微型脉冲式回热器的试验方法和换热效率影响因素研究

摘要

为了满足便携式电子产品越来越大的用电需求，采用碳氢燃料的微动力发电装置因其在能量转化方面的巨大优势，迅速成为新一代便携式电源的发展趋势。微型摆式发动机具有便于微型化，能量密度高的特点，是未来便携式电源的发展趋势之一，但由于发动机尾气带走了燃烧产生的大部分热量，其热效率低下，为此引入回热技术对提升发动机性能十分必要。适用于微型摆式发动机的回热器具有冷热气流量小，脉冲特性明显的特点，与常规回热器工作流动形式差异明显。本文为对微型脉冲式回热器进行试验研究，设计了微型脉冲式回热器试验台，并对回热器换热效率影响因素进行了试验和数值模拟研究。
　　本文首先对加装微型回热器后的微型摆式发动机运行困难的问题进行分析，改进发动机结构，并采用混合动力循环驱动发动机正常运行。分析发动机工作循环，获得回热器冷热气真实流动情况。模拟回热器冷热气进出口条件，设计试验台及试验测量方案。
　　查阅文献可知，微型化后发动机内泄漏对发动机影响较大。建立发动机内泄漏数学模型，对发动机内泄漏进行分析，并设计试验台封严手段，研究结果表明：由于尺寸微小化，样机内泄漏流质量占到样机内气体总质量的大部分；通过改变泄漏缝隙尺寸和样机运行频率可抑制有效样机内泄漏；提出了一种新型逆向射流式多级凹槽封严技术，通过数值计算，验证其封严效果较好，可抑制泄漏流量达到12％以上。
　　对回热器换热效率的影响因素冷气单次进气量和脉冲频率进行了数值模拟研究，结果发现：由于冷气单次进气量和脉冲频率变化对回热器内流场的影响，导致回热器冷气对流换热能力增强，使得回热器换热效率虽然由于冷气需吸收的热量增加和换热时间较少的原因出现下降，但下降幅度不大。同时发现回热器换热效率较定常流动时降低，造成这种变化的原因为微型化后，脉冲效应引起的回热器内沿换热间壁的轴向导热引起的。
　　接着对回热器换热效率的影响因素进行试验研究。目前试验台目前工作频率可达25Hz，热气温度可上升至700℃。在试验台调试阶段发现脉冲流发生器内泄漏严重，增压较低，验证了泄漏问题的严重影响，并验证了运行频率对泄漏的抑制。采用油脂密封和篦齿封严应用于试验台，从试验数据来看，油脂密封能够获得较好的密封效果，可应用于试验台上；篦齿封严技术可一定程度上抑制泄漏流，但目前效果不明显。进行了微型脉冲式回热器换热效率试验，试验中由于散热和试验管路导热的原因，导致测量得到的换热效率较低，考虑两者影响后，试验换热效率达到60%左右，通过分析，符合预期效果，且试验规律验证了数值模拟结果。

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注释表

缩略词

第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3存在主要问题及研究内容

第二章 微型脉冲式回热器试验设计

2.1加装回热器的微型摆式发动机工作分析

2.2回热器试验台设计

2.3回热器试验测量与数据采集系统

2.4小结

第三章 发动机微型化后泄漏问题分析

3.1间隙泄漏对微型化后发动机的影响

3.2微型摆式发动机压缩过程中气体泄漏模型建立

3.3微型摆式发动机压缩过程中气体间隙泄漏的影响因素研究

3.4一种适用于微型摆式发动机的新型封严手段研究

3.5本章小结

第四章 微型脉冲式回热器换热效率影响因素分析

4.1网格划分及计算参数设置

4.2数值模拟结果分析

4.3本章小结

第五章 微型脉冲式回热器换热试验

5.1回热器试验台

5.2试验台调试阶段对泄漏问题的研究

5.3微型脉冲式回热器换热试验测量流程

5.4试验误差分析

5.5试验结果处理与分析

5.6数值模拟与试验结果对比分析

5.7本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文总结

6.2展望与建议

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文