斯特林機加熱管積碳對換熱與循環(huán)特性的影響.pdf

1、斯特林發(fā)動機外部加熱的特點使其具有能源適應性好的突出優(yōu)點，不僅可燃用煤、汽油、柴油、天然氣等化石能源，也能利用木屑、秸稈、酒精、沼氣等生物質能源，還可利用余熱、太陽能等低品位能源。為了密封和減少運動部件的磨損，大多數(shù)發(fā)動機都需要潤滑油進行潤滑，那么就不可避免地會有一部分潤滑油竄入發(fā)動機內部，斯特林發(fā)動機也不例外。對于長期運行的斯特林發(fā)動機密閉循環(huán)系統(tǒng)而言，累積效應十分明顯。竄入的潤滑油在斯特林發(fā)動機中長期運行下變質，形成積碳、漆膜、或油

2、泥等產物，造成換熱器效率下降。本文針對這一情況進行加熱管積碳的實驗研究。主要的研究內容和結果如下：
　　斯特林加熱管的換熱非常重要，是斯特林系統(tǒng)設計和優(yōu)化的關鍵，潤滑油的泄漏在加熱管高溫條件下將發(fā)生裂解，最終形成積碳物質，影響換熱狀況。兩種合成潤滑油在180℃、氮氣和二氧化碳條件下，質量減少相差不大；450℃時幾乎消失殆盡，在250℃和350℃時，二氧化碳氣氛下質量減少較少；相同條件下加熱時間越長質量減少越多。PAO潤滑油在250

3、℃和350℃時直鏈烷烴容易揮發(fā)、裂解，且氮氣氣氛下更加容易減少，與乙烯基相連接的C-H在250℃時減少，350℃條件下與乙烯基相連接的C-H發(fā)生了取代基斷裂重組；雙酯潤滑油-CH3和-CH2的變形振動吸收峰、C=O-O-的振動吸收峰、直鏈烷烴的特征吸收峰在250℃和350℃均有加強，-CH3和-CH2的伸縮振動鍵在250℃無明顯改變，在350℃有減弱現(xiàn)象。PAO潤滑油在180℃和250℃加熱條件下，高分子有機物化學鍵發(fā)生斷裂，生成短鏈的

4、烴，在250℃的工況條件下相比180℃條件下生成的更多，350℃的條件下，生成了高沸點物質，450℃的條件下PAO潤滑油裂解形成碳物質，碳易于吸收空氣中的水分；雙酯潤滑油在180℃和250℃加熱條件下，高分子有機物發(fā)生斷裂，生成短鏈的烴，在250℃的工況條件下和180℃條件下生成的物質類似，在350℃的條件下，生成了高沸點物質，在450℃的條件下雙酯潤滑油裂解形成碳物質，形成了沸點在280℃的物質。PAO所形成的固體殘渣比較光滑，雙酯中

5、二氧化碳氣氛中形成的固體殘渣比氮氣氛圍下形成的殘渣更加光滑，綜合比較三者，PAO油在形成殘渣固體更加光滑，能有效抑制污垢層的形成。
　　在對5個不同雷諾數(shù)考察發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)為10434時積碳量最多，是其它雷諾數(shù)的1.36～1.75倍，主流流體的溫度高低以及流體的類型對積碳的影響較為明顯。相同雷諾數(shù)下，110℃下的積碳量是190℃下的10倍。分析各工況條件下，積碳沿管程呈均勻分布且積碳時間越長分布的均勻性越明顯；對于同一流體，高溫工況

6、下可以有效緩解斯特林發(fā)動機內部積碳的形成；而對于不同類型的流體，氧化氣氛（例如空氣）更加能抑制積碳的形成。進行了加熱管的換熱實驗，根據(jù)實驗結果擬合了潔凈狀態(tài)和積碳180小時的無量綱換熱關聯(lián)式：Nu=1.5136*10-7*Re00.6627*Pr0*39.5630（潔凈狀態(tài)）該擬合關聯(lián)式的相關系數(shù)R2=0.9958，其中3567≤Re≤33524。Nu=2.8171*10-7*Ref0.6627*Prf-39.1176（180小時）該擬

7、合關聯(lián)式的相關系數(shù)R2=0.9925，其中3567≤Re≤33524。加熱管積碳過程中，積碳量較少時，積碳可以強化加熱管的換熱性能，隨后換熱近似線性降低；在相同雷諾數(shù)下，隨積碳量增加，管壁表面溫度和主流流體溫差先減小后增加。
　　積碳造成的循環(huán)效率和循環(huán)功率下降趨勢一致，且在積碳量較少時能提高其性能輸出，即在整個性能下降的過程中趨勢一致且先增強后減少。這一顯著特點可以為檢修清洗積碳作出指導和提示。結合效能分析，提出在循環(huán)功率降低到