斯特林发动机及斯特林小车知识讲座.ppt

斯特林发动机 斯特林循环 1—2—3—4—1）比卡诺循环功面积（1—2’—3—4’—1）要大。 P—V图阴影面积代表斯特林循环比卡诺循环增加的功。T——S图中阴影面积则代表斯特林循环比卡诺循环需要增加的热量。输入热量增加了，但输出功也相应增加，其输入热量转换为功的比例（即热效率）仍与卡循环热效率相同。在理论上是可以证明的。（这们这里不再展开讲） 在P—V图中，由循环过程所组成的面积表示循环功的大小。在给定的压力、温度和容积界限下，斯特林循环的循环功（面积 斯特林发动机 斯特林循环 为了评价循环的动力性，人们给出了一个很重要的参数，即循环平均压力pt。循环平均压力表示单位气缸工作容积所做的循环功，即pt=W/V0，它用来说明单位气缸工作容积做功能力的大小。斯特林循环平均压力最高，单位气缸容积所做的功最大。 活塞式发动机的升功率指标反映了发动机的强化程度及设计水平，它与pt有着正比例的关系。目前，已试制的热气机中，每升气缸工作容积能产生150kW的功率，而目前内燃机是难以达到的。 斯特林发动机 实际循环 前面讲的循环理论及结论都是在许多假设条件下得到的，实际循环与理想循环的差别很大。主要体现在： ①活塞运动是连续的，不是间断运动。导致P—V图是一条光滑的封闭曲线，而循环的四个过程并无明确的界限。工质分配在具有不同温度区域的各腔室及换热器中，因此，对工质的全部质量而言，不可能绘制出有意义的T—S图。 实际不存在真正意义的容积回热过程。 斯特林发动机 实际循环 ②实际的压缩和膨胀过程不是定温过程。由于实际传热率的有限性以及不可避免的热传导损失，实际的压缩和膨胀过程是多变过程。发动机在高转速下运转时（比如超过1000r/min），循环过程与其说是定温过程（热传导无限大），不如说更接近于绝热过程（没有热传导）。 此外，对工质的加热不仅发生在工质从回热器流向膨胀腔的过程中，也产生在工质从膨胀腔回流到回热器的过程中；同样，工质从回热器流向压缩腔和由压缩腔流向回热器的过程中均受到冷却。这些都使实际过程增加了复杂性，对热气机的性能产生不利影响。 斯特林发动机 实际循环 ③附加容积的存在。 所谓附加容积是指各换热器的通流容积及其连接通道和气缸余隙容积的总和。亦称死容积。 附加容积的存在，产生气体的流动损失是不言而喻的，此外还导致工质在循环系统内的重新分布； 附加容积比越大，工质分布在膨胀腔和压缩腔的相对比值减少，导致循环系统的容积压缩比ε减小，结果使循环功下降。 斯特林发动机 实际循环 ④实际发动机所用的工质并非理想气体。即使采用氢气作为工质，仍然具有一定的密度和粘度。当工质在冷、热腔之间高速流动流经冷却器、回热器和加热器时，流体动力摩擦损失产生了。在同一瞬间，工质在压缩腔和膨胀腔的压力并不相等，使膨胀腔P——V图的面积减小，导致发动机的输出功减少，效率降低。 斯特林发动机 实际循环 ⑤ 回热器并不是完美的。 在定容吸热过程中工质能从回热器回收到的热量，往往低于在定容放热过程中工质释放给回热器的总热量。也就是说，回热器的效率不可能是100%。 实际热气机的加热器不能做得很大，其尺寸是有限制的。燃料燃烧所产生的全部热量不可能都传给工质，经排气所带走的热量是一项很大的能量损失，这也是热气机尽可能加装利用排气热能的空气预热器的理由，但完全避免排气损失是不可能的。 斯特林发动机 实际循环 热气机为了实现斯特林循环，活塞的运动是不连续的。实际上难以设计制造出使活塞作间歇跳跃运动的传动机构，这种机构也不可能有效和可靠地工作。实际热气机是寻求一种接近理想循环活塞运动规律的传动机构，而活塞运动是连续的。 内燃机经常采用的十字头式曲柄连杆机构，也是热气机常采用的传动机构之一。在热气机两活塞作简谐运动的情况下，让我们通过对四个热力过程的分析来进一步说明热气机的实际循环。 斯特林发动机 实际循环 设一单作用式热气机的热腔和冷腔的最大容积相等，热活塞运动领先于冷活塞运动的相位角φ=90°。图中表示了冷腔容积、热腔容积以及工作腔容积（冷、热腔容积之和）与曲轴转角的关系。 斯特林发动机 实际循环 当活塞在连续运动的情况下，虽然各个过程难以明确划分，但每循环仍具有理想循环四个过程的特点。 斯特林发动机 实际循环 ①压缩过程，主要在曲轴转角α=0～90°期间发生。在此期间，冷活塞从下止点运动到行程中部，冷腔容积缩小了一半；热活塞从行程中部运动到上止点，热腔容积减小到零。于是，总的工作腔容积从1.5 V0减小到0.5V0，工质受到压缩并处于冷腔。要注意的是，此阶段终了时的容积0.5V0并非是工作腔的最小容积，但已接近最小容积。当α=135°时，即VE+ VC=0.29V0才是最小工作腔容积； 斯特林发动机 实际循环 ②定容加热，在α=90～1