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斯特林系列讲座之2:斯特林发动机详解

2014-8-18 11:19| 发布者: admin| 查看: 9187| 评论: 0|原作者: 皮蛋豆腐

摘要: 这个帖子文字部分完全是我组织的,只是借用了几张图。可能是因为语言不同导致的思维方式不同,直接翻译过来的外文教程太难懂了,还不如我自己写……本教程由“我爱制作网www.52zhizuo.com”原创,欢迎转载,但请注明 ...
      这个帖子文字部分完全是我组织的,只是借用了几张图。可能是因为语言不同导致的思维方式不同,直接翻译过来的外文教程太难懂了,还不如我自己写……本教程由“我爱制作网www.52zhizuo.com”原创,欢迎转载,但请注明出处。教程编写不易,请大家支持。

      斯特林发动机的工作气体密封在机器内部,不与外界相通。它有一个加热端,一个制冷端,正是这种温度差提供了让它工作的能量。它一般具有2个活塞,这2个活塞运动的时候有90度的相位角度差。
      斯特林发动机能大致分成置换式双活塞式两种类型。置换式有1个做功活塞和1个气体置换活塞,双活塞式有2个做功活塞。
      下面我们来详细分析这两种机器的工作过程。

一、置换式斯特林发动机:
      置换术斯特林发动机如图所示:
1.GIF
      气缸上方始终被冷却,下方始终被加热,中间是气体置换活塞,气缸右上是做功活塞,它们之间由曲轴连杆机构相连,运动时间上存在90度角度的相位差。

      置换式斯特林发动机的工作过程:
      气体被加热体积就会膨胀,被冷却体积就会收缩,斯特林发动机就是不断把气体转移到热端让它膨胀,然后又转移到冷端让它收缩。气体在膨胀和收缩的时候都会做功,所以这种机器的效率很高。
      工作过程如下图,按飞轮每转过90度角,分成4个状态:
2.GIF
1、从状态1到状态2
      状态1:气体置换活塞在行程中间位置,做功活塞在最下端。此时气体一半在热端,一半在冷端。加热和制冷的效果互相抵消,气体的体积不变。
      从状态1到状态2:置换活塞上升到最高位置,做功活塞上升到中间,气体全部进入热端,温度上升,体积膨胀,做功活塞对外做功,机器对外输出动能,一部分动能用来提升置换活塞,一部分转化为飞轮的动能。
2、从状态2到状态3
      状态2:置换活塞在最高点,做功活塞在中间,气体全部在热端。
      从状态2到状态3:置换活塞下降到中间,气体向冷端转移,但总体上气体温度升高,体积膨胀,做功活塞上升到最高,对外做功。
3、从状态3到状态4
      状态3:置换活塞在中间,做功活塞在最高点,加热端和制冷端气体体积相等,加热和制冷效果互相抵消,总体积不变。
      从状态3到状态4:置换活塞下降到最低,气体转移到冷端,温度降低,体积收缩,做功活塞向下运动到中间位置,对外做功。
4、从状态4到状态1
      状态4:置换活塞在最低,做功活塞在中间,气体全在冷端。
      从状态4到状态1:气体从冷端向热端转移,但总体上气体温度降低,体积收缩,做功活塞从中间下降到最下端,对外做功。

二、双活塞式斯特林发动机:
        双活塞式斯特林如图所示。
3.GIF
      图左边大的是加热端,里面的活塞称为热活塞;右边小的是制冷端,里面是冷活塞。加热端和制冷端的气缸之间通过管道连接,气体在二者之间左右移动。两个活塞都是做功活塞,通过曲轴连杆相连,时间上有90度相位差。

      双活塞式斯特林发动机的工作过程:       
      工作过程如下图,按飞轮每转过90度角,分成4个状态:
4.GIF
1、从状态1到状态2
      状态1:热活塞上升到最上端,冷活塞在行程中间,工作气体完全在冷端的气缸里。
      状态1到飞轮转过45度角:气体受冷收缩,冷活塞在大气压力下向上运动,对外做功,热活塞向下运动,对外做负功,因此机器总体对外不做功,靠飞轮储存的动能运转。
      飞轮转过45度角:随着冷活塞继续向上,热活塞在曲轴的作用下向下运动,部分空气从冷端进入热端的气缸,开始被加热。当两个气缸中的空气体积相等时,空气受到加热和制冷的效果互相抵消,体积不再收缩。
      飞轮转过45度角到状态2:热活塞继续下降,热端空气多于冷端,空气开始被加热,体积膨胀。此时热活塞下降,对外做功,冷活塞上升,对外做负功,因此发动机总体对外做功为零,依靠飞轮储存的动能转动。
      飞轮转过90度,到达状态2。
2、从状态2到状态3
      状态2:冷活塞在最上,热活塞在中间,气体全在热端。
      状态2到状态3:气体受热膨胀,热活塞向下做正功,冷活塞也向下做正功,机器对外输出动能。
      过程中气体开始从热端进入冷端,但总体还是在受热膨胀。
3、从状态3到状态4
      状态3:热活塞在最下,冷活塞在中间。热端气体多于冷端,气体总体上被加热。
      从状态3到飞轮继续转过45度,气体继续受热膨胀,热活塞向上,对外做负功,冷活塞向下,做正功,机器总体上不对外做功。
      飞轮继续转过45度:冷热端气缸内空气体积相等,加热和制冷效果互相抵消,体积不再膨胀。
      飞轮继续转过45度到状态4:空气体积收缩,热活塞向上做正功,冷活塞向下做负功,机器对外不做功。
4、从状态4到状态1
      状态4:热活塞在中间,冷活塞在最下,气缸内空气体积收缩。
      从状态4到状态1:气体遇冷收缩,2活塞都向上运动,都对外做功,机器整体对外输出动能。

      总结双活塞式斯特林发动机的工作过程:
      状态1到状态2是加热过程,气缸内的气体温度上升;
      状态2到状态3是气体膨胀做功过程;
      状态3到状态4是制冷过程,气缸内气体温度下降;
      状态4到状态1是气体收缩做功过程;
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