斯特林發動機
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長型士他令機剖面圖：
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斯特林發動機（英語：Stirling Engine）[1]又名熱空氣引擎，是一種基於士他令循環的閉循環活塞式熱機。閉循環的意思是膨脹和壓縮介質一直保存在氣缸內；而開循環，如內燃機需要與大氣交換氣體。
歷史
[編輯]倫敦的牧師羅拔·士他令（Robert Stirling）於1816年發明的，所以命名為「斯特林發動機」（Stirling engine）。
工作原理
[編輯]斯特林發動機透過氣體吸收熱源的內能，熱脹冷縮做功，然後接觸冷源，氣體壓縮，使活塞復位。引擎內的工作氣體處於封閉中，因此可以用惰性氣體來作為介質。以簡單的雙缸士他令為例，斯特林發動機的工作過程可以分為如下幾個階段[2]：
- 右側氣缸與熱源接觸，缸內氣體受熱膨脹，對右側活塞做功，活塞上升，接近於等溫膨脹過程。
- 左側活塞上升，右側活塞下降，工作氣體進入左側氣缸，接近於等容放熱過程。
- 左側氣缸與冷源接觸，缸內氣體冷卻收縮，左側活塞下降，接近於等溫壓縮過程。
- 左側活塞繼續下降，工作氣體返回右側氣缸，接近於等容吸熱過程，完成一個循環。
理想情況下，等容放熱量與等容吸熱量相同，等溫膨脹吸熱量高於等溫壓縮放熱量，輸出機械能。
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共用活塞的活塞斯特林發動機 -
冷熱雙活塞分離的活塞斯特林發動機
配氣活塞式斯特林發動機的原理，配氣活塞斯特林發動機有配氣活塞和動力活塞兩個活塞。其中配氣活塞並不密封，氣體可以從其和氣缸間的縫隙中自由流動：
- 底部氣體受熱，配氣活塞向上運動。
- 配氣活塞上部氣體受到壓迫，一部分推動動力活塞運動，一部分從縫隙中進入配氣活塞底部受熱膨脹繼續推動配氣活塞。
- 動力活塞轉動，帶動飛輪，飛輪帶動配氣活塞向下運動。
- 配氣活塞壓迫氣體進入上方，氣體被冷卻收縮，配氣活塞上升，完成一個循環。
背景
[編輯]在將熱變成機械功的轉換上，士他令引擎在真實的熱機中可達最高的熱效率，至多80%，僅受工作氣體和引擎材料的不理想性質限制，例如摩擦、熱傳導性、抗張強度、緩慢、熔點等。
只要提供充足熱源，此引擎理論上可用被任何熱源推動，包括太陽能、化學能和核能。
與內燃機相比，士他令引擎往往維修需求較低，更高效、更安靜、而且更可靠。它們傾向被應用於某些特殊用途以發揚其獨特優點。特別是首要目標非減低每單位功率的投資成本（金錢/千瓦），而是減低引擎產生每單位能量的成本（金錢/度）的時候。
在額定功率下，士他令引擎的投資成本目前比內燃機引擎高，而且通常更大更重，因此這引擎科技很少單獨以此作為競爭基準。然而在一些用途上（例如需要靜音的潛艇[3]），適當的本益分析可令士他令引擎優於內燃機引擎。
近年來，鑑於能源成本普遍上漲，能源短缺和全球暖化之類的環境問題，士他令引擎的優點愈來愈顯著。也有人將斯特林發動機運用在了實驗車輛上。[4] 對士他令引擎科技提高興趣促進了士他令裝置的研發。其應用涵蓋藉由不相容於內燃機的豐富能源抽水、宇基太空航行、發電，像是太陽能、農業廢料還有家庭垃圾。
另一個士他令引擎的潛力是，若供應機械功，它可以作為一種熱泵。已有實驗利用風能驅動士他令熱泵作為家用冷暖空調。
問題在於（1）散熱器巨大，無法用於移動機器如汽車，（2）材料要求過高，沒有材料可平價用於大功率引擎。
相關條目
[編輯]資料來源
[編輯]- ^ 邓迪的史特林引擎. hotairengines.org. [2020-06-19]. （原始內容存檔於2020-06-06）.
- ^ 斯特林發動機工作原理 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2009-07-11.
- ^ 零距离细看日本最强AIP潜艇工艺. [2009-05-18]. （原始內容存檔於2010-03-04）.
- ^ 萬能科大光電系周鑑恆教授成功研發出載人的史特林引擎車. [2009-05-19]. （原始內容存檔於2009-07-11）.
延伸閱讀
[編輯]- R.C. Belaire (1977). "Device for decreasing the start-up time for stirling engines", US patent 4057962. Granted to Ford Motor Company, 15 November 1977.
- P.H. Ceperley. A pistonless Stirling engine—The traveling wave heat engine. Journal of the Acoustical Society of America. 1979, 66 (5): 1508–1513. Bibcode:1979ASAJ...66.1508C. doi:10.1121/1.383505.
- P. Fette. About the Efficiency of the Regenerator in the Stirling Engine and the Function of the Volume Ratio Vmax/Vmin. [2009-01-19]. （原始內容存檔於2001-03-08）.
- P. Fette. A Twice Double Acting α-Type Stirling Engine Able to Work with Compound Fluids Using Heat Energy of Low to Medium Temperatures. [2009-01-19]. （原始內容存檔於2001-03-08）.
- D. Haywood. An Introduction to Stirling-Cycle Analysis (PDF). [2009-01-19]. （原始內容 (PDF)存檔於2007-09-26）.
- Z. Herzog. Stirling Engines. Mont Alto: Pennsylvania State University. 2006 [2009-01-19]. （原始內容存檔於2007-04-03）.
- F. Kyei-Manu; A. Obodoako. Solar Stirling-Engine Water Pump Proposal Draft (PDF). 2005 [2009-01-19]. （原始內容 (PDF)存檔於2009-03-06）.
- Lund University, Department of Energy Science: Division of Combustion Engines. Stirling Engine Research. [2009-01-19]. （原始內容存檔於2008-04-19）.
- N.P. Nightingale. NASA Automotive Stirling Engine MOD II Design Report (PDF). NASA. 1986 [2009-01-19]. （原始內容存檔 (PDF)於2010-05-18）.
- D. Phillips. Why Aviation Needs the Stirling Engine. 1994 [2009-01-19]. （原始內容存檔於2009-01-19）.
外部連結
[編輯]
- 《中國大百科全書》第三版網絡版中的條目：斯特林發動機 （簡體中文）
- 開放目錄專案中的「斯特林發動機」
- I. Urieli (2008). Stirling Cycle Machine Analysis 2008 Winter Syllabus
- Simple Performance Prediction Method for Stirling Engine （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Explanations stirling engine and demos （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Shockwave3D models: Beta Stirling and LTD
