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斯特林發動機原理

: 問提問者：網友 | 2017-08-15

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熱氣機(StirlingEngine)是一種由外部供熱使氣體在不同溫度下作周期性壓縮和膨脹的閉式循環往復式發動機，由蘇格蘭牧師RobertStirling在十九世紀初發明，所以又稱斯特林發動機。相對于內燃機燃料在氣缸內燃燒的特點熱氣機又被稱作外燃機。現在熱氣機特指按閉式回熱循環工作的熱機，不包括斯特林熱泵或斯特林制冷機。熱氣機工作原理熱氣機是一種外燃的、閉式循環往復活塞式熱力發動機。熱氣機可用氫、氮、氦或空氣等作為工質，按斯特林循環工作。在熱氣機封閉的氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹作功燃料在氣缸外的燃燒室內連續燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不更換。已設計制造的熱氣機有多種結構，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個領域進行應用。試驗熱氣機的功率傳遞機構分為曲柄連桿傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。按缸內循環的組成形式分，熱氣機主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。在一個氣缸內有兩個活塞作規律的相對運動，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回熱器和加熱器連接，配氣活塞推動工質在冷熱腔之間往返流動。熱力循環可以分為定溫壓縮過程、定容回熱過程、定溫膨脹過程、定容儲熱過程四個過程。改良的單缸斯特林發動機示意 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209083142.gif 已設計制造的熱氣機有多種結構，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個領域進行應用。試驗熱氣機的功率傳遞機構分為曲柄連桿傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。美國STM公司的民用25KW外燃機按缸內循環的組成形式分，熱氣機主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。配氣活塞式熱氣機，在一個氣缸內有兩個活塞作規律的相對運動，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回熱器和加熱器連接，配氣活塞推動工質在冷熱腔之間往返流動；雙作用式熱氣機，每個氣缸內只有一個活塞，兼起配氣活塞和動力活塞的作用。各缸的上部為熱腔，下部為冷腔。各熱腔經加熱器、回熱器和冷卻器與鄰缸的下部冷腔連接，組成一個動力單元。日本親潮級潛艇使用的斯特林發動機原理圖熱力循環可以分為定溫壓縮過程、定容回熱過程、定溫膨脹過程、定容儲熱過程四個過程。兩缸外燃機工作原理 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209085020.gif 與內燃機比較熱氣機所具備的優點：適用于各種能源，無論是液態的、氣態的或固態的燃料，當采用載熱系統(如熱管)間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫熱源(太陽能放射性同位素和核反應等)，而發動機本身(除加熱器外)不需要作任何更改。同時熱氣機無需壓縮機增壓，使用一般風機即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質含量。熱氣機在運行時，由于燃料在氣缸外的燃燒室內連續燃燒，獨立于燃氣的工質通過加熱器吸熱，并按斯特林循環對外做功，因此避免了類似內燃機的震爆做功和間歇燃燒過程，從而實現了高效、低噪和低排放運行。高效：總能效率達到80%以上；低噪：1米處裸機噪音底于68dBA；低排放：尾氣排放達到歐5標準。熱氣機單機容量小，機組容量從20－50kw，可以因地制宜的增減系統容量。結構簡單，零件數比內燃機少40％，降價空間大，同時維護成本也較低。熱氣機尚存在的主要問題和缺點是制造成本較高，工質密封技術較難，密封件的可靠性和壽命還存在問題，功率調節控制系統較復雜，機器較為笨重。熱氣機的未來發展將更多的應用新材料(如陶瓷)和新工藝，以降低造價；對實際循環進行理論研究，完善結構，提高性能指標；在應用方面，正大力研究汽車用的大功率燃煤熱氣機、太陽能熱氣機和特種用途熱氣機等。熱氣機分為單缸、2缸、4缸等形式；單缸熱氣機的燃燒室與冷卻器共一室，需要交替向燃燒室中注入燃氣、燃燒、排氣、注入冷卻氣體等循環過程，驅動活塞上下運動帶動曲軸轉動，由于燃燒室需要交替使用，與一般的內燃機一樣復雜，很少再發展。2缸熱氣機的燃燒、冷卻過程完全連續，1個汽缸加熱、1個冷卻，工質在2個氣缸中密閉循環，反復被加熱冷卻，活塞在熱氣驅動下上下運動驅動曲軸旋轉。4缸熱氣機的氣缸上部加熱、下部冷卻，或相反，工質在相鄰兩個氣缸的上下部間循環，4個活塞交替上下，直接驅動斜盤轉動，工作最為平順。 4缸型的斯特林發動機熱氣機的應用隨著全球能源與環保的形勢日趨嚴峻，熱氣機由于其具有多種能源的廣泛適應性和優良的環境特性已越來越受到重視，所以，在水下動力、太陽能動力、空間站動力、熱泵空調動力、車用混合推進動力等方面得到了廣泛的研究與重視，并且已得到了一些成功的應用。熱氣機推廣中的3個方向包括：熱電聯產充分利用它環境污染小和可使用多種燃料及易利用余熱的特點，用于熱電聯產可取得更高的熱效率和經濟效率。四聯裝余熱回收系統低能級的余熱回收利用對燃燒系統稍加改進便可利用工場余熱、地熱和太陽能進行發電或直接驅動水泵，可取得更大的節能效益。移動式動力源通過對發動機的小型化和輕量化，并改善其控制性能后，亦可以作為推土機、壓路機等車輛的動力。注意斯特林發動機的發明時間是1816，是和蒸汽機差不多的古老的發動機，多年沒有引起人們的重視，斯特林發動機的幾個特性是非常適合潛艇的，首先是燃燒連續，由于工質不燃燒，因此沒有內燃機的爆震現象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃燒室在外，燃燒的過程與工質無關，或者說只要有熱源、冷源就能工作，無論燒煤燒碳都可以，只要能發熱就行；在凡爾納的科幻小說《海底兩萬里》中，那艘著名的潛艇諾第留斯號的動力就是斯特林發動機，他的熱源是采用鈉與水反應生熱，說明凡爾納具有多么的科學遠見。海底兩萬里漫畫斯特林（RobertStirling，1790—1878）英國物理學家，熱力學研究專家。斯特林對于熱力學的發展有很大貢獻。他的科學研究工作主要是熱機。熱機的研制工作，是18世紀物理學和機械學的中心課題，各種各樣的熱機殊涌而出，不斷互相借鑒，取長補短，熱機制造業興旺起來，工業革命處于高潮時期。隨著熱機發展，熱力學理論研究提到了重要位置，不少科學家致力于熱機理論的研究工作，斯特林便是其中著名的一位。他所提出的斯特林循環，是重要的熱機循環之一，亦稱“斯特林熱氣機循環”。這種循環，是封閉式的，采用定容下吸熱的氣體循環方式。循環過程是：①等容吸熱加熱；②由外熱源等溫加熱；③等容放熱，供吸熱用；④向冷體等溫放熱，完成一個循環。在理想吸熱的條件下，這種循環的熱效率，等于溫度上下限相同的卡諾循環。利用這種循環的“斯特林熱機”，具有很多特點，如采用外燃，或外熱源供熱等。由于這種循環是封閉式循環，可采用傳熱性能好的工質，同時，工質的腐蝕性也可以很小，如氮氣、氫氣等氣體。充入的氣體工質，還可以加大壓力，視封閉系統的情況，能夠采用遠遠大于大氣壓力的高壓氣體工作，這樣可以提高發動機的單位重量的功率，減小發動機的體積和重量。斯特林熱機在逆向運轉時，可以作為制冷機或熱泵機，這種設想在現代已進入了實用研究階段。斯特林循環熱空氣發動機不排廢氣，除燃燒室內原有的空氣外，不需要其他空氣，所以適用于都市環境和外層空間。 18世紀末和19世紀初，熱機普遍為蒸汽機，它的效率是很低的，只有3％一5％左右，即有95％以上的熱能沒有得到利用。到1840年，熱機的效率也僅僅提高到8％。斯特林對于熱力學理論的研究，就是從提高熱機效率的目的出發的。他所提出的斯特林循環的效率，在理想狀況下，可以無限提高。當然受實際可能的限制，不可能達到100％，但提供了提高熱效率的努力方向。: 回答者：網友

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