大功率太陽能斯特林熱機(jī)流阻特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

【摘要】：太陽能斯特林熱機(jī)是以氣體為工質(zhì)的原動機(jī),同時也是碟式光熱太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一,它擔(dān)負(fù)著能量由“熱”轉(zhuǎn)換至“電”的重要任務(wù)。熱機(jī)內(nèi)流阻特性影響其功率性能,研究熱機(jī)內(nèi)部工質(zhì)通過流道的壓降與結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系具有重要意義。本文以大功率太陽能雙作用斯特林熱機(jī)為對象,圍繞熱機(jī)工質(zhì)的流阻特性和數(shù)值模擬進(jìn)行了深入研究。本文通過對大功率太陽能斯特林發(fā)動機(jī)功率組成情況的討論,著重分析了對功率有較大影響的熱交換器系統(tǒng)、活塞-氣缸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,定性分析了其內(nèi)工質(zhì)流阻及其流動特性;隨后,根據(jù)流體動力學(xué)理論和斯特林循環(huán)原理,分別建立了熱交換器中回?zé)崞鳌⒗鋮s器及加熱器和活塞-氣缸系統(tǒng)內(nèi)流阻損失數(shù)學(xué)模型,確定了數(shù)值模擬所需工況及參數(shù),并基于MATLAB計算環(huán)境,以湘電集團(tuán)25k W斯特林熱機(jī)為實(shí)例,對其內(nèi)部工質(zhì)流阻情況進(jìn)行了深入分析,得到了各參數(shù)與壓力降變化間的規(guī)律關(guān)系;最后,針對影響斯特林熱機(jī)流阻特性的活塞與回?zé)崞鲀蓚€關(guān)鍵結(jié)構(gòu),以效率最優(yōu)為目標(biāo),對回?zé)崞骱突钊Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。研究結(jié)果表明:25k W斯特林機(jī)熱交換器中,回?zé)崞?、冷卻器和加熱器功率損失分別占總功率損失的5.65%、19%和5.15%;回?zé)崞鲀?nèi)流阻損失隨絲網(wǎng)目數(shù)增大而增大,隨絲網(wǎng)孔隙率增大而減小,且小長徑比結(jié)構(gòu)回?zé)崞饔欣跍p小流阻;冷卻器和加熱器內(nèi)工質(zhì)流阻與管長呈正相關(guān)趨勢,但受管長變化影響并不明顯,而這種損失隨管徑的增加而減小,且管徑越小流阻損的增幅越明顯;熱機(jī)工作時,活塞密封環(huán)處兩端壓差與流過其流量呈二次曲線關(guān)系;而靜態(tài)時,流量與壓差呈線性關(guān)系,當(dāng)采用更大泄露面積與減半環(huán)形間隙寬度時,密封時間分別是基準(zhǔn)值的8.39%和111%;優(yōu)化后,當(dāng)泄露面積2mm05.0,環(huán)間體積為3mm5592,間隙寬度為mm181.0,間隙長度mm80時,熱損值相比此前下降2.14%,而流阻值增加87.21%,當(dāng)回?zé)崞骰w長度在cm55.3,直徑是cm68.6,其孔隙率0.688時,流阻下降了22%左右。 【關(guān)鍵詞】：雙作用斯特林機(jī) 流阻損失 數(shù)值分析 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：湖南科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-16
• 1.1 研究意義與背景10-13
• 1.2 國內(nèi)外發(fā)展與研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容15-16
• 第二章 斯特林熱機(jī)結(jié)構(gòu)特征及流阻特性16-25
• 2.1 熱機(jī)功率組成及流阻損失定性分析16-18
• 2.2 熱機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)及工作原理18-22
• 2.2.1 熱交換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基本工作原理18-20
• 2.2.2 活塞氣缸結(jié)構(gòu)及工作原理20-22
• 2.3 工質(zhì)流動特性及其阻力分析22-23
• 2.4 本章小結(jié)23-25
• 第三章 斯特林熱機(jī)各主要部件工質(zhì)流阻數(shù)學(xué)模型構(gòu)建25-43
• 3.1 熱交換器系統(tǒng)流阻損失模型25-35
• 3.1.1 加熱器與冷卻器流阻損失及計算模型25-31
• 3.1.2 回?zé)崞髁髯钃p失及計算模型31-33
• 3.1.3 熱機(jī)循環(huán)參數(shù)的確定33-35
• 3.2 活塞-氣缸系統(tǒng)工質(zhì)流阻模型構(gòu)建35-41
• 3.2.1 活塞密封結(jié)構(gòu)流阻的定性分析35-36
• 3.2.2 活塞密封流阻數(shù)學(xué)模型36-40
• 3.2.3 活塞環(huán)環(huán)間溫度的近似確定40-41
• 3.3 本章小結(jié)41-43
• 第四章 斯特林熱機(jī)各部件流阻損失數(shù)值分析43-60
• 4.1 數(shù)值分析軟件簡介43-44
• 4.2 熱交換器系統(tǒng)動態(tài)流阻數(shù)值分析44-53
• 4.2.1 熱機(jī)及熱交換器結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)設(shè)定44-46
• 4.2.2 加熱器與冷卻器的動態(tài)流阻特性46-49
• 4.2.3 回?zé)崞鞯膭討B(tài)流阻特性49-53
• 4.3 活塞-氣缸結(jié)構(gòu)流阻數(shù)值分析53-59
• 4.3.1 計算結(jié)構(gòu)參數(shù)及計算流程設(shè)定53-54
• 4.3.2 靜態(tài)下活塞密封結(jié)構(gòu)流阻變化特性54-56
• 4.3.3 動態(tài)下活塞密封結(jié)構(gòu)流阻變化特性56-59
• 4.4 本章小結(jié)59-60
• 第五章 基于效率最優(yōu)的熱機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化60-69
• 5.1 流阻損耗與優(yōu)化目標(biāo)分析60
• 5.2 活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計60-65
• 5.2.1 優(yōu)化參數(shù)及目標(biāo)選擇60-61
• 5.2.2 優(yōu)化方法及結(jié)果分析61-65
• 5.3 回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化65-68
• 5.3.1 目標(biāo)函數(shù)及約束條件65-67
• 5.3.2 優(yōu)化結(jié)果分析67-68
• 5.4 本章小結(jié)68-69
• 第六章 結(jié)論與展望69-71
• 6.1 全文結(jié)論69-70
• 6.2 研究展望70-71
• 參考文獻(xiàn)71-74
• 致謝74-75
• 附錄A：攻讀學(xué)位期間參研項(xiàng)目和發(fā)表論文目錄75

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