第 10 卷第 1 期
2011 年 3 月
热 科 学 与 技 术
Journal of Thermal Science and Technology
Vol .10 No .1
Mac .2011
文章编号 :1671‐8097(2011)01‐0063‐05 DOI :10 .3969/
j
.issn .1671‐8097 .2011 .01 .011
不 同 优 化 准 则 下 斯 特 林 发 动 机 的 性 能 分 析
李 亚 奇 , 许 行 , 李 海 伟 , 宋 鸿 杰
( 第二炮兵工程学院 502 教研室 ,陕西 西安 710025 )
摘要 :
应用有限时间热力学原理 ,建立了一个考虑热阻 、热漏和回热损失等不可逆因素的斯特林发动机模
型 ;推导了最大输出功率 、最大效率和生态学优化准则下 ,斯特林发动机性能的表达式 ;比较了三种优化准则
下 ,热漏系数和回热器有效性对斯特林发动机性能的影响 。研究表明 :对热漏损失和回热损失较大的斯特林发
动机 ,宜选用生态学优化准则 。为斯特林发动机的优化设计和节能运行提供新的理论指导 。
关键词 :斯特林发动机 ;有限时间热力学 ;生态学优化
中图分类号 :TK123 文献标识码 :A
收稿日期 :2010‐09‐14 ; 修回日期 :2011‐03‐01 .
作者简介 :李亚奇(1971‐) ,男 ,副教授 ,硕士生导师 ,主要研究方向为太阳能热发电技术 .E‐mail :liyaqi502@ sina .com
0 引 言
斯特林发动机是一种闭式循环的外燃机 ,具
有燃料来源广 、整机效率高 、运转特性好 、结构简
单 、维修方便等优点 ,是一类很有发展前途的动力
机械 ,受到了各国动力工程 、热能工程和低温工程
领域的青睐
[1‐3 ]
。国内外学者利用有限时间热力学
对斯特林发动机进行了优化研究 ,获得了一些比
经典热力学更有意义的结论
[4‐18]
。
本文从斯特林发动机通用不可逆模型出发 ,
推导了最大输出功率 、最大效率和生态学优化准
则下 ,斯特林发动机功率 、效率和熵产率的表达
式 ,分析讨论了在三种优化准则下 ,热漏系数和回
热器有效性对斯特林发动机性能的影响 。
1 斯特林发动机的理论模型
以气体为工质的斯特林循环由两个等温过程
和两个定容过程组成 ,考虑热阻 、热漏和回热损失
的斯特林循环的示意图和 T
‐
V 图如图 1 、2 所示 。
图 1 、2 中 1
→
2 表示工质在压缩腔中的等温压缩
过程 ,2
→
3 表示工质在回热器中的等容加热过
程 ,3
→
4 表示工质在膨胀腔中的等温膨胀过程 ,4
→
1 表示工质在回热器中的等容冷却工程 。图 1 、2
中 T
H
和 T
C
分别为高 、低温热源的温度 ,T
1
和 T
2
分别为工质在高 、低等温过程中的温度 ,Q
1
和 Q
2
分别为工质与高 、低温热源交换的热量 ,Q
R
和 Q
L
图 1 斯特林循环示意图
Fig .1 Schematic diagram of Stirling engine cycle
图 2 斯特林发动机 T
‐
V 图
Fig .2 T
‐
V diagram of Stirling engine cycle
分别为回热损失和热漏损失 ,V
1
和 V
2
分别是两