1、 热气机(StirlingEngine)是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机，由苏格兰牧师RobertStirling在十九世纪初发明，所以又称斯特林发动机。相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，热气机又被称作外燃机。现在热气机特指按闭式回热循环工作的热机，不包括斯特林热泵或斯特林制冷机。斯特林发动机 新型外燃机使用氢气作为工质，在四个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，膨胀做功。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。外燃机依靠外部的热源对
2、其密封在机器中的工质进行加热，进行闭式循环。斯特林发动机对外燃方法无特殊要求，只要外部热源的温度高于机器中工质的温度即可，因此加热方式灵活：既可以使用传统的化学燃料，又可以使用太阳能、生物质能，地热或者利用工业余热作为热源。根据斯特林发动机的设计要求，热源可高可低，几十度的温差即可使其运转起来。斯特林发动机在运转的过程中，预充于机器内部的工质通过不断的吸热膨胀、冷却收缩的循环过程实现连续的做功。斯特林发动机与内燃机最大的区别是：它在做功时，不是通过燃料在气缸内部瞬间升到很高的温度和压力进行爆震去推动活塞，而是依靠外部的热源对其热膨胀气缸持续传热，由机器内部不断升温升压的工质去推动活塞做功，因此
3、在工作时较内燃机要平稳，而且噪音要小很多。斯特林发动机主要由压缩腔、加热器、回热器、冷却器和膨胀腔组成,根据工作空间和回热器的配置方式上,可以分为A,B和C 三种基本类型 A型斯特林发动机的结构最简单,加热器、回热器、冷却器两侧配备了热活塞和冷活塞,热活塞负责工质的膨胀,冷活塞负责工质的压缩,当工质全部进入其中一个汽缸时,一个活塞固定,另一个活塞压缩或膨胀工质。B型斯特林发动机在同一个汽缸中配备了配气活塞和动力活塞,配气活塞负责驱动工质在加热器、回热器和冷却器之间流通;动力活塞负责工质的压缩和膨胀,当工质在冷区时压缩工质,当工质在热区时让工质膨胀。C 型斯特林发动机的动力活塞和配气活塞分别处于
4、配气汽缸和动力汽缸内,配气活塞同样负责驱动工质流通,动力活塞单独完成工质的压缩和膨胀工作。理论上,C 型双作用的斯特林发动机具有最高的机械效率,并且有很好的自增压效果。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。定温压缩过程:配气活塞停留在上止点附近，动力活塞从它的下止点向上缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉，当动力活塞到达它的上止点时压缩过程结束。定容回热过程:动力
5、活塞仍停留在它的上止点附近,配气活塞下行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器时吸收热量，使温度升高。定温膨胀过程：配气活塞继续下行，工质经加热器加热，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下并对外作功。定容储热过程：动力活塞保持在下止点附近，配气活塞上行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工质的热量，工质温度下降至冷腔温度。从工程热力学的理论上，斯特林发动机利用的是斯特林循环原理。理论上，发动机中的工质遵循斯特林循环，即在一个循环过程中依次经过等温压缩，等容吸热，等温膨胀，等容放热的过程。理想状态下，其循环的效率等于同温限下的卡诺循环效率。但实际上，由于机器在不同结构
6、下的传热损失，机械损失，工质泄露等原因，斯特林发动机的实际热效率远低于卡诺循环。设计成熟的斯特林发动机的热效率一般为35%45%。长型斯特林机剖面图 粉红-高温汽缸壁 深灰-低温汽缸壁（透过黄色通道注入和排出冷却液）深绿-温度隔离壁 浅绿-配气活塞 深蓝-活塞 浅蓝-曲柄和齿轮。不在图上的：热源和冷源。斯特林发动机的用途非常广,特别适合应用在小型的低品位能源资源发电项目中。例如在太阳能热发电项目中,斯特林发动机可以把集热器中的热能直接转化成动能驱动发电机发电,在美国和澳大利等国家已经取得了实质性的突破,很多实验电站已经运行多年,大规模的商业运行电站也正在建立。2005 年8 月SCE 公司(S
7、outhern California Edison)和SES 公司(Stirling Energy Systems,Inc.)宣布签订20 年采购协议,由SES 公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500 MW太阳能热发电站,以后并逐步扩大到850 MW。2005 年10 月,SES 公司宣布与SDG&E 公司(San Diego Gas&Electric)签订了提供300 900 MW 太阳能电力合同;这大约是圣地亚哥地区现在太阳能发电能力的30 倍。1.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
8、冷却水并回收烟气,即可采暖。1 台25 kW的外燃机完全可以满足5001 500 m2建筑采暖建筑采暖2m2m2m图1 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2 所示,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。图2 冷热电联产系统简图 在农村,斯特林发动机可以燃烧各种物质,如
9、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,如图所示。图3 燃用固体燃料斯特林发动机系统简图 2.斯特林太阳能发电装置 人们一直向往能大规模地利用太阳能来发电。然而,现有的光电池和热电式太阳能发电装置都存在着效率低、成本高的弱点,难以大规模推广,而斯特林太阳能发电装置相比之下就显得很有竞争力,见图4。利用斯特林发动机外燃的特性,将多面反光镜聚焦在发动机的热腔,利用太阳的能量加温热腔发电,发电功率达到20 kW,设备可以自动跟踪太阳旋转。它还可以有另一个独具匠心的设计是在太阳落山后或阳光不足以发电时,自动闭合热腔,利用燃料燃烧发电,一机两用,节省了蓄电池投资,提高了能源供应设备的利用效率,而造价仅仅为硅晶光伏电池的1/3,投资效益极好。图4 斯特林机用太阳能发电 3.低能级的余热回收利用型 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。4.其他 斯特林发动机可用在汽车、潜水艇、宇宙飞船上,充分发挥其体积小、排热量低、噪音小等特点,应用十分广泛。
