斯特灵发动机
斯特灵发动机(英语:Stirling Engine)[1]又名热空气发动机,是一种基于斯特林循环的闭循环活塞式热机。闭循环的意思是膨胀和压缩介质一直保存在气缸内;而开循环,如内燃机需要与大气交换气体。
长型斯特灵机剖面图:
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历史
编辑伦敦的牧师罗伯特·斯特灵(Robert Stirling)于1816年发明的,所以命名为“斯特灵发动机”(Stirling engine)。
工作原理
编辑斯特林发动机透过气体吸收热源的内能,热胀冷缩做功,然后接触冷源,气体压缩,使活塞复位。发动机内的工作气体处于封闭中,因此可以用惰性气体来作为介质。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[2]:
- 右侧气缸与热源接触,缸内气体受热膨胀,对右侧活塞做功,活塞上升,接近于等温膨胀过程。
- 左侧活塞上升,右侧活塞下降,工作气体进入左侧气缸,接近于等容放热过程。
- 左侧气缸与冷源接触,缸内气体冷却收缩,左侧活塞下降,接近于等温压缩过程。
- 左侧活塞继续下降,工作气体返回右侧气缸,接近于等容吸热过程,完成一个循环。
理想情况下,等容放热量与等容吸热量相同,等温膨胀吸热量高于等温压缩放热量,输出机械能。
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共用活塞的活塞斯特林发动机
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冷热双活塞分离的活塞斯特林发动机
配气活塞式斯特林发动机的原理,配气活塞斯特林发动机有配气活塞和动力活塞两个活塞。其中配气活塞并不密封,气体可以从其和气缸间的缝隙中自由流动:
- 底部气体受热,配气活塞向上运动。
- 配气活塞上部气体受到压迫,一部分推动动力活塞运动,一部分从缝隙中进入配气活塞底部受热膨胀继续推动配气活塞。
- 动力活塞转动,带动飞轮,飞轮带动配气活塞向下运动。
- 配气活塞压迫气体进入上方,气体被冷却收缩,配气活塞上升,完成一个循环。
背景
编辑在将热变成机械功的转换上,斯特林发动机在真实的热机中可达最高的热效率,至多80%,仅受工作气体和发动机材料的不理想性质限制,例如摩擦、热传导性、抗张强度、缓慢、熔点等。
只要提供充足热源,此发动机理论上可用被任何热源推动,包括太阳能、化学能和核能。
与内燃机相比,斯特林发动机往往维修需求较低,更高效、更安静、而且更可靠。它们倾向被应用于某些特殊用途以发扬其独特优点。特别是首要目标非减低每单位功率的投资成本(金钱/千瓦),而是减低发动机产生每单位能量的成本(金钱/度)的时候。
在额定功率下,斯特林发动机的投资成本目前比内燃机发动机高,而且通常更大更重,因此这发动机科技很少单独以此作为竞争基准。然而在一些用途上(例如需要静音的潜艇[3]),适当的本益分析可令斯特林发动机优于内燃机发动机。
近年来,鉴于能源成本普遍上涨,能源短缺和全球暖化之类的环境问题,斯特林发动机的优点愈来愈显著。也有人将斯特林发动机运用在了实验车辆上。[4] 对斯特林发动机科技提高兴趣促进了斯特林装置的研发。其应用涵盖借由不相容于内燃机的丰富能源抽水、宇基太空航行、发电,像是太阳能、农业废料还有家庭垃圾。
另一个斯特林发动机的潜力是,若供应机械功,它可以作为一种热泵。已有实验利用风能驱动斯特林热泵作为家用冷暖空调。
问题在于(1)散热器巨大,无法用于移动机器如汽车,(2)材料要求过高,没有材料可平价用于大功率发动机。
相关条目
编辑资料来源
编辑- ^ 邓迪的史特林引擎. hotairengines.org. [2020-06-19]. (原始内容存档于2020-06-06).
- ^ 斯特林发动机工作原理 互联网档案馆的存档,存档日期2009-07-11.
- ^ 零距离细看日本最强AIP潜艇工艺. [2009-05-18]. (原始内容存档于2010-03-04).
- ^ 萬能科大光電系周鑑恆教授成功研發出載人的史特林引擎車. [2009-05-19]. (原始内容存档于2009-07-11).
延伸阅读
编辑- R.C. Belaire (1977). "Device for decreasing the start-up time for stirling engines", US patent 4057962. Granted to Ford Motor Company, 15 November 1977.
- P.H. Ceperley. A pistonless Stirling engine—The traveling wave heat engine. Journal of the Acoustical Society of America. 1979, 66 (5): 1508–1513. Bibcode:1979ASAJ...66.1508C. doi:10.1121/1.383505.
- P. Fette. About the Efficiency of the Regenerator in the Stirling Engine and the Function of the Volume Ratio Vmax/Vmin. [2009-01-19]. (原始内容存档于2001-03-08).
- P. Fette. A Twice Double Acting α-Type Stirling Engine Able to Work with Compound Fluids Using Heat Energy of Low to Medium Temperatures. [2009-01-19]. (原始内容存档于2001-03-08).
- D. Haywood. An Introduction to Stirling-Cycle Analysis (PDF). [2009-01-19]. (原始内容 (PDF)存档于2007-09-26).
- Z. Herzog. Stirling Engines. Mont Alto: Pennsylvania State University. 2006 [2009-01-19]. (原始内容存档于2007-04-03).
- F. Kyei-Manu; A. Obodoako. Solar Stirling-Engine Water Pump Proposal Draft (PDF). 2005 [2009-01-19]. (原始内容 (PDF)存档于2009-03-06).
- Lund University, Department of Energy Science: Division of Combustion Engines. Stirling Engine Research. [2009-01-19]. (原始内容存档于2008-04-19).
- N.P. Nightingale. NASA Automotive Stirling Engine MOD II Design Report (PDF). NASA. 1986 [2009-01-19]. (原始内容存档 (PDF)于2010-05-18).
- D. Phillips. Why Aviation Needs the Stirling Engine. 1994 [2009-01-19]. (原始内容存档于2009-01-19).
外部链接
编辑- 开放目录项目中的“斯特灵发动机”
- I. Urieli (2008). Stirling Cycle Machine Analysis 2008 Winter Syllabus
- Simple Performance Prediction Method for Stirling Engine (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Explanations stirling engine and demos (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Shockwave3D models: Beta Stirling and LTD