太陽能明托熱機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著人類社會文明的不斷進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高，人們對能源的需求量也越來越大。而常規(guī)能源日漸枯竭，因此大力發(fā)展各種可再生能源成為當(dāng)務(wù)之急。太陽能集熱和各種余熱、廢熱等低品質(zhì)熱能來源廣泛、總量巨大，但從中提取機(jī)械能難度較大。明托熱機(jī)是一種可將太陽能或其他低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，具有低轉(zhuǎn)速，高扭矩的特點(diǎn)，能在較小的溫差下吸熱做功，具在獨(dú)特優(yōu)勢。但其較低的性能阻礙了自身的發(fā)展和應(yīng)用。
　　 明托熱機(jī)的理論研究還不完善，此前關(guān)

2、于明托熱機(jī)的理論研究較少，僅一篇論文提出明托熱機(jī)理論效率的計(jì)算方法，但公式在隨后的應(yīng)用過程中出現(xiàn)被誤用的現(xiàn)象。本文將就明托熱機(jī)目前存在的問題進(jìn)行研究和探討，在分析、計(jì)算和提高熱機(jī)性能方面做出嘗試。
　　 本文主要內(nèi)容包括明托熱機(jī)的理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 研究首先闡述了明托熱機(jī)原始結(jié)構(gòu)模型的能量吸收和轉(zhuǎn)化過程，分析原始結(jié)構(gòu)模型效率低下的原因，提出了改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型，通過添加絕熱內(nèi)壁面與絕熱活塞等附屬結(jié)構(gòu)，按作用將

3、工質(zhì)分為相變做功和傳導(dǎo)配重兩個(gè)部分，僅使需要相變做工的工質(zhì)吸熱，使僅起傳導(dǎo)配重作用的工質(zhì)與熱源隔離，以此減少大量吸熱量和縮短吸熱時(shí)間，大幅提高熱機(jī)效率和功率。
　　 理論分析部分，基于前人所做分析和假設(shè)，提出適用于明托熱機(jī)原始和改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型的顯熱法和焓差法兩個(gè)改進(jìn)的效率公式，以方便計(jì)算并避免被誤用的問題;小溫差條件下進(jìn)一步簡化明托熱機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型的理論公式，結(jié)論顯示其效率接近卡諾循環(huán)效率。針對太陽能集熱器集熱和聚光集熱兩種典型太

4、陽能熱利用方式，提出適用于恒定熱源溫度條件和恒定熱流密度條件下明托熱機(jī)原始和改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型的功率公式，填補(bǔ)熱機(jī)理論功率計(jì)算空白;在改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型中，進(jìn)一步的簡化分析表明，其在恒定熱源溫度條件下最大功率出現(xiàn)在工質(zhì)工作溫差為冷、熱源溫差一半的時(shí)候。
　　 應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，通過自主編程，選取6種常見工質(zhì)，應(yīng)用對應(yīng)態(tài)理論求解工質(zhì)熱物性參數(shù)，分別計(jì)算了明托熱機(jī)原始和改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型在恒定熱源溫度和恒定熱流密度條件下的性能表現(xiàn)。模擬結(jié)果顯示，明

5、托熱機(jī)原始結(jié)構(gòu)模型的效率和功率較低，且受工質(zhì)熱物性影響較大，恒定熱源溫度條件下熱機(jī)最大功率出現(xiàn)在工質(zhì)工作溫差略小于冷、熱源溫差一半的時(shí)候;在恒定熱流密度條件下，工質(zhì)需要較高的工作溫度，實(shí)用性較低。明托熱機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型的效率和功率都很高，受工質(zhì)熱物性影響較小，在恒定熱源溫度條件下熱機(jī)最大功率出現(xiàn)在工質(zhì)工作溫差略大于冷、熱源溫差一半的時(shí)候;在恒定熱流密度條件下，工作溫度明顯低于原始結(jié)構(gòu)模型，且頂部容器內(nèi)工質(zhì)溫度隨工作溫差增大而減小，符合實(shí)際

6、可能的應(yīng)用條件，實(shí)用性較強(qiáng)。在恒定熱源溫度條件下，不同的傳熱系數(shù)對明托熱機(jī)原始和改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型的的效率影響不大，較高的傳熱系數(shù)可明顯提高兩種熱機(jī)模型的功率。
　　 為測試明托熱機(jī)性能，一個(gè)采用丙酮作為工質(zhì)的直徑2米的原始結(jié)構(gòu)型明托熱機(jī)被用于實(shí)驗(yàn)研究中，在40℃、50℃和60℃熱源溫度條件下監(jiān)測熱機(jī)內(nèi)部工質(zhì)循環(huán)過程中的溫度和壓力動(dòng)態(tài)變化情況，首次觀測到了溫度和壓力變化趨勢先一致、后背離的現(xiàn)象，并定性和定量分析其變化過程，計(jì)算出熱機(jī)不