STL-M史特林热机(斯特林发动机)工作原理

2018-06-15 19:17:54
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STL-M史特林热机(斯特林发动机)工作原理

物理演示厅有一个奇怪的设备,下面是一个圆盘,上面是一个大轮子。奇怪的是,当你在原盘下面放上一杯热水甚至有时候用手托着原盘,它上面的轮子就会呼呼的转,这是为什么呢?到底是什么东西给轮子提供了动力??!想要了解它就请继续往下看吧,效率秒杀内燃机的发动机——斯特林发动机!

物理背景

   卡诺循环(Carnot cycle) 是只有两个热源(一个高温热源温度T1和一个低温热源温度T2)的简单循环。由于工作物质只能与两个热源交换热量,所以可逆的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。

卡诺循环是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的,以分析热机的工作过程,卡诺循环包括四个步骤:可逆 定温吸热, 可逆绝热膨胀,可逆定温放热,可逆绝热压缩。即 理想气体从状态1(P1,V1,T1)定温吸热到状态2(P2,V2,T2),再从状态2绝热膨胀到状态3(P3,V3,T3),此后,从状态3定温放热到状态4(P4,V4,T4),最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程所构成的循环称为卡诺循环。

   通过 热力学相关定理我们可以得出,卡诺循环的效率ηc=1-T2/T1,由此可以看出,卡诺循环卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关,如果高温热源的温度T1愈高,低温热源的温度T2愈低,则卡诺循环的效率愈高。因为不能获得T1→∞的高温热源或T2=0K(-273℃)的低温热源,所以,卡诺循环的效率必定小于1。

   正卡诺循环的热经济指标用卡诺循环热效率 ηt表示:

 

结构简介

外燃机:

斯特林发动机外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机,有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。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。

热气机:

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。

工作原理

斯特林发动机通过气体吸收热源的内能,热胀冷缩做功,然后接触冷源,气体压缩,使活塞复位。发动机内的工作气体处于封闭中,因此可以用惰性气体来作为工质。以简单的活塞斯特林为例,斯特林发动机的工作过程可以分为如下几个阶段:

1. 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。

近年来,鉴于能源成本普遍上涨,能源短缺和全球暖化之类的环境问题,斯特林引擎的优点愈来愈显著。也有人将斯特林发动机运用在了实验车辆上。对斯特林引擎科技提高兴趣促进了斯特林装置的研发。其应用涵盖借由不相容于内燃机的丰富能源抽水、宇基太空航行、发电,像是太阳能、农业废料还有家庭垃圾。

另一个斯特林引擎的潜力是,若供应机械功,它可以作为一种热泵。已有实验利用风能驱动斯特林热泵作为家用冷暖空调。

 


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