斯特林發動機積碳機理及與振盪流動相互影響機制

《斯特林發動機積碳機理及與振盪流動相互影響機制》是依託浙江大學，由肖剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：斯特林發動機積碳機理及與振盪流動相互影響機制
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：肖剛
• 項目類別：面上項目

項目摘要

太陽能碟式熱發電系統的關鍵在於斯特林發動機。振盪流動貫穿吸熱、回熱、放熱和推動活塞做功整個過程，是斯特林循環的核心。斯特林發動機積碳會增大振盪流動阻力，降低回熱效率和換熱能力，致使輸出功率大幅下降，甚至引發加熱器爆管，危害運行安全。本申請針對斯特林發動機的積碳機理及與振盪流動之間的相互影響開展研究。探討惰性和氫氣氣氛下潤滑油的熱轉化途徑與反應動力學，考察固相產物的粒徑分布、物理形貌和化學特性，闡明斯特林循環氣氛中潤滑油的熱轉化過程與機理。分析揮發與熱轉化產物在振盪流動中的遷移和累積過程，探討揮發性產物的二次轉化特性，揭示振盪流動中回熱器和加熱管上固相產物的粘結和積碳規律。研究積碳對振盪流動阻力和換熱係數的影響，建立數值模型，探討積碳部位與累積量同振盪流動阻力、加熱器換熱係數、回熱效率之間的依變規律，獲得定量分析關聯式，為斯特林發動機的運行與維護提供理論指導。

結題摘要

斯特林發動機積碳會增大振盪流動的阻力，降低換熱能力和回熱效率，進而降低循環效率和輸出功率。本項目主要研究斯特林循環中的積碳機理及振盪流動的傳熱傳質規律。在氮氣、二氧化碳氣氛下，分析了不同時間或加熱溫度下潤滑油的質量損失特性，採用傅立葉紅外光譜、熱重分析、掃描電鏡等方法對產物進行物理化學分析，發現PAO油形成的固體殘渣表面光滑，能有效抑制污垢層的形成，闡明了斯特林發動機氣氛中潤滑油的熱轉化過程與機理。分析了加熱管的積碳機理及對換熱性能的影響，研究了振盪流在加熱管和回熱器中的流動與換熱特性。在加熱管積碳的初級階段，積碳可以強化加熱管的換熱性能，隨後換熱近似線性降低；相同雷諾數下管壁表面溫度和主流流體溫差先減小後增加。獲得了積碳180h內無量綱換熱係數變化的擬合關係式，努賽爾數的計算值與試驗值的偏差小於9.2%。分析了斯特林循環中加熱管和冷卻管內的振盪流傳熱傳質特性，研究了回熱器對振盪流的影響規律，開發了基於振盪流傳熱傳質特性的改進Simple模型（ISAM），探究了積碳對斯特林發動機性能的影響，進一步完善了ISAM模型。提出了利用ISAM計算的損失信息最佳化Sage模型的耦合分析方法，提出了一套斯特林發動機除碳的簡便裝置，為斯特林發動機的最佳化設計提供重要參考。發表相關學術論文13篇，其中SCI 論文11 篇、EI論文1篇、中文核心論文1篇；錄用EI論文3篇、中文核心論文1篇；授權國際發明專利2件、國家發明專利2件，另外還申請國家發明專利4件，獲得軟體著作權3件；培養與本項目直接相關的研究生15 名，其中畢業7名、在讀8名。