什么是斯特林发动机?
喷火的尾巴
斯特林发动机,英文名称是“Stirling Engine”,也被音译为“史特林发动机”;经常所谓的光热发电领域的斯特林发电机的核心本质就是斯特林发动机。讲白了斯特林发动机就是一种外燃机,简而言之内燃机与外燃机的区别就是:
内燃机是在发动机内部燃烧,现在大部分汽油汽车的发动机就是内燃机;
外燃机是在发动机外部产生热能,而外燃机就是把外部的热,转换成动能,而斯特林发动机就是利用一些特殊的气体,构造出热空气引擎,也就是一种闭循环活塞式热机,闭循环的意思是膨胀和压缩介质一直保存在气缸内(而开循环,如内燃机需要与大气交换气体)。
而最早发明斯特林发动机的是伦敦的牧师罗巴特斯特林(Robert Stirling),发明斯特林发动机的时间是1816年,因为其发明者的名字,所以这种外燃机就被命名为斯特林发动机(Stirling Engine)。
斯特林发动机的工作原理:
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。以简单的双缸斯特林为例,斯特林发动机的工作过程可以分为如下几个阶段:
1、右侧气缸与热源接触,缸内气体受热膨胀,对右侧活塞做功,活塞上升,接近于等温膨胀过程。
2、左侧活塞上升,右侧活塞下降,工作气体进入左侧气缸,接近于等容放热过程。
3、左侧气缸与冷源接触,缸内气体冷却收缩,左侧活塞下降,接近于等温压缩过程。
4、左侧活塞继续下降,工作气体返回右侧气缸,接近于等容吸热过程,完成一个循环。
理想情况下,等容放热量与等容吸热量相同,等温膨胀吸热量高于等温压缩放热量,输出机械能。
配气活塞式斯特林发动机的原理,配气活塞斯特林发动机有配气活塞和动力活塞两个活塞。其中配气活塞并不密封,气体可以从其和气缸间的缝隙中自由流动:
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。
斯特林发动机的热转化效率:
在将热变成机械功的转换上,斯特林引擎在真实的热机中可达最高的热效率,至多80%,仅受工作气体和引擎材料的不理想性质限制,例如摩擦、热传导性、抗张强度、缓慢、熔点等。
此引擎理论上可用任何足量的热源运行,包括太阳能、化学能和核能。斯特林发电机不管是塔式斯特林发电机还是碟式斯特林发电机都是使用利用聚焦太阳能所产生的热量把热能转换成机械能,再把机械能转换成电能。(当年我没毕业前差点就决定去造斯特林发电机了)
斯特林发动机的最高热效率虽然能达到80%左右,但在汽车的发展史上是内燃机为主,而不是外燃机。
与内燃机相比,斯特林引擎往往维修需求较低,更高效、更安静、而且更可靠。它们倾向被应用于某些特殊用途以发扬其独特优点。特别是首要目标非减低每单位功率的投资成本(金钱/千瓦),而是减低引擎产生每单位能量的成本(金钱/度)的时候。
在额定功率下,斯特林引擎的投资成本目前比内燃机引擎高,而且通常更大更重,因此这引擎科技很少单独以此作为竞争基准。然而在一些用途上(例如需要静音的潜艇),适当的本益分析可令斯特林引擎优于内燃机引擎。
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。
总结一下斯特林发动机的应用前景:
从个人的角度,我是很看好斯特林发动机,不过目前这个阶段的斯特林发动机的商业价值是受到诸多外界因素限制的。