斯特林循环的多阶分析方法与优化模型
发布时间：2020-04-05 19:57
【摘要】：太阳能是一种资源丰富、应用广泛的可再生能源。太阳能热发电是太阳能的主要利用方式之一,其技术类型可分为塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔式四种。其种,碟式太阳能热发电系统具有聚光比高、峰值效率高、耗水量少、可用于分+布式发电等优点。碟式太阳能热发电系统热功转换的关键部件是斯特林发动机。斯特林发动机是一种外部加热的回热循环活塞式发动机,具有效率高、污染小、稳定性好、热源适应性广等特点。斯特林循环分析方法主要有一阶、二阶、三阶和四阶分析法。其中,二阶分析法较为成熟,准确度较高,但无法提供循环内部特性。三阶分析法可对循环进行较为全面的分析,但准确度尚未得到验证。本文在440～1396r/min转速范围和1.523～2.848MPa压强范围下,对一台100W β型斯特林发动机进行了实验测试,并用改进Simple模型(ISAM)和Sage模型,建立了该斯特林机的二阶分析模型和三阶分析模型。模型与实验的对比结果表明,ISAM模拟的循环输出功率误差在20%之内,循环效率误差在30%之内,而Sage模拟的循环输出功率误差最高超过50%,循环效率误差最高超过30%,且与实验值相比,Sage模拟的p-V图在图形面积、压比和容积比等方面都有偏差。为提升Sage模型的准确度,本文提出了一套通过将ISAM计算的损失信息提供给Sage,将Sage计算的工质气体温度反馈给ISAM的模型耦合方法,来修正Sage中动力活塞间隙宽度和冷却器气体模块对流换热经验乘数,从而反应循环过程中的泄露损失、气流滞后损失和活塞摩擦损失等功损影响,提高Sage模型的准确度。提升后的Sage模型,循环输出功率误差平均下降32个百分点,循环效率误差平均下降28个百分点,p-V图的图形相似度也平均提高3个百分点。利用提升后的Sage模型分析斯特林循环的内部特性,结果表明回热器是压降、换热量、(?)损最大的部件,回热器压降造成的流阻约占整机的99%;其最大热容量约为加热器吸热量的6倍,冷却器放热量的7倍,循环输出功率的59倍;其(?)损占整机(?)损的75.96%。将斯特林发动机的回热器基体外径、基体长度和丝网尺寸,以及加热器和冷却器的管长和直径作为优化参数,将最大循环输出功率作为优化目标,可将循环输出功率提升65%。进一步提升循环的运行工况,循环输出功率可提升至优化前的3.3倍。
【图文】：
通过活塞控制气缸容积的变化来改变工质的流动方向，在较低的温度和压力下压逡逑缩工质，工质在较高的温度和压力下膨胀，从而获得循环输出功［７］。按照基本结逡逑构分类，斯特林发动机主要可分为ａ型、（Ｂ型和Ｙ型三种类型，如图１．３所示。ｃｘ型逡逑斯特林发动机的压缩活塞和膨胀活塞分置于两个气缸内，两活塞分别在两端压差逡逑的作用下做功。在Ｐ型和Ｙ型斯特林发动机中，只有冷腔内的动力活塞做功，热腔逡逑内的配气活塞只起推动气体在循环中来回流动的作用。Ｙ型斯特林发动机的动力逡逑活塞和配气活塞分置于两个气缸内，Ｐ型斯特林发动机的两活塞在同一个气缸中。逡逑逦￣１逦}\0气邋｜逦＇逡逑加热器回热器冷却器逦活塞．逡逑—＿回热器—媝回热器逡逑ｍｔｌ邋ＳＩ邋ｙ逦』曑器』］冷却器逡逑ｕ邋Ｔ逡逑（ａ）邋ｏｔ型斯特林发动机邋（ｂ）ｐ型斯特林发动机邋（ｃ）ｙ型斯特林发动机逡逑图１．３斯特袜发动机的结构类型逡逑２逡逑
山逦ｉ关ＳＳｔｉｒｌｉｎｇ邋Ｂｉｏｐｏｗｅｒ公司，^u发生物质斯特钵发动系统逡逑图１．５斯特林发动机发展简史逡逑馨泰逡逑逦ＢＬｋ－逡逑（ａ）邋１－３６５型单缸菱形传动配气活塞式逦（ｂ）邋Ｓｕｎｐｏｗｅｒ单缸配气自由活塞式逡逑d叔义希桑科鲥澹斟义希ǎ悖╁澹矗叮敌托迸檀母姿饔檬藉危ǎ洌╁澹郑矗匦偷デ岽母姿饔檬藉义贤迹保兜湫退固亓址⒍峁雇迹儒义仙鲜兰推呤甏固亓址⒍芍写毓ぃ罚保毖芯克夜⒃阱义希保梗福材瓯蝗范ㄎ饕芯肯钅浚郏福荨＃保梗福茨
本文编号：2615462
【图文】：
通过活塞控制气缸容积的变化来改变工质的流动方向，在较低的温度和压力下压逡逑缩工质，工质在较高的温度和压力下膨胀，从而获得循环输出功［７］。按照基本结逡逑构分类，斯特林发动机主要可分为ａ型、（Ｂ型和Ｙ型三种类型，如图１．３所示。ｃｘ型逡逑斯特林发动机的压缩活塞和膨胀活塞分置于两个气缸内，两活塞分别在两端压差逡逑的作用下做功。在Ｐ型和Ｙ型斯特林发动机中，只有冷腔内的动力活塞做功，热腔逡逑内的配气活塞只起推动气体在循环中来回流动的作用。Ｙ型斯特林发动机的动力逡逑活塞和配气活塞分置于两个气缸内，Ｐ型斯特林发动机的两活塞在同一个气缸中。逡逑逦￣１逦}\0气邋｜逦＇逡逑加热器回热器冷却器逦活塞．逡逑—＿回热器—媝回热器逡逑ｍｔｌ邋ＳＩ邋ｙ逦』曑器』］冷却器逡逑ｕ邋Ｔ逡逑（ａ）邋ｏｔ型斯特林发动机邋（ｂ）ｐ型斯特林发动机邋（ｃ）ｙ型斯特林发动机逡逑图１．３斯特袜发动机的结构类型逡逑２逡逑
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