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自由活塞斯特林发动机是斯特林发动机的一种结构形式,它取消了传统斯特林发动机的曲轴结构,具有结构简单、高效率、高可靠性、寿命长等诸多优点。当前,全球能源与环境形势十分严峻,利用低品位热能驱动自由活塞斯特林发动机进行发电实为一项顺应时势的有益探索,同时也为低碳经济的发展提供了一个新的着力点。围绕这一主题,在前人研究的基础上,本文展开了以下几方面的工作:
1、从热声角度对自由活塞斯特林发动机的工作机理进行认识
利用介观热力学理论对自由活塞斯特林发动机进行认识:即认为在自由活塞斯特林发动机中,来自膨胀腔的声功一部分对外输出,而另一部分则返回回热器的低温端,通过具有温度梯度的回热器后,高温端的热量被转换为声功,从而使来自回热器低温端的声功被放大。此循环周而复始,实现热能向机械能的转换。这种认识揭示了回热器作为声功放大部件的本质,使得对自由活塞斯特林发动机工作机理的理解更为深入和直观。
2、建立自由活塞斯特林发动机和整机的热声简化模型并进行性能考察
提出并分析一种带热缓冲管的自由活塞斯特林发动机的新的结构型式:该结构取消了排出器的高温端,引入了热缓冲管,并在热缓冲管中放入丝网以减小辐射漏热。这一改进有效地降低了对排出器加工精度的要求和装配难度,提高了排出器的使用寿命。基于经典热声理论和一些理想化假设,分别对回热器、热缓冲管和排出器进行动力学分析,得到各个分界面上压力波动值和体积流波动值,建立了发动机的热声简化模型。应用该模型,以一台百瓦级自由活塞斯特林发动机为算例,分别考察了板簧刚度、排出器杆径、系统阻尼和热缓冲管尺寸对发动机热声转换效率的影响规律。计算结果表明,板簧刚度和排出器杆径是影响发动机性能的两个关键参数。
在单独对发动机进行考察后,将发动机和直线电机参数进行耦合,在发动机热声简化模型的基础上,对整机建立热声简化模型。应用该模型,考察了外接负载对整机谐振频率、稳定加热温度及热电转换效率的影响规律。计算结果表明,在考察的负载范围内,当外接负载增加时,谐振频率略有增加但变化不明显,稳定加热温度和热电转换效率均不断降低。
3、自由活塞斯特林发动机与直线电机耦合进行发电的实验研究
参与搭建一台百瓦级自由活塞斯特林发电机,围绕发电机性能进行了较为系统的实验研究。分别考察了直线电机单边配重为133g和182g时,外接负载对整机性能参数如谐振频率、起振温度、热电转换效率及输出电功的影响。实验结果表明:若直线电机单边配重133g,当加热功率802W,外接电阻为46.8Ω时(串联电容为200μF),有最大输出电功37.8W,最大热电转换效率4.7％,此时稳定加热温度为572℃,回热器入口压比为1.09；若直线电机单边配重182g,当加热功率799W,外接电阻为53.4Ω时(串联电容为200μF),有最大输出电功40.1W,最大热电转换效率5％,此时稳定加热温度为529℃,回热器入口压比为1.12。无论直线电机单边配重为多少,随着负载电阻的增大,谐振频率基本不变,而稳定加热温度、热电转换效率及整机输出电功均不断减小,与理论分析结果基本一致。