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斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理

: 問(wèn) 提問(wèn)者：網(wǎng)友 | 2017-08-15

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熱氣機(jī)(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(huán)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，由蘇格蘭牧師RobertStirling在十九世紀(jì)初發(fā)明，所以又稱(chēng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)燃料在氣缸內(nèi)燃燒的特點(diǎn)熱氣機(jī)又被稱(chēng)作外燃機(jī)。現(xiàn)在熱氣機(jī)特指按閉式回?zé)嵫h(huán)工作的熱機(jī)，不包括斯特林熱泵或斯特林制冷機(jī)。熱氣機(jī)工作原理熱氣機(jī)是一種外燃的、閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。熱氣機(jī)可用氫、氮、氦或空氣等作為工質(zhì)，按斯特林循環(huán)工作。在熱氣機(jī)封閉的氣缸內(nèi)充有一定容積的工質(zhì)。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫?zé)崆恢醒杆偌訜?，膨脹作功燃料在氣缸外的燃燒室?nèi)連續(xù)燃燒，通過(guò)加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。已設(shè)計(jì)制造的熱氣機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。試驗(yàn)熱氣機(jī)的功率傳遞機(jī)構(gòu)分為曲柄連桿傳動(dòng)、菱形傳動(dòng)、斜盤(pán)或擺盤(pán)傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和自由活塞傳動(dòng)等。按缸內(nèi)循環(huán)的組成形式分，熱氣機(jī)主要有配氣活塞式和雙作用式兩類(lèi)。在一個(gè)氣缸內(nèi)有兩個(gè)活塞作規(guī)律的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回?zé)崞骱图訜崞鬟B接，配氣活塞推動(dòng)工質(zhì)在冷熱腔之間往返流動(dòng)。熱力循環(huán)可以分為定溫壓縮過(guò)程、定容回?zé)徇^(guò)程、定溫膨脹過(guò)程、定容儲(chǔ)熱過(guò)程四個(gè)過(guò)程。改良的單缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)示意 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209083142.gif 已設(shè)計(jì)制造的熱氣機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。試驗(yàn)熱氣機(jī)的功率傳遞機(jī)構(gòu)分為曲柄連桿傳動(dòng)、菱形傳動(dòng)、斜盤(pán)或擺盤(pán)傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和自由活塞傳動(dòng)等。美國(guó)STM公司的民用25KW外燃機(jī) 按缸內(nèi)循環(huán)的組成形式分，熱氣機(jī)主要有配氣活塞式和雙作用式兩類(lèi)。配氣活塞式熱氣機(jī)，在一個(gè)氣缸內(nèi)有兩個(gè)活塞作規(guī)律的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回?zé)崞骱图訜崞鬟B接，配氣活塞推動(dòng)工質(zhì)在冷熱腔之間往返流動(dòng)；雙作用式熱氣機(jī)，每個(gè)氣缸內(nèi)只有一個(gè)活塞，兼起配氣活塞和動(dòng)力活塞的作用。各缸的上部為熱腔，下部為冷腔。各熱腔經(jīng)加熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器與鄰缸的下部冷腔連接，組成一個(gè)動(dòng)力單元。日本親潮級(jí)潛艇使用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖熱力循環(huán)可以分為定溫壓縮過(guò)程、定容回?zé)徇^(guò)程、定溫膨脹過(guò)程、定容儲(chǔ)熱過(guò)程四個(gè)過(guò)程。兩缸外燃機(jī)工作原理 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209085020.gif 與內(nèi)燃機(jī)比較熱氣機(jī)所具備的優(yōu)點(diǎn)：適用于各種能源，無(wú)論是液態(tài)的、氣態(tài)的或固態(tài)的燃料，當(dāng)采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時(shí)，幾乎可以使用任何高溫?zé)嵩?太陽(yáng)能放射性同位素和核反應(yīng)等)，而發(fā)動(dòng)機(jī)本身(除加熱器外)不需要作任何更改。同時(shí)熱氣機(jī)無(wú)需壓縮機(jī)增壓，使用一般風(fēng)機(jī)即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質(zhì)含量。熱氣機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，獨(dú)立于燃?xì)獾墓べ|(zhì)通過(guò)加熱器吸熱，并按斯特林循環(huán)對(duì)外做功，因此避免了類(lèi)似內(nèi)燃機(jī)的震爆做功和間歇燃燒過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了高效、低噪和低排放運(yùn)行。高效：總能效率達(dá)到80%以上；低噪：1米處裸機(jī)噪音底于68dBA；低排放：尾氣排放達(dá)到歐5標(biāo)準(zhǔn)。熱氣機(jī)單機(jī)容量小，機(jī)組容量從20－50kw，可以因地制宜的增減系統(tǒng)容量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)比內(nèi)燃機(jī)少40％，降價(jià)空間大，同時(shí)維護(hù)成本也較低。熱氣機(jī)尚存在的主要問(wèn)題和缺點(diǎn)是制造成本較高，工質(zhì)密封技術(shù)較難，密封件的可靠性和壽命還存在問(wèn)題，功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)較復(fù)雜，機(jī)器較為笨重。熱氣機(jī)的未來(lái)發(fā)展將更多的應(yīng)用新材料(如陶瓷)和新工藝，以降低造價(jià)；對(duì)實(shí)際循環(huán)進(jìn)行理論研究，完善結(jié)構(gòu)，提高性能指標(biāo)；在應(yīng)用方面，正大力研究汽車(chē)用的大功率燃煤熱氣機(jī)、太陽(yáng)能熱氣機(jī)和特種用途熱氣機(jī)等。熱氣機(jī)分為單缸、2缸、4缸等形式；單缸熱氣機(jī)的燃燒室與冷卻器共一室，需要交替向燃燒室中注入燃?xì)?、燃燒、排氣、注入冷卻氣體等循環(huán)過(guò)程，驅(qū)動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于燃燒室需要交替使用，與一般的內(nèi)燃機(jī)一樣復(fù)雜，很少再發(fā)展。2缸熱氣機(jī)的燃燒、冷卻過(guò)程完全連續(xù)，1個(gè)汽缸加熱、1個(gè)冷卻，工質(zhì)在2個(gè)氣缸中密閉循環(huán)，反復(fù)被加熱冷卻，活塞在熱氣驅(qū)動(dòng)下上下運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。4缸熱氣機(jī)的氣缸上部加熱、下部冷卻，或相反，工質(zhì)在相鄰兩個(gè)氣缸的上下部間循環(huán)，4個(gè)活塞交替上下，直接驅(qū)動(dòng)斜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，工作最為平順。 4缸型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 熱氣機(jī)的應(yīng)用隨著全球能源與環(huán)保的形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，熱氣機(jī)由于其具有多種能源的廣泛適應(yīng)性和優(yōu)良的環(huán)境特性已越來(lái)越受到重視，所以，在水下動(dòng)力、太陽(yáng)能動(dòng)力、空間站動(dòng)力、熱泵空調(diào)動(dòng)力、車(chē)用混合推進(jìn)動(dòng)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(yīng)用。熱氣機(jī)推廣中的3個(gè)方向包括：熱電聯(lián)產(chǎn)充分利用它環(huán)境污染小和可使用多種燃料及易利用余熱的特點(diǎn)，用于熱電聯(lián)產(chǎn)可取得更高的熱效率和經(jīng)濟(jì)效率。四聯(lián)裝余熱回收系統(tǒng) 低能級(jí)的余熱回收利用對(duì)燃燒系統(tǒng)稍加改進(jìn)便可利用工場(chǎng)余熱、地?zé)岷吞?yáng)能進(jìn)行發(fā)電或直接驅(qū)動(dòng)水泵，可取得更大的節(jié)能效益。移動(dòng)式動(dòng)力源通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)、壓路機(jī)等車(chē)輛的動(dòng)力。注意斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明時(shí)間是1816，是和蒸汽機(jī)差不多的古老的發(fā)動(dòng)機(jī)，多年沒(méi)有引起人們的重視，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)特性是非常適合潛艇的，首先是燃燒連續(xù)，由于工質(zhì)不燃燒，因此沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)的爆震現(xiàn)象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃燒室在外，燃燒的過(guò)程與工質(zhì)無(wú)關(guān)，或者說(shuō)只要有熱源、冷源就能工作，無(wú)論燒煤燒碳都可以，只要能發(fā)熱就行；在凡爾納的科幻小說(shuō)《海底兩萬(wàn)里》中，那艘著名的潛艇諾第留斯號(hào)的動(dòng)力就是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，他的熱源是采用鈉與水反應(yīng)生熱，說(shuō)明凡爾納具有多么的科學(xué)遠(yuǎn)見(jiàn)。海底兩萬(wàn)里漫畫(huà) 斯特林（RobertStirling，1790—1878）英國(guó)物理學(xué)家，熱力學(xué)研究專(zhuān)家。斯特林對(duì)于熱力學(xué)的發(fā)展有很大貢獻(xiàn)。他的科學(xué)研究工作主要是熱機(jī)。熱機(jī)的研制工作，是18世紀(jì)物理學(xué)和機(jī)械學(xué)的中心課題，各種各樣的熱機(jī)殊涌而出，不斷互相借鑒，取長(zhǎng)補(bǔ)短，熱機(jī)制造業(yè)興旺起來(lái)，工業(yè)革命處于高潮時(shí)期。隨著熱機(jī)發(fā)展，熱力學(xué)理論研究提到了重要位置，不少科學(xué)家致力于熱機(jī)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(huán)，是重要的熱機(jī)循環(huán)之一，亦稱(chēng)“斯特林熱氣機(jī)循環(huán)”。這種循環(huán)，是封閉式的，采用定容下吸熱的氣體循環(huán)方式。循環(huán)過(guò)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(gè)循環(huán)。在理想吸熱的條件下，這種循環(huán)的熱效率，等于溫度上下限相同的卡諾循環(huán)。利用這種循環(huán)的“斯特林熱機(jī)”，具有很多特點(diǎn)，如采用外燃，或外熱源供熱等。由于這種循環(huán)是封閉式循環(huán)，可采用傳熱性能好的工質(zhì)，同時(shí)，工質(zhì)的腐蝕性也可以很小，如氮?dú)?、氫氣等氣體。充入的氣體工質(zhì)，還可以加大壓力，視封閉系統(tǒng)的情況，能夠采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓力的高壓氣體工作，這樣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的單位重量的功率，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量。斯特林熱機(jī)在逆向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以作為制冷機(jī)或熱泵機(jī)，這種設(shè)想在現(xiàn)代已進(jìn)入了實(shí)用研究階段。斯特林循環(huán)熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)不排廢氣，除燃燒室內(nèi)原有的空氣外，不需要其他空氣，所以適用于都市環(huán)境和外層空間。 18世紀(jì)末和19世紀(jì)初，熱機(jī)普遍為蒸汽機(jī)，它的效率是很低的，只有3％一5％左右，即有95％以上的熱能沒(méi)有得到利用。到1840年，熱機(jī)的效率也僅僅提高到8％。斯特林對(duì)于熱力學(xué)理論的研究，就是從提高熱機(jī)效率的目的出發(fā)的。他所提出的斯特林循環(huán)的效率，在理想狀況下，可以無(wú)限提高。當(dāng)然受實(shí)際可能的限制，不可能達(dá)到100％，但提供了提高熱效率的努力方向。: 回答者：網(wǎng)友

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