小型热气机模型工作过程仿真及分析_毕业论文(编辑修改稿)

小型热气机模型工作过程仿真及分析_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接 参与燃烧，也不更换。 已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。 试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。 斯特林热气机在理论上具有卡诺循环的效率，在实际应用中要达到这种效率却相当困难。 即使要达到相同容积的柴油机效率，工质也必须在 10MPa和 700。 C 以上的高温高压下工作。 提高斯特林发动机效率的关键就是要对热交换器性能、耐压耐热材料以及密封润滑技术作进一步的改善。 其中热交换器的性能和工质的密封对热气机的特性有 着决定性的影响，是极为重要的研究课题。 影响热交换器性能的几个主要因素：工质的流动、传热以及热交换器的效率。 热交换器的性能受到各种因素的影响，如压力、温度、容积、材料的导热性能，几何形状、布置方式、工质的性质和流动损失等。 而这些因素又相互影响，使热交换过程的机理复杂化。 迄今为止，尚无成熟的计算理论。 热气机具有很多其他动力机械没有的优点，多种能源的高度适应性；优良的环境特性；低负荷下的高效率；可靠性高和维修成本低。 能用各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统 (如热管 )间接加热时，几乎可以使 用任何高温热源 (太阳能放射性同位素和核反应等 )，而发动机本身 (除加热器外 )不需要作任何更改。 同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量。 热气机实际循环效率哈尔滨工程大学本科生毕业论文 3 较高，已接近柴油机，排气中有害成分较少，噪声较低。 因燃料是在较多的过量空气下连续燃烧的，热气机无需气门机构，无爆炸燃烧，运行平稳振动小。 热气机在很宽的速度范围内具有良好的扭矩特性，适于车辆使用，曲轴每转的扭矩均匀度小，润滑油消耗量也少。 此外热气机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器 吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的震爆做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。 高效：总能效率达到 80%以上；低噪： 1 米处裸机噪音底于 68dBA；低排放：尾气排放达到欧 5 标准。 热气机单机容量小，机组容量从 20－ 50kw，可以因地制宜的增减系统容量。 结构简单，零件数比内燃机少 40％，降价空间大，同时维护成本也较低。 但是热气机还有其自身急需解决的问题，一直未进入批量化生产，制造成本高；负荷调节响应慢。 工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂 ，机器较为笨重。 热气机的发展历史 及趋势 最初的 热气机主要用于矿山水泵的驱动等，希望其能替代蒸汽机，但在问世后的几十年内由于受当时条件的限制，功率和效率都很低，被晚发明半个世纪的内燃机所淘汰。 在 20 世纪 70 年代，世界范围内爆发的石油危机使人们重又想到了热气机，而此时新材料、新工艺的水平已可保证热气机在高水平方向上发展。 时至今日，通过逐步的技术改进，热气机已在一些领域得到实际应用，其在一些特殊领域 (如太阳能热发电、家用微型热电联供装置等 )体现出的能力正使其得到越来越多的重视，热气机借助于新技术和新材 料，已脱胎换骨成为一种新型的能量转化装置。 自从 1816 年斯特林发动机出现以来，已经经历了近 200 年的发展历史，无数人为热气机的发展贡献着他们的青春和汗水。 1816 年 Robert Stirling 发明了闭式循环热气机， 1851 年 John Ericssion 制哈尔滨工程大学本科生毕业论文 4 造成功了 44。 4KW 的外燃式开式循环热气机， 1953 年缸径 4。 26m 的超大型热气机，总功率达 220KW，效率 13%，装在了 20xxT 的明轮船上， 1916年最后一台老式热气机出厂。 1937 年 荷兰菲利普公司开始了现代热气机的研究和开发，改公司设计了几十 种型号的热气机，并对热气机技术做了一些根本性的改革，使得斯特林发动机的效率和功率大幅度提高 ，让热气机在各种性能上得到了长足的发展。 菲利普公司的创新主要在于，采用了菱形传动机构，保证活塞和活塞杆的直线运动，从而解决了密封的一些问题，更进一步的是，在工质上，他们采用了氢气或氦气为工质，传热性提高，比重和粘度降低，从而显著的提高了惹交换器的效率。 菲利普公司还发明了袜套式密封装置，该装置的创新为研究高效密封装置开辟了新的方向。 后来很多从事斯特林发动机研究的公司大部分与菲利普公司有渊源。 1958 年，美国通用发动机公 司研制成功了卫星用太阳能斯特林发动机发电机组，还研制了军用 3 千瓦轻便式无声发电机组，其声音在 35 米外几乎听不到，性能优越。 1972 年， 美国福特汽车公司于菲利普合作研制了车用斯特林发动机。 该发动机的功率为 72。 3 马力，最低油耗仅为 159 克 /马力每小时。 1968 年，瑞典私营科克姆造船厂于国营军用工厂 FFV 组成了联合斯特林发动机公司。 该公司研究进度较快，很快研制了 P P7 P150、 U4P95等型号，其中最成功的是 U4P95，其为双曲轴传动的四缸并列双作用式斯特林发动机，功率为 55 马力，转速为 4000r/min。 1976 年，日本船舶技术研究所、日本造船研究会和日本活塞环公司开式研究船用斯特林发动机，研制的样机为四缸直列式，功率为 800 马力。 1978年，日本精机公司研制了功率为 50 千瓦的斯特林发动机。 之后英国、法国、加拿大和前苏联等国家，也开始了对斯特林发动机的研制工作。 20xx 年 8 月 Edison International 公司和 SES 公司签订 20 年采购协议，哈尔滨工程大学本科生毕业论文 5 将建造世界上最大的超过 20xx0 个太阳能光碟列阵，占地达 18 平方公里，具备 500MW 发电能力的太阳能绿色发电站，这是斯特林在商业发电领域的第一次大规模应用。 20xx 年 10 月 SES 与 SDGamp。 E公司签订了提供 300900MW 太阳能电力的合同，该发电厂将由在大约 3 平方英里的 120xx 个斯特林太阳能光碟组成。 我国于上世纪 70 年代 中期 开始斯特林发动机的研究，起步较晚， 1981年某研究所研制了 200W 的试验机，成功演示了斯特林发动机的工作过程。 1982 年 8 月，中国内燃机学会和国家科委攻关局在上海召开了 “内燃机攻关项目选题专家座谈会 ”，会议确定斯特林发动机、绝热发动机和电子控制内燃机这三个项目为主要研究项目。 1984 年 6 月，第二届国际斯特林发动机会议在 上海举行，使得我国斯特林的研究不断进步。 1984 年底，沈岳瑞等人在旧金山 IECEC(美国主办的能源会议 )会议上联合发表《斯特林发动机用于发展中国家实现农村电气化》的论文，得到国际同行的广泛赞同。 在以后的会议中成为斯特林应用前景的讨论热点之一。 在 711 研究所任职期间，沈岳瑞还创立我国第一个斯特林发动机 (热气机 )实验室。 711 研究所之后再斯特林发动机的研究上发展较快，在斯特林发动机领域获得了突出的成绩，在国内外处于领先地位。 经历了数十年的研究和开发，热气机技术已经日趋成熟，从技术上来说已完全具备走出实验室、走 向实用的条件。 具体而言，其标志是关键技术均已取得突破，应用研究也已取得积极的成果。 在技术上，热气机性能分析技术，燃烧技术，热交换器技术，密封技术，传动技术，功率控制技术等日益完善。 热气机的未来发展将更多的应用新材料 (如陶瓷 )和新工艺，以降低造价；对实际循环进行理论研究，完善结构，提高性能指标；在应用方面，正大力研究汽车用的大功率燃煤热气机、太阳能热气机和特种用途热气机等。 未来不同应用领域热气机的发展方向主要有三个 太阳能发电 对于太阳能发电用热气机，由于一般都安装在边远地区，维护相当困难，哈尔滨工程大学本科生毕业论文 6 因此可靠性和 维修性：将是首先要考虑的因素。 其次，重量要求比较轻，有利于简化聚光器支撑和驱动机构，还需要完全自动控制。 因此自由活塞式热气机将是首选的形式。 工质可以使用氢气，工质的补充可以采用电解水产氢装置。 采用与蓄电池并联的浮充电方式，可简化控制要求。 分布式发电系统 对于分布式发电系统用热气机，首先应设法降低成本，必须作到 4000 元/KW 以下。 并且应使用方便，自动化程度高，无须专人值守。 还应足够可靠，大修期应不低于 8000 小时，寿命不低于 24000 小时。 由于采用以热定电运行模式，因此，发电热效率不是主要的追求目标 ，可以通过降低加热器工作温度、采用普通不锈钢材料来降低成本。 3 水下动力系统 对于水下用热气机，满足安全的要求是第一位的，因此，必须采取有效措施防止氧气的泄漏；同时，综合考虑安全性和高性能的要求，热气机的工质也只能用氦气。 必须注重可靠性的提高，可靠性直接影响装备的在航率和维护成本，通过适当的维护，起码应保证 MTBF≥20xx 小时。 本文的目的和意义 随着全球能源与环保的形势日趋严峻，热气机由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵 空调动力、车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。 但是热气机的测试手段和水平仍然还比较简单，很多过程中的量难以测量，这些很大程度上影响了热气机技术的发展。 本文的目的是研究热气机的运行全过程，对其进行数值仿真，分析在动态过程中温度、配气活塞厚度等对热气机效率的影响。 以往研究热气机运动过程的仿真中，没有对工作过程有很深的分析，本文将 在 对热气机整个工作过程进行模拟， 对热气机运行的整个过程动态模拟 ，为提高热气机效率提供参考。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 7 本文的主要工作 本文的主要工作是以热气机 、热 力学和流体力学 的理论基础为基础， 并在研究热气机工作过程理论的基础上，对 模型热气机进行 仿真 研究，然后结合 GAMBIT 和 FLUENT 等软件模拟热气机运行， 运用动网格技术，将热气机工作过程形象的表达出来，最后对其进行性能分析，研究提高热气机效率的方法和途径。 具体的工作内容包括以下方面： 学习热气机的基本工作原理，分析影响热气机效率的各个因素。 建立热气机模型，并运用 GMBIT 及 FLUENT 对其处理。 运用动网格技术模拟热气机运行 过程。 在 FLUENT 动网格模拟后，对 影响热气机效率的因素分别 进行分 析和计算，进行数值 分析。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 8 第 2 章 斯特林 发动机 基本工作原理 斯特林发动机的种类多种多样，经过前人的努力，效率愈见提高，斯特林对于热力学理论的研究，就是从提高热机效率的目的出发的。 他所提出的斯特林循环的效率，在理想状况下，可以无限提高。 当然受实际可能的限制，不可能达到 100％，但提供了提高热效率的努力方向。 斯特林循环 斯特林循环是热气机的理想循环，是一个高度理想化 的热力过程。 它由两个定温过程 (定温压缩和 定温膨胀 )和两个定容回热过程 (定容吸热和 定容放热 )所组成。 这四个 工作 过程如图 所示。 过 程 1—2 为定温压缩过程。 工质的容积从 V1 被压缩至 V2： 过程中工质向冷源放热，以保持温度 TC 不变， 但 工质压力升高。 过程 2—3 为定容吸热过程。 过程中工质 容积 保持不变，但低温工质经过回热器装置并吸取其热量。 可以把回热器设想成是一块交替地放热和吸热的热力海绵。 于是工质温度从了 TC 升高到 TB，工质压力也升高。 过程 3—4 为定温膨胀过程。 过程中工质膨胀并从热源不断吸取热量，使工质温度 TE 维持不变，但压力下降。 过程 4—1 为定容放热过程。 工质在容积不变的情况下将热量释放给回热器，工质的温度相压力均下降拉回复到始点状态。 至此，一个循环完成了。 由于工质流过回热器进行热交换是在定容远程中完成的，所以，有时又将斯特林循环称为定容回热循环。 为了进行比较，在图 1 中还示明了卡诺循环。 卡诺循环是由两个定温过程 (图中的 l—2’和 3—4’)和两个绝热过程 (2’ —3 和 4’—1)所组成的可逆循环。 卡诺循环的热效率仅与热源和冷源的温度有关，与工质的性质和热机的类型等无关。 从热力学的观点看，卡诺循环是最有利的一种热力循环，具有最高的热效率。 在冷源与热源的温度比值相同的情况下，任何一种热机的循环效 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 9 图 斯特林循环与卡诺循环的比较 率都不 可 能 高于卡诺 循环的 效率。 斯特林循环与卡诺 循环的共同特点是；两者的压缩过程和膨胀过程都是在定温条件 下完成的，不同的是其余的两个过程。 斯 特林循环在极限回热的情况下，其定容 放热过程 4—l所释放的热量与定 容吸热过程 2—3 所吸收购热量相等 ，于 是其效果和卡诺循 环的两个绝热过程相当。 所以，在相同的循环温度比条件下，斯特林循环热效率与卡诺循环热效率相同。 在 P—V 图 中，由循环过程所组成的面积表示循环功的大小。 斯特林循环优于卡诺循环的地方，是它用两个定容回热过程代替卡诺循环的两个绝热过程。 斯特林循环的定温过程线 l—2 和 3—4 是 由卡诺循环的 1—2’和 3—4’延伸而来的，结果大大增加了斯特林循环功图的面积。 从图 l—2 可见，在给定的压力、温度 和容 积界限下，斯特林循环的循环功 (面积 1—2—3—4—1)比卡诺循环功 (面积 1—2’—3—4’—1)要大。 P 一 V 图中的阴影面积代表斯特林 循环比卡诺循环增加的功， T—S 图中的阴影面积则代表斯特林循环比卡诺循环需要增加的热量。 输入热量增加了，但输出功也相应增加，其输入热量转换为功的比例 (即热效率 )仍与卡诺热效率相同。 由平均指示压力来分析，在循环压力和温度相同的情况下， 目前已试制成的热气机中，每升气证工 作哈尔滨工程大学本科生毕业论文 10 容 积能产生 150KW 的功率，而目前内燃机是难以达到的。 热气机的工作原理 根据斯特林循环来工作的热气机 的结构是多种多样的，然而 工作原理都是相同的 ，他们的基本结构都包括一个热源、一个冷源、一个热腔、一个冷腔、一个动力活塞和一个配气活塞等。 图 所示 就 是热气机的循环系统及其动作过程。 图中的热气机 系统由一个装有两个活塞的气缸构成，两个活塞 之 间没有回热器。 回热器在一个循环中交替 地从工质吸收热能和向工质释 放出热能，回热器两侧由活塞和气缸组成的腔室 分别形成热腔和冷腔。 这两个腔室的容积变化分别由 配气活塞控 制，膨胀腔处设置有使工质做 等温膨胀的加热器 H，对工质加热使其保持高温 Tmax，在压缩腔处设置有能将压缩热从被压缩的工质中导出的冷却器 C，住在冷腔的工质保持低温 Tmin。 并假设气缸中没有工质 泄漏 的问题 ，回热器 的 效率等于 I，即在 各个 方向上的导热为零， 并且活塞运动中无摩擦损失。 热气机的工作过程 可以描述 如下： 1)等温压缩过程， 循环开始时， 动力活塞处于下 止点，此时冷 腔容 积最大， 配气活塞处于上 止点 ， 此时 热腔容 积为零，全部工质都集中在 冷 腔，工质温度为最低循环温度 Tmin。 ，压力也最低。 在压缩过程 1—2 中， 配气活塞向 止点 移动， 动力 活塞保持不动 ，此时系统容积缩小，工质在冷腔内受到压缩，压力增加，直到动力活塞移动到上 止点前一定距离后，压缩过程结束，如图中 2 位置所示，此时压缩产生的热量 Qc 由冷却器被排到外面去，而使工 质温度保持不变。 2)在等容加热过程 2 一 3 中，活塞位置 从 2 开始，两个活塞同时运动，其中动力活塞继续向上止 点运动，直到紧靠回热器 为止 ， 冷腔 容积为零， 配气活塞向下 止点方向移动， 所以两个活塞之间的容积保持不变。 此时，工质通 过 回热器从冷腔转移到热 腔。 工质通过问热器时吸收热量，温度从 Tmin上升到 Tmax，并流入热腔中。 由于工 质通过回 热器而使温度提高，又是在哈尔滨工程大学本科生毕业论文 11 等容条件下进行的，因而导致了压力也增加。 3)在等温膨胀工作过程 3—4 中，动力活塞在下止点保持不动并紧靠回热器，此时配气活塞继续朝着背离回热器方向，向上止点运动，结果系统容积逐渐增大．压力下降，直到配气活塞移动到下止点时过程结束。 此时系统容积从最小值扩大到最大值，为了实现等温膨胀，加热器向工质加热 QB；以便使工质温度保持不变。 4)在等容冷却过积 4—1 中，两个活塞又同时运动， 动力活塞向。