斯特林循环的制冷应用

斯特林循环的制冷应用王家乐斯特林循环的制冷应用1斯特林循环系统原理及特点介绍。2利用余热、燃气、太阳能等热源的斯特林发动机产生动力制冷。3斯特林制冷循环特点及应用。31.1斯特林循环TheStirlingcycle斯特林循环两个等温过程两个等容过程卡诺循环两个等温过程两个绝热过程理论斯特林循环效率为卡诺效率，即是在一定的高温热源和低温热源之间工作的热机的最高效率，两者的逆循环同样如此。41.2斯特林热机发展历史斯特林循环是英国牧师罗伯特·斯特林在1816年发明的，他在此循环基础上发明了著名的斯特林引擎（Stirlingngine），它是一种外燃机，是热气引擎。51.3斯特林热机发展历史1843年斯特林和其弟弟在原有基础上做出改进热效率由8%提高到18%，功率达到45匹马力，在其后地很长一段时间是仅次于蒸汽机的热机，应用广泛。1860年柯克（Kirk）成功的把斯特林循环的逆循环用于制冷，但没有实际应用。1910年后由于汽油机和柴油机的出现，斯特林发动机被完全淘汰。1940年后菲利普着力研究现代斯特林发动机，随后的通用汽车公司也开始大量研究，主要是车用及特种斯特林发动机。由于技术和成本，这期间的斯特林制冷机主要用于航天领域及红外探测器件的冷却，制冷温度大都低于100K，制冷量较小，在几毫瓦到几瓦范围内。目前，斯特林热机应用最广泛的是在碟式太阳能发电，还有特殊环境的动力装置，如API常规潜艇，。1.4斯特林发动机原理斯特林发动机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。主要包括热源热源、冷源、闭式循环系统、动力传动系统(包括工质密封系统)、负荷控调系统、起动等辅助系统。有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。其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。实际斯特林热机有很多热损失，主要有穿梭传热损失、泵气损失、回热损失、导热损失等。所以实际斯特林循环效率低于卡诺循环效率。实际循环如右图：1.5斯特林发动机性能分析实际循环P-V图斯特林发动机的循环效率：其中：ε为回热器效率，系数τ=TH／TL；γ=CP/CV；V0=V1/V2；斯特林发动机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，它理想的热力循环称作斯特林循环。它具有两个明显优于内燃机的特点：一、能利用各种能源，无论是常用的液体燃料，还是气体燃料或固体燃料，甚至太阳能、化学反应能和放射性同位素能源，工厂废热只要是能产生一定温度的热量，斯特林发动机就可以工作。二、振动噪音低、排放污染小，具有良好的环境特性。相比内燃机其热源温度不需要太高，一般750℃以内远低于内燃机汽缸温度。而且热源燃烧连续，工质不燃烧。循环压力比通常小于2，运行平稳。外燃机出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。三、相比内燃机的一个亮点——非常容易DIY1.6斯特林循环特点2.1利用余热、燃气、太阳能等热源的斯特林发动机产生动力制冷。目前斯特林发动机作为动力机械发展相对成熟一些，特别是碟式/斯特林太阳能发电机应用广泛，不同型号的斯特林发动机都有批量生产。采用废热（余热、燃气、太阳能等）——斯特林发动机——制冷机组方式的总制冷效率和吸收式制冷持平，特别是近年来温差小于400度的高效斯特林发动机研究成功，使得这一方式的可行性越来越高。对于边远地区、荒漠和海岛等，架设电网的投资太大，采用柴油发电成本太高，而外燃机可以利用太阳能、沼气、植物、垃圾等发热源发电。采用：热能——斯特林发动机——电能——普通制冷机制冷非常合适。112.2碟式太阳能斯特林发电装载斯特林引擎的太阳能热发电场自发明以来斯特林引擎的发展就远不及内燃机等热机，但是，现在斯特林引擎在太阳能热发电领域又“如日中天”（华尔街日报语）。2.2碟式太阳能斯特林发电12碟式/斯特林太阳能热发电具有清洁、高效（最高热电转换效率约为29.4%，高于光伏22%的效率）、使用灵活（既可以作为分布式系统单独供电，也可以并网发电）的优点。近20年来在西方发达国家得到很快发展。目前分布式发电的碟式系统的成本与光伏电站的系统成本相近。斯特林太阳能发电的优势是可以在其热腔中加入燃气/燃油辅助加热装置，这样在光照不足的情况下也可以持续发电。相比光伏、风能，更加适合作为分布式发电系统。3.1斯特林制冷循环斯特林制冷循环的工质在室温腔、冷却器、回热器、冷量换热器和冷腔等部分来回交变流动，而气体总量不变，所以是闭式循环。循环的理论性能系数等于同温限下卡诺循环的性能系数理想斯特林制冷循环要求活塞作折线式的间断运动，如右图中虚线所示，这是难以实现的。右图的曲柄连杆机构带动的双活塞结构，通常作为热力分析的基本形式。热端冷端3.2斯特林制冷循环的特点一直以来，由于技术成本和生产成本较高的原因，斯特林制冷机主要用于航天领域及红外探测器件的冷却，制冷温度大都低于100K，制冷量较小，2O世纪8O年代以后，随着斯特林制冷技术的成熟，其设计和制造成本逐年下降，斯特林制冷机的应用面和产量逐渐增加。特别是传统制冷系统由于ODP(臭氧层破坏)和GWP(温室效应)而受到越来越严格的限制，这为斯特林制冷技术的蓬勃发展提供了难得的历史机遇。斯特林制冷与传统的蒸气压缩节流制冷有极大的不同，斯特林制冷一般采用整体式斯特林制冷机作为冷源，主要以氦气为循环工质，其原理是工质膨胀制冷，因而无节流系统和蒸发器。相对于传统的蒸汽压缩节流制冷系统，采用斯特林制冷循环的新型制冷系统具有高效率、“绿色”制冷剂、制冷温区广等特点，在环保及节能方面具有明显的优势。上世纪90年代以来，国内外的斯特林技术研究机构先后提出并研制了可用于商业制冷(制冷温度高于120K)领域的斯特林制冷系统。但规模化商业应用还不成熟。3.3斯特林循环制冷应用实例韩国LG公司的Kim等采用自由活塞斯特林制冷机对60L的冰箱制冷，使冰箱内温度保持在-20℃，结果显示相对于蒸汽节流制冷系统节能25％。以色列IST公司与法国电力公司EDF合作研制了采用旋转电机的曲柄连杆结构的斯特林制冷机，其结构如右图所示，基本完成了应用研发阶段。163.4斯特林制冷的其他应用目前有报道，已经开始研究在计算机主板的散热风扇上使用，通过计算机芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给硬件降温。上海技术物理所研制的对置式平衡斯特林制冷系统，在2002年3月的神舟三号上成功应用，设计寿命半年，工作温度86.5K，制冷量500mW17谢谢！