斯特林機(jī)加熱管積碳對(duì)換熱與循環(huán)特性的影響.pdf

1、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)外部加熱的特點(diǎn)使其具有能源適應(yīng)性好的突出優(yōu)點(diǎn)，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(zhì)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(yùn)動(dòng)部件的磨損，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)都需要潤滑油進(jìn)行潤滑，那么就不可避免地會(huì)有一部分潤滑油竄入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)也不例外。對(duì)于長期運(yùn)行的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)密閉循環(huán)系統(tǒng)而言，累積效應(yīng)十分明顯。竄入的潤滑油在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中長期運(yùn)行下變質(zhì)，形成積碳、漆膜、或油

2、泥等產(chǎn)物，造成換熱器效率下降。本文針對(duì)這一情況進(jìn)行加熱管積碳的實(shí)驗(yàn)研究。主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　斯特林加熱管的換熱非常重要，是斯特林系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的關(guān)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(zhì)，影響換熱狀況。兩種合成潤滑油在180℃、氮?dú)夂投趸紬l件下，質(zhì)量減少相差不大；450℃時(shí)幾乎消失殆盡，在250℃和350℃時(shí)，二氧化碳?xì)夥障沦|(zhì)量減少較少；相同條件下加熱時(shí)間越長質(zhì)量減少越多。PAO潤滑油在250

3、℃和350℃時(shí)直鏈烷烴容易揮發(fā)、裂解，且氮?dú)鈿夥障赂尤菀诇p少，與乙烯基相連接的C-H在250℃時(shí)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(dòng)吸收峰、C=O-O-的振動(dòng)吸收峰、直鏈烷烴的特征吸收峰在250℃和350℃均有加強(qiáng)，-CH3和-CH2的伸縮振動(dòng)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(jī)物化學(xué)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(diǎn)物質(zhì)，450℃的條件下PAO潤滑油裂解形成碳物質(zhì)，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(jī)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(zhì)類似，在350℃的條件下，生成了高沸點(diǎn)物質(zhì)，在450℃的條件下雙酯潤滑油裂解形成碳物質(zhì)，形成了沸點(diǎn)在280℃的物質(zhì)。PAO所形成的固體殘?jiān)容^光滑，雙酯中

5、二氧化碳?xì)夥罩行纬傻墓腆w殘?jiān)鹊獨(dú)夥諊滦纬傻臍堅(jiān)庸饣?，綜合比較三者，PAO油在形成殘?jiān)腆w更加光滑，能有效抑制污垢層的形成。
　　在對(duì)5個(gè)不同雷諾數(shù)考察發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)為10434時(shí)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(duì)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(shí)間越長分布的均勻性越明顯；對(duì)于同一流體，高溫工況

6、下可以有效緩解斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部積碳的形成；而對(duì)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(jìn)行了加熱管的換熱實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合了潔凈狀態(tài)和積碳180小時(shí)的無量綱換熱關(guān)聯(lián)式：Nu=1.5136*10-7*Re00.6627*Pr0*39.5630（潔凈狀態(tài)）該擬合關(guān)聯(lián)式的相關(guān)系數(shù)R2=0.9958，其中3567≤Re≤33524。Nu=2.8171*10-7*Ref0.6627*Prf-39.1176（180小時(shí)）該擬

7、合關(guān)聯(lián)式的相關(guān)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(shí)，積碳可以強(qiáng)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(shí)能提高其性能輸出，即在整個(gè)性能下降的過程中趨勢一致且先增強(qiáng)后減少。這一顯著特點(diǎn)可以為檢修清洗積碳作出指導(dǎo)和提示。結(jié)合效能分析，提出在循環(huán)功率降低到