斯特林可逆热机设计理论研究

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1、斯特林可逆热机设计理论研究孔令斌(泸州天叙天成新能源有限公司646600)摘要本文采用施密特分析法，根据斯特林可逆热机结构，建立描述结构参数与运行参数关系的数理模型，推导出斯特林可逆热机输出功计算公式和斯特林热机平均温度计算公式，揭示了平均温度与极限压力的关系；结合热机效率定义，探索出一套设计斯特林可逆热机的理论计算公式，提供了斯特林可逆热机各部件及控制系统设计的理论依据。关键词：斯特林热机结构参数运行参数公式1．引言斯特林发动机始于1816年。其后的若干年内，斯特林发动机的开发都没有实质进展。直到上世

2、纪30年代，具有实用价值的现代斯特林发动机才问世［1］［2］。但结构复杂、体积庞大、密封困难等缺陷严重阻碍了其应用推广。只用于潜艇等特殊领域［2］！2007年12月19日，斯特林可逆热机申报中国发明专利［3］。消除了阻碍斯特林发动机推广应用的所有障碍。其主要部件回热器及控制系统核心部件工况控制器也相继申报中国发明专利[[4][5]。斯特林可逆热机结构紧凑、体积小、功率可调范围广，完全可以取代现代内燃机和汽轮机，成为车船、电站的动力装置。同时，也是取代潜热式热泵及制冷机，彻底解决制冷剂污染的可行技术。斯特

3、林可逆热机结构问题解决了，但是描述其运行规律的理论还没有建立起来。如输出功计算、平均温度计算及工质量确定等问题，目前还没有相应的解决办法。斯特林可逆热机工作腔数目及连接方式对斯特林可逆热机性能有何影响？怎样进行量化分析？怎样寻求斯特林可逆热机结构参数和运行参数的最佳组合？这些都是斯特林可逆热机重要的基础理论研究课题。斯特林可逆热机至少有三个工作腔。三工作腔斯特林可逆热机各恒温过程所占相角为120度，各恒容过程所占相角为60度。四工作腔斯特林可逆热机各恒温过程和各恒容过程所占相角都是90度。随着斯特林可逆

4、热机工作腔数目增多，各恒温过程所占相角相应缩小，各恒容过程所占相角相应增大。双环连接六工作腔斯特林可逆热机是最简单的多环连接斯特林可逆热机［6］，各恒温过程所占相角为60度，各恒容过程所占相角为120度。2．斯特林可逆热机输出功计算公式四工作腔斯特林可逆热机的工作腔容积由热量流入端气缸容积V2、热量流出端气缸容积V1、通流容积V0组成。V2、V1随着输出轴转角变化而变化。其变化规律遵循施密特分析法规定的变化规律。通流容积V0内工质的平均温度T0，5热量流入端气缸内工质温度T2，热量流出端气缸内工质温度T

5、1。工作腔内工质量，热量流入端气缸内工质量2,热量流出端气缸内工质量1,在通流容积内的工质量0。工作腔内的工质都满足理想气体状态方程。设工作腔内压力为P，R为理想气体常数。则有方程组I：工作腔输出功W包含热量流入端气缸和热量流出端气缸容积变化的输出功。设热量流入端气缸输出功为W2，热量流出端气缸输出功为W1，热量流入端活塞截面积A2，热量流出端活塞截面积A1，冲程长度L。以恒温膨胀过程起点为基准，活塞位移相对输出轴转角为，活塞位移相对于输出轴转角呈正弦函数关系。规定容积膨胀输出功为正。则有：(1)(2)

6、==(3)由方程组I解出2代入公式（3）=(4)同理=(5)工作腔的输出功W为热区气缸输出功W2与冷区气缸输出功W1之和。(6)(7)输出轴旋转一周，完成一个斯特林循环的输出功为：(8)公式（8）是一个工作腔一个斯特林循环的输出功，四工作腔斯特林发动机一个斯特林循环的输出功是其4倍。双环连接六工作腔斯特林发动机的一个工作腔一个斯特林循环的输出功为：5(9)公式（9）表明：双环连接六工作腔斯特林发动机能大幅度提高强化程度，适用于大功率斯特林发动机。1．斯特林热机平均温度计算公式输出功计算涉及到的平均温度T

7、0和工作腔内工质量都不能直接测定，只能通过相关参数用理论推算。平均温度不仅与通流容积的大小有关，还与通流容积的结构有关。通流容积V0由加热器容积VH、回热器容积VRD、散热器容积VC组成。即有：(10)加热器温度为热量流入端温度T2，回热器平均温度TRD，散热器温度为热量流出端温度T1。热机在任何压力为P的工况点都有：(11)而回热器容积是通流容积的中间部分，两者结构相似。回热器平均温度TRD与通流容积的平均温度T0数值很接近，实际应用中都没严格区分。以T0替代的TRD误差很小。就数值而言，完全可认为：

8、(12)结合公式(10)、公式(11)、公式(12)，可解得：(13)公式（13）表明：平均温度由加热器容积、散热器容积、回热器容积及其分配比例和热量流入端温度、热量流出端温度决定。2．平均温度与极限压力的关系斯特林可逆热机运行过程中，工质量与极限压力有确定关系，每一工作循环有且只有一个压力极小值、一个压力极大值。四工作腔斯特林可逆热机运行的压力极小值出现在恒容放热过程与恒温压缩过程交汇点；压力极大值出现在恒容加热过程与恒温膨胀过程交汇点。