斯特林发动机

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斯特林发动机(Stirling Engine)是一种闭循环活塞式热机。闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内。

发明时间

斯特林发动机(Stirling engine)是伦敦的牧师罗巴特 斯特林(Robert Stirling)在1816年发明的。

特点

内燃机相比,斯特林发动机具备以下优势:

①采用独立的燃烧室,燃料的选择范围更广,并可使用热值较低且杂质含量较高的燃料。燃烧室可以独立设置,因此斯特林发动机可根据不同的燃料来配备不同的燃烧室或燃烧器。对于气体燃料,可以采用圆筒形燃烧室,采用两次送风,空气通过旋流器产生回流来稳定火焰和加强与燃料的混合,气体燃料采用多孔射流的方式进入燃烧室。对于不同气体燃料,喷嘴和配气系统略有不同。对于固体燃料,常采用低NOx旋流燃烧器与低NOx流化床燃烧技术。对于生物质燃料,常采用高温空气气化技术,高温空气发生器采用分级燃烧和高温低氧燃烧技术相结合的燃烧器。还可以使用任何高温热源,而发动机本身(除加热器外)不需要进行任何改造,也无需压缩机增压。只要存在70℃以上的高温热源,设备即可运行做功。

②由于采用独立的燃烧室,能更加精确地控制空气与燃料混合物的人料量,而且燃烧过程连续,未完全燃烧的排放物将大大减少。

③斯特林发动机的支撑与密封结构常处在低温侧,比其他往复式发动机润滑剂需要量少,大修的间隔期更长。

④气缸结构相对简单,没有进、出气阀及燃油喷射器,因此零部件数量仅为内燃机的60%,成本可大幅降低,维护成本也可降低。

⑤不会像其他发动机产生震爆现象,从而使振动减小,噪声降低,因振动产生的疲劳破坏也随之减少。斯特林发动机曲轴每转的扭矩不均匀度小,扭矩输出相对稳定,而内燃机的扭矩输出变化较大。

⑥单机容量小,适合应用在分布式能源系统。目前,正在开发的机型的输出功率主要为1~55 kW,输出功率小的较适合住宅使用,输出功率大的较适合小型工业或商业企业使用。在大功率需求的场所,也可以通过模块化阵列组合来实现更大的输出功率。

⑦余热易于回收,可结合热电联产联合运行。

⑧功率输出和效率不受海拔的影响,非常适合于高海拔地区使用。海拔增大时,空气密度下降,内燃机因受到容积效率的限制,输出功率也随之下降,而斯特林发动机只受到高温热源和环境温度的影响。

斯特林发动机

斯特林发动机

缺点和不足

①瞬态功率调整性能较差。斯特林发动机的功率输出相对稳定,很难快速地从一个功率等级调整到另一个功率等级。当斯特林发动机为汽车提供动力时,由于其稳定的扭矩特性,在怠速运行时燃油经济性较差,且瞬间提高动力性较差。

② 由于冷却端的温度需要尽可能低,以此来提高热效率,这样就会导致冷却端的废热排放需要较大面积的散热器。特别对于小温差工况下的斯特林发动机,由于散热器的缘故,无法实现紧凑设计,这也是限制斯特林发动机作为汽车原动机的另一个主要原因。

③快速启动性能差。斯特林发动机不能马上开机正常运行,它需要一个暖机过程,时间较长。尽管内燃机也有这种现象,但其暖机时间比斯特林发动机短得多。

④氢、氦的低分子质量特性使其非常适合作为斯特林发动机的工质,但氢、氦为小分子物质,密封比较困难,因此须增加储气罐或气体发生器来保障氢、氦的需求量。以氢、氦作为工质也会带来腐蚀、脆化、工质流程复杂等问题,由此增加的辅助装置增加了成本与系统的复杂性。

⑤加热器与工质之间必须保障无腐蚀、无污垢,因此技术要求高。

⑥由于排放物中氧的含量过高,因此一步催化清除NO。较困难。

⑦加工、装配精度要求较高,造成斯特林发动机的生产成本和生产周期增加,因此成本略高于微型燃气轮机。

工作原理

斯特林发动机通过气体在冷热环境转换时的热胀冷缩做功。发动机内的工作气体处于封闭中,本身不参与任何形式的能量转换,因此可以用惰性气体来作为工质。以简单的双缸斯特林为例,斯特林发动机的工作过程可以分为如下几个阶段:

1.右侧气缸受热,右侧活塞上升。

2.工作气体进入左侧气缸,左侧活塞上升,右侧活塞下降。

3.左侧气缸被冷却,左侧活塞下降。

4.工作气体进入右侧气缸,完成一个循环。

斯特林发动机

斯特林发动机原理

无论哪种结构,斯特林循环都在密闭的容器内进行,其理论循环包括2个等温过程和2个等容过程。以仪型斯特林发动机为例,其工作过程为:①状态1—2为等温压缩过程。活塞A处于上死点不动,活塞B由下死点开始上行到中间某位置,压缩工质,冷却器吸收工质压缩时放出的热量,维持工质温度不变。②状态2—3为定容吸热过程。活塞A、B以同样的速率分别下行和上行,在定容条件下将压缩腔中的工质推人膨胀腔,低温工质经回热器吸热,压力和温度上升。③状态3—4为等温膨胀做功过程。活塞B处于上死点不动,膨胀腔中高温、高压工质膨胀推动活塞A继续下行至下死点对外做功,其间工质经加热器吸收热量,维持工质温度不变。④状态4—1为定容放热过程。活塞B、A以同样的速率分别下行和上行,分别到达下死点,将膨胀腔中的高温工质推人压缩腔,高温工质经回热器放热,压力和温度下降,回到初始状态,进入下一个循环。。斯特林循环的理论热效率等于相同温度工况下卡诺循环的热效率。但实际上,由于种种不可逆因素,斯特林发动机的发电效率较低,目前基本上与微型燃气轮机相同。

发展

斯特林循环热空气发动机不排废气,除燃烧室内原有的空气外,不需要其他空气,所以适用于都市环境和外层空间。另外,斯特林循环发动机是AIP(不依赖空气动力)技术的一个方向,保证常规动力潜艇长时间水下航行,而不需上浮。

18世纪末和19世纪初,热机普遍为蒸汽机,它的效率是很低的,只有3%一5%左右,即有95%以上的热能没有得到利用。到1840年,热机的效率也仅仅提高到8%。斯特林对于热力学理论的研究,就是从提高热机效率的目的出发的。他所提出的斯特林循环的效率,在理想状况下,可以无限提高。当然受实际可能的限制,不可能达到100%,但提供了提高热效率的努力方向。

参考资料:斯特林引擎模型制作

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