流动阻力损失对斯特林热机功率和效率影响的理论分析

研究与探讨

流动阻力损失对斯特林热机功率和效率

影响的理论分析

瑶,韩

(南京航空航天大学能源与动力学院,江苏南京210016)

摘要:目前对斯特林热机的理论热工分析主要集中在热阻、热漏和回热损失对效率和功

率的影响。讨论了在加进流动阻力损失后,对斯特林热机功率和效率的影响,并对功率和效率曲线进行了理论模拟。

关键词:热阻;热漏;回热损失;流动阻力损失

Abstract:Recentlythestudyofstirlingengineconcentratesprimarilyattheheatresistance,theheatleaks,returningheatlosesonstirlingengineinfluenceofefficiencyandpower.

ButIthinkitis

importantoftheexistofflowingresistancelosestostirlingengineinfluenceofefficiencyandpower,sointhisstudythroughrealtheoriescountandtheoriesimitateIgainsomecurveontheinfluenceoftheefficiencyandpoweronthestirlingengine.

Keywords:heatresistance;heatleaks;returningheatloses;flowingresistanceloses

中图分类号:TK1

文献标识码:A

文章编号:1001-5523(2006)02-0041-03

近年来,随着人们对能源和环境这两个全球性问题的日益关注,人们越来越意识到热汽机技术能对保存资源和保护环境起到积极的作用。因此,越来越多的国家和组织开始参与热汽机技术的研究和发展活动。在实际热机模型中,由于不可逆因素的影响,热机的性能及效率和理想的斯特林循环有一定的差距,因此,应考虑各种损失对热机性能的影响,以便使理论更适合于实际。

目前厦门大学的严子浚、苏国珍对斯特林热机做了很多的研究,主要为热阻、热漏和回热损失对功率和效率影响的理论分析[1]。本文在此基础上加入了流动阻力损失对功率和效率的影响,结合工程上的一些经验公式,采用的方法对“有限时间热力学”过程和装置的性能优化问题进行研究,得到了热机比较符合实际的功率和效率曲线图。

状态方程PV=nRT;工质做稳定流动,工作温度在TH和TL高低热源之间,系统组成见图1。

(1)工质与热源之间存在热阻,从而两等温过程的温度T1、T2不同于热源的温度,有TH>T1>T2>TL,

并且设传热遵从牛顿传热定律。

(2)以理想气体为工质的斯特林热机虽具有理想回热条件,但是由于回热器中存在种种不可逆损失,回热器效率ηR小于1,未能实现理想回热。

低温热源之间存在直接的热漏。(3)高、

热机的模型

以n摩尔理想气体为工质的斯特林热机,遵守

图1斯特林实际循环系统的组成

第期

006

・41・

高瑶等,流动阻力损失对斯特林热机功率和效率影响的理论分析

研究与探讨

2只考虑热阻、热漏和回热损失时热机的功率和效率间的关系

1-可逆;2-仅有回热;3-仅有热漏;4-仅有热阻;5-不存在热

阻;6-不存在热漏;7-不存在回热;8-存在热漏、热阻和回热

图2

三种损失对功率和效率影响的曲线

考虑流阻后输出轴的功率

上述中的功率P是不考虑工质流阻损失的基

本功率。事实上,工质通过换热器,特别是通过回热器会发生压降,结果使膨胀功下降,造成损失,下在估算主要的流阻损失。

计算时做下列简化假设[2]:(1)循环过程中在瞬时热端温度保持不变;(2)工质无泄漏,理想气体。

循环系统分成三部分:热区(由膨胀腔和加热器组成)、

冷区(由冷却器和压缩腔组成)和回热区(由回热器组成)。热区温度TH,冷区温度TC,回热器平

均温度T-TT

R=0.8(THC)lnH。因此,为了获得比较切合C

实际的计算结果,问题的焦点在于平均温度TH和TC的正确取定。

本计算法的限定使用条件为:总无益容积比不低于1.3,加热器的无益容积比应占总无益容积比的

35%左右;平均循环压力不大于10MPa。采用氦气

为工质,转速为1500 ̄2000rad/min。

3.1回热器流阻损失功率

流阻损失主要发生在流道极小的回热器中,但

工质在回热器中的流动是复杂的,无法精确的计算出回热器的质量流率和流动时间,只能作一些相应的简化,进行近似计算。

现对工质的流动情况假设如200下[3 ̄6]:在某一方向上做稳定流动,在某段循环时间年

内没有流动,在另一方向上做稳定流动,在另一段时第期

2间内没有流动。

42・

用不锈钢网丝堆叠成的回热器基体的压力降:

△p=fR・

GR・LR

R・1RHR・ρGR

回热器流阻损失功率:PRF=2・△pR・mRs・

FRT/ρCR

3.2

加热器和冷却器流阻损失功率

管式加热器和管式冷却器中的工质压力降△pH

和△pK的表达式分别为:

△p・・2

H=2fHGH・LH(C・1dH・ρGH)

△p・2

K=2fK・GK・LK(C・1dK・ρGK)加热器和冷却器流阻损失功率分别为:

PHF=2・△pH・mHs・FHTρGH(W)PKF=2・△pK・mKs・FKTρGK(W)3.3

指示功率

指示功率即输出轴得到的功率,等于基本功率减去流阻损失功率和诸如泄漏损失、干摩擦损失等未考虑的功率损失。未作考虑的功率损失取0.05P,这样:

Pi=P-0.05P-PRF-PHF-PKF

4输出轴得到的功率和基本功率的关系

本文拟采用一实例,用上述的公式,近似得到输出轴的功率和基本功率之间的关系,以便分析功率受流阻的影响。

本例采用的数据汇总:缸径:7cm行程:5cm活塞杆直径:2cm曲柄半径:2.5cm活塞壁厚:0.3cm活塞有效长度:11cm转速:v′rad/min工质:氦气

膨胀腔温度:T′K

压缩腔温度:330K(57℃)加热器管内壁温度:(T′+80)K冷却器管内壁温度:300K(27℃)平均循环压力:P'MPa加热器:内径:0.4cm外径:5.5cm总长:45cm

有效加热长度:38cm管数:22

通流容积:124.4cm3

回热器:直径:6.2cm长度:3.5cm网丝线径:0.0035cm片数:558充填率:0.3023透孔率:0.6799

通流容积:147.45cm3

冷却器:内径:0.1cm外径:0.2cm

高瑶等,流动阻力损失对斯特林热机功率和效率影响的理论分析长度:9.5cm

有效换热长度:8.5cm

表1

研究与探讨

流通容积:44.88cm3

kW

其他功率损失

指示功率

指示功率和基本功率的比值

管数:270

利用本例参数的计算结果

加热器流阻损失功率

冷却器流阻损失功率

v'/min-1rad・T'

/K973

P'/MPa108108108108

回热器流阻

基本功率P

损失功率

PRF

17.9822.47520.2922.66414.98518.73116.90818.887

1.241.9381.312.051.241.9381.312.05

PHF0.40.6250.4240.6630.40.6250.4240.663

PKF0.2780.4340.2950.460.2780.4340.2950.46

0.5P0.8991.1241.0151.1330.7490.9360.8450.944

Pi15.16518.35417.24718.35912.31814.79814.03414.77

0.840.820.850.810.820.790.830.78

1800

1073973

1500

1073

结论

流阻主要包括回热器流阻损失、加热器和冷却器的流阻损失及其他诸如摩擦等,主要对实际输出的功率产生影响。由于其存在,必然要损失一部分热来克服它,从而使实际输出的功率变小。通过一

图3

加入流动阻力后指示功率与原基本功率的比值

个实例的计算,得出由于流阻的影响,输出轴得到的功率大概是基本功率的80%左右。参考文献:

根据图3,可以估计,加入流阻损失以后输出轴得到的功率只有仅考虑传热损失时功率的0.8左右。

加入流动阻力后斯特林功率和效率的曲线图

[1]苏国珍,严子浚.斯特林热机的基本优化性能[J].应用科学

学报,1999,17(2):206-210.

[2]严子浚,苏国珍.斯特林热机的基本优化关系及功率和效

率界限[J].工程热物理学报,1999,20(5):545-548.[3]G.沃克.热气机[M].北京:机械工业出版社,1987.[4]CurzonFL,AhlbornB.EfficiencyofCarnotengineat

maximumpoweroutput[J].Am.J.Phys,1975,43(1):22一24.

[5]ChenJ,YanZ,ChenL,etal.Efficiencyboundofasolar一

rivenStirlingheatenginesystem[J].Int.J.EnergyRes,1998,(22):805-812.

[6]ChenL,YanZ.Theeffectofheat-transferlawon

erformanceofatwo-heat-sourceendoreversiblecycle[J].J.ChemPhys,1989,90(7):3740-3743.

收稿日期:2005-09-26

作者简介:高瑶(1980-),男,河南济源人,硕士生,研究方向

实线-不考虑流阻的情况虚线-加入流阻后的情况

图4

增加流动阻力前后功率和效率的影响曲线

为太阳能斯特林点聚焦系统热工分析。韩东(1968-),男,河南汉阳人,副教授,博士,研究方向为太阳能斯特林点聚焦系统、小卫星热控、电源研究、磁流体除垢、太阳能制冷。

第期

006

・43・


相关内容

  • DIY斯特林发动机设计制作原理

    --斯特林发动机模型动手制做--动手制做--斯特林发动机模型 什么是斯特林热机? 热气机(即斯特林发动机)的理想热力循环,为19世纪苏格兰人R.斯特林所提出,因而得名.它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循 1)环,而且定容放 ...


  • 知识点目录

    标准大气 不可压缩流体 黏性流体 施特鲁哈尔数 流谱 等熵流动 超声速流 压缩波 分离[流] 气体状态方程 压强 声速 黏性系数 弗劳德数 迹线 定常流 马赫波 激波 尾流 马赫数 雷诺数 流场 旋涡 非定常流 马赫角 层流 边界层 高超声 ...


  • 第二类永动机

    第二类永动机 编辑词条 B 添加义项 ? 在热力学第一定律问世后,人们认识到能量是不能被凭空制造出来的,于是有人提出,设计一类装置,从海洋.大气乃至宇宙中吸取热能,并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头,这就是第二类永动机. 从单一热 ...


  • 斯特林发动机

    关键词 热力学第一.第二定律,可逆循环,等容和等温变 化,气体定律,效率,斯特林发动机,热量转换, 蒸汽泵 原理 实验目的 斯特林发动机通过一种可调节的扭力表来调节其1.确定燃烧器的热功率 负荷.对斯特林发动机的转动频率和温度变化进行2.传 ...


  • 暖通基础考试大纲

    附件1 注册公用设备工程师(暖通空调) 执业资格考试基础考试大纲 一.高等数学 1.1 空间解析几何 向量代数 直线 平面 柱面 旋转曲面 二次曲面 空间曲线 1.2 微分学 极限 连续 导数 微分 偏导数 全微分 导数与微分的应用 1.3 ...


  • 给排水注册工程师

    给排水注册工程师 全国勘察设计注册工程师公用设备酬委会专家组会议通报 全国勘察设计注册工程师公用设备筹备管理委员会(以下简称酬委会)于2002年4月11日在北京召开了给水排水,暖通空调,动力工程三个专业专家组长会议.酬委会负责人,中国机械工 ...


  • 斯特林热机

    斯特林热机演示实验 实验类型:热学 2010年6月 [实验目的] ―――――――――――――――――――――――――――――――――― 了解斯特林热机的现象及其原理. [实验仪器] ――――――――――――――――――――――――――――― ...


  • 一级注册结构工程师基础课考试大纲和笔记

    大纲 一 高等数学 1.空间解析几何 向量代数 直线 平面 柱面 旋转曲面 二次曲面 空间曲线 2.微分学 极限 连续 导数 微分 偏导数 全数分 导数与微分的应用 3.积分学 不定积分 定积分 广义积分 二重积分 三重积分 平面曲线积分 ...


  • 注册土木工程师-基础考试

    勘察设计注册土木工程师(道路工程)资格考试[基础考试大纲] 勘察设计注册土木工程师(道路工程)资格考试 基础考试大纲 一.高等数学 1.1 空间解析几何 向量代数 直线 平面 柱面 旋转曲面 二次曲面 空间曲线 1.2 微分学 极限 连续 ...