基于斯特林发动机驱动的取暖炉送风装置设计

魏永刚 颜丙学 王雪强

（山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049）

0 引言

随着社会的发展，环境污染越发严重，尤其是冬季取暖炉废气的排放，为此本文提出一种基于斯特林发动机驱动的取暖炉送风装置,该装置利用取暖炉排烟管道内的废气与冬季室外环境之间形成的温差，为炉膛送风，使炉膛内过量空气系数趋于最佳，从而是煤块完全燃烧，节省能源，保护环境。以下详细的介绍了该装置的结构和工作原理。

1 系统结构

1.1 系统总体构成

取暖炉送风装置主要由斯特林发动机、机体、扇叶、离心球调速机构、电磁调速机构、桥式整流电路、蓄电池等组成。其结构示意图如图1所示。其中，热缸嵌入到排烟管道内，冷缸暴露在室外环境中，转盘上的转圈与炉门通过连杆连接。

图1 系统结构示意图

1.2 斯特林发动机

斯特林发动机由飞轮、曲轴、连杆、热缸和冷缸。热缸活塞为交换活塞，冷缸活塞为动力活塞，都通过连杆与曲轴连接，曲轴一端安装有飞轮和皮带轮。热缸的口部与冷缸的底部利用导气管连通。当热缸被加热到一定程度时，转动飞轮，动力活塞往下运动将冷缸中的气体压到热气室，气体在热缸受热膨胀推动活塞向口部运动，当气体到达冷缸时，气体冷却收缩，活塞缩回，又将气体压到热气室，这样就形成了一个往复运动，从而可以产生动力。这就是斯特林发动机的基本原理。

1.3 离心球调速机构

离心球调速机构由转轴、皮带轮、转盘、离心球和连杆组成。皮带轮与转轴固结，转盘可以在转轴上轴向移动，而不能相对转轴转动。离心球通过一个连杆转盘连接，通过另一个连杆与转轴连接，连接处均为活动铰链。当皮带轮转动时带动转轴转动，转轴又带动转盘转动，转盘的转动带动离心球绕转轴做圆周运动。当转速增加时，离心球做离心运动，通过连杆拉动转盘沿转轴轴向运动。

1.4 电磁调速机构

电磁调速机构由带有圆柱形永磁铁的转盘和带有线圈的定子组成。结构如图2所示。当转盘转动时其上的永磁铁相对定子上的线圈运动，从而切割磁感线，受到阻力的作用。当转速增加时，转盘沿轴向向定子上的线圈靠近，阻力增大，起到调速的作用。

图2 电磁调速机构

1.5 电能储存机构

电能储存机构主要包括桥式整流电路、开关和蓄电池组成，桥式整流电路将线圈产生的感应电流整合成直流，从而为蓄电池充电。

1.6 鼓风机构

鼓风机构主要由皮带轮、扇叶和机体组成，当皮带轮转动时带动扇叶转动，从而可以为炉膛送风。

2 工作原理

该系统的主要应用与冬季取暖炉，在取暖炉稳定工作时，排烟管道的废气余热加热斯特林热缸，热缸与暴露在室外环境中的冷缸之间形成一定温差，此时给斯特林发动机飞轮一定初速度，发动机开始运行。其上的皮带轮通过皮带带动转轴转动，从而带动转盘转动，离心球以一定速度绕转轴做匀速圆周运动，转盘稳定在一定高度，炉门对应一定开度。当炉膛内燃烧变得剧烈时，此时需要更多的送风量，排烟管道废气温度升高，斯特林发动机转速增加，转轴转速增加，转盘离心球离心运动，由于磁阻的作用，离心球会稳定在一个对应的半径上绕转轴做匀速圆周运动，此时转盘相对额定工况向上移动一定距离，炉门开度增大，送风量增大。当炉膛内燃烧变得缓慢时，情况恰好相反。

3 结论

本文详细介绍了基于斯特林发动机驱动的取暖炉送风装置的设计。阐明了各个模块的功能及其结构，并对系统工作原理做了详细的介绍，该设计可以根据炉膛内的燃烧状况及时调整送风量，充分回收利用废气余热节省了电能，保证了燃料的充分燃烧，保护了环境。直接将废气中的热能转化成为机械能，提高了锅炉高温废气的利用率。最后给出了系统工作流程图，便于读者理解。测试结果表明，该取暖炉送风装置能够稳定运行，其应用前景广阔。

［1］杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］刘鸿文.材料力学[M].5 版.北京：高等教育出版社，2001.