【摘要】：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)低熱值氣體有著很好的適應(yīng)性,因此斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)獲得越來越多的學(xué)者關(guān)注。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器在自由空間腔體內(nèi)被煙氣加熱過程中存在局部溫度過高的現(xiàn)象,會(huì)對(duì)加熱器外管造成“熱點(diǎn)燒蝕”。幸運(yùn)的是多孔介質(zhì)燃燒能夠加快燃燒速度且使得腔體內(nèi)煙氣溫度分布均勻。本文首先闡明了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)原理和斯特林循環(huán)的基本過程,指出了斯特林循環(huán)相較于卡諾循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。其次,本文闡述了當(dāng)下斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)研究的難點(diǎn),著重分析了斯特林加熱器在自由空間腔體內(nèi)受煙氣加熱時(shí)存在“熱點(diǎn)燒蝕”現(xiàn)象的原因以及五種循環(huán)分析法在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的不足。本文在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)自由空間燃燒加熱腔體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了空氣進(jìn)口與燃?xì)膺M(jìn)口兩側(cè)對(duì)稱布置多孔介質(zhì)燃燒加熱腔體結(jié)構(gòu)和空氣進(jìn)口與燃?xì)膺M(jìn)口中心對(duì)稱布置多孔介質(zhì)燃燒加熱腔體結(jié)構(gòu),并對(duì)兩種腔體結(jié)構(gòu)傳熱特性進(jìn)行了模擬分析,發(fā)現(xiàn)前者隨著燃?xì)膺M(jìn)口速度的增加腔體內(nèi)煙氣溫度依舊會(huì)分布不均,而后者雖然煙氣溫度分布均勻但是腔體內(nèi)煙氣溫度不高。鑒于此,本文設(shè)計(jì)出斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)四角切圓多孔介質(zhì)燃燒加熱腔體,并對(duì)此腔體進(jìn)行了數(shù)值模擬,從溫度場、壓強(qiáng)值和速度場方面進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果表明:四角切圓多孔介質(zhì)燃燒加熱腔體結(jié)構(gòu)既避免自由空間燃燒煙氣溫度分布不均的缺點(diǎn),又提升了燃燒后的煙氣溫度。本文從燃?xì)膺M(jìn)口速度、當(dāng)量比、孔隙率和多孔介質(zhì)種類等因素設(shè)置對(duì)照組分析了各組燃燒性能。結(jié)果表明:煙氣溫度隨著燃?xì)膺M(jìn)氣速度的增加而增加。當(dāng)當(dāng)量比增加時(shí),煙氣溫度下降。煙氣溫度隨著孔隙率從0.725到0.825增大而升高,隨著孔隙率從0.825到0.850增大而降低。不同多孔介質(zhì)下煙氣溫度差異很大,氧化鎳溫度最低,氧化鋯溫度最高。然而,因?yàn)檠趸喤c自由空間的空氣導(dǎo)熱系數(shù)一樣低,氧化鋯燃燒加熱腔腔體內(nèi)煙氣也出現(xiàn)了溫度分布不均的現(xiàn)象。本文采用有限時(shí)間熱力學(xué)分析法推導(dǎo)了溫度比、加熱器溫度、輸出功率和效率之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明:發(fā)動(dòng)機(jī)功率與溫度比有關(guān),存在一個(gè)最大值,回?zé)嵝阅茉胶盟固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)需要的溫度比越小,越容易達(dá)到最大功率值;斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)效率隨著加熱器溫度的升高而增大,增大速率隨著溫度的升高而趨于平緩。
【圖文】：

景 能源消費(fèi)現(xiàn)狀界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，，煤、石油等化石燃料的開采量和消耗量日益增的驟減給工業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的能源危機(jī)。同時(shí)，煤炭等化石燃料硫化物、氮氧化合物、二氧化碳和粉塵，這些污染物是造成霧霾等因。天然氣主要成分是甲烷，燃燒高效且燃燒產(chǎn)物為水和二氧化碳體。此外，同摩爾燃料熱量輸出水平下，天然氣的二氧化碳排放量等化石燃料的二氧化碳排放量。然氣表觀消費(fèi)自 2010 年以來增長速度明顯，如圖 1-1 所示，2016 年費(fèi)量達(dá)到了 2086.88 億立方米，同比增長 8.0%[1]。據(jù) BP 能源展望預(yù)35 年天然氣消費(fèi)量將增長到 360 億立方米，年復(fù)合增長率 5.4%，同%[2]�！笆濉逼陂g全國能源消費(fèi)目標(biāo)是非化石能源消費(fèi)比重提高氣消費(fèi)比重提高到 6.8%左右，煤炭消費(fèi)比重下降到 60%左右[3]。因源發(fā)展規(guī)劃中，將加大天然氣的開發(fā)和利用，以天然氣為燃料的分增加。

上海電力學(xué)院碩士學(xué)位論文燃料的適應(yīng)性非常廣。因此，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在沼氣等低熱值氣體燃燒領(lǐng)域有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。1.1.2 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)簡介斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部循環(huán)工作介質(zhì)一般為惰性氣體，如氦氣或者空氣。燃料在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔內(nèi)燃燒，煙氣通過強(qiáng)化換熱將熱量傳遞給加熱器，加熱器把熱量傳遞給工作介質(zhì)。顯然在整個(gè)循環(huán)過程中工作介質(zhì)不直接參與燃燒，因此，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)又被稱作是外燃機(jī)[5]。
【學(xué)位授予單位】：上海電力學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK124

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