斯特林发动机加热器的设计和研究
斯特林热机研究性学习报告
斯特林循环胜过卡诺循环的主要优点是用两个等容过程代替两个绝 热过程，这就大大增加了 P-V 图的面积。因此，为了取得适当的功， 它不需要象卡诺循环那样，必须借助于很大的压力和扫气容积。
四．回热式循环
回热式循环就是斯特林热机的逆循环， 可以作为制冷机。 斯特林制 冷机的理想工作过程是由两个定容过程和两个定温过程 （见热力过程） 组成的可逆循环（见热力循环）。
23 过程，工作物质等容吸热升温。A=0,Q=∆U=γCv, m T3 − P3>P2,所以 T3>T2,Q2>0,系统吸热。热量从回热器传递
给工作气体。 3） 34 过程， 工作物质等温吸热膨胀。 ∆ U = 0， Q=A=γRTln( )
V3 V4
V4>V3,Q3>0,系统吸热。热量在 Tmax 温度下从外部热源传递给工 作气体。 4） 41 过程作物质等容冷却降温。A=0,Q=∆U = γCv, m∆T
3 应用
随着全球能源与环保的形势日趋严峻， 热气机由于其具有多种能
源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下 动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力 等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。热 气机推广中的 3 个方向包括： 热电联产充分利用它环境污染小和可使用多种燃料及易利用余 热的特点，用于热电联产可取得更高的热效率和经济效率。 四联装余热回收系统 低能级的余热回收利用对燃烧系统稍加改进便可利用工场余热、 地热和太阳能进行发电或直接驱动水泵，可取得更大的节能效益。 移动式动力源通过对发动机的小型化和轻量化， 并改善其控制性能后， 亦可以作为推土机、压路机等车辆的动力。
6kw斯特林发电机设计及方案
6KW斯特林发电机设计方案1. 斯特林发动机技术现状斯特林发动机始于1816年。
其后的若干年内，斯特林发动机的开发都没有实质进展。
直到上世纪30年代，具有实用价值的现代斯特林发动机才问世。
但结构复杂、体积庞大、密封困难等缺陷严重阻碍了其应用推广。
只用于潜艇等特殊领域！瑞典考库姆公司在该技术领域居领先地位。
装备世界海军的斯特林发动机都是采用该公司的技术方案。
美国STM公司选择斜盘输出的技术路线，也成功开发出斯特林发动机。
应用范围仍然有限。
自从上世纪三十年代荷兰菲利蒲斯发明现代斯特林发动机以来，通用汽车公司、福特公司、瑞典斯特林联合公司和德MAN公司分别于六十年代、七十年代购买此项专利。
在轿车和公共汽车上进行了大量试验，都因经济原因无法推广。
但是，斯特林发动机的发展潜力一直受到高度重视。
早在1974年，美国人R.W.Richardson分析比较了各类发动机的优缺点后的预言：斯特林发动机是很有前途的发动机！斯特林发动机的发展期待着结构的重大突破！2007年12月19日，结构更合理的斯特林可逆热机申报中国发明专利，2011年6月15日获中国发明专利（专利号200710050949.2）。
清除了阻碍斯特林发动机推广应用的所有障碍，使斯特林热机全面取代内燃机可以成为现实。
2011年1月31日申请中国发明专利的一种斯特林热机工况控制器（申请号201110035499.6）为斯特林发动机提供了可靠的控制系统。
《新型斯特林发动机设计理论研究》一文针对斯特林可逆热机的结构，采用施密特分析法，建立了相应设计理论模型，推导出了准确进行理论计算的功率计算公式；提出了停机角、运转角等技术新概念；从输出功和停机角、运转角差值的正负，确定斯特林可逆热机是用于发动机或制冷机，从理论上阐明了斯特林可逆热机的可逆性。
《斯特林发动机极限压力与平均温度关系探析》解决了施密特分析法理论计算必须的平均温度理论计算难题。
在这种技术条件下，相同功率的斯特林发动机比内燃机体积小，零件减少40%以上。
斯特林发动机热交换装置的设计与研究
杜祥雷，陈再良
热胀冷缩，从而推动活塞做功。工质在循环流动过程中总量不变，以fluent软件详细模拟工质流过热交 换装置循环运动状态，包括速度、压力和温度，为优化热交换装置内部结构，提高发动机性能提供理论 依据。
关键词
斯特林发动机，热交换装置，设计与研究，仿真分析
1. 前言
斯特林发动机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，由英国牧师罗伯特·斯特林在 1816 年 发明，经过几十年的发展，在汽车、潜艇以及太阳能发电组等方面有了广泛的应用。福特和菲利普公司 研发出可以安装在汽车上的 4-215 型发动机， 该结果产生了巨大的影响并得到政府资助， 由法国公司 ECA 研制出一种以熔盐蓄热器作为斯特林发动机热源的直列双向型发动机，该发动机可以作为潜艇的水下动 力源。斯特林发动机在运行过程中，燃料连续燃烧，内部工质膨胀，通过冷气室冷却，继而产生动力推 动活塞往复运动。斯特林发动机的研制可以改变单一能源的使用状况，优化发动机的效率。 热交换装置作为斯特林发动机研制的关键部分，是斯特林发动机整机运行平稳的核心部件，由加热 装置、冷却装置以及回热器组成。工质循环于这闭合回路之中，完成膨胀压缩过程。斯特林发动机的主 要热损失来自于热交换装置的损失(回热与流阻损失等)， 在设计制造中热交换装置性能始终是斯特林发动 机需要解决的重点问题[1]。
摘
要
热交换装置作为斯特林发动机核心部件，是热能循环的载体。它构成封闭回路，使工质在该循环系统中
文章引用: 杜祥雷, 陈再良. 斯特林发动机热交换装置的设计与研究[J]. 机械工程与技术, 2016, 5(4): 382-390. /10.12677/met.2016.54047
式中： Wc ——冷却液的需要量； TW 1 ——冷却液进口温度； TW 2 ——冷却液出口温度。 在冷却过程中，工质的热能传递到冷却液，导致冷却装置温度升高。但随着冷却装置温度的升高， 发动机循环性能受到影响，在导致斯特林发动机的效率下降的同时影响材料的密封性，因此对于冷却装 置有着较高的要求：具有良好冷却循环作用，冷却液的温度要求较低，并且有一定压力和流速。
斯特林热机演示实验观察报告
斯特林热机演示实验观察报告1.实验目的：了解斯特林机的工作原理，弄清具体工作过程，把理论与实际实验过程建立一定的联系，深入对斯特林机的理解。
2.实验原理：斯特林热机是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式发动机。
它由苏格兰牧师斯特林提出。
18世纪末和19世纪初正值工业革命的高潮时期，热机普遍为蒸汽机。
热机的重要标志之一是它的效率，即吸收来的热量有多少转化为有用的功。
当时，蒸汽机的效率很低，只有3%~5%左右。
这一方面是由于散热、漏气、摩擦等因素损耗能量，另一方面是由于部分热量在低温热源处放出。
为了提高热机的效率，人们开始从理论上研究热机。
斯特林热机就是此时诞生的。
斯特林热机是一种高效率的能量转换装置，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林热机仅采用外部热源，工作气体不直接参与燃烧，因此又被称为外燃机。
只要外部热源温度足够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等在内的任何热源，都可使斯特林热机运转，既安全又清洁，故其在能源工程技术领域的研究兴趣日益增加，极有可能成为未来动力的来源之一。
斯特林热机采用封闭气体进行循环，工作气体可以是空气、氮气、氦气等。
如图1所示，在热机封闭的气缸内充有一定容积的工作气体。
汽缸一端为热腔，另一端为冷腔。
置换器活塞推动工作气体在两个端之间来回运动，气体在低温冷腔中被压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。
如此循环不休，将热能转化为机械能，对外做功。
理论上，斯特林热机的热效率很高，其效率接近理论最大效率（称为卡诺循环效率）。
但二者又有所不同，前者由两个等温过程和两个等容过程构成，如图2所示。
而后者由两个等温过程和两个绝热过程构成。
斯特林热机属于可逆热机，既可用于制热，又可用于制冷；既可将热能→机械能，又可将机械能→热能。
如果用于制冷，则图2中的四个热力学循环将沿逆时针方向进行。
图2 斯特林热机的四个循环过程（实验室斯特林机实物图）3.部件功能:仪器上方的椭圆弹片对动力活塞起到弹性恢复力的作用. 配气活塞下方汽缸是热腔, 配气活塞上方汽缸是冷腔. 底部的十字弹片起到驱动配气活塞的作用.配气活塞在这里起到移气和再生的作用. 配气活塞的直径比气缸的内径小些, 当配气活塞自由上下移动时, 即可以把气缸内的气体工质挤下或挤上. 如果气缸底端加热, 而在气缸上端冷却,使上下两端具有足够的温差, 即可看见当配气活塞上移, 气缸内的气体被挤至气缸底端, 此时由于气缸底端加热, 因此气体受热, 压力变大, 此压力经由活塞与气缸间的空隙传到动力活塞, 使之上移. 相反的, 把配气活塞下移, 则气缸内的气体被挤至气缸上端, 此时由于气缸上端为冷却区, 因此气体被冷却, 使气体温度降低, 压力变小, 而使动力活塞下移. 如果不断使配气活塞上下移动, 即可看见动力活塞随之上下移动. 另外, 斯特林循环欲达到和卡诺循环相同的热效率, 必须将工质等容放热过程所放出的热量, 用来提供工质等容吸热升温所需的热量, 这个步骤叫作再生, 所使用的装置称为再生器. 本仪器的微孔配气活塞兼有再生器的作用.必须注意动力活塞与配气活塞二者相位差是π/ 2, 因为如果要使输出到曲柄联杆上的平均扭力最大, 就要使动力活塞向上移动到中间位置时获得最大的动力, 而当配气活塞移到最顶点的位置时, 由于底部加热空间最大, 所产生的压力最大, 动力活塞输出动力也最大, 而此时二者相位差是π/ 2.4.实验过程及现象：斯特林机由一个玻璃罩，大灯泡，活塞，转轮等组成。
斯特林发动机回热器性能研究
斯特林发动机回热器性能研究麦志豪;邹城;陈观生;李凤;张仁元【摘要】The performance of Sterling engine regenerators was simulated and experimentally researched . The filling materials were foamed copper and stainless steel wire mesh , whose porosity was 75%or 85%respectively , and the ratio of length to diameter was 2:1 or 3:1 .Research results show that:the heat ca-pacity of stainless steel heat exchanger is larger , and the start-up speed of foamed copper heat exchanger is faster;Heat transfer of 75%porosity regenerator is larger , while the temperature convergence speed of 85%porosity regenerator is faster;Pressure loss of 2:1 regenerator is smaller , while the 3:1 regenerator exchanger heat is larger .The experimental study indicates that the experimental data is in good agreement with simulation results with a 5%margin of error , so it can provide some reference for the design of re-generators .%对不同材料及孔隙率的斯特林发动机回热器的性能进行了多循环模拟分析和实验研究。
斯特林发动机热效率
斯特林发动机热效率斯特林发动机是一种基于热力学循环原理工作的发动机，其热效率相对于内燃机和蒸汽发动机都有显著的优越性。
本文将从热效率的角度来介绍斯特林发动机，并深入探讨其热效率的提高方法。
斯特林发动机的热力学循环基于热机中最完美的循环——克劳修斯循环。
克劳修斯循环是一种由四个步骤组成的理想热力学循环，包括等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。
斯特林发动机通过在环形的气缸中循环工作介质（通常是氢气或氦气）来实现这一循环。
工作流程分为充填、加热、膨胀、冷却、压缩、排气等几个阶段，在每个阶段工作介质的状态发生变化，并产生有用的功。
斯特林发动机相对于内燃机和蒸汽发动机的热效率主要有以下优点：1.高温差利用能力。
斯特林发动机具有高温差利用能力，适用于低温热能源和高温热能源之间的转换，可以充分利用低品位能源，提高能源利用率。
2.燃烧过程无污染。
斯特林发动机的工作介质通常是氢气或氦气，其燃烧过程无排放，不会产生二氧化碳等有害物质，对环境无污染，是一种清洁能源。
3.噪音低。
由于斯特林发动机没有燃烧过程，工作介质的循环是在密闭的环形气缸中进行的，因此噪音很小，可以减少环境噪声污染。
然而，在实际应用过程中，斯特林发动机的热效率还有一些瓶颈，包括以下几个方面：1.传热性能问题。
斯特林发动机的热效率受到热机内部传热性能的影响，包括加热器和冷却器的传热效率，以及气缸壁对工作流体的传热效率等。
2.内部流动损失。
斯特林发动机的热效率还受到内部流动损失的影响，如气缸内气体的阻力损失、涡流损失等，这些流动损失导致工作介质的能量损失，影响热效率。
3.气体性质问题。
由于斯特林发动机的工作介质通常是氢气或氦气等惰性气体，这些气体的比热容小、热导率低，导致斯特林发动机的内部传热性能下降。
针对上述问题，研究人员提出了一些解决方案来提高斯特林发动机的热效率，包括：1.优化加热器和冷却器的传热性能。
研究表明，在相同密度和流量条件下，微型螺旋盘状流動器比板式热交换器更加适用于斯特林发动机的加热器和冷却器，可提高传热效率。
斯特林发动机模型制作与研究
毕业设计(论文) 题目斯特林发动机模型制作与研究系别动力工程系专业班级热能与动力工程08k3班学生姓名指导教师王庆五二○一二年六月斯特林发动机模型制作与研究摘要随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。
研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。
斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。
斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为21世纪提供主要动力。
斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。
本文通过研究斯特林发动机的性能特性，讲述了斯特林发动机的结构类型与主要分析方法，总结了斯特林发动机的关键技术，阐述了斯特林发动机的特点及主要应用，设计制造了斯特林发动机模型，并对该模型进行了实验分析，得出的结论和模拟性能基本一致。
关键词:斯特林发动机；性能模拟；设计实验Stirling engine model production and studyAbstractThe oil energy is reducing and its price is increasing day by day,theinternal-combustion engine has brought environment pollution and broken zoology balance，the problems are standing out．Researching engine that can combust gas，marsh gas，biology is very signification that it can promote the compositive utilization of energy，change the use of only one oil energy，reduce environment pollution，create the economy society．The Stirling engine as outboard engines with fuel diversification, high efficiency, noise and pollution and other characteristics, suitable for rural fuelwood, straw and solar power generation. The unique advantage of the Stirling engine, as well as a variety of new materials, new technologies emerge, the Stirling engine will replace the internal combustion engine to provide the main driving force for the 21st century. Wide range of applications of the Stirling engine, will make China's energy use efficiency has been greatly improved, no occupied by the enemy of environmental protection or energy saving, have very important positive significance, will also be good for China's economic justice the fast pace of development to provide adequate power.According to the requirements on the development of energy and basing on the theory of stifling engine，the software the simulate stirling engine character is developed,then the configuration-type and analytical method of Stirling cycle were elaborated in the following parts.The key technology that affect the performance was also summarized.Through its character,the stifling engine model is designed and manufactured，and it is tested，the conclusion consistent with the simulation character．Key Words:stirling engine，simulation eharaeter`designing experiment目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 斯特林发动机的背景及意义 (1)1.2 斯特林发动机国内外研究动态 (2)1.2.1 国内发展状况 (2)1.2.2 国外发展状况 (2)1.3 本文的主要研究内容 (4)2 斯特林发动机组成及理论分析 (5)2.1 斯特林发动机的组成 (5)2.2 斯特林发动机的工作原理 (6)2.3 斯特林发动机热效率分析 (8)2.4 小结 (8)3 斯特林发动机性能分析 (10)3.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算 (10)3.1.1 数学模型的建立 (10)3.2 斯特林发动机性能模拟及影响性能因素 (13)3.2.1 膨胀腔、压缩腔示功图和总示功图 (13)3.2.2温度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响 (14)3.3 结论 (15)4 斯特林发动机模型设计制作 (16)4.1 斯特林发动机的设计类型 (16)4.2 斯特林发动机设计参数的选择及确定 (16)4.3 斯特林发动机的具体尺寸及制作 (17)4.3.1 斯特林发动机模型外型 (17)4.3.2 制作方法及制作工序 (18)4.3.3 组装次序及注意事项 (22)4.3.4 试运行 (23)4.4 小结 (23)5 斯特林发动机在联合循环及余热利用中的研究 (24)5.1 朗肯—斯特林联合循环 (24)5.2 燃气轮机—斯特林联合循环 (26)5.3 小结 (28)结论 (29)参考文献 (30)致谢 (31)1 绪论在当今世界科学技术的迅速发展，人们在不断完善现有动力机的同时，还在努力探索开发新型的动力机，外燃机就是在这样的背景下设计成功的，随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。
太阳能斯特林发动机调研报告
一．太阳能斯特林发动机的研究意义进入21世纪，人类社会面临着严重的能源紧缺和环境污染。
传统能源中的石油和天然气将在未来几十年内耗尽,煤尽管还能用一二百年，但它会对生态和环境带来很多的副作用。
在世界范围内的能源危机中，中国更是首当其冲。
因此研究开发无污染、可再生的新能源与能源转换技术是科技界的当务之急[1]。
从能源管理角度来讲,太阳能是产生动力的可再生和不可耗尽的重要能源之一。
把太阳能转换成机械能的有几种方法。
其中理论上可达到最大效率的是斯特林发动机(或热气机)。
斯特林发动机是一种简单的外燃机。
这是罗伯特·史特灵在1816年（英国、专利号4081)就提出的概念。
和内燃机相比，这种发动机效率高、污染小、噪音低等优点。
可以应用在许多领域内中作为清洁高效的动力机, 对节能减排、保护环境有重要意义。
二．斯特林发动机的原理斯特林发动机是利用高温高压的氢气或氦气作为工质, 通过2个等容过程和2个等温过程可逆循环( 图1) 。
气缸中装有2个对置的活塞, 中间设置1个回热器用于交替的吸热和放热, 活塞和回热器之间为膨胀腔和压缩腔。
膨胀腔始终保持高T max, 压缩腔则始终保持低温T min。
由图1可见, 斯特林循环由以下4个换热过程组成: 1- 2为等温压缩, 热量从工质传递给外部低温热源; 2-3 为等容过程, 热量从回热器传给工质; 3-4为等温膨胀,热量从外部高温热源传递给工质; 4-1 为等容过程, 热量由工质传递给回热器。
斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。
斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。
这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。
燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。
图1.斯特林循环下面是一台斯特林发动机示意图：发动机内的气体是循环加热的（通过酒精灯）并且膨胀推动动力活塞（图中蓝色）向上运动,同时黄色活塞也向上运动。
斯特林发动机寿命加热炉支撑机构设计
斯特林发动机寿命加热炉支撑机构设计摘要：本文首先初步设计支撑机构的总体结构，该机构总共由三个方向的运动构成，其中两个方向由伺服电机进行驱动，炉体上下运动采用液压缸驱动；随后，进行了传动系统的设计，炉体Z方向部分采用的是滚珠丝杠螺母副进行传动，并且用滚动直线导轨进行支撑，Y方向采用剪叉式液压升降台进行传动，X方向采用链进行传动，钢轨支撑整个试验台；最后进行外形结构设计。
该机构结构精简，对接过程可灵活调节，能够满足支撑炉体和实现与发动机的对接过程。
关键词：斯特林发动机；支撑机构；液压缸；滚珠丝杠螺母副1.引言斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种封闭式外燃机，即依靠外部热源对密封在机器中的工质进行加热，进行闭式循环，从而推动活塞做功。
斯特林发动机实验台就是要研制一套该斯特林发动机的试验台，在频繁的极端工作条件下，对发动机进行疲劳试验，验证该发动机的性能。
炉体支撑结构主要实现对实验炉的支撑作用，可以进行位置调节以便与发动机进行对接后进行燃烧试验。
本文以加热炉及其支撑结构为研究对象，炉体支撑结构主要实现对实验炉的支撑作用，可以进行位置调节以便与发动机热端进行对接后进行燃烧试验。
2.系统方案设计2.1总体方案设计本课题研究的20kw斯特林发动机的相关参数有：热端直径为400mm，使用氦气作为工质气体，重量约为2t，发动机安装架约为1400*1200*420mm，发动机热端中心距地面高约为1.7m。
采用的加热炉外形为圆筒式，重量约为550kg。
本课题的主要目的是实现加热炉与斯特林发动机热端的对接。
根据设计要求，为了实现对接目的，有以下两种总体方案：方案一：固定加热炉，通过运动调整发动机的位置来实现炉口与热端的对接；方案二：固定发动机，通过运动调整加热炉的位置来实现炉口与热端的对接。
两种方案的机构运动简图分别如图1和图2所示由形态学矩阵可组合出的方案数为：N=4*4*4=64。
由形态学矩阵组合的方案中，有两种方案较为合理：方案①：对于Z方向：步进电机→ 链传动→ 滑动导轨对于Y方向：液压传动系统对于X方向：步进电机→ 丝杠传动→ 滚动导轨方案②：对于Z方向：伺服电机→ 丝杠传动→ 滚动导轨对于Y方向：液压传动系统对于X方向：伺服电机→ 链传动→ 钢轨这两种方案中：对于Z方向：对比两电机特点，伺服电机响应速度快，稳定性好，精度高，故选用伺服电机采用闭环控制；对比两种传动方式，该方向要求精度较高，链传动的瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差，工作中有一定的冲击和噪声，滚珠丝杠具有摩擦小、传动效率高、启动转矩小，可以实现精准的微进给，因此选用丝杠传动；滚动导轨具有运动灵敏高、定位精度高等优点，故选择滚动导轨。
碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机的研究
碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机的研究王译旋【摘要】Based on the analysis of operating principle of dish-stirling solar power generation system, the article uses the stirling engine in the system of dish-stirling solar power generation as the object, analyzes the key technique of stirling cycle and engine, and combined the research status of stirling engine in dish-stirling solar power generation system, pointed out many research hot points of stirling engine, provides a reference for relative research of dish-stirling solar power generation system.%在分析碟式太阳能热发电系统工作原理的基础上，以碟式太阳能热发电系统中的斯特林发动机为研究对象，分析斯特林循环以及斯特林发动机的关键技术。
结合碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机的研究现状，指出斯特林发动机的诸多研究热点，为碟式太阳能热发电系统相关研究提供依据。
【期刊名称】《农业科技与装备》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】3页(P40-42)【关键词】碟式太阳能热;发电系统;斯特林发动机;斯特林循环【作者】王译旋【作者单位】沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳 110866【正文语种】中文【中图分类】TU995在化石能源储量日益减少、环境污染问题越来越突出的背景下，太阳能因具有储量丰富、便于获取及无污染等特征，被认为是未来重要的可再生能源。
斯特林发电机的热力学性能研究
斯特林发电机的热力学性能研究一、引言斯特林发电机是一种基于斯特林循环原理的热机，具有低噪音、可靠性高、无污染等优点。
它利用外部供热源和冷源使气体在气体内部循环，从而产生机械功。
研究斯特林发电机的热力学性能对于提高其效率、降低成本以及推广应用具有重要意义。
二、斯特林发电机基本原理斯特林发电机是一种基于斯特林循环原理的热机。
其基本原理是将工作气体（氢气、氦气等）在两个不同的温度下进行热机过程，利用热机效应将热量转变为机械能或电能。
其基本循环过程包括四个部分：加热，等容，冷却和等容。
三、斯特林发电机的热力学性能参数1. 热效率热效率是指斯特林发电机在工作过程中所转换的热能与所输入的热能之比。
热效率越高，其能够转换的热能就越多，能量利用效率就越高。
热效率的计算公式为：η = (W/Q) × 100%其中， W为输出的功率，Q为输入的热能。
2. 动力密度动力密度是指单位体积发电机所能输出的最大功率。
动力密度越大，发电机的输出功率就越大，同样的体积内能够输出更多的功率，能够满足更多能源需求。
动力密度的计算公式为：P = W/V其中，W为输出功率，V为发电机的体积。
3. 总效率总效率是指发电机从输入热能到输出电能的能量转换效率。
总效率的计算公式为：ηtotal = (Wout / Qin) × 100%其中，Wout为输出的电能，Qin为输入的热能。
四、斯特林发电机的热力学性能提高措施1. 提高工作流体的温度斯特林发电机的热效率随着工作流体温度的升高而增加。
因此，可以通过提高工作流体的温度来提高热效率。
但同时要注意避免过高的温度导致机械损坏。
2. 减小流体质量发电机的总效率与流体质量成反比，因此减小流体质量可以提高总效率。
但同时，过小的流体质量会导致输出功率不足的问题，需要根据实际情况进行调整。
3. 提高制冷能力斯特林发电机的性能受制冷能力的影响，可以通过适当增加制冷能力来提高发电机的性能。
热源互补的斯特林加热器设计与数值模拟
第48卷 第5期 热 力 发 电V ol.48 No.5 2019年 5月 THERMAL POWER GENERATION May 2019收稿日期：2018-11-12基金项目：国家自然科学基金项目(51476140)Supported by ：National Natural Science Foundation of China (51476140)第一作者简介：瞿凡(1995—)，男，硕士研究生，主要研究方向为光热发电斯特林发动机，qufan0803@ 。
热源互补的斯特林加热器设计与数值模拟瞿 凡1，王树林1，童良怀2，倪明江1，肖 刚1（1.浙江大学能源工程学院，浙江 杭州 310027；2.衢州市特种设备检验中心，浙江 衢州 324002） ［摘 要］基于一台100 W 级β 型斯特林发动机，提出了一种适用于太阳辐射与燃烧加热2种加热方式的加热器结构，其工质流道和集热腔为一体。
数值模拟结果表明，在完全利用燃烧加热、完全利用光辐射加热以及光辐射和燃烧供热量为1:1等3种情况下，加热器可以满足热端工质吸收热量大于1 600 W 的要求，并且壁面温度分布在合理范围内。
本热源互补加热器可以实现系统连续运行，减少燃料消耗。
［关 键 词］斯特林发动机；加热器；热源互补；辐射；燃烧；数值模拟［中图分类号］TK515; TK432 ［文献标识码］A ［DOI 编号］10.19666/j.rlfd.201811209［引用本文格式］瞿凡, 王树林, 童良怀, 等. 热源互补的斯特林加热器设计与数值模拟[J]. 热力发电, 2019, 48(5): 56-63. QU Fan, WANG Shulin, TONG Lianghuai, et al. Design and numerical simulation for Stirling engine heater with complementary heating sources[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 56-63.Design and numerical simulation for Stirling engine heater with complementaryheating sourcesQU Fan 1, WANG Shulin 1, TONG Lianghuai 2, NI Mingjiang 1, XIAO Gang 1(1. College of Energy Engineering of Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Special Equipment Inspection Center of Quzhou City, Quzhou 324002, China)Abstract: On the basis of a β-type small scale Stirling engine, a design of Stirling engine heater which is suitable for two external heat sources, solar energy and combustion, is proposed. The structure intergrates working gas channels into walls of the heater. The numerical simulation results show that, under all the three conditions, only combustion as heating source, only solar energy as heating source and equal heating load of the two heating sources, the above heater can meet the requirement of providing enough heat (>1 600 W) for working gases, and the temperature distribution on the heater’s walls is reasonable.Key words: Stirling engine, heater, heat source complementary, radiation, combustion, numerical simulation斯特林发动机具有噪音低、环保、效率高及热源适用性广等优点，作为一种外部供热的活塞式发动机，其工质气体按闭式回热循环的方式进行工作，工质在循环过程中不与外部发生质量交换[1]。
无焰燃烧斯特林发动机加热器仿真与优化
Vol. 42, No. 6Jun., 2020第42卷第6期2020年6月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY无焰燃烧斯特林发动机加热器仿真与优化金旭东，吕田，黄晓宇，黄有明(中国船舶重工集团公司第七----研究所，上海201203)摘 要：针对某斯特林机A 型加热器改进后的B 型加热器效果不理想，采用数值模拟，分析2种加热器的结构等特点，并对其进行优化设计。
数值模拟结果发现，B 型加热器仅增加了加热管长度和翅片面积，但总换热量不变，加热管长度增加反而导致整机死容积增加，对整机性能不利；改进B 型加热器管排布置方式，并增大管径大 小，能够促进其流场与烟气相匹配，增加前排换热能力；增加加热器管顶部与旋流器出口距离，有助于提高换热能力。
关键词：斯特林发动机；柴油燃烧；加热器；数值模拟中图分类号：TK1文献标识码：A文章编号：1672 - 7649(2020)06 - 0121 - 05 doi ： 10.3404/j.issn,1672 - 7649.2020.06.024Simulation and optimization of flameless combustion Stirling engine heaterJIN Xu-dong, LV Tian, HUANG Xiao-yu, HUANG You-ming(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201203, China)Abstract: The effect of the improved type B Stirling engine heater is unsatisfactory compared with type A Stirling en gine heater. Therefore, the structure and other characteristics of the two heaters are analyzed and the optimization is also car ried out by numerical simulation. The numerical results show that the total heat exchange remains the same although thelengths of heater tube and fin area of type B heater increase. In addition, the increase of heater tube length leads to the in crease of dead volume, which is unfavorable to the perfonnance of the engine. Improving the arrangement of type B heatertube and increasing the size of tube diameter can promote the match of flue gas flow field and increase the heat transfer capa city of the front row. Increasing the distance between the top of heater tube and the outlet of cyclone is helpful to improve heat transfer capacity.Key words: Stirling engine ； diesel combustion ； the heater ； numerical simulation0引言斯特林发动机一刃作为一种高效的外燃系统，其主要由外部燃烧系统、工作循环系统、传动系统、辅助系统以及监控系统等组成。
斯特林发动机 研究 发展
关于斯特林发动机的研究与发展学号：13015218姓名：彭俊图摘要:简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。
关键词:斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途径之一。
斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，噪音低，运转特性好，结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的关注。
国外一些专家预言，21 世纪将是斯特林发动机的世纪。
1 斯特林发动机的发展1816 年，罗伯特·斯特林(Robe Stirling) 发明了闭式循环的热气机一一斯特林发动机。
在当年的第4081 号专利中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述斯特林发动机是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机。
自罗伯特·斯特林于1816 年发明斯特林循环以来，限于当时条件，大部分发动机的功率和效率都很低，逐渐被比其发明晚半个多世纪的内燃机所替代。
1916 年最后一台老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的发展告一段落[1 3J 近几十年来，随着能源问题和污染问题日益突出，以及斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优点，因而受到了国内外的广泛关注。
20 世纪30 年代到60代，现代斯特林发动机的鼻祖一一荷兰的菲利普公司开创了现代斯特林发动机发展的新阶段。
之后经过通用发动机公司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司的不断发展，在包括美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等主要工业国家政府的资助下，在碟式太阳能热发电、制冷和热泵等领域取得重要进展。
斯特林机的优化设计及仿真研究的开题报告
斯特林机的优化设计及仿真研究的开题报告一、选题背景及意义斯特林机是一种能够通过热机转换将热能直接转化为机械能的热机，具有结构简单、无需润滑、低噪音、低振动、可燃料多样化等优点，在工业、军事、航空航天等领域有广泛的应用。
然而，斯特林机的热效率较低，需改进设计，提高其热效率。
本研究旨在从设计和仿真两个方面入手，通过对斯特林机热传输、流体动力学和结构力学等相关学科的探索，实现斯特林机的优化设计，为其热效率的提高提供技术支持和理论基础。
二、研究内容及目标1.通过文献调研和分析现有斯特林机的优缺点，确定优化设计目标。
2.建立斯特林机模型，并通过学术软件对模型进行热传递、流体动力学和结构力学仿真分析。
3.对模型进行优化设计。
从传热、流体流动、结构强度等角度出发，探索斯特林机的优化设计方案。
4.对优化设计结果进行仿真分析，验证优化设计的实际效果，并探索可能的改进方案。
三、研究方法和技术路线本研究将采用文献调研、数值模拟和实验验证相结合的方法，具体研究技术路线如下：1.文献调研：通过查阅相关文献和资料，分析现有斯特林机的结构、热传输和流体流动等特性，确定优化设计目标。
2.数值模拟：建立基于有限元、CFD等数值方法的斯特林机模型，进行热传递、流体动力学和结构力学等方面的数值仿真分析。
3.优化设计：根据数值仿真分析结果，从传热、流体流动、结构强度等多个角度出发，探索斯特林机的优化设计方案。
4.仿真验证：对优化设计结果进行仿真分析，验证优化设计的实际效果，并探索可能的改进方案。
5.实验验证：根据仿真分析的结果，设计实验方案，对斯特林机的优化设计方案进行实验验证。
四、研究任务安排与进度计划1.第一阶段：文献调研和模型建立任务内容：收集、查阅相关文献资料，分析现有斯特林机的结构、热传递和流体流动等特性；建立斯特林机数学模型。
时间安排：2个月2.第二阶段：数值仿真及优化设计任务内容：使用学术软件对数学模型进行热传递、流体动力学和结构力学仿真分析；根据仿真结果，提出斯特林机的优化设计方案。
斯特林发动机绝热分析法研究
基于斯特林发动机绝热分析法 ,作者利用 VB6. 0 编写了可视化计算程序 。此程序将斯特林 发动机的一个循环若干等分 ,输入发动机的结构 参数和运行环境参数后 ,可以计算出各个等分点 的性能参数值 ,并且可将计算结果绘制成曲线 ,直 观地显现出来 。
通过相同工况下程序计算数据和实验测试数据的对比对斯特林发动机绝热分析法进行分析评价并对斯特林发动机绝热分析法出现预测误差的原因和该方法存在的缺点进行了分析斯特林发动机绝热分析法介绍斯特林发动机的闭式循环系统由压缩腔加热器膨胀腔组成如图定容热容比热比微分方程组的解法斯特林发动机绝热分析法微分方程组是非线根据发动机的结构可以确定工作腔容积vcve及容积变化量dvcdce随曲轴角的变化关系式还可以确定热交换器容积vkvrvhcpcv根据发动机运行工况可以先斯特林发动机绝热分析法对发动机内部实际流动所做的主要简化假设发动机运行时工作腔与外界绝热工质遵循理想气体状态方程且一维稳定流动假定热交换器内工质温度tbschmidt分析法可以确定工质总质量过以上参数就可以求解关于工作腔温度tcte工质没有泄露质量不变活塞及死容热量和功的微分方程组
2009 年第 8 期 (总第 140 期) 应用能源技术 4 1
斯特林发动机绝热分析法研究
胡学光 ,董金钟 ,王明昆
(北京航空航天大学能源与动力工程学院 ,北京 100191)
摘 要 :对斯特林发动机绝热分析法进行了详细的阐述 ,对 GPU - 3 型和 P - 40 型斯特林 发动机进行了绝热分析 。收集了 NASA Lewis 研究中心的 GPU - 3 型和 P - 40 型斯特林发动机 不同工况下的一系列实验测试数据 ,通过绝热分析法计算数据和实验测试数据的对比可知 :斯 特林发动机绝热分析法计算的轴功率 、吸热量均偏大 。轴功率的计算误差随着转速的增加而增 大 ,随着压力的增加而减小 。吸热量的计算误差随着转速的增加而增大 。绝热分析法计算误差 主要是由于没有计算机械损失 、发动机漏气损失以及没有考虑非定常的交变流动的影响造成 的。
高频热声斯特林发动机的实验研究
图１高频热声斯特林发动机示意图
Ｆｉｇ．１
Ｓｃｈｅｍａ七ｉｃ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｆ｝ｅｑｕｅｎｃｙ ｔｈｅｒｍｏａｃｏｌｌｓｔｉｃ＿Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｅｎｇｉｎｅ．
１．２测量系统 实验的测量系统主要包括压力测量和温度测 量。压力测点Ｐ位于距离声容腔约１０ ｍｍ的惯性 管内，测量当地的压力波振幅和自激振荡频率。温 度测点有三个，采用Ｋ型铠装热电偶，分别测量高 温端换热器的固体温度乃、主室温端换热器和次室
ＴＨＥＲＭｏＡＣｏＵＳＴＩＣ．ＳＴＩＲＬＩＮＧ
ＹＵ Ｇｕｏ—Ｙａｏ ＬＵＯ Ｅｒ—Ｃａｎｇ
８丑ｄ
ＨＥＡＴ ＥＮＧＩＮＥ
ＤＡＩ
ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—Ｄｏｎｇ
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（Ｔｅ如丑』ｃ副如ｓ蹴ｕ｝ｅ Ｄ，尸＿妨ｓｊｃｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ
ｃ啦鲫ｊｓｌ锄∞ｊ刀ｅｓｅ Ａｃａｄｅｗ，ｏ，ｓｃ』ｅ丑ｃ％Ｂｅ她ｇ ｌｏｏｌ９０，∞ｊ丑８）
收稿日期ｔ ２００８－０１．１ｌ；修订日期・２００８＿１１．０６ 基金项目：自然科学基金杰出青年基金项目（Ｎｏ．５０６２５６２０）；中国科学院三期方向性项目资助（Ｎｏ．ＫＪｃｘ２一Ｙｗ２－ｗ ０２） 作者简介：余国瑶（１９８１一），男，浙江宁波人，博士研究生，主要从事热声热机方面的研究．
波发动机驱动脉管制冷机的研究，平均压力为３．１ ＭＰａ，发动机出口的压力振幅为ｏ．１９ ＭＰａ时获得
１．２３、１．２２和１．２４．
Ｈｚ、９８
Ｈｚ和７６ Ｈｚ时，其压比分别达到了１．１７、
关键词高频；热声斯特林发动机；布置方位；工质 中囝分类号ｔ
ＴＫｌ２３
文献标识码ｔ
Ａ
文章编号；０２５３＿２３ｌｘ（２００９）０１—００１７－０４
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6 斯特林发动机加热管热应力分布
热力耦合模块连接方式
加热管三维模型图
加热管网格划分图
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6 斯特林发动机加热管热应力分布
加热管温度分布
从图中可以看出加热管的外壁温度恒定在450℃左右，并且温差 变化不大，这可以说明工质在加热管中所受到的热量是均匀的， 换热效果可以得到保证。
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
原有斯特林发动机参数如下， 2Kw的斯特林发动机循环系统采用空气作为工质，工质 的工作压力为0.8-1MPa,过量空气系数ɑ=1.4，额定输出功率为2Kw，该发动机的发电 效率并不是很高，其发电效率只有25%，2Kw斯特林发动机采用配气活塞式（β型）斯 特林发动机,其活塞直径为102mm，活塞行程为5.65cm，转速为1200r\min，频率为 20Hz，在最大程度保持原有参数不变的情况下，现对斯特林发动机加热管进行初步参 数设计：
斯特林发动机加热器的设计及 其性能研究
指导教师：李琦芬 学生姓名：苏磊 专业：热能与动力
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目录
1
斯特林发动机介绍
2
3 4 5
斯特林发动机基本特点
斯特林发动机的应用
斯特林的加热器
斯 特林加热器参数选择与计算
斯特林发动机加热管热应力分布 总结
6
7
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1 斯特林发动机介绍
斯特林发动机是一种外部燃烧的往复活塞式发动机，它做功的工 质通常为气体，通过闭式回热循环的方式来改变密封在机体内部 工质压力和体积从而获得能量
6 斯特林发动机加热管热应力分布
热应力分布
从图上可以看出，加热器所受的最大应力值发生在筒体内表面与加热管相接 触的部分，为85.1065MPa，其余部分并未受到较大应力的作用。由于加热器整 体材料的许用应力值为137MPa，因此，根据热应力模拟分布显示，加热器的最 大应力值小于材料的许用应力，所以可以得到，加热管的结构强度符合设计的应 用条件，满足强度要求
6 斯特林发动机加热管热应力分布
加热管在X轴的变形量
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6 斯特林发动机加热管热应力分布
加热管在Y轴的变形量
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6 斯特林发动机加热管热应力分布
加热管在Z轴的变形量 从图上分析来看，加热管在X轴方向的变形量相比Y轴和Z轴的变形量最大，为 0.83725mm,并且最大的变形量发生在加热管的顶端弯管部分，此方向的变形量对总体变形 量起到了主要的作用，因为此方向所受到的热应力和压力较大，但是同样满足强度要求， 加热管在Y、Z轴方向的热应力和静压力比较小，满足设计要求。
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7 总结
本文就是根据现有的机型的相关尺寸以及参数，重新设计斯特林 发动机的管式加热器，得到了以下结论： 1.根据传热学以及流体力学的相关知识，通过简单的计算来验证设 计可行性，通过计算可以发现，此次设计参数满足斯特林发动机 加热器的运行要求； 2.运用ANSYS软件对所设计的加热管进行建模，通过软件中的静 力学分析模块和稳态温度场分析模块对加热管进行热力耦合分析， 作出了加热管的温度场分布和热应力分布，校核所设计的加热管 的结构强度和热应力强度。通过模拟证明，设计的加热管的结构 强度符合设计要求。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 斯特林发动机介绍
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1 斯特林发动机介绍
1—2为等温压缩过程，热量在TL温度下从工质传入外部低温热源； 2—3为等容加热过程，热量在等容条件下从回热器传给工质； 3 —4为等温膨胀过程，热量在TH温度下从外部高温热源传入工质； 4—1为等容冷却过程，热量在等容积条件下从工质传给回热器。
外径（do） 内径(di) 壁厚(a) 单 根 管 根数(n) 长 度 （l 0 ） 1mm 300mm 46根 总无益 当量直 容积 径（de1）
6mm
4mm
178.6
27.13m m
设计好初参数后根据燃烧计算以及换热计算来验证是否满足设计要求
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
1.燃烧计算
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
烟气焓温表
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
2.工质侧换热计算
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
3.管壁热传递计算
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
4.烟气侧计算
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5 斯特林发动机加热器的设计参数选择与计算
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6 斯特林发动机加热管热应力分布
1.材料选择
斯特林发动机的加热管材料采用不锈钢材料，因为在固溶状态下，钢的塑性、 韧性、冷加工性均良好，在大气、水等介质中不锈钢材料的耐腐蚀性也是特别 好的。这个斯特林发动机的加热器可以采用0Cr18Ni9奥氏体型不锈钢，其物理 特性如下表：
0Cr18Ni9奥氏体型不锈钢物理特性表
密度 抗拉强度 （g/cm3） （MPa） 7.93 520 屈服强度 （MPa） 205 泊松 比 0.3 弹性模量 切变模 热膨胀系 （GPa） 量（GPa） 数（1/℃） 206 79.38 1.7×10-5
选好材料之后，我们运用ANSYS静力学软件对加热管进行热应力分析，下图是热 力耦合模块的连接方式，其中模块C代表稳态温度下，加热管的温度分布，模块D 代表静力计算模块。通过上一单元到下一单元的模拟，就可绘制出加热管温度和热 应力的分布图。
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2 斯特林发动机基本特点
斯特林发动机相比于内燃机、燃气轮机有着许多优越的性能
燃 料 多 样 性
热 效 率 高
环 境 污 染 小
噪 音 低
运 转 特 性 好
机 器 结 构 简 单
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3 斯特林发动机的应用
1.太阳能发电
斯特林发动机将集热器中的热能转化为动能驱动发电机发电 2.水下动力系统（潜艇） 由于常规潜艇的水下续航能力受到柴 电系统的限制，必须经常在通气管状 态下使用柴电机组为蓄电池充电，这 样一来就会降低潜艇的隐蔽性，并且 威胁了常规潜艇的生存力，而通过对 斯特林发动机改装到潜艇上恰好制造 成不依赖空气的推进系统，这样就很 好的解决了常规潜艇的隐蔽性问题， 大大提高了常规潜艇的水下续航能力
斯特林发动机加热器的主要作用是将外燃烧室中燃烧后的燃料所释放出的热量传递 给加热器内部流动的工质，又称吸热器，在斯特林发动机起到至关重要的作用，选 择和制造出好的加热器至关重要，因为它可以快速有效将外部热量传递给内部工质， 使内部工质做功输出较高的功率并且保证功率的稳定性。分为管式和肋片式加热器。
（a）管式加热器 （b）片式加热器 管式加热器与片式加热器的结构形式
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3 斯特林发动机的应用
3. 热电联产
充分利用斯特林发动机环境污染小的特点，在大城市中可以用天然气作为燃料，通 过斯特林发动机内部的冷却装置，回收烟气，进行采暖达到供电供热同时进行
斯特林发动机还可以应用于汽车、宇宙飞船上，充分发挥其体积小、排热量低、噪 音小等特点，应用十分广泛
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4 斯特林发动机的加热器
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6 斯特林发动机加热管热应力分布
变形量分布
加热管总变形量分布
从加热管总变形量图上可以看出，最大的变形量发生在加热管的顶端弯管部分，在 这产生了0.89022mm的变形量，但是与加热管的总体尺寸相比，这个变形量比较小，因此 并不会产生对加热管性能和结构强度较大的影响，满足设计要求。
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