斯特林发动机功率分析

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=287J/(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。