李曉俊,李菁華

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,成都　611756）

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用性分析

李曉俊1,李菁華2

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,成都611756）

摘要：一直以來(lái)，我國(guó)都在致力改善現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，提高天然氣的比重，天然氣以及天然氣灶在中國(guó)家庭的普及率越來(lái)越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2000年到2004年四年時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的天然氣年消費(fèi)量就翻了一番，而我國(guó)的天然氣剩余總儲(chǔ)量不到世界總儲(chǔ)量的1.4％，所以我國(guó)的天然氣能源面臨很大壓力?；谌绱藝?yán)峻的形式，各種基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能型家電紛紛被發(fā)明出來(lái)，為驗(yàn)證斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)效果，設(shè)計(jì)一下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。

關(guān)鍵詞：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)；油煙機(jī)；實(shí)驗(yàn)論證

1　斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而做功。使燃料持續(xù)燃燒，蒸發(fā)的膨脹氣體作為動(dòng)力氣體使活塞運(yùn)動(dòng)，膨脹氣體在冷氣室冷卻，如此往復(fù)循環(huán)，便可為外機(jī)提供動(dòng)力。其工作原理圖如下：

1-1　斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖

圖示為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的模型。氣缸內(nèi)裝有空氣，并附帶兩個(gè)活塞，黃為交換活塞，墨綠色為動(dòng)力活塞，都連接于曲軸。

缸體下部為熱氣室，上部為冷氣室。當(dāng)熱氣室加熱到一定程度后，給活塞以初速度。從而動(dòng)力活塞向下運(yùn)動(dòng)將冷氣室的氣體壓縮到熱氣室，氣體在熱氣室受熱膨脹推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣體到達(dá)冷氣室，氣體冷卻收縮，活塞縮回，又將氣體壓到熱氣室，從而形成一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)力。

2　基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的抽油煙機(jī)的工作流程

為分析斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際效能，設(shè)計(jì)了一種基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能抽油煙機(jī)，并將通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)情形對(duì)其性能進(jìn)行分析。節(jié)能吸油煙機(jī)的工作步驟為：

（1）啟動(dòng)階段：打開(kāi)燃?xì)夂?，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸受熱，有做功趨勢(shì)。但氣缸要達(dá)到一定溫度才工作，也即斯特林發(fā)動(dòng)的啟動(dòng)需要響應(yīng)時(shí)間，這是由斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的原理決定的。

（2）工作階段：當(dāng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到吸油煙機(jī)的正常工作要求后，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)會(huì)切斷電源同時(shí)切換到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)模式。此后，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始正常工作。

（3）停運(yùn)階段：在用戶關(guān)閉燃?xì)夂?，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停運(yùn)。

3　對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)分析

3.1甲烷-空氣火焰溫度場(chǎng)分布計(jì)算

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，可以得到甲烷-空氣火焰二維溫度場(chǎng)分布的測(cè)量方法和計(jì)算結(jié)果，對(duì)于本產(chǎn)品廢熱收集裝置的設(shè)計(jì)可以提供理論上的依據(jù)，現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹如下：

平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（PLIF）作為一種非接觸的激光燃燒診斷技術(shù)可以定量測(cè)量火焰溫度場(chǎng)分布。該技術(shù)對(duì)燃燒過(guò)程無(wú)干擾，可以

精確測(cè)量，而且時(shí)空分辨率較高，二維測(cè)量，具有可見(jiàn)性。經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以推倒出溫度T為：其中，是波爾茲曼常數(shù)，為參量，可以通過(guò)理論計(jì)算求得，表示兩個(gè)吸收基態(tài)的能量差，表示激光的功率密度。最終結(jié)果如下：

圖3-1　甲烷空氣火焰溫度與燃燒路面位置的變化關(guān)系及其與CARS測(cè)溫結(jié)果比較

圖3-1中左圖是爐面中心處火焰溫度隨爐面高度的變化曲線，右圖是在距爐面12mm高的位置火焰溫度眼水平方向的變化曲線。分析該兩組曲線我們可以發(fā)現(xiàn)在距離火焰水平12mm內(nèi)，其溫度波動(dòng)范圍不大，基本為1700K到1800K左右；而水平距離超過(guò)12mm以外，其溫度隨著距離的增加而快速降低。

因此我們將廢熱收集裝置的集熱板與火焰邊緣距離設(shè)定為不超過(guò)10mm。

3.2與實(shí)際情況的比較實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽榱搜芯克固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)放置在鍋底與火焰的周圍，對(duì)燃?xì)饩呒訜釙r(shí)間和加熱效果，所產(chǎn)生的影響。

測(cè)試設(shè)備：100℃煤油溫度計(jì)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)庠?、熱電偶溫度測(cè)量?jī)x、量杯與炊具。

試驗(yàn)方法：測(cè)量燒開(kāi)一杯500ml水從50℃到90℃所用的時(shí)間（秒），然后在火焰附近放置斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，讓斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，再次測(cè)量500ml水從50℃升溫到90℃所用時(shí)間，多次測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

第6組數(shù)據(jù)由于環(huán)境或者其他因素影響偏差較大，刪去。由其他數(shù)據(jù)可得，在火焰周圍置發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)對(duì)燒水時(shí)間和燃?xì)饫糜酗@著影響。且加熱期間，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)始終高速運(yùn)轉(zhuǎn)，飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到1700rmp。資查閱料，抽油煙機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為960-1500rmp，排風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn)速為400-450rmp，所以此系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪完全勝任排風(fēng)扇乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。因此，可以預(yù)見(jiàn)，斯特林在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域能夠達(dá)到期望效果。