热端与冷端连接对γ型斯特林发动机性能的影响

工程科学与技术，国际期刊36（2022）101152热端与冷端连接对γ型斯特林发动机性能TolgaTopgül，MelihOkur，ZahhS，ahin，CanZahınar土耳其安卡拉加齐大学技术学院汽车工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年11月25日收到2022年2月15日修订2022年3月21日接受2022年3月31日在线提供保留字：斯特林发动机伽马型发动机冷端连接热端连接发动机性能A B S T R A C T外燃式斯特林发动机由于其能够与任何热源一起工作并且是高效的能量转换系统而被认为是解决日益增加的能源和环境问题的替代方案本文通过实验研究了动力缸和置换缸的冷端和热端连接方式对γ型斯特林发动机性能的影响。在不对发动机作任何结构改动的情况下，比较了功率缸和置换缸的连接方式对发动机性能的影响。以氦气为工作气体，在不同的充气压力下进行了性能测试。试验结果表明，在一定的增压压力下，热端和冷端连接发动机的扭矩和输出功率均达到最大值。与冷端连接（CEC）发动机相比，在相同的温度范围内，热端连接（HEC）发动机的最大扭矩和输出功率增加。在HEC发动机中，最大发动机扭矩和功率分别达到0.5665 Nm和23.35 W，与CEC发动机相比分别增加了68.4%和84.7%©2022 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍外部加热式斯特林发动机可以使用任何热源运行，包括太阳能、核能、生物质和工业废热[1]。使用各种能源的能力是斯特林发动机的主要优点在文献中，Laazaar和Boutammachte[2]探索了适用于可再生能源的斯特林发动机类型。他们解释说，阿尔法配置适合于工业部门的废热回收，从中可以获得高的气体温度，而贝塔和伽马配置更适合于具有低和中等温差的生物质和太阳能能源。Auñón-Hidalgo等人[3]安装了一个由光伏模块、太阳能集热器和微型热电联产斯特林发动机组成的系统，以满足家庭能源需求。研究结果表明，该系统提供了75.6%的家庭总能源需求，减少了36.2%的CO2排放。Bidhendi和Abhendi[4]探讨了太阳能碟和斯特林发动机的结合据指出，启动时至少需要480 W/m2的太阳能通量*通讯作者。电子邮件地址：topgul@gazi.edu.tr（T. Topgül）。由Karabuk大学负责进行同行审查斯特林发动机;然而，这个值取决于太阳能盘和发动机的设计。该研究指出，该系统的最佳性能可以在沙漠气候下提供24%的效率和每年超过20 GJ的电能。氢气、氦气和空气通常在斯特林发动机中用作工作气体[5自1816年发明以来，对这些发动机进行了许多研究。由于热力学和动力学模型是一种高效的能量转换系统，并被广泛接受为解决日益增长的能源和环境问题的一种替代方案，因此已经开发了各种各样的热力学和动力学模型。斯特林发动机基本上分为动力学和运动学两类，运动学发动机可以设计为alpha，beta和gamma配置[8许多学者对动态斯特林发动机进行了在叶等人进行的理论研究[13]，结合非线性热力学和动力学模型，对自由活塞伽马型斯特林发动机（FPSE）进行了研究结果表明，输出功率随热端温度、充液压力和置换器Yang[14]使用非理想绝热和动态模型预测结果表明，在充模压力为50 bar、转速为66.26 Hz时，最大功率可达595 W在文献中，运动斯特林发动机（阿尔法，贝塔和伽马）的输出功率和https://doi.org/10.1016/j.jestch.2022.1011522215-0986/©2022 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchT. 托普居尔湾Okur，F. S，ahin等人工程科学与技术，国际期刊36（2022）1011522使用Abuelyamen和Ben-Mansour[10]的详细CFD模型进行能效分析。实验结果表明，GTSE获得了最高的输出功率（9.223 W）和最高的热效率（9.8%）。Cheng和Yang[12]还从理论上比较了α、β和γ型斯特林发动机的相对性能。在他们的研究中，虽然β型发动机获得了最高的轴功，但发现γ型发动机最适合在低温差下运行。在Li等人[15]进行的研究中使用了一种新的多方模型来预测斯特林发动机的伽马和β构型的性能。他们指出，热效率随着发动机转速的增加而降低。此外，研究人员表示，氢气作为工作气体比氦气更适合于高发动机转速，特别是超过2500 rpm，因为其输出功率和热效率更高。Chen等人[16]建造了一个以氦气为工作气体的GTSE原型。此外，还对发动机的几何参数和工作参数进行了试验。指出再生效率是影响效率的主要因素，而发动机功率受转速的影响。Kuban等人[17]对商用GTSE进行的理论研究表明，加热 器 温 度 、 充 气 压 力 和 发 动 机 转 速 的 增 加 会 增 加 指 示 功 率 。Khanjanpour等人[18]制造、评估和优化了中等温差GTSE。根据结果，在160 rpm时指示功率为5.36 W。在相同的速度下，实验制动功率也被发现为1.13 W。 Li等人[19]研究了不可逆过程对GTSE性能的影响。模拟结果表明，回热器的热损失所占比例最大。他们指出，另一个重要的损失是通过活塞和气缸壁之间的间隙泄漏。Kazinar和Karabu-lut [20]设计并制造了具有276 cm 3扫掠体积的GTSE。在实验中，当热源温度为1000 °C时，氦气的功率为128.3W，4 bar灌装压力。 在Damirchi等人进行的研究中，[21]设计并制造了扫描体积为220 cm3、总体积为580 cm3的GTSE在测试中，使用生物质能量，在550°C的热源温度和10巴填充压力下，Sowale等人[22]讨论了热力学分析和与线性交流发电机耦合的GTSE的性能，该线性交流发电机用于在纳米膜马桶系统中提供电力他们得出结论，斯特林发动机的日输出功率为27 Wh/h，发动机转速为23.85 Hz，加热器温度为390 °C。斯特林发动机的结构特点，如发动机类型（α、β和γ）、驱动机构和发动机尺寸影响发动机性能。此外，即使是connec-灰之间的权力和置换缸的类型影响的性能。本研究的目的是实验研究两种不同的连接类型，这是形成为热端和冷端连接的功率和置换器气缸，对GTSE性能没有任何结构修改。文献中对斯特林发动机进行了大量的理论研究，但实验研究还很有限。本研究也将为斯特林发动机的研究提供更多的实验数据。 为了允许使用低温热源，在170 °C的温差下使用氦气在1-4巴的充气压力范围内进行实验，这对于斯特林发动机来说可以被认为是相对低的。在实验中，速度与转矩和速度与。获得了发动机的功率变化2. 测试发动机实验研究中使用的GTSE的示意图如图1所示。在GTSE中，置换器和动力缸以90°角的V形连接到发动机缸体。置换器和动力活塞连杆连接到同一曲轴销轴颈和曲柄滑块机构使用。置换器和动力活塞之间存在90°相位差置换器气缸的上侧和下侧置换器气缸由两部分组成，并紧密地用螺栓连接在一起。在置换器圆柱体的上部内形成60个矩形通道，并且在传热面积中实现了约500 cm2工作气体由热的气体和热的气体之间的置换器置换。冷卷。置换器和置换器气缸之间的间隙形成了GTSE中没有外部再生器工作气体用放置在冷容积上的置换器气缸的下部上的水套冷却。在GTSE中，采用冷端连接（CEC）和热端连接（HEC）对动力缸和置换缸之间的两种不同连接进行了测试。在CEC设计中，置换器气缸的冷容积通过不锈钢连接管连接到动力气缸（图1）。 1.a）。在HEC设计中，动力缸连接到置换器缸热容积（图1.b）。在试验中，仅改变了动力缸和置换缸之间的连接，因此发动机的所有特性和工作温度保持不变。GTSE的技术细节如表1所示。如见于图1和2，而曲轴销轴颈在1和2之间移动（45°-135°曲轴角），动力活塞从上止点（TDC）移动到下止点（BDC），工作气体在恒温下膨胀。在这个过程中，置换剂在BDC附近几乎是恒定的，并且大部分工作气体都在热体积中。动力活塞产生功，而工作气体温度在膨胀体积中保持恒定。当曲轴销轴颈在2和3之间移动（135°- 225°曲轴角）时，动力活塞在下止点附近几乎保持不变，而置换器从下止点移动到上止点。总体积几乎保持不变，因为热体积减少，而冷体积增加。在此期间，工作气体从置换器和其气缸之间的加热-冷却通道进入冷容积图1.一、GTSE的原型（a）冷端连接（b）热端连接。T. 托普居尔湾Okur，F. S，ahin等人工程科学与技术，国际期刊36（2022）1011523¼表1GTSE的规格配置Gamma类型置换器直径[mm] 65位移器长度[mm] 260置换器气缸长度[mm] 492活塞直径[mm] 60总排量[cc] 382压缩比1.8活塞与置换器的相位角90°热端表面温度[°C] 200 ± 5冷却水出口温度[°C] 30 ±2加热LPG燃料加热器冷却水冷却工作气体氦气充气压力1CEC发动机最大扭矩0.3365 Nm@350 rpm最大功率12.64 W@370 rpmHEC发动机最大扭矩0.5665 Nm@379 rpm最大功率23.35 W@411 rpm图二、膨胀、热膨胀、冷膨胀和总体积随曲轴转角的变化当曲轴销轴颈在3 °和4 °之间移动90°（225°-315°曲轴转角）时，置换器在TDC附近几乎保持恒定。动力活塞从下止点到上止点，随着工作气体被压缩，膨胀容积减小。在此期间，通过在恒定温度下压缩而从工作气体中排出热量。在4和1之间（315°-405°曲柄角），动力活塞在TDC附近几乎恒定，置换器从图三. GTSE的测试设置见图4。 试验装置的照片。置换器表面的冷端通过水套冷却。通过调节冷却水流速，将水从水套的出口温度保持恒定在30 ± 2 °C。使用NiCr-Ni热电偶和Elimko-6000牌12通道温度计以1 °C的精度测量温度。原型GTSE连接到prony型测功机与耦合安装在飞轮侧的发动机。制动力被传输到ESIT BB20品牌的称重传感器，其测量精度为0.003 Nm，通过测功机主轴上的制动盘。具有1rpm灵敏度的ENDAETS1410数字转速计用于测量速度。输出功率用方程计算。（一）.从TDC到BDC当热体积增加时，冷体积减小，总体积变化被认为是P2pnT60ð1Þ常数在此期间，工作气体从置换器和其气缸之间的加热-冷却通道进入热3. 实验装置如图3和图4所示，原型GTSE在prony型发动机测试测功机中进行测试。在实验研究中，使用LPG燃料加热器来加热外表面排气缸的热端通过调节LPG燃料流量将表面温度保持恒定在200 ± 5°C的在 该 等 式 中 ， P 表 示 发 动 机 功 率 （ W ） ， T 表 示 发 动 机 扭 矩（Nm），并且n表示发动机速度（rpm）。在实验中，当置换器气缸热端温度为135 °C时，热端连接的发动机开始在1巴氦气充注压力下运行。在热端温度达到200 °C的稳定工作条件后，在热端和冷端连接的发动机上进行了实验。 实验在1-4巴充气压力范围内进行，间隔为0.5巴，使用氦气。使用具有0.1巴精度并且能够测量0巴至10巴的伯顿管压力计。氦气是T. 托普居尔湾Okur，F. S，ahin等人工程科学与技术，国际期刊36（2022）1011524“的。1.2.n通过放置在发动机缸体中的压力计充电。在各增压压力下，在达到稳定工况后，通过在测功机上加载获得与发动机转速相计算了斯特林发动机的转速-转矩和转速-功率特性曲线。在这项研究中，Eq。（2）用于基于路径均方法的不确定度分析，如文献[23wR¼@Rw@x1@Rw@x22þ···þ@Rw@xn2#1= 2ð2Þ其中w R是计算值的误差极限，R是独立参数x1，x2，.的函数。. ，xn，以及w1，w2，. . ，wn是独立参数的不确定性[23在表2中，可以看到计算值的测量精度和不确定度。此外，在该实验研究中的每个图中使用误差条。误差条的最大值和最小值取决于测量精度或最大不确定性。同样，Rocha等人[29]在其研究中使用了基于测量设备准确度的误差条。此外，有些误差线由于数值较小而无法在图中看到4. 结果和讨论对应于发动机转速的发动机扭矩见图1。 5和图 6用于冷端和热端连接的发动机。 图图5中，示出了CEC发动机在1-3.5充气压力范围内以0.5巴间隔获得的发动机扭矩的变化，其取决于速度。在每个增压压力下，输出扭矩增加到一定的发动机转速，然后再次降低。此外，输出扭矩从1巴增加到3巴充电压力。根据压力的增加，获得最大扭矩时的发动机转速也增加。 在1巴的增压压力下，在280rpm时获得的最大输出扭矩为0.168 Nm。当充气压力增加到2酒吧，最大输出扭矩增加到在302 rpm时为0.227 Nm。发动机的最大输出扭矩在350 rpm和3bar的增压压力下达到0.3365 Nm。当增压压力增加到3 bar以上时，输出扭矩开始降低。出于这个原因，在CEC发动机上进行的实验达到了1000MPa的充气压力。3.5巴图1中示出了与HEC发动机中的发动机速度相对应的输出扭矩。六、在HEC发动机中，在1-4巴的充气压力范围内进行实验发动机的最大扭矩是在3.5巴的充气压力下在379 rpm下获得的输出扭矩开始下降，高于此充气压力。在HEC发动机中，通过将动力缸连接到置换缸的表2测量的准确度和计算值的不确定度。参数精度压力（bar）±0.1温度（°C）±1转速（rpm）±2扭矩（Nm）± 0. 003计算值不确定度（%）发动机功率（W）0. 6图五、CEC发动机输出扭矩随转速的变化图六、HEC发动机中输出扭矩随转速的变化在HEC发动机中，获得最大扭矩时的转速和充气压力也增加。这是因为较高温度的工作气体通过置换器气缸在这两种发动机中，在一定的发动机转速和增压压力之后发动机扭矩的降低是由于向工作物质的热传递不足。此外，随着发动机转速的变化，循环间隔缩短，并且由于GTSE中没有使用外部加热器和回热器而不能实现向工作气体的充分传热。用LPG燃料加热器从置换器气缸的热端的外表面进行加热。图7和图8示出了CEC和HEC发动机中取决于发动机速度的输出功率变化。图7示出了在CEC发动机中以氦气作为工作气体的情况下，输出功率在0.5巴间隔和1-3.5巴充气压力范围内随速度的变化如图所示，输出功率在每个充气压力下增加到一定速度，并且输出功率在高于该速度时开始减小。根据充气压力的不同，发动机功率增加到3 bar压力时，功率开始下降Σ2þΣT. 托普居尔湾Okur，F. S，ahin等人工程科学与技术，国际期刊36（2022）1011525图7.第一次会议。CEC发动机输出功率随转速的变化图8.第八条。HEC发动机中输出功率随转速的变化高于3 bar的压力。最大输出功率为在370 rpm和3 bar时为12.64 W。斯特林发动机存在一个最佳充气压力。该最佳压力根据热源和冷源温度以及工作气体类型而变化。高于或低于该压力，发动机性能恶化，扭矩和功率降低。与发动机扭矩的变化类似，发动机功率在3巴充气压力以上的降低是由于向工作气体的传热不足类似在一项由Elderfield[32]进行的分析研究中，HEC发动机的比功大约是CEC发动机的两倍。另一方面，J.C.菲尔德[32]还指出，CEC发动机的优点是由于活塞上工作气体的膨胀较冷，对活塞和密封元件的热效应较小图9示出了取决于充气压力的最大输出扭矩和输出功率变化。使用在每个充气压力下获得的最大输出扭矩和功率值创建图表。如图所示，在HEC发动机中，最大输出扭矩和功率值在379 rpm发动机转速下为0.5665 Nm，在411 rpm下为23.35 W，充气压力为3.5 bar。在CEC发动机中，最大输出扭矩和功率值也在350 rpm发动机转速下获得为0.3365 Nm，在370 rpm和3 bar下获得为12.64 W。在文献中，可以看到Karabulut等人[33]、Cheng等人[34]以及Sripakagorn和Srikam[35]进行的实验研究中获得了相似的结果。在表3中，给出了斯特林发动机在低温差和中温差下的最大功率值。在这一比较中，讨论了以前关于由活塞和置换器组成的运动学β型和γ型斯特林发动机的从表中可以看出，使用氦气作为工作气体，在高充气压力和热端温度下实现了更高的输出功率在本研究中，为了允许使用低温热源，在200 °C热端温度下进行实验。可以预测，在较高的增压压力下，通过提高热端温度可以获得输出功率的增加。5. 结论在这项研究中，从冷端和热端的功率和置换气缸的组合对GTSE的发动机性能的影响进行了研究，而不进行任何结构修改。在1-4 bar充气压力范围和200 °C置换气缸热端温度下，使用氦气作为工作气体，在实验中获得了发动机的速度-扭矩和速度-功率变化。实验是在温差为170 °C的条件下进行的，这对于斯特林发动机来说是相对较低的温差，这对于低温热源作为替代能源的使用是很重要的。在每个充气压力下，结果是由Reininar和Karabulut[20]、Damirchi等人获得的。[21]，Karabulut et al.[30]和Abuelyamen et al.[31]第30段。图8中还示出了输出功率随HEC发动机的发动机速度的变化。实验在HEC发动机中在1-4巴的充气压力范围内进行。当转速为411 rpm时，最大输出功率为23.35 W，3.5 bar，与CEC发动机相比增加了84.7%。由于在HEC发动机中置换器气缸从热端连接到膨胀气缸，因此与CEC发动机相比，传递到膨胀气缸的工作气体更热并且在活塞上做更多的功与本研究结果相似，见图9。 最大扭矩和输出功率随充气压力的变化。T. 托普居尔湾Okur，F. S，ahin等人工程科学与技术，国际期刊36（2022）1011526表3贝塔和伽马型斯特林发动机的最大额定功率456 rpm）结果表明，发动机扭矩和输出功率在一定转速下达到最大值，然后又下降。此外，发动机扭矩和功率从1巴增压压力增加到一定的增压压力并启动再次降低到该压力值以上。实验结果表明，一定的充气压力在发动机的功率和扭矩值。在充气压力高于该最佳值时，发动机扭矩和功率降低。其主要原因是由于工作气体质量随着充气压力的增加而增加，因此给予工作气体的热量不足。发动机性能可以在较高的充气压力下通过增加给予工作气体的热量的布置（增加传热表面积、增加对流传热系数、较高的热端温度等）来增加。发动机的最大扭矩和输出功率值在CEC发动机中在350 rpm发动机速度下获得为0.3365 Nm，在370 rpm发动机速度下在3巴充气压力下获得为12.64 W。在HEC发动机中，在3.5巴的充气压力下，在379 rpm的发动机转速下获得的最大扭矩和功率值为0.5665 Nm，在411 rpm的发动机转速下获得的最大扭矩和功率值为23.35 W。在HEC发动机中更高的发动机扭矩和功率的主要原因是，与CEC发动机相比，传递到膨胀汽缸的工作气体更热并且在活塞上做更多的功。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] 联合国辛格A.库马尔，回顾太阳能斯特林发动机：发展和性能，热。Sci.工程进展8（2018）244https://doi.org/[2] K. Laazaar，N. 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