毕业设计(论文) 题目斯特林发动机模型制作与研究
系别动力工程系
专业班级热能与动力工程08k3班
学生姓名
指导教师王庆五
二○一二年六月
斯特林发动机模型制作与研究
摘要
随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为21世纪提供主要动力。斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。本文通过研究斯特林发动机的性能特性，讲述了斯特林发动机的结构类型与主要分析方法，总结了斯特林发动机的关键技术，阐述了斯特林发动机的特点及主要应用，设计制造了斯特林发动机模型，并对该模型进行了实验分析，得出的结论和模拟性能基本一致。
关键词:斯特林发动机；性能模拟；设计实验
Stirling engine model production and study
Abstract
The oil energy is reducing and its price is increasing day by day,theinternal-combustion engine has brought environment pollution and broken zoology balance，the problems are standing out．Researching engine that can combust gas，marsh gas，biology is very signification that it can promote the compositive utilization of energy，change the use of only one oil energy，reduce environment pollution，create the economy society．The Stirling engine as outboard engines with fuel diversification, high efficiency, noise and pollution and other characteristics, suitable for rural fuelwood, straw and solar power generation. The unique advantage of the Stirling engine, as well as a variety of new materials, new technologies emerge, the Stirling engine will replace the internal combustion engine to provide the main driving force for the 21st century. Wide range of applications of the Stirling engine, will make China's energy use efficiency has been greatly improved, no occupied by the enemy of environmental protection or energy saving, have very important positive significance, will also be good for China's economic justice the fast pace of development to provide adequate power.According to the requirements on the development of energy and basing on the theory of stifling engine，the software the simulate stirling engine character is developed,then the configuration-type and analytical method of Stirling cycle were elaborated in the following parts.The key technology that affect the performance was also summarized.Through its character,the stifling engine model is designed and manufactured，and it is tested，the conclusion consistent with the simulation character．
Key Words:stirling engine，simulation eharaeter`designing experiment
目录
摘要...................................................................... I Abstract................................................................... II 1 绪论. (1)
1.1 斯特林发动机的背景及意义 (1)
1.2 斯特林发动机国内外研究动态 (2)
1.2.1 国内发展状况 (2)
1.2.2 国外发展状况 (2)
1.3 本文的主要研究内容 (4)
2 斯特林发动机组成及理论分析 (5)
2.1 斯特林发动机的组成 (5)
2.2 斯特林发动机的工作原理 (6)
2.3 斯特林发动机热效率分析 (8)
2.4 小结 (8)
3 斯特林发动机性能分析 (10)
3.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算 (10)
3.1.1 数学模型的建立 (10)
3.2 斯特林发动机性能模拟及影响性能因素 (13)
3.2.1 膨胀腔、压缩腔示功图和总示功图 (13)
3.2.2温度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响 (14)
3.3 结论 (15)
4 斯特林发动机模型设计制作 (16)
4.1 斯特林发动机的设计类型 (16)
4.2 斯特林发动机设计参数的选择及确定 (16)
4.3 斯特林发动机的具体尺寸及制作 (17)
4.3.1 斯特林发动机模型外型 (17)
4.3.2 制作方法及制作工序 (18)
4.3.3 组装次序及注意事项 (22)
4.3.4 试运行 (23)
4.4 小结 (23)
5 斯特林发动机在联合循环及余热利用中的研究 (24)
5.1 朗肯—斯特林联合循环 (24)
5.2 燃气轮机—斯特林联合循环 (26)
5.3 小结 (28)
结论 (29)
参考文献 (30)
致谢 (31)
1 绪论
在当今世界科学技术的迅速发展，人们在不断完善现有动力机的同时，还在努力探索开发新型的动力机，外燃机就是在这样的背景下设计成功的，随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一的石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，从而促进经济的可持续发展和社会进步，具有重要的意义。
斯特林发动机(Stifling engine，又名热气机)是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，它理想的热力循环称作斯特林循环(即：概括性卡诺循环)。因此，同温度下其理论效率最高，更吸引人的是它具有两个明显优于内燃机的特点：
一是能利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至太阳能、化学反应能和放射性同位素能源，只要是能产生一定温度的热量，斯特林发动机就可以工作；
二是振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。斯特林发动机是一种利用燃料的热能来工作的动力机，因为燃料在缸外燃烧所以也叫外燃机。外燃机采用往复活塞式，燃料燃烧对加热装置内的气体释放热能，被压缩的气体接受热能后进入缸内膨胀，推动活塞式曲轴带动外界负荷而旋转。斯特林发动机工作时，里面有气体工质作功，用于作功的气体可采用具有比功率高，流阻损失小的特种气体，其质量可以灵活调动，一般比内燃机吸入缸内的气体质量大的多；做功气体温度一般在700℃以下，比内燃机爆发时2000℃以上低的多，因此作功气体传给冷却介质被带出机外的热能相对很少。它是二行程发动机，工作时，将导热率高的气体(如：氦气、氢气、蒸汽、复合气、空气等)密封，由活塞的运动来实现气体的流动，使气体在高温条件下膨胀，在较低湿度下压缩，膨胀后的气体被重新压回加热腔，使气体在气缸和加热装置内实施热力循环，不需换气，达到热能对机械能的连续转换。
斯特林发动机是由多种不同功能的配件系统组成(如：外部供热系统、热能转换系统、动力转动系统、气体控制系统、润滑系统、起动系统、机体等)涉及到多方面的技术，但这些技术又基本上属于已知的内燃机的技术范畴，是我们已经掌握的相对成熟的技术。1.1 斯特林发动机的背景及意义
1816年由苏格兰牧师雷伯尔特·斯特林发明，又称“热空气发动机”，当时已生产出数千台。后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落，到二十世纪初已基本消失，主要由于封入的工质为空气，加热温度仅几百度，致使机构庞大使用不便。1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点，做为无线电用发电机的动力而重新开发，但不久由于电子器件的晶体管化而停顿。以后又做为汽车用发动机重新开发，采取700℃以上的加热5～20MPa的氢气和氮气为工质，试制了换置式和斜板回转式双向型发动机，并做了装车试验。由于高温，高压产生的高效率和高转矩，在以氢气为工质时达到了高速
度，初步显示有可能成为比内燃机效率高的外燃式汽车发动机。该公司将液氨用发动机商品化，将其余的发动机制造技术于1957～1967年陆续转让给西德和瑞典的有关公司。
1973年世界性石油危机后，节油和油的替代提上重要议事日程。菲利蒲公司重新和美国福特公司合作共同开发了127kw的回转斜板式双向型4—2150A发动机。
进入八十年代以来，第二次石油危机又引起各国对斯特林发动机的关心，后来石油供应虽有缓和，但从环保和能源角度出发各国又竞相进行斯特林发动机开发工作。
斯特林发动机的一个突出优点是可以利用多种分散的能源。我国是一个农业大国，农业是国民经济的基础。我国农村有丰富的生物质能资源，但品种、分布不均，具有季节性、间歇性分散性的特点。用旧式炉灶直接燃烧，热效率很低，一般为10～15％。如果用斯特林发动机将农村烧掉的生物质能(按1987年的328Mtce计算)，以同样的效率(10％～15％)转换为电能，则可为农村提供260～400kw／h电，相当于同年农村用电量的2～3倍。
我国太阳能资源比较丰富。目前我国太阳能热水器和太阳灶使用较普遍，但光电池应用很少。在太阳能资源丰富的地区，可通过斯特林发动机将太阳能转换成电能或机械能。美国喷气推进实验室开发的15KW太阳能自由活塞式斯特林发动机发电机组，已投入运行，美国斯特林热力发动机公司(Stirling)开发的STMO-120型斯特林发动机(功率为25kW，采用直径11m的抛物面聚光器)即将商品化；美国太阳动力公司制成一种自由气缸式太阳能水泵，功率仅150W，聚光器直径为1.7m，与同样功率的其他类型太阳能水泵相比，效率高5～10倍。
中国还有3500万人口完全没有电力供应，更多的人口没有持续可靠的电力供应。这些地区多在边远的地区、山区和荒漠，以及海岛等地区，架设电网的投资太大，采用柴油发电成本太高，而斯特林外燃机可以利用太阳能、沼气、植物垃圾热解气体的特性，可以较好的解决这一难题。
1.2 斯特林发动机国内外研究动态
1.2.1 国内发展状况
我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率150W-IOkW发动机11种，多数已在实验室正常运转。现从事此项工作的约300人，并正筹建中国热气机研究会。北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯1991年第一期“发展热气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展概况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。上海711研究所研制出热气机，是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标准。
1.2.2 国外发展状况
1．用于热电联产型
充分利用它环境污染小的特点，在大城市里可以以天燃气作燃料，通过斯特林发动机的内部的冷却装置，冷却水被加热并回收烟气，即可采暖。1台25kW的斯特林外燃机完全可以满足500—1500建筑平方米采暖。
这种使用斯特林发动机的热电联产装置实际上相当于一台副产电力的供热锅炉，一般情况下是根据供热需求来确定其运行状态的，其电力系统可以与电网连接，多余的电力通过配电盘向外界供电。如果配备相应的热水型吸收式制冷机的话，夏季就可以利用热能制取空调所需的冷却水，从而部分地取代目前广泛使用的耗电量可观的蒸汽压缩式空调制冷装置。显然，不仅在冬季的供暖期，而且在夏天的供冷期，热电联产装置都能发挥重要的作用。
目前，农用动力斯特林发动机，已引起各国的极大兴趣。在农村，可以燃烧各种物质如木屑、米糠、棉秆、椰子皮壳和谷壳等进行工作的。以空气为工质，运转时，噪音低，振动小，无污染。不用润滑，即可取暖，又可发电，非熟练工人也能操作。
2．斯特林太阳能发电装置
利用斯特林发动机外燃的特性，将多面反光镜聚焦在发动机的热腔，利用太阳的能量加温热腔发电，发电功率达到20kW，设备可以自动跟踪太阳旋转。它还可以有另一个独具匠心的设计是在太阳落山后或阳光不足以发电时，自动合闭热腔，利用燃料燃烧发电，一机两用，节省了蓄电池投资，提高了能源供应设备的利用效率。而造价仅仅为硅晶光伏电池的三分之一，投资效益极好。
3．低能级的余热回收利用型
斯特林发动机的另一优势是余热回收，而且大大简化了工艺技术。利用热腔温度达到700℃即可发电的特性，不需要任何介质或热能转换装置，直接将热腔伸入热源之中，将余热转换成高价值的电能。例如：炼油厂、化工厂、焦化厂、冶炼厂等，均可使用。每个外燃机可以回收25kW电能和44kW热能。
4．推进车用动力型
利用斯特林发动机的排气污染低以及多种燃料的高度适应性的优点，美国机槭技术公司(MTI)在执行ASE计划期间共发展了两代样机。以小型汽车为例，电机的功率约为40kW 左右，而斯特林发动机的功率只需15kW左右，两者的连接既可串联，又可并联。在城市内，用电机推进；在高速公路上，主要靠斯特林发动机推进，辅之于电机。混合推进的优点是：在市内，完全是电动汽车，最大限度地保护了环境；在郊区，依然具有斯特林发动机汽车的全部优点(良好的经济性、污染少和适应多种燃料)，同时简化了控制系统，使其在成本上更具竞争力。
5．低温差发电动力型
近几年来，比较热门的研究领域就是低温差斯特林发动机。日前，已有很多低温差模型斯特林发动机问世，最著名的当属美国威斯康辛大学Senft教授研制的Ringbom斯特林发动机，只需0.5℃的温差就能以60r/min的速度运转。日本人研制出150W低温差斯特林发动机，工作温差为100℃。指示效率为50％。低温差斯特林发动机由于工作参数低，因
此结构简单、造价便宜、寿命长，适合于作废热回收发电动力。这样，100～300℃的废热均可用来发电。
6．其他利用型
斯特林发动机可用在汽车、潜水艇、宇宙飞船、人造心脏等等上，充分发挥其体积小、排热量低、噪音小等特点，研究应用十分广泛。
1.3 本文的主要研究内容
1．从斯特林发动机的特点出发，对斯特林发动机的原理和组成进行了详细分析。
2．从Stirling热力学循环理论入手，讨论了热气机的功率、效率及热损失计算，定性分析了影响热气机输出性能的各种因素，提出了改进热气机性能的若干措施。根据自己编写的斯特林发动机性能模拟软件的模拟结果基础上，以斯特林发动机技术的理论为指导，对斯特林发动机的性能进行预测。
3．根据斯特林发动机性能模拟分析，对所要求的斯特林发动机模型进行初步设计计算和加工制造。
4．建立了斯特林发动机实验台，完成了发动机模型的运行实验和加热运行的初步实验，测试了不同转速和温度条件下斯特林发动机模型的做功能力，验证了所设计样机热力学循环系统的合理性
5．利用斯特林发动机的外燃特性和可回收余热优势，通过从热力学的角度进行分析计算，得出了联合循环有意义的结论，从而为斯特林发动机在余热利用研究方面提供指导思想。
2 斯特林发动机组成及理论分析
斯特林引擎的基本工作原理是，通过工作气体的的加热膨胀、冷却收缩来做功实现的，通过气缸的外部对密闭空间内的工作气体进行控制，加热时活塞下降，冷却时活塞上升。实用性斯特林引擎是通过配置多个活塞和热交换器，从外部连续加热冷却使工作气体的压力发生变化来实现高速运转。本章将介绍斯特林发动机的基本组成、运动形式和配气活塞式斯特林引擎的工作原理。
2.1 斯特林发动机的组成
斯特林发动机是一种热—机械能的转换装置，因此，他的主要组成与内燃机等热机是类似的，即由热的发生系统、热—机械能转换系统、动力传递系统以及其他的保证发动机正常运转的一些辅助系统。一台能独立工作的斯特林发动机由下列系统组成：外部供热(燃烧)系统、闭式循环系统(热—机械能转换系统)、动力传动系统(包括工质密封系统)、负荷控调系统以及辅传动、冷却、起动等的辅助系统。斯特林发动机区别内燃机根本所在是外部供热(燃烧)系统和闭式循环系统。如图2－l所示。
外部燃烧系统的作用是给闭式循环系统提供能源，因此，凡是温度在450℃以上的任何发热装置都可以成为斯特林发动机的外部热源，例如：各种矿物燃料的燃烧装置、原子反应堆(可控核裂变热装置和放射性同位素的衰变热装置)、化学反应生成热装置、各种形式的蓄热装置、太阳能和激光能都可以作为斯特林发动机的外部热源。
闭式循环系统的功能是在较低的温度和压力水平下压缩闭式循环回路中的工质，并在较高的温度和压力下进行膨胀，获得正的膨胀功。在现代斯特林发动机中，闭式循环回路由冷腔、冷却器、回热器、加热器和热腔组成，并按上述顺序依次串联在一起，冷腔和冷却器处于循环的低温部分，压缩热量由冷却器导至外界；热腔和加热器处循环的高温部分，膨胀热由加热器供给。工质在系统中来回流动一次，完成一个循环，循环周期为2π。1．热膨胀腔
在循环过程中膨胀腔永远处于高温状态，在膨胀时相当部分的工质居于热膨胀腔。根据热气机的循环特性，膨胀腔必须能承受高温和高压，对它的要求比柴油机的燃烧室高的多，有相当一部分的热损失是由热的膨胀腔传出的。
2．冷压缩腔
在循环过程中冷压缩腔始终处于比环境温度，或比冷却水温度稍高一些的温度下，在压缩过程中有相当一部分工质居于压缩腔。
3．加热器
加热器的职能是将外部热源的热能传给系统，达到对工质加热膨胀的目的。加热器管的一端与膨胀腔联通，另一端与回热器沟通。
4．回热器
回热器串联在加热器和冷却器之间，是循环系统的一个内部换热器，它交替地从工质吸收和向工质释放热量，使工质反复地受到冷却和加热。从完成热力循环的箔度来说，回
热器并不是不可缺少的，但是，从运行经济性来看，回热器是一个极其重要的不可缺少的组件，是一个重要的节能装置。在性能较高的实际热气机中，回热器的蓄放热能力，约为加热器传热能力的3～5倍，为冷却器冷却能力的8～10倍。因此，如果取消回热器，在保证膨胀温度和压缩温度不变的情况下，不仅会导致加热器和冷却器容量大幅度增大，而且会使发动机的功率和效率降到不能接受的程度。
5．冷却器
冷却器位于回热器和压缩腔之问，其功能是将压缩热导到外界，保证工质在较低的温度下进行压缩。
凡是柴油机或汽油机能利用的传动系统，例如普通的曲柄连杆机构、斜盘或摆盘机构和液压传动机构等均可用于斯特林发动机。
图2-1斯特林发动机结构示意图
2.2 斯特林发动机的工作原理
由于是对小功率的斯特林发动机的研究，所以本文重点是研究单作用配气活塞式斯特林发动机，下面就重点介绍配气活塞式斯特林发动机的工作原理。
配气活塞式斯特林发动机只有一个气缸，其内置有两个活塞。靠近加热器一侧的活塞叫配气活塞，靠近冷却器一侧的活塞叫动力活塞。配气活塞的上方叫热腔(膨胀腔)，配气活塞下方与动力活塞上方所组成的腔室叫冷腔(压缩腔)。热腔、加热器、回热器、冷却器和冷腔串联在一起，形成一个完整的循环回路。如图2—2所示。同样，热腔和加热器处于循环的最高温度下，叫热区；冷腔和冷却器处于循环的低温区，叫冷区。因为配气活塞上下端的压力是一致的，所以它既不向外界输出功，也不从外界接受功，其功用是使工质在循环回路中来回流动，故有配气活塞之称。因为工质的来回流动是由配气活塞完成的，所以称为配气活塞式斯特林发动机。这类斯特林发动机的一个特点是，热腔是由配气活塞(热活塞)单独控制的，而冷腔则是由配气活塞和动力活塞联合控制的。
图2-2 单缸单作用斯特林发动机结构简图
图2-3 斯特林发动机热力循环的p-v图与T-S图
斯特林发动机的热力过程是按斯特林循环进行的。如图2—3所示。斯特林循环是由两个等温过程和两个等容过程组成的。
1．等温压缩过程1－2。压缩开始时，动力活塞处于下止点，配气活塞位于上止点，此时工作腔容积最大，温度最低，压力最小，即V1=V max ，T1=T min=T C ，P1=P mi n 。
在压缩过程1-2的期间内，配气活塞在上止点保持不动，动力活塞从下止点向上止点运动，工作腔容积随着动力活塞的向上运动而逐渐变小，工质被压缩，压力也随之逐渐增大。压缩热由冷却器导至外界，而保持温度T C不变，实现等温压缩。待动力活塞运动到上止点后压缩过程结束，此时工作腔容积最小，即V2=V min。为在恒定的温度T C下实现等温压缩，工质必须通过冷却器向外界释出压缩热Q C；同时，在压缩过程中外界必须对工质做功，外界所输入的压缩W1-2等于工质在等温压缩下向外界释出的热量Q C，工质内能不变，而熵减小。
2．等容加热过程2－3。在这一过程中动力活塞在上止点保持不动，配气活塞向下止点运动。由于动力活塞保持不动，不论配气活塞如何运动，工作腔容积始终不变(配气活塞向下移动式，活塞上端增大的容积等于下端减少的容积，即热腔所增加的容积等于冷腔缩小的容积)，即V 3=V 2=V min 。配气活塞从上止点向下止点运动的结果，工质从冷腔流入热腔，在流经回热器获得热量Q R ，使工质温度从T 2升高到T 3，而T 3=T E ，压力也相应地从p 2升高到p 3，但容积不变，实现了等容加热。在这一过程中，工质与外界无热交换，也不做功，但工质的内能和熵都增大。
3．等温膨胀过程3－4。在这一过程中，工质在最高循环温度T E 下完成等温膨胀，并向外界做功。膨胀开始时，配气活塞继续向下止点运动，而动力活塞也从其上止点向下止点运动，过程结束时两个活塞同时到达下止点。由于动力活塞从上止点运动到下止点，工作腔容积从V 3=V min 增大到V 4=V max 。工质在最高的循环温度T 3=T 4=T E =T max 的状态下完成等温膨胀，必须由加热器从外界向工质提供热量Q E 。工质在膨胀过程中向外界做功，其值W 3-4。等于外界供给工质的热量Q E 。工质内能不变，但熵增大。
4．等容冷却过程4－1。配气活塞从下止点迅速返回上止点，而动力活塞在下止点保持不动，待配气活塞到达上止点后过程结束，完成一个循环。由于配气活塞从下止点返回上止点，其结果是使工质从热腔返回冷腔；流经回热器时，回热器吸收了工质的部分热量，使工质的温度从循环最高温度T 4=T E =T max 下降到最低温度T C =T max =T 1。因为动力活塞不动，故工作腔容积不变，V 4=V 1=V min ，过程是等容的。循环压力也由P 4下降到P 1。至此，全部参数回复到循环的起始状态。回热器将从工质中吸收的热量贮存起来，在下一个循环的等容加热过程2－3中再传给工质。在等容冷却过程中，工质与外界无热交换，也不做功，但内能和熵均下降。
2.3 斯特林发动机热效率分析
依据上述循环系统的热力分析，和参考文献[1]得：
斯特林发动机的循环效率为：
[])]
1)(1(+ln )1[(]ln )1)(1[(=ln )1(+)1)(1(ln )(=0000τεV γV τγV γτεT nC V T T nR ηE V C E ——ｌ——————— (2-1) 其中，回热器有效性ε定义为：ε=(T ＇E -T C )／(T E -T C )；系数τ=T C ／T E ；γ=C P /C V ；V 0=V 1/V 2；
由此可以看出若回热器工作不完善时，ε<1，循环效率η<ηC (卡诺效率)；但当回热器工作完美时，有ε=1，即，η=ηC =1-τ。则在理论上斯特林发动机的循环效率与卡诺循环的效率是相等的。一般回热器的效率ε=0.98～0.99，所以斯特林发动机有较高的热效率。并且由图2-3所示，用两条等容线代替了卡诺循环的两条等熵线(3—3’，1—1’)斯特林循环具有大的示功面积，在压力、温度和容积变化的上下限相同的情况下斯特林循环要比卡诺循环多做功，因此，斯特林发动机高的行程容积功率是普通的活塞式内燃机所望尘莫及的。
2.4 小结
本章节主要就斯特林发动机的组成及原理进行了分析阐述。从理论上来说，斯特林引擎与卡诺循环一样拥有高的热效率。作为外燃机不选择热源，因此可利用燃料或者太阳能，生物能的余热，而且燃料的充分燃烧使得废气较为清洁。但是一内燃机相比，每个单位输出功率的重量、容积及成本都显劣势，所示暂时还不能代替内燃机，但作为一种环保引擎，其拥有广阔的发展空间。本章通过对组成和原理的学习，对斯特林发动机进行了进一步的了解，为下一步引擎的性能分析做好了准备。
3 斯特林发动机性能分析
斯特林发动机作为动力装置，评价其性能好坏的主要指标是其输出功率和效率。从发动机的组成来看，尽管影响发动机性能的因素很多，但是主要的影响因素还是闭循环系统的设计参数(包括加热器、回热器、冷却器的参数、传动机构的参数等)和运行条件参数(包括转速、工作介质的平均压力、加热温度和冷却温度等)。
在发动机实际循环稳态性能的分析中，目前主要以G.Schmidt提出的施密特循环理论为依据，在此基础上，M.R.Martini提出了等温分析法。等温分析法则考虑了工作介质的损失，假定气缸内的换热过程是等温的，计算一个循环的基本功，并假定各种损失互不影响，分别考虑工质的流阻损失、活塞的穿梭损失，泵气损失、各部件的导热损失、回热器的补热损失等，再修正基本功的计算公式，进而计算出输入热量、指示功、指示效率。确定机械摩擦损失后，可计算出发动机的有效功率和有效效率。本文结合施密特循环理论和等温分析法，对斯特林发动机的功率、效率以及各种损失的计算、结构参数和运行条件对性能的影响等问题进行分析，通过模拟发动机的性能特性，从而得到提高发动机性能的途径，为发动机的设计提供指导性意见。
3.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算
3.1.1 数学模型的建立
实用等温分析法，之所以强调实用两字，是因为它与别的计算方法比较，即简单又较精确，作为斯特林发动机功率和效率的初步估算是最合适的一种方法。此外，这种方法实用之所在，还在于它适用与各种传动机构，不必使用经验修正系数，而所谓的经验修正系数往往是有局限的，缺乏普遍指导意义。
对热气机热力性能计算采用的是Martini实用等温分析法，且是基于下列条件进行的：热气机的结构型式是配气活塞式单缸发动机机：传动机构采用曲柄连杆式；加热器、冷却器采用管式；回热器用环形结构；工质为空气；燃料为生物质。
图3-1 曲轴运动示意图
(1)对曲柄连杆式传动机构进行运动学分析，确定连杆之间的关系式，推导出各个活塞的位移方程，及膨胀腔容积、压缩腔容积随曲轴转角的变化公式。
由图3-1可知：膨胀活塞的行程S ex为：
S ex =L CR +R C -R C cosα-L CR cosβ (3-1) 压缩腔活塞行程S CX 为：
S CX =2R C -S ex α=90° (3-2)
膨胀腔容积V ex ：
V ex =4
1πD cy 2 S ex (3-3) 压缩腔容积V cx ：
V cx =4
1π(D cy 2-D Dp )S cx (3-4) 其中：D cy —气缸直径；D D p —活塞杆直径。
(2)根据加热器、冷却器和回热器的实际结构形式，建立计算其工作容积、冷热区容积和工作腔总容积随曲轴转角的变化公式。
热区容积V H 为：
V H =V ex +V HD
(3-5) 冷区容积V C 为：
V C =V cx +V KD (3-6)
循环系统总容积V T 为：
V T =V H +V C +V RD (3-7)
其中：HD V —加热器组的通流容积；V KD —冷却器组的通流容积；V RD —回热器组的通流容积；
(3)根据计算出的冷热腔容积、冷热区容积和工作腔总容积，考虑各区温度，推导出计算循环压力、循环功随曲轴转角的变化公式。
a ．循环压力'p 为：
'p =C
C R R
D H H T V T V T V ++1 (3-8) b ．工质的平均循环压力'm p 为：
'm p =(
∑°
360°
15=?'p )／24 (3-9) 其中：R T =0.8(H T -C T )/ln C H T T ； c ．循环功
求出了循环压力p 和循环容积T V 后，即可用梯形法算初总循环功CT W ，即
CT W =Y ·∑24
1ΔCT W (3-10)
∑
241ΔCT W =∑°3600=n )1+()(2+n n p p （)1+n (T V -)n (T V ） (3-11)
其中Y =1.045(单位换算系数)。)(n p 、)1+(n p 分别是n 点和1+n 点的压力，n V 、1+n V
点的总体积(冷腔体积，热腔体积和死容积的和)本文将一个循环360°角度作24等分，每等分15°曲柄转角，因而角度增量为15°。
单缸循环功率：
out P =t W ·n ／60 (3-12)
其中：n —发动机的转速；
(4)根据热区檬冷区的压力、容积和温度，算出各区工质质量百分比随曲轴转角的变化值，推导出流过加热器、冷却器和回热器的质量流率。由参考文献[1]可得。
(5)流阻损失计算
流阻损失其实是一种摩擦损失，由于实际热力循环与理想斯特林循环的不同，工质通过加热器、冷却器和回热器时必然产生压力降，由此造成热腔与冷腔之间的压力差，压力下降的结果导致膨胀功减小、压缩功升高。根据工质通过的区域，流阻损失可分为回热器流阻损失R p Δ、加热器流阻损失H p Δ和冷却器流阻损失K p Δ。首先推导出三个换热器的压降，再推出其流阻损失功率计算式。
(6)热损失
热气机中的热损失情况比较复杂，主要的热损失包括热传导损失C Q 、回热器的补热损RH Q 、活塞的穿梭损失SH Q 、泵气损失PU Q 等。除上述主要的热损失之外，还有其它方面的热量损失。由于热损失情况的复杂性，目前只能对主要的热损失进行近似计算，其它方面的热损失相对较小，可以不予考虑。具体计算公式见参考文献[1]。
(7)热量计算
基本输入热量：
B Q =out P ／(1-
C T ／H T )； (3-13)
需要的净热量：
H B N Q Q Q Δ+=-PH P -PR P ／2； (3-14)
其中，PU SH RH C E Q Q Q Q Q +++=；E E H Q Q Q Δ05.0+Δ=Δ。
(8)循环效率：
t s P η=/H Q ； (3-15)
(9)有效效率和有效功率：
e P =i P ·F η· m η (3-16)
m F s e ηηηη??= (3-17)
其中，F η—外燃系统效率；m η—机械效率。
3.2 斯特林发动机性能模拟及影响性能因素
从等温分析法的功率计算可知，实际的输出功率为理论循环功率与各项流阻损失的差。影响理论循环功率的因素有平均工质压力、行程容积、温度比、行程容积比、死容积比、转速、工质的质量、热交换器的换热面积、热交换长度等。
从等温分析法总效率的计算公式(3-17)可以看出，总效率为燃烧室效率、理论效率、循环效率和机械效率的乘积。人们对燃烧系统和机械摩擦方面的认识已比较充分，一般将外部燃烧系统的效率和工作机构的机械效率取为一估计值，而把研究的重点放在热力循环部分。由于Stirling 循环的理论效率与热腔和冷腔的有效温度有关，而影响循环效率的主要因素是流阻损失和热损失的大小。这两部分效率都与热气机的结构参数和运行体积有关。影响回热器补热损失的主要因素有回热器的温差、回热器芯的换热面积、回热器中的工质质量、回热器长度、丝网金属丝直径、单位面积流量等：影响活塞穿梭损失的主要因素有配气活塞行程、工质的导热率、冷腔直径、气隙长度、配气活塞长度、热腔温度、冷腔温度等：影响泵气损失的主要因素包括缸径、热帽长度、热腔温度、冷腔温度、工质的最大和最小压力、热帽间隙、等容比热等；而导热率又分别指气缸壁、活塞壁、回热器芯、回热器壁、工质的导热率，与材料类型或工质类型有关，温差主要是这些部件冷热两端的温度差，而导热面积则是这些部件的截面积，与部件的形状和结构尺寸有关。
在这里，本文主要研究热力特性(如温度、压力、转速)对斯特林发动机工作性能的影响。
热区容积、冷区容积、总容积、循环平均压力均是曲柄转角的函数，其变化趋势是正弦曲线。
3.2.1 膨胀腔、压缩腔示功图和总示功图
图3-2膨胀腔的示功图
图3-3压缩腔的示功图
图3-4总示功图
如图3-4可知，示功图的面积表示膨胀腔和压缩腔的膨胀功与压缩功，总工作腔面积表示发动机的指示功，它实际上完全等于膨胀腔和压缩腔的示功图面积之差。总工作腔的示功图面积应是发动机主要的判定标准，面积越大，发动机越好。
3.2.2温度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响
1．当温度一定时，功率、效率随压力的变化关系
众所周知，平均循环压力是活塞式发动机气缸做功能量的衡量标准。如图3—9所示，可以看出，在转速不变的情况下，工质的压力与发动机的输出功率成正比；并且热端温度越高，输出功率越高。因为在转速不变的情况下，发动机的周期换热功率损失、流动阻力损失功率和机械损失等与工质的压力成正比，因而功率曲线为一直线。发动机效率则随工质压力的增大而增大；热端温度越高，循环效率越大。这是因为发动机循环系统热损失与工质压力基本无关，在转速不变的情况下热损失率为一定值，而功率却随工质压力成比例增大，故循环热效率随工质压力得增大而增大。
2．当压力一定时，功率、效率随热端温度的变化关系
提高加热器温度或降低冷却器温度都能使斯特林发动机的功率和效率提高。图中很清晰地表明了实际发动机的功率和效率随热端温度的增大而增大，随冷却器(冷却水进口温
度)温度的下降而增大的关系。并且可以得出，增加热端温度比降低冷端温度更具有明显的效果，但基于材料属性的限制，所以提高热端温度也受到一定的限制，因此，在考虑提高热端温度的同时，也可以考虑同时降低冷端的温度。
3．发动机转速与功率、效率的关系
在理论上，当工质压力一定时，发动机循环功不变，而斯特林发动机的功率和效率与转速成正比，但在高转速区和低转速区稍有下降，在高转速区功率下降的主要原因时工质的流阻急剧增大之故，在低转速区下降的主要原因是工质相对泄漏率增大和机械效率下降所引起的。因而存在一个最佳转速值。
4．工质的变化与发动机功率、效率的关系
在相同运行条件下，氦气比空气有更高的输出功率。这是因为氦气具有良好的热物理特性，如高的换热率和较低的流动阻力损失等。在高压和高转速下运转的高比功率和高热效率的斯特林发动机必须使用氦气或氢气作工质，以期达到必需的传热传质率和低的流阻损失，但密封却是个严重的问题。这就需要增大成本。来解决密封问题。而对于空气作工质的发动机，工质易于从大气补给，密封不成问题，机器机构简单，便宜、可靠。
3.3 结论
总结本章内容，可以得到一下结论：
1．在等温分析法的基础上，建立了数学模型.
2．对斯特林发动机性能进行探究，发动机性能随运行条件的变化具有如下特点：
(1)随加热温度，介质压力的增大，输出功率和循环压力也相应提高；
(2)一般来说，温度、压力和转速均较低时，随着运行条件的变化，输出功率变化的绝对值较大，而在温度、压力和转速均较高时，输出功率随运行条件变化的幅值较小。但是，并不是在最高的温度、压力和转速处输出功率的变化最大，而往往是其中两个较高而另一个不为最高时输出功率变化的绝对值最大；
(3)当转速增加到一定值时，输出功率达到最大，如果再增加转速，由于一系列损失的增大，输出功率和循环效率又将降低。
(4)在相同运行条件下氦气比空气有更高的输出功率和循环热效率。这由工质的热物理性质决定的。
3．通过探究发动机的性能特性，从而得到提高发动机性能的途径，为下一步发动机的优化设计提供了指导性意见。
4 斯特林发动机模型设计制作
4.1 斯特林发动机的设计类型
斯特林发动机大致可分为两种不同的类型，即单作用机和双作用机。
单作用机是由压缩腔和膨胀腔与换热器相连接，置于同一气缸或分置与两个气缸中，有两个往复运动件；其中一个必须是动力活塞，另一个则可以是动力活塞或配气活塞。每个组合都形成一个完整的能独立工作的系统，并可与其它的单作用系统连在同一根曲轴或其它形式的传动机构上。
双作用斯特林发动机是一种多气缸的集合体。各缸中的膨胀腔通过换热器与相邻的压缩腔相连。每缸只有一个往复运动件；动力配气活塞。组成发动机的斯特林循环系统数与缸数相等。
双作用机的最大优点是往复运动件的数量要比单作用多缸机少一半，这将大大简化发动机的传动系统，其成本也因而降低。双作用机的主要缺点是设计的灵活性不大，运动条件较差，另一缺点是研制双作用机时，必须从整台的多缸机着手，这不如搞一台单缸试验机，然后再演变成多缸机为好。而且单作用机更适用与小型的发动机，这对于斯特林发动机的初步设计更容易些；因此，本文选单作用机为设计对象。
4.2 斯特林发动机设计参数的选择及确定
可独立选择的斯特林发动机主要设计参数有：
1．温度比τ=C T ／E T 为冷压缩腔和热压缩腔温度的比值；
2．行程容积比κ=C V /E V 为冷压缩腔行程容积和热膨胀腔扫容积的比值；
3．附加容积比χ=D V ／E V 为换热器总流通容积(包括连接管道和气口的容积)与热膨胀腔行程容积的比值；
4．相位角口膨胀腔容积相对冷压缩腔容积变化的提前角；
5．工质压力以平均循环压力或最大循环压力表示；
6．发动机转速n ；
7．热膨胀腔往复运动件的直径和行程；
从上章发动机的性能模拟明显可知，斯特林发动机功率和负荷与发动机转速n 、工质压力max P 和以总行程容积T V 表示的发动机尺寸成线性关系。但4个主要的设计参数(τ、κ、α、χ)对性能的影响不易看出，尤其是这4个参数应如何综合选取以期获得最佳性能更不清楚。因为这4个参数再设计阶段必须选定，而且除温度比外，其他3个参数一经选定就不好改变，除非改变机器结构，故这些参数必须慎重选取。
根据参考文献[1]，如图4-1～4-5所示，分别列出了以上几个独立参数对发动机性能的影响。表明了参数τ、κ、α和χ中的任一个改变时(除非3个不变)分别对无因次循环功P ／(T V p max )的影响。
自制简易斯特林发动机 吉林省松原市前郭县教师进修学校刘文白 斯特林发动机，又称作外燃式发动机。与传统的蒸汽机和内燃机相比，它没有复杂的配气系统，能使用各种能源。它的工作介质（一般就是空气）在封闭的气缸内往复流动，既不象蒸汽机那样需要高压水蒸汽和消耗水，也不象内燃机那样爆炸燃烧，因此制作容易，成本低廉，安全环保，作为热机教学的辅助教具是很合适的。 制成的简易斯特林发动机实物图如图一，工作原理请参看图二和图三。 图1 实物图
图2 斯特林发动机剖面图 ①热置换气缸②热置换活塞③动力气缸④动力活塞⑤支架⑥曲轴⑦飞轮 图3 斯特林发动机工作过程
材料和工具： 铁制八宝粥易拉罐3个。自行车辐条3根，要求辐条帽能在辐条杆上自由滑动。空牙膏管一个。废旧的光盘3张。气球一个。有韧性的泡沫塑料一块（如拖鞋底）。大头针一个，直径2毫米铁丝20厘米。透明胶布。废圆珠笔管。 使用的工具为钳子，剪刀，电烙铁和焊锡（也可以使用二合一强力胶），锥子或钻，直尺，圆规。 制作方法： 本设计使用的是八宝粥罐易拉罐，因为它的开口是一个大圆形，而饮料易拉罐的开口较小，需要扩口。文中所给尺寸没有严格要求，并尽量说明设计原理，以便读者可以用其它容器自行设计制作。 一、加工支架易拉罐 取一个易拉罐，在距罐口2厘米处左右对称地钻两个孔，孔的直径略大于自行车辐条的直径。这两个孔是曲轴主轴（参见图1图2图5）运转孔。 在此易拉罐的底部正中钻一个孔，插入自行车辐条帽。为了保证辐条帽的螺孔和易拉罐的轴心同心，在易拉罐塑料盖的中心扎一个小孔，盖在罐口。用一根辐条穿过辐条帽，再从塑料盖的小孔伸出，用电烙铁将辐条帽和罐底焊在一起。见图4。此孔是热置换活塞杆滑道。 图4 支架易拉罐底部图
斯特林发动机原理图解 如图1 把橡皮绑在容器口上，我们能容易瞭解到受热时橡皮会膨胀(图2)，冷却时橡皮会缩收(图3)，这是加热时，内部气体压力作用在橡皮上(图2)，当然人的眼睛是无法看到气体压力的。 A2移气器 如果我们放入一个移气器(Displacer)到容器内(图4)，而这个移气器的直径比容器的内径小一些，当移气器自由上下移动时，即可以把容器内的气体挤下或挤上。这个时候，如果我们在容器底端加热，而在容器上端冷却，使上下两端具有足够的温差，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。其原理如下： 当移气器上移，容器内的气体被挤至容器底端，此时由於容器底端加热，因此气体受热，压力变大，此压力经由活塞与容器间的空隙传到橡皮，使得橡皮会膨胀(图5)。 相反的，若施以适当的力量把移气器下移，则容器内的气体被挤至容器上端，此时由於容器上端為冷却区，因此气体被冷却，使气体温度降低，压力变小，而使得橡皮会缩收(图5)。 如此，不断使移气器自由上下移动，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。 由此，可知移气器的功用主要在於移动气体，使气体在冷热两端之间来回流动。国立成功大学航太系郑金祥教授把 Displacer 命名為”移气器”，实在更為贴切，也比较不容易混淆，比较不会使人误以為它的作用跟输出功率的动力活塞一样。
A3 曲柄机构 要让移气器上下移动，只要将移气器与一曲轴连结(图6) 。当曲轴旋转时，移气器就会被带上及带下。将移气器与曲轴连结完毕之后，在容器底端加热上端冷却，只要用手转动曲轴，使得移气器移上及移下，此时橡皮便会重复膨胀及收缩(图7)。 A4 动力活塞 橡皮的膨胀及收缩运动，可以转换為动力输出，此时，橡皮的作用即如同一动力活塞。我们可以另加一根连桿接到上述的曲轴上，便可将橡皮的膨胀及收缩运动转换為曲轴的旋转运动。连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位必须呈固定的角度差，一般是90度(图8,9)。橡皮的膨胀及缩收所產生的曲轴的旋转运动提供了移气器上下移动的力量，多餘的力量则可以输出。必须注意的是，移气器本身不会动，而是被曲轴带动，动力来源是动力活塞。
斯特林发动机的工作原理及应用前景 【摘要】随着全球能源危机的发展与环境的恶化，传统的化石燃料日益枯竭，且燃烧的排放物造成了温室效应、雾霾天气及极端的气候等人为的灾害，为了地球的可持续发展和人类生活水平的改善，人们清楚地认识到开发利用新能源的重要性。其中，可再生能源的利用越来越广泛，可再生能源对环境无害或危害极小，且资源分布广泛。越来越多的国家采取鼓励生产和使用可再生能源的政策和措施，中国也确立了到2020年可再生能源占总能源比重15%的目标。外部燃烧系统的作用是给闭式循环系统提供能源，闭式循环系统由冷腔、冷却器、回热器、加热器和热腔组成，工质在闭式循环系统中来回流动一次，完成一个斯特林循环。 【关键词】发动机；原理；前景 1 斯特林发动机闭式循环系统的组件简介 （1）冷腔处于循环的低温部分，和冷却器联接，压缩热量由冷却器导至外界，在压缩过程中有相当一部分工质居于冷腔。 （2）冷却器位于回热器和冷腔之间，功能是将压缩热传到外界，保证工质在较低的温度下进行压缩。 （3）回热器串联在加热器和冷却器之间，是循环系统的一个内部换热器，它交替从工质吸热和向工质放热，使工质反复地受到冷却和加热。回热器并不是必需装置，但它对发动机的效率影响极大。在往复式斯特林发动机中，回热器的使用既使斯特林循环的热效率明显提高，但又增加了工质的阻力和压力损失，工质吸热、散热交替进行，限制了斯特林发动机的转速，影响了功率的输出。因此，优化回热器的设计是斯特林发动机的核心技术问题。 （4）加热器加热器是将外部热源的热能传给工质，使其受热膨胀。加热器的一端与热腔联接，另一端与回热器联接。 （5）热腔始终处于循环的高温部分，连续地将外部热源传给工质，在膨胀时相当部分的工质居于热腔。因此其必须能承受高温和高压，大量的热损失是由热腔散失的。 2 斯特林发动机的基本结构 根据工作空间和回热器的布置方式，斯特林发动机可以分为α、β和γ三种基本类型。 α型斯特林发动机的结构最简单，具有两个汽缸，两个汽缸中间通过加热器、回热器、冷却器连通，热活塞和冷活塞分别位于各自的汽缸内，热活塞负责工质
制作热声效应斯特林引擎 十九世纪的吹玻璃工人，偶尔会听到被加热的玻璃管自然发出神秘的单音，这令人费解的声音其实是热机的另一种输出形式。一般的引擎以转动的形式输出能量;声音也具有能量，只不过以空气作为传递的媒介。 热声效应的原理 空气振动形成声音，声音发生时，为方便讨论，将传播声音的空气分成无数小块空气，应用牛顿力学来分析空气振动的情形，会得到声音的波动方程式，此方程式的解显示：声音传播时，各个小块空气都会发生膨胀收缩和位移。如果小块空气被压缩后，再被加热膨胀，对周围空气作较大的正功;之后这小块空气又先被冷却，再被压缩，作较小的负功 (周围空气对这小块空气作较小的功) 。虽然这小块空气并非对活塞或涡轮作功，而是对周围空气作功，事实上也完成了工作流体加热后膨胀，冷却后被压缩的热机循环，把热能转换成声音振动的能量，增加声音的强度，此即所谓“热声效应”。 凡是利用工作流体在冷、热区间移动，执行压缩的工作流体经加热而膨胀作正功，膨胀后先冷却再压缩作负功的热机循环，这样的机构都被归类为斯特林引擎。利用热声效应把热能转换成机械能的装置，也就称为热声效应斯特林引擎(thermoacoustics stirling heat engine) ，热声效应斯特林引擎大致可分为驻波(standing wave)和行波(traveling wave)两种。 驻波型斯特林引擎的作功原理 驻波型斯特林引擎，基本上是一端闭口，一端开口的管状共振腔，在共振腔内近闭口端装有热片堆(stack)，热片堆中有许多平行共振腔轴向的密集穿孔。热片堆在靠近闭端温度较高，另一端温度较低，于是延共振腔轴向的温度梯度(temperature gradient)相当大。 当驻波发生时，热堆片穿孔中的各小块空气(工作流体)向闭口端位移，而被压缩，同时移向热片堆较高温处，该小块空气在热穿透深度(thermal penetration depth)以内的部分，会被热片堆加热，使得温度升高，随即膨胀对周围空气做较大的正功，驻波的能量于是加大，小块空气也随着膨胀，同时移至热片堆的冷端，当能量增加的驻波再度压缩这小块空气时，此小块空气已先被较低温的热片堆冷却，只消耗较少的声波能量即可被压缩。于是，热能便不断地变成驻波的能量。 动手做驻波型斯特林引擎 本文介绍一种驻波型热声效应斯特林引擎的制作方法，所需材料都是一般实验室常见的东西：
https://www.doczj.com/doc/814099638.html, 斯特林热机发展综述1 丁国忠张晓青郭方中胡兴华张春萍 华中科技大学能源与动力工程学院制冷与低温工程系武汉430074 Email:ding_guo_zhong@https://www.doczj.com/doc/814099638.html, 摘要：在当前能源紧张的情况下，利用太阳能发电技术成了政府和企业非常关注的重要课题，本文论述了太阳能斯特林热机的发展，针对实际应用中的难点问题进行了讨论，为太阳能斯特林热机的发展提供参考。 关键词：斯特林热机，太阳能，综述 1.引言 能源问题成了一个世界性关注的焦点，在石油和煤炭资源逐渐减少的今天，对于可再生能源的利用获得了很多政府的资助和支持。我国863和973国家项目都提高了对太阳能等可再生能源利用项目的资助。太阳能作为地球最大的可再生能源，在近年来获得了更多的利用和发展，中国也成为了太阳能热水器生产的最大输出国，太阳能光伏电池也得到了迅速的发展，但是利用太阳能效率最高的斯特林发动机在中国的发展却非常不够，在日本每年都有斯特林发展的技术论坛。本文将对斯特林热机的发展和关键问题进行讨论。 目前我国电力供应持续紧张，无法满足人们生产和生活需要，同时，采用化石燃料供电对环境造成了严重污染，因此，新能源发电方式越来越引起社会的热切关注。斯特林热气机是完成热功转换的高效装置，并且对热源品位要求较低，适于以热能形式利用太阳能。近年来，发达国家加快对斯特林太阳能热发电方式的研究，其研究的方向主要集中在提高系统稳定性和降低系统发电成本方面；我国曾有少数科研院所从事过船用斯特林热气机、燃烧式（以麦杆等为燃料）斯特林热气机的研发工作，但最终以电能形式利用太阳能的斯特林发电系统尚未见成功实例。 2.斯特林热机的发展 2.1 斯特林热机发展概况 最早的斯特林热机源于1816年斯特林发明的回热式热机，专利号是4081，此热机小，功率输出是100W-4kW，并且它很快就被随后的内燃机所取代。 1864年Ericsson发明了使用反射镜加热排出器气缸热端的太阳能驱动的热空气机[1]，随后几年做了一些改进。 第二代斯特林热机始于1937年，荷兰的飞利浦公司采用新材料技术把斯特林推上了一个很高的水平，在对传热和流体物理知识更好的理解下，对结构也做了重大改进，其中最重要的是菱形结构设计，提高了热机的稳定性。为乡村和偏远地区使用的斯特林也得到很多的发展，比如古朴塔[2]研究了1.9kW太阳能驱动的热机，热机效率5.7％，整个效率是2.02％。 随后产生了带透明石英窗口的斯特林热机、带集光收集器的斯特林机和太阳碟式热机技术。在大量太阳能技术中，碟式斯特林系统被认为拥有最高的太阳能到电能的转换效率。在太阳能碟式斯特林系统中一般采用高温高压氦气做工质的斯特林热机。其热电转换效率大约40％。太阳碟式热机技术是最老的太阳能技术之一，上世纪70年代末和80年代初，Advanco Corporation、United Stirling AB、McDonnell Douglas Aerospace Corparation(MDA)和美国能源部及NASA喷气推进实验室都研究了现代太阳碟式热机技术。Davenport等[3]报道的第二代碟 1本课题得到国家自然科学基金（50576024）和博士点基金（2003 0487046）资助。
简易斯特林发动机制作原理 史特灵引擎属於外燃引擎，只要高温热源温度够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、牛粪、丙烷、天然气、沼气（甲烷）、丁烷与石油在内的任何燃料，皆可使之运转，不同於必须使用特定燃料的汽油引擎、柴油引擎等内燃引擎。 A.基础篇 A1气体的特性 如图1把橡皮绑在容器口上，我们能容易瞭解到受热时橡皮会膨胀(图2)，冷却时橡皮会缩收(图3)，这是加热时，内部气体压力作用在橡皮上(图2)，当然人的眼睛是无法看到气体压力的。 A2移气器 如果我们放入一个移气器(Displacer)到容器内(图4)，而这个移气器的直径比容器的内径小一些，当移气器自由上下移动时，即可以把容器内的气体挤下或挤上。这个时候，如果我们在容器底端加热，而在容器上端冷却，使上下两端具有足够的温差，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。其原理如下：当移气器上移，容器内的气体被挤至容器底端，此时由於容器底端加热，因此气体受热，压力变大，此压力经由活塞与容器间的空隙传到橡皮，使得橡皮会膨胀(图5)。 相反的，若施以适当的力量把移气器下移，则容器内的气体被挤至容器上端，此时由於容器上端为冷却区，因此气体被冷却，使气体温度降低，压力变小，而使得橡皮会缩收(图5)。 如此，不断使移气器自由上下移动，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。 由此，可知移气器的功用主要在於移动气体，使气体在冷热两端之间来回流动。国立成功大学航太系郑金祥教授把Displacer命名为”移气器”，实在更为贴
切，也比较不容易混淆，比较不会使人误以为它的作用跟输出功率的动力活塞一样。 A3曲柄机构 要让移气器上下移动，只要将移气器与一曲轴连结(图6)。当曲轴旋转时，移气器就会被带上及带下。将移气器与曲轴连结完毕之后，在容器底端加热上端冷却，只要用手转动曲轴，使得移气器移上及移下，此时橡皮便会重复膨胀及收缩(图7)。 A4动力活塞 橡皮的膨胀及收缩运动，可以转换为动力输出，此时，橡皮的作用即如同一动力活塞。我们可以另加一根连桿接到上述的曲轴上，便可将橡皮的膨胀及收缩运动转换为曲轴的旋转运动。连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位必须呈固定的角度差，一般是90度(图8,9)。橡皮的膨胀及缩收所產生的曲轴的旋转运动提供了移气器上下移动的力量，多餘的力量则可以输出。必须注意的是，移气器本身不会动，而是被曲轴带动，动力来源是动力活塞。
斯特林太阳能发电机 25KW太阳能斯特林发动机 1816年，苏格兰牧师罗伯特?斯特林（RobertStirling）发明了一种独特的外燃热机。这是一种外燃的闭式循环往复活塞式热气机，有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。此种热气机被称为斯特林发动机。时隔近200年后的今天，伴随太阳能发电技术的开发，这种斯特林机正在被应用在太阳能光热发电领域。记者日前获悉大连星火新能源发展有限公司研发成功25KW太阳能斯特林发动机，就此采访了该公司总经理王振声。 中国储能网：请简单介绍一下斯特林发动机的特点和当前的应用范围？ 王振声：斯特林发动机也称外燃机，它的发明距今已有近200年时间，和蒸汽机的历史差不多，它的特点首先是燃烧连续，由于工质不燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，适用于各种热源，对燃烧方式无特殊要求，体积小、重量轻、噪音低、寿命长、维护方便、燃烧效率高。这种热气机目前在世界上应用于军事领域较多，特别是在潜艇上的应用十分广泛。 中国储能网：太阳能斯特林发动机的工作原理是怎样的? 王振声：太阳能斯特林发电系统通过太阳能聚焦装置收集太阳光，再反射到系统的集热器上，巨大的热量加热斯特林发动机中的惰性气体（一般是氦气），气体受热膨胀推动活塞运动，从而带动发电机发电。 中国储能网：相对目前太阳能发电领域主流的太阳能发电技术，斯特林发动机应用于太阳能热发电领域的优势在哪里？ 王振声：光伏方面，无论是单晶硅、多晶硅或薄膜电池技术应用在光伏发电上的光电转化效率一般都在8%—15%左右，而且其转化效率衰减快，一般3—5年就衰减5—8%。而且目前应用较广的多晶硅太阳能发电技术，其多晶硅生产过程本身就是一个高污染、高排放、高耗能的过程，生产能耗需要3—5年才能回收； 光热方面，目前应用较多的太阳能槽式、塔式光热发电的光电转化率也只有9%和11%。 相比之下，碟式太阳能斯特林光热发电的光电转化率高达33%。而且还存在应用灵活、无需消耗大量水资源、占地面积小等优势。 中国储能网：请简单介绍一下斯特林光热发电的应用范围？ 王振声：斯特林光热发电由于其自身的特点，不但可以应用于建设大面积的光热发电站，也可采取风光互补的发电方式，应用于现有的风电场；同时还可以采用光热、燃气综合加热的混合发电方式。同时，也特别适合在沙漠、山丘等缺水地区；适合于在缺水、缺电的偏远海岛、农村、牧区、海洋钻井平台等地区建立分布式电站，也适用于城市楼宇家用小型电站离并网供电方式。 中国储能网：相对其他的太阳能发电方式，斯特林光热发电的经济性如何？ 王振声：碟式太阳能斯特林光热发电达到批量化应用后，其成本预计可以达到1美元/瓦，与光伏发电的投资成本接近，更低于传统的槽式光热发电的2.7美元/瓦和塔式光热发电2.5美元/瓦的平均成本。从经济性上分析，斯特林光热发电具备较强的市场竞争力。
简介：斯特林引擎(Stirling Engine)的优势特色与问题 从Stirling Engine 的原理与结构来看，它有几项颇具优势的特点： 1.、其使用外部热源，因此只要是能够产生热，皆可用来做为推动的能源， 所以并不仅限于可燃烧的燃料。而由于内燃机常令人诟病其排放的废气，会产环境污染的问题，因此能够使用地热、太阳能等自然的能源来运作StirlingEngine，显然在此方面是具有优势的。 斯特林发动机原理 2.、虽然Stirling Engine 常被归类于外燃机，但实际上，只要能够产生温差， 就能够成为运作的能源，因此使用低温流体，如乾冰、或冰水，同样可使Stirling Engine 进行运作。 3.、由于Stirling Engine 外部热源与工作气体(Working gas)是分开的，因 此没有燃烧废弃物堆积于内部的问题，使用的润滑油周期较持久。 4、由于热源位于外部，因此在调整控制上，比内燃机容易得多。 5、热源的提供是连续性的，较不会有燃料燃烧不全的情形。 6、比起其他引擎，它的构造很简单，不需要阀门，也没有化油器等机构。 7、运作的温度与压力比起蒸气引擎或内燃式引擎要低且安全的多，因此引擎强度与重量不需要很要求很高。 8、没有燃烧爆炸的作用，运作也很安静，没有剧烈的震动。 以上就是Stirling Engine 的发展优势。然而，既然Stirling Engine 具有优势，但为何当初它并没有成为普遍的动力系统?显然它仍然有一些问题有待克服或替代方桉：
斯特林发动机原理 1、无法避免热源对热室的侵蚀。毕竟高温差使得其运作效率提高，但也相对的会使活塞机构产生高温或低温侵蚀性的影响，引响运作寿命。 2、虽然在低温差可以运作，但要在低温差下产生大量的动能时，引擎的体积就会很巨大。 3、高低温差的控制很困难，尤其取决于引擎的隔热包装技术。如果无法有效控制，会徒增能源的散逸，减低效率。 4、刚开始Stirling Engine 无法迅速运转，它必须经过一段“暖机时间”。 5、要改变它的能量输出等级是很难的，它无法像内燃机一样用燃油多寡直接去控制动力的大小。 6. 最好的工作气体是使用氢等分子量小的气体，但这些气体不易保存。 所以，以上的这些特性与问题，造成了Stirling Engine 发展的兴衰。以目 尽管如此，Stirling Engine 仍被利用在进行乾淨、环保的长时期稳定运作的电力生产与低温冷冻上。
关于斯特林发动机的研究与发展 学号：13015218 姓名：彭俊图摘要:简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯 特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。 关键词:斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统 随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途径之一。斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，噪音低，运转特性好，结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的关注。国外一些专家预言，21 世纪将是斯特林发动机的 世纪。
1 斯特林发动机的发展 1816 年，罗伯特·斯特林(Robe Stirling) 发明了闭式循 环的热气机一一斯特林发动机。在当年的第4081 号专利中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述 斯特林发动机是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发 动机。自罗伯特·斯特林于1816 年发明斯特林循环以来，限于当时条件，大部分发动机的功率和效率都很低，逐渐被比其发明晚半个多世纪的内燃机所替代。1916 年最后一台老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的发展告一段落[1 3J 近几十年来，随着能源问题和污染问题日益突出，以及
斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优点，因而受到了国内外的广泛关注。20 世纪30 年代到60代，现代斯特林发动机的鼻祖一一荷兰的菲利普公司开创了现代斯特林发动机发展的新阶段。之后经过通用发动机公司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司的不断发展，在包括 美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等主要工业国家政府的 资助下，在碟式太阳能热发电、制冷和热泵等领域取得重要进展。我国的某些研究机构也在20 世纪70 年代中期开始研究斯特林发动机，并在碟式太阳能热发电领域取得一定 成果 2 斯特林的国内外研究现状 Kaushik对不可逆斯特林发动机进行了有限时间热力学分析。分析指出，在不考虑各种损失和回热器效率为1条件下种循环的效率等于卡诺循环的效率，同时还指出了回热器的效率不会影响发动机的输出功率。Halit 指出工质的泄露对斯特林发动机的性能有着重要的影响。Koi-chi建立以一个斯特林发动机原型为基础，在标准状态和无负载的情况下，用空气作为工质进行试验，最后得出：提高换热器性能、降低机械损失对提高斯特林发动机的性能是十分有效的。Nezaket基于UrieliandBerchowitz’s规则，用热力学原理中稳流分析法
新型船舶动力装置基本情况和发展趋势 船舶动力装置是船舶的核心设备,船舶动力装置只有正常运行,才能够为船舶的正常运行以及船员的日常生活提供保障。船舶动力装置由主动力装置、辅助动力装置和辅机及其设备共同组成,三大部分的相互协调共同为船舶提供源源不断的动力。在船舶动力装置中,主动力装置是提供推进动力的装置,其主要有蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机、电动机和混合动力机几种主要类型,但新型船舶动力装置包括燃气轮机推进,喷水推进,吊舱推进,表面浆推进,超导磁推进,AIP 系统等。 一、柴油机动力装置 柴油机动力装置是以柴油为燃料的内燃机,其优点在于启动速度快、运行状态可靠和功率大等。柴油机动力装置是目前应用最为普遍的船舶动力装置,因此其技术成熟度也相对更高。柴油机动力装置在上世纪60年代开始全面取代了蒸汽轮机,成为最主流的船舶动力装置。柴油机动力装置分为四冲程柴油机和两冲程柴油机,其中二冲程柴油机的特点是转速相对较低,可以直接驱动螺旋机进行工作,主要应用于大中型远洋运输船舶上。而四冲程柴油机转速较高,一般主要应用于小型运输船、客船、军舰和豪华游艇上。 二、燃气轮机动力装置 燃气轮机动力装置是以油气作为燃料的动力装置,燃气轮机动力装置其突出的特点在于装置体积较少、重量轻、加速性能强,且燃气轮机动力装置运行过程中所产生的污染物远远少于柴油机动力装置。但是,燃气轮机动力装置也存在着较多的缺点和不足,如燃气轮机的燃料一一蒸馏油价格非常昂贵、燃气轮机油耗较高、经济性不高等,因此很难在船舶当中得到普及。目前,只有少部分的高速客船和军用舰艇上配备了燃气轮机动力装置。 三、电力推进装置
顾名思义是以电动机做功来推动船舶运行的动力装置,当前在船舶动力装置中被广泛使用的推进装置主要由电动机、原动机、变频器还有就是推进变压器以及控制调节器等构成。对于操纵性能要求不是特别高的船舰来说,经常使用的轴桨推进装置如可调桨以及定距桨等,对于操作性能要求相对高一点的船舶来说,通常采用的全回转推进器。电力推进装置工艺较柴油机动力装置要更为复杂, 但具有更好的经济性以及操纵空间,较为适合于多工况特种船舶。目前多数的电力推进装置还需要配备柴油机或者燃气轮机产生电力能源,为电动机提供能源。其主要优势在于: (1) 船上大型机械设备布置更灵活、有效空间更多、费用降低 (2) 电动机由电网供电,增加了系统的可靠性,提高了生命力 (3) 减少了维护的工作量; (4) 可以采用中高速不逆转原动机,以减少设备的体积和重量 (5) 可以采用低速电动机直接与推进轴连接,省去机械的减速齿轮 (6) 操纵灵活,机动性能好 (7) 易于获得理想的拖动特性 (8) 减小螺旋桨等机械振动和噪声、环境更好 船舶电力系统和船舶电力推进系统一体化供电的船舶综合电力系统是未来发展的新趋势,该系统将船舶的电力系统和推进系统有机的组合在一起,把动力机械能源转换为电力,提供给推进设备和船上的其他设备使用,使得船舶日用供 电和推进供电一体化,实现电力的综合利用和统一管理。并且伴随着船舶事业不断推进发展,这样的技能必定会得到更为广泛的应用。
d i y自制斯特林引擎 发电机
自制斯特林引擎发电机 在偏远地区，收听广播可能是唯一的娱乐，也是与文明世界沟通的管道，但偏远地区常无电力供应，甚至连电池都难以取得。虽收音机本身轻巧耐用，因缺乏适当的电力，收听广播变得十分麻烦，于是有人就想到利用发条经变速齿轮驱动微型发电机，提供收音机所需微不足道的电力。斯特林引擎在某些场合也具有类似的功能，尽管至今为止小型轻巧的斯特林引擎之输出功率，仍无法与尺寸相仿的内燃机匹敌（极其微小的斯特林引擎与同尺寸内燃机之比较，又另当别论），就收音机或小型照明设备而言，斯特林引擎之输出功率却恰到好处，并且具有燃料多元化、安静、污染少、构造简单耐用、保养方便等优点。玻璃制的透明斯特林引擎作为教具，固然可以寓教于乐，令学生印象深刻，但如果能进一步利用斯特林引擎作为动力，制作相关的动力机械，例如，装配一辆汽车模型（注一），或驱动发电机发电，并以此电力驱动小功率电器，除了完整介绍引擎之原理、构造和用途，更能演示热学原理、能量守恒原理、发电机负载原理，使斯特林引擎教具不但在高中、大学之物理学教学有用，也能应用在技职课程之教学和科普教育。 本文介绍这一部双缸水平并卧透明试管引擎发电设备，由两具特别设计的斯特林引擎（注二）组合而成，其内部构造和运转情形一目了然。尽管乍见其外观（图一），构造似乎有些复杂，装配过程好像颇棘手，但其独特的设计已降低了精度的要求，不难成功自制，正适合有兴趣的读者大显身手。
图一：试管引擎的实物照片，摄于2004年4 月14 日。 一、自制这款引擎所需的材料： 1. 外径1.85 cm、内径1.7 cm 的试管二个，外径1.63 cm，内径1.45 cm 的试管二个（化学实验室或玻璃仪器行一定有，价格各约二、三十元台币）； 2. 粗约0.4 mm（0.016 号）的吉他钢弦（乐器行有售，35 元一条）； 3. 长约16 cm，横截面2×3 mm2 的铝杆二支； 4. 玻璃毛细管（外径 5.8 mm，内径0. 45mm，学校实验室找得到）； 5. 直径1.5 mm，长10 cm 的钢棒两根（就是尚未攻牙的钻头，钻头工厂有卖）； 6. 内径1.3 cm，长约7cm 的玻璃管二个； 7. 内径8 mm 的玻璃管； 8. 内径2.2 mm，长约20 cm 的橡皮管； 9. 内径15 mm，长约20 cm 的铝棒一根； 10. 直径20 mm，长约20 cm 的PE 棒（以上五项，台北市太原路都找得到）； 11. 白杨木条若干（五金行有售）。 二、自制附属发电机所需的材料：
斯特林发动机循环分析 (北京交通大学机电） 摘要：斯特林发动机不仅理论热效率高，等于卡诺循环效率，而且作为外燃机其排放特性非常好，所以近三十年来一直是研究的热点。本文介绍了斯特林发动机的装置特点、动力性能等，并对理论循环进行了分析，提出了提高循环热效率的方法及措施。 关键词：斯特林发动机，斯特林循环，热效率 1.斯特林发动机介绍 1.1斯特林发动机的装置特点 热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。 热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。 已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。 按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。 1.2斯特林发动机的应用现状 1.2.1 国内发展状况 我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率150W-IOkW发动机11种，多数已在实验室正常运转。现从事此项工作的约300人，并正筹建中国热气机研究会。北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯1991年第一期“发展热气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展概况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。上海711研究所研制出热气机，是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标准。 1.2.2 国外应用现状 1）用于热电联产型 充分利用它环境污染小的特点，在大城市里可以以天燃气作燃料，通过斯特林发动机的内部的冷却装置，冷却水被加热并回收烟气，即可采暖。1台25kW的斯特林外燃机完全可以满足500—1500建筑平方米采暖。 这种使用斯特林发动机的热电联产装置实际上相当于一台副产电力的供热锅炉，一
斯特林发动机-研究-发展
关于斯特林发动机的研究与发展 学号：13015218 姓名：彭俊图 摘要:简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。 关键词:斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统 随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途径之一。斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种 封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，噪音低，运转特性好，结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的
关注。国外一些专家预言， 21 世纪将是斯特林发动机的世纪。 1 斯特林发动机的发展 1816 年，罗伯特·斯特林 (Robe Stirling) 发明了闭式循环的热气机一一斯特林发动机。在当年的第 4081 号专利中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述 斯特林发动机是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机。自罗伯特·斯特林于 1816 年发明斯特林循环以来，限于当时条件，大部分发动机的功率和效率都很低，逐渐被
比其发明晚半个多世纪的内燃机所替代。 1916 年最后一台老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的发展告一段落[1 3J 近几十年来，随着能源问题和污染问题日益突出，以及 斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优点，因而受到了国内外的广泛关注。 20 世纪 30 年代到 60 代，现代斯特林发动机的鼻祖一一荷兰的菲利普公司开创了现代斯特林发动机发展的新阶段。之后经过通用发动机公司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司的不断发展，在包括 美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等主要工业国家政府的 资助下，在碟式太阳能热发电、制冷和热泵等领域取得重要进展。我国的某些研究机构也在 20 世纪 70 年代中期开始研究斯特林发动机，并在碟式太阳能热发电领域取得一定 成果 2 斯特林的国内外研究现状 Kaushik对不可逆斯特林发动机进行了有限时间热力学分析。分析指出，在不考虑各种损失和回热器效率为1条件下种循环的效率等于卡诺循环的效率，同时还指出了回热器的效率不会影响发动机的输出功率。 Halit 指出工质的泄露对斯特林发动机的性能有着重要的影响。Koi-chi建立以一个斯特林发动机原型为基础，在标准状态和无负载的情况
回热器循环熵增的概念及其优化 顾根香l ，王芝秋l ，金东寒2，黄霞平2 （l .哈尔滨工程大学动力工程系，黑龙江哈尔滨l5000l ；2.上海船用柴油机研究所，上海2000ll ）摘要：应用热力学第二定律分析了回热器的工作特性，提出了回热器循环熵增的概念，并以此为目标对回热器进行了优化，实现了提高斯特林发动机性能的目的.!关 键 词：斯特林发动机；回热器；循环熵增 中图分类号：TK 5 文献标识码：A 文章编号：l006-7043（2000）02-0037-03 Conce p t of C y cle entro py Increase f or a re g enerat or and its perf or m ance O p ti m izati on GU G en-x ian g l ，W ANG Zhi-C i u l ，JI N D on g -han 2，~UANG X ia-p i n g 2 （l .D e p t .o f Pow er En g .，~arb i n En g i neeri n g U n ivers it y ，~arb i n l5000l ，Ch i na ；2.s han g hai M ari ne D iese l En g i ne research I n-stitution ，s han g hai 2000ll ，Ch i na ） Abstract ：T he w orki n g characteristic o f a re g enerator w as anal y Zed b y usi n g t he s econd l a w o f T her m od y -na m ics ，and a conce p t o f c y cle entro py i ncrease f or a re g enerator w as advanced.W it h t he ai m o f i m p rovi n g t he s tirli n g En g i ne p erf or m ance ，o p ti m iZation o f a re g enerator w as carried out base on t he c y cle entro py i n-crease. K e y words ：stirli n g en g i ne ；re g enerator ；c y cle entro py i ncrease 回热循环是提高热效率的一种行之有效的方法，在极限情况下，回热循环可实现概括性卡诺循环，其热效率等于卡诺效率.根据概括性卡诺循环的定义，热力循环中的放热过程和吸热过程是在工质和与其等温的回热器之间进行的，这在实际热力装置中是难以实现的.因为这样的热力可逆循环要求热动力装置具有温度从热源温度到冷源温度连续变化的无数多个回热器.利用回热的典型热动力装置之一的斯特林发动机一般采用一个回热器，它担负着利用工质排出的一部分热量来加热工质的重任，是影响斯特林发动机热效率的关键元件.本文从能量“量”与“质”的双重属性出 发，提出了回热器循环熵增的概念，并以此为优化目标对回热器进行了优化计算. l 回热器效率的定义 回热器传统的设计方法是建立在热力学第一 定律基础上能量的“量值”分析法.通过能量“量值”的分析，可揭示能量在回热器内部传递的情况，从而确定回热器的能量传递效率. 根据U rieli I .的定义［l ］，回热器效率定义为 !r = E a E i 式中：E a 为吸热过程回热器实际传给工质的能 " 收稿日期：l999-02-03；修订日期：l999-l2-06 基金项目：国家自然科学基金资助项目（59776002）作者简介：顾根香（l969-） ，男，江苏吴县人，哈尔滨工程大学动力工程系博士后，主要研究方向：特种发动机.第2l 卷第2期哈尔滨工程大学学报V o l .2l ，N.22000年4月Journal o f ~arbi n En g i neeri n g U ni versit y A p r .，2000
斯特林发动机发展历史斯特林发动机，又称热气机，是一种外部加热闭式循环活塞式发动机。它是由英国苏格兰牧师罗伯特?斯特林于1815年发明的。不过，由于当时缺乏良好的耐热材料以及人们对热气机的性能了解很少，以致机器的效率和功率都很低。因此，在十九世纪中叶，当高效率的内燃机出现后，斯特林发动机的研制工作就停止了。近数十年来，随着科学技术和生产现代化的进展，人们又对这种发动机进行了大量的研究工作。1983年，荷兰菲利普公司率先开始了现代斯特林发动机的研制工作，该公司对斯特林发动机技术做了根本性的改革，使斯特林发动机的效率与功率大幅度提高。之后美国、日本、瑞典、英国、德国、中国等国家相继参加研制行列。鉴于许多国家和部门在热气机的理论和实践方面进行了大量工作，1982年在英国的雷丁大学召开了第一届国际斯特林机会议，为斯特林机的发展在国际交流和合作上开创了条件。斯特林发动机优点斯特林发动机具有诸多优点，譬如因为它采用外部加热，故对燃料要求不高，可用多种燃料，并且同温限条件下，理论热效率与卡诺循环相等，热效率高，又由于它是闭式循环，工质不向外排放，理论工质消耗为零，排气污染少，除此之外还具有噪音低、运转特性好、工作可靠、维修费用低、可以低温差运行等优点。但同时，斯特林发动机也存在一些问题，导致它至今依然不能达到商品生产的水平。其主要原因是造价较高，在经济上竞争能力差。主要表现在加热部件工作环境恶劣，必须用高温耐热合金材料制造，且其制造工艺不能适应大批量生产的要求，所以造价昂贵。另外，斯特林发动机的工作特性和使用寿命，在很大程度上取决与密封程度的可靠性与耐久性，故密封问题也是当前斯特林发动机所存在的主要问题。所以，斯塔林发动机的研制方向主要是两方面，其一是寻求热交换器、活塞等高温部件的廉价材料和适应于大批量生产的工艺，其二是进一步完善密封装置和提高其使用寿命。斯特林发动机应用领域由于斯特林发动机的工作特点和性能，使它的应用面很广，比如做城市热泵系统、农村或边远地区的动力、车辆牵引动力以及船舶或水下动力装置，此外，热气机的另一特殊用途是作为人造心血泵的动力源。斯特林循环原理斯特林循环是斯特林发动机的理想循环，是一个高度理想化的热力过程。它由两个定温过程和两个定容过程所组成，以配气活塞式斯特林发动机为例，具体过程为：①定温压缩过程:配气活塞停留在上止点附近，动力活塞从它的下止点向上压缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉，当动力活塞到达它的上止点时压缩过程结束。②定容回热过程:动力活塞仍停留在它的上止点附近,配气活塞下行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器时吸收热量，使温度升高。③定温膨胀过程：配气活塞继续下行，工质经加热器加热，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下并对外做功。④定容储热过程：动力活塞保持在下止点附近，配气活塞上行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工质的热量，工质温度下降至冷腔温度。【4】斯特林循环的P-V图、T-S图如下所示：斯特林循环与卡诺循环对在P-V图中，有循环过程所组成的面积表示循环功的大小。比较斯特林循环与卡诺循环，其优点在于，它用两个定容过程代替卡诺循环的两个绝热过程。斯特林循环的定温过程线1-2和3-4是从卡诺循环的1-5和3-6延伸而来，结果大大增加了斯特林循环功的面积。从图中可见，在给定的压力、温度和容积界限下，斯特林循环功要比卡诺循环功要大。P-V图上的阴影面积代表斯特林循环比卡诺循环增加的功，T-S图上的阴影面积则代表斯特林循环比卡诺循环要增加的热量。输入热量增加了，但输出功也相应的增加了，其输入热量转换为功的比例即热效率仍与卡诺循环相等，即温限为Tmin，Tmax，则效率η=1-Tmin/Tmax。下面分别计算在各点的温度、压强及比容，以及各个过程的做功量及吸热量，并证明在同温限下其效率等于卡诺循环效率。1.等温压缩过程（1-2）在这个过程中，工质在最低循环温度下释放热量，工质所做的压缩功相当于释放的热量，这时，内能没有改变，而熵减少。2.等容加热过程（2-3）3.等温膨胀过程（3-4）4.等容冷却过程（4-1）循环工作温限：最低温Tｍｉｎ=300K，最高温Tｍａｘ=1000K，温度比κ=Tｍｉｎ/Tｍａｘ；定容增压比λ=P3/P2；工质为空气，定比热容，CV=0.716KJ/(Kg?K)，Cp=1.004KJ/(Kg?K)，
斯特林发动机原理图解 2010-02-10 18:53 如图1 把橡皮绑在容器口上，我们能容易瞭解到受热时橡皮会膨胀(图2)，冷却时橡皮会缩收(图3)，这是加热时，内部气体压力作用在橡皮上(图2)，当然人的眼睛是无法看到气体压力的。 A2移气器 如果我们放入一个移气器(Displacer)到容器内(图4)，而这个移气器的直径比容器的内径小一些，当移气器自由上下移动时，即可以把容器内的气体挤下或挤上。这个时候，如果我们在容器底端加热，而在容器上端冷却，使上下两端具有足够的温差，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。其原理如下： 当移气器上移，容器内的气体被挤至容器底端，此时由於容器底端加热，因此气体受热，压力变大，此压力经由活塞与容器间的空隙传到橡皮，使得橡皮会膨胀(图5)。 相反的，若施以适当的力量把移气器下移，则容器内的气体被挤至容器上端，此时由於容器上端為冷却区，因此气体被冷却，使气体温度降低，压力变小，而使得橡皮会缩收(图5)。 如此，不断使移气器自由上下移动，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。 由此，可知移气器的功用主要在於移动气体，使气体在冷热两端之间来回流动。国立成功大学航太系郑金祥教授把Displacer 命名為”移气器”，实在更為贴切，也比较不容易混淆，比较不会使人误以為它的作用跟输出功率的动力活塞一样。
A3 曲柄机构 要让移气器上下移动，只要将移气器与一曲轴连结(图6) 。当曲轴旋转时，移气器就会被带上及带下。将移气器与曲轴连结完毕之后，在容器底端加热上端冷却，只要用手转动曲轴，使得移气器移上及移下，此时橡皮便会重复膨胀及收缩(图7)。 A4 动力活塞 橡皮的膨胀及收缩运动，可以转换為动力输出，此时，橡皮的作用即如同一动 力活塞。我们可以另加一根连桿接到上述的曲轴上，便可将橡皮的膨胀及收缩运 动转换為曲轴的旋转运动。连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部 位必须呈固定的角度差，一般是90度(图8,9)。橡皮的膨胀及缩收所產生的曲轴 的旋转运动提供了移气器上下移动的力量，多餘的力量则可以输出。必须注意的