斯特林发动机的冷热交换效率？热力学分析揭示了哪些设计要点？

李月花

文/观文史说
编辑/观文史说
在现代能源领域，斯特林发动机作为一种高效、可持续的热能转换装置，引起了广泛的关注和研究。
随着对可再生能源和能源效率的日益迫切需求，斯特林发动机作为一种热力学循环装置，为实现能源转换提供了一种潜力巨大的解决方案。
然而，为了充分发挥斯特林发动机的优势，深入了解设计参数对功率输出和热效率的影响是至关重要的。热力学分析作为研究斯特林发动机性能的重要方法，可以揭示设计参数对系统运行的影响机制。
01系统热力学分析

蓄热室的蓄热热损失在斯特林循环系统中扮演重要角色，蓄热室用于储存高温热源释放的热量，以便在工质气体膨胀阶段维持足够的温差。
由于蓄热室的绝热性能有限，部分热能会在储存过程中逐渐散失，导致系统的热效率降低，减小蓄热室的蓄热热损失对于提高系统性能至关重要。
热源释放并被散热器吸收的热量是斯特林循环系统中的关键环节，高温热源释放的热量在循环中被工质气体吸收，从而推动活塞膨胀。

工质气体在等容膨胀阶段向低温散热器释放热量，使其冷却，因此，热源和散热器之间的热量交换对于循环效率至关重要，增加热源的温度和提高散热器的效率都可以提高系统的热效率。
循环周期是斯特林循环系统中的另一个重要因素，循环周期包括活塞从内向外的运动，循环的加热、等容膨胀、冷却和等容压缩阶段。
循环周期的合理设计可以影响系统的工作效率和性能稳定性，短循环周期可能导致系统的功率输出过小，而过长的循环周期则可能降低系统的热效率，因此，循环周期的选择需要在功率输出和热效率之间进行平衡。

从热源到散热器的传导热桥损耗也是斯特林循环系统中需要考虑的问题，热能在传导过程中会发生损耗，影响系统的热效率，减小传导热桥损耗可以通过优化散热器和热源之间的隔热材料、结构设计等方式来实现。
02对冷热热交换器有效性的敏感性

在热工系统中，对于动力斯特林热机，研究人员评估了热源工质入口温度（表示为 H1）、热容率（分别为 C L 和 C H ）、回热器效率（ε r ）、热交换器效率（分别为 ε L 和 ε H ）以及热泄漏系数（K 0 ）的影响。

这些评估是在保持其他变量恒定的情况下进行的，其中 x = 0.5、C H = C L = 125 WK −1 、n = 1 mol、λ = 2、R = 4.3 J mol −1 K −1 、Cv = 15 J mol −1 K −1 、ε L = 0.8、ε H = 0.8、ε r = 0.9、时间L1= 320K 以及时间H1= 1 300K。

研究中采用了两种优化方案，在第一种方案中，研究人员考虑了斯特林发动机的最高温度作为设计参数（决策变量），并对其进行了优化，通过方程获得了斯特林发动机的最大功率以及相应的热效率。

在第二种方案中，研究人员同时考虑了两个设计参数，即最高温度（T h）和温度比（x）的影响。
在此研究中，研究人员可以采用多种方法来进行优化，传统的数学方法或各类元分析方法都是可行的选择，考虑到只有两个设计参数，即热源温度 (T h) 和温度比 (x)，通过图形化的方式可以轻松地进行优化。
通过图示方法，可以找到最佳的设计变量值，从而获得斯特林发动机的最大功率，在这个过程中，T h 和 x 被分别视为进行最佳值选择的设计变量，通过这一方法，可以获得斯特林循环的输出功率，作为 T h 和 x 的函数。

同时，可以通过绘制图表来展示发动机的热效率与 T h 和 x 的关系，这样的图表有助于理解热效率如何随着设计参数的变化而变化。
在图形化的优化过程中，研究人员可以确定所提出的斯特林发动机的设计参数，并评估目标函数的大小，同时找到实现最大输出功率的相应热效率。
绘制热效率与热侧热交换器效率之间的关系图，可以深入了解二者之间的相互影响，还可以考虑在不同再生器效率下的依赖性，以及在热源流体进入热侧热交换器时的不同入口温度下的相同依赖性。

这些图形化的方法可以帮助研究人员更好地理解设计参数对斯特林发动机性能的影响，以及不同参数之间的相互作用关系。
研究还考察了斯特林发动机的热效率如何随着热侧热交换器效率的不同变化，在回热器的不同效率和热侧热交换器的不同入口温度下进行了观察。
实验数据显示，随着热侧热交换器的效率（ε H）以及回热器效率（ε r）的增加，以及热源流体进入热侧热交换器的入口温度（时间H1）的增加，斯特林发动机的热效率也相应增加。
通过比较数据，可以看出，在不同的回热器效率下，热效率对ε H 的依赖性较小，而时间H1的变化会对热效率产生影响。

斯特林发动机的热效率也随着冷侧热交换器的效率（ε L）以及回热器效率（ε r）的增加，以及冷侧热交换器的流体入口温度（时间L1）的减少而增加。
在不同的温度下，热效率对ε L 的依赖性更为明显，时间L1与不同的回热器效率下热效率对ε L 的依赖性也有所不同。
研究还观察了斯特林发动机的热效率如何随着冷侧热交换器效率的不同变化，在蓄热室的不同效率和冷侧热交换器的不同入口温度下进行了观察。

研究还探究了所提出的斯特林发动机的最大输出功率对热侧热交换器和冷侧热交换器效率的敏感性。
实验数据显示，在不同的回热器效率、热源流体进入热侧热交换器的不同入口温度以及冷流体进入冷侧热交换器的入口温度下，斯特林发动机的最大输出功率受到热侧热交换器和冷侧热交换器效率的影响。
此外，最大输出功率与再生器效率无关，这一事实在方程中得到了充分体现，它不受再生器参数的影响。
03发动机热交换器处冷热流体入口温度的敏感性

在研究中，还考察了最大功率以及与之关联的合成热效率，对热侧热交换器处热流体入口温度（时间H1）的敏感性。
实验结果验证了预期，即随着时间H1的增加，斯特林发动机的最大输出功率也逐渐增加，此外，研究发现，最大功率对再生器效率不敏感，正如方程预测的那样。
对于斯特林发动机的热效率（对应于最大功率），实验结果表明，热效率随着时间H1和回热器效率（ε r）的增加而增加。
此外，对于在700K起始的所有ε r范围内，热效率在温度范围内迅速上升，然后曲线趋于平稳，当时间H1进一步增加时，趋势更加明显。

值得注意的是，蓄热室效率越高，热效率快速增加的温度范围越宽，超出这个温度范围，曲线趋于平稳，尤其是在较低的ε r下，综合而言，热效率与时间H1和ε r的值密切相关，且在较高的时间H1和较低的ε r下，影响更为显著。
在冷侧热交换器处的不同效率下，最大输出功率对冷流体入口温度的敏感性，实验结果显示，随着回热器效率的提高或者冷侧热交换器入口温度的降低，斯特林发动机的最大功率和相应的热效率都会增加。
最大功率对冷流体入口温度的变化表现出一定的敏感性，随着时间L1的减小，最大功率也会随之减小，此外，研究还指出，蓄热室效率对热效率的影响要大于时间L1。

关于热侧热交换器效率在不同热流体入口温度下以及热容率的影响，热容率C H、时间H1和热侧热交换器效率ε H的增加，斯特林循环的最大功率和热效率均增加。
特别是在较低的C H值时，这些曲线的增加速率更快，然后，随着热容率的进一步增加，曲线的增长趋势变得较为平缓。
研究还考察了冷侧换热器热容率在不同冷流体入口温度下以及相应的冷侧换热器效率的影响，当冷侧换热器热容率C L和效率ε L增大，且冷侧换热器入口温度降低时，最大功率及其相关热效率也会增大。
04动机性能对发动机运行参数的敏感性

斯特林发动机的最大功率以及类似的热效率在体积比、ε r和时间H1的增加下都会提高，研究还考察了发动机温度比（x = 时间C / 时间H）在不同蓄热器效率下对热效率的影响。
相关的图示显示出热效率的最大值，揭示了随着再生效率的增加，x值会趋向更高值，尤其在较高的ε r值下，热效率在峰值后的下降速率最为陡峭。
对于发动机最大功率，发现温度比对其影响呈现出一个峰值，在x值附近，最大功率会达到最高点。
评估热桥损耗系数对发动机热效率的影响，考虑了不同的条件，如时间H1、时间L1和ε r，实验数据一致表明，与预期相符，随着热桥损耗系数的增加，热效率会下降。

在已知K0值的情况下，热效率的降低在时间H1和时间L1的较高值时表现得更加显著，随着K0的增加，热效率呈现出类似的降低趋势；然而，在ε r值较高时，热效率的降低幅度相对较小，而在ε r值较低时降低幅度更大。

对于评估所有参数对输出功（W）和传热的影响，包括再生器和冷热热交换器中的传热，分别表示为Q r、Q H和Q L，研究考虑了时间H1、时间L1、ε r、ε H、CH、CL、λ、x和K0等因素，结果显示，增加时间H1和时间L1会导致再生传热和循环输出功的增加。
循环中吸收和释放的热量在特定情况下具有最小值：当时间H1约为800K时，随着时间H1的进一步增加，这些热量值会增加，相反，随着时间L1的增加，这些热量值会减少。
在再生器效率增加时，吸收和排出的热量线性减少，同时再生热量线性增加，对于再生器有效性的改变，输出功并不会按预期发生变化，尽管ε H和ε L对发动机热量和功传递产生微小影响。

ε H的增加，观察到Q r、Q H和W略微增加，随着ε L的减小，Q r的减少以及Q H和Q L的变化也得以观察，所有参数随着热容率CH的增加而增加，而随着冷热交换器热容率CL的减少而减少。
发动机的容积比增加时，循环的输出功、放热量和吸收热量都显著增加，然而，再生传热并不受体积比影响。
这些研究结果表明，在斯特林发动机中，多个参数的变化会对传热和输出功产生影响，为优化发动机性能提供了重要的参考依据。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0qWQAoZ7
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