低温差斯特林发动机的研究与制造
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摘要：介以斯特林热力循环为理论基础，设计并制造一种外燃式低温差条件下工作的斯特林发动机。通过机加工工艺及3D打印技术的途径，设计并制造相关零部件，最终制造出以清洁能源为动力的斯特林发动机，并将其应用到实际的生活和生产中以实现清洁能源的收集和废热的再利用。
关键词：清洁能源 斯特林循环 斯特林发动机 低温差
21世纪我们面临着资源困乏，环境污染严重的社会现状。随着全球能源危机的发展与环境的恶化，人们清楚地认识到开发利用新能源的重要性。该文介绍了一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机，其优点有噪音低、效率高、污染小、维修方便和燃料来源广等。该发动机可以作为一种高效的、清洁的动力机应用在多个领域中，并且在环境保护、节能减排方面有着重要的意义。斯特林发动机的燃料来源广、对燃料的适应性强，不仅可以使用天然气、石油、煤等作为能源，还可以使用化学能、原子能、太阳能以及燃烧秸秆、木材等农林废弃物时产生的热能。另外，斯特林发动机具有很高的热效率，理论上来说，斯特林循环效率和同等状态下的卡诺效率相等。
该课题就是计并制造一种外燃式低温差条件下工作的斯特林发动机，利用太阳能或者其他废热来驱动斯特林发动机，再给其配上发电装置实现电力的输出，目前制造出来的原型机功率最大可以达到2W，可以实现为手机等移动设备充电。
1、设计及原理
1.1 斯特林循环
斯特林发动机包括冷腔(压缩腔)、冷却器、热腔(膨胀腔)、回热器、加热器5部分。冷腔和冷却器是循环的低温部分，一般称为冷区。热腔和加热器是循环的高温部分，称为热区。斯特林循环的工作流程为：首先把工质密封在闭合回路中，随后通过活塞运动使回路进行流动。理想的循环是回热器中的等容冷却过程、膨胀腔中的等温膨胀过程、回热器中的等容加热过程、压缩腔中的等温压缩过程。(见图1、图2)
由此可见，热气机的理想循环是由两个定温过程和两个定容过程组成。斯特林循环也是概括性卡诺循环的一种，其热效率
1.2 动力输出装置
此部分是用来收集斯特林发动机所输出的.动力，在本项目中采用发电装置来收集动力。在斯特林发动机后面安装一个发电机，用斯特林发动机带动发电机发电。发电机发出的电可通过万用表测量或者通过灯泡来显示，也可以收集储藏起来。
2、仪器设计与实现
本课题设计一种γ型的单杠斯特林发动机。利用caxa画出设计图，设计和制作的各部分零件图纸。(见图3、图4、图5)
3、制作过程中遇到的问题与解决办法
设计过程中一些零件的精度不明确，通过与加工厂的技术部门商量和讨论最终解决了各部件的精度问题，重点解决了活塞腔的问题。
原型机启动时间比较长，在车去热源的时候很快就停下来，经过分析和查找资料确定是热腔和冷腔活塞之间的换气通道太小，换气流量达不到要求，经过改善后，启动时间由原来的5 min缩短为3 min，撤去热源后机器可以持续的运转直至停止。
实验热源不好模拟，经过实际调研发电厂废热温度自制一个小型锅炉达到实验的目的，温度差大概300℃。
4、斯特林发动机的特点及应用
斯特林发动机是一种外燃机，与传统的内燃机进行比较，有以下几个优点。
(1)燃料来源广。该发动机可以适应多种燃料，在实验中项目组采用了天然气，乙炔，石油，酒精四中燃料进行实验，其中乙炔效果最好，石油次之，但是四中燃料皆可以使机器实现连续工作。
(2)与内燃机相比，具有较高的热效率。理想的斯特林循环包括由2个等容过程、2个等温过程，理论上来说，循环效率和同等状态下的卡诺效率一样。由实验知，该发动机的有效效率为30%，最高可以达到36%。
(3)排气污染小。实验时都是在外界大气中直接燃烧，空气流量足够，燃烧充分，排放的CO、HC等有害气体几乎很少，远远少于内燃机排放的有害气体。
(4)运转稳、噪音小。斯特林发动机不含有气阀机构，工质在汽缸内的压力变化与正弦类似，而且没有排气波和爆震波，因而该发动机运转稳，噪音小。在实验中裸机工作时在其周围1 m处的噪音低于50 dB。
(5)结构简单，维修方便。斯特林发动机的结构简单，实验制作的斯特林发动机主要由三大部件：密封的汽缸，高温端活塞和冷端活塞，且气密性良好，运行过程中不易出现气密性故障，在目前进行的几十次实验过程中机器性能良好，至今未出现不良故障和现象。
5、仪器的发展展望
近年来，世界上的很多领域都在开展斯特林发动机的研究，特别是能源危机的出现，让越来越多的国家开始重视斯特林发动机，从而推动了斯特林发动机的发展。
根据上文所述的斯特林发动机的优势，同时结合新技术、新材料的出现，斯特林发动机一定会取代内燃机而成为21世纪新的动力来源。虽然我国对于斯特林发动机的研究较晚，但是我国的研制水平和研制力发展很快，以及引起了国际上的关注。
权威人士认为我国将在斯特林发动机的研究中起着重要的作用。如果在太阳能热发电中应用斯特林发动机，可以促进把太阳能发展成为可持续发展的绿色能源的利用。由于斯特林发动机的应用广泛，因此可以大幅度的提高我国能源利用的效率，在保护环境、节能减排方面有着重要的意义，从而为我国更快、更好的发展经济提供动力。
参考文献：
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