基于斯特林循环的热回收利用装置研究

摘要

本文介绍了斯特林发动机的基本构造，简要描述了由膨胀腔、加热器、回热器、冷却器和压缩腔组成的封闭式循环工作系统以及上述各个部件在实现斯特林循环中的具体作用。描述了斯特林循环在斯特林发动机内的实现过程，总结了循环的四个换热过程。同时对三种常用的斯特林循环分析方法进行了详细的介绍，并对它们各自的优劣进行了比较，给出了关于如何选择合适的分析模型，从而明确分析目标、简化问题并提高求解效率的一些依据。
　　 以C++为平台编制了基于实用等温分析法的模拟程序，根据对Ford4-215DA型斯特林发动机的模拟结果对比分析了实用等温分析法和绝热分析法模拟分析的准确性，并根据等温分析法的数学模型及其修正方程组对一些模拟误差的产生机理进行了解释和分析，总结了误差产生的原因，提供了合理选取发动机参数的思路。同时，根据理论分析的结果，确定了小型热回收斯特林发动机的主要外形尺寸和参数，并用实用等温分析法对其进行了详尽的分析。
　　 本文还对斯特林发动机的加热器、冷却器和回热器等三个主要换热部件进行了详细的CFD分析，总结了管簇式换热器基本的内部换热规律，得出了设计机型的最优管内径，为加热器和冷却器的优化设计提供了分析方法和理论依据。简要介绍了针对斯特林发动机的有限时间热力学优化方法，并在此基础上提出了有限时间热力学优化结合实用等温分析法的优化思路，说明了将有限时间热力学优化与基于等温分析的通用优化法进行嵌套的具体操作过程，分析了这种混合优化法的可行性和局限性，为进一步的优化研究建立了理论基础。