低温差斯特林发动机热力学分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220136

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (2): 47-53.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220136

所属专题： 2023年机械工程

低温差斯特林发动机热力学分析

吴上生黄铁祥

华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640

收稿日期:2022-03-16 出版日期:2023-02-25 发布日期:2023-02-01
通信作者: 吴上生（1963-），男，博士，教授，主要从事先进制造技术和机电一体化技术研究。 E-mail:shshwu@scut.edu.cn
作者简介:吴上生（1963-），男，博士，教授，主要从事先进制造技术和机电一体化技术研究。
基金资助:
广东省自然科学基金资助项目(2021A1515010506)

Thermodynamic Analysis of Low Temperature Differential Stirling Engine

WU Shangsheng HUANG Tiexiang

School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China

Received:2022-03-16 Online:2023-02-25 Published:2023-02-01
Contact: 吴上生（1963-），男，博士，教授，主要从事先进制造技术和机电一体化技术研究。 E-mail:shshwu@scut.edu.cn
About author:吴上生（1963-），男，博士，教授，主要从事先进制造技术和机电一体化技术研究。
Supported by:
the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2021A1515010506)

摘要/Abstract

摘要：

在低温差斯特林发动机的功率预测和参数优化分析中，传统的分析方法并不实用。为了快速准确地预估低温差斯特林发动机的输出功率，文中研究二阶Simple模型在低温差斯特林发动机的热力学循环分析中的应用。描述了低温差斯特林发动机的简化结构模型与内部工质的温度特性，基于Simple模型推导低温差斯特林发动机中非理想换热器的实际换热方程式，分析发动机的回热损失、泵送损失和换热器实际换热量。通过实例计算说明低温差斯特林发动机系统内部工质的温度、压力和能量随曲柄转角的变化，分析低温差斯特林发动机的理论输出功率。将低温差斯特林发动机在不同加热温度下的实际输出功率与Simple模型的计算功率对比，对比结果显示，Simple模型计算的输出功率与实际输出功率之间的误差较小，表明Simple模型与低温差斯特林发动机的实际循环吻合较好。为了研究低温差斯特林发动机中回热器对发动机性能的影响，文中优化了低温差斯特林发动机的回热器结构，将回热器优化后的实际输出功率和Simple模型计算功率，与回热器优化前的实际输出功率和Simple模型计算功率对比。对比结果显示，优化回热器后的低温差斯特林发动机的实际输出功率与Simple模型计算功率均提高20%，表明优化回热器结构是提高低温差斯特林发动机性能的切实有效的方法。

关键词: 低温差斯特林发动机, 斯特林循环, Simple分析模型, 功率, 回热器

Abstract:

The traditional analysis method is not practical in the power prediction and parameter optimization analysis of low temperature differential Stirling engine. In order to predict the output power of low temperature differential Stirling engine quickly, this paper studied the application of the second order Simple model in the thermodynamic cycle analysis of low temperature differential Stirling engine. It described the simplified structural model of low temperature differential Stirling engine and the temperature characteristics of internal working medium. Based on Simple model, this study derived the actual heat transfer equation of non-ideal heat exchanger in low-temperature differential Stirling engine, and analyzed the heat return loss, pumping loss and actual heat transfer of heat exchanger. The variation of the temperature, pressure and energy of the working medium in the low-temperature differential Stirling engine system with the crank Angle was illustrated by examples, and the theoretical output power of the low-temperature differential Stirling engine was analyzed. The actual output power of low temperature differential Stirling engine at different heating temperatures was compared with the calculated power of Simple model. The comparison results show that the error between the output power calculated by the Simple model and the actual output power is small, indicating that the Simple model is in good agreement with the actual cycle of the low-temperature differential Stirling engine. In order to study the influence of regenerator on engine performance of low temperature difference Stirling engine, the paper optimized the structure of regenerator of low temperature difference Stirling engine. The output power of the regenerator after optimization was compared with that before optimization. The comparison results show that after optimizing the regenerator, the actual output power of the low-temperature differential Stirling engine and the calculated power of the Simple model are both increased by 20%. It is shown that optimizing the structure of regenerator is an effective method to improve the performance of low temperature differential Stirling engine.

Key words: low temperature differential Stirling engine, Stirling cycle, Simple analysis model, power, regenerator

中图分类号:

TK123

吴上生, 黄铁祥. 低温差斯特林发动机热力学分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(2): 47-53.

WU Shangsheng, HUANG Tiexiang . Thermodynamic Analysis of Low Temperature Differential Stirling Engine[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(2): 47-53.

图/表 10

图1

图2

表1

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表2

参考文献 18

1	MARTAJ N， BENNACER R， GROSU L，et al ．LTD Stirling engine with regenerator. Numerical and experimental study ［J］．Mechanics & Industry，2017，18（3）：305.
2	BANCHA K， SOMCHAI W ．Performance of low-temperature differential Stirling engines ［J］．Renewable Energy，2007，32（4）：547-566.
3	HUANG H D， CHEN W L ．Development of a compact simple unpressurized Watt‐level low‐temperature‐differential Stirling engine ［J］．International Journal of Energy Research，2020，44（14）：12029-12044.
4	BANCHA K， SOMCHAI W ．A review of solar-powered Stirling engines and low temperature differential Stirling engines ［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2003，7（2）：131-154.
5	MARTINI W R. Stirling engine design manual ［M］．Washington：US Department of Energy，Office of Conservation and Solar Applications，Division of Transportation Energy Conservation，1978.
6	李丰．斯特林发动机在低品位能源利用中的研究［D］．保定：华北电力大学，2006.
7	钱国柱．热气机原理与设计［M］．北京：国防工业出版社，1987.
8	CHENG C H， LE Q T， HUANG J S ．Numerical prediction of performance of a low-temperature-differential gamma-type Stirling engine ［J］．Numerical Heat Transfer（Part A：Applications），2018，74（12）：1770-1785.
9	IBRAHIM M B， TEW R C ．Stirling convertor regenerators ［M］．Boca Raton，FL：CRC Press． 2016.
10	倪明江，肖刚，岑可法．斯特林循环分析与发动机设计［M］．北京：科学出版社，2019：138-147.
11	邹降清，刘洪朔，邓十洲，等．斯特林发动机［M］．长沙：湖南大学出版社，1985.
12	URIELI I， BERCHOWITZ D M. Stirling cycle engine analysis ［M］. Bristol： A Hilger， 1984.
13	陶文铨，杨世铭. 传热学［M］. 北京：高等教育出版社， 2006.
14	张德满，李舜酩，门秀花．单缸发动机消声器压力损失的CFD研究［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2010，38（3）：129-132.
	ZHANG De-man， LI Shun-ming， Xiu-hua MEN ．CFD investigation into pressure loss of single-cylinder engine muffler ［J］．Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2010，38（3）：129-132.
15	KAYS W M， LONDON A L ．Compact heat exchangers ［M］．New York：McGraw-Hill，1984.
16	CHEN W L ．A study on the effects of geometric parameters in a low-temperature-differential γ-type Stirling engine using CFD ［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2017，107：1002-1013.
17	滨口和洋，平田宏一，户田富士夫，等．斯特林引擎模型制作［M］．上海：上海交通大学出版社，2010.
18	WALKER G ．Stirling engines ［M］．Oxford：New York：Oxford University Press，1980.

参数名称	数值
动力活塞直径/mm	12.6
置换活塞直径/mm	66
置换活塞最大扫掠容积/10⁴ mm³	2.73
动力活塞最大扫掠容积/10² mm³	9.97
加热器容积/10³ mm³	7.68
回热器容积/10³ mm³	7.69
冷却器容积/10³ mm³	7.68

参数	数值
参数	未加金属丝网	加金属丝网
热端温度/K	423	423
冷端温度/K	323	323
实际转速/（r·min^-1）	190	204
实际轴功率/mW	21.5	33.1
回热器换热面积/cm²	76.9	175.4
Simple理论轴功率/mW	27.7	38.5
Simple理论回热器效率/%	61.7	90.8
Simple理论热效率/%	1.4	4.2

[1]	张广驰, 乐文英, 庞海舰, 等. IRS辅助认知无线携能通信网络的发射功率最小化算法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(3): 110-123.
[2]	黄明辉, 王照卓, 潘晴, 等. 混凝土泵车泵控系统建模仿真与特性分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(3): 106-118.
[3]	李松, 余意, 孙彦景, 等. 面向移动VR的部分缓存内容共享方法[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(6): 122-130,140.
[4]	杨金明黄伟. 直驱式波浪发电系统的状态切换控制方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2021, 49(2): 1-8.
[5]	甘云华, 谭梅鲜, 梁嘉林, 等. 恒功率放电下锂离子电池的产热特性[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(7): 1-8.
[6]	万里翔段丽娜郭覃段耀龙虞宁上官文斌. 发动机冷却风扇叶尖参数优化[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2019, 47(7): 128-135.
[7]	王振民吴健文范文艳叶春显. 基于 SiC MOSFET 的谐振软开关等离子体电源 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2019, 47(1): 1-6.
[8]	黄国勤罗莎祁胡博于今. 风电系统的混合式液压机械无级变速技术 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2019, 47(1): 95-102.
[9]	吴海岗李斌吴朝晖王昆刘洋. 基于折叠式比例串联变压器的功率放大器芯片设计 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(8): 46-51.
[10]	马渊博李斌吴朝晖吴海岗陈志坚. 基于功率放大芯片可靠性优化的多热源电热联合仿真方法[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(10): 50-57.
[11]	李勇朝杜思琪张锐梁海涛刘潇蔓. 基于功率效率最优化的 D2D 功率控制方法[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2017, 45(7): 113-119.
[12]	上官文斌陈成峰李利平俞宏祁振宁. 基于振动功率流法的汽车悬架系统隔振性能分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2017, 45(2): 23-29,38.
[13]	徐晓刚谢运祥王映品李兰芳曾志武张晓宇. 统一电能质量调节器的精确建模与协调控制[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2017, 45(10): 62-70.
[14]	牛纪强梁习锋周丹刘峰. 高速列车非定常气动力及其波动特性的雷诺数效应[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(8): 82-90.
[15]	温先佳杜贵平李治泳. 大功率同步整流的均流及环流技术[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(4): 21-27.

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Thermodynamic Analysis of Low Temperature Differential Stirling Engine

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