斯特林發(fā)動機(jī)循環(huán)分析 工程熱力學(xué)

1、斯特林發(fā)動機(jī)循環(huán)分析(北京交通大學(xué) 機(jī)電）摘要：斯特林發(fā)動機(jī)不僅理論熱效率高，等于卡諾循環(huán)效率，而且作為外燃機(jī)其排放特性非常好，所以近三十年來一直是研究的熱點(diǎn)。本文介紹了斯特林發(fā)動機(jī)的裝置特點(diǎn)、動力性能等，并對理論循環(huán)進(jìn)行了分析，提出了提高循環(huán)熱效率的方法及措施。關(guān)鍵詞：斯特林發(fā)動機(jī)，斯特林循環(huán)，熱效率1.斯特林發(fā)動機(jī)介紹1.1斯特林發(fā)動機(jī)的裝置特點(diǎn) 熱氣機(jī)是一種外燃的、閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動機(jī)。 熱氣機(jī)可用氫、氮、氦或空氣等作為工質(zhì)，按斯特林循環(huán)工作。在熱氣機(jī)封閉的氣缸內(nèi)充有一定容積的工質(zhì)。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫?zé)崆恢醒杆偌訜幔蛎涀鞴θ剂显跉飧?/p>

2、外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。 已設(shè)計(jì)制造的熱氣機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。試驗(yàn)熱氣機(jī)的功率傳遞機(jī)構(gòu)分為曲柄連桿傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。 按缸內(nèi)循環(huán)的組成形式分，熱氣機(jī)主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。在一個(gè)氣缸內(nèi)有兩個(gè)活塞作規(guī)律的相對運(yùn)動，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回?zé)崞骱图訜崞鬟B接，配氣活塞推動工質(zhì)在冷熱腔之間往返流動。1.2斯特林發(fā)動機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國從七十年代末即開始斯特林發(fā)動機(jī)的研究開發(fā)工作，已設(shè)計(jì)出功率150W-IOkW發(fā)動機(jī)11種，多數(shù)已

3、在實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)轉(zhuǎn)。現(xiàn)從事此項(xiàng)工作的約300人，并正籌建中國熱氣機(jī)研究會。北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)凌澤芝同志在能源政策研究通訊1991年第一期“發(fā)展熱氣機(jī)、促進(jìn)農(nóng)村電氣化”一文中介紹國內(nèi)外斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展概況及其特點(diǎn)后建議：“充分利用我國農(nóng)村豐富的生物質(zhì)能源和部分地區(qū)豐富的太陽能資源以解決農(nóng)業(yè)用電問題”。并希望納入國家“八五”科技規(guī)劃和組織有關(guān)單位聯(lián)合攻關(guān)。上海711研究所研制出熱氣機(jī)，是一種具有國際水準(zhǔn)的科研成果，而排放的污染氣體比目前市面上的其它發(fā)動機(jī)都要小，達(dá)到歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)。1.2.2 國外應(yīng)用現(xiàn)狀1）用于熱電聯(lián)產(chǎn)型 充分利用它環(huán)境污染小的特點(diǎn)，在大城市里可以以天燃?xì)庾魅剂?，通過斯特林發(fā)動機(jī)的內(nèi)

4、部的冷卻裝置，冷卻水被加熱并回收煙氣，即可采暖。1臺25kW的斯特林外燃機(jī)完全可以滿足5001500建筑平方米采暖。 這種使用斯特林發(fā)動機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置實(shí)際上相當(dāng)于一臺副產(chǎn)電力的供熱鍋爐，一般情況下是根據(jù)供熱需求來確定其運(yùn)行狀態(tài)的，其電力系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，多余的電力通過配電盤向外界供電。如果配備相應(yīng)的熱水型吸收式制冷機(jī)的話，夏季就可以利用熱能制取空調(diào)所需的冷卻水，從而部分地取代目前廣泛使用的耗電量可觀的蒸汽壓縮式空調(diào)制冷裝置。顯然，不僅在冬季的供暖期，而且在夏天的供冷期，熱電聯(lián)產(chǎn)裝置都能發(fā)揮重要的作用。目前，農(nóng)用動力斯特林發(fā)動機(jī)，已引起各國的極大興趣。在農(nóng)村，可以燃燒各種物質(zhì)如木屑、米糠、棉

5、稈、椰子皮殼和谷殼等進(jìn)行工作的。以空氣為工質(zhì)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噪音低，振動小，無污染。不用潤滑，即可取暖，又可發(fā)電，非熟練工人也能操作1。2）斯特林太陽能發(fā)電裝置 利用斯特林發(fā)動機(jī)外燃的特性，將多面反光鏡聚焦在發(fā)動機(jī)的熱腔，利用太陽的能量加溫?zé)崆话l(fā)電，發(fā)電功率達(dá)到20kW，設(shè)備可以自動跟蹤太陽旋轉(zhuǎn)。它還可以有另一個(gè)獨(dú)具匠心的設(shè)計(jì)是在太陽落山后或陽光不足以發(fā)電時(shí)，自動合閉熱腔，利用燃料燃燒發(fā)電，一機(jī)兩用，節(jié)省了蓄電池投資，提高了能源供應(yīng)設(shè)備的利用效率。而造價(jià)僅僅為硅晶光伏電池的三分之一，投資效益極好。3）低能級的余熱回收利用型 斯特林發(fā)動機(jī)的另一優(yōu)勢是余熱回收，而且大大簡化了工藝技術(shù)。利用熱腔溫度達(dá)到7

6、00即可發(fā)電的特性，不需要任何介質(zhì)或熱能轉(zhuǎn)換裝置，直接將熱腔伸入熱源之中，將余熱轉(zhuǎn)換成高價(jià)值的電能。例如：煉油廠、化工廠、焦化廠、冶煉廠等，均可使用。每個(gè)外燃機(jī)可以回收25kW電能和44kW熱能。4）推進(jìn)車用動力型 利用斯特林發(fā)動機(jī)的排氣污染低以及多種燃料的高度適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，美國機(jī)槭技術(shù)公司(MTI)在執(zhí)行ASE計(jì)劃期間共發(fā)展了兩代樣機(jī)。以小型汽車為例，電機(jī)的功率約為40kW左右，而斯特林發(fā)動機(jī)的功率只需15kW左右，兩者的連接既可串聯(lián)，又可并聯(lián)。在城市內(nèi)，用電機(jī)推進(jìn)；在高速公路上，主要靠斯特林發(fā)動機(jī)推進(jìn)，輔之于電機(jī)。混合推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)是：在市內(nèi)，完全是電動汽車，最大限度地保護(hù)了環(huán)境；在郊區(qū)，依然

7、具有斯特林發(fā)動機(jī)汽車的全部優(yōu)點(diǎn)(良好的經(jīng)濟(jì)性、污染少和適應(yīng)多種燃料)，同時(shí)簡化了控制系統(tǒng)，使其在成本上更具競爭力。5）低溫差發(fā)電動力型 近幾年來，比較熱門的研究領(lǐng)域就是低溫差斯特林發(fā)動機(jī)。日前，已有很多低溫差模型斯特林發(fā)動機(jī)問世，最著名的當(dāng)屬美國威斯康辛大學(xué)Senft教授研制的Ringbom斯特林發(fā)動機(jī)，只需0.5的溫差就能以60r/min的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。日本人研制出150W低溫差斯特林發(fā)動機(jī)，工作溫差為100。指示效率為50。低溫差斯特林發(fā)動機(jī)由于工作參數(shù)低，因此結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)便宜、壽命長，適合于作廢熱回收發(fā)電動力。這樣，100300的廢熱均可用來發(fā)電2。6）其他利用型 斯特林發(fā)動機(jī)可用在汽車、

8、潛水艇、宇宙飛船、人造心臟等等上，充分發(fā)揮其體積小、排熱量低、噪音小等特點(diǎn)，研究應(yīng)用十分廣泛。1.3性能分析1.3.1動力性能 由于外燃機(jī)避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的震爆做功問題，從而實(shí)現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運(yùn)行成本。外燃機(jī)可以燃燒各種可燃?xì)怏w，如：天然氣、沼氣、石油氣、氫氣、煤氣等，也可燃燒柴油、液化石油氣等液體燃料，還可以燃燒木材，以及利用太陽能等。只要熱腔達(dá)到700，設(shè)備即可做功運(yùn)行，環(huán)境溫度越低，發(fā)電效率越高。外燃機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是出力和效率不受海拔高度影響，非常適合于高海拔地區(qū)使用。 但是，斯特林發(fā)動機(jī)還有許多問題要解決，例如膨脹室、壓縮室、加熱器、冷卻室、再生器等的成本高，熱量損失是內(nèi)燃

9、發(fā)動機(jī)的2-3倍等。所以，還不能成為大批量使用的發(fā)動機(jī)。由于熱源來自外部，因此發(fā)動機(jī)需要經(jīng)過一段時(shí)間才能響應(yīng)用于氣缸的熱量變化（通過氣缸壁將熱量傳導(dǎo)給發(fā)動機(jī)內(nèi)的氣體需要很長時(shí)間）。 這意味著：1）發(fā)動機(jī)在提供有效動力之前需要時(shí)間暖機(jī)。2）發(fā)動機(jī)不能快速改變其動力輸出。斯特林發(fā)動機(jī)目前有報(bào)道，已經(jīng)開始研究在計(jì)算機(jī)主板的散熱風(fēng)扇上使用，通過北橋芯片的發(fā)熱來帶動斯特林發(fā)動機(jī)，以此來給硬件降溫，該研究還處于研究階段。1.3.2經(jīng)濟(jì)性 1）制造成本較高。2）通過考慮初投資、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)和使用年限來得到各種組合的凈收益和回收期，從而對其經(jīng)濟(jì)性分析比較。設(shè)備投資可按下列價(jià)格估算，斯特林發(fā)動機(jī)8000元/

10、kW(包括基建和設(shè)備安裝)，而雙效溴化鋰、濕能空調(diào)、水源熱泵投資相當(dāng)，約為1000元/kW，空氣源熱泵400元/kWh。冷價(jià)按國內(nèi)分體電空調(diào)平均水平COP為2.8計(jì)算，得出冷價(jià)為0.22元/kWh，熱價(jià)按供暖平均價(jià)格，為0.27元/kWh，電價(jià)和天然氣價(jià)格按目前價(jià)格(為0.61元/kWh，2.1元/m3)。衛(wèi)生熱水價(jià)格按燃?xì)忮仩tCOP=0.9計(jì)算，為0.24元/kWh。年運(yùn)行供暖或供冷時(shí)間各2000h。計(jì)算見表1。 表1 各種三聯(lián)供的燃燒每1m3燃?xì)獾慕?jīng)濟(jì)性比較3最經(jīng)濟(jì)的模式為熱氣機(jī)加水源熱泵方式,但收益主要來自夏季產(chǎn)生的大量熱水,斯特林機(jī)組和濕能空調(diào)系統(tǒng)是一種比較先進(jìn)的高效清潔聯(lián)供技術(shù)方案,

11、特別是我國在這兩項(xiàng)技術(shù)上享有自主知識產(chǎn)權(quán),應(yīng)該成為研發(fā)重點(diǎn)。1.3.3環(huán)保性 中國是富煤國家，是世界上煤儲量最多的國家之一。煤炭作為發(fā)電能源，有兩種用法。一是在常規(guī)爐直接燃燒，在流化床燃燒更完全些。另一種是將煤液化或氣化。然則無論哪種方式，煤炭都必須先行清潔處理，洗煤的廢水和廢料的處置始終是個(gè)麻煩，也會增加巨額成本。事實(shí)上，我們只是讓二氧化碳污染的排放推后而已。而太陽能斯特林發(fā)動機(jī)的無污染和可再生是不爭的事實(shí)。 此外，其最大優(yōu)勢是，發(fā)動機(jī)維修率低，短期內(nèi)回收投資。太陽能斯特林發(fā)動機(jī)不象柴油機(jī)和蒸汽輪機(jī)，無需許多額外輔件。在太陽能斯特林發(fā)動機(jī)工作的流體永久密封。引擎在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)不必更換或處理。

12、相對蒸汽輪機(jī)的鍋爐和柴油發(fā)動機(jī)的燃燒室，其沒完沒了的保養(yǎng)和維修大大增加業(yè)者的經(jīng)營成本。再者，不論鍋爐蒸汽機(jī)還是柴油引擎，排氣系統(tǒng)所造成的污染早已惡名昭著，毋庸贅述。歸根結(jié)底，不論是國家策還是地方措施，能源越是獨(dú)立，成本越低，污染越少，環(huán)境越美。不論站在任何立場，選擇使用太陽能斯特林發(fā)動機(jī)，改進(jìn)能源的獨(dú)立性，都是最可行的解決方案。中國正處于現(xiàn)代化建設(shè)非常關(guān)鍵的階段，科學(xué)發(fā)展觀要求人與自然和諧，整個(gè)會需要與世界和諧。2.斯特林發(fā)動機(jī)組成及理論分析斯特林引擎的基本工作原理是，通過工作氣體的的加熱膨脹、冷卻收縮來做功實(shí)現(xiàn)的，通過氣缸的外部對密閉空間內(nèi)的工作氣體進(jìn)行控制，加熱時(shí)活塞下降，冷卻時(shí)活塞上升。

13、實(shí)用性斯特林引擎是通過配置多個(gè)活塞和熱交換器，從外部連續(xù)加熱冷卻使工作氣體的壓力發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。本章將介紹斯特林發(fā)動機(jī)的基本組成、運(yùn)動形式和配氣活塞式斯特林引擎的工作原理。2.1斯特林發(fā)動機(jī)的組成斯特林發(fā)動機(jī)是一種熱機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，因此，他的主要組成與內(nèi)燃機(jī)等熱機(jī)是類似的，即由熱的發(fā)生系統(tǒng)、熱機(jī)械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、動力傳遞系統(tǒng)以及其他的保證發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一些輔助系統(tǒng)。一臺能獨(dú)立工作的斯特林發(fā)動機(jī)由下列系統(tǒng)組成：外部供熱(燃燒)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)(熱機(jī)械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng))、動力傳動系統(tǒng)(包括工質(zhì)密封系統(tǒng))、負(fù)荷控調(diào)系統(tǒng)以及輔傳動、冷卻、起動等的輔助系統(tǒng)。斯特林發(fā)動機(jī)區(qū)別內(nèi)燃機(jī)根本所在是外部供熱(

14、燃燒)系統(tǒng)和閉式循環(huán)系統(tǒng)。如圖l所示。外部燃燒系統(tǒng)的作用是給閉式循環(huán)系統(tǒng)提供能源，因此，凡是溫度在450以上的任何發(fā)熱裝置都可以成為斯特林發(fā)動機(jī)的外部熱源，例如：各種礦物燃料的燃燒裝置、原子反應(yīng)堆(可控核裂變熱裝置和放射性同位素的衰變熱裝置)、化學(xué)反應(yīng)生成熱裝置、各種形式的蓄熱裝置、太陽能和激光能都可以作為斯特林發(fā)動機(jī)的外部熱源。閉式循環(huán)系統(tǒng)的功能是在較低的溫度和壓力水平下壓縮閉式循環(huán)回路中的工質(zhì)，并在較高的溫度和壓力下進(jìn)行膨脹，獲得正的膨脹功。在現(xiàn)代斯特林發(fā)動機(jī)中，閉式循環(huán)回路由冷腔、冷卻器、回?zé)崞?、加熱器和熱腔組成，并按上述順序依次串聯(lián)在一起，冷腔和冷卻器處于循環(huán)的低溫部分，壓縮熱量由冷卻

15、器導(dǎo)至外界；熱腔和加熱器處循環(huán)的高溫部分，膨脹熱由加熱器供給。工質(zhì)在系統(tǒng)中來回流動一次，完成一個(gè)循環(huán)，循環(huán)周期為2。1）熱膨脹腔在循環(huán)過程中膨脹腔永遠(yuǎn)處于高溫狀態(tài)，在膨脹時(shí)相當(dāng)部分的工質(zhì)居于熱膨脹腔。根據(jù)熱氣機(jī)的循環(huán)特性，膨脹腔必須能承受高溫和高壓，對它的要求比柴油機(jī)的燃燒室高的多，有相當(dāng)一部分的熱損失是由熱的膨脹腔傳出的。2）冷壓縮腔在循環(huán)過程中冷壓縮腔始終處于比環(huán)境溫度，或比冷卻水溫度稍高一些的溫度下，在壓縮過程中有相當(dāng)一部分工質(zhì)居于壓縮腔。3）加熱器加熱器的職能是將外部熱源的熱能傳給系統(tǒng)，達(dá)到對工質(zhì)加熱膨脹的目的。加熱器管的一端與膨脹腔聯(lián)通，另一端與回?zé)崞鳒贤ā?）回?zé)崞骰責(zé)崞鞔?lián)在加熱

16、器和冷卻器之間，是循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)部換熱器，它交替地從工質(zhì)吸收和向工質(zhì)釋放熱量，使工質(zhì)反復(fù)地受到冷卻和加熱。從完成熱力循環(huán)的箔度來說，回?zé)崞鞑⒉皇遣豢扇鄙俚模?，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性來看，回?zé)崞魇且粋€(gè)極其重要的不可缺少的組件，是一個(gè)重要的節(jié)能裝置。在性能較高的實(shí)際熱氣機(jī)中，回?zé)崞鞯男罘艧崮芰?，約為加熱器傳熱能力的35倍，為冷卻器冷卻能力的810倍。因此，如果取消回?zé)崞鳎诒ＷC膨脹溫度和壓縮溫度不變的情況下，不僅會導(dǎo)致加熱器和冷卻器容量大幅度增大，而且會使發(fā)動機(jī)的功率和效率降到不能接受的程度。5）冷卻器冷卻器位于回?zé)崞骱蛪嚎s腔之問，其功能是將壓縮熱導(dǎo)到外界，保證工質(zhì)在較低的溫度下進(jìn)行壓縮。凡是柴油機(jī)或

17、汽油機(jī)能利用的傳動系統(tǒng)，例如普通的曲柄連桿機(jī)構(gòu)、斜盤或擺盤機(jī)構(gòu)和液壓傳動機(jī)構(gòu)等均可用于斯特林發(fā)動機(jī)。圖1 斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖42.2 斯特林發(fā)動機(jī)的工作原理由于是對小功率的斯特林發(fā)動機(jī)的研究，所以本文重點(diǎn)是研究單作用配氣活塞式斯特林發(fā)動機(jī)，下面就重點(diǎn)介紹配氣活塞式斯特林發(fā)動機(jī)的工作原理。配氣活塞式斯特林發(fā)動機(jī)只有一個(gè)氣缸，其內(nèi)置有兩個(gè)活塞。靠近加熱器一側(cè)的活塞叫配氣活塞，靠近冷卻器一側(cè)的活塞叫動力活塞。配氣活塞的上方叫熱腔(膨脹腔)，配氣活塞下方與動力活塞上方所組成的腔室叫冷腔(壓縮腔)。熱腔、加熱器、回?zé)崞?、冷卻器和冷腔串聯(lián)在一起，形成一個(gè)完整的循環(huán)回路。如圖2所示。同樣，熱腔和加熱器處

18、于循環(huán)的最高溫度下，叫熱區(qū)；冷腔和冷卻器處于循環(huán)的低溫區(qū)，叫冷區(qū)。因?yàn)榕錃饣钊舷露说膲毫κ且恢碌?，所以它既不向外界輸出功，也不從外界接受功，其功用是使工質(zhì)在循環(huán)回路中來回流動，故有配氣活塞之稱。因?yàn)楣べ|(zhì)的來回流動是由配氣活塞完成的，所以稱為配氣活塞式斯特林發(fā)動機(jī)。這類斯特林發(fā)動機(jī)的一個(gè)特點(diǎn)是，熱腔是由配氣活塞(熱活塞)單獨(dú)控制的，而冷腔則是由配氣活塞和動力活塞聯(lián)合控制的。圖2 單缸單作用斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖圖3 斯特林發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)的p-v圖與T-S圖斯特林發(fā)動機(jī)的熱力過程是按斯特林循環(huán)進(jìn)行的。如圖3所示。斯特林循環(huán)是由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等容過程組成的。1）等溫壓縮過程12。壓縮開始時(shí)，動力

19、活塞處于下止點(diǎn)，配氣活塞位于上止點(diǎn)，此時(shí)工作腔容積最大，溫度最低，壓力最小，即V1=Vmax ，T1=Tmin=TC ，P1=Pmin 。在壓縮過程1-2的期間內(nèi)，配氣活塞在上止點(diǎn)保持不動，動力活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動，工作腔容積隨著動力活塞的向上運(yùn)動而逐漸變小，工質(zhì)被壓縮，壓力也隨之逐漸增大。壓縮熱由冷卻器導(dǎo)至外界，而保持溫度TC不變，實(shí)現(xiàn)等溫壓縮。待動力活塞運(yùn)動到上止點(diǎn)后壓縮過程結(jié)束，此時(shí)工作腔容積最小，即V2=Vmin。為在恒定的溫度TC下實(shí)現(xiàn)等溫壓縮，工質(zhì)必須通過冷卻器向外界釋出壓縮熱QC；同時(shí)，在壓縮過程中外界必須對工質(zhì)做功，外界所輸入的壓縮W1-2等于工質(zhì)在等溫壓縮下向外界釋出的熱

20、量QC，工質(zhì)內(nèi)能不變，而熵減小。2）等容加熱過程23。在這一過程中動力活塞在上止點(diǎn)保持不動，配氣活塞向下止點(diǎn)運(yùn)動。由于動力活塞保持不動，不論配氣活塞如何運(yùn)動，工作腔容積始終不變(配氣活塞向下移動式，活塞上端增大的容積等于下端減少的容積，即熱腔所增加的容積等于冷腔縮小的容積)，即V3=V2=Vmin。配氣活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動的結(jié)果，工質(zhì)從冷腔流入熱腔，在流經(jīng)回?zé)崞鳙@得熱量QR，使工質(zhì)溫度從T2升高到T3，而T3=TE，壓力也相應(yīng)地從p2升高到p3，但容積不變，實(shí)現(xiàn)了等容加熱。在這一過程中，工質(zhì)與外界無熱交換，也不做功，但工質(zhì)的內(nèi)能和熵都增大。3）等溫膨脹過程34。在這一過程中，工質(zhì)在最高循環(huán)

21、溫度TE下完成等溫膨脹，并向外界做功。膨脹開始時(shí)，配氣活塞繼續(xù)向下止點(diǎn)運(yùn)動，而動力活塞也從其上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動，過程結(jié)束時(shí)兩個(gè)活塞同時(shí)到達(dá)下止點(diǎn)。由于動力活塞從上止點(diǎn)運(yùn)動到下止點(diǎn)，工作腔容積從V3=Vmin增大到V4=Vmax。工質(zhì)在最高的循環(huán)溫度T3=T4=TE=Tmax的狀態(tài)下完成等溫膨脹，必須由加熱器從外界向工質(zhì)提供熱量QE。工質(zhì)在膨脹過程中向外界做功，其值W3-4。等于外界供給工質(zhì)的熱量QE。工質(zhì)內(nèi)能不變，但熵增大。4）等容冷卻過程41。配氣活塞從下止點(diǎn)迅速返回上止點(diǎn)，而動力活塞在下止點(diǎn)保持不動，待配氣活塞到達(dá)上止點(diǎn)后過程結(jié)束，完成一個(gè)循環(huán)。由于配氣活塞從下止點(diǎn)返回上止點(diǎn)，其結(jié)果是使工

22、質(zhì)從熱腔返回冷腔；流經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)，回?zé)崞魑樟斯べ|(zhì)的部分熱量，使工質(zhì)的溫度從循環(huán)最高溫度T4=TE=Tmax下降到最低溫度TC=Tmax=T1。因?yàn)閯恿钊粍樱使ぷ髑蝗莘e不變，V4=V1=Vmin，過程是等容的。循環(huán)壓力也由P4下降到P1。至此，全部參數(shù)回復(fù)到循環(huán)的起始狀態(tài)?；?zé)崞鲗墓べ|(zhì)中吸收的熱量貯存起來，在下一個(gè)循環(huán)的等容加熱過程23中再傳給工質(zhì)。在等容冷卻過程中，工質(zhì)與外界無熱交換，也不做功，但內(nèi)能和熵均下降5。2.3 斯特林發(fā)動機(jī)熱效率分析依據(jù)上述循環(huán)系統(tǒng)的熱力分析得：斯特林發(fā)動機(jī)的循環(huán)效率為： (2-1)其中，回?zé)崞饔行远x為：=(TE-TC)(TE-TC)；系數(shù)=TCTE；=

23、CP/CV；V0=V1/V2；由此可以看出若回?zé)崞鞴ぷ鞑煌晟茣r(shí)，1，循環(huán)效率C(卡諾效率)；但當(dāng)回?zé)崞鞴ぷ魍昝罆r(shí)，有=1，即，=C =1-。則在理論上斯特林發(fā)動機(jī)的循環(huán)效率與卡諾循環(huán)的效率是相等的。一般回?zé)崞鞯男?0.980.99，所以斯特林發(fā)動機(jī)有較高的熱效率。并且由圖2-3所示，用兩條等容線代替了卡諾循環(huán)的兩條等熵線(33，11)斯特林循環(huán)具有大的示功面積，在壓力、溫度和容積變化的上下限相同的情況下斯特林循環(huán)要比卡諾循環(huán)多做功，因此，斯特林發(fā)動機(jī)高的行程容積功率是普通的活塞式內(nèi)燃機(jī)所望塵莫及的6。2.4 提高熱效率的方法 1)太陽能斯特林熱機(jī)循環(huán)熱損失主要包括穿梭傳熱損失、泵氣損失、回?zé)釗p失、導(dǎo)熱損失、回?zé)釟鉁囟炔痪鶆驌p失和其他損