斯特林发动机循环分析 工程热力学
液氮_斯特林联合循环的理论分析
收稿日期:2003209217作者简介:周 哲(19792),男,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向为热能动力.第37卷第2期2004年4月武汉大学学报(工学版)Engineering Jo urnal of Wuhan University Vol.37No.2A pr.2004文章编号:167128844(2004)022061204液氮)斯特林联合循环的理论分析周 哲,杨 俊,陈献春,董 军(武汉大学动力与机械学院,湖北武汉 430072)摘要:对液氮的基本工作模式提出了两种改进的方案。
考虑到开式朗肯循环中存在工质的相变和液氮汽化过程中的大量吸热及控制换热器管结霜的设计要求,在改进方案中引入以氦气为工质的斯特林发动机,组成两种液氮-斯特林联合循环.由各种工况下的计算结果可知这两种方案能大幅提高液氮的比功,在较低的工作压力下即能实现最大的比功输出.关键词:液氮;热气机;零排放;汽车动力中图分类号:T K 05 文献标识码:ATheoretic analysis of liquid nirogen-Stirling combined cycleZ HO U Z he,Y AN G Jun,CHEN Xian 2c hun,D O NG Jun(School o f Pow er and Mechanical Engineering,Wuhan Univ ersity,Wuhan 430072,China)Abstract:This article provides two projects to realize the improvement of the original perf orming model of liquid nitro 2gen.According to the facts that there is a phase 2changed process in the open Rankine cycle,a great deal of heat is ob 2sorbed by the liquid nitrogen when it is being evaporated into gas,and some measures are necessary f or the failure of the frog formation,the Stirling cycle is incorpotated with the open Rankine cycle.The c onclusions can be draw n f rom the calcula ting results under many dif ferent operate conditions that the specific work of liquid nitrogen is increased to a large extent in these tw o projects,and the maximum specific w ork can be gained when these systems operate in c om 2paratively low pressure.Key words:liquid nitrogen;Stirling engine;zero 2emission;automobile power1 问题的提出汽车尾气污染问题是当今世界最严重的环境问题之一.因此,零排放车辆的概念引起人们极大的兴趣和重视.零排放车辆的概念首先由加州空气资源委员会提出.在1990年9月,该委员会为改善当地的空气质量,制定了低排放车辆计划.该计划制定了一系列小汽车和载重汽车的排放标准,零排放就是其中最严格的标准[1].目前由电池提供动力的电动汽车是唯一满足零排放标准的商业上可利用的技术,但这些汽车的销售情况不好.这主要是由于电动汽车有限的最大行程、缓慢的充电速度和昂贵的初始费用,所有的这些问题直接来自于电化学能量储存方式的局限,铅酸电池是其中明显的例子.这些重金属能量储存系统仍然是电动汽车市场的主流技术,但它们现在只有108~144kJ/kg 的比能,其中长期目标也只能达到576kJ/kg [2].铅酸电池需要几个小时来充电,而且每2~3年就要更换一次.即使从电池中回收金属能很大程度上减少向环境中的重金属排放量,这些回收处理过程也不是百分之百有效.因此,除了由于金属回收而大大增加的单位行程的运行费用,电动汽车在其使用寿命期内更换掉的电池提高了增加重金属污染物的可能性.与电池动力汽车相比,以惰性制冷剂液氮作为能量储存介质的液氮汽车具有相当强的竞争力.其推进系统的基本思想是利用大气作为热源蒸发并过热低温流体)))液氮,使之在膨胀机中作功,其工作原理如图1所示.这与典型的热机正好相反,典型热机利用比环境温度高很多的能量源,以图1 液氮发动机工作过程原理图大气作为冷源.液氮汽车发动机在整个能量循环的峰值温度下作功,在膨胀过程中总会有热量传递给工质,因此,如果换热过程在设计合理的膨胀机中进行,就可以实现近似等温膨胀.如果液氮膨胀起始压力为3.057M Pa,温度为环境温度300K,理论上可输出的有用功为303kJ/kg.如果在液氮的膨胀过程中加入一个拔顶循环与其联合工作,其比功可超过500kJ/kg,这无疑比铅酸电池的比能高出许多[3].而且液氮汽车向环境排放的是氮气,实现了零排放,也避免了铅酸电池带来的重金属污染问题.液氮汽车另一个附带的优点是在液氮制取过程中,空气中的污染物、颗粒和温室气体会被除去.可以设想,如果液氮的制取以无污染的能源作为动力,那么越多的液氮汽车投入运行,空气就会变得越干净.在美国的华盛顿大学、北德克萨斯大学和其他一些地方[1,3,5,6,7,8],液氮汽车的研究已经开始,并取得了一定的进展.2 液氮发动机的基本工作模式和改进工作模式2.1 液氮的基本工作流程及其分析液氮发动机的基本工作流程图如图2所示,从储存罐出来的液氮经低温泵加压后进入换热器中与环境交换热量,然后高压、环境温度的氮气进入膨胀机作功,废气直接排入环境大气.图2 液氮基本工作模式的流程图根据热力学理论,从储存罐中流出的液氮的最大作功能力为其火用:e =h -h 0-T 0(s -s 0)(1)式中:e 为单位质量液氮的火用;h 为单位质量液氮的焓.如果液氮的储存状态为T =77.35K,p =1.013@105Pa,由式(1)算得其火用为769kJ/kg(取环境状态T 0=300K,p 0=1.013Pa).而上述纯膨胀机工作模式运行的液氮发动机可对外输出的最大有用功为w max =309kJ/kg,最大火用效率G max =w maxe@100%=40.2%,可见液氮火用中的很大一部分未得到利用,因此需要对液氮的基本工作模式进行改进.2.2 液氮的改进工作模式经过理论分析,对液氮基本工作模式的改进有两种方案:一是将液氮只作为冷源,吸收一闭式循环的放热,只由这一闭式循环作出有用功(如图3所示);二是将液氮既作冷源又作工质,先由液氮吸收另一闭式循环的放热而汽化,再经过与环境换热后再进入膨胀机中作功至环境状态,联合循环总功为两个循环作出的有用功之和(如图4所示).图3 改进工作模式一的流程图3 液氮)斯特林联合循环热气机又名斯特林发动机,是一种外燃闭式回62武汉大学学报(工学版)2004图4 改进工作模式二的流程图热循环发动机.现在的斯特林发动机一般以惰性气体氦气作工质,高压氦气在密闭的系统内作斯特林循环)))一种概括性卡诺循环,因此具有高效率的特点(概括性卡诺循环的热效率等于同样温差下的卡诺效率).另外,考虑到液氦的沸点低于液氮的沸点(闭式循环中不存在相变,系统设备较简单)以及氦气的比热容较大等特点,可以设想改进工作模式中的低温热机使用斯特林发动机,即在液氮的基本工作模式基础上加入一个拔顶循环)))斯特林循环.这一做法可以大大提高液氮的比功.3.1 液氮)斯特林联合循环的热力学分析及计算由于液氮的基本工作模式中存在相变,因此在基本工作模式中一般采用开式朗肯循环,如图5所示.斯特林循环如图6所示.图5 开式朗肯循环温熵图其中:过程1-2为低温泵对液氮的绝热加压过程.由于压缩液体所需的泵功很少,忽略泵功对分析影响不大.过程2-3中,液氮由过冷态被加热到饱和温度,吸热Q 2-3=h 3-h 2.过程3-4中,液氮定温吸热汽化,到4点汽化完毕,成饱和蒸汽,Q 3-4=C p ,C p 为液氮在压力p 下的汽化潜热.本文认为Q 2-3与Q 3-4之和为液氮在换热器中与斯特林发动机冷却器中的氦气所交图6 斯特林循环温熵图换的热量.实际上过程4-5中的一部分也可以在换热器中进行,以充分利用液氮的可用能,这在本文中不作分析.过程4-5中,氮气被过热到接近环境温度,Q 4-5=h 5-h 4.在本文中取环境温度T 0=300K ,假设T 5=T 0=300K 进行理论分析.过程5-6为高压氮气在环境温度下的等温膨胀过程,技术功W 5-6=R T 5lnp 5p 6(见文献[9]).斯特林循环中,过程8-9和过程10-11分别为定容吸热和放热过程,过程9-10和过程11-8分别为定温膨胀和压缩过程.由于存在液氮的过冷态,实际上液氮在换热器中氦气的换热过程并非等温过程,但为计算简便,假设两者进行等温换热且为无温差换热,取换热温度为液氮的饱和温度.因此,此循环可作出的有用功W =L p (T 0T p-1),其中T p 为液氮的饱和温度,L p 为压力p 下液氮的汽化潜热与液氮从过冷态到饱和态吸收的热量之和.3.2 计算结果本文选取压力范围(0.1253~33.96)@105Pa进行计算.在低于环境压力的工况下,只计算斯特林循环的净功;在高于环境压力的工况下,计算联合循环的净功.计算中忽略消耗的低温泵功.计算结果如图7所示.4 结 论(1)由计算结果可知,两种改进方案都能有效提高液氮的比功.计算范围内,最小循环净功为568kJ/kg,相对于纯膨胀工作模式的最大输出比功309kJ/kg,增幅为83.8%.(2)在计算范围内,斯特林循环净功随饱和压63第2期周 哲等:液氮)斯特林联合循环的理论分析图7计算结果力的增加而减少,液氮的等温膨胀输出净功随工作压力的增加而增加.(3)对于液氮既作冷源又作工质的改进工作模式,最大净功出现在液氮工作压力为(0.7~1.2) M Pa的范围内.这说明在此工作模式中选用较低的工作压力就可以得到最大的净功,因而对发动机的设计要求及安全运行都带来有利的影响.(4)液氮只作为冷源使用的第一种改进方案的具体实现结构要比第二种改进方案简化得多.即使考虑到比容的影响,要得到与第二种改进方案最大净功的工况时相等的能量密度484kJ/L(认为两者的液氮储存罐容积相等),只需将液氮储存在75K、76KPa的状态,这显然是容易实现的.因此,通过综合考虑认为第一种改进方案更为有效.参考文献:[1]Williams J,Kno wlen C,Mattick A T,Hertzberg A.Fro st2Free Cryo genic Heat Exchanger for Energy Storage A pplica2 tio n[EB/O L].AIA A9723168,1997.[2]Kiehne H A.Battery Technolo gy Handbook[M].VA RTABatterie AG Hanover,Fed.Rep.of Germany,1989:12. [3]Kno wlen C,Williams J,Mattick A T,Deparis H,Hertzberg A.Quasi2Isothermal Expansion Engines for Liq2 uid Nitrogen Auto mo tive Propulsion[EB/O L].SAE 972649,1997.[4]Kno wlen C,Mattick A T,Bruckner A P,Hertzberg A.High Efficiency Energy Conversion Systems for Liquid Ni tro2 gen A uto mobiles[EB/O L].SA E981898,1998.[5]Kno wlen C,Mattick A T,Hertzberg A,Bruckner A P.Ul2tra2Lo w Emissio n Liq uid Nitro gen A uto mobile[EB/O L].S AE199920122932,1999.[6]Mitty C Plummer,Carlo s A O rdonez,Richard F Reidy.Liq2uid ni tro gen as a non2polluti ng vehicle fuel[J].Society o f Automo tiv e Engineers,1999(1):17225.[7]O rdonez C A.Liquid nitrogen fueled,closed Bray to n cy clecryo genic heat engine[J].Energy Conversion&manage2 ment,2001(41):3312341.[8]Ordo nez C A,Reidy R F,Plummer M C.Cryo genic HeatEngines for Pow ering Z ero Emission Vehicles[EB/O L].IMECE2001/PID225620.[9]沈维道,郑佩芝,蒋淡安.工程热力学[M].第2版.北京:高等教育出版社,1983.64武汉大学学报(工学版)2004。
斯特林热机研究性学习报告
斯特林循环胜过卡诺循环的主要优点是用两个等容过程代替两个绝 热过程，这就大大增加了 P-V 图的面积。因此，为了取得适当的功， 它不需要象卡诺循环那样，必须借助于很大的压力和扫气容积。
四．回热式循环
回热式循环就是斯特林热机的逆循环， 可以作为制冷机。 斯特林制 冷机的理想工作过程是由两个定容过程和两个定温过程 （见热力过程） 组成的可逆循环（见热力循环）。
23 过程，工作物质等容吸热升温。A=0,Q=∆U=γCv, m T3 − P3>P2,所以 T3>T2,Q2>0,系统吸热。热量从回热器传递
给工作气体。 3） 34 过程， 工作物质等温吸热膨胀。 ∆ U = 0， Q=A=γRTln( )
V3 V4
V4>V3,Q3>0,系统吸热。热量在 Tmax 温度下从外部热源传递给工 作气体。 4） 41 过程作物质等容冷却降温。A=0,Q=∆U = γCv, m∆T
3 应用
随着全球能源与环保的形势日趋严峻， 热气机由于其具有多种能
源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下 动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力 等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。热 气机推广中的 3 个方向包括： 热电联产充分利用它环境污染小和可使用多种燃料及易利用余 热的特点，用于热电联产可取得更高的热效率和经济效率。 四联装余热回收系统 低能级的余热回收利用对燃烧系统稍加改进便可利用工场余热、 地热和太阳能进行发电或直接驱动水泵，可取得更大的节能效益。 移动式动力源通过对发动机的小型化和轻量化， 并改善其控制性能后， 亦可以作为推土机、压路机等车辆的动力。
斯特林发动机实验原理
斯特林发动机实验原理斯特林发动机是一种热机，它利用燃烧产生的热能来产生机械功，而不像内燃机那样利用高温与低温之间的热差来产生机械功。
和内燃机相比，斯特林发动机的热效率更高，因此在一些特殊应用，如低温环境或需要长时间运行的应用中得到了广泛的应用。
斯特林发动机的工作原理是通过一个循环过程将热能转化为机械能。
这个循环过程包括以下几个步骤：1. 加热气体：在发动机内部有一个热源（例如一个火炉），它加热气体（通常是氢气或氮气），使气体温度升高。
2. 膨胀气体：加热后的气体进入一个气缸，气缸外围有一个活塞，气体膨胀时会推动活塞向外运动。
3. 冷却气体：气缸的另一侧与一个冷源相连，使气体冷却并收缩。
4. 压缩气体：冷却并收缩后的气体由于压力下降而吸回活塞，回到第一步重新开始循环。
斯特林发动机的实验可以通过以下几个步骤进行：1. 组装：将实验所需的斯特林发动机装配起来，通常包括一个气缸、活塞、曲轴和连接杆。
2. 准备：在发动机中加入气体（如氢气或氮气），并将热源放置在适当位置，以便将气体加热。
3. 启动：点燃热源，加热气体，使气体膨胀并推动活塞运动，从而带动曲轴旋转。
4. 测试：测量发动机的性能参数，例如产生的功率和效率。
可以通过改变热源的位置、调整气缸的尺寸和形状来改变发动机的性能。
5. 分析：分析实验结果并推导出发动机的工作原理和性能规律。
可以通过理论分析和数值计算来验证实验结果，进一步深入理解斯特林发动机的工作原理。
斯特林发动机的优点在于高效、低污染和可靠性高，但也存在一些局限性，例如需要较长的启动时间、重量较大、体积较大等。
随着技术的不断发展，一些新型斯特林发动机已经解决了这些问题，并在特定领域得到了广泛应用。
为了进一步提高斯特林发动机的性能，研究人员开发了许多改进器件和技术，例如：1. 调节调速器：将变速器安装在斯特林发动机上，可以更好地控制发动机的转速，从而提高其效率和性能。
2. 节流阀：通过使用节流阀可以调节发动机的输出功率，从而在运行时节省燃料和能源，同时也能降低机械部件的磨损和维护成本。
工程热力学(清华大学)-——斯特林循环.
热效率
T
3
t'
w净 ' q1'
oi
k 1
k
1
c
k 1 k
1
1
1
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4’
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影响燃气机实际循环热效率的因素
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· 一定， · 一定，有最佳
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最佳增压比 op（t w净）的求解
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k
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T1
s
最大循环净功
2
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燃气轮机的实际循环
压气机：不可逆绝热压缩 燃气轮机：不可逆绝热膨胀
定义：
T
3
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2
4
压气机绝热效率
t简
2R 2A
2 1
3 4
4R
s
压气机间冷intercooling的图示
Intercooler
间冷器 5
2
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燃烧室 6 2’
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4
1
压气机
压气机间冷在Ts图上的表示
t间
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？T
3
12341和62’256联合工作
斯特林发动机热效率
斯特林发动机热效率斯特林发动机是一种基于热力学循环原理工作的发动机，其热效率相对于内燃机和蒸汽发动机都有显著的优越性。
本文将从热效率的角度来介绍斯特林发动机，并深入探讨其热效率的提高方法。
斯特林发动机的热力学循环基于热机中最完美的循环——克劳修斯循环。
克劳修斯循环是一种由四个步骤组成的理想热力学循环，包括等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。
斯特林发动机通过在环形的气缸中循环工作介质（通常是氢气或氦气）来实现这一循环。
工作流程分为充填、加热、膨胀、冷却、压缩、排气等几个阶段，在每个阶段工作介质的状态发生变化，并产生有用的功。
斯特林发动机相对于内燃机和蒸汽发动机的热效率主要有以下优点：1.高温差利用能力。
斯特林发动机具有高温差利用能力，适用于低温热能源和高温热能源之间的转换，可以充分利用低品位能源，提高能源利用率。
2.燃烧过程无污染。
斯特林发动机的工作介质通常是氢气或氦气，其燃烧过程无排放，不会产生二氧化碳等有害物质，对环境无污染，是一种清洁能源。
3.噪音低。
由于斯特林发动机没有燃烧过程，工作介质的循环是在密闭的环形气缸中进行的，因此噪音很小，可以减少环境噪声污染。
然而，在实际应用过程中，斯特林发动机的热效率还有一些瓶颈，包括以下几个方面：1.传热性能问题。
斯特林发动机的热效率受到热机内部传热性能的影响，包括加热器和冷却器的传热效率，以及气缸壁对工作流体的传热效率等。
2.内部流动损失。
斯特林发动机的热效率还受到内部流动损失的影响，如气缸内气体的阻力损失、涡流损失等，这些流动损失导致工作介质的能量损失，影响热效率。
3.气体性质问题。
由于斯特林发动机的工作介质通常是氢气或氦气等惰性气体，这些气体的比热容小、热导率低，导致斯特林发动机的内部传热性能下降。
针对上述问题，研究人员提出了一些解决方案来提高斯特林发动机的热效率，包括：1.优化加热器和冷却器的传热性能。
研究表明，在相同密度和流量条件下，微型螺旋盘状流動器比板式热交换器更加适用于斯特林发动机的加热器和冷却器，可提高传热效率。
斯特林热机
斯特林热机演示实验实验类型：热学2010年6月【实验目的】――――――――――――――――――――――――――――――――――了解斯特林热机的现象及其原理。
【实验仪器】――――――――――――――――――――――――――――――――――图1 斯特林热机在该装置中有两个活塞：1．动力活塞：这是发动机上方较小的活塞。
它是紧封闭的。
当发动机内的气体膨胀时，动力活塞会向上运动。
2．置换器活塞：这是装置中较大的活塞。
它在气缸中非常自由，因此随着其上下运动，空气很容易在加热式或冷却式气缸之间流动。
置换器活塞通过上下运动来控制是对发动机中的气体进行加热还是冷却。
它有两个位置：当置换器活塞靠近大气缸的上方时，发动机内的大部分气体由热源加热，然后开始膨胀。
发动机内产生的压力会强制动力活塞向上运动。
当置换器活塞靠近大气缸的底部时，发动机内的大部分气体开始冷却收缩。
这会导致压力下降，从而使动力活塞向下运动，对气体进行压缩。
发动机会反复对气体进行加热和冷却，以便从气体的膨胀和收缩中吸取能量。
【实验现象】――――――――――――――――――――――――――――――――――1.在烧杯中装入开水。
2.将斯特林热机置于烧杯上，观察斯特林热机的运转。
【实验原理分析】――――――――――――――――――――――――――――――――――斯特林热机（Stirling Engine），是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式发动机。
它由苏格兰牧师斯特林提出。
斯特林热机在十九世纪初被发明，目前已经发展为上百种不同的机械结构。
斯特林热机是一种高效率的能量转换装置，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林热机仅采用外部热源，工作气体不直接参与燃烧，因此又被称为外燃机。
只要外部热源温度足够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等在内的任何热源，都可使斯特林热机运转，既安全又清洁，故其在能源工程技术领域的研究兴趣日益增加，极有可能成为未来动力的来源之一。
工程热力学(清华大学)-——斯特林循环.
t简
2R 2A
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压气机间冷intercooling的图示
Intercooler
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压气机
压气机间冷在Ts图上的表示
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12341和62’256联合工作
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结论： t间 t简 w间 w简
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当 不变
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不变
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燃气轮机的实际循环的净功
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1kWe碟式太阳能斯特林发动机的研究张晓青
中国工程热物理学会 学科类别: 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号： 1110641kW e 碟式太阳能斯特林发动机的研究张晓青，王金龙，李海宁，李奎（华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074） (Tel:135****7064,E-mail:*****************)摘 要：在当今能源和环境的严峻形势下，太阳能热发电以其清洁、高效、使用灵活等优点越来越被广泛关注。
本文利用自行开发的软件，优化设计并确定了一台1kW e 碟式太阳能斯特林发动机样机的结构参数，同时分析了转速、循环压力、热端温度等关键因素对斯特林发动机输出功率和效率等性能的影响，研究工作将为碟式太阳能斯特林发动机的开发提供了性能分析和设计方法。
关键词:太阳能；碟式太阳能；斯特林发动机；特性分析0 前言在当今能源和环境面临的挑战越来越严峻的形势下，太阳能热发电以其清洁、高效、使用灵活等优点越来越受到人们的关注。
当前，太阳能热发电系统主要有塔式、槽式和碟式三种类型。
其中，碟式太阳能发电系统因使用灵活（分布、并网均适宜）、转化效率高、成本下降空间最大而最具有商业前途。
碟式太阳能热发电系统主要包括三个部分：聚光器、吸热器和斯特林发动机。
斯特林发动机是整个系统中最为关键的一个部件，它是将吸收的热能转化为机械能的动力装置。
在斯特林发动机的末端连上一个发电机，就可以把发动机输出的轴功转化为电能[1]。
斯特林发动机作为碟式太阳能热发电系统的核心组件，国外在此方面做了很多理论研究及CFD 模拟[2-5]并已经实现了规模化的产品开发与示范应用。
但国内的相关技术起步较晚并相对落后，碟式太阳能热发电系统在国内推广的瓶颈就在于斯特林发动机的开发上。
因此，高性能斯特林发动机的研发显得迫在眉睫。
本文利用自行开发的软件，优化设计了一台1kW e 碟式太阳能斯特林发动机，并分析了转速、循环压力、热端温度等因素对斯特林发动机输出功率的影响，并对机器的特性和性能进行了研究和预测。
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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。