【摘 要】
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在实现“碳达峰”与“碳中和”战略目标的背景下,太阳能光热发电技术成为新能源领域中重要的研究方向。碟式太阳能斯特林热发电系统中,斯特林发动机是将热能转化为机械能并对外输出功的关键部件。回热器被称作斯特林发动机的“心脏”,不仅能够降低加热器和冷却器的工作负载及热损失,同时提高了发动机的效率与输出功率。回热器入口与出口温度梯度较大,轴向不同位置工质的热渗透深度与粘性渗透深度不同,造成回热器的流阻损失和热
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在实现“碳达峰”与“碳中和”战略目标的背景下,太阳能光热发电技术成为新能源领域中重要的研究方向。碟式太阳能斯特林热发电系统中,斯特林发动机是将热能转化为机械能并对外输出功的关键部件。回热器被称作斯特林发动机的“心脏”,不仅能够降低加热器和冷却器的工作负载及热损失,同时提高了发动机的效率与输出功率。回热器入口与出口温度梯度较大,轴向不同位置工质的热渗透深度与粘性渗透深度不同,造成回热器的流阻损失和热损失增加,回热器效率降低。回热器结构复杂,内部工质高速的振荡流动,空间狭窄、气压过高使实验测试难度加大,获取的回热器相关参数有限,无法真实了解工质与回热器的换热情况。本文以空气为工质,通过数值模拟与实验方法研究回热器及其工质振荡流条件下的流动与换热特性。结合不锈钢与泡沫铜的材料属性,设计了一种入口填充泡沫铜、出口填充不锈钢丝网的新型分层回热器,有效降低了因工质不稳定流动造成的热损失与流阻损失,提高了回热器流动与换热性能。在数值模拟中,建立孔隙率70%的不锈钢丝网回热器、孔隙率95%的泡沫铜回热器、两种材料按1:1长度比例分段填充的分层回热器的等效模型。基于多孔介质模型与局部非热平衡模型,编译速度与压力随时间变化的UDF导入计算。在两种工况下,分层回热器平均温度高于泡沫铜和不锈钢丝网回热器约1.7K、1.3K以及6.9K、4.7K,储热量高于另外两种回热器2.1k J、0.1k J和7.3k J、0.7k J,综合性能参数Rosc高于另外两种回热器16.5×10-3、44.8×10-3以及16.7×10-3、42.2×10-3,分层回热器的综合性能最优。搭建振荡流测试系统测试回热器的压力、温度与压降,设计曲柄连杆机构将电动机的圆周运动转变为活塞的水平直线往复运动,实现回热器内工质的振荡流动。根据模拟回热器的物性参数设计并制造了分层回热器,将5层泡沫铜与500层不锈钢丝网按1:1长度比例分层填充在回热器入口与出口。加热器温度从350K升高到450K,回热器1-6平面温度分别升高32.4K、23.2K、20.5K、17.0K、14.1K、6.2K,流阻损失增加33.2W。活塞运动频率从10Hz升高到20Hz,温度升高9.3K、8.6K、8.5K、7.5K、7.1K、6.9K,流阻损失增加212.3W。充气压力从0.1MPa升高到0.2MPa,温度分别升高3.9K、4.0K、4.2K、3.8K、3.2K、1.2K,流阻损失降低6.6W。加热器温度、活塞频率增加时回热器温度升高,但流阻损失增加。充气压力增加,回热器温度升高,流阻损失降低。
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