低溫差斯特林發動機的研究與制造

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　　摘要：介以斯特林熱力循環為理論基礎，設計并制造一種外燃式低溫差條件下工作的斯特林發動機。通過機加工工藝及3D打印技術的途徑，設計并制造相關零部件，最終制造出以清潔能源為動力的斯特林發動機，并將其應用到實際的生活和生產中以實現清潔能源的收集和廢熱的再利用。

　　關鍵詞：清潔能源 斯特林循環 斯特林發動機 低溫差

　　21世紀我們面臨著資源困乏，環境污染嚴重的社會現狀。隨著全球能源危機的發展與環境的惡化，人們清楚地認識到開發利用新能源的重要性。該文介紹了一種外部燃燒(加熱)的封閉式活塞發動機，其優點有噪音低、效率高、污染小、維修方便和燃料來源廣等。該發動機可以作為一種高效的、清潔的動力機應用在多個領域中，并且在環境保護、節能減排方面有著重要的意義。斯特林發動機的燃料來源廣、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，還可以使用化學能、原子能、太陽能以及燃燒秸稈、木材等農林廢棄物時產生的熱能。另外，斯特林發動機具有很高的熱效率，理論上來說，斯特林循環效率和同等狀態下的卡諾效率相等。

　　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動機，利用太陽能或者其他廢熱來驅動斯特林發動機，再給其配上發電裝置實現電力的輸出，目前制造出來的原型機功率最大可以達到2W，可以實現為手機等移動設備充電。

　　1、設計及原理

　　1.1 斯特林循環

　　斯特林發動機包括冷腔(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的低溫部分，一般稱為冷區。熱腔和加熱器是循環的高溫部分，稱為熱區。斯特林循環的工作流程為：首先把工質密封在閉合回路中，隨后通過活塞運動使回路進行流動。理想的循環是回熱器中的等容冷卻過程、膨脹腔中的等溫膨脹過程、回熱器中的等容加熱過程、壓縮腔中的等溫壓縮過程。(見圖1、圖2)

　　由此可見，熱氣機的理想循環是由兩個定溫過程和兩個定容過程組成。斯特林循環也是概括性卡諾循環的一種，其熱效率

　　1.2 動力輸出裝置

　　此部分是用來收集斯特林發動機所輸出的動力，在本項目中采用發電裝置來收集動力。在斯特林發動機后面安裝一個發電機，用斯特林發動機帶動發電機發電。發電機發出的電可通過萬用表測量或者通過燈泡來顯示，也可以收集儲藏起來。

　　2、儀器設計與實現

　　本課題設計一種γ型的單杠斯特林發動機。利用caxa畫出設計圖，設計和制作的各部分零件圖紙。(見圖3、圖4、圖5)

　　3、制作過程中遇到的問題與解決辦法

　　設計過程中一些零件的精度不明確，通過與加工廠的技術部門商量和討論最終解決了各部件的精度問題，重點解決了活塞腔的問題。

　　原型機啟動時間比較長，在車去熱源的時候很快就停下來，經過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，經過改善后，啟動時間由原來的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。

　　實驗熱源不好模擬，經過實際調研發電廠廢熱溫度自制一個小型鍋爐達到實驗的目的，溫度差大概300℃。

　　4、斯特林發動機的特點及應用

　　斯特林發動機是一種外燃機，與傳統的內燃機進行比較，有以下幾個優點。

　　(1)燃料來源廣。該發動機可以適應多種燃料，在實驗中項目組采用了天然氣，乙炔，石油，酒精四中燃料進行實驗，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。理想的斯特林循環包括由2個等容過程、2個等溫過程，理論上來說，循環效率和同等狀態下的卡諾效率一樣。由實驗知，該發動機的有效效率為30%，最高可以達到36%。

　　(3)排氣污染小。實驗時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。斯特林發動機不含有氣閥機構，工質在汽缸內的壓力變化與正弦類似，而且沒有排氣波和爆震波，因而該發動機運轉穩，噪音小。在實驗中裸機工作時在其周圍1 m處的噪音低于50 dB。

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

　　5、儀器的發展展望

　　近年來，世界上的很多領域都在開展斯特林發動機的研究，特別是能源危機的出現，讓越來越多的國家開始重視斯特林發動機，從而推動了斯特林發動機的發展。

　　根據上文所述的斯特林發動機的優勢，同時結合新技術、新材料的出現，斯特林發動機一定會取代內燃機而成為21世紀新的動力來源。雖然我國對于斯特林發動機的研究較晚，但是我國的研制水平和研制力發展很快，以及引起了國際上的關注。

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

　　參考文獻：

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