[科普中国]-斯特林循环

原理

热气机(即斯特林发动机)的理想热力循环，由等温吸热、等容放热、等温放热和等容吸热四个可逆过程组成：

(1)低压低温工质在向外冷源放热的同时接受活塞定温压缩的过程；

(2)低温工质在定容条件下 接受回热器对其进行定容加热的过程，压力和温度均相应升高；

(3) 高压高温工质在向外热源吸热的同时，推动活塞对外作功的定温膨胀过程；

(4)高温工质在定容条件下向回热器进行定容放热的过程，压力和温度均相应降低并回复到初态， 从而完成了一个闭式循环。两个等温过程是从高温热源吸热和向低温热源放热，而两个等容过程的热量则是循环内部的回热，即等容吸热过程恰好吸收等容放热过程所放出的热量。因此该循环是工作在一个高温热源和一个低温热源间的可逆循环。其p-υ图和T-s图示于附图。

热效率斯特林循环的热效率为：

式中W 为输出的净功；Q1为输入的热量。根据这个公式，ηt只取决于T1和T2，T1越高、T2越低时，则ηt越高，而且等于相同温度范围内的卡诺循环热效率。因此，斯特林发动机是一种很有前途的热力发动机。斯特林循环也可以反向操作，这时它就成为最有效的制冷机循环。

优点斯特林循环主要优点是，在极限回热的理想条件下（即定容放热过程放出的热量恰等于定容加热过程所需吸入的热量），其循环热效率可等于相同温度界限内卡诺循环的热效率。但由于某些设备 （如加热器等）的表面一直需在循环的最高温度下工作，使该循环最高温度直接受金属耐热性能的限制，以及存在摩擦等不可逆损失，故进 一步提高斯特林循环的实际热效率还有一定的困难。这种循环逆向运转时，则可成为性能系数最高的制冷循环或热泵循环。2

斯特林发动机1816年，苏格兰人R.斯特林(Robert Stirling)曾以按该循环工作的热空气往复式“外燃机”申请专利，称斯特林发动机，又称热气机。由于该机器的笨重，特别是受到发明内燃机的冲击，长期来未得到广泛应用。近年来斯特林循环重新又引起人们的重视，其原因是人们为了某种需要，希望有一种能燃用任何燃料或利用任何一种热源热量的高效热机，另一方面传热学、流体力学知识以及对除空气以外其他工质知识的增长，也提供了制造实用斯特林发动机的可能性。目前，斯特林发动机被用于包括航天技术在内的一些特殊领域。