广东工业大学学报  2014, Vol. 31Issue (1): 121-125.  DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2014.01.024.
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引用本文 

麦志豪, 邹城, 陈观生, 李凤, 张仁元. 斯特林发动机回热器性能研究[J]. 广东工业大学学报, 2014, 31(1): 121-125. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2014.01.024.
Mai Zhi-hao, Zou Cheng, Chen Guan-sheng, Li Feng, Zhang Ren-yuan. Performance Study of Heat Regenerators of Stirling Engines[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2014, 31(1): 121-125. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2014.01.024.

基金项目:

广东工业大学重大项目培育专项基金资助项目(092006)

作者简介:

麦志豪(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为热能工程换热过程及设备。

文章历史

收稿日期：2013-02-05
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斯特林发动机回热器性能研究
麦志豪, 邹城, 陈观生, 李凤, 张仁元     
广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006
收稿日期：2013-02-05
基金项目：广东工业大学重大项目培育专项基金资助项目(092006)
作者简介：麦志豪(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为热能工程换热过程及设备。
摘要: 对不同材料及孔隙率的斯特林发动机回热器的性能进行了多循环模拟分析和实验研究.研究的回热器填充材料有泡沫铜与不锈钢丝网，材料孔隙率分别为75%、85%以及复合型孔隙率，回热器长径比为2: 1及3: 1，研究结果显示：不锈钢回热器的热容量较大，而泡沫铜回热器的启动速度和换热速度较快；75%孔隙率回热器换热量较大，而85%孔隙率回热器温度场收敛速度更快；长径比2: 1回热器压损较小，而3: 1回热器的换热量较大.经实验研究分析，实验数据与模拟结果偏差约为5%，可为斯特林发动机回热器的设计提供依据.
关键词: 斯特林发动机    回热器    多孔介质    
Performance Study of Heat Regenerators of Stirling Engines
Mai Zhi-hao, Zou Cheng, Chen Guan-sheng, Li Feng, Zhang Ren-yuan     
School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
Abstract: The performance of Sterling engine regenerators was simulated and experimentally researched. The filling materials were foamed copper and stainless steel wire mesh, whose porosity was 75% or 85% respectively, and the ratio of length to diameter was 2:1 or 3:1. Research results show that: the heat capacity of stainless steel heat exchanger is larger, and the start-up speed of foamed copper heat exchanger is faster; Heat transfer of 75% porosity regenerator is larger, while the temperature convergence speed of 85% porosity regenerator is faster; Pressure loss of 2:1 regenerator is smaller, while the 3:1 regenerator exchanger heat is larger. The experimental study indicates that the experimental data is in good agreement with simulation results with a 5% margin of error, so it can provide some reference for the design of regenerators.
Key words: Sterling engine    heat regenerator    porous medium    

随着能源需求不断上升，化石能源储量不断下降，能源的开发和利用亟待发展[1-2].在众多的新能源中，太阳能因其具有储量无限性、分布普遍性、利用清洁性、利用经济性等优点，拥有非常广阔的应用前景[3-4].斯特林发动机是太阳能利用中光热转换最主要的转换设备之一[5]，它是一种外燃机，理论上的效率几乎等于理论最大效率，即卡诺循环效率[6].

回热器是斯特林发动机换热系统中最重要的部件[7-8].经研究，如果没有回热器，则加热器的热容量应扩大到原来的3.3倍，冷却器的热容量应扩大到原来的7.6倍，才能保证循环功不变.所以回热器具有举足轻重的地位，如何实现回热器高效的回热效果，是提高斯特林效率的重要途径[9-10].

1 回热器的性能模拟及实验 1.1 回热器的结构及其模型

图 1中两端为推气活塞，在模拟分析中用于推动工质在回热器中左右流动[11-12].在软件中设置回热器的左端为冷腔，右端为热腔，回热器内部设置为多孔介质区域，在各种方案下设定成不同的材料、孔隙率以及相对的阻力系数等.回热器上下两端理想绝热，只与冷热源交换热量.回热器具体尺寸为长100 mm，高50 mm(长径比为2: 1).生成网络模型后，网格数为20000个，基本满足模拟所需精度.回热器模拟网格见图 2所示.

图 1 斯特林发动机回热器结构 Figure 1 Sterling engine regenerator structure
图 2 回热器模拟网格 Figure 2 Regenerator simulation grid
1.2 结构参数

没注明长径比的方案长径比为2: 1.而复合型孔隙率指把回热器沿长度方向分成两半，在靠近热腔的多孔材料使用85%的孔隙率，这样工质流通量大，回热器升温快，使回热器更快起动.在靠近冷腔的多孔材料使用75%的孔隙率，能有效增大吸热量，有助提高回热器的性能.具体参数见表 1.

表 1 斯特林机回热器结构参数及方案 Table 1 The structure parameters of the Sterling engine regenerators and scheme
1.3 模拟条件

使用FLUENT软件进行模拟分析，利用内部编程UDF建立斯特林发动机的特殊换热模型[13-14].设定开始时回热器温度为常温，回热器上下壁面绝热.工质先从热腔以700 ℃和0.5 g/s的质量流量流向回热器进行放热，之后通过自由出口边界到冷腔冷却；然后工质从冷腔300 ℃以同样的流量流向回热器进行吸热，通过自由出口边界到热腔加热，周期为0.4 s.如此反复直到回热器内部温度场相对稳定为止.

1.4 实验条件

使用不锈钢管制作回热器基体，管长1 m，直径60 mm, 其中活塞的推气行程为330 mm，用镍铬电热丝加热管一端，制成加热器；管中段内部放置多孔介质材料，外部使用保温棉保温，制成回热器；管另一端内部放置螺旋型弯曲铜管，制成冷却器；在回热器内部放置若干热电偶，各热电偶并行连接到温度采集装置上.实验时，用温控电路控制加热器开关，使高温区温度保持在700 ℃左右，调节水量通入铜管使低温区温度保持在300 ℃左右，待两端温度稳定后再使用步进电机带动膨胀活塞和压缩活塞工作，周期为0.4 s，并开始记录各点温度，等待回热器基体温度分布稳定10 min后停止实验，最后分析并处理数据.

2 实验和模拟结果 2.1 压力分布

经多次模拟后，得知在既定的流量下回热器内的压降只与多孔材料的孔隙率有关.通过图 3对比可以看出，孔隙率为75%压降最大，孔隙率为85%压降最小，复合型孔隙率压降为两者之间.说明沿程压力下降与回热器里填充材料的孔隙率成正比.故在考虑升温速度的情况下，使用复合型孔隙率能减少回热器的沿程压力损失.图 4为模拟结果的温度场云图，左端为温度灰阶，右端为模拟的回热器的温度分布，回热器内左端是冷端，右端是热端.当回热器工作循环稳定后，回热器内部呈现出稳定从热端到冷端不断下降的温度分布线，图 5～图 10中的模拟温度分布曲线均由该类型温度场云图得出.

图 3 不同孔隙率的压降 Figure 3 Pressure drop at different rates of porosity
图 4 温度场分布 Figure 4 Distribution of temperature fields
图 5 回热器温度(C75) Figure 5 Regenerator temperature(C75)
图 6 回热器温度(S75) Figure 6 Regenerator temperature(S75)
图 7 回热器温度(S85) Figure 7 Regenerator temperature(S85)
图 8 回热器温度(SF) Figure 8 Regenerator temperature(SF)
图 9 回热器温度(C3) Figure 9 Regenerator temperature(C3)
图 10 回热器温度(S3) Figure 10 Regenerator temperature(S3)
2.2 温度分布

图 5～图 10为回热器温度分布图，其中的点线为模拟线，直实线为实验线.从图可以看出实验线比模拟线两端温度更接近冷热源的温度，这是因为实验中斯特林发动机运转较快，在加热器中加热后的工质被推气活塞推动到回热器换热，还没充分换热就被来自冷端工质推回到加热器，导致靠近热端的温度偏高；冷端亦然.同时又由于实验中无法做到完全绝热而产生沿程散热损失，导致实验线的斜率较稳定时的模拟线大.

观察图 5及图 6，泡沫铜回热器内部温度比较平均，而不锈钢回热器温度梯度比较大，冷热端温度非常接近于冷热源温度，温度线斜率比较大.这是由于泡沫铜材料的导热系数比较大，内部材料温升主要是导热换热，毕渥数小；而不锈钢材料的导热系数比较小，内部材料温升主要是对流换热，毕渥数大.从图 6发现靠近冷端的各温度线均趋于平坦，说明该工况下不锈钢回热器的换热主要集中在前段(靠近热端)，而后段(靠近冷端)由于换热温差不断减小，造成换热量不断下降.

比较图 6～图 8不同孔隙率结构下温度分布，可以看出S75的线条面积最大，升温最慢，温度线斜率较大，并且吸热量最大，这是由于孔隙率较小时材料质量多而导致的.而S85反之，温度升速较快，升温线斜率小，而吸热量小，它克服了S75后端换热不充分的不良影响.SF结合双方的优点，前段具有S85升温快的优点，在中间换入了75%孔隙率的材料，中段开始温度曲线斜率增大，增加了回热器的吸热量，也没有换热不充分的情况.

图 9中泡沫铜与图 10中不锈钢网的孔隙率同为75%，而回热器长径比由2: 1变为3: 1，回热器长度增加导致内部压降变大.并且由于长度增加，工质和材料换热面积增多，所以两者的换热量都增大.C3对比C75两端温度更加接近冷热源温度，换热更充分，从而换热量更大；而S3中出现了和S75同样的后端换热不充分情况，说明此工况下不锈钢回热器不宜再增加长径比.

2.3 换热量

经验证，模拟无限循环后吸热量线和放热量线会重合，当两线相差不大时的时刻就为回热器的起动时间[15].从图 11中可看出，不锈钢材料比泡沫铜材料回热器有更大的换热量(吸热量和放热量)，但两线的距离较大，两线收敛较慢，说明不锈钢回热器的起动比较慢；而泡沫铜则能更快的起动.图 12则说明不同孔隙率下，回热器的换热量几乎与孔隙率成反比，说明储热材料质量增多，热容量也随之变大.观察后发现SF回热器换热量更靠近于S75，体现出复合型孔隙率的优势.

图 11 不同材料的换热量 Figure 11 Heat transfer in different materials
图 12 不同孔隙率的换热量 Figure 12 Heat transfer in different rates of porosity

由图 11与图 13可知C3的换热量(吸热量和放热量)增幅为10 kJ左右，而S3的换热量增幅只为5 kJ左右，说明增加长径比对已经充分换热的S3作用不大，经过模拟计算，在此工况下当长径比增大到10: 1时，两者的换热量几乎没区别.

图 13 不同长径比的换热量 Figure 13 Heat transfer in different length-diameter ratios

图 14为新增不同流量的吸热量增量图，是各流量在从常温单吹700 ℃工质，换热时间为5 s的吸热量增量，从图看出两种孔隙率下换热量增量随流量增加的变化.在0.2 kg/s流量前两者的差别不大，而随着流量的不断增大，85%孔隙率材料在大约0.4 kg/s流量下开始出现吸热量增量的下降，而75%孔隙率材料流量增量曲线也趋于平坦，预计随着流量的继续增大也会出现吸热量增量下降的现象.由于增大流量会使工质压力增大，提高整机密封性和稳定性的要求，所以可以选取图中的流量增量转折点作为工作流量，提高稳定性和效率.

图 14 不同流量的换热量增量 Figure 14 The heat increment in different flow
3 总结

1) 通过对比不同材料回热器的换热性能，发现在低长径比时泡沫铜能使回热器更快起动并达到正常工作状态；不锈钢丝网由于比热容较高，热容量大，则有更大的换热量.

2) 孔隙率为85%的回热器升温更快，更快达到换热平衡，但换热量较小；而孔隙率为75%的回热器升温慢，温度线斜率大，有可能导致过度换热，但换热量较大；复合型孔隙率结合两者优点，在压降和换热量上有明显优势，在条件允许情况下，可采用多级复合型孔隙率材料.

3) 在某确定工况下，可以通过不断增加长径比从而增加回热器的换热量.低长径比时不锈钢的换热量比泡沫铜要高，但随着长径比增大已经充分换热的不锈钢换热量增量不断减少，在C3工况下，当长径比达到10: 1时，可以忽略材料间的差别.

4) 随着流量的增大，换热量增量存在最大值，应结合实际选取该点附近的流量作为工作流量.

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