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斯特林循环分析与加热器特性研究

作　者: 陈聪慧
导　师: 倪明江
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 斯特林发动机循环分析方法振荡流动管式加热器换热
分类号: TK401
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 38次
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内容摘要

随着能源资源日益紧缺和对环境保护要求的不断提高,斯特林发动机能源适应性广的突出优势使其在可再生能源利用领域引起了广泛的关注。但是,对斯特林发动机实际工作过程的认识不完全,循环分析方法性能预测结果的不准确,阻碍了斯特林发动机技术的快速发展。本文主要比较基于Martini命名规则的五种循环分析方法和有限时间热力学法各自的特点和应用。并采用Schmidt法、绝热模型和Simple模型具体计算Y型斯特林发动机性能,采用有限时间热力学方法定性分析输出功率与效率的优化关系,进一步研究影响发动机性能和分析方法准确性的主要因素。在大多数分析方法中未考虑工质气体振荡流动的影响,而是采用稳定流动换热关联式或经验数据进行换热计算。本文通过实验研究得到斯特林发动机管式加热器在振荡流动条件下的换热特性。实验装置模拟斯特林发动机结构和运行工况,以氮气为工质,在转速为420rpm和压力为0.4MPa的实验条件下,得到气体与加热器壁面最大换热系数为78.0W/(m2.K)。工质压力的增加可以有效降低加热管壁面温度并增强气体与壁面间的换热。当工质压力从0.1MPa增加到0.4MPa时,管壁温度降低17℃,且有效输入热量增加l0W。实验得到的工质气体与加热器之间的换热系数不确定度小于7.69%。在Re和Reω分别在740-4110和12-71的实验范围内,得到管式加热器内振荡流动的换热经验关联式,且该公式的拟合相关系数为0.97。将实验结果与文献中提到的换热关联式比较发现,经典的稳定湍流换热关联式不适用于振荡流,尤其是在高Re条件下。该实验研究为在循环分析方法中补充考虑振荡流动的影响提供实验依据,有助于提高循环分析方法性能预测的准确性。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-11
术语表  11-13
1 绪论  13-23
  1.1 斯特林发动机研究背景  13-14
  1.2 斯特林发动机的发展  14-16
  1.3 斯特林发动机的应用现状  16-18
  1.4 斯特林发动机技术存在的问题  18
  1.5 工质气体振荡流动影响  18-20
  1.6 本文主要工作  20-23
2 斯特林循环分析  23-39
  2.1 理论循环  23-24
  2.2 循环分析方法  24-35
    2.2.1 零级分析法  24-26
    2.2.2 一级分析法  26-27
    2.2.3 二级分析法  27-31
    2.2.4 三级分析法  31-33
    2.2.5 四级分析法  33-35
  2.3 有限时间热力学分析方法  35-36
  2.4 小结  36-39
3 Y型斯特林发动机性能分析  39-53
  3.1 Schmidt模型计算结果  40-41
  3.2 理想绝热模型计算结果  41-43
  3.3 Simple模型计算结果  43-48
    3.3.1 回热器Simple分析  43-45
    3.3.2 加热器和冷却器Simple分析  45
    3.3.3 由压降产生的功率损失  45-48
  3.4 有限时间热力学方法计算结果  48-52
    3.4.1 功率和效率优化关系  50
    3.4.2 计算结果  50-52
  3.5 小结  52-53
4 斯特林发动机管式加热器换热性能实验  53-67
  4.1 实验装置及方法  56-60
  4.2 结果与讨论  60-65
    4.2.1 加热器换热实验  60-64
    4.2.2 理论计算与实验结果对比  64-65
  4.3 结论  65-67
5 结论与展望  67-71
  5.1 主要内容及总结  67-68
  5.2 创新成果  68
  5.3 展望  68-71
参考文献  71-77
作者简介  77

斯特林循环分析与加热器特性研究

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