基于斯特林热机的能量转换与传递过程基础问题研究

To change the energy consumption structure, protect the ecological environment, and achieve the sustainable development of national economy, it is imperative to construct clean combustion-based distributed energy utilization systems. This project is dedicated to studying the fundamental theory and technical problems of high efficiency distributed Stirling engine system based on finite time thermodynamics, non-equilibrium thermodynamics and heat transfer enhancement theory. Firstly, in this project, a new cycle model will be constructed and the reasonable characterization of irreversible thermodynamic process of the Stirling engine will be further researched. Based on the combined analysis of the heat-work conversion process and energy transport process of the Stirling engine, collaborative optimization of the whole system and the system parts (such as heater, cooler and regenerator) will be investigated under different optimization criteria. In addition, based on the heat transfer enhancement theory of disturbed flow and equalized temperature in the core flow region, optimal design for heat transfer and flow characteristics of the heater, cooler and regenerator for the Stirling engines will be conducted to minimize the irreversible loss of transport process and improve the performance of the system, thereby to increase the power output. Furthermore, an experimental research on a biomass-based distributed Stirling engine system will be conducted systematically. It might serve as a solid experimental guidance for the alternative model of wide application of biomass-based Stirling engine in rural China to solve the environmental pollution problems originating from straw burning.

为了改变能源消费结构，保护生态环境，实现我国经济可持续发展，构建燃用清洁能源的分布式能源系统势在必行。本项目基于有限时间热力学、非平衡态热力学和强化传热理论，研究生物质斯特林循环分布式能源系统的基础理论和技术问题。首先，科学构建新的热力循环模型，合理表征斯特林机热力过程的不可逆性，将斯特林机热功转换过程与热量传递过程的分析耦合起来，在不同的优化准则下实现系统整体与加热器、冷却器、回热器等系统部件的协同优化。其次，基于核心流区扰流均温传热强化理论，提出交变工况下斯特林机加热器、冷却器、回热器的强化传热原则和方法，最大限度减少传递过程的不可逆损失，改善斯特林机性能，提高输出功率。最后，搭建基于生物质燃烧的斯特林机并进行系统实验研究，为在中国农村推广生物质斯特林机发电的新模式，解决秸秆田间焚烧的环境污染问题，提供可靠的实验依据。

本项目研究适合分布式能源系统的斯特林循环热机的基础理论和技术问题，为斯特林热机的设计和研发提供理论依据和技术支撑。首先，针对斯特林热机理想热力循环的效率限太高，不能满足实际热机性能评价的问题，提出新的热力学状态量—可用势以及热力学等势过程，构建可逆等势等容循环、内可逆等势等容循环、内外不可逆等势等容循环以及具有多变过程的内外不可逆斯特林循环等循环模型，合理描述热力过程的不可逆性，科学表征斯特林循环的效率限，准确评价实际斯特林热机的热功转换效率。同时，基于热效率、输出功率和生态学函数等热力学指标，基于粒子群和遗传算法实现斯特林循环的多目标优化，优化系统的设计参数，提高热机的热效率和输出功率。其次，针对斯特林机热力循环以及部件中传热与流动的不可逆性，开展热功转换过程和热量传递过程的耦合分析，以减少不可逆损失为目标，实现系统与部件的结构优化。为此，提出可用势传输方程，发展基于㶲损最小化的对流传热强化原理，发现多涡纵向旋流低耗散流场结构，提出高效低功耗传热强化元件，指导加热器和冷却器设计；建立功流迁移的唯象关系，提出功流传输的机械能守恒方程和协同方程，完善基于传热与流动相互协调的多场协同理论，构建对流传热性能评价指标体系；基于能质输运的耗散分析，建立热传输和功传输平衡方程，确立热功耗散的表达形式，提出传输过程的热传递和功传递效率，表征传热与流动过程的不可逆性；针对回热器、加热器、冷却器中往复交变流动和换热特征，揭示斯特林热机和部件的周期性瞬态流动与传热规律，以减少传热温差和流动压差为目标，建立回热器、加热器、冷却器模型并进行数值分析，提升循环工质的冷、热端温差，提高循环效率，减少功率损失。最后，搭建功率为1千瓦的斯特林热机热电联产实验装置，获得装置发电和采暖的实验数据，在此基础上，为中国农村用户采用燃用秸秆的斯特林热机发电与采暖方案提供实验依据。