基于实验结果的斯特林发动机实用性分析

李晓俊,李菁华

（1.西南交通大学机械工程学院；2.西南交通大学交通运输与物流学院,成都　611756）

基于实验结果的斯特林发动机实用性分析

李晓俊1,李菁华2

（1.西南交通大学机械工程学院；2.西南交通大学交通运输与物流学院,成都611756）

摘要：一直以来，我国都在致力改善现有的能源结构，提高天然气的比重，天然气以及天然气灶在中国家庭的普及率越来越大。据统计，仅2000年到2004年四年时间内，我国的天然气年消费量就翻了一番，而我国的天然气剩余总储量不到世界总储量的1.4％，所以我国的天然气能源面临很大压力。基于如此严峻的形式，各种基于斯特林发动机的节能型家电纷纷被发明出来，为验证斯特林发动机的真实效果，设计一下实验进行论证。

关键词：斯特林发动机；油烟机；实验论证

1　斯特林发动机基本结构

斯特林发动机是一种外燃发动机，通过气体受热膨胀、遇冷压缩而做功。使燃料持续燃烧，蒸发的膨胀气体作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，如此往复循环，便可为外机提供动力。其工作原理图如下：

1-1　斯特林发动机工作原理图

图示为斯特林发动机的模型。气缸内装有空气，并附带两个活塞，黄为交换活塞，墨绿色为动力活塞，都连接于曲轴。

缸体下部为热气室，上部为冷气室。当热气室加热到一定程度后，给活塞以初速度。从而动力活塞向下运动将冷气室的气体压缩到热气室，气体在热气室受热膨胀推动活塞向上运动，当气体到达冷气室，气体冷却收缩，活塞缩回，又将气体压到热气室，从而形成一个往复运动，产生动力。

2　基于斯特林发动机的抽油烟机的工作流程

为分析斯特林发动机的实际效能，设计了一种基于斯特林发动机的节能抽油烟机，并将通过模拟现实情形对其性能进行分析。节能吸油烟机的工作步骤为：

（1）启动阶段：打开燃气后，斯特林发动机气缸受热，有做功趋势。但气缸要达到一定温度才工作，也即斯特林发动的启动需要响应时间，这是由斯特林发动机的原理决定的。

（2）工作阶段：当闭环调速系统监测到发动机的转速达到吸油烟机的正常工作要求后，闭环调速系统会切断电源同时切换到斯特林发动机带动扇叶转动模式。此后，发动机开始正常工作。

（3）停运阶段：在用户关闭燃气后，斯特林发动机自动停运。

3　对斯特林发动机的实验分析

3.1甲烷-空气火焰温度场分布计算

通过查阅文献资料，可以得到甲烷-空气火焰二维温度场分布的测量方法和计算结果，对于本产品废热收集装置的设计可以提供理论上的依据，现简单介绍如下：

平面激光诱导荧光技术（PLIF）作为一种非接触的激光燃烧诊断技术可以定量测量火焰温度场分布。该技术对燃烧过程无干扰，可以

精确测量，而且时空分辨率较高，二维测量，具有可见性。经过计算，可以推倒出温度T为：其中，是波尔兹曼常数，为参量，可以通过理论计算求得，表示两个吸收基态的能量差，表示激光的功率密度。最终结果如下：

图3-1　甲烷空气火焰温度与燃烧路面位置的变化关系及其与CARS测温结果比较

图3-1中左图是炉面中心处火焰温度随炉面高度的变化曲线，右图是在距炉面12mm高的位置火焰温度眼水平方向的变化曲线。分析该两组曲线我们可以发现在距离火焰水平12mm内，其温度波动范围不大，基本为1700K到1800K左右；而水平距离超过12mm以外，其温度随着距离的增加而快速降低。

因此我们将废热收集装置的集热板与火焰边缘距离设定为不超过10mm。

3.2与实际情况的比较实验

实验目的：为了研究斯特林发动机放置在锅底与火焰的周围，对燃气具加热时间和加热效果，所产生的影响。

测试设备：100℃煤油温度计、斯特林发动机、燃气灶、热电偶温度测量仪、量杯与炊具。

试验方法：测量烧开一杯500ml水从50℃到90℃所用的时间（秒），然后在火焰附近放置斯特林发动机，让斯特林发动机正常运转，再次测量500ml水从50℃升温到90℃所用时间，多次测量。

实验结果如下表所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

第6组数据由于环境或者其他因素影响偏差较大，删去。由其他数据可得，在火焰周围置发动机不会对烧水时间和燃气利用有显著影响。且加热期间，斯特林发动机始终高速运转，飞轮转速达到1700rmp。资查阅料，抽油烟机的电机转速为960-1500rmp，排风扇的电机转速为400-450rmp，所以此系统中的发动机飞轮完全胜任排风扇乃至发动机的工作。因此，可以预见，斯特林在节能环保领域能够达到期望效果。