第6卷第1期
2007 年3 月
热科学与技术
Jo urnal of Therm al Science and Tec hno lo gy
Vol.6No.1
Mar
.
2007
文章编号: 1671-8097(2007)01-0007-04
收稿日期: 2006-08-24; 修回日期: 20 06-12-29.
作者简介: 苏孙庆(1964-), 男, 高级讲师.
有限热源斯特林热机的优化性能研究
苏孙庆
( 集美大学 理学院 物理系, 福建 厦门 361021 )
摘要:
应用有限时间热力学方法,探索有限热源、热阻和回热损失的斯特林热机的优化性能,得到一些新的
性能参数,所得结论可为斯特林热机的研制和优化设计提供些新理论指导。
关键词: 有限时间热力学; 斯特林热机; 优化性能
中图分类号: O 414; T K 123 文献标识码
:A
0
引 言
利用有限时间热力学对各种热力循环进行优
化研究是现代热力学的一个重要内容。由于斯特
林循环是一种重要的循环方式,已得到广泛应用。
而斯特林热机具有效率高、噪音小、寿命长、结构
紧凑等优点,对开发能源和防治污染日益重视,使
得斯特林热机的开发和研制倍受青睐,甚至有人
提出“21 世纪是斯特林热机的世纪”
[1 -5]
。自有限
时间热力学理论提出之后,有些学者应用它研究
斯特林热机的优化性能,获得一些比经典热力学
更 有意义的结果
[6-12]
。本文在前人研究的基础上,
以存在有限热源、热阻和回热损失的斯特林热机
为研究对象,讨论其优化性能,结果可为斯特林热
机的研制和优化设计提供更有意义的理论指导。
1
斯特林热机的循环模型
探讨一类以理想气体为工质的斯特林热机,
循环由两个等温过程和两个等容过程组成,如图
1所示。工质作稳定的流动,工质与高、低温热源
间存在热阻,热交换满足牛顿线性定律,从而工质
在高、低两等温过程中的温度不同于高、低变温热
源的温度。则根据热力学第一定律,可得工质每循
环从高温热源吸收和放给低温热源的热量分别为
Q
1
=
U
H
A
H
Δ
T
H
t
1
=
C
H
(
T
H1
-
T
H2
)
t
1
=
nRT
1
ln (
V
2
/
V
1
)(1)
Q
2
=
U
L
A
L
Δ
T
L
t
2
=
C
L
(
T
L2
-
T
L1
)
t
2
=
nRT
2
ln (
V
2
/
V
1
)(2)
式中:
T
H1
、
T
H2
分别是变温高温热源与循环工质
交 换热量前、后的温度,
T
L1
、
T
L2
分别是变温低温
热源与循环工质交换热量前、后的温度,
T
1
、
T
2
分
别是工质在高、低温等温过程的温度,
U
H
、
A
H
、
U
L
、
A
L
分别是工质与高、低温热源间的传热系数和传
热 面积,
C
H
和
C
L
分别为高、低温热源的热容率,
Δ
T
H
=
(
T
H1
-
T
1
)- (
T
H2
-
T
1
)
ln [ (
T
H1
-
T
1
)/(
T
H2
-
T
1
)]
及Δ
T
L
=
(
T
2
-
T
L1
)- (
T
2
-
T
L2
)
ln [ (
T
2
-
T
L1
)/(
T
2
-
T
L2
)]
为对数平均温差,
t
1
、
t
2
分别为工质与高、低温热源的传热时间,
n
为
工质的摩尔数,
R
是普适气体常数,
V
1
、
V
2
分别为
等温膨胀前后工质的体积。再设回热器的效率为
η
R
,两回热过程的时间为常数,则每循环的回热损
失和循环周期分别为
Δ
Q
R
=
nC
p
(1 - η
R
)(
T
1
-
T
2
)(3)
τ=γ(
t
1
+
t
2
) (4)
图 1 斯特林循环的
T
-
s
图
Fig.1
T
-
s
diag ram o f S tirling cycle
式(3)(4) 中:
C
p
为等压摩尔热容,γ为循环周期与
两等温过程总时间之比。
Q
1
=
C
H
ε
H
(
T
H1
-
T
1
)
t
1
=
C
H
(
T
H1
-
T
H2
)
t
1
(5)