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（RobertStirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirlingengine）。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：①②③④①
a→b定容回热过程:动力活塞停留在它的上止点附近,配气活塞上行，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。②b→c定温膨胀过程：配气活塞继续上行，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作功。③c→d定容储热过程：动力活塞保持在下止点附近，配气活塞下行，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。④d→a定温压缩过程:配气活塞停留在下止点附近，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。斯特林循环与卡诺循环比较，前者由两个等温过程和两个等体积过程所构成，而后者係由两个等温过程和两个绝热过程所构成。换言之，斯特林引擎循环以两个等体积的吸热与排热过程，取代卡诺循环的两个绝热过程。因此，若斯特林引擎循环欲达成卡诺引擎相同的热效率，必须将c→d过程中，工作流体等体积排热过程所排出的的热量，必须用来提供在a→b过程中，工作流体等体积吸热升温所需的热量，这个步骤，叫作再生(Regeneration)，所使用的装置，称为再生器(Regenerator)或回热器。实际的斯特林循环由于受到系统不可逆因素的影响，不可能严格遵循以上四个过程，其循环如下：三．斯特林循环效率分析针对理想stirling循环，在定容回热过程a→b中工质从回热器中吸收的热量正好等于定容储热过程c→d中放给回热器的热量，在这个过程中工质与外界没有发生热量的换。经过一个循环回热器恢复到原始状态，所以整个循环中工质吸热（b→c段）故整个循环中工质放热（d→a段），故考虑到，所以，因此可得可见斯特林循环的热效率与同温限的卡诺循环的效率相等。斯特林循环从表面上看有定容吸热过程、定容放热过程，所以必须有许多热源，但是在定容放热过程中所放出的热量在定容吸热过程中完全被工质本身所吸收。这样的回热过程称为极限回热，在极限回热过程中工质与外界没有发生热量的交换。因此斯特林循环中工质只是从高温热源恒温吸热，向低温热源恒温放热，所以其热效率与卡诺循环热效率相同。我们把象斯特林循环这样的极限回热循环也称做概括性卡诺循环。由表达式可见，提高热效率的方法是提高循环的高温和降低循环的低温。而实际的斯特林循环发动机，由于存在种种不可逆因素：1、实际循环过程中可以提供的高、低温温差有限，往往达不到理想的stirling循环效率；2、实际回热过程有压降，影响到回热效率；3、理想循环的传热过程需要提供足够大的传热面积和传热时间，而实际过程难以实现；4、实际循环过程中，由于装置扇热、系统摩擦等造成能量损失，一定程度上降低了效率；5、回热器的效率也不可能达到百分之百，即吸收多少热量就能回热多少热量，所以实际的热气发动机热效率不可能达到很高，也必然低于同温限卡诺循环的理论热效率。尽管如此，但是可以相信，斯特林循环发动机会越来越广泛地进入各实用领域。四．如何提高循环热效率针对以上提出的各种因素，有以下对应的提高效率的措施：1、尽可能地提高循环过程的高温、降低低温；2、采取回热措施，并提高回热效率；3、尽可能增大传热面积，延长传热时间；4、循环装置采用低散热率的材料，或者可以做成气缸密封工作或是增加机构将流失的能量回收再利用，但这样会使系统装置的复杂程度提高。参考文献：[1]《工程热力学（第六版）》YunusA.CengelMichaelA.Boles著[2]《斯特林发动机技术参考资料（Stirling.engine.technology.reference）1949年美国