求咖啡杯上的斯特林發(fā)動機(jī)？

【專家解說】：

一杯咖啡不能化身為一杯汽油，但是它一樣可以用來驅(qū)動一個發(fā)動機(jī)，只不過這個發(fā)動機(jī)有點特別，是用硬紙板做成的小型發(fā)動機(jī)，當(dāng)然也不是全部用硬紙板做成，還包括黃金沖件，激光切割的鋁片，低摩擦的塑料軸承以及彈性鋼絲。

這個能在一杯熱咖啡上就能轉(zhuǎn)起來的發(fā)動機(jī)，正是斯特林發(fā)動機(jī)（Stirling engine），由于能源，環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等人類問題的影響，人們開始熱衷發(fā)展斯特林發(fā)動機(jī)，由Robert Stirling（羅伯特-斯特林）在1816年發(fā)明的外燃發(fā)動機(jī)。

斯特林發(fā)動機(jī)是活塞式熱氣發(fā)動機(jī)，在外部加熱密封氣室，里面的氣體（氫氣或氦氣）膨脹推動活塞做功，膨脹后的氣體在冷氣室冷卻，然后進(jìn)入下一個流程。同樣只要有一定值的溫度差存在，都可以形成斯特林發(fā)動機(jī)，比如上面這個咖啡杯上的斯特林發(fā)動機(jī)，如果下面是冰塊，它也能轉(zhuǎn)起來，而且比里面是熱咖啡（或熱水）還要持久，一個小時左右。斯特林發(fā)動機(jī)可以使用多種的燃料，各種可燃?xì)怏w估計是最佳材料， Dean Kamen還用牛糞來作過燃料。而且排氣潔凈，還有一個優(yōu)勢相對于內(nèi)燃機(jī)來說，因為沒有氣體爆炸，所以大大降低了噪音污染。

下面是這個咖啡杯上的斯特林發(fā)動機(jī)一個gif小動畫。

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斯特林發(fā)動機(jī)原理

熱氣機(jī)(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(fù)式發(fā)動機(jī)，由蘇格蘭牧師RobertStirling在十九世紀(jì)初發(fā)明，所以又稱斯特林發(fā)動機(jī)。相對于內(nèi)燃機(jī)燃料在氣缸內(nèi)燃燒的特點熱氣機(jī)又被稱作外燃機(jī)?，F(xiàn)在熱氣機(jī)特指按閉式回?zé)嵫h(huán)工作的熱機(jī)，不包括斯特林熱泵或斯特林制冷機(jī)。

熱氣機(jī)工作原理

熱氣機(jī)是一種外燃的、閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動機(jī)。

熱氣機(jī)可用氫、氮、氦或空氣等作為工質(zhì)，按斯特林循環(huán)工作。在熱氣機(jī)封閉的氣缸內(nèi)充有一定容積的工質(zhì)。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫?zé)崆恢醒杆偌訜?，膨脹作功燃料在氣缸外的燃燒室?nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。

已設(shè)計制造的熱氣機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，可利用各種能源，已在航天、陸上、水上和水下等各個領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。試驗熱氣機(jī)的功率傳遞機(jī)構(gòu)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。
熱力循環(huán)可以分為定溫壓縮過程、定容回?zé)徇^程、定溫膨脹過程、定容儲熱過程四個過程。


美國已經(jīng)有STM公司的民用25KW外燃機(jī)

按缸內(nèi)循環(huán)的組成形式分，熱氣機(jī)主要有配氣活塞式和雙作用式兩類。配氣活塞式熱氣機(jī)，在一個氣缸內(nèi)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?zé)崞骱图訜崞鬟B接，配氣活塞推動工質(zhì)在冷熱腔之間往返流動；雙作用式熱氣機(jī)，每個氣缸內(nèi)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?zé)崞骱屠鋮s器與鄰缸的下部冷腔連接，組成一個動力單元。



日本海上自衛(wèi)隊的新型潛艇“蒼龍”號（排水量2900噸）的下水儀式在神戶市中央?yún)^(qū)三菱重工業(yè)神戶造船廠舉行。該艦是“親潮”級潛艇加裝不依賴空氣推進(jìn)(AIP)系統(tǒng)的新型潛艇的第一艘，預(yù)計將于2009年3月服役。

與內(nèi)燃機(jī)比較熱氣機(jī)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(dāng)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?zé)嵩?太陽能放射性同位素和核反應(yīng)等)，而發(fā)動機(jī)本身(除加熱器外)不需要作任何更改。同時熱氣機(jī)無需壓縮機(jī)增壓，使用一般風(fēng)機(jī)即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質(zhì)含量。

熱氣機(jī)在運行時，由于燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，獨立于燃?xì)獾墓べ|(zhì)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(nèi)燃機(jī)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(dá)到80%以上；低噪：1米處裸機(jī)噪音底于68dBA；低排放：尾氣排放達(dá)到歐5標(biāo)準(zhǔn)。

熱氣機(jī)單機(jī)容量小，機(jī)組容量從20－50kw，可以因地制宜的增減系統(tǒng)容量。結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)比內(nèi)燃機(jī)少40％，降價空間大，同時維護(hù)成本也較低。

熱氣機(jī)尚存在的主要問題和缺點是制造成本較高，工質(zhì)密封技術(shù)較難，密封件的可靠性和壽命還存在問題，功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)較復(fù)雜，機(jī)器較為笨重。

熱氣機(jī)的未來發(fā)展將更多的應(yīng)用新材料(如陶瓷)和新工藝，以降低造價；對實際循環(huán)進(jìn)行理論研究，完善結(jié)構(gòu)，提高性能指標(biāo)；在應(yīng)用方面，正大力研究汽車用的大功率燃煤熱氣機(jī)、太陽能熱氣機(jī)和特種用途熱氣機(jī)等。

熱氣機(jī)分為單缸、2缸、4缸等形式；單缸熱氣機(jī)的燃燒室與冷卻器共一室，需要交替向燃燒室中注入燃?xì)狻⑷紵?、排氣、注入冷卻氣體等循環(huán)過程，驅(qū)動活塞上下運動帶動曲軸轉(zhuǎn)動，由于燃燒室需要交替使用，與一般的內(nèi)燃機(jī)一樣復(fù)雜，很少再發(fā)展。2缸熱氣機(jī)的燃燒、冷卻過程完全連續(xù)，1個汽缸加熱、1個冷卻，工質(zhì)在2 個氣缸中密閉循環(huán)，反復(fù)被加熱冷卻，活塞在熱氣驅(qū)動下上下運動驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)。4缸熱氣機(jī)的氣缸上部加熱、下部冷卻，或相反，工質(zhì)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(qū)動斜盤轉(zhuǎn)動，工作最為平順。

熱氣機(jī)的應(yīng)用
隨著全球能源與環(huán)保的形勢日趨嚴(yán)峻，熱氣機(jī)由于其具有多種能源的廣泛適應(yīng)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(diào)動力、車用混合推進(jìn)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(yīng)用。熱氣機(jī)推廣中的3個方向包括：

熱電聯(lián)產(chǎn)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(chǎn)可取得更高的熱效率和經(jīng)濟(jì)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(jìn)便可利用工場余熱、地?zé)岷吞柲苓M(jìn)行發(fā)電或直接驅(qū)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(jī)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(jī)、壓路機(jī)等車輛的動力。

注意斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)明時間是1816，是和蒸汽機(jī)差不多的古老的發(fā)動機(jī)，多年沒有引起人們的重視，斯特林發(fā)動機(jī)的幾個特性是非常適合潛艇的，首先是燃燒連續(xù)，由于工質(zhì)不燃燒，因此沒有內(nèi)燃機(jī)的爆震現(xiàn)象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃燒室在外，燃燒的過程與工質(zhì)無關(guān)，或者說只要有熱源、冷源就能工作，無論燒煤燒碳都可以，只要能發(fā)熱就行；

在凡爾納的科幻小說《海底兩萬里》中，那艘著名的潛艇諾第留斯號的動力就是斯特林發(fā)動機(jī)，他的熱源是采用鈉與水反應(yīng)生熱，說明凡爾納具有多么的科學(xué)遠(yuǎn)見。



海底兩萬里漫畫

斯特林（RobertStirling，1790—1878）

英國物理學(xué)家，熱力學(xué)研究專家。

斯特林對于熱力學(xué)的發(fā)展有很大貢獻(xiàn)。他的科學(xué)研究工作主要是熱機(jī)。熱機(jī)的研制工作，是18世紀(jì)物理學(xué)和機(jī)械學(xué)的中心課題，各種各樣的熱機(jī)殊涌而出，不斷互相借鑒，取長補(bǔ)短，熱機(jī)制造業(yè)興旺起來，工業(yè)革命處于高潮時期。

隨著熱機(jī)發(fā)展，熱力學(xué)理論研究提到了重要位置，不少科學(xué)家致力于熱機(jī)理論的研究工作，斯特林便是其中著名的一位。他所提出的斯特林循環(huán)，是重要的熱機(jī)循環(huán)之一，亦稱“斯特林熱氣機(jī)循環(huán)”。這種循環(huán)，是封閉式的，采用定容下吸熱的氣體循環(huán)方式。循環(huán)過程是：①等容吸熱加熱；②由外熱源等溫加熱；③等容放熱，供吸熱用；④向冷體等溫放熱，完成一個循環(huán)。在理想吸熱的條件下，這種循環(huán)的熱效率，等于溫度上下限相同的卡諾循環(huán)。利用這種循環(huán)的“斯特林熱機(jī)”，具有很多特點，如采用外燃，或外熱源供熱等。由于這種循環(huán)是封閉式循環(huán)，可采用傳熱性能好的工質(zhì)，同時，工質(zhì)的腐蝕性也可以很小，如氮氣、氫氣等氣體。充入的氣體工質(zhì)，還可以加大壓力，視封閉系統(tǒng)的情況，能夠采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓力的高壓氣體工作，這樣可以提高發(fā)動機(jī)的單位重量的功率，減小發(fā)動機(jī)的體積和重量。斯特林熱機(jī)在逆向運轉(zhuǎn)時，可以作為制冷機(jī)或熱泵機(jī)，這種設(shè)想在現(xiàn)代已進(jìn)入了實用研究階段。

斯特林循環(huán)熱空氣發(fā)動機(jī)不排廢氣，除燃燒室內(nèi)原有的空氣外，不需要其他空氣，所以適用于都市環(huán)境和外層空間。

18 世紀(jì)末和19世紀(jì)初，熱機(jī)普遍為蒸汽機(jī)，它的效率是很低的，只有3％一5％左右，即有95％以上的熱能沒有得到利用。到1840年，熱機(jī)的效率也僅僅提高到8％。斯特林對于熱力學(xué)理論的研究，就是從提高熱機(jī)效率的目的出發(fā)的。他所提出的斯特林循環(huán)的效率，在理想狀況下，可以無限提高。當(dāng)然受實際可能的限制，不可能達(dá)到100％，但提供了提高熱效率的努力方向。

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1816年俄國物理學(xué)家斯特林提出了一種由兩個等溫過程和兩個等容回?zé)徇^程組成的閉式熱力學(xué)循環(huán)，稱為斯特林循環(huán)，也稱為定容回?zé)嵫h(huán)。這個原理的逆向循環(huán)廣泛應(yīng)用于制冷設(shè)備.但是使用這種循環(huán)的熱機(jī)確實不多.潛艇使用這種發(fā)動機(jī)是由于他可以實現(xiàn)氧氣供應(yīng)(柴油機(jī)不能利用氧氣瓶補(bǔ)充氧氣)所以很適合作為AIP.
STM的斯特林外燃發(fā)動機(jī)是一種熱發(fā)動機(jī)，高壓氫氣作為一種氣態(tài)工質(zhì)，密封在機(jī)器中。發(fā)動機(jī)的熱腔通過燃燒器燃燒燃料或外部熱煙氣而維持在一個持續(xù)的高溫狀態(tài)下，冷腔提供持續(xù)流動的冷卻水則維持在較低的溫度狀態(tài)下.通過加溫工作氣體驅(qū)動發(fā)動機(jī)活塞在機(jī)器冷熱腔體間來回運動.活塞的運動通過一個斜盤轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動為發(fā)電機(jī)提供動力!
送一個3D MAX結(jié)構(gòu)圖

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------簡單的說,就是架一盆火加熱一密閉氣體膨脹作功,然后冷卻收縮也作功.不依賴大氣中的氧氣,可在海中長時工作.這盆火靠自帶的氧氣和燃料.