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        基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用性分析

        2014-05-01 12:57:28李曉俊李菁華
        山東工業(yè)技術(shù) 2014年13期
        關(guān)鍵詞:油煙機(jī)

        李曉俊,李菁華

        (1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,成都 611756)

        基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用性分析

        李曉俊1,李菁華2

        (1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,成都611756)

        摘要:一直以來,我國都在致力改善現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu),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(jù)統(tǒng)計(jì),僅2000年到2004年四年時(shí)間內(nèi),我國的天然氣年消費(fèi)量就翻了一番,而我國的天然氣剩余總儲(chǔ)量不到世界總儲(chǔ)量的1.4%,所以我國的天然氣能源面臨很大壓力?;谌绱藝?yán)峻的形式,各種基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能型家電紛紛被發(fā)明出來,為驗(yàn)證斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)效果,設(shè)計(jì)一下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。

        關(guān)鍵詞:斯特林發(fā)動(dòng)機(jī);油煙機(jī);實(shí)驗(yàn)論證

        1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

        斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃發(fā)動(dòng)機(jī),通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而做功。使燃料持續(xù)燃燒,蒸發(fā)的膨脹氣體作為動(dòng)力氣體使活塞運(yùn)動(dòng),膨脹氣體在冷氣室冷卻,如此往復(fù)循環(huán),便可為外機(jī)提供動(dòng)力。其工作原理圖如下:

        1-1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖

        圖示為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的模型。氣缸內(nèi)裝有空氣,并附帶兩個(gè)活塞,黃為交換活塞,墨綠色為動(dòng)力活塞,都連接于曲軸。

        缸體下部為熱氣室,上部為冷氣室。當(dāng)熱氣室加熱到一定程度后,給活塞以初速度。從而動(dòng)力活塞向下運(yùn)動(dòng)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(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng),當(dāng)氣體到達(dá)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(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生動(dòng)力。

        2 基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的抽油煙機(jī)的工作流程

        為分析斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際效能,設(shè)計(jì)了一種基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能抽油煙機(jī),并將通過模擬現(xiàn)實(shí)情形對其性能進(jìn)行分析。節(jié)能吸油煙機(jī)的工作步驟為:

        (1)啟動(dòng)階段:打開燃?xì)夂?,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸受熱,有做功趨勢。但氣缸要達(dá)到一定溫度才工作,也即斯特林發(fā)動(dòng)的啟動(dòng)需要響應(yīng)時(shí)間,這是由斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的原理決定的。

        (2)工作階段:當(dāng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到吸油煙機(jī)的正常工作要求后,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)會(huì)切斷電源同時(shí)切換到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)模式。此后,發(fā)動(dòng)機(jī)開始正常工作。

        (3)停運(yùn)階段:在用戶關(guān)閉燃?xì)夂螅固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停運(yùn)。

        3 對斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)分析

        3.1甲烷-空氣火焰溫度場分布計(jì)算

        通過查閱文獻(xiàn)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(jì)算結(jié)果,對于本產(chǎn)品廢熱收集裝置的設(shè)計(jì)可以提供理論上的依據(jù),現(xiàn)簡單介紹如下:

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

        精確測量,而且時(shí)空分辨率較高,二維測量,具有可見性。經(jīng)過計(jì)算,可以推倒出溫度T為:其中,是波爾茲曼常數(shù),為參量,可以通過理論計(jì)算求得,表示兩個(gè)吸收基態(tài)的能量差,表示激光的功率密度。最終結(jié)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(guān)系及其與CARS測溫結(jié)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(fā)現(xiàn)在距離火焰水平12mm內(nèi),其溫度波動(dòng)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(shè)定為不超過10mm。

        3.2與實(shí)際情況的比較實(shí)驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽榱搜芯克固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)放置在鍋底與火焰的周圍,對燃?xì)饩呒訜釙r(shí)間和加熱效果,所產(chǎn)生的影響。

        測試設(shè)備:100℃煤油溫度計(jì)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)庠睢犭娕紲囟葴y量儀、量杯與炊具。

        試驗(yàn)方法:測量燒開一杯500ml水從50℃到90℃所用的時(shí)間(秒),然后在火焰附近放置斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),讓斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),再次測量500ml水從50℃升溫到90℃所用時(shí)間,多次測量。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示:

                                               

        第6組數(shù)據(jù)由于環(huán)境或者其他因素影響偏差較大,刪去。由其他數(shù)據(jù)可得,在火焰周圍置發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)對燒水時(shí)間和燃?xì)饫糜酗@著影響。且加熱期間,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)始終高速運(yùn)轉(zhuǎn),飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到1700rmp。資查閱料,抽油煙機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為960-1500rmp,排風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn)速為400-450rmp,所以此系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪完全勝任排風(fēng)扇乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。因此,可以預(yù)見,斯特林在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域能夠達(dá)到期望效果。

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