Page 44 - 《真空与低温》2025年第4期

隆海洋等：换热器结构及热力学参数对自由活塞斯特林发动机性能影响 459

着充气压力的增加，丝网-管式结构的热功转换效 到最大值，丝网-翅片式、丝网-管式、纤维-翅片式、纤
率逐渐增大，并在充气压力为 8.2 MPa 时达到 28.26%， 维-管式结构的换热器效率分别为：29.99%、32.48%、
与纤维-管式结构的热功转换效率（28.27%）几乎相 26.37%、32.33%。斯特林发动机的输出功率随回
同。此外，换热器为丝网-翅片式、纤维-管式、丝网- 热器孔隙率的增大先增大后减小的趋势，在回热器
管式结构的输出功率随着充气压力的增大而增大， 孔隙率为 0.9 时，丝网-翅片式和纤维-管式结构
其中，丝网-管式换热器结构的输出功率增幅最大， 的换热器输出功率分别达到最大值：15.38 kW 和
增加了 8.1%，而斯特林发动机换热器为丝网-翅片 10.14 kW，丝网-管式、纤维-翅片式换热器结构的
式结构的输出功率增加了 2.2%，增幅最小。换热 输出功率分别出现在回热器孔隙率为 0.85 时，最
器为纤维-翅片式结构的输出功率随充气压力的增 大值分别为 10.12 kW 和 14.14 kW。当回热器孔隙
大先增大后减小，在充气压力为 8 MPa 时，输出功 率大于 0.9 时，热功转换效率显著下降，表明系统
率达到最大值为 13.94 kW。 的热功转换效率对回热器孔隙率的变化非常敏感。

0.32 0.34
丝网翅片 丝网翅片
0.31
丝网管式 0.32 丝网管式
0.30 纤维翅片 纤维翅片
0.29 纤维管式 0.30 纤维管式
0.28 0.28
效率 0.27 效率
0.26 0.26
0.25 0.24
0.24
0.22
0.23
0.22 0.20
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00
充气压力/Pa 孔隙率
图 7 充气压力对效率的影响 图 9 回热器孔隙率对效率的影响
Fig. 7 The effect of charge pressure on efficiency Fig. 9 The effect of regenerator porosity on efficiency

20 18
丝网翅片 丝网翅片 纤维翅片
18 丝网管式 丝网管式 纤维管式
纤维翅片 16
16 纤维管式 14
输出功率/kW 14 输出功率/kW 12
12
10
8 10
8
6
4 6
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00
充气压力/Pa 孔隙率
图 8 充气压力对输出功率的影响 图 10 回热器孔隙率对输出功率的影响
Fig. 8 The effect of charge pressure on output power Fig. 10 The effect of regenerator porosity on output power

3.3 回热器孔隙率的影响 3.4 回热器填料丝径的影响
在热端温度为 923 K，冷端温度为 323 K，充气 图 11、图 12 为在斯特林发动机的热端温度为
−5
压力为 8 MPa，回热器填料丝径为 2.5×10 m 的初 923 K，冷端温度为 323 K，充气压力为 8 MPa，回热
始条件下，通过改变回热器孔隙率，探究斯特林发 器孔隙率为 0.8 的条件下，回热器填料丝径对斯特
动机热功转换效率和输出功率的变化规律。如图 9、 林发动机热功转换效率和输出功率的性能影响变
图 10 所示，在加热器、回热器分别为丝网-翅片式、 化规律。由图 11、图 12 可知，换热器结构为丝网-
丝网-管式、纤维-翅片式、纤维-管式结构的条件下， 翅片式、丝网-管式、纤维-管式、纤维-翅片式时，
热功转换效率随着回热器孔隙率的增大呈现先增 斯特林发动机的热功转换效率和输出功率随回热
大后减小的趋势。在回热器孔隙率为 0.9 时，效率达 器填料丝径的增大先增大后减小。当填料丝径为