斯特林热机研究学习报告doc

时间:2019-07-31

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  斯特林热机 ?斯特林热机定艾 这种热机是伦敦的牧师罗巴特斯特林于1816年发明的,所以命名 为“斯特林热机” o斯特林热机是独特的热机,因为他们理论上的效 率几乎等于理论最大效率,称为卡诺循环效率。斯特林热机是通过气 体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃热机,使燃料连 续地燃烧,蒸发的膨胀氢气(或氨)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。 过程图1斯特林热机的四个循环过程 过程 图1斯特林热机的四个循环过程 理想斯特林热机的热力学循环就是: 1) 1t2过程,工作物质等温冷却收缩。Pv=yRT, AU = 0, A = YRTln(^) Q二A+4U V2Vl,Ql0,所以系统对外做负功,系统放 热。热量在Tmin温度下从工作气体传递给外部低温热源。 2t3过程,工作物质等容吸热升温。A二0,Q二2XU二YCv,m(T3- T2) P3〉P2,所以T3T2, Q20,系统吸热。热量从回热器传递 给工作气体。 3—4过程,工作物质等温吸热膨胀显U = 0, Q二A二yRTln(詈) V4V3, Q30,系统吸热。热量在Tmax温度下从外部热源传递给工 作气体。 4t1过程作物质等容冷却降温。A=0, Q=AU = yCv,mAT Pv-yRT P4P1,所以T4T1, AT 0 , Q40系统放热,气体传递 给冋热器。 由图2中的P-V图可见,经过以上循环过程,发动机会反复对气 体进行加热和冷却,以便从气体的膨胀和收缩中吸取热量,产半机械 能,对外做功。 总的来说,吸热过程有2—3、3t4过程。 三.热机效率 ”=仏=1_ 鱼 I 效率=1-Q1+Q4/(Q2+Q3) 如果在过程2t3中的传热量与过程4~1中的相等,则发动机与其 环境之间发生的热交换仅仅是3t4过程中的供热和1—2过程中的放 热。供热和放热都是在等温条件下进行,因此满足了热力学第二定律 对最高热效率的要求,所以斯特林循环的热效率与卡诺循环相同,即 〃 =(T max-T min)/T max 斯特林循环胜过卡诺循环的主要优点是用两个等容过程代替两个绝 热过程,这就大大增加了 P-V图的面积。因此,为了取得适当的功, 它不需要象卡诺循环那样,必须借助于很大的压力和扫气容积。 四.回热式循环 回热式循环就是斯特林热机的逆循环,可以作为制冷机。斯特林制 冷机的理想工作过程是由两个定容过程和两个定温过程(见热力过程) 组成的可逆循环(见热力循环)。 ■ ■审? ■ ■审? ? MAH 图为单级斯特林制冷机的结构。压缩气缸和膨胀气缸组成一体。 推移活塞把气缸工作空间分成膨胀腔和压缩腔。压缩活塞通过两个主 连杆与曲轴上的两个曲拐相连;推移活塞由穿过压缩活塞的活塞杆和 副连杆与曲轴的中间一个曲拐相连。这个曲拐与另两个曲拐保持一定 的夹角。曲轴的转动使两活塞作差动往复运动,从而使气体压缩、膨 胀和回热。气缸的周围装有水冷却器、回热器和冷凝器(即凝汽器)O 在气体工质通道中设有阀门。当压缩活塞向上运动时,工质被压缩, 从压缩腔排岀,经水冷却器、回热器冷却和降温,然后经冷凝器内侧 流入膨胀腔。推移活塞向下移动(此时压缩活塞仍向上,然后向下移 动),工质在膨胀腔内膨胀后温度降低,即产生冷量。当推移活塞向 上运动时(此时压缩活塞仍向下移动),工质继续膨胀后经冷凝器内 侧对外输出冷量,依次进入回热器、水冷却器。低压低温的工质由膨 胀腔回流至压缩腔时,在回热器填料中吸取热赧而温度升高。气体经 上述工作过程消耗了功,产生的热量由冷却水带走,消耗的功由电动 机输入。冷凝器外侧的气体将热量传递给冷凝器,而使气体温度降低, 直至冷凝成液化气体流下。 斯特林制冷机已由单级发展到双级和三级。为了增加机器的制冷 量,还有利用四个单级制冷机并联组成的四缸回热式气体制冷机。 五 课堂演示的斯特林热机 右边作为斯特林热机的热源,热气机可用氢、氮、氨或空气等作 为工质,按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的 工质。气缸一端为热腔,另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩,然 后流到高温热腔中迅速加热,膨胀作功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。按缸 内循环的组成形式分,热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在 一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动,冷腔与热腔之间用冷却器、 回热器和加热器连接,配气活塞推动丁质在冷热腔之间往返流动。 热力循环可以分为定温压缩过程、定容冋热过程、定温膨胀过程、定 容储热过程四个过程。 1.斯特林热机下面放的是一杯热水,利用两个温差,作为两个热 源。底部气体受热,配气活塞向上运动。 2?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。 六.优缺点及应用 1优点 由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题,从而实现了高 效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体, 如:天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等,也可燃烧柴油、液化石 油气等液体燃料,还可以燃烧木材,以及利用太阳能等。只要热腔达 到700°C,设备即可做功运行,环境温度越低,发电效率越高。外燃 机最大的优点是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,但是,斯特林发动机还有许多问题耍解决,例如膨胀室、压 缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高,热量损失是内燃发动机 的2-3倍等。所以,还不能成为大批量使用的发动机。 与内燃机比较热气机所具备的优点: 适用于各种能源,无论是液态的、气态的或固态的燃料,当采用 载热系统(如热管)间接加热时,几乎可以使用任何高温热源(太阳能 放射性同位素和核反应等),而发动机本身(除加热器外)不需要作任 何更改。同时热气机无需压缩机增压,使用…般风机即可满足要求, 并允许燃料具有较高的杂质含量。 热气机在运行吋,由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧,独立 于燃气的工质通过加热器吸热,并按斯特林循环对外做功,因此避免 了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程,从而实现了高效、低噪和 低排放运行。高效:总能效率达到80%以上;低噪:1米处裸机噪音 底于68dBA;低排放:尾气排放达到欧5标准。 热气机单机容量小,机组容量从20-50kw,可以因地制宜的增 减系统容量。结构简单,零件数比内燃机少40%,降价空间大,同时 维护成木也较低。 2缺点 热气机尚存在的主要问题和缺点是制造成本较高,工质密封技术 较难,密封件的可靠性和寿命还存在问题,功率调节控制系统较复杂, 机器较为笨重。 热气机的未来发展将更多的应用新材料(如陶瓷)和新T艺,以降 低造价;对实际循环进彳丁理论研究,完善结构,提高性能指标;在应 用方面,正大力研究汽车用的大功率燃煤热气机、太阳能热气机和特 种用途热气机等。 热气机分为单缸、2缸、4缸等形式;单缸热气机的燃烧室与冷 却器共一室,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,市于燃烧室需要 交替使用,与-■般的内燃机1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。 3应用 随着全球能源与环保的形势日趋严峻,热气机由于其具有多种能 源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视,所以,在水下 动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力 等方面得到了广泛的研究与重视,并且已得到了一些成功的应用。热 气机推广中的3个方向包括: 热电联产充分利用它环境污染小和可使用多种燃料及易利用余 热的特点,用于热电联产可取得更高的热效率和经济效率。 四联装余热回收系统 低能级的余热回收利用对燃烧系统稍加改进便可利用工场余热、 地热和太阳能进行发电或直接驱动水泵,可取得更大的节能效益。 移动式动力源通过对发动机的小型化和轻量化,并改善其控制性能后, 亦可以作为推土机、压路机等车辆的动力。

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