【《某斯特林发动机的参数计算过程案例》3600字】

某斯特林发动机的参数计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u1584某斯特林发动机的参数计算过程案例 146501.1斯特林发动机设计类型的选择 1123651.2工质的选择 3251181.3斯特林发动机设计参数 3288431.1.1活塞与气缸的设计 3202441.1.2加热器设计 6103781.1.3冷却器设计 8235641.1.4回热器设计 111.1斯特林发动机设计类型的选择斯特林发动机的性能分类主要方法就是按各种发动机中每个气缸的启动位置和活塞个数以及各种发动机中每个活塞的气缸位置和个数组合以及形成活塞方式等等来对其性能进行具体分类,一般主要可以将其划分大致为以下三大类:α、β以及γ型斯特林发动机。α型斯特林发动机如图1.1所示是由两个气缸形成的，在气缸的中部通过加热器、回热器以及冷却器相连接，两个活塞分别处于两个气缸内，当中的一个活塞承受气体的膨胀工作，另外的一个活塞就对气体进行压缩[14]。这两个活塞通过一个曲轴进行连接，进行有规律的运行。这种发动机在结构上相对来说较为简易，而且还能够实现大功率的输出。图1.1α型斯特林发动机β型斯特林发动机如图1.2所示是由两个活塞同轴放置，运动再同一个气缸之间，移气活塞的主要功用是带动循环工质在加热器、回热器以及冷却器中流动，动力活塞的功能是对气体进行压缩膨胀并向外输出功，这种发动机可以实现较小的温度差的情况下保持稳定工作。图1.2β型斯特林发动机γ型斯特林发动机如图1.3所示，它的组成也是包含了2个气缸和2个活塞，分为配气活塞与动力活塞，配气活塞的功能是让气体流动，而动力活塞则单独对气体进行压缩与膨胀。图1.3γ型斯特林发动机在三种发动机的结构中,α和β型斯特林发动机的结构相对来说较为简易，且较为紧凑，如果比较地更为细节，那么α型稍微简易一些，β型紧凑性较好，所以，本文选取β型斯特林发动机进行设计地与性能分析。1.2工质的选择考虑到斯特林发动机的损失和成本,斯特林发动机的工质的相对分子质量应该不能太高，像氦气、氢气这种气体相对分子质量比较小，所以要是作为发动机的工质的话是极其合适的。虽然空气是一种非常容易得到的气体，且含量很大，但是它在温度较高得到情况下容易氧化，对发动机造成损坏，考虑到这个因素，本文不会选用空气作为工质本文将结合实际情况，选取氢气作为发动机的工质。经过查阅相关书籍，通过比较氢气和氦气的相关性能可以得知氢气的性能相对于其他两种气体来说是最好的，虽然氢气和空气混合物在一定比例的情况下可能会有着火危险，但只要控制好，概率还是很低的，因此本文根据实际情况，选择氢气作为本文所要设计的β型斯特林发动机的工质。1.3斯特林发动机设计参数在设计斯特林发动机的时候，确定设计参数是其前提条件和基础。本文选取的是β型斯特林发动机进行设计，考虑实际情况，选定发动机有效功率为4KW，平均循环压力为10MPa，加热器管外壁温度为675K，冷却器管外壁温度选为318K，根据别国学者的相关设计实践，膨胀腔工质温度选为595K，压缩腔工质温度为选348K，气缸数为1，转速为1800r/min，发动机运转频率为50HZ。1.1.1活塞与气缸的设计比尔数：B=0.33TH−TKTH+TK式（3-1）中：0.33为功率转换系数，TH为膨胀腔工质温度（K），T考虑到斯特林发动机的密封性，活塞的移动速度应当小于等于1.5m/s，此本文将选取移动速度为2.8m/s。由此可以得出活塞行程为：Sp=Vp2nf=0.028m式（3-2）中：Vp为活塞移动速度（m/s），n曲轴半径为活塞行程的一半：Rq曲柄连杆比为：λ=R式（3-4）中，Lq斯特林发动机的有效功率为：Pe=BZ式（3-5）中：Z为气缸数，Pm为平均循环压力(MPa)，V0为行程容积（因为本文选定的斯特林发动机的有效功率为4KW，所以通过式（3-5）可以的出斯特林发动机的行程容积为0.0000926m其中行程容积V0，气缸直径Dcy和活塞行程V0=π（Dcy2）2×Sp=0.022Dcy2（3-6）由此可以得出斯特林发动机的气缸直径为0.065m。发动机的气缸容积公式为：Vd=πDcy2在斯特林发动机的设计中，发动机的活塞直径与气缸直径的比值通常为0.5~0.9，本文比值为0.5，基本符合要求。本文选取活塞的相位领先角为90°，动力/配气活塞直径为0.104m，活塞杆直径为0.015m，动力活塞行程为0.0172m，配气活塞行程为0.0156m。可得膨胀腔死容积为0.0001588m3，压缩腔死容积为0.00009972m3；膨胀腔扫气容积为0.0005294m3通过扫气容积和活塞直径可以得出，斯特林发动机的系统容积压缩比为：ε=V式（3-8）中，VTmax为循环系统的最大容积，VX为斯特林发动机总无益容积比通常热气机的压缩比都是比2小的，当其大于2.5时，热气机将会无法运行，所以本文根据此情况，并结合相关资料，设定热气机的容积压缩比为1.7。从而可以通过式（3-8）求得斯特林发动机的总无益容积比为1.74。从而根据式（）可以求得其总无益容积。VD=εV0=0.00016m表3-1气缸与活塞参数气缸与活塞结构尺寸连杆长度/m0.072配气/动力活塞直径/m0.026气缸容积/m0.104膨胀腔死容积/m0.00015588压缩腔死容积/m0.00009972膨胀腔扫气容积/m0.0005294压缩腔扫气容积/m0.00058371.1.2加热器设计温度比τ=T理论循环效率公式为ηe根据以往各学者的设计经验，本文选取加热器管内径dhi=4mm，加热器管外径换热量公式为：Qh换热面积公式为：Ah式（3-13）中为∆t为换热温差，且∆t=T式（3-13）中αhαh式（3-15）中λg为氢气导热系数，经过搜集资料查得其系数为0.3432W/（m•K）；d为水力直径，可等于加热器管的内径；Reh其中雷诺数的计算公式为：Re式（3-16）中，密度ρh式（3-17）中，加热器氢气动力粘度系数查表可得：μh式（3-17）中M为氢气的氢气摩尔质量分数，查阅资料可得M为2g/mol。其中vh为加热器内气体速度，根据质量守恒定律能够得到其与活塞移动速度vvh式（3-19）中活塞流体面积Ap加热器流通面积AH式（3-21）中nH那么，vhvh再将这写数据代入式（3-16）中，就可以得到雷诺数为:2214有了雷诺数，换热系数也随之可以解出为797.3W/(再代入式（3-13）中可以得出换热面积：Ah又换热面积：Ah式（3-24）中LH1LH1加热器流通容积为VHL表3-2加热器参数加热器结构尺寸加热器管内径/m0.004加热器管外径/m0.00555加热器管数/个46加热器换热长度/m0.3加热器流通面积m0.24加热器流通容积m0.0001731.1.3冷却器设计根据以往学者的设计经验，本文选取冷却器管的内径dki为2mm，外径d其基本放热量为：QK=QH−Pe=11385W（3-27）设置冷却器管进口温度ti为20℃，出口温度t可以求得水的质量流量为：Mw式（3-28）中cpw为水的定压比热，查表的为4200传热系数的计算：Kk式（3-29）中，hki为冷却管内壁面换热系数，单位为W/（m2•K）；hko其中需要计算的是冷却管内外壁面换热系数。因此，冷却管内壁面换热系数的公式为：hki式（3-30）中，λg为工质导热系数，单位为W/（m•K），通过查阅相关资料可得氢气的导热系数为0.2038W/（m•K），Rek为工质的雷诺数；其中雷诺数的计算公式为Re式（3-31）中，μkμk式（3-31）中，ρkρkvkvk式（3-34）中，AkAK式（3-35）中，nK结合上式（3-31）便可以得出雷诺数为2232。有了雷诺数，最后便可以得出冷却器内壁面换热系数hki冷却器外壁面换热系数的计算公式为：hko式（3-37）中，λ1λ1定性温度：t=tS1式（3-40）中S1为冷却管纵向管间距离，S通过查阅相关资料可知气体努谢尔特数公式为：Nut再代入式（3-37）可得hko再将数值代入式（3-29）中便可求得传热系数为3557.8W/(m2•K)。冷却器换热面积为：Ak冷却器换热长度为：LK冷却器流通容积为：VKL表3-3冷却器参数结构参数尺寸冷却器管内径/m0.002冷却器管外径/m0.003冷却器管数/个196有效换热长度/m0.104管间距/m0.00807/0.00805流通面积m0.00062流通容积m0.0000791.1.4回热器设计本文选取回热器的丝网数目为200目，回热器长度LR表3-4回热器丝网目数与孔径对照表丝网目数（目）孔径（μm）丝网目数（目）孔径（μm）1017003004820830400384038050025602506002380180800181001501000132007520006.5从表（3-4）中可以看出当回热器的丝网目数选为20