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斯特林发动机 (14858 views - Mechanical Engineering)

斯特林发动机(Stirling Engine)又名熱空氣引擎,一种闭循环活塞式热机。闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内,而开循环则如内燃机和一些蒸汽机需要与大气交换气体。斯特林发动机一般被归为外燃机。
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Explanation by Hotspot Model

斯特林发动机

斯特林发动机

長型斯特林機剖面圖:

  • 粉紅–高溫汽缸壁
  • 深灰–低溫汽缸壁(透過黃色通道注入和排出冷卻液)
  • 深綠–溫度隔離壁
  • 淺綠–配气活塞
  • 深藍–活塞
  • 淺藍–曲柄和齒輪
不在圖上的:熱源和冷源。

斯特林发动机(Stirling Engine)又名熱空氣引擎,一种闭循环活塞式热机。闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内,而开循环则如内燃机和一些蒸汽机需要与大气交换气体。斯特林发动机一般被归为外燃机

历史

伦敦的牧师罗巴特斯特林(Robert Stirling)于1816年发明的,

所以命名为“斯特林发动机”(Stirling engine)。

工作原理

斯特林发动机通过气体在冷热环境转换时的热胀冷缩做功。发动机内的工作气体处于封闭中,本身不参与任何形式的能量转换,因此可以用惰性气体来作为工质。以简单的双缸斯特林为例,斯特林发动机的工作过程可以分为如下几个阶段[1]

  1. 右侧气缸受热,右侧活塞上升,接近于等温膨胀过程。
  2. 工作气体进入左侧气缸,左侧活塞上升,右侧活塞下降,接近于等容放热过程。
  3. 左侧气缸被冷却,左侧活塞下降,接近于等温压缩过程。
  4. 工作气体进入右侧气缸,接近于等容吸热过程,完成一个循环。

理想情况下,等容放热量与等容吸热量相同,等温膨胀吸热量高于等温压缩放热量,输出机械能。

配气活塞式斯特林发动机的原理,配气活塞斯特林发动机有配气活塞和动力活塞两个活塞。其中配气活塞并不密封,气体可以从其和气缸间的缝隙中自由流动:

  1. 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。
  3. 动力活塞转动,带动飞轮,飞轮带动配气活塞向下运动。
  4. 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。

背景

在將熱變成機械功的轉換上,斯特林引擎在真實的熱機中可達最高的熱效率,至多80%,僅受工作氣體和引擎材料的不理想性質限制,例如摩擦熱傳導性、抗張強度、緩慢、熔點等。

此引擎理論上可用任何足量的熱源運行,包括太陽能化學能核能

內燃機相比,斯特林引擎往往維修需求較低,更高效、更安靜、而且更可靠。它們傾向被應用於某些特殊用途以發揚其獨特優點。特別是首要目標非減低每單位功率的投資成本(金錢/千瓦),而是減低引擎產生每單位能量的成本(金錢/度)的時候。

很小的斯特林发动机

在額定功率下,斯特林引擎的投資成本目前比內燃機引擎高,而且通常更大更重,因此這引擎科技很少單獨以此作為競爭基準。然而在一些用途上(例如需要靜音的潛艇[2]),適當的本益分析可令斯特林引擎優於內燃機引擎。

近年來,鑑於能源成本普遍上漲,能源短缺和全球暖化之類的環境問題,斯特林引擎的優點愈來愈顯著。也有人将斯特林发动机运用在了实验车辆上。[3] 對斯特林引擎科技提高興趣促進了斯特林裝置的研發。其應用涵蓋藉由不相容於內燃機的豐富能源抽水、宇基太空航行、發電,像是太陽能、農業廢料還有家庭垃圾。

另一個斯特林引擎的潛力是,若供應機械功,它可以作為一種熱泵。已有實驗利用風能驅動斯特林熱泵作為家用冷暖空調

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