基于斯特林發動機驅動的取暖爐送風裝置設計

魏永剛 顏丙學 王雪強

（山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049）

0 引言

隨著社會的發展，環境污染越發嚴重，尤其是冬季取暖爐廢氣的排放，為此本文提出一種基于斯特林發動機驅動的取暖爐送風裝置,該裝置利用取暖爐排煙管道內的廢氣與冬季室外環境之間形成的溫差，為爐膛送風，使爐膛內過量空氣系數趨于最佳，從而是煤塊完全燃燒，節省能源，保護環境。以下詳細的介紹了該裝置的結構和工作原理。

1 系統結構

1.1 系統總體構成

取暖爐送風裝置主要由斯特林發動機、機體、扇葉、離心球調速機構、電磁調速機構、橋式整流電路、蓄電池等組成。其結構示意圖如圖1所示。其中，熱缸嵌入到排煙管道內，冷缸暴露在室外環境中，轉盤上的轉圈與爐門通過連桿連接。

圖1 系統結構示意圖

1.2 斯特林發動機

斯特林發動機由飛輪、曲軸、連桿、熱缸和冷缸。熱缸活塞為交換活塞，冷缸活塞為動力活塞，都通過連桿與曲軸連接，曲軸一端安裝有飛輪和皮帶輪。熱缸的口部與冷缸的底部利用導氣管連通。當熱缸被加熱到一定程度時，轉動飛輪，動力活塞往下運動將冷缸中的氣體壓到熱氣室，氣體在熱缸受熱膨脹推動活塞向口部運動，當氣體到達冷缸時，氣體冷卻收縮，活塞縮回，又將氣體壓到熱氣室，這樣就形成了一個往復運動，從而可以產生動力。這就是斯特林發動機的基本原理。

1.3 離心球調速機構

離心球調速機構由轉軸、皮帶輪、轉盤、離心球和連桿組成。皮帶輪與轉軸固結，轉盤可以在轉軸上軸向移動，而不能相對轉軸轉動。離心球通過一個連桿轉盤連接，通過另一個連桿與轉軸連接，連接處均為活動鉸鏈。當皮帶輪轉動時帶動轉軸轉動，轉軸又帶動轉盤轉動，轉盤的轉動帶動離心球繞轉軸做圓周運動。當轉速增加時，離心球做離心運動，通過連桿拉動轉盤沿轉軸軸向運動。

1.4 電磁調速機構

電磁調速機構由帶有圓柱形永磁鐵的轉盤和帶有線圈的定子組成。結構如圖2所示。當轉盤轉動時其上的永磁鐵相對定子上的線圈運動，從而切割磁感線，受到阻力的作用。當轉速增加時，轉盤沿軸向向定子上的線圈靠近，阻力增大，起到調速的作用。

圖2 電磁調速機構

1.5 電能儲存機構

電能儲存機構主要包括橋式整流電路、開關和蓄電池組成，橋式整流電路將線圈產生的感應電流整合成直流，從而為蓄電池充電。

1.6 鼓風機構

鼓風機構主要由皮帶輪、扇葉和機體組成，當皮帶輪轉動時帶動扇葉轉動，從而可以為爐膛送風。

2 工作原理

該系統的主要應用與冬季取暖爐，在取暖爐穩定工作時，排煙管道的廢氣余熱加熱斯特林熱缸，熱缸與暴露在室外環境中的冷缸之間形成一定溫差，此時給斯特林發動機飛輪一定初速度，發動機開始運行。其上的皮帶輪通過皮帶帶動轉軸轉動，從而帶動轉盤轉動，離心球以一定速度繞轉軸做勻速圓周運動，轉盤穩定在一定高度，爐門對應一定開度。當爐膛內燃燒變得劇烈時，此時需要更多的送風量，排煙管道廢氣溫度升高，斯特林發動機轉速增加，轉軸轉速增加，轉盤離心球離心運動，由于磁阻的作用，離心球會穩定在一個對應的半徑上繞轉軸做勻速圓周運動，此時轉盤相對額定工況向上移動一定距離，爐門開度增大，送風量增大。當爐膛內燃燒變得緩慢時，情況恰好相反。

3 結論

本文詳細介紹了基于斯特林發動機驅動的取暖爐送風裝置的設計。闡明了各個模塊的功能及其結構，并對系統工作原理做了詳細的介紹，該設計可以根據爐膛內的燃燒狀況及時調整送風量，充分回收利用廢氣余熱節省了電能，保證了燃料的充分燃燒，保護了環境。直接將廢氣中的熱能轉化成為機械能，提高了鍋爐高溫廢氣的利用率。最后給出了系統工作流程圖，便于讀者理解。測試結果表明，該取暖爐送風裝置能夠穩定運行，其應用前景廣闊。

［1］楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設計基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］劉鴻文.材料力學[M].5 版.北京：高等教育出版社，2001.