斯特林机加热管积碳对换热与循环特性的影响

摘要

斯特林发动机外部加热的特点使其具有能源适应性好的突出优点，不仅可燃用煤、汽油、柴油、天然气等化石能源，也能利用木屑、秸秆、酒精、沼气等生物质能源，还可利用余热、太阳能等低品位能源。为了密封和减少运动部件的磨损，大多数发动机都需要润滑油进行润滑，那么就不可避免地会有一部分润滑油窜入发动机内部，斯特林发动机也不例外。对于长期运行的斯特林发动机密闭循环系统而言，累积效应十分明显。窜入的润滑油在斯特林发动机中长期运行下变质，形成积碳、漆膜、或油泥等产物，造成换热器效率下降。本文针对这一情况进行加热管积碳的实验研究。主要的研究内容和结果如下：
　　斯特林加热管的换热非常重要，是斯特林系统设计和优化的关键，润滑油的泄漏在加热管高温条件下将发生裂解，最终形成积碳物质，影响换热状况。两种合成润滑油在180℃、氮气和二氧化碳条件下，质量减少相差不大；450℃时几乎消失殆尽，在250℃和350℃时，二氧化碳气氛下质量减少较少；相同条件下加热时间越长质量减少越多。PAO润滑油在250℃和350℃时直链烷烃容易挥发、裂解，且氮气气氛下更加容易减少，与乙烯基相连接的C-H在250℃时减少，350℃条件下与乙烯基相连接的C-H发生了取代基断裂重组；双酯润滑油-CH3和-CH2的变形振动吸收峰、C=O-O-的振动吸收峰、直链烷烃的特征吸收峰在250℃和350℃均有加强，-CH3和-CH2的伸缩振动键在250℃无明显改变，在350℃有减弱现象。PAO润滑油在180℃和250℃加热条件下，高分子有机物化学键发生断裂，生成短链的烃，在250℃的工况条件下相比180℃条件下生成的更多，350℃的条件下，生成了高沸点物质，450℃的条件下PAO润滑油裂解形成碳物质，碳易于吸收空气中的水分；双酯润滑油在180℃和250℃加热条件下，高分子有机物发生断裂，生成短链的烃，在250℃的工况条件下和180℃条件下生成的物质类似，在350℃的条件下，生成了高沸点物质，在450℃的条件下双酯润滑油裂解形成碳物质，形成了沸点在280℃的物质。PAO所形成的固体残渣比较光滑，双酯中二氧化碳气氛中形成的固体残渣比氮气氛围下形成的残渣更加光滑，综合比较三者，PAO油在形成残渣固体更加光滑，能有效抑制污垢层的形成。
　　在对5个不同雷诺数考察发现，雷诺数为10434时积碳量最多，是其它雷诺数的1.36～1.75倍，主流流体的温度高低以及流体的类型对积碳的影响较为明显。相同雷诺数下，110℃下的积碳量是190℃下的10倍。分析各工况条件下，积碳沿管程呈均匀分布且积碳时间越长分布的均匀性越明显；对于同一流体，高温工况下可以有效缓解斯特林发动机内部积碳的形成；而对于不同类型的流体，氧化气氛（例如空气）更加能抑制积碳的形成。进行了加热管的换热实验，根据实验结果拟合了洁净状态和积碳180小时的无量纲换热关联式：Nu=1.5136*10-7*Re00.6627*Pr0*39.5630（洁净状态）该拟合关联式的相关系数R2=0.9958，其中3567≤Re≤33524。Nu=2.8171*10-7*Ref0.6627*Prf-39.1176（180小时）该拟合关联式的相关系数R2=0.9925，其中3567≤Re≤33524。加热管积碳过程中，积碳量较少时，积碳可以强化加热管的换热性能，随后换热近似线性降低；在相同雷诺数下，随积碳量增加，管壁表面温度和主流流体温差先减小后增加。
　　积碳造成的循环效率和循环功率下降趋势一致，且在积碳量较少时能提高其性能输出，即在整个性能下降的过程中趋势一致且先增强后减少。这一显著特点可以为检修清洗积碳作出指导和提示。结合效能分析，提出在循环功率降低到初始状态功率以下时，此时单位面积积碳量约为5.11mg/cm2～6.88 mg/cm2，雷诺数在3688～33523范围内，建议对斯特林发动机进行积碳检测和清洗。结合实验结果，提出了一套斯特林除碳的简便装置。

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术语表

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2润滑油的概述

1.3 换热器的积碳

1.4 斯特林发动机内部振荡流换热

1.5 改进型Simple模型

1.6 本文研究内容

第2章 润滑油高温性能的实验研究

2.1 实验原料

2.2 实验装置与流程

2.3 润滑油裂解产物性能分析

2.4 实验结果与分析

2.5 本章小结

第3章 加热管积碳与换热性能研究

3.1 实验装置及方法

3.2 实验方法

3.3 实验结果与分析

3.4 本章小结

第4章 积碳对斯特林发动机性能分析及积碳清洗

4.1 SIMPLE校正

4.2 积碳对斯特林发动机性能的影响

4.3 传统的积碳清洗方法

4.4 除碳装置设计

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 创新点

5.3 未来工作展望

参考文献

作者简历