小型簡易循環(huán)熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：由于熱氣機(jī)具有很多內(nèi)燃機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了越來越多的關(guān)注。為了研究熱氣機(jī)的性能，以斯特林循環(huán)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制作一款小型簡易循環(huán)熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)。首先通過查閱文獻(xiàn)資料，利用SolidWorks軟件完成熱氣機(jī)的設(shè)計(jì)、零件的裝配和動(dòng)態(tài)仿真；然后選擇合適材料完成熱氣機(jī)的制作，并開展實(shí)驗(yàn)測試，得到熱氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的參數(shù)；最后針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對如何提高熱氣機(jī)的熱效率和功率，提出改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：清潔能源；斯特林循環(huán)；熱氣機(jī)

中圖分類號：V236 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）24-0252-01

現(xiàn)在，隨著全球能源與環(huán)保的形勢日益嚴(yán)峻，熱氣機(jī)由于具有多種能源的廣泛適應(yīng)性和優(yōu)良的環(huán)境特性已越來越收到重視。在航空、陸地、水上及水下燈各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。本課題將制作一款外部加熱的封閉往復(fù)式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)工況工作，為日后該類型發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用及研究工作奠定基礎(chǔ)。

在美國、意大利、日本等國家都爭相進(jìn)行著熱氣機(jī)的研制工作，爭取占領(lǐng)這部分市場。但是目前熱氣機(jī)的技術(shù)還不成熟，只在軍事和小規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域中有所應(yīng)用，還不能廣泛運(yùn)用在人們的生活之中。而在內(nèi)燃機(jī)不能完全涉足的農(nóng)村能源、城鎮(zhèn)熱泵等領(lǐng)域，熱氣機(jī)有廣泛的運(yùn)用空間。我國雖然之前對熱氣機(jī)投入較少，隨著實(shí)力愈加雄厚，現(xiàn)在也在對熱氣機(jī)進(jìn)行著研究，取得了不俗的進(jìn)步。

在將來，熱氣機(jī)將憑借著自身的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的重視，尤其是在小功率發(fā)電設(shè)備中的應(yīng)用的性價(jià)比優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)，具有很高的研究價(jià)值。熱氣機(jī)的廣泛使用對環(huán)保，節(jié)能減排方面也有著重要意義。

1 工作原理

系統(tǒng)工作原理基于斯特林循環(huán)，由兩個(gè)等溫與兩個(gè)等容的可逆過程組包括：

（1）氣體等容吸熱升溫。

（2）氣體等溫吸熱膨脹。

（3）氣體等容冷卻降溫。

（4）氣體等溫冷卻收縮。

由此可見，熱氣機(jī)理論熱效率等于卡諾循環(huán)效率。但由于能量的損失，實(shí)際效率比卡諾效率低。

熱氣機(jī)特點(diǎn)：

（1）能量來源廣泛

熱氣機(jī)屬于外燃機(jī)的，因此只要能產(chǎn)生一定溫度的熱源都可使熱氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。比如說化石能源，工業(yè)余熱等。

（2）工質(zhì)封閉循環(huán)

熱氣機(jī)的工作發(fā)生在氣缸內(nèi)，因此與外界沒有工質(zhì)的交換。和汽車普遍用的內(nèi)燃機(jī)相比，沒有排放氣體污染的問題。其性能受環(huán)境氣壓影響小，能適應(yīng)在多種環(huán)境下工作，有的甚至可在真空、水下工作。

（3）理論熱效率高

理想熱氣機(jī)工作是有兩個(gè)等容與兩個(gè)等溫過程構(gòu)成，理論熱效率等于卡諾循環(huán)效率。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 氣缸結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)效果圖如圖1所示。氣缸是由空心鋁合金型材制成，經(jīng)過密封處理。氣缸下端是加熱管，加熱管下方可以用熱源如酒精燈對此進(jìn)行加熱。大氣缸上方，左邊是配氣氣缸，右邊為動(dòng)力氣缸。氣缸內(nèi)分別有配氣活塞和動(dòng)力活塞。配氣活塞與動(dòng)力活塞通過曲軸相連。

當(dāng)熱源對加熱管進(jìn)行加熱時(shí)，加熱管處受熱膨脹，配氣活塞上移。同時(shí)動(dòng)力活塞處受冷收縮，動(dòng)力活塞下移。在動(dòng)力活塞和移氣器上分別加一連桿連接到同一曲軸上，形成曲軸連桿機(jī)構(gòu)。從而使動(dòng)力活塞的上下移動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（細(xì)節(jié)來說就是空氣膨脹釋放出來的功大于壓縮空氣消耗的功。熱的空氣膨脹功比冷的空氣膨脹功大，冷的空氣比熱的空氣壓縮功小。那么如果使空氣在冷時(shí)壓縮，壓縮功就小，在熱時(shí)膨脹，膨脹功就大。得到的結(jié)果就是輸出功=（膨脹功-壓縮功）為正，也就是開始運(yùn)作。）

2.2 制作詳情

工作介質(zhì)為空氣（導(dǎo)熱系數(shù)0.024）；活塞行程25mm。

氣缸：鋁合金，16mm×16mm×50mm。

支架：鋁合金2mm×14mm×100mm。

配氣氣缸：玻璃高度22mm，內(nèi)徑9mm。

動(dòng)力氣缸：玻璃高度24mm，內(nèi)徑9mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在酒精燈加熱下，發(fā)動(dòng)機(jī)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)期的工作效果。

4 實(shí)驗(yàn)中的問題與解決改進(jìn)

（1）效率低

解決方法：可以將氣缸內(nèi)的氣體換成導(dǎo)熱系數(shù)跟高的氦氣或氫氣（空氣和氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)是0.024，氦氣是0.16，氫氣是0.17），但是由于工藝水平有限，氣體防漏的問題難以解決，導(dǎo)致氣缸內(nèi)氣體易泄露；也可以對氣缸內(nèi)氣體加壓，但高壓防漏的問題同樣難以解決。

（2）預(yù)熱時(shí)間長

解決方法：增加熱源溫度。

5 總 結(jié)

實(shí)驗(yàn)中采用的是小型熱氣機(jī)。與目前可投入使用的小功率發(fā)電設(shè)備中的熱氣機(jī)結(jié)構(gòu)雖有較大差距，但是基本原理相同。從實(shí)驗(yàn)中不難發(fā)現(xiàn)，熱氣機(jī)相比較與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)擁有燃料來源廣，熱效率高，污染小，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)，噪音小等優(yōu)點(diǎn)。

相信隨著越來越多的國家機(jī)構(gòu)開始重視熱氣機(jī)的發(fā)展，將得到更廣泛的應(yīng)用。在提高能源利用效率，保護(hù)環(huán)境，節(jié)能減排等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

資助項(xiàng)目：中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助“小型簡易循環(huán)熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制作”（IECAUC2017145）。

參考文獻(xiàn)

[1]沈維道，童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]李 明.小型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與實(shí)驗(yàn)[D] .大連：大連理工大學(xué)，2012.

收稿日期：2018-4-14

作者簡介：楊笑琦（1997-），男，漢族，浙江衢州人，學(xué)生，本科，研究方向?yàn)轱w行器動(dòng)力工程。