| 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理 |
| Operation Principle of Stirling Engine |
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1816年蘇格蘭人羅伯特?斯特林發(fā)明了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種用外部熱源加熱使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的外燃機(jī)，外部熱源連續(xù)加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的熱缸，外部冷源連續(xù)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的冷缸，適用于各種熱源，下面通過一個(gè)原理模型來(lái)介紹它的工作原理。
圖1是該原理模型的結(jié)構(gòu)，模型有一個(gè)熱氣缸與一個(gè)冷氣缸（氣缸為剖面表示），熱氣缸上有吸熱片幫助吸熱，冷氣缸上有散熱片幫助散熱，兩個(gè)氣缸通過回?zé)崞鬟B通；在氣缸內(nèi)充有氣體作為工質(zhì)，工質(zhì)不會(huì)向外泄漏。熱活塞可在熱氣缸中往復(fù)移動(dòng)，冷活塞可在冷氣缸中往復(fù)移動(dòng)，熱氣缸外有加熱源對(duì)氣缸內(nèi)氣體進(jìn)行加熱，冷氣缸外有冷卻源吸收氣缸內(nèi)氣體的熱量。 |
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圖1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理模型 |
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加熱源由爐火表示，冷卻源用風(fēng)扇表示；回?zé)崞饔休^大的熱容量與很好的導(dǎo)熱性，比回?zé)崞鳒囟雀叩臍怏w通過回?zé)崞鲿r(shí)，回?zé)崞魑諝怏w的熱量；比回?zé)崞鳒囟鹊偷臍怏w通過回?zé)崞鲿r(shí)，氣體吸收回?zé)崞鞯臒崃?；?duì)于該模型我們假設(shè)回?zé)崞骺臻g容量很小（內(nèi)部氣體可忽略），假設(shè)氣缸導(dǎo)熱性能很好。
兩個(gè)活塞通過一個(gè)機(jī)構(gòu)相連接，按一定的規(guī)律移動(dòng)。下面將演示模型是如何工作的，圖2是運(yùn)行第一階段起始狀態(tài)。 |
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圖2 斯特林循環(huán)——等溫壓縮 |
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運(yùn)行開始，機(jī)構(gòu)推動(dòng)冷活塞向左移動(dòng)，熱活塞不動(dòng)，冷氣缸中氣體被壓縮，向氣缸外放出的熱量由冷源吸收，氣體溫度不變。運(yùn)行下一步進(jìn)入第二階段，圖3是運(yùn)行第二階段起始狀態(tài)。 |
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圖3 斯特林循環(huán)——等容升溫 |
| 機(jī)構(gòu)繼續(xù)推動(dòng)冷活塞左移，在氣體壓力與機(jī)構(gòu)控制下熱活塞與冷活塞同步左移，冷氣缸中的氣體通過回?zé)崞鬟M(jìn)入熱氣缸，氣體在通過回?zé)崞鲿r(shí)溫度升高氣壓升高。運(yùn)行下一步進(jìn)入第三階段，圖4是運(yùn)行第三階段起始狀態(tài)。 |
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圖4 斯特林循環(huán)——加熱等溫膨脹 |
| 機(jī)構(gòu)控制冷活塞不動(dòng)，高壓氣體膨脹推動(dòng)熱活塞向左移動(dòng)，向外部做功，加熱源使熱氣缸中氣體在膨脹做功時(shí)溫度不變，減緩氣壓下降，熱活塞移動(dòng)到熱氣缸端頭。運(yùn)行下一步進(jìn)入第四階段，圖5是運(yùn)行第四階段起始狀態(tài)。 |
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圖5 斯特林循環(huán)——等容冷卻 |
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機(jī)構(gòu)控制熱活塞與冷活塞同步右移，氣體通過回?zé)崞鲿r(shí)把熱量傳給回?zé)崞?，氣體溫度降低，氣體壓力下降，等到活塞移動(dòng)到氣缸端頭，整個(gè)運(yùn)行完成，四個(gè)階段構(gòu)成一個(gè)循環(huán)，然后又進(jìn)入第一階段起始狀態(tài)，開始下一個(gè)循環(huán)，這個(gè)循環(huán)稱為斯特林循環(huán)。
以下是斯特林循環(huán)模型的運(yùn)行動(dòng)畫 |
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斯特林循環(huán)模型工作原理 |
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以上是理想的斯特林循環(huán)，理想的斯特林循環(huán)有很高的熱效率，上例中加熱源與冷卻源間歇工作是為了表示理想斯特林循環(huán)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上加熱源與冷卻源可連續(xù)工作，機(jī)構(gòu)仍可工作，只不過循環(huán)曲線的拐角會(huì)變得園一些，效率會(huì)低一點(diǎn)。根據(jù)該原理有多種結(jié)構(gòu)可近似實(shí)現(xiàn)斯特林循環(huán)，在后面將擇主要介紹。
在實(shí)際應(yīng)用中也有按照這個(gè)基本原理結(jié)構(gòu)制成的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，可直接帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)發(fā)電。
在上面斯特林循環(huán)圖的上方有一個(gè)熱力狀態(tài)坐標(biāo)圖,縱坐標(biāo)p是氣缸內(nèi)氣體的壓力，橫坐標(biāo)v是氣缸內(nèi)氣體的體積，稱之為壓容圖或p-v圖，是分析熱機(jī)效率的主要圖形之一。坐標(biāo)內(nèi)的閉環(huán)曲線就是氣缸內(nèi)氣體的壓力與體積的變化曲線，循環(huán)曲線的面積代表該斯特林機(jī)在一個(gè)循環(huán)所做的有用功，曲線上的紅點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)活塞的運(yùn)行狀態(tài)與位置。深入理解以上工作原理需要一定的工程熱力學(xué)知識(shí)，需要深入的網(wǎng)友可查閱有關(guān)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與工程熱力學(xué)的書籍。 |
