自由活塞斯特林熱氣機

1、自由活塞斯特林熱氣機目前，美國目前，美國Sunpower和和Infinia公司為其代表廠商。公司為其代表廠商。 動力活塞動力活塞 配氣活塞配氣活塞自由活塞式熱氣機的特點自由活塞式熱氣機的特點 自由活塞熱氣機的工作原理熱力學(xué)原理如同常規(guī)斯特林熱氣機；重點在于動力學(xué)與熱力傳熱過程耦合決定系統(tǒng)的模態(tài)與工況。所有類型的自由活塞熱氣機均要求排除器質(zhì)量要遠(yuǎn)小于動力活塞質(zhì)量。排除器位移排除器位移活塞位移活塞位移自由活塞斯特林受熱自激振蕩啟動過程0-1：熱頭受熱至啟動閥值后，工作腔（系統(tǒng)中除背壓腔以外的氣體容積）壓力能夠克服系統(tǒng)靜態(tài)阻尼，配氣活塞與動力活塞在壓差的作用下朝背壓腔運動；1-2：配氣活塞質(zhì)量輕，加

2、速度大，動力活塞質(zhì)量重，加速度??；在一起朝背壓腔運動的過程中，兩動子產(chǎn)生相對位移，使壓縮腔容積減小，越來越多的工質(zhì)通過回?zé)崞髁飨蚺蛎浨槐患訜?，使工作腔壓力進一步升高；2-4：配氣活塞追上追上動力活塞，并緊貼著一起朝背壓腔運動（不再有工質(zhì)進入膨脹腔）；工作腔壓力達(dá)到峰值后由于容積的進一步擴大而降壓；4點：工作腔壓力等于背壓腔，兩動力由于慣性速度方向仍朝向背壓腔，但開始減速。4-5：兩動子靠著一起朝背壓腔運動，工作腔容積進一步增大，導(dǎo)致壓力進一步降低；5點：配氣活塞速度減為0，并與繼續(xù)朝背壓腔運動的動力活塞分離。5-6：配氣活塞在壓差作用下朝熱頭運動，使膨脹腔工質(zhì)流向壓縮腔，使得工作腔壓力進一步降

3、低，其自身在擴大的壓差下迅速運動至上止點，并保持狀態(tài)至8點（工作腔壓力開始大于背壓腔）； 動力活塞在“與慣性力反向的壓差”作用下減速為0，并開始反向運動（朝熱頭方向）。6-8：動力活塞壓縮工作腔容積使工作腔壓力升高，至8點，工作腔壓力再一次等于背壓腔；8-9：動力活塞開始減速運動，進一步減小工作腔容積，工作腔壓力進一步上升，期間達(dá)到運 動止點并開始朝背壓腔運動； 配氣活塞在壓差作用下開始加速向背壓腔運動，并使部分工作進入熱腔進一步增大工作腔 壓力；9-10：配氣活塞追上追上動力活塞，此后過程與上述2-4后相同。 動力活塞的運動軌跡要規(guī)整一些且在常溫區(qū)工作，故多數(shù)原動機都是使用動力活塞對外輸出功

4、（電磁單位位于排除器也會大幅增加其質(zhì)量）。自由活塞熱氣機性能仿真自由活塞熱氣機性能仿真熱力熱力動力動力負(fù)載之間存在強耦合。負(fù)載之間存在強耦合。The Re-1000 FPSE manufactured by Sunpower,Inc.基于經(jīng)驗參數(shù)的模型Re-1000 engine dimensions and physical parameterscompressioncompressionVariable volumes and pressures are treated as dependent variables.系統(tǒng)中的參量總數(shù)包括各腔的系統(tǒng)中的參量總數(shù)包括各腔的P, V,m,T及兩振

5、子的位移，模型假設(shè)中已經(jīng)設(shè)及兩振子的位移，模型假設(shè)中已經(jīng)設(shè)定了一部分參量的取值，其余的參量由物理守恒定律及狀態(tài)方程關(guān)聯(lián)。定了一部分參量的取值，其余的參量由物理守恒定律及狀態(tài)方程關(guān)聯(lián)。TheThe(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)方程組方程組(1)-(9)可以采用龍格可以采用龍格-庫塔法進行數(shù)值積分求解，在收斂的結(jié)果下，庫塔法進行數(shù)值積分求解，在收斂的結(jié)果下，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換滿足約束：熱功產(chǎn)出量系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換滿足約束：熱功產(chǎn)出量=負(fù)載吸收量負(fù)載吸收量但注意：并非所有參數(shù)組合下，系統(tǒng)均能穩(wěn)定工作。但注意：并非所有參數(shù)組合下，系統(tǒng)均能穩(wěn)定工作。負(fù)載特性機器熱功轉(zhuǎn)換特性FPSE自激振

6、蕩頻率預(yù)測模型與外激勵的制冷機及機械傳動熱氣機不同，自由活塞熱氣機的運行頻與外激勵的制冷機及機械傳動熱氣機不同，自由活塞熱氣機的運行頻率由系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)與負(fù)載參數(shù)共同決定，頻域特性顯著。率由系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)與負(fù)載參數(shù)共同決定，頻域特性顯著。 健壯的系統(tǒng)設(shè)計方法應(yīng)將運行頻率作為設(shè)計參數(shù)而非后驗參數(shù)。因此，健壯的系統(tǒng)設(shè)計方法應(yīng)將運行頻率作為設(shè)計參數(shù)而非后驗參數(shù)。因此，頻率預(yù)測應(yīng)作為先驗知識參與設(shè)計校正過程。頻率預(yù)測應(yīng)作為先驗知識參與設(shè)計校正過程。技術(shù)路線技術(shù)路線：首先關(guān)注動子位移建立動力學(xué)模型，然后將動力學(xué)：首先關(guān)注動子位移建立動力學(xué)模型，然后將動力學(xué)方程中的氣體力及流阻表示成動子位移的函數(shù)；最后在頻域

7、中方程中的氣體力及流阻表示成動子位移的函數(shù)；最后在頻域中整理動力學(xué)方程得到工作頻率。整理動力學(xué)方程得到工作頻率。第一步：動力學(xué)方程基于設(shè)定的正方向動力學(xué)方程基于設(shè)定的正方向模型框架模型框架第二步：線性映射因氣體彈簧在膨脹及壓縮半周期中與壁面進行的熱交換不對稱，會導(dǎo)致弛豫損失。得到考慮氣體彈簧阻尼的動力學(xué)方程引入剛度系數(shù)SC為壓縮腔；b,d為氣體彈簧腔；由 導(dǎo)出S合并阻尼項， 得到通項形式的動力學(xué)方程組由氣體彈簧阻尼及 導(dǎo)出D 不同的機器結(jié)構(gòu)，不同的參數(shù)下不同的機器結(jié)構(gòu)，不同的參數(shù)下S S、D D不同。不同。用于發(fā)電的自由活塞熱氣機的外殼振動很?。ㄍㄟ^使殼體本征頻率遠(yuǎn)小于工作頻率來保證）進一步引

8、入阻尼系數(shù)引入阻尼系數(shù)D第三步：在頻域中處理動力學(xué)方程第三步：在頻域中處理動力學(xué)方程整理上述齊次方程組，消除振幅，得到特征方程：由特征方程的實、虛部為0得到運行頻率計算公式：即熱機的工作頻率由剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)共同決定，負(fù)載的特性由即熱機的工作頻率由剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)共同決定，負(fù)載的特性由Dpp表征（即負(fù)載也耦合決定工作頻率）。表征（即負(fù)載也耦合決定工作頻率）。pppdpdpppdpppdpdppDDSSSSDSDan221t兩動子位移相角差：如何計算S和D？nx1x1n）（ ）1x剛度S：至此，所有壓力均整理成期望的數(shù)學(xué)形式，所有壓力均整理成期望的數(shù)學(xué)形式，S可導(dǎo)出可導(dǎo)出注：氣體彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定 其壓力表達(dá)式。阻尼D：典型工況下，換熱器處于湍流區(qū)，回?zé)崞魈幱趯恿鲄^(qū)。單位截面積流動對應(yīng)的粘性耗散：單位面積對應(yīng)的等效線性阻尼耗散：進一步確定各換熱器的U及u定量單位截面積流動對應(yīng)的粘性耗散：單位截面積對應(yīng)的等效線性阻尼耗散：接下來，再進一步確定各換熱器的接下來，再進一步確定各換熱器的U及及u定量等效線性阻尼將換熱器流動視為整體，不考慮壓縮性在忽略Xc的設(shè)定下，由矢量運算得到兩速度夾角對照 導(dǎo)出C，進而導(dǎo)出D注意此處注意此處Pc非壓縮腔壓力，僅是一