﻿ 斯特林发动机高背压燃烧换热性能影响因素分析
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (12): 104-110 PDF

1. 上海热气机工程技术研究中心，上海 201203;
2. 上海交通大学，机械与动力工程学院，上海 200240

Analysis of high back-pressure heat transfer in stirling engine
HUANG Xiao-yu1,2, DENG Kang-yao2, LIU Kun1, LAN Jian1, YANG Mu-ge1, ZHAO Wei-ping1
1. Shanghai Stirling Engine Research Centre, Shanghai 201203, China;
2. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China
Abstract: High back-pressure combustion is one of the most important specificity of Stirling engine. By using the experimental modified calculation of combustion and heat transfer, the influence of heat transfer performance, such as the size of combustion chamber, size of heater tube, size of fin, etc., was analyzed. By optimizing the factors, the performance of the combustion system was promoted.
Key words: Stirling engine     high back-pressure     combustion and heat transfer calculation
0 引　言

Kanzaka Mitsuo等[5]通过试验测试加热管内2.2～5.3 MPa压力的工质在4～12 Hz频率往复流换热特性，对比稳态管内Dottis-Boelter公式，发现在试验范围内测得的Nu均高于稳态计算值，并提出了基于稳态公式的往复流修正系数；陈聪慧等[6]通过试验0.1～1.0 MPa氦气在2.5～9 Hz范围内的往复流动，同样对比稳态管内Dottis-Boelter公式，发现在试验范围内Nu均低于稳态值，并提出了新的往复流动换热无量纲拟合式。

1 方法 1.1 试验机型及外燃系统主要参数

 图 1 试验机型外燃系统示意 Fig. 1 External combustion system of test model

 图 2 加热器外形图 Fig. 2 Schematic of heating pipe

 图 3 翅片结构与外形 Fig. 3 Schemati of fin
1.2 主要计算方法

1）燃料燃烧计算

 ${\rm{V}}_{O_2}^H = 1.866 \times C + 5.56 \times H{\text{。}}$ (1)

 ${{V}}_{\rm CO_2}^H = 1.866 \times C{\text{，}}$ (2)
 ${{V}}_{\rm H_2O}^H = 11.1 \times H{\text{。}}$ (3)

 ${{V}}_{\rm CO_2}^y = {{V}}_{ \rm CO_2}^H + {{V}}_y^b \times {{{C}}_{\rm CO_2}},$ (4)
 ${{V}}_{\rm H_2O}^y = {{V}}_{\rm H_2O}^H + {{V}}_y^b \times {{{C}}_{\rm H_2O}},$ (5)
 ${{V}}_{\rm O_2}^y = \left( {\lambda - 1} \right){{V}}_{\rm O_2}^H + {{V}}_y^b \times {{{C}}_{\rm O_2}}{\text{。}}$ (6)

2）换热计算

 $T_o^f = {T_a} \times \frac{{{{B}}{{\rm{o}}^{0.6}}}}{{M{{B}}{{{\rm{\tilde u}}}^{0.3}} + {{B}}{{\rm{o}}^{0.6}}}}{\text{，}}$ (7)
 ${{B{\rm o}}} = \frac{{{B_p}{{\left( {Vc} \right)}_{cp}}}}{{{\sigma _0}{\Psi _{cp}}{F_{ct}}T_a^3}}{\text{，}}$ (8)
 ${{B{\rm \tilde u}}} = 1.6{\rm{ln}}\frac{{1.4{{B}}{{\rm{u}}^2} + {{B}}u + 2}}{{1.4{{B}}{{\rm{u}}^2} - {{B}}u + 2}}{\text{，}}$ (9)
 ${{B{\rm u}}} = kps{\text{，}}$ (10)
 $s = 3.6\frac{{{V_t}}}{{{F_{ct}}}}{\text{。}}$ (11)

 $R = {R_{fi}} + {R_{fo}} + {R_c}{\text{，}}$ (12)
 $\Delta t = QR{\text{。}}$ (13)

 ${R_f} = \frac{1}{{Ah}}{\text{，}}$ (14)
 ${R_c} = \frac{{\ln \left( {\displaystyle\frac{{{d_o}}}{{{d_i}}}} \right)}}{{2{\text{π}} \lambda l}}{\text{。}}$ (15)

 $h = 0.023\frac{{{\lambda _i}}}{{{d_i}}}{\rm{R}}{{\rm{e}}^{0.8}}{\rm{P}}{{\rm{r}}^{0.4}}{C_t}{C_l}{C_x}{\text{。}}$ (16)

 $h = 0.52\frac{{{\lambda _f}}}{{{d_o}}}{\rm{Re}}_f^{0.5}{\rm{Pr}}_f^{0.36}{C_s}{C_z}{C_x}{\text{。}}$ (17)

 $h = 0.09\frac{{{\lambda _f}}}{{{d_o}}}{{Re}}_f^n{{Pr}}_f^{0.33}{C_s}{C_z}{C_x}{\text{。}}$ (18)

2 计算结果及分析 2.1 计算值与试验值对比

 图 4 试验值与计算值对比 Fig. 4 Comparison of experimental and calculated values

2.2 燃烧室尺寸的影响

 图 5 燃烧室直径变化对换热量计算结果的影响 Fig. 5 Influence of combustion chamber diameter change on calculation results of heat transfer

 图 6 燃烧室高度对换热量的影响 Fig. 6 Effect of combustion chamber height on heat transfer
2.3 加热器参数的影响

3 结　语

1）在空间允许的前提下，增大燃烧室直径，可以有效提升辐射换热量；

2）增加燃烧室高度可以少量提升换热性能，但会降低工质循环效率；

3）加热管管径变化对换热性能影响较小；

4）加热管数量主要影响内外圈管的换热比例，对总换热性能影响较小；

5）外圈加热管管圈直径增大，提升总翅片面积，会降低总体换热性能；

6）翅片的长度增加，可以大幅提高总换热面积，可以有效降低燃烧室热负荷；

7）加厚翅片的同时减小翅片的间隙，能够有效提高对流换热量，并提高总换热性能。

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