找斯特林熱氣機的工作原理，要求逐步講解工作過程?

【專家解說】：這種發(fā)動機是倫敦的牧師羅巴特 斯特林（Robert Stirling）于1816年發(fā)明的，所以命名為“斯特林發(fā)動機”（Stirling engine）。斯特林發(fā)動機是獨特的熱機，因為他們理論上的效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾循環(huán)效率。斯特靈發(fā)動機是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產生動力的。這是一種外燃發(fā)動機，使燃料連續(xù)地燃燒，蒸發(fā)的膨脹氫氣（或氦）作為動力氣體使活塞運動，膨脹氣體在冷氣室冷卻，反復地進行這樣的循環(huán)過程。 外燃機是一種外燃的閉式循環(huán)往復活塞式熱力發(fā)動機，有別于依靠燃料在發(fā)動機內部燃燒獲得動力的內燃機。新型外燃機使用氫氣作為工質，在四個封閉的氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹做功。燃料在氣缸外的燃燒室內連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不更換。 由于外燃機避免了傳統(tǒng)內燃機的震爆做功問題，從而實現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運行成本。外燃機可以燃燒各種可燃氣體，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。只要熱腔達到700℃，設備即可做功運行，環(huán)境溫度越低，外燃機最大的優(yōu)點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，熱量損失是內燃發(fā)動機的2-3倍等。所以，還不能成為大批量使用的發(fā)動機。 斯特林發(fā)動機目前有報道，已經(jīng)開始研究在計算機主板的散熱風扇上使用，通過北橋芯片的發(fā)熱來帶動斯特林發(fā)動機，以此來給硬件降溫，該研究還處于研究階段（2008.04.11）。 熱氣機(StirlingEngine)是一種由外部供熱使氣體在不同溫度下作周期性壓縮和膨脹的閉式循環(huán)往復式發(fā)動機，由蘇格蘭牧師 RobertStirling在十九世紀初發(fā)明，所以又稱斯特林發(fā)動機。相對于內燃機燃料在氣缸內燃燒的特點熱氣機又被稱作外燃機?，F(xiàn)在熱氣機特指按閉式回熱循環(huán)工作的熱機，不包括斯特林熱泵或斯特林制冷機。 熱氣機工作原理 熱氣機是一種外燃的、閉式循環(huán)往復活塞式熱力發(fā)動機。 熱氣機可用氫、氮、氦或空氣等作為工質，按斯特林循環(huán)工作。在熱氣機封閉的氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹作功燃料在氣缸外的燃燒室內連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不更換。 已設計制造的熱氣機有多種結構，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個領域進行應用。試驗熱氣機的功率傳遞機構分為曲柄連桿傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。 按缸內循環(huán)的組成形式分，熱氣機主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。在一個氣缸內有兩個活塞作規(guī)律的相對運動，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回熱器和加熱器連接，配氣活塞推動工質在冷熱腔之間往返流動。 熱力循環(huán)可以分為定溫壓縮過程、定容回熱過程、定溫膨脹過程、定容儲熱過程四個過程。 改良的單缸斯特林發(fā)動機示意 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209083142.gif 已設計制造的熱氣機有多種結構，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個領域進行應用。試驗熱氣機的功率傳遞機構分為曲柄連桿傳動、菱形傳動、斜盤或擺盤傳動、液壓傳動和自由活塞傳動等。 美國STM公司的民用25KW外燃機 按缸內循環(huán)的組成形式分，熱氣機主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。配氣活塞式熱氣機，在一個氣缸內有兩個活塞作規(guī)律的相對運動，冷腔與熱腔之間用冷卻器、回熱器和加熱器連接，配氣活塞推動工質在冷熱腔之間往返流動；雙作用式熱氣機，每個氣缸內只有一個活塞，兼起配氣活塞和動力活塞的作用。各缸的上部為熱腔，下部為冷腔。各熱腔經(jīng)加熱器、回熱器和冷卻器與鄰缸的下部冷腔連接，組成一個動力單元。 日本親潮級潛艇使用的斯特林發(fā)動機原理圖 熱力循環(huán)可以分為定溫壓縮過程、定容回熱過程、定溫膨脹過程、定容儲熱過程四個過程。 兩缸外燃機工作原理 http://202.108.15.245/boardfile/mil/20066/20060209085020.gif 與內燃機比較熱氣機所具備的優(yōu)點： 適用于各種能源，無論是液態(tài)的、氣態(tài)的或固態(tài)的燃料，當采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫熱源(太陽能放射性同位素和核反應等)，而發(fā)動機本身(除加熱器外)不需要作任何更改。同時熱氣機無需壓縮機增壓，使用一般風機即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質含量。 熱氣機在運行時，由于燃料在氣缸外的燃燒室內連續(xù)燃燒，獨立于燃氣的工質通過加熱器吸熱，并按斯特林循環(huán)對外做功，因此避免了類似內燃機的震爆做功和間歇燃燒過程，從而實現(xiàn)了高效、低噪和低排放運行。高效：總能效率達到80%以上；低噪：1米處裸機噪音底于68dBA；低排放：尾氣排放達到歐5標準。 熱氣機單機容量小，機組容量從20－50kw，可以因地制宜的增減系統(tǒng)容量。結構簡單，零件數(shù)比內燃機少40％，降價空間大，同時維護成本也較低。 熱氣機尚存在的主要問題和缺點是制造成本較高，工質密封技術較難，密封件的可靠性和壽命還存在問題，功率調節(jié)控制系統(tǒng)較復雜，機器較為笨重。 熱氣機的未來發(fā)展將更多的應用新材料(如陶瓷)和新工藝，以降低造價；對實際循環(huán)進行理論研究，完善結構，提高性能指標；在應用方面，正大力研究汽車用的大功率燃煤熱氣機、太陽能熱氣機和特種用途熱氣機等。 熱氣機分為單缸、2缸、4缸等形式；單缸熱氣機的燃燒室與冷卻器共一室，需要交替向燃燒室中注入燃氣、燃燒、排氣、注入冷卻氣體等循環(huán)過程，驅動活塞上下運動帶動曲軸轉動，由于燃燒室需要交替使用，與一般的內燃機一樣復雜，很少再發(fā)展。2缸熱氣機的燃燒、冷卻過程完全連續(xù)，1個汽缸加熱、1個冷卻，工質在 2個氣缸中密閉循環(huán)，反復被加熱冷卻，活塞在熱氣驅動下上下運動驅動曲軸旋轉。4缸熱氣機的氣缸上部加熱、下部冷卻，或相反，工質在相鄰兩個氣缸的上下部間循環(huán)，4個活塞交替上下，直接驅動斜盤轉動，工作最為平順。 4缸型的斯特林發(fā)動機 熱氣機的應用 隨著全球能源與環(huán)保的形勢日趨嚴峻，熱氣機由于其具有多種能源的廣泛適應性和優(yōu)良的環(huán)境特性已越來越受到重視，所以，在水下動力、太陽能動力、空間站動力、熱泵空調動力、車用混合推進動力等方面得到了廣泛的研究與重視，并且已得到了一些成功的應用。熱氣機推廣中的3個方向包括： 熱電聯(lián)產充分利用它環(huán)境污染小和可使用多種燃料及易利用余熱的特點，用于熱電聯(lián)產可取得更高的熱效率和經(jīng)濟效率。 四聯(lián)裝余熱回收系統(tǒng) 低能級的余熱回收利用對燃燒系統(tǒng)稍加改進便可利用工場余熱、地熱和太陽能進行發(fā)電或直接驅動水泵，可取得更大的節(jié)能效益。 移動式動力源通過對發(fā)動機的小型化和輕量化，并改善其控制性能后，亦可以作為推土機、壓路機等車輛的動力。