Page 43 - 《真空与低温》2025年第4期

458 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

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率为 0.8、填料丝径为 2.5×10 m，温度对性能的变 输出功率总是大于管式结构，其中，换热器为丝网-
化规律如图 3～6 所示。由图 3、图 4 所示结果，在 翅片式结构的斯特林发动机输出功率保持最大，冷
换热器结构分别为丝网-翅片式、丝网-管式、纤维- 端温度的升高，发动机的输出性能降低，系统的热
翅片式、纤维-管式的条件下，斯特林发动机的输出 功转换效率和输出功率对温度的变化表现出较高
功率和热功转换效率随热端温度的增大而增大，输 的敏感性。然而，在实际运行过程中，斯特林发动
出功率近乎线性增长。在热端温度为 923 K 时， 机的热端温度不能超过设计值，虽然通过提高热端
四种结构的热功转换效率分别为：丝网-翅片式 温度可以提高系统的性能，但是温度过高会对材料
26.82%、丝网-管式 28.24%、纤维-翅片式 25.31%、 提出更高的要求，导致整个系统需要更多的占地面
纤维-管式 28.37%。对应的输出功率为：14.29 kW、 积和使用空间。
9.596 kW、13.94 kW、8.924 kW。其中，换热器为纤
0.40
维-管式结构的热功转换效率最大，丝网-翅片式结 0.38 丝网翅片
0.36 丝网管式
构的输出功率最大，由于热端温度的增加，斯特林 0.34 纤维翅片
发动机的驱动能力增强。 0.32 纤维管式
0.30
效率 0.28

0.36 0.26
丝网翅片 0.24
0.34
丝网管式 0.22
0.32 纤维翅片 0.20
纤维管式 0.18
0.30
0.16
效率 0.28 260 280 300 冷端温度/K 360 380
320
340
0.26
0.24 图 5 冷端温度对效率的影响
0.22 Fig. 5 The effect of cold end temperature on efficiency

0.20
860 880 900 920 940 960 980
热端温度/K 22
丝网翅片
20 丝网管式
图 3 热端温度对效率的影响 18 纤维翅片
Fig. 3 The effect of hot end temperature on efficiency 16 纤维管式
14
输出功率/kW
18 12
16 10
8
14 6
输出功率/kW 12 4 260 280 300 冷端温度/K 360 380
340
320
10
8 丝网翅片
丝网管式 图 6 冷端温度对输出功率的影响
纤维翅片
6
纤维管式 Fig. 6 The effect of cold end temperature on output power

4
860 880 900 920 940 960 980 3.2 充气压力的影响
热端温度/K
通过改变系统的充气压力，分析系统输出性能
图 4 热端温度对输出功率的影响
随工作压力的变化规律。在热端温度为 923 K，冷
Fig. 4 The effect of hot end temperature on output power
端温度为 323 K，回热器孔隙率为 0.8，填料丝径为
图 5、图 6 显示，斯特林发动机的热功转换效 2.5×10 m 的条件下，充气压力对系统性能的影响
−5
率和输出功率随着冷端温度的增大而逐渐减小，表 规律如图 7、图 8 所示。从图中可以看出，换热器
明冷端温度的升高会降低发动机的整体性能。冷 为丝网-翅片式、纤维-翅片式、纤维-管式结构的斯
端温度从 263 K 增大到 383 K 时，丝网-翅片式和纤 特林发动机热功转换效率随着充气压力的增大而
维-管式结构的换热器热功转换效率降幅达 18.31% 减小。当充气压力小于 8.2 MPa 时，换热器为纤维-
与 17.49%。在所有结构中，翅片式结构加热器的 管式结构的热功转换效率高于丝网-管式结构。随