基于数值模拟与结构优化的斯特林发电机换热系统研究

作     者：张冬 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘昕晖

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：生物质气化 斯特林发电机 热电转换 多孔介质燃烧 

摘      要：全球科技与技术能够快速发展离不开化石能源,而化石能源储量有限,全球现存石油储量仅供人类使用约50年,并且在使用过程中会产生大量有毒有害气体,不仅污染环境还会威胁全球生物生存。研究车辆新型能源形式、新型能量转化动力系统对缓解世界性的能源紧张及环境污染问题意义重大。本文提出基于斯特林发电机的热电转换系统对车辆进行供能,并且通过生物质气化产生的低热值气体驱动斯特林发电机,可以实现就地取材,就地利用,适应性高。采用多孔介质燃烧来提高热电转换系统的效率,基于实验探究热电转换系统的最佳工作条件,基于Fluent流体仿真软件对基于斯特林发电机的热电转换系统进行数值模拟分析,优化换热器结构。具体研究内容如下: 首先搭建基于斯特林发电机的热电转换系统实验平台。对比不同形式的生物质气化炉,选择产生热值较高可燃气的下吸式生物质气化炉。根据便携式烟气分析仪测量出的可燃气成分,对燃烧参数进行计算得出理论和实际烟气量,并以此为基础设计换热单元相关参数,为了使斯特林发电机平稳工作,选取巴氏合金作为储热合金。上述实验平台为后续实验研究与数值模拟分析奠定了基础。 其次,针对生物质气化产生的低热值气体燃烧不稳定,强度不高的问题提出解决措施并进行了实验研究。根据燃烧学知识,采用多孔介质燃烧可以提高低热值气体燃烧强度和稳定性、降低贫燃极限、拓宽燃烧区域。通过实验探究多孔介质结构高度、直径、孔隙率和低热值气体流量对热电转换系统的影响,得出热电转换系统的最佳运行条件。 同时,针对换热器换热效率不佳的问题进行了数值模拟分析研究,利用Fluent对Z型排气烟管和燃烧室进行对流换热仿真。Z型排气烟管内部结构会影响烟气的流动规律,而直径会影响烟气的流动速度,通过对二者进行优化来提高Z型排气烟管的换热效率。燃烧室的面积会影响传热效果,通过改变燃烧室形状来提高换热效率。上述仿真过程及结果为换热器结构优化提供了依据。 最后,根据数值模拟分析结果对换热器结构进行优化,通过实验探究优化后的换热器对热电转换系统的影响。根据储热合金温度与换热器出烟口温度之差、储热合金升温速率、斯特林发电机发电功率平均变化速率等参数验证优化换热器的效果。