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浙江大学:斯特林发动机的实验研究、模拟及设计参数优化

时间:2018-02-05 17:39来源:国家光热联盟
  斯特林发动机是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力,因此又被称为热气机。英国物理学家罗巴特•斯特林(Robert Stirling)提出的斯特林循环,是重要的热机循环之一,亦称“斯特林热气机循环”。这种循环,是封闭式的,采用定容下吸热的气体循环方式。由于这种循环是封闭式循环,能够采用远远大于大气压力的高压气体工作,这样可以提高发动机的单位重量的功率,减小发动机的体积和重量。
  碟式斯特林发动机是浙江大学在太阳能热发电领域的研究方向之一,另外还包括高温集热储热,以及超临界二氧化碳等。
  在浙江大学能源清洁利用国家重点实验室倪明江和肖刚二位教授的指导下,黄怡青研究生就斯特林发动机的实验研究和模拟优化进行了研究,下文将对其报告进行分享,以供参考。
  一、太阳能斯特林碟式热发电系统
  1、斯特林发动机简介
  特点:加热的活塞式发动机,功率在1~100kW之间,效率25%-42%。
图:各类发动机输出功率与效率对比
  优点:适应性好,热效率高,污染较小;运转平稳,可靠性高。
图:热电联供系统
图:水下动力
  制约因素则是:加工精度要求高,密封技术,目前发动机设计及分析模型不够成熟。
  2、太阳能碟式热发电特点 
  太阳能碟式热发电系统的关键部件有:碟式聚光器,斯特林机,传动系统。
  其特点:聚光比比较高,可达到1000-3000,集热温度最高可达1000℃,峰值效率可达到30%,功率较小是5-50kW,同时耗水量小,既可分布式,也可并网发电;但单位造价较高,现在的技术难点是难以带储热系统。
图:太阳能碟式热发电
  3、斯特林循环分析方法
  斯特林发动机主要遵循的是一个斯特林循环是由两个等温过程构成的,这是理想的情况下,最大的理想发电效率是相同温差下的卡诺循环效率,但是由于一系列的论证,它是达不到的,所以我们必须要进行准确的分析。主要有1到4阶段,它更加贴合实际,同时更加复杂。目前我们针对2和3级分析法,考虑将压缩和膨胀过程中,考虑为等温或者绝热过程,在这些基础上减去一些工损和热损得到实际的输出,不能对工作过程进行描述。
  ? 一阶分析法(Schmidt分析):是理想斯特林循环,适用于初步设计,可快速完成但不准确;
  ? 二阶分析法:等温模型,绝热模型,考虑各种损失的模型;比一阶更接近于实际情况,但不能描述工作过程。 
  ? 三阶分析法:节点分析,考虑一维流动,建立瞬时能量和流动方程;解决空间误差问题,能够描述工作过程,但未能证明精确度优于二阶 。
  ? 四阶分析法:二维/三维,需借助CFD软件,复杂。
图:斯特林循环
图:二阶分析法
图:三阶分析法
  二、斯特林发动机研究
  1、浙江大学斯特林机研究
图:研究体系
图:实验机型
  2、测试平台
图:浙江大学斯特林机100W测试平台
  浙江大学斯特林机100W测试平台参数是:100W、β型,加热温度550℃,压力1~4MPa,转速1000rpm,活塞直径45mm,活塞行程24.3mm,相位差108°,菱形传动机构,介质是氦气、氢气,扫气容积38610mm²。
 
图:测试系统图
  3、循环分析
  (1)二阶改进型Simple模型
图:斯特林循环分析方法与GPU-3实验数据对比
图:二阶改进型Simple模型(ISAM)
图:二阶改进型Simple模拟与100W实验结果对比
  由此可以看出:不同转速下发动机循环输出功及循环效率变化(氦气,2.4MPa),误差为8.4%-12.3%、0-30%。
图:二阶改进型Simple模拟与100W实验结果对比
  不同转速下发动机循环输出功及循环效率变化(氮气,2.64MPa),误差为1%-6%、0-10%。
图:二阶改进型Simple模拟与100W实验结果对比
  从中可以看出:相同工况下氦气和氮气的模型值与实验值对比(2.07MPa, 500rpm)。具体参数如下:
  (2)三阶Sage模型
  Sage软件是一款由美国Gedeon Associates创始人David Gedeon开发的的商用程序,目前已更新至11.0版。
  该软件特点:
  ? 三阶分析模型;
  ? 基于一维模型; 
  ? 四个子模块:简单共振系统,斯特林模块,脉管制冷机模块,深低温模块。 
  ? 图形化界面; 
  ? 树状模型; 
  ? 相互连接。 
图:Sage软件操作界面
图:Sage模拟结果
  (3)能量损失分析
  (4)斯特林发动机优化方法
  ? 单目标优化——100W发动机
  优化软件:Sage软件;
  优化参数:回热器、加热器和冷却器长度; 
  工况:氦气作工质,压强为2.016MPa,转速为800r/min;
  实验表明:当三者长度分别为15.62mm、72mm、64.72mm时,循环输出功最大,提升15.9% ;当三者长度分别为85.8mm、55.9mm、64.6mm时,循环效率最大,提升25.2%。
  ? 多目标优化——GPU-3 
  ?基于Simple模型;
  ?优化方法:DE, GA, ASA;
  ?决策方法:SAW, TOPSIS;
  ?优化参数:循环效率、压力、热源温度、回热器目数、 丝网直径 ;
  ?优化目标:最大输出功,最大循环效率,最小功损; 
  ?结果:循环输出功提高3kW,循环效率提高5%,流阻减少。
  (5)振荡流动
  斯特林机振荡流动与换热特性研究的问有两个:一是检验常用的稳态流动特性是否适用于振荡流(流阻与换热关联式等);二是研究振荡流的流动与换热特性,为斯特林发动机新模型的建立提供理论基础。 
  从以上研究,我们收获的主要成果有:
  ? 算法:
  ? 振荡流动特性; 
  ? 速度扰动、循环率、流动滞后等; 
  ? 基于得到的流动特性,初步建立振荡流动模型,为斯特林发动机设计方法提供理论基础。 
  三、总结和展望
  目前,浙江大学在斯特林发动机方面的研究,主要在设计和加工了一系列的机型,用完整的输出平台进行实验研究,并且搭建了二和三阶模型,将整个振荡模型服务于循环分析模型。接下来,计划建立更加完善的振荡流系统,用于循环分析,将二和三阶模型结合,能够设计出一套将两者优点同时结合在一起的模型,并设计出一套适用于各种机型的方法,为设计和优化提供指导,最终希望提高热功转化效率。

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