低溫差斯特林發(fā)動(dòng)機的研究與制造

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　　摘要：介以斯特林熱力循環(huán)為理論基礎，設計并制造一種外燃式低溫差條件下工作的斯特林發(fā)動(dòng)機。通過(guò)機加工工藝及3D打印技術(shù)的途徑，設計并制造相關(guān)零部件，最終制造出以清潔能源為動(dòng)力的斯特林發(fā)動(dòng)機，并將其應用到實(shí)際的生活和生產(chǎn)中以實(shí)現清潔能源的收集和廢熱的再利用。

　　關(guān)鍵詞：清潔能源 斯特林循環(huán) 斯特林發(fā)動(dòng)機 低溫差

　　21世紀我們面臨著(zhù)資源困乏，環(huán)境污染嚴重的社會(huì )現狀。隨著(zhù)全球能源危機的發(fā)展與環(huán)境的惡化，人們清楚地認識到開(kāi)發(fā)利用新能源的重要性。該文介紹了一種外部燃燒(加熱)的封閉式活塞發(fā)動(dòng)機，其優(yōu)點(diǎn)有噪音低、效率高、污染小、維修方便和燃料來(lái)源廣等。該發(fā)動(dòng)機可以作為一種高效的、清潔的動(dòng)力機應用在多個(gè)領(lǐng)域中，并且在環(huán)境保護、節能減排方面有著(zhù)重要的意義。斯特林發(fā)動(dòng)機的燃料來(lái)源廣、對燃料的適應性強，不僅可以使用天然氣、石油、煤等作為能源，還可以使用化學(xué)能、原子能、太陽(yáng)能以及燃燒秸稈、木材等農林廢棄物時(shí)產(chǎn)生的熱能。另外，斯特林發(fā)動(dòng)機具有很高的熱效率，理論上來(lái)說(shuō)，斯特林循環(huán)效率和同等狀態(tài)下的卡諾效率相等。

　　該課題就是計并制造一種外燃式低溫差條件下工作的斯特林發(fā)動(dòng)機，利用太陽(yáng)能或者其他廢熱來(lái)驅動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機，再給其配上發(fā)電裝置實(shí)現電力的輸出，目前制造出來(lái)的原型機功率最大可以達到2W，可以實(shí)現為手機等移動(dòng)設備充電。

　　1、設計及原理

　　1.1 斯特林循環(huán)

　　斯特林發(fā)動(dòng)機包括冷腔(壓縮腔)、冷卻器、熱腔(膨脹腔)、回熱器、加熱器5部分。冷腔和冷卻器是循環(huán)的低溫部分，一般稱(chēng)為冷區。熱腔和加熱器是循環(huán)的高溫部分，稱(chēng)為熱區。斯特林循環(huán)的工作流程為：首先把工質(zhì)密封在閉合回路中，隨后通過(guò)活塞運動(dòng)使回路進(jìn)行流動(dòng)。理想的循環(huán)是回熱器中的等容冷卻過(guò)程、膨脹腔中的等溫膨脹過(guò)程、回熱器中的等容加熱過(guò)程、壓縮腔中的等溫壓縮過(guò)程。(見(jiàn)圖1、圖2)

　　由此可見(jiàn)，熱氣機的理想循環(huán)是由兩個(gè)定溫過(guò)程和兩個(gè)定容過(guò)程組成。斯特林循環(huán)也是概括性卡諾循環(huán)的一種，其熱效率

　　1.2 動(dòng)力輸出裝置

　　此部分是用來(lái)收集斯特林發(fā)動(dòng)機所輸出的動(dòng)力，在本項目中采用發(fā)電裝置來(lái)收集動(dòng)力。在斯特林發(fā)動(dòng)機后面安裝一個(gè)發(fā)電機，用斯特林發(fā)動(dòng)機帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電機發(fā)出的電可通過(guò)萬(wàn)用表測量或者通過(guò)燈泡來(lái)顯示，也可以收集儲藏起來(lái)。

　　2、儀器設計與實(shí)現

　　本課題設計一種γ型的單杠斯特林發(fā)動(dòng)機。利用caxa畫(huà)出設計圖，設計和制作的各部分零件圖紙。(見(jiàn)圖3、圖4、圖5)

　　3、制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題與解決辦法

　　設計過(guò)程中一些零件的精度不明確，通過(guò)與加工廠(chǎng)的技術(shù)部門(mén)商量和討論最終解決了各部件的精度問(wèn)題，重點(diǎn)解決了活塞腔的問(wèn)題。

　　原型機啟動(dòng)時(shí)間比較長(cháng)，在車(chē)去熱源的時(shí)候很快就停下來(lái)，經(jīng)過(guò)分析和查找資料確定是熱腔和冷腔活塞之間的換氣通道太小，換氣流量達不到要求，經(jīng)過(guò)改善后，啟動(dòng)時(shí)間由原來(lái)的5 min縮短為3 min，撤去熱源后機器可以持續的運轉直至停止。

　　實(shí)驗熱源不好模擬，經(jīng)過(guò)實(shí)際調研發(fā)電廠(chǎng)廢熱溫度自制一個(gè)小型鍋爐達到實(shí)驗的目的，溫度差大概300℃。

　　4、斯特林發(fā)動(dòng)機的特點(diǎn)及應用

　　斯特林發(fā)動(dòng)機是一種外燃機，與傳統的內燃機進(jìn)行比較，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

　　(1)燃料來(lái)源廣。該發(fā)動(dòng)機可以適應多種燃料，在實(shí)驗中項目組采用了天然氣，乙炔，石油，酒精四中燃料進(jìn)行實(shí)驗，其中乙炔效果最好，石油次之，但是四中燃料皆可以使機器實(shí)現連續工作。

　　(2)與內燃機相比，具有較高的熱效率。理想的斯特林循環(huán)包括由2個(gè)等容過(guò)程、2個(gè)等溫過(guò)程，理論上來(lái)說(shuō)，循環(huán)效率和同等狀態(tài)下的卡諾效率一樣。由實(shí)驗知，該發(fā)動(dòng)機的有效效率為30%，最高可以達到36%。

　　(3)排氣污染小。實(shí)驗時(shí)都是在外界大氣中直接燃燒，空氣流量足夠，燃燒充分，排放的CO、HC等有害氣體幾乎很少，遠遠少于內燃機排放的有害氣體。

　　(4)運轉穩、噪音小。斯特林發(fā)動(dòng)機不含有氣閥機構，工質(zhì)在汽缸內的壓力變化與正弦類(lèi)似，而且沒(méi)有排氣波和爆震波，因而該發(fā)動(dòng)機運轉穩，噪音小。在實(shí)驗中裸機工作時(shí)在其周?chē)? m處的噪音低于50 dB。

　　(5)結構簡(jiǎn)單，維修方便。斯特林發(fā)動(dòng)機的結構簡(jiǎn)單，實(shí)驗制作的斯特林發(fā)動(dòng)機主要由三大部件：密封的汽缸，高溫端活塞和冷端活塞，且氣密性良好，運行過(guò)程中不易出現氣密性故障，在目前進(jìn)行的幾十次實(shí)驗過(guò)程中機器性能良好，至今未出現不良故障和現象。

　　5、儀器的發(fā)展展望

　　近年來(lái)，世界上的很多領(lǐng)域都在開(kāi)展斯特林發(fā)動(dòng)機的研究，特別是能源危機的出現，讓越來(lái)越多的國家開(kāi)始重視斯特林發(fā)動(dòng)機，從而推動(dòng)了斯特林發(fā)動(dòng)機的發(fā)展。

　　根據上文所述的斯特林發(fā)動(dòng)機的優(yōu)勢，同時(shí)結合新技術(shù)、新材料的出現，斯特林發(fā)動(dòng)機一定會(huì )取代內燃機而成為21世紀新的動(dòng)力來(lái)源。雖然我國對于斯特林發(fā)動(dòng)機的研究較晚，但是我國的研制水平和研制力發(fā)展很快，以及引起了國際上的關(guān)注。

　　權威人士認為我國將在斯特林發(fā)動(dòng)機的研究中起著(zhù)重要的作用。如果在太陽(yáng)能熱發(fā)電中應用斯特林發(fā)動(dòng)機，可以促進(jìn)把太陽(yáng)能發(fā)展成為可持續發(fā)展的綠色能源的利用。由于斯特林發(fā)動(dòng)機的應用廣泛，因此可以大幅度的提高我國能源利用的效率，在保護環(huán)境、節能減排方面有著(zhù)重要的意義，從而為我國更快、更好的發(fā)展經(jīng)濟提供動(dòng)力。

　　參考文獻：

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