开始从理论上研究热机。

斯特林热机就是此时诞生的。

斯特林热机是一种高效率的能量转换装置，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林热机仅采用外部热源，工作气体不直接参与燃烧，因此又被称为外燃机。

只要外部热源温度足够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等在内的任何热源，都可使斯特林热机运转，既安全又清洁，故其在能源工程技术领域的研究兴趣日益增加，极有可能成为未来动力的来源之一。

斯特林热机采用封闭气体进行循环，工作气体可以是空气、氮气、氦气等。

如图1所示，在热机封闭的气缸内充有一定容积的工作气体。

汽缸一端为热腔，另一端为冷腔。

置换器活塞推动工作气体在两个端之间来回运动，气体在低温冷腔中被压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。

如此循环不休，将热能转化为机械能，对外做功。

理论上，斯特林热机的热效率很高，其效率接近理论最大效率（称为卡诺循环效率）。

但二者又有所不同，前者由两个等温过程和两个等容过程构成，如图2所示。

而后者由两个等温过程和两个绝热过程构成。

斯特林热机属于可逆热机，既可用于制热，又可用于制冷；既可将热能→机械能，又可将机械能→热能。

如果用于制冷，则图2中的四个热力学循环将沿逆时针方向进行。

图2 斯特林热机的四个循环过程（实验室斯特林机实物图）3.部件功能:仪器上方的椭圆弹片对动力活塞起到弹性恢复力的作用. 配气活塞下方汽缸是热腔, 配气活塞上方汽缸是冷腔. 底部的十字弹片起到驱动配气活塞的作用.配气活塞在这里起到移气和再生的作用. 配气活塞的直径比气缸的内径小些, 当配气活塞自由上下移动时, 即可以把气缸内的气体工质挤下或挤上. 如果气缸底端加热, 而在气缸上端冷却,使上下两端具有足够的温差, 即可看见当配气活塞上移, 气缸内的气体被挤至气缸底端, 此时由于气缸底端加热, 因此气体受热, 压力变大, 此压力经由活塞与气缸间的空隙传到动力活塞, 使之上移. 相反的, 把配气活塞下移, 则气缸内的气体被挤至气缸上端, 此时由于气缸上端为冷却区, 因此气体被冷却, 使气体温度降低, 压力变小, 而使动力活塞下移. 如果不断使配气活塞上下移动, 即可看见动力活塞随之上下移动. 另外, 斯特林循环欲达到和卡诺循环相同的热效率, 必须将工质等容放热过程所放出的热量, 用来提供工质等容吸热升温所需的热量, 这个步骤叫作再生, 所使用的装置称为再生器. 本仪器的微孔配气活塞兼有再生器的作用.必须注意动力活塞与配气活塞二者相位差是π/ 2, 因为如果要使输出到曲柄联杆上的平均扭力最大, 就要使动力活塞向上移动到中间位置时获得最大的动力, 而当配气活塞移到最顶点的位置时, 由于底部加热空间最大, 所产生的压力最大, 动力活塞输出动力也最大, 而此时二者相位差是π/ 2.4.实验过程及现象：斯特林机由一个玻璃罩，大灯泡，活塞，转轮等组成。

斯特林发动机回热器性能研究麦志豪;邹城;陈观生;李凤;张仁元【摘要】The performance of Sterling engine regenerators was simulated and experimentally researched . The filling materials were foamed copper and stainless steel wire mesh , whose porosity was 75%or 85%respectively , and the ratio of length to diameter was 2:1 or 3:1 .Research results show that:the heat ca-pacity of stainless steel heat exchanger is larger , and the start-up speed of foamed copper heat exchanger is faster;Heat transfer of 75%porosity regenerator is larger , while the temperature convergence speed of 85%porosity regenerator is faster;Pressure loss of 2:1 regenerator is smaller , while the 3:1 regenerator exchanger heat is larger .The experimental study indicates that the experimental data is in good agreement with simulation results with a 5%margin of error , so it can provide some reference for the design of re-generators .%对不同材料及孔隙率的斯特林发动机回热器的性能进行了多循环模拟分析和实验研究。

运行参数及回热器对斯特林发动机性能的影响陈鹏帆;朱建炳;冶文莲【摘要】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 different operation 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 enhancement of output power. Other-wise,increasing the volume of regenerator in axial direction which the porosity is a constant would decrease the output power. Moreover,reducing the average temperature of regenerator would lead to the more violent fluctuate of temperature of the expansion and compression space. The study could provide some guidance for the optimization of Stirling engine performance.%建立斯特林发动机的绝热分析模型并介绍其数值求解方法.分析了该模型下的计算结果获得不同运行参数(充气压力和运行频率)、回热器容积和回热器平均温度对系统性能的影响.结果表明,增大充气压力及运行频率有助于提高系统的输出功率;对于孔隙率一定的回热器而言,从轴向增大其容积会使输出功率降低;另外,回热器平均温度降低会使膨胀腔及压缩腔温度波动更为剧烈.研究结果能够对提高斯特林发动机系统的性能提供一定指导及帮助.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2017(023)003【总页数】5页(P177-181)【关键词】斯特林发动机;绝热模型;运行参数;回热器【作者】陈鹏帆;朱建炳;冶文莲【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TB651斯特林发动机是一种以太阳能、化学燃料、生物废料及核能等作为热源的高效清洁的动力装置[1]，具有结构简单、质量轻、体积小等优点，目前已成功应用于地面热电联产、太阳能碟式发电、航海动力等领域[2]；同时斯特林发动机在航天领域中也具有广阔的应用前景，利用自由活塞式斯特林发动机在空间环境中进行发电能够满足未来的深空探测工程中空间用电的需要[3]。

斯特林发动机中回热器性能研究黄护林1，张喜东1，吴月1，2，亓宗磊1(1. 南京航空航天大学航天学院，南京，210016；2. 无锡油泵油嘴研究所，无锡，214000)摘要：斯特林发动机中回热器的有效性对斯特林发动机的整机性能有较大的影响。

本文通过商业软件FLUENT的动网格功能模拟了回热器内部流场的交变流动以及流体工质与回热器之间的往复式热量交换，进而捕捉斯特林发动机运行时，回热器基体在高速交变气体流场中温度场的变化规律。

研究结果表明，回热器的有效性和流阻损失随孔隙率的增大而减小，随长径比的增大而增大。

因此在设计斯特林发动机时需要综合考虑回热器的孔隙率和长径比。

关键词回热器性能；孔隙率；长径比；有效性；流阻损失中图分类号：TK514, TK05 文献标志码：APerformance of Stirling engine regeneratorHuang Hulin1，Zhang Xidong1, Wu Yu1,2, Qi Zonglei1(1. College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics ＆Astronautics, Nanjing, 210016, China；2. Wuxi institute of oilpump and nozzle, Wuxi, 214000, China)Abstract：The efficiency of Stirling engine regenerator influences mightily the performance of Stirling engine. The periodical oscillating flow in the regenerator and the heat transfer characteristics between fluid and regenerator are modeled in two dimensions by the dynamic mesh model of the commercial CFDsoftware-FLUENT®.Moreover, the regenerator temperature field can be also gained when the Stirling engine begins to work. The results show that the regenerator effectiveness and loss of flow resistance decreases with the increase of the porosity, and increases with the increase of length-diameter ratio. Therefore the porosity and length-diameter ratio needed to be selected according to the overall design requirements of the engine.Key words：regenerator performance; porosity; length-diameter ratio; effectiveness; loss of flow resistance2013-07-00收到初稿，2013-00-00收到修改稿。