斯特林发动机功率分析
斯特林引擎实验:热机效率的计算和比较

环保性:蒸汽机排放大量废气,对环境造成污染;斯特林引擎排放较少,相对环保。
应用领域:蒸汽机广泛应用于早期工业革命时期的各种机械设备;斯特林引擎则广泛应 用于现代航空航天、军事等领域。
优势:结构简单, 易于维护;热效率 较高,节能环保; 噪音较低,适合家 庭使用。
启动斯特林引擎,观察其运 行状态
组装斯特林引擎实验装置
记录斯特林引擎的输出功率 和温度
计算斯特林引擎的热机效率
准备斯特林引擎实验所需的 器材和材料
与其他热机进行比较,分析 斯特林引擎的热机效率优缺
点
热机效率:热机输出功与输入热能的比值 计算公式:η=W/Q 热机效率的影响因素:燃料种类、燃烧效率、机械效率等 提高热机效率的方法:优化燃烧过程、提高机械效率、降低散热损失等
斯特林引擎作为一种高效、环保的动力系统,其应用领域正在不断扩大。 随着全球对清洁能源的需求不断增加,斯特林引擎的发展前景十分广阔。 斯特林引擎在航空航天、船舶、汽车等领域的应用正在逐步推广。 随着技术的不断进步,斯特林引擎的效率和性能将进一步提高。
斯特林引擎的热机效率与温度、压力、体积等因素有关 实验中,不同型号的斯特林引擎热机效率有所不同 实验结果表明,斯特林引擎的热机效率受到多种因素的影响 通过比较不同型号斯特林引擎的热机效率,可以得出最优设计和操作条件
局限性:功率较小, 不适合大型设备; 启动慢,需要预热 时间;成本较高, 价格较贵。
航天领域:斯特林引擎被广泛应用于航天器中,如卫星、空间站等。 军事领域:斯特林引擎也被用于军事装备,如潜艇、无人潜水器等。 民用领域:斯特林引擎在民用领域也有广泛应用,如发电、供热等。 环保领域:斯特林引擎在环保领域也有应用,如废热回收、太阳能发电等。
100W自由活塞斯特林发动机理论分析和实验测试的开题报告

100W自由活塞斯特林发动机理论分析和实验测试的
开题报告
1. 研究背景
随着能源消耗和环境污染问题的加剧,对高效节能的热机设备的需求越来越大。
自由活塞斯特林发动机作为一种新型热机装置,具有高效节能、低污染等优点,因此引起了人们的广泛关注和研究。
2. 研究目的
本研究旨在对100W自由活塞斯特林发动机进行理论分析和实验测试,探究其工作原理、性能特点和优化方案,为进一步提高自由活塞斯特林发动机的性能提供理论和实验基础。
3. 研究方法
本研究将采用以下研究方法:
(1)理论分析:根据自由活塞斯特林发动机的基本原理和工作过程推导出其性能方程和能量平衡方程,分析其性能特点和优化方案。
(2)实验测试:搭建100W自由活塞斯特林发动机实验平台,进行性能测试和优化实验,测量其热效率、功率输出和排放等指标,并与理论计算结果进行比较和分析。
4. 研究内容
本研究将重点研究以下内容:
(1)自由活塞斯特林发动机的工作原理和性能特点;
(2) 100W自由活塞斯特林发动机的设计参数和构造方案;
(3)自由活塞斯特林发动机的理论分析,包括性能方程和能量平衡方程的推导与分析;
(4)自由活塞斯特林发动机的实验测试与优化研究,包括热效率和功率输出等指标的测试和优化实验;
(5)自由活塞斯特林发动机的性能分析和优化设计。
5. 研究意义
本研究的意义在于:
(1)探究自由活塞斯特林发动机的工作原理和性能特点,为其改进和优化提供理论基础;
(2)对100W自由活塞斯特林发动机进行实验测试和优化研究,为进一步提高其性能提供实验基础;
(3)推广并应用自由活塞斯特林发动机,提高其在工业生产和环保领域的应用价值。
一维斯特林发动机数值分析方法研究

文章编号: 1007 21385 ( 2009) 0120020 203一维斯特林发动机数值分析方法研究李修宝徐让书蒲宁吴超(沈阳航空工业学院飞行器动力与能源工程学院,辽宁沈阳110136 )摘要:合理的斯特林发动机的分析计算方法,对斯特林发动机的设计制造及性能优化分析是非常重要的。
重点介绍了较为先进且更为精确的斯特林分析方法: 一维非定常流动分析法。
并在设计工况下,对某型斯特林发动机的模拟结果进行分析讨论。
该分析方法为斯特林发动机的优化设计和运行提供一个非常有价值的工具。
关键词:斯特林发动机;一维非定常流动;数值模拟中图分类号: TK44112 文献标识码: A斯特林发动机具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性,用途十分广泛。
如果用于水下动力、空间站动力等特殊场合, 它具有独特的优势。
20 世纪70 年代以来, 国内外有许多学者从事斯特林发动机的分析研究。
从80年代开始,科学家和工程技术人员就开始对斯特林发动机设计软件进行研究和开发。
由于计算机技术的限制, 大部分研究还停留在对斯特林发动机部件的优化设计上。
无论是从理论上还是工程应用中都需要一个能够准确预测斯特林发动机的性能和特性的数学模型和计算分析方法。
目前经典的分析方法有:理想循环计算法,施密特分析法,节点分析法, 等温分析法,实用等温分析法,多维分析法等。
但大都存在着过于理想化, 计算较为粗略的问题。
本文通过建立斯特林发动机一维数学模型,并尝试使用已有商业软件对斯特林发动机的工作状况和动态变化情况作模拟计算,并对所得结果进行分析。
机构控制的活塞驱动下,在膨胀腔和压缩腔之间经过加热器、回热器和冷却器流动,加热器和冷却器由大量细管组成,在回热器内的流动也主要是沿轴向的,管轴向几何尺寸比径向几何尺寸要大的多。
因此斯特林发动机工质的流动可以简化为一维非定常流动。
斯特林发动机各个部件的管内流动被简化为一维流动,指的是管内流场中的每条流线都被认为相互平行, 且对应点的状态是相同的, 也就是说,管内与流动方向垂直的各个截面的速度和热力学参数是均一的。
6kw斯特林发电机设计及方案

6KW斯特林发电机设计方案1. 斯特林发动机技术现状斯特林发动机始于1816年。
其后的若干年内,斯特林发动机的开发都没有实质进展。
直到上世纪30年代,具有实用价值的现代斯特林发动机才问世。
但结构复杂、体积庞大、密封困难等缺陷严重阻碍了其应用推广。
只用于潜艇等特殊领域!瑞典考库姆公司在该技术领域居领先地位。
装备世界海军的斯特林发动机都是采用该公司的技术方案。
美国STM公司选择斜盘输出的技术路线,也成功开发出斯特林发动机。
应用范围仍然有限。
自从上世纪三十年代荷兰菲利蒲斯发明现代斯特林发动机以来,通用汽车公司、福特公司、瑞典斯特林联合公司和德MAN公司分别于六十年代、七十年代购买此项专利。
在轿车和公共汽车上进行了大量试验,都因经济原因无法推广。
但是,斯特林发动机的发展潜力一直受到高度重视。
早在1974年,美国人R.W.Richardson分析比较了各类发动机的优缺点后的预言:斯特林发动机是很有前途的发动机!斯特林发动机的发展期待着结构的重大突破!2007年12月19日,结构更合理的斯特林可逆热机申报中国发明专利,2011年6月15日获中国发明专利(专利号200710050949.2)。
清除了阻碍斯特林发动机推广应用的所有障碍,使斯特林热机全面取代内燃机可以成为现实。
2011年1月31日申请中国发明专利的一种斯特林热机工况控制器(申请号201110035499.6)为斯特林发动机提供了可靠的控制系统。
《新型斯特林发动机设计理论研究》一文针对斯特林可逆热机的结构,采用施密特分析法,建立了相应设计理论模型,推导出了准确进行理论计算的功率计算公式;提出了停机角、运转角等技术新概念;从输出功和停机角、运转角差值的正负,确定斯特林可逆热机是用于发动机或制冷机,从理论上阐明了斯特林可逆热机的可逆性。
《斯特林发动机极限压力与平均温度关系探析》解决了施密特分析法理论计算必须的平均温度理论计算难题。
在这种技术条件下,相同功率的斯特林发动机比内燃机体积小,零件减少40%以上。
普通斯特林发动机效率

普通斯特林发动机效率普通斯特林发动机(也称为外燃循环斯特林发动机)是一种热力循环发动机,其工作原理是通过循环流体(通常为气体)在内部进行热传递和机械功输出。
与内燃机不同,普通斯特林发动机在内部不发生燃烧过程,而是通过外部的热源提供热能。
普通斯特林发动机的效率是指其能够将输入的热能转化为有效的机械功的比例。
1. 热源温度:普通斯特林发动机的效率与热源的温度差密切相关。
温度差越大,效率越高。
因此,选择高温热源可以提高发动机的效率。
然而,热源温度受到材料和工艺等因素的限制,因此需要在设计中权衡不同的因素。
2. 热源稳定性:普通斯特林发动机对热源的稳定性要求较高。
如果热源的温度波动较大,将会降低发动机的效率。
因此,在设计中需要考虑如何提供稳定的热源,并采取相应的控制措施。
3. 循环流体选择:循环流体的选择对普通斯特林发动机的效率也有重要影响。
一般来说,循环流体应具有较高的比热容和导热系数,以便更好地传递热能。
同时,循环流体的选择还应考虑其对环境的影响以及成本等因素。
4. 循环过程改进:普通斯特林发动机的循环过程可以通过改进来提高效率。
例如,采用多级循环、内部再热、再冷却等技术可以增加循环过程中的热交换,从而提高效率。
5. 热交换器设计:热交换器在普通斯特林发动机中起到关键的作用。
优化热交换器的设计可以提高热能的传递效率,从而提高整个发动机的效率。
6. 内部摩擦和热损失:普通斯特林发动机中存在内部摩擦和热损失,这些损失会降低发动机的效率。
通过优化设计和采用高效的材料可以减少这些损失,提高发动机的效率。
总的来说,提高普通斯特林发动机的效率需要综合考虑热源温度、热源稳定性、循环流体选择、循环过程改进、热交换器设计以及减少内部摩擦和热损失等因素。
通过不断的研究和创新,可以进一步提高普通斯特林发动机的效率,使其在实际应用中发挥更大的作用。
斯特林发动机发电效率

斯特林发动机发电效率斯特林发动机是一种热力机械,它利用外源热能,通过燃料的热效应使得气体膨胀和收缩,从而将热能转化成机械能。
而斯特林发动机发电效率的主要性能指标是热效率和电功率输出,它们是反映发动机输出功率的重要属性。
本文将就此方面进行分步骤的阐述。
第一步,斯特林发动机的热效率。
热效率指的是以供给热量Q作为标准,发动机总输出功率Wt(包括有用功率Wn和无用功率Wu)中产生有用功率Wn的比率。
一台斯特林发动机的热效率与它的工作油温度、工作气体压力、工作气体组成、运转速度等因素都有关系。
对于同一台机器,热效率随着机器转速的增加而减小,这主要是因为气隙产生了一部分热量的损失。
同时,热效率本身也影响着发动机的发电效率。
因此,提高热效率是提高发电效率的首要任务。
第二步,斯特林发动机的电功率输出。
电功率输出指的是发动机实际产生的电功率,在各种条件下斯特林发动机的电功率输出很难保证一定。
一般来讲,这个值是反映机器发电能力的重要指标。
而电功率输出的提升,不但需要技术手段的改进,也需要在机器的外部条件优化上下功夫。
例如,提高风扇比容、降低风速、控制静电容量、加大功率开关、提高发电机转速等等措施,都能起到一定的作用。
不过,要注意电功率输出上涨带来的机器开销也随之而来。
综上所述,斯特林发动机发电效率的提高并非一蹴而就,需要同时优化机器内部的技术,又要考虑外部条件的影响。
在消除一切影响因素的情况下,通过调整温度和气体质量比例可以提高热效率,从而提高发电效率。
当然,在发电效率提高的同时,当前价值成本的控制也是我们需要关注的焦点。
总体来看,斯特林发动机的热效率与电功率输出都是可以提高的,只是具体操作需要因地制宜。
太阳能斯特林发动机调研报告

太阳能斯特林发动机调研报告一.太阳能斯特林发动机的研究意义进入21世纪,人类社会面临着严重的能源紧缺和环境污染。
传统能源中的石油和天然气将在未来几十年内耗尽,煤尽管还能用一二百年,但它会对生态和环境带来很多的副作用。
在世界范围内的能源危机中,中国更是首当其冲。
因此研究开发无污染、可再生的新能源与能源转换技术是科技界的当务之急[1]。
从能源管理角度来讲,太阳能是产生动力的可再生和不可耗尽的重要能源之一。
把太阳能转换成机械能的有几种方法。
其中理论上可达到最大效率的是斯特林发动机(或热气机)。
斯特林发动机是一种简单的外燃机。
这是罗伯特·史特灵在1816年(英国、专利号4081)就提出的概念。
和内燃机相比,这种发动机效率高、污染小、噪音低等优点。
可以应用在许多领域内中作为清洁高效的动力机, 对节能减排、保护环境有重要意义。
二.斯特林发动机的原理斯特林发动机是利用高温高压的氢气或氦气作为工质, 通过2个等容过程和2个等温过程可逆循环( 图1) 。
气缸中装有2个对置的活塞, 中间设置1个回热器用于交替的吸热和放热, 活塞和回热器之间为膨胀腔和压缩腔。
膨胀腔始终保持高T max, 压缩腔则始终保持低温T min。
由图1可见, 斯特林循环由以下4个换热过程组成: 1- 2为等温压缩, 热量从工质传递给外部低温热源; 2-3 为等容过程, 热量从回热器传给工质; 3-4为等温膨胀,热量从外部高温热源传递给工质; 4-1 为等容过程, 热量由工质传递给回热器。
斯特林发动机是独特的热机,因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率,称为卡诺循环效率。
斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。
这是一种外燃发动机,使燃料连续地燃烧,蒸发的膨胀氢气(或氦)作为动力气体使活塞运动,膨胀气体在冷气室冷却,反复地进行这样的循环过程。
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。
以直线发电机为负载的热声斯特林发动机输出特性研究的开题报告

以直线发电机为负载的热声斯特林发动机输出特性
研究的开题报告
一、研究背景
近年来,热声斯特林发动机被越来越多地应用于低温热电转换领域,其具有结构简单、排放零污染、噪音低、热效率高等优点,广泛应用于
航空航天、电力、化工等领域。
然而,作为一种新型的热机,热声斯特
林发动机在应用过程中仍然面临一些问题,如输出功率不稳定等,需要
进一步研究其输出特性。
二、研究目的
本文旨在研究以直线发电机为负载的热声斯特林发动机输出特性,
探究其在不同负载下的输出功率、效率等参数变化规律,并分析其不稳
定性原因,为热声斯特林发动机的应用和性能优化提供参考依据。
三、研究内容和方法
1.确定研究对象和实验装置,包括选取合适的热源和冷源、搭建热
声斯特林发动机实验测试系统以及选择合适的测试仪器。
2.通过调整热源和冷源的温差,改变发动机的工作条件,测试不同
负载下热声斯特林发动机的输出功率、效率等参数。
3.分析实验结果,绘制随负载变化的输出特性曲线,并讨论其变化
规律和不稳定性原因。
4.在以上基础上,提出热声斯特林发动机输出特性优化方法的初步
方案,为热声斯特林发动机的性能优化提供参考。
四、预期结果和意义
通过本研究,将探究以直线发电机为负载的热声斯特林发动机的输
出特性,包括不同负载下的输出功率、效率等参数变化规律,为热声斯
特林发动机的应用和性能优化提供参考依据,具有重要的实际意义。
同时,预计得到以下预期结果:
1.掌握热声斯特林发动机不同负载下的输出特性变化规律。
2.分析热声斯特林发动机输出功率不稳定的原因。
3.初步提出热声斯特林发动机输出特性优化方案。
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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),
比热比为r=1.4,气体常数为R=287 J/(kg*K);容积压缩比ε=V1/V2。
若P1=0.1MPa,V1=5L,ε=5,则P2=P1*ε=0.5MPa,T2=T1=Tmin=300KV2=V1/ε=1L,Q12=P1V1ln(1/ε)=-804.7JW12=Q12=-804.7JP3=P2/κ=1.67MPa,T3=Tmax=1000K,V3=V2=1LQ23=mCV*(T3-T2)=2.9KJ,W23=0P4=P3/ε=0.33MPa,T4=Tmax=1000KV4=V1=5LQ34=mRT3lnε=2.7KJW34=Q34=2.7KJQ41=mCV*(T1-T4)=-2.9KJ,W41=0由上述计算结果可以看出,两次定容过程传热量大小相等,符号相反,可以看成是热量先“储存”起来,然后再“补偿”给工质,实现该功能的是用回热器来完成的。
整个过程的热量可以看成只在两次定温过程中发生,吸热量Q吸=Q34=2.7KJ,放热量Q放=Q12=804.7J,做功量W=Q吸-Q放=1895.3J效率η=W/Q吸=0.7。
当然也可以利用上面推到出的公式η=1-Tmin/Tmax来计算:η=1-300/1000=0.7。
结果分析:由上述结果看出,斯特林机的效率十分高,但是上述只是理论结果,需要满足诸多假设条件,实际情况与假设存在许多差异,如容积变化并非分段,而是连续的,回热也不可能百分之百,必然会有热量损失,工质也不是理想气体,具有一定的密度和黏度,产生摩擦损失,除此之外还有机械摩擦,死容积等,都会使斯特林机的效率大大减低。
不过理论分析仍然有很重要意义,从上述计算可以发现,四个过程中有热量传递,定容过程热量记为Q,Q=mCV(Tmax-Tmin),定温压缩过程放热Q放=P1V1lnε,定温膨胀过程中吸热Q吸=P3V3lnε。
放热量与吸热量与体积压缩比ε有关,做功量W=Q吸-Q放=P3V3lnε-P1V1lnε=P3V3lnε(1-κ),即做功与压缩比及温度比有关,压缩比越大,温差越大,有效功越大,但是压缩比增大同时,吸热量也增大,热效率η=W/Q吸=1-κ,与压缩比无关,只与温差有关。
提高温差,可以提高热效率。
另外,定容过程的热量传递Q=mCV(Tmax-Tmin),理论上与热效率无关,但事实上,回热器不可能百分之百将热量全部“储藏”并“补偿”给工质,一定会有热损失,从而导致效率降低,并且损失越大,效率降低越多。
假如回热器的热损失系数为ζ,显然Q越大,损失会越大,而Q 也随着温差的增大而增大,所以,温差不能太大。
当然,温度差也受到材料、加工工艺等多方面因素的限制,不可能无限增大。
结论在理论上,斯特林发动机的热效率与同温限的卡诺循环效率相等,只与最高温、最低温有关,且温度差越大,热效率越高。
实际斯特林发动机热效率参考文献:[1]邹隆清等,斯特林发动机,湖南大学出版社,1985,P1-10。
[2]刘世贤等,特种发动机,浙江大学出版社,1991,P1-5、14-19、76-87。
[3]朱仙鼎,特种发动机原理与结构,上海科学技术出版社,1998,P20-26。