斯特林发动机系统中储热器的实验研究

李焕龙，何子春

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 200093)

0 引言

我国是煤炭生产大国，煤层气资源丰富，然而我国煤层气呈现整体甲烷浓度低的特点[1-3]，每年有大量的浓度(体积分数)低于30 %的抽放瓦斯和小于1 %的超低浓度瓦斯，如矿井通风乏气中含有的瓦斯，由于无法利用而直接排向大气，既浪费了能源又对环境造成了一定的危害[4]。

瓦斯发电是煤层气利用的一个重要方式，目前我国利用高浓度瓦斯发电技术已趋向成熟[5，6]，但低浓度瓦斯由于瓦斯含量少、稳定性差且接近爆炸极限，会造成发电机组熄火停机、加速设备老化、发电操作难度大[7，8]。虽然燃气内燃机发电技术现已可以利用甲烷浓度在10 %左右的低浓度瓦斯进行发电，但是发电机组运行的可靠性与稳定性仍然是一个难题。

斯特林发动机是一种外部加热、闭式循环、往复活塞式发动机，可适用多种燃料，具有热效率高、污染小等优点[9-13]。下面研究基于储热器的煤层气斯特林发动机系统，旨在利用储热器来解决气源浓度不稳定带来的发电系统不稳定的问题。

1 实验系统构建

1.1 斯特林发动机系统

如图1所示是基于储热器的斯特林发动机系统，煤层气进入多孔介质燃烧器燃烧，燃烧产生的高温烟气进入储热器把热量传递给储热器中的储热介质，再由储热介质将热量传递给斯特林发动机的热缸以驱动斯特林发动机。

采用储热器可以降低系统中由于气源不稳定燃烧带来的热量不稳定对发动机冲击的影响，采用高效蓄热介质把放热介质不稳定热量转化为蓄热介质较稳定的热量，从而减少放热介质直接加热带来的冲击，增强系统的平稳性，减少震动和噪声，延长机器的使用寿命。

1.2 实验台

本实验台主要由配气系统、多孔介质燃烧系统、烟气控制及输送系统、储热系统、斯特林发动机系统、烟气排放系统组成，如图2所示。

图2 实验系统示意

1.3 实验仪器

1.3.1 热电偶

本实验需要测温仪器——热电偶，主要测量储热器的温度分布、燃烧器出口烟气的温度、混合后烟气的温度。储热器的温度分布由储热器筒壁上布置的3排(每排4列)热电偶读出。热电偶及对应数字自动巡回检测仪参数如表1所示。

表1 热电偶、数显仪参数

1.3.2 流量计

在瓦斯供给和空气供给管路上设置流量计，通过流量计读数调节调节阀控制管路上的流量，使空气与瓦斯达到预期的燃烧配比。本实验采用具有结构简单、直观、压力损失小、维修方便等特点的玻璃转子流量计，其参数如表2所示。

表2 玻璃转子流量计参数

1.3.3 空气压缩机

燃烧用空气由空气压缩机提供，空气压缩机参数如表3所示。

表3 空气压缩机主要技术参数

2 储热器设计

2.1 储热材料及储热介质的选择

目前，蓄热方式中潜热型式最具有发展前途，也是目前应用最多的蓄热方式。潜热型是利用蓄热材料在相变时吸热或放热来进行热能储存和温度调节控制，这类材料不仅具有容积蓄热密度大，而且具有设备简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理等优点[8]。本研究选用氧化铝陶瓷蓄热球作为储热材料，其具有耐高温、良好的导热性与蓄热性的优点，其基本理化性能指标如表4所示。

表4 氧化铝蓄热球理化性能指标

2.2 储热器的设计

储热器设计如图3所示，储热器由上环、中环、底环、外壁、内壁组成。储热器孔隙里塞满氧化铝陶瓷蓄热球。斯特林热端、储热器外、内壁见图4。

图3 储热器设计

图4 储热器斯特林热缸、外壁、内壁(从左到右)

储热器上环中部开孔与烟气管道进行连接。从多孔介质燃烧器出来的高温烟气，通过烟气引入口引入储热器，其中一部分烟气通过内筒上面流入储热内筒里，另一部分烟气流入储热器内、外管筒之间然后通过储热器内筒侧面的开口均匀进入内筒里。内筒壁侧面开有5排小孔使烟气均匀进入并加热储热介质。储热器外筒壁开有小孔，安装热电偶来测量储热介质的温度分布。热电偶通过外筒壁的3排开孔与内筒壁底下3层的开孔插入内筒里面。上环与外壁之间通过螺栓连接，以方便拆卸上环来填充更换蓄热球及后期实验研究。内壁焊接在底环上，与外壁之间通过中环焊接。中环的作用是使高温烟气通过内壁侧面的开孔从内壁里面储热器中环与斯特林热端之间的空隙流出，以防止高温烟气从内外壁之间直接流出，浪费热量。内筒壁里面是斯特林热缸，斯特林热端浸在蓄热球中。储热器外壁与底环通过螺栓连接，方便拆卸。底环与斯特林发动机的法兰盘通过螺栓连接起到固定的作用。

烟气通过内筒壁与斯特林热端加热管段的边缘间隙，流入储热器中环、底环、外壁包围的烟气缓冲腔中，其作用是缓冲烟气流出不均造成的储热器内部速度场分布的波动从而破坏储热器的整体温度分布均匀性。

考虑到实际加工情况，储热器设计修改如图5～6所示。在原来的基础上增加了上环法兰、中环法兰。上环法兰通过焊接与外筒壁直接连接。储热器上环原来与外壁通过螺栓直接连接，现改为上环先通过螺栓与上环法兰连接。储热器内壁与中环法兰焊接固定，储热器中环与外壁焊接，然后中环与中环法兰通过螺栓连接，使储热器内、外壁连接。改变后的方案，增强了连接的牢固性，有效防止了斯特林发动机振动使螺栓松动。

图5 修改后储热器

图6 修改后储热器结构分解

3 实验结果分析

3.1 储热介质储热能力探究

为了研究斯特林发动机在加热、运行、停火阶段储热器的温度分布变化及储热能力，首先通过直接多储热器燃烧加热，烟气出口利用引风机抽吸烟气，目的是使高温烟气对储热介质进行加热。储热器温度分布随时间的变化的实验数据如表5所示，储热介质温度变化如图7所示。

表5 储热器温度随时间的变化

图7 储热器温度变化曲线

0～320 s是斯特林发动机加热启动时间，320～512 s是斯特林发动机运行阶段，512 s后停火。由图7可知，储热器的温度在加热状态下均匀受热升温，基本呈线性关系递增，由于引风机的作用烟气的往下流通，使储热器的上下层温度分布比较均匀。斯特林发动机运行阶段由于斯特林发动机带走一部分热量，在相同供热量的前提下，储热器温度有些降低。停火后，储热器上层温度下降较下层快是因为，储热器上层温度高，储热器上端与大气联通，储热器与空气换热大；下层温度有的不降反升是因为，引风机的抽引作用使得空气携带上面的一部分热量在储热器流动的时候，把热量传递给了下层的储热介质。

3.2 储热球粒径对储热性能的影响

为了探究储热器储热介质缓冲烟气波动的能力，分别测试了储热器内无储热球，以及不同储热球粒径时储热器平均温度变化状况。储热球粒径分别为φ6、φ8、φ10、φ12。实验得到几种工况下储热器平均温度见表6，其变化曲线见图8。

表6 储热器平均温度变化

图8 不同储热球粒径时储热器温度变化

由图8可知，有储热球时储热器温度变化普遍比无储热球时温度明显变化缓慢，说明储热球储热效果较好。同时储热球直径对储热效果有影响，但是不呈单纯线性关系，从本实验结果来看，储热球粒径为10 mm时温度变化最缓慢，储热效果最好。

为了研究储热器内部温度分布以及储热介质的换热情况，对储热器各个方向热电偶的的温度进行测量。结果如图9～13所示。

图9 无储热球时储热器温度分布

图10 φ12储热球时储热器温度分布

图11 φ10储热球时储热器温度分布

图12 φ8储热球时储热器温度分布

图13 φ6储热球时储热器温度分布

有储热球时储热器，上层温度变化较下层快，因为储热器上层温度高，与外界换热较多，另外储热器上层温度会以导热形势传递给下层较冷的储热球，导致上层温度下降的同时下层温度上升，结果是储热器温度趋于均匀。

由表7可知，有储热球时斯特林发动机停机时间比无储热球时要长，说明储热球储热效果较好，同时储热球直径对停机时间有影响，但是不呈单纯线性关系。从本实验结果来看，储热球粒径为10 mm时停机时间最长，储热效果最好，这与储热球温度随储热球粒径变化趋势所反应的结果是吻合的(见图14)。

表7 不同粒径储热球时斯特林停机时间

图14 不同粒径储热球时斯特林停机时间

4 结论

以上研究得出了如下结论。

1) 与无储热球填充储热器时相比，有储热球时储热器温度变化较平缓，相同最高转速(相同惯量时)有储热器时斯特林停机时间较长，说明储热器效果较好。

2) 储热球直径不同会影响储热器的储热性能，它们之间不是单纯的线性关系，储热器温度变化速率随储热球直径的减小呈现先减小后增加的趋势，停机时间随储热球直径的减小呈现先增加后减小的趋势，因此存在一个最佳粒径。从实验结果来看，储热球粒径为10 mm时效果是最好的。