自由活塞斯特林发电机管壳式冷却器参数分析与实验研究

为满足某大功率自由活塞斯特林发电机(FPSG)冷端散热需求,设计了由995根换热管构成的管壳式冷却器。构建了FPSG热-动力学耦合模型,基于根轨迹分析方法确定了使系统实现起振的冷却器结构参数范围,并探究了冷却温度及冷却器无益容积对系统运行频率、活塞相位角和PV功的影响;基于Sage平台构建了FPSG热力学仿真模型,优化了冷却器结构参数,对冷却器的换热性能进行了实验研究。研究结果表明:当冷却温度和冷却器无益容积增大时,运行频率逐渐减小,活塞相位角逐渐增大;PV功随冷却温度的升高而减小,随冷却器无益容积的增大而先增大后减小;冷却温度的最佳取值范围为275~305 K,冷却器无益容积的最优值为250 cm 3;换热管最佳长度与内径分别为80 mm与2 mm;冷却器的最大散热功率为21.11 kW。该研究结果可为自由活塞斯特林发电机管壳式冷却器的优化设计提供参考。

自由活塞斯特林发电机启动特性实验研究

启动是开展自由活塞斯特林发电机实验研究的前提,为更系统研究发电机的启动特性,搭建相关实验测试系统并开展实验。发现发电机在激励过后,只有热端温度超过一定值才能成功启动,并以此定义发电机的启动温度。然后以启动温度为评价指标,探究充气压力,配气活塞板弹簧刚度等参数对发电机启动的影响规律。实验结果表明:随着充气压力增加,发电机对应的启动温度逐渐降低。配气活塞板弹簧刚度只有在一定范围内,发电机才能成功启动,并存在最优值。同时,减小外负载阻值以及通过串连电容增加系统的谐振都有利于发电机的启动。

5kW(e)级自由活塞斯特林发电机热电联产性能研究

自由活塞斯特林发电机由于其內禀高效、高可靠性和绿色环保等突出优点,在家庭和商业热电联产等领域具有重要的应用前景。文中基于热声理论对一台5kW（e）级自由活塞斯特林发电机开展了热电联产研究,从声阻抗角度考察了自由活塞斯特林发动机与直线电机在热电联产模式下的匹配特性。在理论计算的基础上开展了系统实验研究,以氦气为工质,在充气压力为5MPa、加热温度为550℃工况下,以供热水温度70℃获得了3kW（e）电功率和5.7kW供热水热量,对应27.5%热电效率和80%综合热利用率。

高温超导用自由活塞斯特林制冷机理论研究

制冷机是制约高温超导器件的瓶颈。文中针对自由活塞式斯特林制冷机进行了理论研究,建立了自由活塞斯特林制冷机的热声模型,对充气压力、活塞的位移振幅、热端换热器温度和密封间隙进行了模拟。模拟结果显示,以最大制冷量为目标最佳充气压力为1.9MPa,增加活塞位移振幅、降低回热器热端温度以及减小密封间隙可提高制冷机的性能。

250 W空间自由活塞斯特林发电机模拟与实验研究

为建设高效的空间能源系统,利用Sage软件设计了一台250 W空间自由活塞斯特林发电机,并对其进行了模拟研究,然后搭建了实验系统对其性能进行了测试,并与模拟结果进行了对比,研究了关键参数对发电机输出性能和稳定运行特性的影响规律。研究结果表明,发电机的输出功率和效率随加热功率的增加而增大,随充气压力、配气活塞板簧刚度、配气活塞杆直径以及膨胀腔初始长度的增加而减小,而发电机的热端温度和运行频率随上述参数的改变则均呈现单调的趋势。经过初步的优化,该发电机的最高输出功率达到275.1 W,热电转换效率达到23.14%。

斯特林驱动反渗透海水淡化增压泵设计研究

提出一种用于小型反渗透海水淡化新型增压装置,将β型自由活塞斯特林发动机与往复式活塞泵耦合成为自由活塞斯特林发动机驱动式增压泵。确定初始设计参数,建立结构原理图,利用实用等温模型建模,分析斯特林发动机内部工作参数;在确定斯特林发动机参数后利用伯努利方程和一维不稳定流动方程对往复泵进行建模,得出泵吸排水口压力以及泵腔内压力变化;研究了斯特林发动机热源温度对输出功的影响,排出管口压力影响因素;利用MATLAB软件对所建立模型求解计算。结果表明,本设备理论上满足设计初始工况要求并可正常运行。

斯特林发动机配气活塞变密封间隙的优化分析

介绍了自由活塞式斯特林发动机(FPSE)中的3处间隙密封以及间隙密封所产生的损失。根据理论公式计算,总结分析了变径配气活塞热端径向间隙、冷端径向间隙以及长度比对泵气损失、穿梭损失及总热损失的影响规律。

用于120~150℃蒸汽生产的超高温空气源自由活塞斯特林热泵性能研究

现有高温工业蒸汽主要产自于化石燃料燃烧,为减少碳排放和提高能源利用率,需提高可再生能源电力占比,同时开发一种高效、环保的电驱动超高温热泵系统代替传统化石能源蒸汽锅炉。本文针对一种用于产生高温蒸汽的电驱动空气源自由活塞斯特林热泵,基于SAGE软件对其在不同压力、频率和大温差情况下的性能进行了计算研究。研究表明,该系统在大温差供热领域性能优良;在环境温度20℃、供热温度120℃、工作频率45 Hz和平均压力8 MPa的工况条件以及1500 W的热端供热量目标下,系统整机供热系数达2.5,相对卡诺效率63.6%。

基于双效自由活塞斯特林的变温泵热技术研究

热泵对于缓解我国北方冬季所面临的供暖压力,具有十分积极的作用。本文主要针对一种新型的双效自由活塞斯特林变温热泵技术展开研究。主要采用SAGE程序对整机系统进行了数值计算,探究变温泵热对于系统加热量、泵热量、制热系数、整机(火用)效率以及各关键部件(火用)损失等热力学参数的影响。计算结果表明,采用变温热泵模式时,由于斯特林热泵侧温差减小,其泵热量增加,因此系统总的泵热量以及制热系数增大,但对应的(火用)效率降低。因此,可以在满足热量匹配的情况下,适当降低热泵侧室温换热器温度对热负载流体进行逐级加热,从而提高双效自由活塞斯特林热泵系统的工作效率。

余热驱动热耦合多级自由活塞斯特林热电联供系统研究

我国工业余热资源丰富,尤其是中低温余热具有巨大的回收利用潜力。本文提出采用热耦合多级自由活塞斯特林发电机来构建余热回收利用系统,可有效拓宽余热利用温度范围,减小余热热源传热损失。首先基于热声理论,从声阻抗角度计算考察了单级自由活塞斯特林热电联供系统在变温和变充气压力等工况下的性能;然后对一台三级自由活塞斯特林热电联供系统进行解耦计算,分别考察了供水温度、单级加热量、工作压力等因素对系统性能的影响;最后开展了实验研究,在420/350/300℃热端温度及22/22/18 kW加热量下获得自由活塞斯特林热电联产系统净输出电功10.09 kW,供热量45.29 kW,对应总热电效率为16.27%,综合热利用率为89.32%,各级相对卡诺效率分别为30.90%、32.10%、36.08%,展现出重要的应用前景。

自由活塞斯特林热泵的理论与实验研究

自由活塞斯特林热机取消了传统斯特林热机的曲柄连杆结构,具有结构简单、高效率、高可靠性、寿命长等诸多优点。但目前的研究热点多集中于自由活塞斯特林发动机与制冷机,对自由活塞斯特林热泵的研究关注很少。本文设计了一台电驱动自由活塞斯特林热泵,首次提出并采用了热机部分反向布置的结构,彻底避免了高温端换热器对直线电机造成的不利影响,并给出了实验结果。该热泵在-20~50℃的泵热温差下获得了1.4的整机COP。利用热声理论,本文对该热泵进行了理论计算,并与实验结果进行了对比,初步考察了热泵在不同泵热温差、不同输入电功以及不同运行频率的工作特性。

英国使用软磁粉末制造发电用斯特林发动机的定子

Microgen引擎有限公司为其微型热电联供装置开发出了一种自由活塞式斯特林（Stirling）引擎，Micro—gen引擎有限公司使用了瑞典赫格纳斯AB公司生产的Somaloy软磁复合材料粉末制造这种引擎的内定子。Microgen引擎有限公司位于英国的彼得伯勒（Peterborough）市，Microgen引擎有限公司开发的微型热电联供装置可以产生1kW的电能，其产生的电能既可以用于为家用电器供电，也可以用于烧水或取暖。

谐振电机耦合型双效斯特林燃气热泵系统研究

针对当前国家大力推行清洁能源技术和煤改气政策的供暖现状,本文探索了一种双效斯特林燃气热泵系统。全文基于热声学观点对系统进行了理论研究,并采用SAGE程序对其进行数值模拟和优化设计。计算表明,当加热、供热和冷端温度分别为923 K、333 K和273 K时,系统可获得的泵热量为7000 W,COPh为1.79,系统(火用)效率可达到45.67%;但谐振活塞位移对温度、压力以及谐振电机机械阻尼等参数变化具有敏感性,该特点将会严重制约系统的高效运行。为了降低系统的敏感性,本文采用谐振电机耦合斯特林发动机和斯特林热泵,通过对谐振电机电功输入和输出的调控来保持电机活塞工作状态的稳定。结果表明,谐振电机对于实现斯特林发动机和斯特林热泵的高效耦合以及降低系统敏感性具有可行性。

谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统性能实验研究

本文提出了一种谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林系统,其主要部件有自由活塞斯特林发动机子系统、谐振电机以及自由活塞斯特林制冷机/热泵子系统。全文针对谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统分别开展了制冷/热泵子系统、发动机子系统制冷和热功转换特性的实验研究。电驱动制冷子系统实验结果表明,当平均充气压力为3.3 MPa,工作频率为60.0 Hz,水冷温度19℃时,实验系统制冷效果较为显著,输入电功130 W时无负荷的制冷温度可以达到-23.7℃。发动机子系统热驱动声功输出特性实验结果表明,系统充气压力的变化对于系统热驱动起振特性有着十分明显的影响。另外,当平均充气压力为2.9 MPa,水冷温度22℃,外接电阻1500Ω时,系统的加热功率越高,系统的热功转换性能越好。本文所开展的谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统的实验研究对未来要进行的整机系统热驱动制冷实验奠定重要基础。

千瓦级自由活塞斯特林发电机研究

自由活塞斯特林发电机具有结构简单、高效率、高可靠性、寿命长等诸多优点。但其研究机构多集中于美国,国内的相关研究很少,且缺乏实验研究。为此,本文按照热声理论设计了一台1 kW电功级自由活塞斯特林发电机,并对其进行了实验研究,主要考察了不同热源温度下发电机的工作特性,获得了最大762 W的电功输出,此时热电效率为19.1%,这也是目前国内所报道过的最高热电效率。同时,本文将实验与热声理论的计算值进行对比,结果表明,实验与计算结果能够较好地吻合。

5 kW自由活塞斯特林发电机动磁直线电机冷却

为解决大功率直线电机的温升问题,设计了匹配自由活塞斯特林发电机用的动磁直线电机,并建立电机的三维温度场分析模型.该模型考虑实际电机中铜耗、铁耗、涡流损耗等因素,对线圈绕组进行了等效分析,模拟计算结果和实验结果符合较好,表明了模型的准确性.结合一台输出功率为5kW的斯特林发电机结构特性,设计了一种既满足冷端换热器换热需要又实现直线电机冷却的双用式冷却结构.利用该模型计算得到了电机各个部件的温度分布情况,并与实验结果进行对比验证,具有较好的一致性.与常规冷却结构进行比较分析,结果表明该双用式冷却结构对于线圈、磁铁等结构冷却性能更优.

排出器等效机械阻尼对斯特林发电机性能影响分析

自由活塞斯特林发电机是一种高效紧凑的外燃式热机,在分布式冷热电联供等能源应用领域具有重要应用前景。本文针对本组研制的自由活塞斯特林发电机,计算考察了排出器等效阻尼 R_(m)对发电机性能的影响规律,并与实验结果对比。研究结果表明,排出器等效机械阻尼首先会影响自由活塞斯特林发动机内部声场的分布规律,导致声阻抗变化进而影响发动机和直线电机的声阻抗匹配关系。其次,等效机械阻尼直接导致排出器的动力学损失和 损失,并通过声场耦合影响活塞的损失。计算中,当 R_(m)从 0.5 Ns/m 增大至 80 Ns/m 时,电功从 5247 W 降低至 4673 W,下降 12.2%,整机热电转换效率则由 40.4%降至 36%。而实验中,当 R_(m)为 30 Ns/m 时,输出电功为 4307 W,整机热电转换效率为 33%,误差为 13%。

可持续热能管理

图1是当前能源消耗和成本预算系统图,由图可知90%的能源预算投入都是围绕热能的转化、传导和存储开展的;同时目前的能源消耗可以主要分成四大块,包括工业、建筑、运输和其它,它们的比例分别为27%、34%、28%和11%。