【《斯特林发动机的工作原理及特点分析概述》2500字】

第iv页共31页斯特林发动机的工作原理及特点分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u20995斯特林发动机的工作原理及特点分析概述 1326061.1斯特林发动机的基本构造 130871.2斯特林发动机的工作原理 3187611.3斯特林发动机的特点 41.1斯特林发动机的基本构造斯特林发动机和内燃机一样也是一种热能—机械能的转换装置，它主要由外燃系统、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)、负荷调控系统以及辅传动、冷却、起动等的辅助系统组成[7]。图1.1斯特林发动机主要结构示意图外燃器系统的主要功能就是它需要能够给一个完全封闭式循环系统本身带来一个足够的发热能量。通常,只要电机工作环境温度控制在超出450℃的随意发热装置都可以为斯特林发动机供热；比如:化学反应输出热量的装置,原子反应堆,化学反应处理产生热发电装置,各种不同形式的化学蓄热发电装置,太阳能和各种激光燃料电池等都非常有可能由其转变而成为各种斯特林机的外部使用热源。闭式循环系统结构是斯特林机的一个重要核心组成部分,也可说就是构成斯特林机与其他大型燃气轮发电机最大区别之间的主要根源。闭式循环系统的主要原取得的膨胀功大于零[8]。斯特林发动机的闭式循环回路的构成为膨胀腔，压缩腔，加热器，回热器和冷却器。这里面膨胀腔和加热器位于循环温度偏高的位置，通过加热器提供膨胀热，而压缩腔和回热器则处在循环温度较低的地方，经过冷却器把压缩热量输出到大气中。系统中的工质结束一个循环的周期2π[9]。膨胀腔：在一个循环的过程中，膨胀腔的温度通常保持在一个比较高的位置,在膨胀过程中大量的工质在膨胀腔当中。根据斯特林机的循环运动特点，膨胀腔一定需要达到可以一起承受高温高压的能力，同时对缸壁也有限制，其厚度必须偏薄，这样可以缩减其直接导热损失，所以它的温度应该远远超出对同型柴油机车燃烧室的要求。加热器:加热器的主要功用之处就在于它把外部热源中的全部气体热能输送到一个循环系统,从而其中的工质就能够进行加热和膨胀。加热器管当中的一边和膨胀腔相接，另外的一边直接通过驱动回热器。加热器其实就是一种能承受高温高压的气密零件,对于密封材料的各种选择都已经有着非常高的要求。回热器:这种回热器串联在加热器与冷却器当中，在循环系统中起到换热的作用，它不仅可以从工质中吸取热量，让其工质从一个循环的最高温度逐渐下降至一个循环的最小温度；相反，它还可以将热量输送给工质，而且这些工质具有能力从循环中的最小温度提升至循环中的最大温度。因此，回热器被认为是斯特林机的一种节能设备，它可以很大程度提升其经济效益，是必不可少的一部分。冷却器：这种冷却器主要位于回热器和压缩腔之间，其主要功能就是在一定的低温下，让所有的工质都能够对其进行压缩,从而使得压缩热直接导向室内。压缩腔：冷却式压缩机使气缸在整个液体循环期间,始终能够保持较高的液体环境变化温度或是较低的液体冷却水循环温度。在进行压缩的时候压缩腔里面会含有很多的工质，压缩腔在这里仅仅是承受工质的压力，因此对材料的要求就不多[10]。1.2斯特林发动机的工作原理理想的斯特林热力循环可以细分为等温压缩过程、等容加热过程、等温膨胀过程、等容冷却过程四个过程[11]。如图2-2所示：图2-2斯特林发动机热力循环的p-v图与T-S图1.等温压缩过程1-2。压缩起初的时候，动力活塞在下止点，配气活塞则在上止点，所以这个时候工作腔的容积最大，压力和温度最小。在1-2阶段，配气活塞一直保持静止，但是动力活塞便开始运动了，它会从下止点逐渐上升至上止点，这时工作腔容积变少，压力慢慢上升，而温度则维持不变，进行等温压缩。随后等到动力活塞到上止点再次静止的时候，此过程就完成了，工作腔容积为最小。1.等容加热过程2-3。在这个过程起始时，动力活塞保持在上止点静止，配气活塞向下止点运动，工作腔的容积保持稳定。在这个运动过程中，工质从冷腔流到热腔，有经回热器获取热量，工质温度随之从T2增加为T3，因为T3与T相等，压力同样随之从p2增加为p3，但容积保持不变，从而能够实现等容加热。3.等温膨胀过程3-4。在这个过程起始时，配气活塞和动力活塞都开始朝下止点运动，随着时间的推移逐渐会运动到下止点。由于动力活塞从上止点运动到下止点，工作腔容积达到最大值，工质处于最高的循环温度并完成等温膨胀的过程，必须由加热器从外界向工质提供热量。4.等容冷却过程4-1。在这个过程起始时，配气活塞以很快的速度从下止点运动到上止点，而动力活塞则保持不动，等到配气活塞运动到上止点后这一过程结束，这就是一个循环。在这一过程中由于回热器吸热，工质的温度会降低，工作腔容积由于动力活塞的静止会保持不变，为等容过程，循环压力降低。一切参数回到循环的初始状态。1.3斯特林发动机的特点斯特林发动机也被称为热气机，是一种外部燃烧的闭式循环活塞式发动机[12]。它与其他的发动机相比具有以下优点：1.燃料多样性由于斯特林机都是外部加热，所以它们可以被使用到非常多个种类的能量，不管是液体的，气态或者是固态的，相比于内燃机使用的汽油和柴油，斯特林机除此之外，还使用如天然气，沼气，生物质能，太阳能，氢气等的多种能源。1.热效率高斯特林发动机系统采用了一种先进的新型高效率高速能量循环转换器，其中在理论过程中的能量循环转换效率水平应该等于最高的能量循环转换效率-卡诺效率。现实中使用斯特林机的实际工作效率大约设计为33%~40%，设计好的电机工作效率设计可以直接到达42%~47%[13]。3.噪音低斯特林发动机主要是柴油作为外部材料燃烧,其中的内部燃烧推动压力相对较低,且其中的燃烧持续时间也是连续的,因此它们完全避免了一个类似普通内燃机的一个爆震连续做功和一个间歇性连续燃烧的复杂过程,从而可以使两个发动机本身不会同时产生剧烈性的震动,这就等于实现了一种具有较低燃烧噪声的特林发动机燃烧优势。4.排放性能优良由于斯特林发动机能够充分地将燃料燃烧，所以其排除带外界的有害气体的含量会较低，从而能够有效地保护环境。5.运行特性好斯特林发