斯特林熱機的可行性分析與展望

姜昱祥 張 營 馮允茹

（山東凱文科技職業學院，山東 濟南250200）

0 前言

斯特林發動機(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點， 可以應用在許多領域內中作為清潔高效的動力機，對節能減排、保護環境有重要意義。 斯特林發動機對燃料的適應性很強，可用能源除了煤、石油、天然氣外，還可以利用太陽能、原子能、化學能以及木材、秸稈等農林廢棄物燃燒所放出來的熱能。 斯特林發動機的熱效率很高， 理論上斯特林循環效率等于相同狀態下的卡諾效率，實驗表明斯特林發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燃燒，燃燒比較充分，與內燃機相比，排放的一氧化碳和碳氫化合物等有害氣體大大減少。斯特林發動機沒有氣閥機構，工質在汽缸內的壓力變化接近正弦波形，而且燃燒不會產生的爆震和排氣波， 因而運轉比較平穩， 噪音比較小； 例如STM 生產的50kW 的斯特林發動機在裸機工作時，1m 處的噪音低于75dB。斯特林發動機的運轉比較平穩，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)，相比之下內燃機超負荷能力只有5%～15%。另外，斯特林發動機結構簡單，比內燃機少40%的零部件，例如自由活塞式斯特林發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、高壓噴油系統和需要良好潤滑的活塞環，維修也比較方便。 本文將對斯特林發動機的發展歷史進行回顧，并對斯特林發動機的特點和分析方法進行分析，指出斯特林發動機的關鍵技術和發展前景。

1 三種基本結構形式

斯特林發動機主要由壓縮腔、加熱器、回熱器、冷卻器和膨脹腔組成，根據工作空間和回熱器的配置方式上，可以分為，和 三種基本類型，如圖所示：

圖1

α 型斯特林發動機的結構最簡單，加熱器、回熱器、冷卻器兩側配備了熱活塞和冷活塞，熱活塞負責工質的膨脹，冷活塞負責工質的壓縮，當工質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。

β 型斯特林發動機在同一個汽缸中配備了配氣活塞和動力活塞，配氣活塞負責驅動工質在加熱器、回熱器和冷卻器之間流通；動力活塞負責工質的壓縮和膨脹，當工質在冷區時壓縮工質，當工質在熱區時讓工質膨脹。

γ 型斯特林發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，配氣活塞同樣負責驅動工質流通，動力活塞單獨完成工質的壓縮和膨脹。

2 斯特林循環的分析法

斯特林發動機工作過程中的各種損失是影響斯特林發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動機，提高其在發動機領域的競爭力。 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果進行驗證，從而指導更高效的斯特林發動機的設計。

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

斯特林發動機的形式多種多樣， 但是在理論上都是按斯特林循環進行工作的。 根據馬提尼的命名規則，斯特林循環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進行分析，而是根據斯特林發動機的實驗結果引入經驗因子，歸納出斯特林發動機實際功率的經驗關系式。該方法簡單實用，一般可用于定性分析，不合適做斯特林發動機的優化設計。 Carlquist 和Beale 對零級分析法的應用與發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分析方法。該方法主要假設熱腔和冷腔工質的循環溫度恒定，通過理論分析可以推導出斯特林發動機功率和效率的解析式。 Schmidt 首先應用一級分析法，以α 型斯特林發動機為模型，根據質量、能量守恒定律和理想氣體狀態方程，對斯特林發動機進行了理論研究。 但由于一級分析法的等溫假設過于理想，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

二級分析法假設熱腔和冷腔內的工質溫度在循環的過程中這是變化的。 因此基于二級分析法所建的數學模型一般為常微分方程組，結合理想氣體狀態方程以及邊界條件可進行數值求解。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作一維流動假設，在每個節點處對工質的傳熱和氣體動力學過程用質量、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，得到了廣泛的應用和發展。

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上將維數增加到二維甚至是三維，其計算過程極其復雜，往往需求與商業化的CFD 軟件。 多維CFD 分析法已成功應用于內燃機和燃氣輪機的設計，但在斯特林發動機上的應用還是不完善，因為到目前為止，多維CFD 在兩流上的應用還很困難。 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的主要分析法。

3 斯特林發動機的優點

斯特林發動機是外燃機，與傳統的內燃機相比主要有以下幾個方面的優點：

3.1 燃料來源廣

斯特林發動機對燃料的適應性很強，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、化學能，以及木材、秸稈等農林廢棄物燃燒所放出來的能量。 此外，斯特林發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

理想斯特林循環由兩個等溫過程和兩個等容過程組成，其理論循環效率等于相同狀態下的卡諾效率。 實驗表明，斯特林發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

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

3.4 噪音低

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

3.5 運轉特性好

由于斯特林發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、運轉比較平穩。 此外，斯特林發動機的超負荷能力強，在超負荷50%的情況下仍能正常運轉，相對于內燃機5%-15%的超負荷能力具有更好的運轉特性。

3.6 結構簡單，維修方便

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

4 斯特林熱機應用展望

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

此外斯特林發動機在我國民用特別是農村的應用潛力，在低品位能源中的應用。 斯特林發動機在廢熱回收、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。

近年來斯特林發動機的研究在世界領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動機的重視程度，進一步加快斯特林發動機的發展速度。 由于斯特林熱機的得天獨厚的優勢，以及各種新材料新技術的出現，斯特林熱機必將代替內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的大力支持，使其在國家的中長期發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電等各種領域的應用。斯特林熱機的廣泛應用必將使我國能源利用率得到大幅度的提高，無論是對環境保護還是節能減排都有著非常重要的積極意義，也將為我國經濟又好又快發展提供充足動力。