斯特林熱機的可行性分析與展望

姜昱祥 張 營 馮允茹

（山東凱文科技職業(yè)學(xué)院，山東 濟南250200）

0 前言

斯特林發(fā)動機(St ir ling engine)又叫熱氣機，是一種外部燃燒(加熱)的封閉式活塞發(fā)動機，具有燃料來源廣、效率高、污染小、噪音低和維修方便等優(yōu)點， 可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域內(nèi)中作為清潔高效的動力機，對節(jié)能減排、保護環(huán)境有重要意義。 斯特林發(fā)動機對燃料的適應(yīng)性很強，可用能源除了煤、石油、天然氣外，還可以利用太陽能、原子能、化學(xué)能以及木材、秸稈等農(nóng)林廢棄物燃燒所放出來的熱能。 斯特林發(fā)動機的熱效率很高， 理論上斯特林循環(huán)效率等于相同狀態(tài)下的卡諾效率，實驗表明斯特林發(fā)動機的實際有效效率可以達到32%～40%，最高甚至可達47%。 斯特林發(fā)動機運行的污染物排放少，作為外燃機燃料可以在足夠的空氣下連續(xù)燃燒，燃燒比較充分，與內(nèi)燃機相比，排放的一氧化碳和碳氫化合物等有害氣體大大減少。斯特林發(fā)動機沒有氣閥機構(gòu)，工質(zhì)在汽缸內(nèi)的壓力變化接近正弦波形，而且燃燒不會產(chǎn)生的爆震和排氣波， 因而運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)， 噪音比較??； 例如STM 生產(chǎn)的50kW 的斯特林發(fā)動機在裸機工作時，1m 處的噪音低于75dB。斯特林發(fā)動機的運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，扭矩比較均勻，超負荷能力強(可以在超負荷50%的情況下仍然能正常運轉(zhuǎn))，相比之下內(nèi)燃機超負荷能力只有5%～15%。另外，斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，比內(nèi)燃機少40%的零部件，例如自由活塞式斯特林發(fā)動機只有密封的汽缸和兩個活塞，沒有容易出故障的氣閥機構(gòu)、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤滑的活塞環(huán)，維修也比較方便。 本文將對斯特林發(fā)動機的發(fā)展歷史進行回顧，并對斯特林發(fā)動機的特點和分析方法進行分析，指出斯特林發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景。

1 三種基本結(jié)構(gòu)形式

斯特林發(fā)動機主要由壓縮腔、加熱器、回?zé)崞?、冷卻器和膨脹腔組成，根據(jù)工作空間和回?zé)崞鞯呐渲梅绞缴?，可以分為，?三種基本類型，如圖所示：

圖1

α 型斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)最簡單，加熱器、回?zé)崞?、冷卻器兩側(cè)配備了熱活塞和冷活塞，熱活塞負責(zé)工質(zhì)的膨脹，冷活塞負責(zé)工質(zhì)的壓縮，當(dāng)工質(zhì)全部進入其中一個汽缸時，一個活塞固定，另一個活塞壓縮或膨脹工質(zhì)。

β 型斯特林發(fā)動機在同一個汽缸中配備了配氣活塞和動力活塞，配氣活塞負責(zé)驅(qū)動工質(zhì)在加熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器之間流通；動力活塞負責(zé)工質(zhì)的壓縮和膨脹，當(dāng)工質(zhì)在冷區(qū)時壓縮工質(zhì)，當(dāng)工質(zhì)在熱區(qū)時讓工質(zhì)膨脹。

γ 型斯特林發(fā)動機的動力活塞和配氣活塞分別處于配氣汽缸和動力汽缸內(nèi)，配氣活塞同樣負責(zé)驅(qū)動工質(zhì)流通，動力活塞單獨完成工質(zhì)的壓縮和膨脹。

2 斯特林循環(huán)的分析法

斯特林發(fā)動機工作過程中的各種損失是影響斯特林發(fā)動機性能的主要因素。 如果對這些損失有更有深入的了解，就有可能進一步提高熱效率，從而制造出性能更好的斯特林發(fā)動機，提高其在發(fā)動機領(lǐng)域的競爭力。 但通常很難用儀器測定這些損失，因此一般采用理論分析法估算，并通過輸出功率等間接的性能實驗結(jié)果進行驗證，從而指導(dǎo)更高效的斯特林發(fā)動機的設(shè)計。

從19 世紀70 年代始至今，斯特林發(fā)動機領(lǐng)域的研究者們先后發(fā)展了各種不同級別的斯特林循環(huán)分析法，并將它們成功的應(yīng)用于斯特林發(fā)動機的設(shè)計中。本文對現(xiàn)有的斯特林循環(huán)分析法進行了綜述和比較，并對其發(fā)展前景作了展望。

斯特林發(fā)動機的形式多種多樣， 但是在理論上都是按斯特林循環(huán)進行工作的。 根據(jù)馬提尼的命名規(guī)則，斯特林循環(huán)的分析法可以分為零級分析法、一級分析法、二級分析法、三級分析法和四級分析法5 類。

2.1 零級分析法

零級分析法并沒有對斯特林循環(huán)進行分析，而是根據(jù)斯特林發(fā)動機的實驗結(jié)果引入經(jīng)驗因子，歸納出斯特林發(fā)動機實際功率的經(jīng)驗關(guān)系式。該方法簡單實用，一般可用于定性分析，不合適做斯特林發(fā)動機的優(yōu)化設(shè)計。 Carlquist 和Beale 對零級分析法的應(yīng)用與發(fā)展做出了重要功能貢獻。

2.2 一級分析法

一級分析法又稱等溫分析法， 只最基本的斯特林循環(huán)分析方法。該方法主要假設(shè)熱腔和冷腔工質(zhì)的循環(huán)溫度恒定，通過理論分析可以推導(dǎo)出斯特林發(fā)動機功率和效率的解析式。 Schmidt 首先應(yīng)用一級分析法，以α 型斯特林發(fā)動機為模型，根據(jù)質(zhì)量、能量守恒定律和理想氣體狀態(tài)方程，對斯特林發(fā)動機進行了理論研究。 但由于一級分析法的等溫假設(shè)過于理想，不符合實際情況，因而存在交大的理論誤差，一般只用于定性分析。

2.3 二級分析法

二級分析法假設(shè)熱腔和冷腔內(nèi)的工質(zhì)溫度在循環(huán)的過程中這是變化的。 因此基于二級分析法所建的數(shù)學(xué)模型一般為常微分方程組，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程以及邊界條件可進行數(shù)值求解。最常用的二級分析法是絕熱分析法。相對一級分析法而言，二級分析法更接近實際，具有更為重要的價值。

2.4 三級分析法

三級分析法又稱為節(jié)點分析法，由Finkelstein 首先完成。 Urieli、Gedeon、Martini 等對其進行了深入補充，并編成了軟件進行模擬。三級分析法是對工質(zhì)作一維流動假設(shè)，在每個節(jié)點處對工質(zhì)的傳熱和氣體動力學(xué)過程用質(zhì)量、動量和能量守恒的偏微分方程進行描述。 三級分析法解決了一級分析法和二級分析法的空間誤差問題，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

2.5 四級分析法

四級分析法又稱為多維CFD 分析法， 是在三級分析法的基礎(chǔ)上將維數(shù)增加到二維甚至是三維，其計算過程極其復(fù)雜，往往需求與商業(yè)化的CFD 軟件。 多維CFD 分析法已成功應(yīng)用于內(nèi)燃機和燃氣輪機的設(shè)計，但在斯特林發(fā)動機上的應(yīng)用還是不完善，因為到目前為止，多維CFD 在兩流上的應(yīng)用還很困難。 盡管如此，由于四級分析法的精度比較高，作為研發(fā)的重點，隨著各種輔助工具的不斷改善，四級分析法終將成為斯特林循環(huán)的主要分析法。

3 斯特林發(fā)動機的優(yōu)點

斯特林發(fā)動機是外燃機，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機相比主要有以下幾個方面的優(yōu)點：

3.1 燃料來源廣

斯特林發(fā)動機對燃料的適應(yīng)性很強，可用燃料除了煤、石油、天然氣、化石燃料外，還包括太陽能、原子能、化學(xué)能，以及木材、秸稈等農(nóng)林廢棄物燃燒所放出來的能量。 此外，斯特林發(fā)動機還可以用來回收各種分散或低品位的熱能。

3.2 熱效率高

理想斯特林循環(huán)由兩個等溫過程和兩個等容過程組成，其理論循環(huán)效率等于相同狀態(tài)下的卡諾效率。 實驗表明，斯特林發(fā)動機的實際有效效率能達到32%-40%，最高可達47%。

3.3 排氣污染小

由于斯特林發(fā)動機的燃燒過程是連續(xù)的，空氣燃燒比的變化對效率和功率的影響都很小， 所以斯特林發(fā)動機可以在足夠的控旗下運轉(zhuǎn)，燃料的燃燒值比較高，和內(nèi)燃機相比，大大降低了廢氣中CO、HC等有害氣體的含量。

3.4 噪音低

斯特林發(fā)動機沒有氣閥機構(gòu)且工質(zhì)在氣缸內(nèi)的壓力變化類似于正弦，并且沒有燃燒產(chǎn)生的爆震和排氣波，因而斯特林發(fā)動機運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，噪音比較小。 如STM 產(chǎn)生的50KW 的斯特林發(fā)動機，其裸機工作時在1m 處的噪聲低于75dB。

3.5 運轉(zhuǎn)特性好

由于斯特林發(fā)動機中最大壓力與最小壓力之比一般小于2，因此其扭矩比較均勻、運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。 此外，斯特林發(fā)動機的超負荷能力強，在超負荷50%的情況下仍能正常運轉(zhuǎn)，相對于內(nèi)燃機5%-15%的超負荷能力具有更好的運轉(zhuǎn)特性。

3.6 結(jié)構(gòu)簡單，維修方便

斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡單，比內(nèi)燃機少40%的零部件。例如，自由活塞式斯特林發(fā)動機只有三大部件：密封的汽缸和兩個活塞，沒有容易出故障的氣閥機構(gòu)、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤滑的活塞環(huán)，便于保養(yǎng)維修。

4 斯特林熱機應(yīng)用展望

斯特林發(fā)動機的用途非常廣，特別適合應(yīng)用在小型的低品位能源資源發(fā)電項目中。 例如在太陽能熱發(fā)電項目中，斯特林發(fā)動機可以把集熱器中的熱能直接轉(zhuǎn)化成動能驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，在美國和澳大利等國家已經(jīng)取得了實質(zhì)性的突破，很多實驗電站已經(jīng)運行多年，大規(guī)模的商業(yè)運行電站也正在建立。

此外斯特林發(fā)動機在我國民用特別是農(nóng)村的應(yīng)用潛力，在低品位能源中的應(yīng)用。 斯特林發(fā)動機在廢熱回收、人工心臟、空間站動力、水下動力和車用動力等方面都有重要的應(yīng)用，其理論價值和實際意義都值得我們做進一步的研究。

近年來斯特林發(fā)動機的研究在世界領(lǐng)域取得了突破性的進展，能源危機更增加了世界各個國家對斯特林發(fā)動機的重視程度，進一步加快斯特林發(fā)動機的發(fā)展速度。 由于斯特林熱機的得天獨厚的優(yōu)勢，以及各種新材料新技術(shù)的出現(xiàn)，斯特林熱機必將代替內(nèi)燃機成為以后的主要動力來源。 盡管我國對它的研究起步較晚，但是中國的研制能力和研制水平以及國家對新能源新技術(shù)的大力支持，使其在國家的中長期發(fā)展計劃計劃中占有重要的位置。今后國家將大力扶持其在廢熱利用以及太陽能發(fā)電等各種領(lǐng)域的應(yīng)用。斯特林熱機的廣泛應(yīng)用必將使我國能源利用率得到大幅度的提高，無論是對環(huán)境保護還是節(jié)能減排都有著非常重要的積極意義，也將為我國經(jīng)濟又好又快發(fā)展提供充足動力。