Page 45 - 《真空与低温》2025年第4期

460 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

−5
4.5×10 m 时，丝网-翅片式、丝网-管式、纤维-翅片结 22.29%、28.37%。当相位角大于 70°时，丝网-管式
构的换热器最大热功转换效率为：28.08%、30.73%、 结构换热器的效率下降幅度减小，表现出较为缓慢
25.34%， 最 大 输 出 功 率 为 ： 14.98 kW、 10.08 kW、 的降低趋势。另一方面，换热器为丝网-翅片式、纤
13.94 kW。对于纤维-管式结构的换热器，在回热 维-管式、纤维-翅片式结构的斯特林发动机输出功
−5
器填料丝径为 3.5×10 m 时最大热功转换效率为 率随着活塞相位角的增大而增大，而丝网-管式结
29.62%，而在回热器填料丝径为 4.5×10 m 时，斯 构的输出功率也呈现出随相位角增大而增加的趋
−5
特林发动机的输出功率达到最大值为 9.682 kW。 势，其中，加热器为翅片式结构的斯特林发动机输
随着填料丝径的增大，丝网-管式与丝网-翅片式结 出功率保持最大。为了使热功转化效率达到最大
构换热器的热功转换效率和输出功率达到最大。 化，理论上，理想自由活塞斯特林发动机的活塞相
位角通常为 90° ，然而，由于正弦振荡和工作过程
[18]

0.34
丝网翅片 纤维翅片 中工质压降的影响，实际应用过程中的最佳值总是
0.32 丝网管式 纤维管式
偏离 90°。因此，在实际设计过程中，需要综合考虑
0.30
斯特林发动机的输出功率和热功转换效率，以优化
0.28
效率 活塞相位角。
0.26

0.24 0.34
丝网翅片
0.32 丝网管式
0.22
纤维翅片
0.30
−5
0.20 ×10 纤维管式
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
0.28
丝网直径/m
效率 0.26
图 11 填料丝径对效率的影响 0.24
Fig. 11 The effect of wire diameter on efficiency 0.22

0.20
18
丝网翅片 纤维翅片 0.18
17
丝网管式 纤维管式 55 60 65 70 75 80 85 90 95
16 相位角/（°）
15
输出功率/kW 14 Fig. 13 The effect of phase angle on efficiency
图
13 活塞相位角对效率的影响
13
12

11

20
10 丝网翅片
18 丝网管式
9 纤维翅片
×10 −5 16
8 纤维管式
输出功率/kW 12
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
丝网直径/m 14
图 12 填料丝径对输出功率的影响 10
Fig. 12 The effect of wire diameter on output power 8

3.5 活塞相位角的影响 6
4
在斯特林发动机热端温度为 923 K，冷端温度 55 60 65 70 75 80 85 90 95
相位角/（°）
为 323 K，充气压力为 8 MPa，回热器孔隙率为 0.8、
−5
填料丝径为 2.5×10 m 的初始条件下，通过改变配 图 14 活塞相位角对输出功率的影响
气活塞的相位角，分析系统热功转换效率和输出功 Fig. 14 The effect of phase angle on output power

率的变化规律。如图 13、图 14 所示，在加热器、回
4 结 论
热器为丝网-翅片式、丝网-管式、纤维-管式、纤维-
翅片式结构条件下，系统的热功转换效率随着配气 本文采用 SAGE 软件设计了千瓦级自由活塞
活塞相位角的增大而减小。当相位角为 75°时，丝 斯特林发动机模型，并对其工作特性进行了详细分
网-翅片式、丝网-管式、纤维-管式、纤维-翅片式结 析。通过研究不同的热端温度、冷端温度、充气压
构 的 换 热 器 热 功 转 换 效 率 为： 26.82%、 28.24%、 力、回热器孔隙率、填料丝径以及配气活塞相位角