续第3章：封闭系统的热力学第一定律

  B）理想的斯特林循环（发动机/制冷器）

1.斯特林循环发动机

从概念上讲，斯特林发动机是所有热力发动机中最简单的。它没有阀门，包括一个外部加热空间和一个外部冷却空间。它是由Robert Stirling发明的，Bob Sier的?一个有趣的网站包括Robert Stirling的照片，他1816年的原始专利图，以及Stirling原始引擎的动画模型。
在其原始的单缸形式中，工质（通常是空气或氦气）通过活塞密封在其气缸内，并通过移换器在热空间和冷空间之间穿梭。驱动活塞和移换器的连杆将使它们移动，使得气体在主要处于冷压缩空间时会压缩并在热膨胀空间中膨胀。这在由维基百科的?Richard Wheeler（Zephyris）制作的相邻动画中清楚地说明。

另请参阅Matt Keveney在他的Stirling引擎动画网站上制作的动画。由于气体在其膨胀期间比在其压缩期间处于更高的温度并因此处于更高的压力，因此在膨胀期间产生的功率比在压缩期间再吸收的功率更多，并且该净过剩功率是发动机的有用输出。请注意，没有阀门或间歇燃烧，避免了内燃机噪音。所以这是比较静音的发动机。潜水艇很喜欢用它。重复地使用相同的气体工质，使斯特林发动机成为密封的闭式循环系统。所有从外部添加到系统中的都是稳定的高温热量，从系统中排除的是低温（废热）热量，同时也对外做了机械功。
 
俄亥俄州雅典是斯特林循环机器研究和商业生产的基地，包括发动机和冷却器，还包括研发和制造公司以及斯特林循环计算机分析领域的国际公认顾问。最活跃的公司是Sunpower，Inc。它由William Beale于1974年成立，主要基于他发明的自由活塞式斯特林发动机，我们将在下面描述。他们开发了1kW自由活塞发动机/发电机，自1995年以来，英国天然气公司使用这项技术开发CHP（热电联产）装置--1kW发动机/发电机目前由Microgen Engine公司制造（参见他们的历史和引擎网页。

2013年，Sunpower被Pensylvania的Ametek公司收购，但继续在俄亥俄州的雅典镇进行斯特林循环机的开发。
单缸斯特林发动机的一些例子：斯特林科技公司。它是Sunpower的衍生公司，最初是为了继续开发和制造3.5千瓦ST-5空气发动机而成立的。这种大型单缸发动机燃烧生物燃料（如锯末颗粒或稻壳），可作为农村地区的热电联产装置。它不是自由活塞发动机，而是使用钟形曲柄机构来获得正确的移换器相位。

目前，Stirling Technology正在与Microgen Engine Corporation合作，一家生产MEC 1kW自由活塞发动机/发电机的国际公司。斯特林技术公司开发了一种用于发动机的多燃料燃烧器，并与Microgen合作，将各种系统推向市场。
另一个重要的早期斯特林发动机是Lehmann的机器，Gustav Schmidt在1871年首次对斯特林发动机进行了合理的分析。俄亥俄州哥伦布市的Andy Ross建造了Lehmann机器的小型复制品，以及模型空气发动机。
太阳能热电联产装置：随着当前的能源和全球变暖危机，人们对可再生能源系统，如风能和太阳能，以及分散式热电联产系统产生了新的兴趣。科罗拉多州博尔德的Cool Energy公司开发了一套完整的太阳能热电联产系统，供家庭使用，采用斯特林发动机技术发电。这一独特的应用包括真空管太阳能集热器（由rusticresource.com提供幻灯片），蓄热，热水和空间加热器，以及使用氮气的斯特林发动机/发电机。目前，他们专注于低温（150°C - 400°C）废热回收系统（参见：Cool Energy ThermoHeart 25kW发动机概述）。

理想分析：请注意以下对斯特林循环发动机的分析，它是根据假定理想的、仅作为封闭系统的第一定律分析的一个例子。在现实世界中，我们不能指望实际机器的性能优于理想机器的40-50％。实际斯特林循环机的分析非常复杂，需要复杂的计算机分析（例如参见网络学习资源：斯特林循环机分析。）

由Sunpower公司开发的自由活塞式斯特林发动机的独特之处在于活塞和移换器之间没有机械接触，因此通过使用气体压力和弹簧力可以实现正确的相位调整。通过连接到直线交流发电机活塞的永磁体产生电能。基本上理想的斯特林发动机经历了4个不同的过程，每个过程都可以单独分析，如下面的PV图所示。我们首先考虑在所有四个过程中完成的工作。

过程1-2是压缩过程，其中气体被活塞压缩，而移换器displacer位于气缸的顶部。在此过程中的气体，保持恒定的温度T冷却。压缩气体所需的功  W1-2  显示为PV曲线下面积，并如下计算。

过程2-3是工质定容迁移过程，即由于移换器displacer的运动，气体从冷空间流动到热膨胀空间。压强增大，但是正如我们将在下面看到的，流动经过再生器基质的气体吸收了大量的热量QR.

过程3-4是等温膨胀过程。 W3-4  是由系统所做的功，显示为PV图曲线下方面积，而热量Q3-4是从外部热源添加到系统中的，并保持气体在一个恒定温度T。

最后，过程4-1是一个工质定容流动迁移过程，回到原来状态，完成了循环。我们再次在下面看到，热量QR被工质气体排放到再生器基质中。

在整个循环中完成的净功Wnet由下式给出：Wnet=（W3-4  +  W1-2），其中压缩功 W1-2 是负的（外界对系统所做的功）。
我们现在考虑在所有四个过程中传递的热量，这将使我们可以计算理想斯特林发动机的热效率。从上一节，为了做一个理想气体的热力学第一定律分析，以确定热传递，我们需要开发方程来确定内能变化量Δu这一项，召回理想气体的比热
通过将活塞保持在固定位置，并借助于移换器在热空间和冷空间之间穿梭，形成两个恒定容积过程。在过程4-1期间，热气体通过再生器基质释放其热量QR，该再生器基质随后在过程2-3期间完全回收。

我们将在第5章中发现，这是从热机可以实现的最大理论效率，通常称为卡诺效率。有关此主题的更多信息，请参阅文章：1824年罗伯特·斯特林和萨迪卡诺之间的会议提出，见2014 ISEC。

注意，如果不存在再生器，则必须由加热器提供热量QR. 因此，效率会降低显著至ηth= W净/（Qin+ Q[R）。此外，如果是冷却器，它就要拒绝通常由再生器吸收的热量，从而冷却负荷将增加至 Qout+ QR。回想一下，Q2-3= QR=-Q4-1。

请注意，实际的斯特林循环有许多与之相关的损失，并不是真正等温过程，也不是理想的再生。此外，由于自由活塞式斯特林循环机涉及正弦运动，PV图具有椭圆形状，而不是上图中定义的锐边。然而，我们使用理想的斯特林循环来初步了解和了解循环性能。
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问题3.2 -  Sunpower EG-1000斯特林发动机/发电机

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2.斯特林循环制冷器
我们需要考虑的斯特林循环机的一个重要方面是循环可以逆转 - 如果我们将净功放入循环中，那么它可以用来将热量从低温源抽到高温水槽。Sunpower，Inc。一直积极参与斯特林循环制冷系统的开发，并生产用于液化氧气的斯特林循环催化冷却器。1984年，Sunpower开发出一种自由活塞双工斯特林斯机?，只有三个活动部件，包括一个活塞和两个置换器，其中燃气斯特林循环发动机为斯特林循环制冷器提供动力。Global Cooling，Inc成立于1995年，作为Sunpower的衍生产品，主要是为了开发用于家用冰箱应用的自由活塞式斯特林循环冷却器。这些系统除了比普通蒸汽压缩式冰箱明显更有效之外，还具有使用氦气作为工作流体的紧凑型便携式装置的附加优势（而不是像R134a这样的HFC制冷剂，全球变暖潜能值为1300） 。最近，Global Cooling决定将其开发工作集中在几乎没有竞争系统的系统上 - 冷却温度在-40°C到-80°C之间，他们建立了一个新的公司名称：Stirling Ultracold。

我们很幸运能从Global Cooling获得两台原装M100B制冷器。一个用作演示单元，并在下面的照片中显示。第二个单元设置为ME?高级实验室项目?，我们在该项目中评估机器在各种指定负载和温度下的实际性能。

下面是一个示意图，后面是冷却器的动画原理图（均由Global Cooling提供）

从概念上讲，冷却器是一种非常简单的装置，基本上只包括两个活动部件 - 活塞和置换器。置换器在压缩空间和膨胀空间之间穿梭工作气体（氦气）。活塞和置换器之间的相位使得当大部分气体处于环境压缩空间中时，活塞压缩气体同时将热量排放到周围环境中。然后置换器将气体通过再生器置换到冷膨胀空间，然后置换器和活塞都允许气体在该空间中膨胀，同时在低温下吸收热量。
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问题3.3 -斯特林循环冷却器M100B - 理想分析
不幸的是，对实际斯特林循环机的分析非常复杂，需要复杂的计算机分析。我们考虑根据下面所示的PV图定义的该冷却器的理想模型，以确定M100B在如下所述的典型操作条件下的理想性能。（请注意，此处显示的值不是M100B的实际值，但仅由教师根据本练习的目的设计）。

过程（1） - （2）是在温度T= 30的等温压缩过程，在此期间热QC被排放到环境中。过程（2） - （3）是恒定体积工质迁移过程，在此过程中热量QR被排放到再生器基质中。方法（3） - （4）是在温度T下的等温膨胀过程T=-20，在此期间，热Q是从冷冻机吸收的，最后，过程（4） - （1）是定容气体迁移过程其中热QR.被再生器基质吸收。因此，理想的斯特林循环由四个不同的过程组成，每个过程可以单独分析。状态（1）定义为最大体积为35cm立方，压力为1.9MPa，状态（2）定义为最小体积为30cm立方。压缩和膨胀过程中传递的能量在PV图上显示如下：

由于工作流体是氦气，这是一种理想的气体，我们始终使用理想的气体状态方程。因此PV = m RT，其中R = 2.077kJ / kg K，Δu=CvΔT，其中Cv = 3.116kJ / kg K.（参见：理想气体性质）