基于實驗結果的斯特林發動機實用性分析

李曉俊,李菁華

（1.西南交通大學機械工程學院；2.西南交通大學交通運輸與物流學院,成都　611756）

基于實驗結果的斯特林發動機實用性分析

李曉俊1,李菁華2

（1.西南交通大學機械工程學院；2.西南交通大學交通運輸與物流學院,成都611756）

摘要：一直以來，我國都在致力改善現有的能源結構，提高天然氣的比重，天然氣以及天然氣灶在中國家庭的普及率越來越大。據統計，僅2000年到2004年四年時間內，我國的天然氣年消費量就翻了一番，而我國的天然氣剩余總儲量不到世界總儲量的1.4％，所以我國的天然氣能源面臨很大壓力。基于如此嚴峻的形式，各種基于斯特林發動機的節能型家電紛紛被發明出來，為驗證斯特林發動機的真實效果，設計一下實驗進行論證。

關鍵詞：斯特林發動機；油煙機；實驗論證

1　斯特林發動機基本結構

斯特林發動機是一種外燃發動機，通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而做功。使燃料持續燃燒，蒸發的膨脹氣體作為動力氣體使活塞運動，膨脹氣體在冷氣室冷卻，如此往復循環，便可為外機提供動力。其工作原理圖如下：

1-1　斯特林發動機工作原理圖

圖示為斯特林發動機的模型。氣缸內裝有空氣，并附帶兩個活塞，黃為交換活塞，墨綠色為動力活塞，都連接于曲軸。

缸體下部為熱氣室，上部為冷氣室。當熱氣室加熱到一定程度后，給活塞以初速度。從而動力活塞向下運動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活塞向上運動，當氣體到達冷氣室，氣體冷卻收縮，活塞縮回，又將氣體壓到熱氣室，從而形成一個往復運動，產生動力。

2　基于斯特林發動機的抽油煙機的工作流程

為分析斯特林發動機的實際效能，設計了一種基于斯特林發動機的節能抽油煙機，并將通過模擬現實情形對其性能進行分析。節能吸油煙機的工作步驟為：

（1）啟動階段：打開燃氣后，斯特林發動機氣缸受熱，有做功趨勢。但氣缸要達到一定溫度才工作，也即斯特林發動的啟動需要響應時間，這是由斯特林發動機的原理決定的。

（2）工作階段：當閉環調速系統監測到發動機的轉速達到吸油煙機的正常工作要求后，閉環調速系統會切斷電源同時切換到斯特林發動機帶動扇葉轉動模式。此后，發動機開始正常工作。

（3）停運階段：在用戶關閉燃氣后，斯特林發動機自動停運。

3　對斯特林發動機的實驗分析

3.1甲烷-空氣火焰溫度場分布計算

通過查閱文獻資料，可以得到甲烷-空氣火焰二維溫度場分布的測量方法和計算結果，對于本產品廢熱收集裝置的設計可以提供理論上的依據，現簡單介紹如下：

平面激光誘導熒光技術（PLIF）作為一種非接觸的激光燃燒診斷技術可以定量測量火焰溫度場分布。該技術對燃燒過程無干擾，可以

精確測量，而且時空分辨率較高，二維測量，具有可見性。經過計算，可以推倒出溫度T為：其中，是波爾茲曼常數，為參量，可以通過理論計算求得，表示兩個吸收基態的能量差，表示激光的功率密度。最終結果如下：

圖3-1　甲烷空氣火焰溫度與燃燒路面位置的變化關系及其與CARS測溫結果比較

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現在距離火焰水平12mm內，其溫度波動范圍不大，基本為1700K到1800K左右；而水平距離超過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定為不超過10mm。

3.2與實際情況的比較實驗

實驗目的：為了研究斯特林發動機放置在鍋底與火焰的周圍，對燃氣具加熱時間和加熱效果，所產生的影響。

測試設備：100℃煤油溫度計、斯特林發動機、燃氣灶、熱電偶溫度測量儀、量杯與炊具。

試驗方法：測量燒開一杯500ml水從50℃到90℃所用的時間（秒），然后在火焰附近放置斯特林發動機，讓斯特林發動機正常運轉，再次測量500ml水從50℃升溫到90℃所用時間，多次測量。

實驗結果如下表所示：

第6組數據由于環境或者其他因素影響偏差較大，刪去。由其他數據可得，在火焰周圍置發動機不會對燒水時間和燃氣利用有顯著影響。且加熱期間，斯特林發動機始終高速運轉，飛輪轉速達到1700rmp。資查閱料，抽油煙機的電機轉速為960-1500rmp，排風扇的電機轉速為400-450rmp，所以此系統中的發動機飛輪完全勝任排風扇乃至發動機的工作。因此，可以預見，斯特林在節能環保領域能夠達到期望效果。