简易斯特林热机的建模与设计
简易斯特林热机的建模与设计[20200123185041]
日期： 2012.10.20 【摘要】
热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功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。 已设计制造的热气机有多种结构，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。
试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】斯特林热机,实体建模,工艺分析。
引言 1
一、斯特林热机的概述 2
（一） 斯特林热机的发展综述 2
（二） 斯特林热机的工作原理 3
（三） 论文的主要内容 4
二、热机材料分析 4
（一）丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物ABS 4
（二）聚苯乙烯PS 4
（三）聚乙烯PE 4
（四）聚丙烯PP 4
（五）聚氯乙烯PVC 5
三、 斯特林发动机的组成 5
四、斯特林热机热效率分析 6
五、简易斯特林热机各零件的建模与设计 7
（一）UG NX6.0的启动 7
（三）导柱的制作 9
（四）平衡导杆的制作 9
（五）偏心轮的制作 10
六、斯特林热机的装配 13
（一）装配步骤 13
（二）装配时所遇问题及解决方法 13
结论 15
参考文献 16
致谢 17
引言
斯特林热气机（即斯特林发动机）的理想热力循环，为19世纪苏格兰人R.斯特林所提出，因而得名。它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。
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热机在中国的发展却非常不够。目前我国电力供应持续紧张，无法满足人们生产和生活需要，同时，采用化石燃料供电对环境造成了严重污染，因此，新能源发电方式越来越引起社会的热切关注。
斯特林热气机是完成热功转换的高效装置，并且对热源品位要求较低，适于以热能形式利用太阳能。近年来，发达国家加快对斯特林太阳能热发电方式的研究，其研究的方向主要集中在提高系统稳定性和降低系统发电成本方面；我国曾有少数科研院所从事过船用斯特林热气机、燃烧式（以麦杆等为燃料）斯特林热气机的研发工作，但最终以电能形式利用太阳能的斯特林发电系统尚未见成功实例。
一、斯特林热机的概述
（一） 斯特林热机的发展综述
最早的斯特林热机源于1816年斯特林发明的回热式热机，专利号是408，此热机小，功率输出是100W-4kW，并且它很快就被随后的内燃机所取代。 1864年Ericsson发明了使用反射镜加热排出器气缸热端的太阳能驱动的热空气，随后几年做了一些改进。 第二代斯特林热机始于1937年，荷兰的飞利浦公司采用新材料技术把斯特林推上了一个很高的水平，在对传热和流体物理知识更好的理解下，对结构也做了重大改进，其中最重要的是菱形结构设计，提高了热机的稳定性。
随后产生了带透明石英窗口的斯特林热机、带集光收集器的斯特林机和太阳碟式热机技术，如图1.1-1、1.1-2。在大量太阳能技术中，碟式斯特林系统被认为拥有最高的太阳能到电能的转换效率。在太阳能碟式斯特林系统中一般采用高温高压氦气做工质的斯特林热机。其热电转换效率大约40％。 现代碟式斯特林系统安装费用大约为10000$/kW，随着技术的发展将来有希望降到3000$/kW，实现市场化目标。 西方各国的研究机构正在积极推进和发展高效、长寿命、高可靠性的Solar/Gas混合的蝶式斯特林太阳热发电系统，都在致力于关键技术上的突破、成本的降低及商业化和推广应用。
中国科学院电工研究所从上世纪70年代末期就开始从事太阳热发电的研究，目前该所正在进行10kW碟式斯特林系统的示范化工程。上海711研究所已开发出110kW级斯特林机（使用常规燃料），北京农业大学已开发出5kW级斯特林机（燃玉米芯）。
图1-1 太阳碟式热机
图 1-2 带集光收集式的斯特林热机
（二） 斯特林热机的工作原理
热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作，如图1.2-1。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功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。
已设计制造的热气机有多种结构，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。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。
按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。
热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。
图1-3 热机工作示意图
（三） 论文的主要内容
在本课题的研究过程中，本人主要做了下列工作：
1.通过查资料了解斯特林热机的背景和现状。
2.了解斯特林热机的结构和原理。
3.利用UG对斯特林热机进行实体建模分析。
4.对斯特林热机进行装配。
二、热机材料分析
人类自20世纪30年代发明第一种材料后，至今不到100年，但塑料的发展已经取得了飞速的进步，据不完全统计，目前正在使用的塑料制品有几十万种。下面介绍下一些常用的塑料品种及其性能。
（一）丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物ABS
ABS材料具有优越的综合性能：ABS制品强度高、刚性好，硬度、耐冲击性、制品表面光泽性好，耐磨性好。耐酸、碱、盐，耐油，耐水。具有一定的化学稳定性和良好的介电性能。不易燃。具有优良的成型加工性，尺寸稳定性好，着色性能、电镀性能好（是所有塑料中电镀性最好的）。缺点是不耐有机溶剂，耐气候性差，在紫外线下易老化。ABS的应用很广，在机械工业上用来制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、电机外壳、仪表壳、水箱外壳、蓄电池槽等；ABS还可以用来制造水表壳、纺织器材、电器零件、文教体育用品、玩具、电子琴、电话机壳体、收音机壳体、打字机键盘等。
（二）聚苯乙烯PS
PS的流动性极好，成型加工容易。易着色，装饰性能好。但它的缺点是质地硬而脆，塑件由于内应力而容易开裂。它的耐热性低，只能在不高的温度下使用，易老化。PS在工业上可做仪表外壳，灯罩，化学仪器零件，透明模型，产品包装等；在电气方面用作良好的绝缘材料，接线盒，电池盖，光源散色器，绝缘薄膜，透明容器等；在日用品方面广泛用于包装材料，各种容器，玩具及餐具、托盘等等。
日期： 2012.10.20 【摘要】
热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功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。 已设计制造的热气机有多种结构，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。
试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】斯特林热机,实体建模,工艺分析。
引言 1
一、斯特林热机的概述 2
（一） 斯特林热机的发展综述 2
（二） 斯特林热机的工作原理 3
（三） 论文的主要内容 4
二、热机材料分析 4
（一）丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物ABS 4
（二）聚苯乙烯PS 4
（三）聚乙烯PE 4
（四）聚丙烯PP 4
（五）聚氯乙烯PVC 5
三、 斯特林发动机的组成 5
四、斯特林热机热效率分析 6
五、简易斯特林热机各零件的建模与设计 7
（一）UG NX6.0的启动 7
（三）导柱的制作 9
（四）平衡导杆的制作 9
（五）偏心轮的制作 10
六、斯特林热机的装配 13
（一）装配步骤 13
（二）装配时所遇问题及解决方法 13
结论 15
参考文献 16
致谢 17
引言
斯特林热气机（即斯特林发动机）的理想热力循环，为19世纪苏格兰人R.斯特林所提出，因而得名。它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。
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热机在中国的发展却非常不够。目前我国电力供应持续紧张，无法满足人们生产和生活需要，同时，采用化石燃料供电对环境造成了严重污染，因此，新能源发电方式越来越引起社会的热切关注。
斯特林热气机是完成热功转换的高效装置，并且对热源品位要求较低，适于以热能形式利用太阳能。近年来，发达国家加快对斯特林太阳能热发电方式的研究，其研究的方向主要集中在提高系统稳定性和降低系统发电成本方面；我国曾有少数科研院所从事过船用斯特林热气机、燃烧式（以麦杆等为燃料）斯特林热气机的研发工作，但最终以电能形式利用太阳能的斯特林发电系统尚未见成功实例。
一、斯特林热机的概述
（一） 斯特林热机的发展综述
最早的斯特林热机源于1816年斯特林发明的回热式热机，专利号是408，此热机小，功率输出是100W-4kW，并且它很快就被随后的内燃机所取代。 1864年Ericsson发明了使用反射镜加热排出器气缸热端的太阳能驱动的热空气，随后几年做了一些改进。 第二代斯特林热机始于1937年，荷兰的飞利浦公司采用新材料技术把斯特林推上了一个很高的水平，在对传热和流体物理知识更好的理解下，对结构也做了重大改进，其中最重要的是菱形结构设计，提高了热机的稳定性。
随后产生了带透明石英窗口的斯特林热机、带集光收集器的斯特林机和太阳碟式热机技术，如图1.1-1、1.1-2。在大量太阳能技术中，碟式斯特林系统被认为拥有最高的太阳能到电能的转换效率。在太阳能碟式斯特林系统中一般采用高温高压氦气做工质的斯特林热机。其热电转换效率大约40％。 现代碟式斯特林系统安装费用大约为10000$/kW，随着技术的发展将来有希望降到3000$/kW，实现市场化目标。 西方各国的研究机构正在积极推进和发展高效、长寿命、高可靠性的Solar/Gas混合的蝶式斯特林太阳热发电系统，都在致力于关键技术上的突破、成本的降低及商业化和推广应用。
中国科学院电工研究所从上世纪70年代末期就开始从事太阳热发电的研究，目前该所正在进行10kW碟式斯特林系统的示范化工程。上海711研究所已开发出110kW级斯特林机（使用常规燃料），北京农业大学已开发出5kW级斯特林机（燃玉米芯）。
图1-1 太阳碟式热机
图 1-2 带集光收集式的斯特林热机
（二） 斯特林热机的工作原理
热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作，如图1.2-1。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功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。
已设计制造的热气机有多种结构，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。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。
按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。
热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。
图1-3 热机工作示意图
（三） 论文的主要内容
在本课题的研究过程中，本人主要做了下列工作：
1.通过查资料了解斯特林热机的背景和现状。
2.了解斯特林热机的结构和原理。
3.利用UG对斯特林热机进行实体建模分析。
4.对斯特林热机进行装配。
二、热机材料分析
人类自20世纪30年代发明第一种材料后，至今不到100年，但塑料的发展已经取得了飞速的进步，据不完全统计，目前正在使用的塑料制品有几十万种。下面介绍下一些常用的塑料品种及其性能。
（一）丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物ABS
ABS材料具有优越的综合性能：ABS制品强度高、刚性好，硬度、耐冲击性、制品表面光泽性好，耐磨性好。耐酸、碱、盐，耐油，耐水。具有一定的化学稳定性和良好的介电性能。不易燃。具有优良的成型加工性，尺寸稳定性好，着色性能、电镀性能好（是所有塑料中电镀性最好的）。缺点是不耐有机溶剂，耐气候性差，在紫外线下易老化。ABS的应用很广，在机械工业上用来制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、电机外壳、仪表壳、水箱外壳、蓄电池槽等；ABS还可以用来制造水表壳、纺织器材、电器零件、文教体育用品、玩具、电子琴、电话机壳体、收音机壳体、打字机键盘等。
（二）聚苯乙烯PS
PS的流动性极好，成型加工容易。易着色，装饰性能好。但它的缺点是质地硬而脆，塑件由于内应力而容易开裂。它的耐热性低，只能在不高的温度下使用，易老化。PS在工业上可做仪表外壳，灯罩，化学仪器零件，透明模型，产品包装等；在电气方面用作良好的绝缘材料，接线盒，电池盖，光源散色器，绝缘薄膜，透明容器等；在日用品方面广泛用于包装材料，各种容器，玩具及餐具、托盘等等。
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