简易斯特林热机的运动分析
简易斯特林热机的运动分析[20200123183058]
【摘要】
在当前能源紧张的情况下，利用太阳能发电技术成了政府和企业非常关注的重要课题，本文论述了太阳能斯特林热机的发展，针对实际应用中的难点问题进行了讨论，为太阳能斯特林热机的发展提供参考。
能源问题成了一个世界性关注的焦点，在石油和煤炭资源逐渐减少的今天，对于可再生能源的利用获得了很多政府的资助和支持。我国863和973国家项目都提高了对太阳能等可再生能源利用项目的资助。太阳能作为地球最大的可再生能源，在近年来获得了更多的利用和发展，中国也成为了太阳能热水器生产的最大输出国，太阳能光伏电池也得到了迅速的发展，但是利用太阳能效率最高的斯特林发动机在中国的发展却非常不够。
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关键字:】斯特林热机,太阳能,机构
引言 1
一、斯特林热机工作状态 2
二、斯特林热机原理分析 4
（一）原理分析 4
（二）热力学循环过程 6
三、斯特林热机建模 7
四、斯特林热机运动仿真 8
（一）数据准备阶段 8
（二）进入运动仿真模块 8
（三）设置连杆机构 8
（四）：设置运动副 10
（五）建立解决方案 11
（六）对已经设置好的仿真求解 12
（七）享受设置取得的成果 12
总结 13
参考文献 14
引言
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。
由于采用了两个等温过程与两个等容过程，斯特林热机的效率接近于卡诺循环，比汽油发动机或柴油发动机等内燃机更高。此外，由于斯特林发动机中使用的是封闭气体和外部热源，没有排放高压气体的排气阀，因此发动机的噪音很低。鉴于此，目前已设计制造的斯特林热机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用，如美国STM公司的民用25KW外燃机、日本亲潮级潜艇上使用的斯特林发动机。在凡尔纳的科幻小说《海底两万里》中，那艘著名的潜艇诺第留斯号的动力就是斯特林发动机，他的热源是采用钠与水反应生热，说明凡尔纳多么具有科学远见。上海711研究所已开发出110kW级斯特林热机（使用常规燃料），北京农业大学也已开发出5kW级燃玉米芯的斯特林热机如图1。
那么，为什么市场上没有广泛应用斯特林发动机呢？这是因为斯特林热机仍然存在很大的缺陷。其主要缺点是工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命有待提高，发动机不能快速改变其动力输出，制造成本较高，机器较为笨重等。这些缺点表明，斯特林热机无法取代汽车中的内燃机。 但是，斯特林发动机为混合动力汽车提供动力、进行太阳能发电等却是切实可行的。此外，为克服上述缺点，未来，热气机将更多的新材料(如陶瓷)和新工艺，以降低造价；对实际循环进行理论研究，完善结构，提高性能指标。
图1 斯特林热机
一、斯特林热机工作状态
图1-1 斯特林热机工作状态1
汽缸底部被加热，里面的空气膨胀，从而推动注射器的针筒向外运动，连杆的运动方向如图中箭头所示。此过程A点水平方向运动幅度比竖直方向大。
图1-2 斯特林热机工作状态2
由于惯性，飞轮继续转动。此过程A点竖直方向运动幅度比水平方向大。
图1-3 斯特林热机工作状态3
当飞轮转到如图位置时，由于移气活塞被放到了汽缸底部，原来在汽缸下半体积的空气被排到上半部分。而上半部分的汽缸是冷的，里面的空气体积收缩，于是注射器的针筒被吸回来，连杆运动方向如图中箭头所示。
此过程A点水平方向运动幅度比竖直方向大。
图1-4 斯特林热机工作状态4
原理图：状态4由于惯性，飞轮继续转动，当移气活塞再次被提起时，汽缸上部分的冷空气被排到下部分，回到上述状态1，这样就完成一个循环。 此过程A点竖直方向运动幅度比水平方向大。
二、斯特林热机原理分析
（一）原理分析
斯特林热机（Stirling Engine），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。
斯特林热机在十九世纪初被发明，目前已经发展为上百种不同的机械结构。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3-1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4-1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（Stirling Engine），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。如果用于制冷，则图4-1中的四个热力学循环将沿逆时针方向进行。
图2-1 斯特林热机的四个循环过程
下面结合循环图，如图2-1所示和活塞运动图，如图2-2所示，来详细分析一下斯特林热机的四个循环过程。
一个装有两个对置活塞的气缸，在两个活塞之间设置一个回热器。可以把回热器设想成一块交替放热和吸热的热力海绵。回热器和活塞之间形成了两个空间。一个称为膨胀腔，使它保持高温Tmax；另一个称为压缩腔，使它保持低温Tmin。因此，在回热器两端有一个温度梯度Tmax-Tmin。假设回热器在纵向没有热传导，与卡诺循环情况一样，假设活塞在运动中无摩擦，工作气体在气缸中无泄露损失。
循环开始时，设压缩腔活塞处于外止点，膨胀腔活塞处于内止点并紧靠回热器端面。这样，全部工作气体都处于冷的压缩腔内。因为此时的容积为最大值，所以工作气体的压力和温度都处于最小值，用图2-1和图2-2中的点1表示。
在压缩过程1~2，压缩腔活塞向内止点运动，膨胀腔活塞保持不动，工作气体在压缩腔内被压缩，压力增加。因为热量Qc已经通过压缩腔汽缸壁排放到环境中，故工作气体的温度保持不变。此过程中，工作物质等温冷却收缩，热量在Tmin温度下从工作气体传递给外部低温热源。
在回热过程2~3中，两个活塞同时运动，压缩活塞继续向回热器运动，而膨胀活塞远离回热器，因此两活塞间的容积保持不变。工作气体通过回热器从压缩腔转移到膨胀腔。当工作气体通过回热器时，被回热器中的热量加热，温度从Tmin上升到Tmax后流入膨胀腔。由于工作气体通过回热器时，是在等容条件下被逐渐提高温度的，结果使压力增加。此过程中，工作物质等容吸热升温，热量从回热器传递给工作气体。
【摘要】
在当前能源紧张的情况下，利用太阳能发电技术成了政府和企业非常关注的重要课题，本文论述了太阳能斯特林热机的发展，针对实际应用中的难点问题进行了讨论，为太阳能斯特林热机的发展提供参考。
能源问题成了一个世界性关注的焦点，在石油和煤炭资源逐渐减少的今天，对于可再生能源的利用获得了很多政府的资助和支持。我国863和973国家项目都提高了对太阳能等可再生能源利用项目的资助。太阳能作为地球最大的可再生能源，在近年来获得了更多的利用和发展，中国也成为了太阳能热水器生产的最大输出国，太阳能光伏电池也得到了迅速的发展，但是利用太阳能效率最高的斯特林发动机在中国的发展却非常不够。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】斯特林热机,太阳能,机构
引言 1
一、斯特林热机工作状态 2
二、斯特林热机原理分析 4
（一）原理分析 4
（二）热力学循环过程 6
三、斯特林热机建模 7
四、斯特林热机运动仿真 8
（一）数据准备阶段 8
（二）进入运动仿真模块 8
（三）设置连杆机构 8
（四）：设置运动副 10
（五）建立解决方案 11
（六）对已经设置好的仿真求解 12
（七）享受设置取得的成果 12
总结 13
参考文献 14
引言
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。
由于采用了两个等温过程与两个等容过程，斯特林热机的效率接近于卡诺循环，比汽油发动机或柴油发动机等内燃机更高。此外，由于斯特林发动机中使用的是封闭气体和外部热源，没有排放高压气体的排气阀，因此发动机的噪音很低。鉴于此，目前已设计制造的斯特林热机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用，如美国STM公司的民用25KW外燃机、日本亲潮级潜艇上使用的斯特林发动机。在凡尔纳的科幻小说《海底两万里》中，那艘著名的潜艇诺第留斯号的动力就是斯特林发动机，他的热源是采用钠与水反应生热，说明凡尔纳多么具有科学远见。上海711研究所已开发出110kW级斯特林热机（使用常规燃料），北京农业大学也已开发出5kW级燃玉米芯的斯特林热机如图1。
那么，为什么市场上没有广泛应用斯特林发动机呢？这是因为斯特林热机仍然存在很大的缺陷。其主要缺点是工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命有待提高，发动机不能快速改变其动力输出，制造成本较高，机器较为笨重等。这些缺点表明，斯特林热机无法取代汽车中的内燃机。 但是，斯特林发动机为混合动力汽车
图1 斯特林热机
一、斯特林热机工作状态
图1-1 斯特林热机工作状态1
汽缸底部被加热，里面的空气膨胀，从而推动注射器的针筒向外运动，连杆的运动方向如图中箭头所示。此过程A点水平方向运动幅度比竖直方向大。
图1-2 斯特林热机工作状态2
由于惯性，飞轮继续转动。此过程A点竖直方向运动幅度比水平方向大。
图1-3 斯特林热机工作状态3
当飞轮转到如图位置时，由于移气活塞被放到了汽缸底部，原来在汽缸下半体积的空气被排到上半部分。而上半部分的汽缸是冷的，里面的空气体积收缩，于是注射器的针筒被吸回来，连杆运动方向如图中箭头所示。
此过程A点水平方向运动幅度比竖直方向大。
图1-4 斯特林热机工作状态4
原理图：状态4由于惯性，飞轮继续转动，当移气活塞再次被提起时，汽缸上部分的冷空气被排到下部分，回到上述状态1，这样就完成一个循环。 此过程A点竖直方向运动幅度比水平方向大。
二、斯特林热机原理分析
（一）原理分析
斯特林热机（Stirling Engine），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。
斯特林热机在十九世纪初被发明，目前已经发展为上百种不同的机械结构。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3-1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4-1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（Stirling Engine），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。如果用于制冷，则图4-1中的四个热力学循环将沿逆时针方向进行。
图2-1 斯特林热机的四个循环过程
下面结合循环图，如图2-1所示和活塞运动图，如图2-2所示，来详细分析一下斯特林热机的四个循环过程。
一个装有两个对置活塞的气缸，在两个活塞之间设置一个回热器。可以把回热器设想成一块交替放热和吸热的热力海绵。回热器和活塞之间形成了两个空间。一个称为膨胀腔，使它保持高温Tmax；另一个称为压缩腔，使它保持低温Tmin。因此，在回热器两端有一个温度梯度Tmax-Tmin。假设回热器在纵向没有热传导，与卡诺循环情况一样，假设活塞在运动中无摩擦，工作气体在气缸中无泄露损失。
循环开始时，设压缩腔活塞处于外止点，膨胀腔活塞处于内止点并紧靠回热器端面。这样，全部工作气体都处于冷的压缩腔内。因为此时的容积为最大值，所以工作气体的压力和温度都处于最小值，用图2-1和图2-2中的点1表示。
在压缩过程1~2，压缩腔活塞向内止点运动，膨胀腔活塞保持不动，工作气体在压缩腔内被压缩，压力增加。因为热量Qc已经通过压缩腔汽缸壁排放到环境中，故工作气体的温度保持不变。此过程中，工作物质等温冷却收缩，热量在Tmin温度下从工作气体传递给外部低温热源。
在回热过程2~3中，两个活塞同时运动，压缩活塞继续向回热器运动，而膨胀活塞远离回热器，因此两活塞间的容积保持不变。工作气体通过回热器从压缩腔转移到膨胀腔。当工作气体通过回热器时，被回热器中的热量加热，温度从Tmin上升到Tmax后流入膨胀腔。由于工作气体通过回热器时，是在等容条件下被逐渐提高温度的，结果使压力增加。此过程中，工作物质等容吸热升温，热量从回热器传递给工作气体。
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