基于斯特林發(fā)動機驅(qū)動的取暖爐送風(fēng)裝置設(shè)計

魏永剛 顏丙學(xué) 王雪強

（山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，環(huán)境污染越發(fā)嚴重，尤其是冬季取暖爐廢氣的排放，為此本文提出一種基于斯特林發(fā)動機驅(qū)動的取暖爐送風(fēng)裝置,該裝置利用取暖爐排煙管道內(nèi)的廢氣與冬季室外環(huán)境之間形成的溫差，為爐膛送風(fēng)，使?fàn)t膛內(nèi)過量空氣系數(shù)趨于最佳，從而是煤塊完全燃燒，節(jié)省能源，保護環(huán)境。以下詳細的介紹了該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

取暖爐送風(fēng)裝置主要由斯特林發(fā)動機、機體、扇葉、離心球調(diào)速機構(gòu)、電磁調(diào)速機構(gòu)、橋式整流電路、蓄電池等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，熱缸嵌入到排煙管道內(nèi)，冷缸暴露在室外環(huán)境中，轉(zhuǎn)盤上的轉(zhuǎn)圈與爐門通過連桿連接。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 斯特林發(fā)動機

斯特林發(fā)動機由飛輪、曲軸、連桿、熱缸和冷缸。熱缸活塞為交換活塞，冷缸活塞為動力活塞，都通過連桿與曲軸連接，曲軸一端安裝有飛輪和皮帶輪。熱缸的口部與冷缸的底部利用導(dǎo)氣管連通。當(dāng)熱缸被加熱到一定程度時，轉(zhuǎn)動飛輪，動力活塞往下運動將冷缸中的氣體壓到熱氣室，氣體在熱缸受熱膨脹推動活塞向口部運動，當(dāng)氣體到達冷缸時，氣體冷卻收縮，活塞縮回，又將氣體壓到熱氣室，這樣就形成了一個往復(fù)運動，從而可以產(chǎn)生動力。這就是斯特林發(fā)動機的基本原理。

1.3 離心球調(diào)速機構(gòu)

離心球調(diào)速機構(gòu)由轉(zhuǎn)軸、皮帶輪、轉(zhuǎn)盤、離心球和連桿組成。皮帶輪與轉(zhuǎn)軸固結(jié)，轉(zhuǎn)盤可以在轉(zhuǎn)軸上軸向移動，而不能相對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。離心球通過一個連桿轉(zhuǎn)盤連接，通過另一個連桿與轉(zhuǎn)軸連接，連接處均為活動鉸鏈。當(dāng)皮帶輪轉(zhuǎn)動時帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸又帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動帶動離心球繞轉(zhuǎn)軸做圓周運動。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，離心球做離心運動，通過連桿拉動轉(zhuǎn)盤沿轉(zhuǎn)軸軸向運動。

1.4 電磁調(diào)速機構(gòu)

電磁調(diào)速機構(gòu)由帶有圓柱形永磁鐵的轉(zhuǎn)盤和帶有線圈的定子組成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時其上的永磁鐵相對定子上的線圈運動，從而切割磁感線，受到阻力的作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，轉(zhuǎn)盤沿軸向向定子上的線圈靠近，阻力增大，起到調(diào)速的作用。

圖2 電磁調(diào)速機構(gòu)

1.5 電能儲存機構(gòu)

電能儲存機構(gòu)主要包括橋式整流電路、開關(guān)和蓄電池組成，橋式整流電路將線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流整合成直流，從而為蓄電池充電。

1.6 鼓風(fēng)機構(gòu)

鼓風(fēng)機構(gòu)主要由皮帶輪、扇葉和機體組成，當(dāng)皮帶輪轉(zhuǎn)動時帶動扇葉轉(zhuǎn)動，從而可以為爐膛送風(fēng)。

2 工作原理

該系統(tǒng)的主要應(yīng)用與冬季取暖爐，在取暖爐穩(wěn)定工作時，排煙管道的廢氣余熱加熱斯特林熱缸，熱缸與暴露在室外環(huán)境中的冷缸之間形成一定溫差，此時給斯特林發(fā)動機飛輪一定初速度，發(fā)動機開始運行。其上的皮帶輪通過皮帶帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，離心球以一定速度繞轉(zhuǎn)軸做勻速圓周運動，轉(zhuǎn)盤穩(wěn)定在一定高度，爐門對應(yīng)一定開度。當(dāng)爐膛內(nèi)燃燒變得劇烈時，此時需要更多的送風(fēng)量，排煙管道廢氣溫度升高，斯特林發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)盤離心球離心運動，由于磁阻的作用，離心球會穩(wěn)定在一個對應(yīng)的半徑上繞轉(zhuǎn)軸做勻速圓周運動，此時轉(zhuǎn)盤相對額定工況向上移動一定距離，爐門開度增大，送風(fēng)量增大。當(dāng)爐膛內(nèi)燃燒變得緩慢時，情況恰好相反。

3 結(jié)論

本文詳細介紹了基于斯特林發(fā)動機驅(qū)動的取暖爐送風(fēng)裝置的設(shè)計。闡明了各個模塊的功能及其結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)工作原理做了詳細的介紹，該設(shè)計可以根據(jù)爐膛內(nèi)的燃燒狀況及時調(diào)整送風(fēng)量，充分回收利用廢氣余熱節(jié)省了電能，保證了燃料的充分燃燒，保護了環(huán)境。直接將廢氣中的熱能轉(zhuǎn)化成為機械能，提高了鍋爐高溫廢氣的利用率。最后給出了系統(tǒng)工作流程圖，便于讀者理解。測試結(jié)果表明，該取暖爐送風(fēng)裝置能夠穩(wěn)定運行，其應(yīng)用前景廣闊。

［1］楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］劉鴻文.材料力學(xué)[M].5 版.北京：高等教育出版社，2001.