斯特林发动机循环特性及其多孔介质加热器传热特性研究

发布时间：2020-03-25 00:22

【摘要】：斯特林发动机对低热值气体有着很好的适应性,因此斯特林发动机获得越来越多的学者关注。斯特林发动机加热器在自由空间腔体内被烟气加热过程中存在局部温度过高的现象,会对加热器外管造成“热点烧蚀”。幸运的是多孔介质燃烧能够加快燃烧速度且使得腔体内烟气温度分布均匀。本文首先阐明了斯特林发动机的系统原理和斯特林循环的基本过程,指出了斯特林循环相较于卡诺循环的优点。其次,本文阐述了当下斯特林发动机研究的难点,着重分析了斯特林加热器在自由空间腔体内受烟气加热时存在“热点烧蚀”现象的原因以及五种循环分析法在斯特林发动机优化设计中的不足。本文在斯特林发动机自由空间燃烧加热腔体结构的基础上,设计了空气进口与燃气进口两侧对称布置多孔介质燃烧加热腔体结构和空气进口与燃气进口中心对称布置多孔介质燃烧加热腔体结构,并对两种腔体结构传热特性进行了模拟分析,发现前者随着燃气进口速度的增加腔体内烟气温度依旧会分布不均,而后者虽然烟气温度分布均匀但是腔体内烟气温度不高。鉴于此,本文设计出斯特林发动机四角切圆多孔介质燃烧加热腔体,并对此腔体进行了数值模拟,从温度场、压强值和速度场方面进行了分析。模拟结果表明:四角切圆多孔介质燃烧加热腔体结构既避免自由空间燃烧烟气温度分布不均的缺点,又提升了燃烧后的烟气温度。本文从燃气进口速度、当量比、孔隙率和多孔介质种类等因素设置对照组分析了各组燃烧性能。结果表明:烟气温度随着燃气进气速度的增加而增加。当当量比增加时,烟气温度下降。烟气温度随着孔隙率从0.725到0.825增大而升高,随着孔隙率从0.825到0.850增大而降低。不同多孔介质下烟气温度差异很大,氧化镍温度最低,氧化锆温度最高。然而,因为氧化锆与自由空间的空气导热系数一样低,氧化锆燃烧加热腔腔体内烟气也出现了温度分布不均的现象。本文采用有限时间热力学分析法推导了温度比、加热器温度、输出功率和效率之间的关系。分析结果表明:发动机功率与温度比有关,存在一个最大值,回热性能越好斯特林发动机需要的温度比越小,越容易达到最大功率值;斯特林发动机效率随着加热器温度的升高而增大,增大速率随着温度的升高而趋于平缓。
【图文】：

景 能源消费现状界经济的不断发展，，煤、石油等化石燃料的开采量和消耗量日益增的骤减给工业生产带来了严重的能源危机。同时，煤炭等化石燃料硫化物、氮氧化合物、二氧化碳和粉尘，这些污染物是造成雾霾等因。天然气主要成分是甲烷，燃烧高效且燃烧产物为水和二氧化碳体。此外，同摩尔燃料热量输出水平下，天然气的二氧化碳排放量等化石燃料的二氧化碳排放量。然气表观消费自 2010 年以来增长速度明显，如图 1-1 所示，2016 年费量达到了 2086.88 亿立方米，同比增长 8.0%[1]。据 BP 能源展望预35 年天然气消费量将增长到 360 亿立方米，年复合增长率 5.4%，同%[2]。“十三五”期间全国能源消费目标是非化石能源消费比重提高气消费比重提高到 6.8%左右，煤炭消费比重下降到 60%左右[3]。因源发展规划中，将加大天然气的开发和利用，以天然气为燃料的分增加。

上海电力学院硕士学位论文燃料的适应性非常广。因此，斯特林发动机在沼气等低热值气体燃烧领域有着得天独厚的优势。1.1.2 斯特林发动机简介斯特林发动机的内部循环工作介质一般为惰性气体，如氦气或者空气。燃料在斯特林发动机燃烧腔内燃烧，烟气通过强化换热将热量传递给加热器，加热器把热量传递给工作介质。显然在整个循环过程中工作介质不直接参与燃烧，因此，斯特林发动机又被称作是外燃机[5]。
【学位授予单位】：上海电力学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

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本文编号：2599096