斯特林发动机循环分析
斯特林发动机循环分析
张灏峻 戴俏波 颜俏
北京交通大学 热能与动力工程
摘要：斯特林发动机作为外燃机，其理论热效率高，等于卡诺循环效率，此外，它具有适用于多种燃料、燃烧时间充分、燃烧完全、污染排放小等优点，所以近三十年来一直是研究的热点。本文简单介绍了了斯特林发动机结构特点，介绍了其主要优缺点及应用现状，对循环过程和热效率进行了分析，并提出一系列提高循环效率的措施，旨在把我们从课本上所学的知识做一细化整理。
关键词：斯特林发动机；优缺点；应用现状；循环效率；提高效率
一．斯特林发动机
1.结构特点
斯特林发动机是伦敦的牧师罗巴特 斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirling engine）。斯特林发动机是独特的热机因为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。斯特林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。
图1 斯特林发动机主要结构
斯特林发动机主要由压缩腔、加热器、回热器、冷却器和膨胀腔组成,。热气机分为单缸、2缸、4缸等形式；单缸热气机的热腔与冷腔共一室，需要交替向燃烧室中注入燃气、燃烧、排气、注入冷却气体等循环过程，驱动活塞上下运动带动曲轴转动，由于燃烧室需要交替使用，与一般的内燃机一样复杂，很少再发展。2缸热气机的燃烧、冷却过程完全连续，1个汽缸加热、1个冷却，工质在 2个气缸中密闭循环，反复被加热冷却，活塞在热气驱动下上下运动驱动曲轴旋转。4缸热气机的气缸上部加热、下部冷却，或相反，工质在相邻两个气缸的上下部间循环，4个活塞交替上下，直接驱动斜盘转动，工作最为平顺。
2.应用现状
2.1用于热电联产
充分利用它环境污染小的特点，在大城市里可以以天然气作燃料，通过斯特林发动机内部的冷却装置，加热冷却水并回收烟气，即可采暖。1台25KW的外燃机完全可以满足500-1500㎡建筑采暖，如图2所示。
图2 斯特林发动机热电联产网络 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，一般情况下根据供热需求确定其运行状态，其电力系统可与电网连接，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，如图3所示，夏季就可以利用热能支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。
图3 斯特林发动机热电联产装置
2.2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，利用太阳能的能量嘉文热腔发电，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实在太阳落山后或阳光不足以发电时，自动闭合热腔，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1/3，投资效益极好。
2.3 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，利用热腔温度达到700℃即可发电的特性，不需要任何介质或换能转换装置，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。
2.4其他 斯特林发动机可用在汽车、潜水艇、宇宙飞船上、充分发挥其体积小、排热量低、噪音小等特点，应用十分广泛。
3.经济性分析 北京某居民楼利用斯特林发动机系统进行热电联产，燃气斯特林发动机与燃气锅炉具体经济参数的比较见表1。
表1 斯特林发动机与燃气锅炉经济性比较
由上表可知该工程采用斯特林发电机热电联产大幅度节约了能源费用，经济效益明显；环境效益也非常突出，该机氮氧化物排放远远小于燃气锅炉的排放。
二．斯特林循环过程分析 理想的斯特林热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。斯特林循环可以分为4个过程：
① ② ③ ④
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