斯特林循環(huán)熱驅(qū)自由活塞淡化動力系統(tǒng)泵腔AMESIM仿真分析

耿冬寒 李秀兵 金 龍

(天津工業(yè)大學機械工程學院，天津 300387)

目前，在海水淡化的技術領域中，反滲透法和多級閃蒸、多效蒸餾并列為海水淡化的三大主流方法之一[1]。反滲透原理是以外界能量推動海水通過高分子半透膜，實現(xiàn)溶液中鹽分和水的分離。常規(guī)反滲透法工藝流程是：海水→初步處理系統(tǒng)(去雜質(zhì))→高壓泵→海水淡化反滲透膜組件(去離子)→淡水[2]。對于反滲透淡化動力系統(tǒng)而言，只需能推動海水克服滲透壓通過反滲透膜，推動功的形式既可為旋轉(zhuǎn)泵的軸功，也可為往復泵(如活塞式)的直線做功。斯特林發(fā)動機作為一種外部加熱的活塞式動力機械[3]，可在傳統(tǒng)發(fā)動機基礎上取消曲柄連桿等剛體傳動機構，采用自由活塞式，利用非剛性介質(zhì)作為活塞平移機械能的接受體，保持穩(wěn)定輸出，可以作為反滲透海水淡化的動力源。

1 自由活塞斯特林循環(huán)動力系統(tǒng)

目前，反滲透海水淡化動力輸入一般采用高壓泵，其最終轉(zhuǎn)化效率較低，且能源適應性較低。斯特林循環(huán)輸出效率高，熱源適應性好，可以解決孤島、船舶及沿海地區(qū)淡水短缺問題。通過對熱能驅(qū)動反滲透淡化領域發(fā)展的研究，從減少能量轉(zhuǎn)化和傳遞環(huán)節(jié)提高能源利用效率，充分利用斯特林循環(huán)熱源性的優(yōu)勢，在現(xiàn)有液壓自由活塞內(nèi)燃機發(fā)展的基礎上，設計了20 kW自由活塞斯特林循環(huán)的海水淡化動力系統(tǒng)，對動力系統(tǒng)泵腔部分通過AMESIM軟件進行仿真研究，分析活塞組件運動特性及泵腔的流量特性，求出其最終輸出功。

2 動力系統(tǒng)工作原理

2.1 設計原理

在海水淡化領域中，傳統(tǒng)的海水淡化動力來源于高壓泵。高壓泵是把電能或者化學能轉(zhuǎn)化為機械能，能源利用效率相對較低。轉(zhuǎn)化效率最高的是卡諾循環(huán)，斯特林循環(huán)是概括性卡諾循環(huán)的一個特例，其轉(zhuǎn)換效率相對較高[4]。為提高海水淡化轉(zhuǎn)化效率，提高能源利用率，采用自由活塞斯特林發(fā)動機，取消曲柄連桿等剛體傳動機構，利用非剛性介質(zhì)作為活塞平移機械能的接受體，保持運動的周期性，簡化傳動鏈，提高輸出效率，設計是基于斯特林循環(huán)的自由活塞海水淡化動力系統(tǒng)。

2.2 工作原理

首先對斯特林發(fā)動機加熱器加熱，預熱適當時間后，開啟兩位兩通電磁閥，蓄能器中的海水通過電磁閥進入到活塞腔，推動活塞向外止點運動，蓄能器充當發(fā)動機啟動力。

工作時，氣體工質(zhì)經(jīng)過發(fā)動機加熱器從加熱器熱源吸收熱量，熱腔工質(zhì)膨脹做功，推動自由活塞運動，壓縮活塞的另一端彈簧以及泵腔體內(nèi)的海水，一部分海水通過單向閥進入壓縮蓄能器，存儲部分能量；一部分通過單向閥進入發(fā)動機冷卻器，最后一部分進入到海水淡化反滲透膜組件，為反滲透膜提供壓力。當自由活塞運動到外止點時，速度為零，在彈簧的作用下，推動活塞向內(nèi)止點運動，彈簧充當發(fā)動機回程啟動力。

工質(zhì)通過發(fā)動機回熱器在發(fā)動機冷卻器冷卻下做功，使壓縮腔自由活塞向左運動，壓縮活塞腔內(nèi)的海水做功，一部分海水通過單向閥進入壓縮蓄能器，存儲部分能量；一部分通過單向閥進入發(fā)動機冷卻器，最后一部分進入到海水淡化反滲透膜組件，為反滲透膜提供壓力。當自由活塞運動到內(nèi)止點時，速度為零，此時壓縮腔兩位兩通電磁閥導通，蓄能器中的海水通過電磁閥進入到活塞腔，推動活塞向外止點運動，如此反復運動。海水淡化反滲透膜組件與發(fā)動機冷卻器都串接蓄能器，為海水淡化反滲透膜組件與發(fā)動機冷卻器提供穩(wěn)定壓力源。海水淡化動力系統(tǒng)原理見圖1。

1—壓縮腔 2—冷卻器 3—回熱器 4—加熱器 5—膨脹腔 6—彈簧 7—活塞 8—節(jié)流閥 9—壓縮蓄能器 10—負載蓄能器 11—海水淡化反滲透膜組件 12—兩位兩通電磁閥 13—單向閥圖1 海水淡化動力系統(tǒng)原理圖Figure 1 Principle of desalination power system

3 活塞組件動力學模型

動力系統(tǒng)是由α型斯特林發(fā)動機與自由活塞泵剛性連接耦合而成。針對自由活塞泵進行研究，首先建立泵的活塞組件動力學模型，研究活塞組件的運動特性。

取活塞桿為研究對象，動力系統(tǒng)工作過程中膨脹腔受到斯特林發(fā)動機工質(zhì)氣體的壓力PeSe(壓縮腔受到斯特林發(fā)動機工質(zhì)氣體的壓力PcSc)，活塞受到的摩擦力f，發(fā)動機膨脹腔中平衡彈簧的彈力keXe(t)(發(fā)動機壓縮腔中平衡彈簧的彈力kcXc(t)及泵腔中海水對活塞的壓力PbSb。膨脹腔活塞受力見圖2，壓縮腔活塞受力見圖3。根據(jù)牛頓第二定律有：

圖2 膨脹腔活塞受力分析Figure 2 Force analysis on expansion cavity piston

圖3 壓縮腔活塞受力分析Figure 3 Force analysis on compression cavity piston

∑F=ma

(1)

則膨脹腔一側活塞動力方程為：

PeSe-keXe(t)-f-PbSb=Mhsae(t)

(2)

壓縮腔一側活塞動力方程為：

kcXc(t)-PcSc-f-PbSb=Mhsac(t)

(3)

式中，P為發(fā)動機工質(zhì)壓力；Se、Sc為膨脹腔和壓縮腔與工質(zhì)氣體接觸活塞端面面積；ke、kc為膨脹腔和壓縮腔平衡彈簧的彈性系數(shù)；Xe(t)、Xc(t)為膨脹腔和壓縮腔活塞行程；ae(t)、ac(t)為膨脹腔和壓縮腔活塞加速度；Pb為泵腔海水壓力；Sb為泵腔與海水接觸端面面積；Mhs為活塞的質(zhì)量。

解得：

(4)

(5)

當活塞處于穩(wěn)定運行時，由斯特林發(fā)動機運動狀態(tài)可知，它是關于活塞缸行程中點做往復運動的，所以可以得到以下幾種運動狀態(tài)，取活塞內(nèi)止點為原點，(活塞位于行程外止點處x最大，位于行程內(nèi)止點x=0最小)活塞位于外止點和內(nèi)止點中間點時，根據(jù)活塞運動特性，簡化模型，為減少計算量，設活塞做簡諧運動[7]。其函數(shù)方程為：

Xe(t)=Asin(ωt+φ)+A

(6)

由于膨脹腔活塞比壓縮腔相位超前π/2，所以得出：

Xc(t)=Asin(ωt+φ-π/2)+A

(7)

4 建立動力系統(tǒng)泵腔仿真模型

AMESIM采用標準的ISO圖標和簡單直觀的多端口框圖，可以迅速達到建模仿真的最終目標。分析和優(yōu)化設計，從而幫助用戶降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。

根據(jù)動力系統(tǒng)機構及工作原理，采用AMESIM工程系統(tǒng)軟件對動力系統(tǒng)自由活塞泵及海水淡化組件進行建模。在SKETCH MODE下，通過選取信號庫、機械庫、液壓庫中相關的基礎模塊，構建基于斯特林循環(huán)的熱驅(qū)自由活塞動力系統(tǒng)泵腔的AMESIM仿真模型，如圖4所示[8]。

由圖4可知，該仿真模型主要由自由活塞泵及各種單向閥、換向閥及管路組成。動力系統(tǒng)斯特林發(fā)動機部分與自由活塞泵剛性連接，并且輸入一個正弦信號。

圖4 動力系統(tǒng)自由活塞泵腔的AMESIM仿真模型Figure 4 AMESIM simulation model of power system free piston pump cavity

5 仿真運行及結果分析

在AMESIM中建立基于斯特林循環(huán)的熱驅(qū)自由活塞動力系統(tǒng)泵腔的AMESIM仿真模型，根據(jù)需求合理設置模型運行過程中的所需參數(shù)，為了操作方便，保證模擬運行的理想環(huán)境，忽略各閥閉合之后現(xiàn)象，且系統(tǒng)在運行過程不受外部環(huán)境的影響。

圖5為動力系統(tǒng)泵腔容積變化圖，由圖5可知，動力系統(tǒng)斯特林發(fā)動機兩側壓縮腔與膨脹腔兩側的自由活塞泵腔的容積在一個周期內(nèi)變化滿足正弦變化，且膨脹腔一側的泵腔容積變化相位角超前壓縮腔π/2。

圖5 動力系統(tǒng)自由活塞泵腔容積變化圖Figure 5 Volume change of power system free piston pump cavity

圖6和圖7為動力系統(tǒng)自由活塞泵吸入口和排出口瞬時流量變化。由圖6和圖7可知，在一個周期內(nèi)，膨脹腔一側泵腔吸入口在持續(xù)吸入時間為0.02 s～0.04 s，在0.03 s達到峰值37 L/min，壓縮腔一側泵腔吸入口，持續(xù)時間為0～0.01 s、0.03 s～0.04 s，于0.04 s達到峰值。排出口總輸出為0～0.03 s，于0.01 s達到峰值為37 L/min。

圖6 動力系統(tǒng)自由活塞泵吸入口瞬時流量Figure 6 Instantaneous flow of power system free piston pump inlet

圖7 動力系統(tǒng)自由活塞泵排出口瞬時流量Figure 7 Instantaneous flow of power system free piston pump outlet

通過仿真計算求得膨脹腔一側泵腔的功率為13.77 kW，壓縮腔一側泵腔的功率為1.6 kW，泵腔總輸出功率為15.37 kW，動力部分斯特林發(fā)動機總功率為19.25 kW。

6 結論

通過分析，得出如下結論：

(1)簡化活塞運動模型，活塞行程滿足正弦變化，泵腔的容積變化基本滿足正弦變化，從一定程度上能反映出動力系統(tǒng)泵腔的相關變化規(guī)律。

(2)由于簡化活塞運動模型，在設定AMESIM仿真條件存在誤差及理想化，計算結果存在一定的誤差，但動力系統(tǒng)自由活塞泵有穩(wěn)定輸出，可以穩(wěn)定運行，可以在后續(xù)優(yōu)化中增加對應系數(shù)進行修正，滿足設計要求。

通過對動力系統(tǒng)自由活塞泵AMESIM仿真，可以解決動力系統(tǒng)自由活塞泵的模擬仿真問題，為進一步研究提供依據(jù)。