斯特林发动机循环分析 工程热力学

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

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[1]。

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[2]。

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性能分析

1.3.1动力性能

由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。

但是，斯特林发动机还有许多问题要解决，例如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。所以，还不能成为大批量使用的发动机。

由于热源来自外部，因此发动机需要经过一段时间才能响应用于气缸的热量变化（通过气缸壁将热量传导给发动机内的气体需要很长时间）。这意味着：1）发动机在提供有效动力之前需要时间暖机。

2）发动机不能快速改变其动力输出。

斯特林发动机目前有报道，已经开始研究在计算机主板的散热风扇上使用，通过北桥芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给硬件降温，该研究还处于研究阶段。

1.3.2经济性

1）制造成本较高。

2）通过考虑初投资、运行费用、维护费和使用年限来得到各种组合的净收益和回收期，从而对其经济性分析比较。设备投资可按下列价格估算，斯特林发动机8000元/kW(包括基建和设备安装)，而双效溴化锂、湿能空调、水源热泵投资相当，约为1000元/kW，空气源热泵400元/kWh。冷价按国内分体电空调平均水平COP为2.8计算，得出冷价为0.22元/kWh，热价按供暖平均价格，为0.27元/kWh，电价和天然气价格按目前价格(为0.61元/kWh，2.1元/m3)。卫生热水价格按燃气锅炉COP=0.9计算，为0.24元/kWh。年运行供暖或供冷时间各2000h。计算见表1。

表1 各种三联供的燃烧每1m3燃气的经济性比较[3]最经济的模式为热气机加水源热泵方式,但收益主要来自夏季产生的大量热水,斯

特林机组和湿能空调系统是一种比较先进的高效清洁联供技术方案,特别是我国在这两项技术上享有自主知识产权,应该成为研发重点。

1.3.3环保性

中国是富煤国家，是世界上煤储量最多的国家之一。煤炭作为发电能源，有两种用法。一是在常规炉直接燃烧，在流化床燃烧更完全些。另一种是将煤液化或气化。然则无论哪种方式，煤炭都必须先行清洁处理，洗煤的废水和废料的处置始终是个麻烦，也会增加巨额成本。事实上，我们只是让二氧化碳污染的排放推后而已。而太阳能斯特林发动机的无污染和可再生是不争的事实。

此外，其最大优势是，发动机维修率低，短期内回收投资。太阳能斯特林发动机不象柴油机和蒸汽轮机，无需许多额外辅件。在太阳能斯特林发动机工作的流体永久密封。引擎在设计寿命期内不必更换或处理。相对蒸汽轮机的锅炉和柴油发动机的燃烧室，其没完没了的保养和维修大大增加业者的经营成本。再者，不论锅炉蒸汽机还是柴油引擎，排气系统所造成的污染早已恶名昭著，毋庸赘述。归根结底，不论是国家策还是地方措施，能源越是独立，成本越低，污染越少，环境越美。不论站在任何立场，选择使用太阳能斯特林发动机，改进能源的独立性，都是最可行的解决方案。中国正处于现代化建设非常关键的阶段，科学发展观要求人与自然和谐，整个会需要与世界和谐。

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1 斯特林发动机结构示意图[4]

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 单缸单作用斯特林发动机结构简图

图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[5]。

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[6]。

2.4 提高热效率的方法

1)太阳能斯特林热机循环热损失主要包括穿梭传热损失、泵气损失、回热损失、导热损失、回热气温度不均匀损失和其他损失，各种热损失与斯特林发动机的多种结构参数和性能参数密切相关，比如，气缸直径、活塞有效长度、活塞行程、径向间隙等结构参数，此外，循环热损失也受材料、工质、温度以及转速等性能参数影响。由于循环热

损失的存在，势必降低工作循环热效率。

2)在各种热损失中，穿梭传热损失和导热损失所占的幅度相对较大，又以导热损失QT最为显著。随着热腔温度T的变化，它们的值变化趋势明显。同时，在各种导热损失中，回热器壳体的导热损失在总的导热损失中占的比例最大。

3)在斯特林热机的性能参数的初步设计中，尽量提高热腔的温度T大于750 K，从而能获得比较大的热效率，计算热效率ES与卡诺效率值E的比值变化平缓。

4)在保证一定工作循环功率的条件下，增大加热管内壁的温度，降低转速值，可以提高太阳能斯特林发动机循环热效率值。当热腔的温度T大于750K，太阳能斯特林发动机的循环热效率值在相应卡诺效率的65%～80%之间浮动[7]。

3.结论

通过此次研究性教学，我们对斯特林发动机的原理、过程、应用和改进有了进一步的了解，对工程热力学课上所学的知识也得到了更深入的掌握。

参考文献

[1]金东寒，斯特林发动机技术［M］，哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社，2009。

[2]袁都奇、刘宗修，斯特林热机的性能优化分析[J］，热能动力工程，1996，11(5):282－284。

[3]严子浚，卡诺热机的最佳效率与功率间的关系[J］，工程热物理学报，1985，6(1):1－5。

[4]苏国珍、严子浚，斯特林机的优化性能[J］，应用科学学报，1999，17(2):206－210。

[5]高瑶、韩东，流动阻力损失对斯特林热机功率和效率影响的理论分析[J]，能源研究与利用，2006(2):41－43。

[6]钱国柱，热气机[M]，北京: 国防工业出版社，1982。

[7]赵耀，太阳能斯特林热气机热交换系统的设计与研究[D]，合肥:合肥工业大学，2009。