热驱动型斯特林热泵系统的模拟与分析

摘要

近几年热泵技术受到人们的追捧，热泵技术也有了较快的发展，而斯特林技术从1816年发展至今有了较大的进步，其发动机热源广泛、工作稳定，热泵工作的温度范围广等优势也被人们所熟知，有着广阔的发展空间。热驱动型热泵则将热泵的驱动能源由电能转变为了热能，大大拓展了热泵的应用范围。将热驱动型热泵与斯特林技术进行结合可以充分发挥两者的优势。 考虑到斯特林发动机和热泵的优势，本文设计了一种带有余热回收装置的热驱动型斯特林热泵系统，并利用 MATLAB 软件对其进行了分析研究。热驱动型斯特林热泵系统主要由斯特林发动机和斯特林热泵组成，斯特林发动机从高温热源吸热，并输出机械功带动斯特林热泵工作，同时发动机的放出的热量由余热回收装置进行回收，与热泵一起对空气进行加热，从而提高了热驱动型热泵系统整体的COP值。 本文建立的热驱动型斯特林热泵系统总供热功率约为30kW，模型主要包括发动机部分、热泵部分和余热回收装置部分三个部分。斯特林发动机和热泵的建模采用了实用等温模型，对其容积、压力、工质质量分布进行了研究，对存在的主要流动损失和热损失进行了分析，计算了发动机的输出功率和效率，以及热泵的输出热功率和热泵系数。余热回收装置部分的模型包括冷却器、联结管、散热器、循环水泵和风扇五部分，其中散热器部分采用分段分时计算总散热量然后求平均值的方法计算了其散热功率，并在给定的发动机散热功率下，计算了整个余热回收装置的回收热功率。 随后本文对建模的热驱动型斯特林热泵系统进行了分析，主要分析了发动机输入热功率、余热回收装置功率和功率分配比例对热泵制热效果的影响，绘制了相关变化曲线，对尺寸参数对热泵制热效果的影响进行了讨论。分析得出，对于本文中的热驱动型斯特林热泵系统，发动机输入热功率的理想范围为 24~32kW，余热回收装置中循环水泵功率占比的范围为 0.05~0.11，发动机散热功率的变化对余热回收装置的需求功率影响不大，对应满足要求的发动机输入热功率范围与其理想范围大致相同。尺寸参数决定了斯特林发动机和斯特林热泵的额定功率，在考虑效率、COP 和最终产热等因素的情况下，其额定功率存在一个最佳范围，不同尺寸下余热回收装置的所需功率也并不相同，原则上斯特林发动机和热泵的腔室越大、工质压力越高，其循环功和输出热量越大，但腔室体积增大和工质压力提高意味着发动机和热泵体积的增大，换热器的换热效果会受到影响，最终影响系统的性能。本文也对热驱动型斯特林热泵系统和柴油驱动型热泵系统的性能进行了对比，得出热驱动型斯特林热泵系统相比之下有着更好的表现。 最后，本文对热驱动型斯特林热泵系统的未来发展做了展望。第一，应减少斯特林发动机和热泵的损失，包括对其内部的换热腔室和工作腔室的优化设计等；第二，应优化余热回收装置，包括提高冷却器换热效率、换用更好的冷却工质、提高联结管道的保温效果和散热器部分的散热效率等。

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