自由活塞斯特林系统的理论与实验研究
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二级分析法(绝热分析法) 一级分析法基础上，假设压缩腔与膨胀腔气体经历绝热过程，简化 控制方程并求解。 比一级分析法更加接近实际。
传统斯特林循环分析理论
三级分析法(节点分析法) 不再仅分为5个腔体，而是沿一维流动方向分为若干节点，对每一 个节点列写控制方程并进行求解。 计算精度基本满足工程需要，发展最成熟，应用最广泛。
定
等温膨胀
容
吸
热
定
容
放
等温压缩
热
斯特林机工作示意图
理想斯特林循环
斯特林机的优缺点
优点
✓外燃式：各种热源(太阳能、核能、化石燃料、生物质) ✓噪音低：闭式循环 ✓潜在效率高：卡诺效率 ✓无污染：工质为He 、N2
缺点
╳寿命限制：活塞密封难(传统斯特林)
内燃机 汽轮机 蒸汽节流制冷
发展缓慢 应用受限
自由活塞斯特林机的发明
X轴方向
(-A.压缩腔；A-B.高温换热器；B-C.回 热器；C-D室温换热器；D-.膨胀腔)
理论计算结果ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ—声场相位
E2=0.5*|p||U|cosθ
驻波：90° 无法输送声功 行波：0° 声功最大
功热转换核心部件 ——回热器 尽可能运行于行波声 场中
0°
(-A.压缩腔；A-B.高温换热器；B-C.回 热器；C-D室温换热器；D-.膨胀腔)
实验与计算结果——效率
输出功率较低时，电 机的输入声功大部分 被阻尼消耗，效率较 低；当输出功率达到 一定值以后，电机效 率基本不变，约73%
热机效率随温度升高而 增大(18%~33%)
整机效率随着发动机效 率的升高而升高
实验与计算结果——排出器相位与相对卡诺效率
相对卡诺效率随热源 温度升高而升高。 在温度较低时，二者 基本一致，随着温度 的升高，计算与实验 结果间的误差逐渐增 大。
4 热泵
斯特林机的分析理论
传统斯特林循环 分析理论
零级分析法 一级分析法 二级分析法 三级分析法 四级分析法
热声理论
传统斯特林循环分析理论
零级分析法 根据实验结果引人经验因子，得出效率及输出功率的经验关系式。 计算简单，仅能作为初步性能估算
一级分析法(等温分析法) 分为5个连续腔体，假设每个腔体中气体经历等温过程，简化控制 方程并求解。 较大的理论误差，一般只适用于定性分析。
自由活塞斯特林系统的理论与实验研究
答辩人： 李 珂 导 师： 戴 巍
目录 ？
1 研究背景
2 分析理论
7 总结展望
自由活塞 斯特林
3 发电机
6 CFD模拟
5 制冷机
4 热泵
斯特林机的发明
1816年，Robert Stirling 发明了基于理想斯特林循环的 斯特林发动机。
1862年，A. Kirk 采用逆向斯特林循环进行制冷，发明了 斯特林制冷机。
1964年，美国Beale发明了自由活塞斯特林发动机
接触密封
寿命 可靠性
间隙密封
曲柄连杆
气体弹簧 板弹簧
传统斯特林机
自由活塞斯特林机
自由活塞斯特林系统的典型结构
热能
热机
机械能 直线电机
电能
发电机
热泵
制冷机
目录 ？
1 研究背景
2 分析理论
7 总结展望
自由活塞 斯特林
3 发电机
6 CFD模拟
5 制冷机
获得压力、速度、 温度的分布
计算热声效应中 的声功、热流
两种分析理论的对比
传统斯特林循环 分析理论
宏观热力学角度出发， 对控制方程在时域范 围内求解
回热器作用单一，仅 仅是具有吸热、放热 作用的“热力海绵”
热声理论
声学角度出发，对控 制方程在复频域范围 内求解
回热器是整个系统中 实现功热转换的核心 部件
四级分析法(CFD分析法) 多维流动，对每个控制容积列写控制方程并进行求解。借助商业 CFD软件进行求解。 计算耗时较多，做为三级分析法的辅助计算。
热声理论
热声效应
热致声：通过加热产生声波 声致热：消耗声波来泵热
假定物理量为： 平均量+一阶量
带入控制方程 舍去二阶小量
截面平均 简化为一维 复频域求解
Power dish (Infinia) 总热电效率24%，3kW
士兵携带式发电系统
Sunpower
105 Hz，650/80°C， 43 W，热电效率21%
国内外研究情况
国内研究
起步较晚，技术差距较大
北京农业工程大学(1995) 加热器
上海船用柴油研究所(2004) 气体轴承
哈尔滨工业大学(2010) 直线电机
目录 ？
1 研究背景
2 分析理论
7 总结展望
自由活塞 斯特林
3 发电机
6 CFD模拟
5 制冷机
4 热泵
国内外研究情况
美国的Infinai公司与Sunpower公司技术最成熟，最具代表性
膨胀腔 加热器
Infinia公司
回热器 水冷器
主要特点：
排出器连杆不穿过动力活塞， 位于排出器内部
采用板弹簧来支撑动力活塞
理论计算结果(Sage)——初步性能预测
高温端 室温端 压力 活塞位移 排出器位移 排出器相位
℃
℃ MPa mm
mm
deg
650
30
5
10
8.4
52
加热量 声功 电功 电机效率 相对卡诺效率 整机效率
W WW
3157 1062 811 76%
51.5%
25.7%
理论计算结果——声功
声功
回热器中 产生声功
直线电机
排出器
排出器连杆
动力活塞
板弹簧
国内外研究情况
美国的Infinai公司与Sunpower公司技术最成熟，最具代表性 Sunpower公司
气体轴承 排出器连杆
主要特点 排出器连杆穿过动力活塞 采用气体轴承来支撑动力活塞
空间核能发电
应用领域
碟式太阳能热电
静音电源
EE-80 (Sunpower) 650/30°C, 86W，60%
缺乏整机研究 特别是实验研究
国内外研究情况
本实验室研制的自由活塞斯特林发电机
百瓦级自由活塞斯特林发电机 (2010)
802K，40W，5%
单发动机驱动双对置电机
千瓦级自由活塞斯特林发电机 (2012)
80Hz，近800W，17%
单发动机驱动双对置电机
1kW自由活塞斯特林发电机
基本参数 Sunpower结构 50Hz，He，5MPa 排出器直径：75mm 电机功率：1kW
电加热
实验平台
激励电源
电容+划线变阻
实验方法
以1000W恒定功率进行加热。
当热源温度T1达到193°C ，
系 统 起 振 ， 起 振 频 率 47.2 Hz。
不同热源温度下的性能： 改变加热量，调节滑线变阻 器，使热端温度达到稳定。
自由活塞斯特林发电机实物图
实验结果——加热量与电功
最大电功： 762W (930K) 最高热电效率： 19.1%
传统斯特林循环分析理论
三级分析法(节点分析法) 不再仅分为5个腔体，而是沿一维流动方向分为若干节点，对每一 个节点列写控制方程并进行求解。 计算精度基本满足工程需要，发展最成熟，应用最广泛。
定
等温膨胀
容
吸
热
定
容
放
等温压缩
热
斯特林机工作示意图
理想斯特林循环
斯特林机的优缺点
优点
✓外燃式：各种热源(太阳能、核能、化石燃料、生物质) ✓噪音低：闭式循环 ✓潜在效率高：卡诺效率 ✓无污染：工质为He 、N2
缺点
╳寿命限制：活塞密封难(传统斯特林)
内燃机 汽轮机 蒸汽节流制冷
发展缓慢 应用受限
自由活塞斯特林机的发明
X轴方向
(-A.压缩腔；A-B.高温换热器；B-C.回 热器；C-D室温换热器；D-.膨胀腔)
理论计算结果ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ—声场相位
E2=0.5*|p||U|cosθ
驻波：90° 无法输送声功 行波：0° 声功最大
功热转换核心部件 ——回热器 尽可能运行于行波声 场中
0°
(-A.压缩腔；A-B.高温换热器；B-C.回 热器；C-D室温换热器；D-.膨胀腔)
实验与计算结果——效率
输出功率较低时，电 机的输入声功大部分 被阻尼消耗，效率较 低；当输出功率达到 一定值以后，电机效 率基本不变，约73%
热机效率随温度升高而 增大(18%~33%)
整机效率随着发动机效 率的升高而升高
实验与计算结果——排出器相位与相对卡诺效率
相对卡诺效率随热源 温度升高而升高。 在温度较低时，二者 基本一致，随着温度 的升高，计算与实验 结果间的误差逐渐增 大。
4 热泵
斯特林机的分析理论
传统斯特林循环 分析理论
零级分析法 一级分析法 二级分析法 三级分析法 四级分析法
热声理论
传统斯特林循环分析理论
零级分析法 根据实验结果引人经验因子，得出效率及输出功率的经验关系式。 计算简单，仅能作为初步性能估算
一级分析法(等温分析法) 分为5个连续腔体，假设每个腔体中气体经历等温过程，简化控制 方程并求解。 较大的理论误差，一般只适用于定性分析。
自由活塞斯特林系统的理论与实验研究
答辩人： 李 珂 导 师： 戴 巍
目录 ？
1 研究背景
2 分析理论
7 总结展望
自由活塞 斯特林
3 发电机
6 CFD模拟
5 制冷机
4 热泵
斯特林机的发明
1816年，Robert Stirling 发明了基于理想斯特林循环的 斯特林发动机。
1862年，A. Kirk 采用逆向斯特林循环进行制冷，发明了 斯特林制冷机。
1964年，美国Beale发明了自由活塞斯特林发动机
接触密封
寿命 可靠性
间隙密封
曲柄连杆
气体弹簧 板弹簧
传统斯特林机
自由活塞斯特林机
自由活塞斯特林系统的典型结构
热能
热机
机械能 直线电机
电能
发电机
热泵
制冷机
目录 ？
1 研究背景
2 分析理论
7 总结展望
自由活塞 斯特林
3 发电机
6 CFD模拟
5 制冷机
获得压力、速度、 温度的分布
计算热声效应中 的声功、热流
两种分析理论的对比
传统斯特林循环 分析理论
宏观热力学角度出发， 对控制方程在时域范 围内求解
回热器作用单一，仅 仅是具有吸热、放热 作用的“热力海绵”
热声理论
声学角度出发，对控 制方程在复频域范围 内求解
回热器是整个系统中 实现功热转换的核心 部件
四级分析法(CFD分析法) 多维流动，对每个控制容积列写控制方程并进行求解。借助商业 CFD软件进行求解。 计算耗时较多，做为三级分析法的辅助计算。
热声理论
热声效应
热致声：通过加热产生声波 声致热：消耗声波来泵热
假定物理量为： 平均量+一阶量
带入控制方程 舍去二阶小量
截面平均 简化为一维 复频域求解
Power dish (Infinia) 总热电效率24%，3kW
士兵携带式发电系统
Sunpower
105 Hz，650/80°C， 43 W，热电效率21%
国内外研究情况
国内研究
起步较晚，技术差距较大
北京农业工程大学(1995) 加热器
上海船用柴油研究所(2004) 气体轴承
哈尔滨工业大学(2010) 直线电机
目录 ？
1 研究背景
2 分析理论
7 总结展望
自由活塞 斯特林
3 发电机
6 CFD模拟
5 制冷机
4 热泵
国内外研究情况
美国的Infinai公司与Sunpower公司技术最成熟，最具代表性
膨胀腔 加热器
Infinia公司
回热器 水冷器
主要特点：
排出器连杆不穿过动力活塞， 位于排出器内部
采用板弹簧来支撑动力活塞
理论计算结果(Sage)——初步性能预测
高温端 室温端 压力 活塞位移 排出器位移 排出器相位
℃
℃ MPa mm
mm
deg
650
30
5
10
8.4
52
加热量 声功 电功 电机效率 相对卡诺效率 整机效率
W WW
3157 1062 811 76%
51.5%
25.7%
理论计算结果——声功
声功
回热器中 产生声功
直线电机
排出器
排出器连杆
动力活塞
板弹簧
国内外研究情况
美国的Infinai公司与Sunpower公司技术最成熟，最具代表性 Sunpower公司
气体轴承 排出器连杆
主要特点 排出器连杆穿过动力活塞 采用气体轴承来支撑动力活塞
空间核能发电
应用领域
碟式太阳能热电
静音电源
EE-80 (Sunpower) 650/30°C, 86W，60%
缺乏整机研究 特别是实验研究
国内外研究情况
本实验室研制的自由活塞斯特林发电机
百瓦级自由活塞斯特林发电机 (2010)
802K，40W，5%
单发动机驱动双对置电机
千瓦级自由活塞斯特林发电机 (2012)
80Hz，近800W，17%
单发动机驱动双对置电机
1kW自由活塞斯特林发电机
基本参数 Sunpower结构 50Hz，He，5MPa 排出器直径：75mm 电机功率：1kW
电加热
实验平台
激励电源
电容+划线变阻
实验方法
以1000W恒定功率进行加热。
当热源温度T1达到193°C ，
系 统 起 振 ， 起 振 频 率 47.2 Hz。
不同热源温度下的性能： 改变加热量，调节滑线变阻 器，使热端温度达到稳定。
自由活塞斯特林发电机实物图
实验结果——加热量与电功
最大电功： 762W (930K) 最高热电效率： 19.1%