斯特林发动机.ppt

斯特林发动机• 热气机(StirlingEngine)是一种由外部供热 使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀 的闭式循环往复式发动机，由苏格兰牧师 RobertStirling在十九世纪初发明，所以又 称斯特林发动机相对于内燃机燃料在气 缸内燃烧的特点，热气机又被称作外燃机 现在热气机特指按闭式回热循环工作的 热机，不包括斯特林热泵或斯特林制冷机 斯 特 林 发 动 机• 新型外燃机使用氢气作为工质，在四个封闭的 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，膨胀做功燃料 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，也不更换外 燃机依靠外部的热源对其密封在机器中的工质 进行加热，进行闭式循环斯特林发动机对外 燃方法无特殊要求，只要外部热源的温度高于 机器中工质的温度即可，因此加热方式灵活： 既可以使用传统的化学燃料，又可以使用太阳 能、生物质能，地热或者利用工业余热作为热 源根据斯特林发动机的设计要求，热源可高 可低，几十度的温差即可使其运转起来斯特 林发动机在运转的过程中，预充于机器内部的 工质通过不断的吸热膨胀、冷却收缩的循环过 程实现连续的做功。

• 斯特林发动机与内燃机最大的区别是：它 在做功时，不是通过燃料在气缸内部瞬间 升到很高的温度和压力进行爆震去推动活 塞，而是依靠外部的热源对其热膨胀气缸 持续传热，由机器内部不断升温升压的工 质去推动活塞做功，因此在工作时较内燃 机要平稳，而且噪音要小很多• 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, 根据工作空 间和回热器的配置方式上, 可以分为A, B和 C 三种基本类型• A型斯特林发动机的结构最简单, 加热器、 回热器、冷却器两侧配备了热活塞和冷活 塞, 热活塞负责工质的膨胀, 冷活塞负责工 质的压缩, 当工质全部进入其中一个汽缸时 , 一个活塞固定, 另一个活塞压缩或膨胀工 质• B型斯特林发动机在同一个汽缸中配备了 配气活塞和动力活塞, 配气活塞负责驱动 工质在加热器、回热器和冷却器之间流通 ; 动力活塞负责工质的压缩和膨胀, 当工 质在冷区时压缩工质, 当工质在热区时让 工质膨胀• C 型斯特林发动机的动力活塞和配气活塞 分别处于配气汽缸和动力汽缸内, 配气活 塞同样负责驱动工质流通, 动力活塞单独 完成工质的压缩和膨胀工作理论上, C 型双作用的斯特林发动机具有最高的机械 效率, 并且有很好的自增压效果。

• 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 ，配气活塞推动工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 容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过 程四个过程 • 定温压缩过程:配气活塞停留在上止点附近，动 力活塞从它的下止点向上缩工质，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 • 定容回热过程:动力活塞仍停留在它的上止点附 近,配气活塞下行，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 • 定温膨胀过程：配气活塞继续下行，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 • 定容储热过程：动力活塞保持在下止点附近， 配气活塞上行，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 • 从工程热力学的理论上，斯特林发动机 利用的是斯特林循环原理理论上，发 动机中的工质遵循斯特林循环，即在一 个循环过程中依次经过等温压缩，等容 吸热，等温膨胀，等容放热的过程。

理 想状态下，其循环的效率等于同温限下 的卡诺循环效率但实际上，由于机器 在不同结构下的传热损失，机械损失， 工质泄露等原因，斯特林发动机的实际 热效率远低于卡诺循环设计成熟的斯 特林发动机的热效率一般为35%~45%• 长型斯特林机剖面图• 粉红 - 高温汽缸壁 • 深灰- 低温汽缸壁（ 透过黄色通道注入和 排出冷却液） • 深绿 - 温度隔离壁 • 浅绿 - 配气活塞 • 深蓝 - 活塞 • 浅蓝 - 曲柄和齿轮 • 不在图上的：热源和 冷源• 斯特林发动机的用途非常广, 特别适合应用在小 型的低品位能源资源发电项目中例如在太阳 能热发电项目中, 斯特林发动机可以把集热器中 的热能直接转化成动能驱动发电机发电, 在美国 和澳大利等国家已经取得了实质性的突破, 很多 实验电站已经运行多年, 大规模的商业运行电站 也正在建立2005 年8 月SCE 公司( Southern California Edison) 和SES 公司( Stirling Energy Systems,Inc. ) 宣布签订20 年采购协议, 由SES 公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟 式斯特林发电系统建造一座500 MW太阳能热发 电站, 以后并逐步扩大到850 MW。

2005 年10 月, SES 公司宣布与SDG 这大约是圣地亚哥地区现在太阳能 发电能力的30 倍• 1. 用于热电联产型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25 kW的外燃机完全 可以满足500～1 500 m2建筑采暖建筑采 暖图1 城市家用热电联产型• 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2 所示, 夏季就可 以利用热能制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2 冷热电联产系统简图• 在农村, 斯特林发动机可以燃烧各种物质, 如木屑、米糠、棉秆、椰子皮壳和谷壳等 进行工作以空气为工质运转时, 噪音低 、振动小无污染不用润滑,既可取暖, 又 可发电, 非熟练工人也能操作, 如图所示。

图3 燃用固体燃料斯特林发动机系统简图• 2. 斯特林太阳能发电装置人们一直向往能大规模地利用太阳能来发电 然而, 现有的光电池和热电式太阳能发电装置都 存在着效率低、成本高的弱点, 难以大规模推广, 而斯特林太阳能发电装置相比之下就显得很有 竞争力,见图4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, 利用太阳的能量加温热腔发 电, 发电功率达到20 kW, 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是 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, 投资效益极好图4 斯特林机用太阳能发电• 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, 不需要任何介质或热能转换装置, 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25 kW电能和44 kW热能• 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。