斯特林发动机简介和新应用
黄庆仁
（哈尔滨工业大学0802014班1080210417）
摘要：斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为
卡诺循环效率。斯特林发动机是一种外燃式发动机，它与内燃机的区别在于对封入的气体持续在外部对其进行加热和冷却，从而推动活塞做功。它具有燃料多样化，高效率，低污染，低速扭矩等特点，使得它具有广泛的应用。在本文中，将简要介绍斯特林发动机的结构，特点与在某些新领域的研究进展。
关键字：斯特林发动机；太阳能发电；分布式能源；余热回收；电力系统About Stirling engines and new applications
Huangqingren
（1080210417 Class0802104 HIT)
Abstract: T he Stirling heat engine is unique because they are almost equal to the
theoretical efficiency of the theoretical maximum efficiency, known as the Carnot cycle efficiency. Stirling engine is an external combustion engine, the difference between it and the internal combustion engine is continuously on the gas enclosed in the external heating and cooling them to push the piston acting. It has a fuel diversification,high efficiency,low pollution, low-speed torque characteristics, making it a wide range of applications. In this article, we will briefly introduce the structure of a Stirling engine, features and applications in some new areas of research progress. Keywords: Stirling engine; solar power; distributed energy; Waste heat recovery; power system
一斯特林发动机结构和特点简介
斯特林发动机是一种外燃的闭式循环往复活式热力发动机,1816年由苏格兰的R.斯特林发明。斯特林发动机气缸一端为热腔，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膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换[1]。
斯特林发动机结构见图如下：
由于其独特的结构，斯特林发动机和内燃机相比有如下特点[2]：
①采用独立的燃烧室，燃料的选择范围更广，并可使用热值较低且杂质含量较高的燃料。燃烧室可以独立设置，因此斯特林发动机可根据不同的燃料来配备不同的燃烧室或燃烧器。对于气体燃料，可以采用圆筒形燃烧室，采用两次送风，空气通过旋流器产生回流来稳定火焰和加强与燃料的混合，气体燃料采用多孔射流的方式进入燃烧室。对于不同气体燃料，喷嘴和配气系统略有不
同。对于固体燃料，常采用低NOx旋流燃烧器与低NOx流化床燃烧技术。对于生物质燃料，常采用高温空气气化技术，高温空气发生器采用分级燃烧和高温低氧燃烧技术相结合的燃烧器。还可以使用任何高温热源，而发动机本身(除加热器外)不需要进行任何改造，也无需压缩机增压。只要存在70℃以上的高温热源，设备即可运行做功。
②由于采用独立的燃烧室，能更加精确地控制空气与燃料混合物的入料量，而且燃烧过程连续，未完全燃烧的排放物将大大减少。
③斯特林发动机的支撑与密封结构常处在低温侧，比其他往复式发动机润滑剂需要量少，大修的间隔期更长。
④气缸结构相对简单，没有进、出气阀及燃油喷射器，因此零部件数量仅为内燃机的60%，成本可大幅降低，维护成本也可降低。
⑤不会像其他发动机产生震爆现象，从而使振动减小，噪声降低，因振动产生的疲劳破坏也随之减少。斯特林发动机曲轴每转的扭矩不均匀度小，扭矩输出相对稳定，而内燃机的扭矩输出变化较大。
⑥单机容量小，适合应用在分布式能源系统。目前，正在开发的机型的输出功率主要为1～55kW，输出功率小的较适合住宅使用，输出功率大的较适合小型工业或商业企业使用。在大功率需求的场所，也可以通过模块化阵列组合来实现更大的输出功率。
⑦余热易于回收，可结合热电联产联合运行。
⑧功率输出和效率不受海拔的影响，非常适合于高海拔地区使用。海拔增大时，空气密度下降，内燃机因受到容积效率的限制，输出功率也随之下降，而斯特林发动机只受到高温热源和环境温度的影响。斯特林发动机的循环效率与卡诺循环的效率是相等的。一般回热器的效率ε=0.98～0.99所以斯特林发动机有较高的热效率。斯特林发动机高的扫气容积功率是普通的活塞式内燃机所望尘莫及的。
二斯特林发动机的部分新应用研究
（1）斯特林发动机在空间太阳能发电中的应用[3]
空间太阳能热发电系统由3部分组成：发电装置、微波转换发射装置、微波接收转换装置。空间太阳能热发电装置概念模型是单聚光系统，采用自由活塞式斯特林发动机发电，运行于地球低轨道LEO上。它包括：聚光器、吸热器、发动机/发电机，和辐射换热器，系统示意图如图2所示。
图2 太阳能热发电斯特林循环系统示意图Fig.2 Schematic of solar Stirling engine
抛物面型聚光器把阳光汇聚到位于焦点处的空腔圆盘型吸热器中，腔壁对提高聚光比几乎不起任何作用，只是为防止陨石、空间粒子刺穿位于底部的热管。热管中充满高压工质气体，工质在这里吸热膨胀、再回到位于吸热器外底部的自由活塞式斯特林发动机(在空腔吸热器外底部装有100台自由活塞式斯特林发动机)的膨胀腔中，推动活塞往复作功，经直线电机转变成电能输出，微波发射器再把电能转换成微波向用户发射。在宇宙空间中热量只能以辐射方式散出，为增强散热效果，采用Na2K合金液态
金属冷却工质。Na2K合金吸收工质热量后流经扇形辐射换热器散热，工质经冷却器与Na2K合金进行热量交换，冷却后流回发动机压缩腔压缩，从而完成一个循环。发电装置有关参数列于表1
发动机密封
。
（2）用于热电联产型充分利用它环境污染小的特点，在大城
市里可以以天然气作燃料，通过斯特林发动
机内部的冷却装置，加热冷却水并回收烟
气，即可采暖。1台25kW的外燃机完全可
以满足500～1 500 m2建筑采暖，其结构如
图3
图3 城市家用热电联产型
这种使用斯特林发动机的热电联产装
置实际上相当于一台副产电力的供热锅炉，
一般情况下根据供热需求确定其运行状态，其电力系统可与电网连接，多余的电力通过配电盘向外界供电。如果配备相应的热水型吸收式制冷机，如图4所示，
图4 冷热电联产系统简图
夏季就可以利用热能制取空调所需的冷却水，从而部分地取代目前广泛使用的耗电量可观的蒸汽压缩式空调制冷装置。显然，不仅在冬季的供暖期，而且在夏天的供冷期，热电联产装置都能发挥重要的作用。
在农村，斯特林发动机可以燃烧各种物质，如木屑、米糠、棉秆、椰子皮壳和谷壳等进行工作。以空气为工质运转时，噪音低、振动小无污染。不用润滑，既可取暖，又可发电，非熟练工人也能操作，如图5所示。
图5 燃用固体燃料斯特林发动机系统简图
（3）低能级的余热回收的斯特林发动机应用
斯特林发动机的另一优势是余热回收，利用热腔温度达到700℃即可发电的特性，不需要任何介质或热能转换装置，直接将热腔伸入热源之中，将余热转换成高价值的电能。例如：炼油厂、化工厂、焦化厂、冶炼厂等，均可使用。每个外燃机可以回收25 kW电能和44 kW热能。