3kW碟式太阳能斯特林发动机换热系统的研究.docx

3 kW 碟式太阳能斯特林发动机换热系统的研究 邹城，麦志豪，李风，张仁元( 广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006)摘要: 换热系统是斯特林发动机的关键部件之一． 以发电功率达到 3 kW、效率大于 20% 的斯特林机为要求，设计了配套的换热系统，包括吸热器、回热器和冷却器，计算出其理论发电功率为 4. 2 kW，效率达到 28. 6% ． 此外，还做了 针对冷却器的实验，结果显示冷却器的换热效率达 93. 6% ，符合设计要求．关键词: 斯特林发动机; 换热系统; β 型中图分类号: U464． 9 + 2文献标志码: A文章编号: 1007-7162( 2013) 03-0112-06The Heat Transfer System on 3 kW Dish Solar Stirling EngineZou Cheng，Mai Zhi-hao，Li Feng，Zhang Ｒen-yuan( School of Material and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)Abstract: The heat transfer system is one of the key components of a Stirling engine． According to thedesigning requirements that the power generation reaches 3 kW and the efficiency is greater than 20% for the Stirling engines，it designed the supporting heat exchanger system with a heat receiver，a regenerator， and a cooler． The theoretical power generation was calculated at 4. 2 kW，its efficiency reaching 28. 6% ．In addition，it conducted an experiment of the cooler． Experimental results show that the efficiency of the cooler heat exchanger is up to 93. 6% ，thus meeting the designing requirements．Key words: Stirling engine; heat transfer system;β type环境污染和能源短缺的问题已成为世界各国共同面临的课题，开展对环保可持续性能源的研究已 经显得非常迫切，这其中将斯特林发动机运用在太 阳能聚光装置上来发电被认为是很有前途的，因为 这种碟片聚焦的模式很适合分布式系统，而且投入 不会太大． 在当前研究中，碟式热发电系统的光→电转换效率最高可达 29. 4% ，因为这种发动机运用了 斯特林循环 ( 两个等容和两 个 等 温 过 程) 能 使 能 量 转化效率接近卡诺循环． 但在实际运行过程中碟式 热发电中光→电转换效率一般只能达到 17% 左右， 其主要原因在于对换热系统的结构设计与制作工艺上，可以说换热系统的好坏决定了设计的成败［1］．构( 见图 1) ，具有效率较高、结构 紧 凑 等 优 点． 根 据给定的反射碟片数据，计算出聚焦太阳光反射到发 动机吸热器的光斑直径约为 180 mm，可设定腔体吸 光口径为 180 mm，活塞直 径 设 定 为 55 mm，根 据 式( 1) 确定其余参数:P = 2BpfV，( 1)P 为功率，3 000 W; p 为循环压力，初始设计峰值为1. 8 MPa，平均为 1. 5 MPa; f 为循环频率，取 20 Hz， 即发动机转速为 1 200 r / min; V 为动力活塞排量; B 为 Beale 数，一般当加热温度在 900 K 的时候，本系 数在 0. 007 1 ～ 0. 017 之间，考虑到实际的加工水 平，设计时取小值: 0. 007 1［2］．通过式( 1 ) 可计算得出气缸 的 容 积 为: V = 352 cm3 ，进一步计算得出活塞行程为 38 mm，活塞平均 速度 v 为 165 cm / s． 缸内采用滑动密封，润滑材料选择耐磨速度在 3. 5 m / s 以下的聚四氟乙 烯，菱形传 斯特林发动机基本参数确定本文所研制的碟式热发电系统斯特林发动机的 功率为 3 kW． 作为小型热机采用单缸 β 型的传动机1收稿日