斯特林发动机回热器性能研究

图 １ 斯特林发动机回热器结构 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｅｒｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
工质从冷腔 ３００ ℃以同样的流量流向回热器进行吸 热，通过自由出口边界到热腔加热，周期为 ０畅４ ｓ．如 此反复直到回热器内部温度场相对稳定为止 ． １．４ 实验条件
使用不锈钢管制作回热器基体，管长 １ ｍ，直径 ６０ ｍｍ，其中活塞的推气行程为 ３３０ ｍｍ，用镍铬电 热丝加热管一端，制成加热器；管中段内部放置多孔 介质材料，外部使用保温棉保温，制成回热器；管另 一端内部放置螺旋型弯曲铜管，制成冷却器；在回热 器内部放置若干热电偶，各热电偶并行连接到温度 采集装置上．实验时，用温控电路控制加热器开关， 使高温区温度保持在 ７００ ℃左右，调节水量通入铜 管使低温区温度保持在 ３００ ℃左右，待两端温度稳 定后再使用 步 进 电 机 带 动 膨 胀 活 塞 和 压 缩 活 塞 工 作，周期为 ０畅４ ｓ，并开始记录各点温度，等待回热器 基体温度分布稳定 １０ ｍｉｎ 后停止实验，最后分析并 处理数据．
２ 实验和模拟结果
图 ２ 回热器模拟网格 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｇｒｉｄ
１．２ 结构参数 没注明长径比的方案长径比为 ２ ∶１．而复合型
孔隙率指把回热器沿长度方向分成两半，在靠近热 腔的多孔材料使用 ８５％的孔隙率，这样工质流通量 大，回热器升温快，使回热器更快起动．在靠近冷腔 的多孔材料使用 ７５％的孔隙率， 能有效增大吸热 量，有助提高回热器的性能．具体参数见表 １．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｓｔｅｒｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ． Ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｆｏａｍｅｄ ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｗｉｒｅ ｍｅｓｈ ， ｗｈｏｓｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｗａｓ ７５％ ｏｒ ８５％ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｌｅｎｇｔｈ ｔｏ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｗａｓ ２：１ ｏｒ ３：１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ： ｔｈｅ ｈｅａｔ ｃａ－ ｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｒｔ－ｕｐ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｆｏａｍｅｄ ｃｏｐｐｅｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｓ ｆａｓｔｅｒ； Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ７５％ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ８５％ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｆａｓｔｅｒ ； Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ２：１ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｓｍａｌｌｅｒ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ３：１ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｈｅａｔ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｉｓ ｉｎ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ａ ５％ ｍａｒｇｉｎ ｏｆ ｅｒｒｏｒ， ｓｏ ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅ － ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｓｔｅｒｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ； ｈｅａｔ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ； ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ
１．１ 回热器的结构及其模型 图 １ 中两端为推气活塞，在模拟分析中用于推
动工质在回热器中左右流动［１１－１２］ ．在软件中设置回 热器的左端为冷腔，右端为热腔，回热器内部设置为 多孔介质区域，在各种方案下设定成不同的材料、孔 隙率以及相对的阻力系数等．回热器上下两端理想 绝热，只与 冷 热 源 交 换 热 量．回 热 器 具 体 尺 寸 为 长
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第 ３１ 卷
ｋＪ 左右，说明增加长径比对已经充分换热的 Ｓ３ 作 用不大，经过模拟计算，在此工况下当长径比增大到 １０∶１ 时，两者的换热量几乎没区别．
图 ９ 回热器温度（Ｃ３） Ｆｉｇ．９ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（Ｃ３）
图 １１ 不同材料的换热量 Ｆｉｇ．１１ Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
图 ６ 回热器温度（Ｓ７５） Ｆｉｇ．６ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（Ｓ７５）
图 ７ 回热器温度（Ｓ８５） Ｆｉｇ．７ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（Ｓ８５）
图 ５ 回热器温度（Ｃ７５） Ｆｉｇ．５ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（Ｃ７５）
图 ８ 回热器温度（ＳＦ） Ｆｉｇ．８ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ＳＦ）
斯特林发动机回热器性能研究
麦志豪，邹 城，陈观生，李 凤，张仁元
（ 广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 ５１０００６）
摘要： 对不同材料及孔隙率的斯特林发动机回热器的性能进行了多循环模拟分析和实验研究．研究的回热器填充 材料有泡沫铜与不锈钢丝网，材料孔隙率分别为 ７５％、８５％以及复合型孔隙率，回热器长径比为 ２∶１ 及 ３∶１，研究结 果显示：不锈钢回热器的热容量较大，而泡沫铜回热器的启动速度和换热速度较快；７５％孔隙率回热器换热量较 大，而 ８５％孔隙率回热器温度场收敛速度更快；长径比 ２∶１ 回热器压损较小，而 ３∶１ 回热器的换热量较大．经实验 研究分析，实验数据与模拟结果偏差约为 ５％，可为斯特林发动机回热器的设计提供依据． 关键词： 斯特林发动机；回热器；多孔介质 中图分类号： Ｕ４６４．９ ＋２ 文献标志码： Ａ 文章编号： １００７－７１６２（２０１４）０１－０１２１－０５
随着能源需求不断上升，化石能源储量不断下 降，能源的开发和利用亟待发展［１－２］ ．在众多的新能 源中，太阳能因其具有储量无限性、分布普遍性、利 用清洁性、利用经济性等优点，拥有非常广阔的应用 前景［３－４］ ．斯特林发动机是太阳能利用中光热转换 最主要的转换设备之一［５］ ，它是一种外燃机，理论上 的效率几乎等于理论最大效率，即卡诺循环效率［６］ ．
回热器是斯特林发动机换热系统中最重要的部 件［７－８］ ．经研究，如果没有回热器，则加热器的热容 量应扩大到原来的 ３．３ 倍，冷却器的热容量应扩大 到原来的 ７．６ 倍，才能保证循环功不变．所以回热器
具有举足轻重的地位，如何实现回热器高效的回热 效果，是提高斯特林效率的重要途径［９－１０］ ．
１ 回热器的性能模拟及实验
Ｃ３ Ｓ３
２．１ 压力分布 经多次模拟后，得知在既定的流量下回热器内
的压降只与多孔材料的孔隙率有关．通过图 ３ 对比 可以看出，孔隙率为 ７５％压降最大，孔隙率为 ８５％ 压降最小，复合型孔隙率压降为两者之间．说明沿程 压力下降与回热器里填充材料的孔隙率成正比．故 在考虑升温速度的情况下，使用复合型孔隙率能减 少回热器的沿程压力损失．图 ４ 为模拟结果的温度 场云图，左端为温度灰阶，右端为模拟的回热器的温 度分布，回热器内左端是冷端，右端是热端．当回热 器工作循环稳定后，回热器内部呈现出稳定从热端 到冷端不断下降的温度分布线，图 ５ ～图 １０ 中的模 拟温度分布曲线均由该类型温度场云图得出．
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｏｆ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｓ
Ｍａｉ Ｚｈｉ－ｈａｏ， Ｚｏｕ Ｃｈｅｎｇ， Ｃｈｅｎ Ｇｕａｎ－ｓｈｅｎｇ，Ｌｉ Ｆｅｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｒｅｎ－ｙｕａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６， Ｃｈｉｎａ）
图 １０ 回热器温度（Ｓ３） Ｆｉｇ．１０ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ Ｓ３）
图 ９ 中泡沫铜与图 １０ 中不锈钢网的孔隙率同 为 ７５％，而回热器长径比由 ２∶１ 变为 ３∶１，回热器长 度增加导致内部压降变大．并且由于长度增加，工质 和材料换 热 面 积 增 多， 所 以 两 者 的 换 热 量 都 增 大． Ｃ３ 对比 Ｃ７５ 两端温度更加接近冷热源温度，换热更 充分，从而换热量更大；而 Ｓ３ 中出现了和 Ｓ７５ 同样 的后端换热不充分情况，说明此工况下不锈钢回热 器不宜再增加长径比． ２．３ 换热量
第 ３１ 卷 第 １ 期
广东工业大学学报
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．１
２０１４ 年 ３ 月
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｍａｒｃｈ ２０１４
ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－７１６２．２０１４．０１．０２４
表 １ 斯特林机回热器结构参数及方案
Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｔｅｒｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ｒｅ－
ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ａｎｄ ｓｃｈｅｍｅ
材料
泡沫铜 不锈钢
７５％ 孔隙率
Ｃ７５ Ｓ７５
材料孔隙率与长径比
８５％ 孔隙率
无
复合型 孔隙率
无
Ｓ８５
ＳＦ
３∶１ 长径比
收稿日期： ２０１３－０２－０５ 基金项目： 广东工业大学重大项目培育专项基金资助项目（０９２００６） 作者简介： 麦志豪（１９８８－），男，硕士研究生，主要研究方向为热能工程换热过程及设备．
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第 ３１ 卷
１００ ｍｍ，高 ５０ ｍｍ（ 长径比为 ２∶１）．生成网络模型 后，网格数为 ２００００ 个，基本满足模拟所需精度．回 热器模拟网格见图 ２ 所示．