小型蝶式太阳能斯特林发动机回热器的流阻分析

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文章编号：CAR140

小型蝶式太阳能斯特林发动机回热器的流阻分析

郭永飞 陈 曦 张 华 庞常伟 刘 颖

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

摘 要 回热器是蝶式太阳能斯特林发动机的重要组成部分，对小型蝶式太阳能斯特林发动机回热器流阻进行了分析。基于有限时间热力学理论和方法，利用时间比例的概念，对斯特林发动机回热器内工质在一个周期内的流动建立模型并分析，结果表明：回热器内所填充丝网类型、填充层数、工质流过回热器的雷诺数影响着工质通过回热器的压降和工质流阻损失，雷诺数较小时，压降值、阻力损失及其增幅均较小，随着雷诺数的不断增大，压降值、阻力损失及其增幅均显著增大。 关键词 热工学 太阳能 斯特林发动机 回热器 有限时间热力学

FLOW RESISTANCE ANALYSIS OF REGENERATOR IN A SMALL

SCALE DISH-SOLAR STIRLING ENGINE

Guo Yongfei Chen Xi, Zhang Hua Pang Changwei Liu Ying

(University of Shanghai for Science and Technology, School of Energy and Power Engineering,

Shanghai, 200093, China)

Abstract The regenerator is the key part of the solar Stirling engine. In this paper, the flow resistance of regenerator in a small-scale solar Stirling engine is analyzed. Based on the finite-time thermodynamics theory and method, useing the conception of Time Scale., the flow model of the working gas in the regenerator of the Stirling engine in a cycle of motion is built up and analyzed, the result shows that the pressure drop and the loss of flow resistance of the working gas in the regenerator are influenced by Reynolds number, the type and the number of the mesh screens in the regenerator. The pressure drop and loss of flow resistance of the working gas increase significantly with the increase of Reynolds number.

Keywords Pyrology Solar Stirling engine Regenerator Finite-time thermodynamics

太阳能发电是太阳能利用中的重要形式。目要组成部分，回热效率的高低将直接影响斯特林发前，较为成熟的太阳能发电技术是光伏发电技术和动机的整机性能，回热器既是传热元件又是阻力元太阳能热发电技术。在太阳能热发电技术中，采用件，热量与动量传输及转换过程是相互影响的，对在聚光焦点处直接放置太阳能斯特林(Stirling)发电进行回热器的研究带来了相当的难度。回热器内工装置的蝶式太阳能热发电系统，由于具有寿命长、质的流动属于多孔介质中可压缩流体的交变流动，效率高、灵活性强、起步投资小、结构简单、可降回热器起到储存和回收热量的作用，并建立起高温低成本潜力大等特点，且可以单台供电[1]，故非常腔和低温腔之间很大的温度梯度[2]。在蝶式太阳能适用于太阳能丰富但集中送电不方便的山区和边斯特林发动机工作过程中，工质在回热器内流动不远地区。 可避免会发生热损失和摩擦损失，在工质高频率流

动的情况下，如何减少工质在回热器内的流阻损失在太阳能斯特林发动机系统中，回热器是其重

显得至关重要。

基金项目：上海市教育委员会重点学科建设项目(J50502)资助近年来，国内外许多学者[3-8]就斯特林机回热器(The project was support by the project of Building Significant

做了大量深入的理论分析和实验研究，主要包括对Subject of Shanghai Education Committee(J50502) )

第一作者简介：郭永飞(1985—)，男，硕士研究生。 新型回热器结构进行研究、对回热器内气体谐振流联系人：陈 曦(1977—)，男，博士，主要从事斯特林机器研究。

动进行分析、对新型薄片回热器模型进行分析、对

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回热器的各项热损失进行分析、推导回热器不可逆性的熵流方程、分析回热器结构和丝网填料对系统的性能影响、根据热声网络理论对回热器进行有限时间热力学分析等，但关于工质流过回热器的雷诺数对回热器流阻影响的研究较少。根据有限时间热力学理论和方法，分析了雷诺数对小型太阳能斯特林发动机回热器流动阻力的影响。

1 循环过程分析和物理模型建立

斯特林循环在理论上包括四个过程，如图1所示，分别是等温压缩过程(1→2)、等容加热过程(2→3)、等温膨胀过程(3→4)、等容冷却过程(4→1)。

p

图1. 斯特林循环p-V图

Fig.1 The p-V diagram for a Stirling cycle

在1→2过程中，压缩腔活塞压缩冷气室内工质，工质通过回热器外壁肋片，向外散热，实现定温压缩过程；在2→3过程中，高温腔活塞和低温腔活塞分别下降和上升，工质吸收热源的热量，实现等容加热过程；在3→4过程中，热气室内高温高压工质推动高温腔活塞上升，实现等温膨胀过程；在4→1过程中，高温腔活塞和低温腔活塞分别上升和下降，工质放出热量给回热器，实现等容冷却过程；这样工质实现闭合循环过程。

太阳能斯特林发动机的基本原理是利用蝶形抛物面反射镜作聚光器，将受热器安装在反射镜的焦点处，利用聚光作用形成的高温，为斯特林发动机提供热量。由于光照变化易引起受热器局部受热不均以至影响斯特林发动机的工作性能，系统中设置了蓄热机构，使得斯特林发动机在一个温度较稳定的热源条件下运行，系统原理示意图如图2所示。

1.太阳能聚光 2.蓄热器 3.膨胀腔 4.回热器 5.翅片6.膨胀

活塞 7.膨胀活塞杆 8.压缩腔 9.压缩活塞 10.压缩活塞杆 11.支架 12.连杆轴 13.发电机 图2. 小型太阳能斯特林发动机原理示意图

Fig.2 The theorem schematic diagram of the small scale

solar stirling engine

高温腔内工质吸收太阳能聚光热量，维持高温TH恒定，低温腔内工质通过肋片将热量传至环境，维持低温TL恒定，高低温腔活塞的往复运动，带动连杆轴驱动发电机内轴转动发电，实现“太阳光能→热能→机械能→电能”的转换。

太阳能斯特林发动机运行过程中，工质流过换热器，特别是流过回热器会发生压降，使得膨胀功下降，造成损失；同时，回热器、气缸和活塞的两端存在很大的温差使系统性能下降。回热器内工质气流的压降会使膨胀腔内的压力减小，由图1斯特林循环P-V图可以看出，膨胀腔内压力降低会导致膨胀功面积的减少，从而影响到斯特林发动机的运行效率，因此，为提高系统性能，需减少流过回热器工质气流的压降。

2 数学模型及计算分析

小型蝶式太阳能斯特林发动机的设计输出功率为3kW，平均循环压力为6MPa，高温腔设计温度800K，低温腔设计温度330K，设计转速2000转/分，最高转速2400转/分，采用单个圆筒形回热器，直径DR为72mm，长度LR为40mm，最高转速时工质质量流量mRs为57.5g/s。针对该太阳能斯特林发动机，采用三种不同目数的平纹结构不锈钢(304钢)丝网填充回热器，丝网参数见表1。

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表1 三种不同不锈钢丝网的回热器参数

Tab.1 Regenerator parameters of three kinds of stainless

steel meshes

目数

丝号

丝径 孔径 开孔面积S.W. …… 此处隐藏：5786字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……