量子斯特林热机的输出功和热效率

量子斯特林热机工质为一维势阱中的粒子,其循环由两个等内能过程和两个等势宽过程组成,分别对应经典斯特林热机的两个等温过程和两个等容回热过程。建立二能级系统量子斯特林热机的量子力学模型,研究工质系统量子态的演化规律。通过求解Schr?dinger方程,分析量子斯特林热机循环的量子力学机理。考虑热漏的影响,得到热机的最大输出功和最大热效率。数值计算表明输出功与热效率之间的关系曲线是回原点的柳叶形,与经典斯特林热机循环输出功和效率之间的关系曲线形状相同。在最大输出功和最大热效率之间的曲线,是量子斯特林热机的最佳运行区段。研究结果有助于了解量子斯特林热机的最优热力性能,为量子斯特林热机的最优设计和模型评估提供依据。     

斯特林热机在可再生能源开发中的应用

在阐述斯特林热机工作原理和研究发展现状基础上,对斯特林热机在可再生能源开发中的应用进行了综合分析。通过对基于斯特林热机的碟式太阳能热发电系统和生物质燃烧发电系统的研究与应用发展现状进行分析,阐明了基于斯特林热机的太阳能和生物质能联合发电系统的技术优势和发展潜力,论述了太阳能和生物质能联合发电系统的构成方式、技术特点及主要性能参数,并进一步分析了联合发电系统的关键部件——混合式热管接收器的设计要点和发展现状。     

斯特林发动机可变倾角斜盘传动非正交锥齿轮设计与强度分析

非正交锥齿轮是四缸双作用斯特林发动机可变倾角斜盘传动装置关键部件,在斜盘倾角调节过程中承受较大的斜盘倾角维持力矩。为保证发动机可靠有效工作,锥齿轮的设计及精细强度分析尤为必要。基于此,针对大功率四缸双作用斯特林斜盘驱动发动机,依据可变倾角斜盘传动装置传动布局要求,开展了斯特林发动机非正交锥齿轮传动系统参数设计研究,建立了精细锥齿轮接触强度分析三维模型。其次,利用有限元分析软件Workbench进行了仿真分析,检验非正交锥齿轮传动系统性能。在此基础上,探讨了几何参数变化对锥齿轮啮合性能的影响。结果表明,在满足斯特林发动机整机结构参数设计要求情况下,齿轮最大形变量以及最大应力均随齿数在一定范围内增加而减小。这一结论将为非正交锥齿轮参数设计及动态分析提供一定的理论依据,为四缸双作用斯特林发动机可变倾角斜盘驱动系统的优化及性能提升提供理论参考。     

斯特林制冷系数的传热温差敏感性研究

基于斯特林理想制冷循环,对斯特林制冷机冷热端的传热温差进行无量纲化,分析了传热温差对斯特林制冷系数的影响关系.结果表明传热温差增大制冷系数降低,冷端传热温差对制冷系数的影响较大,在中温区(120～220K),传热温差对制冷系数的影响相对较小.因此斯特林制冷机在中温区具有应用优势.     

实际联合动力循环有限时间热力学研究

基于有限时间内传热不可逆情况,用有限时间热力学方法建立了内可逆内燃机循环与斯特林循环相结合的联合动力装置的热力学模型,导出了以压缩比、温度比等循环参数表示的联合循环功率和效率表达式,通过对温度比（斯特林循环吸热温度与内燃机循环初始放热温度的比值）的数值计算分析,验证了温度比对联合循环功率和效率的影响,以及联合循环功率与效率之间的关系。该分析结果对联合循环动力装置的性能研究具有实际指导意义。     

再热回热布雷顿循环的热力学分析

对再热回热布雷顿循环进行了热力学第一定律和第二定律分析,导出了输出功、熵产、热效率和(火用)效率的解析式.通过数值算例分别讨论了各个性能目标与再热压比和总压比的关系,并对再热压比进行了优化.分析了回热度、压气机和涡轮机效率和再热终点温度对循环性能的影响,所得结果对实际布雷顿热机的参数选择和优化设计具有一定的指导意义.     

非局域热平衡理论下斯特林热机回热器温度场分布数值分析

如何获得较为准确的回热器温度场分布,一直是碟式太阳能斯特林热机研究中的热点问题。本文构建了基于非局域热平衡理论的三维多孔介质动量方程与能量方程,以数值模拟的方法,探讨了回热器长度和分层、入口速度、填充介质孔隙率、气体工质材料及填充丝网目数等因素对于斯特林发动机回热器温度场分布的影响规律。结果表明:金属丝网孔隙率和气体工质流动速度对于金属丝网回热器的换热性能影响较大,适当地延长回热器长度能有效提高回热器的换热性能。     

四缸双作用斯特林发动机斜盘驱动系统主轴弯曲变形分析

采用一种较为精确的计算模型对四缸双作用斜盘驱动斯特林发动机主轴弯曲变形与轴承寿命进行研究,采用等温分析法对活塞上下端压力差和活塞环与汽缸壁之间的压力和摩擦力进行较为精确的计算,以此为基础计算滑靴对斜盘的压力和主轴的输出转矩、主轴承的支反力,建立四缸双作用斜盘驱动斯特林发动机主轴弯曲变形与轴承寿命预测模型。通过以25kW四缸双作用斜盘驱动斯特林发动机样机为研究对象,编程搭建计算模型,结果表明斯特林发动机具有较为恒定的输出转矩,主轴承2比主轴承1承受的载荷数值要大,两个主轴承在Y轴方向承受的载荷数值大于在X轴方向的载荷数值。主轴在装有斜盘的部分承受的截面转角最大,在离主轴承1大约7cm的位置承受的扰度最大。     

热-机载荷下厚壁圆筒自增强压力与安全性分析

推导厚壁圆筒在内压及热梯度载荷作用下的最佳自增强压力,并基于ANSYS优化分析结果对理论解进行验证.同时进一步探讨循环热机载荷下自增强对厚壁圆筒安定行为的影响.结果表明,不考虑热载荷时自增强处理会增大工作状态下圆筒内外壁应力差,从而降低结构的疲劳强度;当量纲一温度tn(0.75时,最佳自增强压力的理论解与数值解一致,最大误差不超过1%,而当0.75相似文献   

窄斜齿轮传动的三维误差分析

本文用三维有限元——数学规划方法,分析了窄斜齿轮在误差条件下的三维接触状况,包括压力角误差、螺旋角误差、基节误差、齿轮修形、以及由于齿轮支承变形引起的啮合误差的影响,进一步分析了误差存在时载荷大小对接触状态的影响。通过计算得到各种情况下的齿面载荷分布和齿轮副的振动激励——传动误差,为斜齿轮传动的动、静强度分析提供了可靠的依据。     

Study of the regenerator constituting material influence on a gamma type Stirling engine

A gamma Stirling engine with compressed air as working fluid was investigated. This engine operates at a maximum charge pressure of 10 bar, runs at a maximum rotation speed of 600 rpm and can provide 500 W of brake power on the shaft. The engine is equipped with several pressure sensors and thermocouples. This experimental study concentrates on the regenerator constituting material (porous medium). Four different materials were investigated: stainless steel, copper, aluminum and Monel 400. The obtained experimental results provide guidance to Stirling engine enhancement and selection of the appropriate regenerator material. As a conclusion, the regenerator has an important role to enhance the heat exchange and to improve Stirling engine performance, which closely depends on its constituting material.     

生物质直燃斯特林发电机组实验分析

对斯特林发动机的工作原理与生物质燃料的热能转换过程进行了分析,在此基础上进行了1kW生物质直燃微型斯特林发电机组设计。对该设计样机进行了热、电联产实验,通过对实验数据与仿真曲线的分析,得出了该机在工作过程中充电电压、充电电流随发动机转速与压力的变化规律,以及热、电关系,发电效率和热电总效率。生物质直燃斯特林发电机组的设计为生物质能源的充分利用拓展了市场。     

自由活塞斯特林发动机动力活塞气体作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机动力活塞的运行特性,找到提高自由活塞斯特林发动机效率的方法,对配气活塞固定不动时的动力活塞的气体作用效应进行了理论分析,并设计了动力活塞的单独运动实验,在此基础上提出了动力活塞自然频率的计算公式。研究了压缩腔压力波超前与滞后动力活塞位移两种情况下动力活塞受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统自然频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统自然频率减小,且热源温度越高,系统的自然频率越大。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,利用此理论计算系统自然频率和实验相差不超过2%,使得斯特林发动机成功启动。     

自由活塞斯特林发动机运行频率

自由活塞斯特林发动机运行频率是发动机的关键参数。区别于传统的曲柄连杆斯特林发动机,自由活塞斯特林发动机的运行频率由系统充气压力、动质量、弹簧刚度、阻力系数等热动力学参数耦合确定,因此确定自由活塞斯特林发动机的运行频率较为复杂。为了能够定量计算自由活塞斯特林发动机的运行频率,笔者建立了耦合发动机热动力学参数的数值模型。首先,在模型中对压力波进行线性化处理,得到了自由活塞斯特林发动机运行频率的计算公式;然后,运用模型分析了主要参数对发动机运行频率的影响规律,并与实验结果相对比,发现模型计算结果较为准确;最后,分析了当板弹簧刚度大幅度增加时,发动机的运行频率却变化较小,主要原因在于原有板弹簧的最高自然频率较低。结果表明：优化设计了新的板弹簧,使发动机运行频率大幅度升高,在采用新的板弹簧之后发动机的运行频率从原来的35 Hz提高到60 Hz。     

Stirling热气机冷却器的设计与实验研究

热气机冷却器是斯特林外燃机系统的重要组件之一,围绕冷却器所开展的研究也一直是斯特林热气机研究的重点之一。开发热气机冷却器设计,该热气机为四缸结构、斜盘式传动、氦气工质、淡水闭式强制冷却,其热能取自太阳能。为验证所设计的冷却器的特性,配备了性能测试试验台。实验结果表明,冷却器的设计思想及步骤是行之有效的,设计结果达到了预期技术指标。     

热漏对低耗散卡诺热机最大功率下效率及边界的影响

在低耗散卡诺热机模型的基础上,进一步研究热漏对低耗散卡诺热机最大功率下效率及其边界的影响。在类卡诺热机循环条件下,考虑等温膨胀与等温压缩过程中高低温热源之间存在热漏,推导出存在热漏时低耗散卡诺热机最大功率下效率的表达式,并且在对称情况下与经典CA(Curzon-Ahlborn)效率进行比较。发现当不存在热漏时,低耗散卡诺热机最大功率下的效率等于CA效率。当存在热漏时,低耗散卡诺热机最大功率下的效率低于CA效率,并随着热漏的增加而降低。在非对称下得到存在热漏时低耗散卡诺热机最大功率下效率的上下限和可观测范围,并与不同种类实际的热机效率进行比较,结果表明考虑热漏时低耗散卡诺热机的效率及其边界更加符合实际热机的观测值。     

An approximate thermal analysis of Stirling engine regenerators

This paper approximates the transport phenomena in a Stirling engine regenerator to aid its practical design. The mass flow rates are simplified by a square-wave function and the pressure variations, by a saw-tooth function with a phase difference. Approximate analytical solutions obtained in this study agree well with the available numerical solutions. Using the approximate solutions of the transport phenomena the entropy generation rates in a regenerator are analytically formulated and calculated, which come from axial conduction loss, imperfect heat regeneration, and pressure drop due to fluid friction. The geometry of the minimum entropy generation rate can represent the optimal design parameters of the regenerator     

一种杠杆增力发动机的试验研究

普通热力发动机的有效功率长期以来难以提高。在分析了解四冲程内燃机的基础上,试验研究了杠杆增力发动机,研究表明,由于结构变化,在每循环喷油量一定及相关参数相同的条件下,发动机燃烧性能改善,作功能力增加,功率等经济性能指标得以提高。     

Mathematical model for the study and design of a solar dish collector with cavity receiver for its application in Stirling engines

This paper presents a mathematical model that allows representing the optical behavior of a solar parabolic dish concentrator and the thermal performance of a cavity receiver. A procedure and a graphical method for the design of dish/cavity systems are proposed. A parametric study of the main geometric variables is performed and the influence of climate variables on the thermal behavior of the system coupled to a Stirling engine is analyzed. The model considers errors of solar collector, intercept factor, reflected and emitted radiation, conduction, and convection heat losses. For the validation of the model, the results obtained were compared with theoretical and experimental results reported in the literature. The calculation of the radiation losses, emitted and reflected from the receiver presented errors of up to 14%, and the average error for the rest of the thermal losses, interception factor and the absorber??s temperature, was less than 3%. These results show that the proposed model can be used with sufficient certainty to design and optimize solar dish collectors with cavity receivers.     

发动机分析仪无负荷测功误差分析

本文阐明了发动机分析仪无负荷测功的原理和误差的来源，主要是原理误差、测量误差和使用误差。试验表明，严格按操作堆积进行试验，则用发动机分析仪进行无处载测功的测量精度完全能满足要求。