第一章 熱氣機

1、第一章第一章 熱氣機熱氣機 主講人：郭鵬江主講人：郭鵬江 山東理工大學山東理工大學 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.1 概述概述 1.2 熱氣機的工作原理熱氣機的工作原理 1.3 熱氣機的構(gòu)造熱氣機的構(gòu)造 1.4 熱氣機的循環(huán)分析及特性熱氣機的循環(huán)分析及特性 1.5 熱氣機基本參數(shù)的選擇及計算熱氣機基本參數(shù)的選擇及計算 第第1節(jié)節(jié) 熱氣機概述熱氣機概述 n定義：定義：熱氣機是一種外部 加熱閉式循環(huán)活塞式發(fā)動 機。 n發(fā)明人發(fā)明人：1815年，英國 蘇格蘭牧師羅伯特斯特 林(Robert Stirling)發(fā)明了 這種發(fā)動機，因此，熱氣 機又常稱為斯特林發(fā)動機 (stirling Engine)。 n原理

2、：原理：當時是利用燃燒爐 對閉式回路中的空氣進行 加熱，由熾熱空氣推動活 塞作功，實則為熱空氣機。 n缺點：缺點：1.采用的工質(zhì)是空氣，其導熱系數(shù)低。 2.當時的材料及制造水平，加熱器、回 熱器的換熱效果很差。 3.發(fā)動機熱效率低，機器功率小而體積、 重量很大，以致逐漸被后起的內(nèi)燃機所取代而沒 有得到進一步發(fā)展。 n 改進：改進：采用導熱率比空氣高幾倍的氫或氦作為工 質(zhì)，設(shè)計制造了具有現(xiàn)代技術(shù)水平的高效率熱交 換器，研制成新型的密封裝置等，使熱氣機的熱 效率和功率得到大幅度的提高。現(xiàn)代熱氣機所達 到的熱效率、比重量等性能指標，已可以和高效 的內(nèi)燃機媲美。 n優(yōu)點優(yōu)點 可以燃用多種照料，還可利用

3、太陽能、核能 等作為熱源。此外，它的排污少、噪聲低、振動 小、環(huán)境特性好。這些優(yōu)點適應了當前世界范圍 內(nèi)石油資源日趨緊張，對環(huán)境保護日益嚴格的要 求。 n應用應用 由于熱氣機的特點，使它的適用范圍很廣， 上至太空、下至地面和水下；大至艦船動力，小 至人造心臟。目前已設(shè)計、試制出各種用途多種 型號的熱氣機，有些已通過耐久試驗，正向商品 化過渡，有些安裝在汽車、船舶、熱泵系統(tǒng)、農(nóng) 村碾米廠、衛(wèi)星及沿海的浮標，進行實際使用考 驗。 返回上級主要內(nèi)容返回上級主要內(nèi)容 第第2節(jié)節(jié) 熱氣機的工作原理熱氣機的工作原理 工作過程描述：工作過程描述： 熱氣機的工質(zhì)被密封在閉式循環(huán)回路中。 熱氣機有一個加熱器、一

4、個冷卻器、一個回熱器。 通過加熱器對工質(zhì)進行加熱，使工質(zhì)在高溫下膨脹 作功，在較低溫度下壓縮。 膨脹結(jié)束后的工質(zhì)不排至外界而被循環(huán)使用，由活 塞的運動來控制工質(zhì)在回路中的流動。 由密封在回路中的熾熱氣體周期性地膨脹和壓縮實 現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為機械功。 熱氣機的理想循環(huán)是斯特林循環(huán)。 1.2.1斯特林循環(huán)斯特林循環(huán) 1 1、定義：、定義：熱氣機的理想循環(huán)，高度理想化，熱氣機的理想循環(huán)，高度理想化， 可逆。兩個定溫過程和兩個定容回熱過程?？赡?。兩個定溫過程和兩個定容回熱過程。 v 過程過程l-2l-2為定溫為定溫 壓縮過程壓縮過程; ; v 過程過程2-32-3為定容為定容 吸熱過程吸熱過程; v 過

5、程過程3-43-4為定溫為定溫 膨脹過程膨脹過程; v 過程過程4-l4-l為定容為定容 放熱過程。放熱過程。 熱交換是在定容過程中完成的，又稱為熱交換是在定容過程中完成的，又稱為定容回熱循環(huán)。定容回熱循環(huán)。 2 2、斯特林循環(huán)與卡諾循環(huán)、斯特林循環(huán)與卡諾循環(huán) n卡諾循環(huán)：兩個定溫過程和兩 個絕熱過程所組成的可逆循環(huán)。 n熱效率：C=1-（TC/TE） n僅與熱源和冷源的溫度有關(guān)， 與工質(zhì)的性質(zhì)和熱機的類型等 無關(guān)。 n卡諾循環(huán)是最有利的一種熱力 循環(huán)，具有最高的熱效率具有最高的熱效率。在 冷源與熱源的溫度比值相同的 情況下，任何一種熱機的循環(huán) 熱效率都不可能高于卡諾效率。 （1 1）熱效率比

6、較）熱效率比較 l 共同特點：共同特點：兩者的壓縮過程 和膨脹過程都是在定溫的條件 下完成的。 l 不同的過程：不同的過程：斯特林循環(huán)在 極限回熱的情況下，其定容放定容放 熱過程所釋放的熱量與定容吸熱過程所釋放的熱量與定容吸 熱過程所吸收的熱量相等熱過程所吸收的熱量相等，于 是其效果和卡諾循環(huán)的兩個絕 熱過程相當。 l 在相同的循環(huán)溫度比條件下， 斯特林循環(huán)熱效率與卡諾循環(huán)斯特林循環(huán)熱效率與卡諾循環(huán) 熱效率相同熱效率相同。 （2 2）做功能力的比較）做功能力的比較 n 在pV圖中，由循環(huán)過程所組成 的面積表示循環(huán)功的大小。 n 在給定的壓力、溫度和容積界限 下，斯特林循環(huán)的循環(huán)功比卡諾斯特林循

7、環(huán)的循環(huán)功比卡諾 循環(huán)功要大。循環(huán)功要大。 n pV圖中的陰影面積代表斯特林 循環(huán)比卡諾循環(huán)增加的功; n TS圖中的陰影面則代表斯特林 循環(huán)比卡諾循環(huán)需要增加的熱量。 n 輸入熱量增加了，但輸出功也相 應增加。其輸入熱量轉(zhuǎn)換為功的 比例(即熱效率)仍與卡諾熱效率相 同。 （3 3）動力性比較）動力性比較 n循環(huán)平均壓力：循環(huán)平均壓力：表示單位氣缸工作容積所做的 循環(huán)功： Pt=W/V0 nPt越高，說明做功能力越大。 n在循環(huán)壓力和溫度相同的情況下，斯特林循環(huán) 的 Pt 最高，單位氣缸容積所做的功最大。 n活塞式發(fā)動機的升功率指標反映了發(fā)動機的強 化程度及設(shè)計水平，它與 Pt 有著正比的關(guān)系

8、。 熱氣機中每升氣缸工作容積能產(chǎn)生150kW的功 率，而目前內(nèi)燃機是難以達到的。 3、斯特林循環(huán)的應用、斯特林循環(huán)的應用 斯特林循環(huán)可用于多種熱 機。 （1）原動機）原動機 定義：定義：把高溫熱源供給的 熱轉(zhuǎn)換成功并在低溫下排 熱的機械。 工作過程：工作過程：在某一高溫熱 源的 TE 下對循環(huán)供熱， 其中部分熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ?其余部分在低溫的TC下以 熱的形式被排掉，這就是 對原動機工作循環(huán)的描述。 W H H H T Q S C C C T Q S H Q C Q heat work heat hot reservoir, TH cold reservoir, TC （2）制冷機）制冷機 n用

9、于制冷機時，外部熱源在膨脹過程中的溫度低于壓縮過程中膨脹過程中的溫度低于壓縮過程中 工質(zhì)的釋熱溫度工質(zhì)的釋熱溫度。 n膨脹過程34把熱量從冷區(qū)抽走。 n壓縮功對原動機和制冷機都是相同的。壓縮功對原動機和制冷機都是相同的。 n制冷機的膨脹功低于其壓縮功制冷機的膨脹功低于其壓縮功，該功需要由外界提供以驅(qū)動循 環(huán)的進行。 n工質(zhì)在過程23從壓縮腔轉(zhuǎn)移到膨脹腔時，其溫度降低，而在 反向的回熱過程4l時，工質(zhì)溫度相應地增加。 相同處：相同處：都是在Tc溫度下壓縮，壓縮功相同。 不同處：不同處：原動機是在高溫下由外界供熱，在高溫的TE 下膨脹以產(chǎn)生有用功。制冷機則是在低溫的Tr下膨 脹從外界吸入熱量以制冷

10、，但需向制冷機輸入凈功 用于壓縮工質(zhì)。 斯特林用于原動機和制冷機的異同：斯特林用于原動機和制冷機的異同： （3）熱泵）熱泵 n熱泵實質(zhì)上是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是 從周圍環(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的 對象（溫度較高的物體），其工作原理與制冷機 相同，所不同的只是工作溫度范圍不一樣。 n斯特林循環(huán)用于熱泵，其工作過程與制冷機完全工作過程與制冷機完全 相同相同，它的膨脹腔溫度Tr也低于壓縮腔溫度Tc； n與制冷機的不同之處：與制冷機的不同之處：熱泵的Tc與Tr都比制冷機 的溫度提高了。在原動機和制冷機中的Tc，一般 都是環(huán)境大氣溫度Ta，因此可以用水冷卻，而熱 泵的Tc是系統(tǒng)的放熱溫

11、度，此時排出的熱量是作 為有用的產(chǎn)物來為建筑物如辦公樓、賓館、宿舍 供暖。 在咖啡杯上轉(zhuǎn)動的斯特林發(fā)動機在咖啡杯上轉(zhuǎn)動的斯特林發(fā)動機 1.2.2熱氣機的結(jié)構(gòu)類型熱氣機的結(jié)構(gòu)類型 1、熱氣機的主要結(jié)構(gòu)特點、熱氣機的主要結(jié)構(gòu)特點 （1）熱氣機的主要組成）熱氣機的主要組成 n 結(jié)構(gòu)特點是具有兩個溫度不同而容積作周期性變化的腔室， 并用換熱器把這兩個腔室聯(lián)結(jié)起來為了實現(xiàn)斯持林循環(huán)，要有 兩個運動的活塞使工作腔容積發(fā)生變化： u實現(xiàn)定溫壓縮：需要有一個壓縮腔，并配置能將壓縮 熱導出的換熱器工質(zhì)冷卻器。 u實現(xiàn)定溫膨脹：要具備一個膨脹腔，并應設(shè)置使工質(zhì) 能作定溫膨脹的供熱設(shè)施工質(zhì)加熱器。 u實現(xiàn)回熱循環(huán)：

12、應有一個交替地吸熱和放熱的裝置 回熱器。 n 熱氣機均存在由冷腔、冷卻器、回熱器、加熱器、熱腔所組 成的閉式循環(huán)系統(tǒng)。 （2）活塞相位要求活塞相位要求 n為了使工質(zhì)在閉式循環(huán)回路中的流動能滿足熱力循環(huán) 過程的要求，兩個活塞的運動必需保持某一相位差， 否則是不能工作的。 n活塞領(lǐng)先角：熱活塞運動領(lǐng)先于冷活塞運動的曲軸轉(zhuǎn) 角。領(lǐng)先角是對熱氣機性能頗有影響的設(shè)計參數(shù)。 n容積相位角：熱腔容積變化領(lǐng)先于冷腔容積變化的角 度(即熱腔最小容積時到冷腔最小容積時兩者之間曲軸 轉(zhuǎn)角)。 2 2、熱氣機分類、熱氣機分類 （1）單作用式熱氣機）單作用式熱氣機 n結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：熱氣機有兩個活塞分別 置于兩個氣

13、缸中，靠近冷卻器一側(cè) 的缸叫壓縮氣缸(也叫冷缸)，活塞叫 壓縮活塞。靠近加熱器一側(cè)的缸叫 膨脹氣缸(也叫熱缸)，活塞叫膨脹活 塞。 l 工作過程：工作過程：單作用式是相對于雙作用式而言的，是指兩活塞 都只有一方為工作腔(圖中為上方)，構(gòu)成閉式循環(huán)回路中的冷 腔或熱腔，兩腔之間連通各換熱器，而活塞的另一方為非工作 腔。 單作用式熱氣機兩個活塞在循環(huán)過程中都傳遞動力，均稱為 動力活塞。這種類型熱氣機又有平行氣缸，V形氣缸、對置氣 缸及旋轉(zhuǎn)氣缸等多種形式。 （2 2）配氣活塞式熱氣機）配氣活塞式熱氣機 單缸配氣活塞式熱氣機單缸配氣活塞式熱氣機 n結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成 l 活塞作用活塞作用: : 配氣活塞

14、的主要功能是將工 質(zhì)從一個腔室擠向另一個腔室， 使工質(zhì)在循環(huán)回路中來回流動。 動力活塞在氣缸中運動時， 活塞壓縮工質(zhì)或工質(zhì)膨脹通過活 塞做功。 加熱器加熱器 回熱器回熱器 冷卻器冷卻器 動力活塞動力活塞 配氣配氣 活塞活塞 膨脹腔膨脹腔 壓縮腔壓縮腔 單缸配氣活塞式熱氣機單缸配氣活塞式熱氣機 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 n工作特點：工作特點： 1、配氣活塞上、下腔的壓力理 論上是相同的(如不考慮流動損 失)。 2、動力活塞上、下腔的壓力在 整個循環(huán)中均不相同(除某瞬時 外）。 3、熱腔容積的變化由配氣活塞 運動所控制，而冷腔容積變化 則要由配氣活塞和動力活塞兩 者的運動聯(lián)合控制。兩個活塞 的行程有一段可以是

15、重疊的， 故冷腔的最小容積理論上可以 是零。 n多種形式：多種形式： n外回熱器式：外回熱器式：將回熱器設(shè)在缸外，這種形式在小型熱氣機 領(lǐng)域中應用廣泛。 n回熱配氣活塞式：回熱配氣活塞式：配氣活塞的一部分或全部是用多孔金屬 基體作成的，它本身就構(gòu)成一個回熱式的換熱器。 n自由活塞式：自由活塞式：是一種有趣的結(jié)構(gòu)，正發(fā)展用于太陽能轉(zhuǎn)換、 人工心臟、熱泵等領(lǐng)域。 雙缸配氣活塞式熱氣機雙缸配氣活塞式熱氣機 n結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成 雙缸配氣活塞式熱氣機工作過程演示雙缸配氣活塞式熱氣機工作過程演示 配氣配氣 活塞活塞 膨脹腔膨脹腔 加熱器加熱器 回熱器回熱器 冷卻器冷卻器 配氣配氣 活塞活塞 回熱器回熱器

16、配氣配氣 活塞活塞 回熱器回熱器 配氣配氣 活塞活塞 冷卻器冷卻器 回熱器回熱器 配氣配氣 活塞活塞 配氣配氣 活塞活塞 配氣配氣 活塞活塞 膨脹腔膨脹腔 動力活塞動力活塞 壓縮腔壓縮腔 冷卻器冷卻器 配氣配氣 活塞活塞 加熱器加熱器 n雙缸配氣活塞式熱雙缸配氣活塞式熱 氣機優(yōu)缺點：氣機優(yōu)缺點： 優(yōu)點優(yōu)點 氣缸分置的優(yōu)點 是有利于配氣活塞桿 的密封和動力活塞的 設(shè)計。 缺點缺點 在氣缸容積的有 效利用上也不如單缸 配氣活塞式，因而機 器的體積及重量相對 較大。 膨脹腔膨脹腔 動力活塞動力活塞 壓縮腔壓縮腔 冷卻器冷卻器 回熱器回熱器配氣配氣 活塞活塞 加熱器加熱器 配氣活塞式熱氣機的優(yōu)缺點：配

17、氣活塞式熱氣機的優(yōu)缺點： 優(yōu)點優(yōu)點 n它比單作用式熱氣機較易解決往復件的密封技術(shù)問 題 。 n便于解決平衡和振動問題。 缺點缺點 配氣活塞式熱氣機是單缸機，功率受到了限制，多用 在小功率熱氣機領(lǐng)域。 （3）雙作用式熱氣機）雙作用式熱氣機 n雙作用定義：雙作用定義：是指活塞上、下方均 為工作腔，活塞的上端為熱腔，下端 為冷腔。 n結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：各缸中的熱腔經(jīng)過換熱 器與相鄰氣缸的冷腔相連。活塞既起 動力活塞的作用，也起配氣活塞的作 用，所以又稱動力配氣活塞。 l 工作特點：工作特點：冷熱腔之間相繼有冷卻器、回熱器、加熱器，組 成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)。 各缸的冷腔可和相鄰氣缸的熱腔聯(lián)通，分別組

18、成完整而又獨 立的循環(huán)系統(tǒng)。 四個氣缸、四個活塞以及四套熱交換器，組成了四個完整的 閉式循環(huán)系統(tǒng)，相當于四臺單作用式熱氣機 n優(yōu)點：優(yōu)點：氣缸和往復運動件(活塞及連桿)的數(shù)目減少了一半， 使得機器結(jié)構(gòu)緊湊，重量和體積大大下降，成本也因而降低。 n缺點：缺點： 1.工作方式及布置決定了雙作用式熱氣機只能是多缸機。 2.氣缸數(shù)目受到限制，這一點與內(nèi)燃機不同。限制熱氣機 缸數(shù)的主要因素是活塞領(lǐng)先角，因為90的活塞領(lǐng)先角接近最 佳值，所以目前制成的雙作用式熱氣機都是四缸機。 1.2.3熱氣機的工作原理熱氣機的工作原理 1、結(jié)構(gòu)和假設(shè)、結(jié)構(gòu)和假設(shè) （1）結(jié)構(gòu)組成）結(jié)構(gòu)組成 （2）溫度：）溫度：熱腔溫度為

19、TE；冷腔溫度為Tc?；責崞鲀啥说臏囟忍荻葹門E- Tc。 （3）假設(shè)：）假設(shè)：工質(zhì)為理想氣體；忽略各換熱器的容積；活塞在運動中無摩 擦；工質(zhì)在氣缸中無泄漏損失；回熱器是完美的。 （4）循環(huán)開始時的活塞位置 此時：V1= Vmax，P1=Pmin，T1=Tmin=Tc 對置氣缸單作用式熱氣機結(jié)構(gòu)及對置氣缸單作用式熱氣機結(jié)構(gòu)及 循環(huán)開始時的活塞位置循環(huán)開始時的活塞位置 冷活塞冷活塞 熱活塞熱活塞膨脹腔膨脹腔壓縮腔壓縮腔加熱器加熱器冷卻器冷卻器 回熱器回熱器 2、過程分析、過程分析 （1）定溫壓縮過）定溫壓縮過 程程1-2 過程描述過程描述 參數(shù)變化參數(shù)變化 V：V1=Vmax V1=Vmin；

20、Tc ：保持恒定； P：P1提高到P2 熱量和功：壓縮熱Qc 由冷卻器導至外界，外 界對工質(zhì)做功W1-2。內(nèi) 能保持不變，W1-2 = Qc。 定溫壓縮過程定溫壓縮過程 起始點起始點1點點 定溫壓縮過程定溫壓縮過程 終止點終止點2點點 轉(zhuǎn)換熱量與熵變轉(zhuǎn)換熱量與熵變 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在定溫過程中： T2= T1= Tmin= TC 令 ， 稱為循環(huán)溫度比 2 1 12 V V PP 22 2min 12 11 max1 dVVV QcWpdVMRTMRTcInMRTcIn VVV E Tc T max ln0 min cE V QMRT V 2 121 1 0 V SSSMRIn V （2

21、）定容吸熱過程）定容吸熱過程 過程描述過程描述 參數(shù)變化參數(shù)變化 nV：保持不變； nT ：T2升高到 T3=TE ； nP：P2升高到P3 n熱量和功：工質(zhì)獲 得熱量QR ，工質(zhì)的內(nèi) 能和熵均增大 定容吸熱過程定容吸熱過程 起始點起始點2點點 定容吸熱過程定容吸熱過程 終止點終止點3點點 定容吸熱過程定容吸熱過程 起始點起始點2點點 轉(zhuǎn)換熱量與熵變轉(zhuǎn)換熱量與熵變 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在定溫過程中： 32minVVV 33 32 2 TP PP T E C T T v T T vR dTCMdTCMQ 3 2 3 232 2 ET Tc CvdTCvdT SSSMM TT 32()()0RE

22、CQMCv TTMCv TT 2 1 0SMCvIn 假設(shè)定容比熱Cv取為定值或平均值，則有： （3）定溫膨脹過程）定溫膨脹過程 過程描述過程描述 參數(shù)變化參數(shù)變化 nV：從V3=Vmin增加到 V4=Vmax nT ：TE=Tmax 保持不變； nP：P3降低到P4 n熱量和功：由加熱器從 外界向工質(zhì)加入熱量QE。 工質(zhì)向外界作功， W1-2等 于熱量QE。工質(zhì)內(nèi)能不變， 但熵增加了。 定溫膨脹過程定溫膨脹過程 起始點起始點3點點 定溫膨脹過程定溫膨脹過程 終止點終止點4點點 定溫膨脹過程定溫膨脹過程 起始點起始點3點點 轉(zhuǎn)換熱量與熵變轉(zhuǎn)換熱量與熵變 43maxETTTT 3 43 4 V

23、PP V 44 max 34 33 min 0EEE dVV QWpdVMRTMRT In VV 4 343 3 0 V SSSMRIn V （4）定容冷卻過程）定容冷卻過程 過程描述：過程描述： 參數(shù)變化參數(shù)變化 nV：保持不變； nT ：T4=Tmax=TE下降 到T1=Tmin=Tc ； nP：P4下降到P1 n熱量和功：工質(zhì)的部 分熱量QR被回熱器所吸 收 ，工質(zhì)的內(nèi)能和熵均 減小 定容冷卻過程定容冷卻過程 終止點終止點1點點 定容冷卻過程定容冷卻過程 起始點起始點4點點 轉(zhuǎn)換熱量與熵變轉(zhuǎn)換熱量與熵變 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在定溫過程中： 14maxVVV 1minTTcT 1 144

24、4 4 C E TT pppp TT 1 4E Tc R T QMCvdtMCvdT 假設(shè)定容比熱Cv取為定值或平均值，則有： 1 4 4E Tc T dTdT SCvCv TT ()()EE R QMCvTcTMCv TTc 414SSSMCvIn 3、完整的斯特林循環(huán)參數(shù)變化、完整的斯特林循環(huán)參數(shù)變化 n熵的變化量為零 S=S1+S2+S3+S4=0 n回熱器從工質(zhì)吸收的熱量QR 和回熱器釋放給工質(zhì)的熱量QR， 其絕對值相等但符號相反 QR+ QR =0 n在循環(huán)過程中，工質(zhì)與回熱器之間無熱量的得失，工質(zhì)與外界 的熱交換量僅為QE和QC，工質(zhì)在一個循環(huán)中所做的功為： W=W1-2 +W3-

25、4=QC +QE n根據(jù)循環(huán)熱效率的定義： 斯特林循環(huán)熱效率等于相同溫度范圍內(nèi)的卡諾循環(huán)熱效率 max min (1)()E V WMRTIn V tEW Q 11t E Tc T 1.2.4 理想循環(huán)與實際循環(huán)理想循環(huán)與實際循環(huán) 1實際循環(huán)與理想循環(huán)的差別實際循環(huán)與理想循環(huán)的差別 （1）實際發(fā)動機工作時，活塞是做正弦運動而不是如理想循環(huán) 那樣地間斷運動。 實際循環(huán)和理想循環(huán)示實際循環(huán)和理想循環(huán)示 功圖比較功圖比較 配氣活塞式熱氣機配氣活塞式熱氣機 配氣活塞和動力活塞的配氣活塞和動力活塞的 正弦運動軌跡正弦運動軌跡 (2 ) 實際的壓縮和膨脹過程不是定溫過程而是多變過 程。冷卻和加熱的復雜性。

26、 n 存在附加容積。 n實際發(fā)動機所用的工質(zhì)并非理想氣體。 n回熱器不是完美的。 n加熱器不能將燃料燃燒產(chǎn)生的全部熱量傳給工 質(zhì)，存在排氣損失。 2熱氣機的實際循環(huán)熱氣機的實際循環(huán) n實際熱氣機尋求接近理想循環(huán)活塞運動規(guī)律的傳動機構(gòu)，而活塞實際熱氣機尋求接近理想循環(huán)活塞運動規(guī)律的傳動機構(gòu)，而活塞 運動是連續(xù)的。運動是連續(xù)的。 n熱氣機常采用十字頭式曲柄連稈機構(gòu)，兩活塞作簡諧運動。熱氣機常采用十字頭式曲柄連稈機構(gòu)，兩活塞作簡諧運動。 一單作用熱氣一單作用熱氣 機的結(jié)構(gòu)機的結(jié)構(gòu) 冷冷熱熱熱熱冷冷 下止點下止點 中部中部 上止點上止點 中部中部 壓縮過程的活塞運動壓縮過程的活塞運動 (1)壓縮過程壓

27、縮過程 n曲軸轉(zhuǎn)角090 n冷活塞從下止點運 動到行程中部，冷腔 容積縮小了一半。 n熱活塞從行程中部 運動到上止點，熱腔 容積減小到零。 n總的工作腔容積從 1.5V0減小到0.5V0， 工質(zhì)受到壓縮并處于 冷腔。 n此階段終了時的容 積0.5V0并非是工作 腔的最小容積，但已 接近最小容積。當時 曲軸轉(zhuǎn)角=135時， 即VE +Vc=0.29 V0 才 是最小工作腔容積 上止點上止點 中部中部 上止點上止點 中部中部 熱熱 上止點上止點 中部中部 冷冷熱熱 上止點上止點 中部中部 壓縮過程的容積變化壓縮過程的容積變化 冷冷熱熱 上止點上止點 中部中部 冷冷 熱熱 定容加熱過程的活塞運動定容

28、加熱過程的活塞運動 (2)定容加熱過程定容加熱過程 n曲軸轉(zhuǎn)角90180 n冷活塞從行程中部 移動到上止點，冷腔 容積從0.5V0減少到零； n而熱活塞從上止點 移動到行程中部，熱 腔容積從零增大到 0.5V0。 n工作腔總?cè)莘e的變 化很小(在0.5 V0到 0.29 V0之間變化)，且 在工作腔最小容積附 近發(fā)生，因此與理想與理想 循環(huán)的定容過程相似循環(huán)的定容過程相似。 n當工質(zhì)從冷腔經(jīng)回 熱器轉(zhuǎn)移到熱腔時， 工質(zhì)是在接近定容的 情況下吸取回熱器的 熱量。 定容加熱過程的容積變化定容加熱過程的容積變化 定容加熱過程的活塞運動定容加熱過程的活塞運動 上止點上止點 熱熱冷冷熱熱 膨脹過程的活塞運

29、動膨脹過程的活塞運動 膨脹過程的容積變化膨脹過程的容積變化 (3)膨脹過程膨脹過程 n曲軸轉(zhuǎn)角：180 270 n當熱活塞由行程中部 移動到下止點，使熱腔 容積由0.5V0增大到V0； n冷活塞從上止點運動 到行程中部，冷腔容積 也由零增加到0.5V0。 n總工作腔容積從 0.5V0增加到1.5V0，膨 脹過程主要發(fā)生在此階 段。在曲軸轉(zhuǎn)角 270時，熱腔已增至 最大容積，工質(zhì)基本處 于熱腔。值得注意的是， 此時工作腔總?cè)莘e并未 達到最大值。 冷冷熱熱冷冷 熱熱 中部中部 中部中部 上止點上止點 下止點下止點 冷冷 熱熱 熱熱冷冷 熱熱 冷冷熱熱冷冷 熱熱 (4)定容冷卻定容冷卻 n曲軸轉(zhuǎn)角：

30、 270 360 n熱活塞從下止點運動到 行程中部，熱腔容積由V0 縮小到0.5V0； n冷活塞則從行程中部移 動到下止點，冷腔容積從 0.5V0增大到V0。 n工作腔總?cè)莘e的變化幅 度較小(在1.5V0到1.71 V0 之間變化)，變化幅度僅為 0.21 V0，因此可認為接近 定容過程。 n在此階段，熱腔容積減 小而冷腔容積加大，使工 質(zhì)從熱腔流入冷腔。在流 經(jīng)回熱器時，工質(zhì)將部分 熱量傳給了回熱器載熱體 而使本身得到冷卻。 返回上級主要內(nèi)容返回上級主要內(nèi)容 定容冷卻過程的活塞運動定容冷卻過程的活塞運動 定容冷卻過程的容積變化定容冷卻過程的容積變化 下止點下止點 下止點下止點 中部中部 冷冷

31、熱熱冷冷熱熱 n 熱腔容積熱腔容積VE的變化律的變化律 nV0熱腔的掃氣容積 從冷活塞下止點起算的 曲軸轉(zhuǎn)角 n冷腔容積冷腔容積Vc的變化規(guī)律的變化規(guī)律 0 1 (1cos) 2 EVV 0 0 1 1cos(90 ) 2 VcV 活塞行程容積與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系活塞行程容積與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系 n對兩活塞作簡諧運動的熱氣機的實際循環(huán)的四個熱力過程進對兩活塞作簡諧運動的熱氣機的實際循環(huán)的四個熱力過程進 行分析：行分析： 假設(shè)一單作用式熱氣機的熱腔和冷腔的最大容積相等，熱活 塞運動領(lǐng)先于冷活塞運動的相位角90。 1.3 熱氣機的構(gòu)造熱氣機的構(gòu)造 1、主要組成、主要組成 外部供熱系統(tǒng) 閉式循環(huán)系統(tǒng)(核心部

32、分核心部分 ) 動力傳動系統(tǒng) 調(diào)節(jié)控制系統(tǒng) 輔助設(shè)備系統(tǒng) 單缸配氣活塞式熱氣機的主要部件組成示意圖單缸配氣活塞式熱氣機的主要部件組成示意圖 2、工作過程、工作過程 外部燃燒外部燃燒 系統(tǒng)和調(diào)系統(tǒng)和調(diào) 節(jié)控制系節(jié)控制系 統(tǒng)統(tǒng) 閉式循環(huán)閉式循環(huán) 系統(tǒng)系統(tǒng) 動力傳動動力傳動 系統(tǒng)系統(tǒng) 1.3.1外部供熱系統(tǒng)外部供熱系統(tǒng) 1、作用：、作用：是給閉式循環(huán)系統(tǒng)提供熱源。凡是 溫度在450以上的任何發(fā)熱裝置，均可以 成為熱氣機的外部熱源。 2、外部供熱系統(tǒng)的組成、外部供熱系統(tǒng)的組成 以柴油作為燃料的外部燃燒系統(tǒng)的主要 組件有：燃燒空氣鼓風機、空氣預熱器、 燃燒器組、燃油泵和燃油與空氣的調(diào)控裝 置等。 (1)

33、氣流流程氣流流程 3、流程、流程 燃燒器燃燒器 鼓風機鼓風機新鮮空氣新鮮空氣空氣預熱器空氣預熱器 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器油箱油箱燃油泵燃油泵 加熱器加熱器 外界外界 (2)氣體溫度變化氣體溫度變化 預熱預熱燃燒燃燒 傳給傳給 加熱器加熱器 傳給傳給 預熱器預熱器 常溫常溫 600700160020008001200 300 雙曲軸傳動熱氣機及外燃系統(tǒng)氣流流程雙曲軸傳動熱氣機及外燃系統(tǒng)氣流流程 4、外部燃燒系統(tǒng)主要組件的結(jié)構(gòu)、外部燃燒系統(tǒng)主要組件的結(jié)構(gòu) （1）燃燒空氣鼓風機）燃燒空氣鼓風機 其噪聲是熱氣機噪聲的主要 噪聲源之一； 消耗熱氣機功率的35 鼓風機應根據(jù)需要專門設(shè)計， 經(jīng)常采用的鼓風機為離心式，

34、 它的壓頭為5000Pa左右。若 采用渦輪增壓，其壓頭還可 高得多。 （2）空氣預熱器）空氣預熱器 n功用：功用：是將排氣中的熱量傳給從外界輸入的新鮮 空氣，使外燃系統(tǒng)的效率由55%提高至8590%， 不僅節(jié)約熱能還能改善燃燒，簡化排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 n結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：一般為逆流式換熱器。 A、板式預熱器、板式預熱器 n材料：耐熱合金鋼片(約0.2mm) n手風琴狀 n溫度為8001200的燃氣流與溫度為4060的空氣 流在預熱器中進行換熱，結(jié)果空氣經(jīng)預熱升高到500 700，而燃氣溫度在預熱器出口下降到約300。 n不受機械應力 n要求：預熱器效率高、尺寸小、造價合理。 B、陶瓷制造的蓄熱式轉(zhuǎn)盤預熱

35、器、陶瓷制造的蓄熱式轉(zhuǎn)盤預熱器 n材料：多孔陶瓷 n小孔直徑：約0.5mm， n預熱器圓盤厚：40mm n工作過程：安裝在燃燒 區(qū)的上方，預熱器由電機 帶動緩慢旋轉(zhuǎn)（每分鐘約 56轉(zhuǎn))。當預熱器某一 區(qū)域由熾熱的燃氣流過時， 該處圓盤溫度升高并蓄熱； 當旋轉(zhuǎn)到一定位置時該處 接通了冷空氣流，又將熱 傳給空氣。 n體積，成本上較有利，清 洗方便，換熱效率較差。 （3）燃燒器組）燃燒器組 包括燃燒器、燃油噴霧器、燃油噴霧鼓風機和點火器 等。 A 燃燒器燃燒器 n形狀：薄壁錐形圓筒 n直接與高溫燃氣接觸（1800-2000度），需對燃燒器 進行冷卻 n溫度：8001000度 n不受壓力 n材料：耐熱

36、合金鋼 n渦流發(fā)生器：提高火焰穩(wěn)定性 B 燃油噴霧器燃油噴霧器 縫隙式燃油噴霧器縫隙式燃油噴霧器 n依靠空氣鼓風機產(chǎn)生的壓力空氣，將燃油噴入燃燒器 （引射作用）。 n在燃油及氣流的動量作用下，所形成的霧狀油粒和進 入燃燒室的新鮮空氣得到最好的混合并獲得完全燃燒。 n噴油器的引射空氣量約占燃燒空氣量的23%。 n燃燒器在起動時，采用普通的電火花點火器，燃燒器 點火完成以后，點火器暫停工作 渦流式壓力噴油器渦流式壓力噴油器 n噴油器前端是一渦流室 n燃油在壓力的作用下送進渦流室后，一部分從噴 孔噴入燃燒室，一部分從回油管返回 n通過回油閥可控制噴油量的多少。 （4）燃燒爐）燃燒爐 燃用固體燃料 n

37、沸騰爐燃燒（流化床燃燒），是 指燃料顆粒處于“流態(tài)化”狀態(tài) 下的燃燒。 n固體燃料送入爐膛中的爐蓖上， 空氣從爐篦下方引入。 n風速?。喝剂蠈屿o止不動，風從 燃料的間隙通過，固定床燃燒， 層燃式燃燒。 n風速大：達到某一臨界速度時， 料層顆粒就會失去穩(wěn)定性，產(chǎn)生 強烈的相對運動，發(fā)生沸騰式燃 燒或流化床燃燒。 沸騰燃燒優(yōu)點： n燃料顆粒和空氣獲得強烈攪混，延長燃料在爐內(nèi) 停留時間，燃燒過程穩(wěn)定、迅速且較完全。 n燃燒溫度較低(850l000)，可減少或抑制NOx 的產(chǎn)生 n爐床溫度比較穩(wěn)定，熱氣機的加熱管埋入爐床可 得到相當穩(wěn)定的工質(zhì)溫度。 缺點： n飛灰損失大，需要設(shè)置除塵器捕集飛灰，使其返

38、 回爐內(nèi)繼續(xù)燃燒。 n在沸騰段的受熱管和爐壁易磨損，送風機壓頭要 求較高，電能消耗多。 （5）太陽能加熱裝置）太陽能加熱裝置 n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) n工作原理工作原理 n太陽能內(nèi)部加熱的熱氣機。太陽能內(nèi)部加熱的熱氣機。 n結(jié)構(gòu)：石英玻璃氣缸頭，由盤 式聚能器聚集光束，直接從外 面透過石英玻璃加熱安裝在配 氣活塞上方的金屬絲網(wǎng)。工質(zhì) 通過接受太陽光的金屬絲網(wǎng)得 到熱量。 n加熱系統(tǒng)非常簡單、輕巧，附 加容積較小。 n成本低、熱效率高。 n把熱氣機的外部加熱變?yōu)閮?nèi)部 加熱，形成一種新型熱氣機。 1.3.2 閉式循環(huán)系統(tǒng)閉式循環(huán)系統(tǒng) 1、功能：、功能： 2、組成：、組成：主要由氣缸體、加熱器、 回熱器、冷卻器

39、、冷熱活塞組及 密封裝置等組成。 工質(zhì)在系統(tǒng)中來回流動一次， 完成一個循環(huán)，循環(huán)周期為2。 閉式循環(huán)回路的組成閉式循環(huán)回路的組成 配氣活塞式熱氣機工作演示圖配氣活塞式熱氣機工作演示圖 （1）加熱器頭）加熱器頭 n結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：包括熱腔氣 缸頂和加熱器管組 (或加熱片)，有時 還附有回熱器殼體。 n特點：特點：加熱器頭是 一個耐高溫(600 800)和耐高壓 (最高可達25MPa) 的氣密構(gòu)件。 3、閉式循環(huán)系統(tǒng)主要組件的結(jié)、閉式循環(huán)系統(tǒng)主要組件的結(jié) 構(gòu)構(gòu) 加熱器頭的組成加熱器頭的組成 l主要零件：加熱器管組主要零件：加熱器管組 職能職能：將高溫燃氣熱量傳入加熱器管內(nèi)壁，并由 工質(zhì)吸收，達到對工質(zhì)

40、加熱的目的。 要求要求：在保證必要的傳熱能力的條件下，工質(zhì)的 流通容積和流阻損失應盡可能小，以保證發(fā)動機具 有較高的功率和效率。但是，這三者往往不可兼顧。 n材料要求材料要求： 良好的熱強度和機械強度； 對燃氣具有良好的抗蝕性。 當以氫氣為工質(zhì)時，要求金屬加熱器管壁不易滲 透擴散氫氣，不受氫的脆化作用（氫氣與金屬中 碳發(fā)生化合，使金屬變脆而形響強度)。 n材料種類：材料種類： （1）高級耐熱合金：含鉻、鈷、鎳各約20%。 例如N-155，可承受溫度約750和壓力 24.5MPa,價格昂貴，用于軍事; （2）A286合金鋼： 55鐵、25鎳、15鈷， 價格比N-155便宜許多，用于商品車用熱氣機

41、； （3）普通不銹鋼：管壁溫度不應高于650， 承壓在15MPa以內(nèi)。 （2）氣缸套和回熱器殼體）氣缸套和回熱器殼體 n上下溫差可達400600，承受很高的機械應力和較 高的熱應力。 n為了降低缸壁和殼體的上下直接導熱損失，在保證機械 強度的前提下，要求缸壁較薄。 n一般都要用耐熱合金鋼或不銹鋼加工或精密澆鑄而成。 n氣缸套較長，可分成兩段。上段處于溫度很高的熱腔， 要采用耐熱鋼材，而下段處于冷腔，可用一般鋼材制造， 這樣可減少耐熱合金的消耗量。 （3）回熱器）回熱器 基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：在耐壓容器中填充由蓄熱材料構(gòu)成的載熱體 (又稱填料或回熱器芯)。 載熱體要求：載熱體要求： 1.空隙 2.

42、 熱交換面積足夠大，而通流容積和流動損失要小 3.良好的耐熱性能以及高的熱容量和熱導率。 作用：作用：不僅是熱氣機的一種必要的節(jié)能裝置，而且可使 加熱器和冷卻器的工作容量大大減小，因此，回熱器是一個 極其重要的部件。 回熱器分類：回熱器分類： u篩網(wǎng)式載熱體回熱器 u球狀顆粒載熱體回熱器 u卷席式填料回熱器 u環(huán)形縫隙式回熱器 u陶瓷回熱器 篩網(wǎng)式載熱體回熱器篩網(wǎng)式載熱體回熱器 n回熱器芯用直徑為0.035 0.1mm的不銹鋼絲制造； n面容比：300cm2cm3。 l將鋼絲網(wǎng)沖成圓片，一片片地堆疊在一起（錯開 一定的角度），稍微壓縮一下，將網(wǎng)片層的四周進 行輕微的燒結(jié)形成一個整體，保證透空率

43、和換熱面 積。 l將回熱器芯插入一個薄壁護套中，在護套兩端各 裝一個斜紋狀的網(wǎng)板，以避免氣流直接沖擊回熱器 芯。 回熱器結(jié)構(gòu)尺寸：回熱器結(jié)構(gòu)尺寸： A、回熱器孔隙液力直徑：回熱器孔隙液力直徑： n孔隙減小時，流通容積相應減小，換熱效果得到改善。小孔徑 的金屬絲作回熱器芯的材料是可取的。 n孔隙減小，流阻損失增加，過大的流阻損失會使發(fā)動機的功率 和效率都下降。 B、長度直徑比、長度直徑比: n長徑比大，換熱效果好，減少軸向?qū)釗p失，流阻損失大。 n長徑比的選取，除要兼顧效率和流阻損失兩者外，還要考慮所 用工質(zhì)及熱氣機的用途。 n回熱器的長徑比為 0.52.5，較低值適用于空氣作工質(zhì)或要 求具有較

44、高功率密度的發(fā)動機，較高值適用于氫氣工質(zhì)或轉(zhuǎn)速 較低的熱氣機。 篩網(wǎng)式回熱器在熱器機上采用最多。 球狀顆粒載熱體回熱器球狀顆粒載熱體回熱器 p其載熱體由數(shù)千個直徑為3mm左右的鋼球組成。 p回熱器兩端有罩板，以固定鋼球位置。 p罩板上開有多條窄槽，槽寬要小于鋼球直徑。 p工質(zhì)由窄槽進入鋼球群中，穿過各縫隙與鋼球接觸進 行熱交換。 卷席式填料回熱器卷席式填料回熱器 n載熱體采用很薄的不銹鋼 片、鋁片或銅片，卷成圓 筒形，然后置于回熱器中 充當載熱體。 n為了保持薄片之間有均勻 的間隙，在360圓周范 圍沖壓出n個等分的波紋， 波紋的深度取決于要求薄 板之間的間隙大小，還要 避免波峰重疊。 卷席式

45、填料回熱器卷席式填料回熱器 環(huán)形縫隙式回熱器環(huán)形縫隙式回熱器 n 對缸徑小于50mm，工質(zhì)壓力低于0.5MPa的超小型 低速熱氣機，有時借助配氣活塞與缸套之間的環(huán)形縫 隙代替回熱器。 n實踐證明，采用縫隙式回熱器，由于附加容積、回熱 器殼體上導熱損失和流動摩擦損失等都較小，所以能 改善超小型低速熱氣機的性能。 陶瓷回熱器陶瓷回熱器 近年開發(fā)的新型回熱器 n蓄熱能力強 n價格低 n機械強度和耐熱沖擊力差 （4）冷卻器）冷卻器 n功能：功能：將壓縮過程中工質(zhì)的壓縮熱導至外界，使 壓縮過程盡可能接近等溫下進行。 n冷卻劑：冷卻劑：通常用水或水和甘醇的混合液。 n管殼式冷卻器：管殼式冷卻器：工質(zhì)軸向地

46、流經(jīng)小口徑的冷卻器 管束，而冷卻水在管束的外壁橫向流過，對從管 內(nèi)流過的工質(zhì)進行冷卻。 n冷卻器的通流容積較小冷卻器的通流容積較?。▋H占總附加容積的13 15左右）：燃氣與加熱器管壁的換熱系數(shù)遠低 于水與冷卻器管壁的換熱系數(shù)，壓縮熱又低于膨 脹熱。 （5）活塞組）活塞組 n功能：功能：是將工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為機械功的部件。 n強度：強度：要求活塞有足夠的結(jié)構(gòu)強度，以承受氣體 壓力、機械負荷和慣性力。 (1)配氣活塞配氣活塞 n工作特點：工作特點：配氣活塞上端是循環(huán)的高溫區(qū)，下端是循環(huán)的 低溫區(qū)，活塞上下端溫差很大(可達400500)，但壓差 很小，其值相當于工質(zhì)通過各熱交換器時的壓力降。 n其結(jié)構(gòu)

47、特點是：其結(jié)構(gòu)特點是： 采取中空薄壁結(jié)構(gòu)，活塞做得較長，一般可達活塞直 徑的23倍，可使結(jié)構(gòu)輕巧 ，并降低導熱損失。 活塞項部做成圓球形或拱形，目的是為了降低應力集 中，并與氣缸圓頂相配合，減小余隙容積。 由于活塞上下壓差很小，一般無須設(shè)置正規(guī)的密封裝 置。相反，活塞與氣缸間的間隙不應過小，否則反而 會使摩擦損失加劇以及導熱損失增加。 活塞殼體內(nèi)部在長度方向可點焊或壓入幾層水平隔板。 若工質(zhì)壓力較高而又采用薄殼結(jié)構(gòu)，則在活 塞底部的封蓋上應開設(shè)一個小孔，使活塞內(nèi) 腔充滿工質(zhì)。 活塞頂處于高溫區(qū)，需要用耐熱合全鋼制造； 活塞體及底部溫度較低，可用普通鋼制造， 與頂部連成一體。 (2)動力活塞動力

48、活塞 n工作特點：工作特點：動力活塞上下端都處于循環(huán)系統(tǒng)的低溫區(qū)， 溫差小但壓差很大。動力活塞上端處于閉式循環(huán)系統(tǒng) 內(nèi)，承受工質(zhì)壓力，而活塞下端是緩沖腔，一般為最 小循環(huán)壓力或平均循環(huán)壓力。 n密封：密封：動力活塞上下端的壓差達5l0MPa，因此必 須進行密封，以防止冷腔與緩沖腔通。 （3）雙作用熱氣機活塞）雙作用熱氣機活塞 n工作特點：工作特點：其上下端的溫差如配氣活塞 那樣，其壓差近于動力活塞，因此，其 工作條件差。 n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):活塞也應做成很長的中空薄壁結(jié) 構(gòu)，活塞與氣缸間隙不應過小，但其活 塞底部應設(shè)置密封環(huán)。 n三部分組成三部分組成:活塞頭是用高級耐熱合金 鋼制成的薄殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔工質(zhì)

49、壓力為最 低循環(huán)壓力，活塞座上方連活塞頭，下 方接活塞桿和活塞體，活塞體上帶有活 塞環(huán)，環(huán)一般是兩道。在活塞環(huán)的上方 或下方應設(shè)置導向環(huán)，防止活塞擺動， 以保證活塞環(huán)良好的工作條件。 （6）密封裝置及活塞環(huán)）密封裝置及活塞環(huán) n 重要性：重要性： n保證熱氣機正常工作必不可少的條件 n當循環(huán)系統(tǒng)中的發(fā)動機的功率密度越大時工質(zhì)壓力 越高，但密封也越困難。 n密封裝置的好壞已成為熱氣機能否向更高功率密度 發(fā)展的重要問題。 n熱氣機的密封，根據(jù)其部位的不同可 分為活塞密封和活塞桿密封；前者又 稱為環(huán)密封，后者稱為桿密封。 n熱氣機的密封環(huán)不允許用油潤滑。 原因：原因：潤滑油或其油蒸氣堵塞回熱器 和沾

50、污熱交換器的換熱表面，使發(fā)動 機性能惡化；若用氫作工質(zhì)還會生成 碳氫化合物(如甲烷)，使工質(zhì)發(fā)生改 變。 n仍要求密封環(huán)有良好的滑動性能，摩 擦損失不能太大，因此密封環(huán)一般不 能用金屬而采用某種特殊材料，目前 常采用聚四氟乙烯作為其基質(zhì)，并摻 入其他強化物質(zhì)。 (1)活塞密封活塞密封 n活塞密封包括配氣塞密封和動力活塞密封。主要是 動力活塞密封。 n為了保證活塞環(huán)能在一定的溫度下長期可靠地工作， 摩擦功又不太大，要求活塞材料的干摩擦系數(shù)小， 又具有相當?shù)姆€(wěn)定性。 n氟炭材料具有良好的干摩擦性能，適用于滑動密封。 特別是聚四氟乙烯(特氟隆)具有很好的冷流特性，在 較低的干摩擦系數(shù)下可獲得良好的滑

51、動性能和密封 能力但這種材抖的熱穩(wěn)定較差，在120以上的溫 度下工作，環(huán)很快磨損。 n當當聚氟乙烯充填玻璃纖維等材料后，就稱為魯隆， 它具有較好的熱穩(wěn)定性，良好的抗磨能力，但干摩 擦系數(shù)較大。 n 動力活塞密封環(huán)可以用“特氟隆”棒材經(jīng)車削而成 為整體式，環(huán)上開有切口，安裝在活塞環(huán)槽內(nèi)。 n 雙作用活塞密封環(huán)的工作條件比動力活塞密封環(huán)要 惡劣。它的上下壓差比動力活塞環(huán)約高40，因此 要求活塞環(huán)具有很大的張力?？梢圆捎脙?nèi)燃機刮油 環(huán)的形式，在整體“魯隆”環(huán)的背面增設(shè)一根金屬 彈簧，使“魯隆”環(huán)沿徑向有一定張力向外脹緊。 (2)活塞桿密封活塞桿密封 n作用：防止工質(zhì)通過活塞 桿漏入曲軸箱，同時也防

52、止曲軸箱中的潤滑油沿活 塞桿滲入閉式循環(huán)系統(tǒng)。 n在菱形傳動配氣活塞式熱 氣機中，必須設(shè)置兩組活 塞桿密封裝置。一組是動 力活塞桿與緩沖腔之間的 密封，另一組裝在動活塞 桿和配氣活塞桿之間。 熱氣機密封部位圖熱氣機密封部位圖 n密封形式中的幾種： (a)絕對密封裝置 ：呈圓錐 形的橡膠卷筒，大端固定 在缸體上，小端固定在活 塞桿上 。 (b)滑動密封裝置 三處彈性密封件：頂密 封 ，刮油環(huán) ，泵環(huán) 。氣 腔，油腔。 (c)自動緊貼密封裝置：密封 環(huán),用于活塞桿密封，適用 于低性能指標的熱氣機 。 1.3.3動力傳動系統(tǒng)動力傳動系統(tǒng) n熱氣機動力傳動系統(tǒng)的任務熱氣機動力傳動系統(tǒng)的任務 n三種類型

53、三種類型 ： 菱形傳動機構(gòu) 曲柄連桿機構(gòu) 斜盤傳動機構(gòu) v配氣活塞式熱氣機常采用菱形傳動機構(gòu)，單 作用式熱氣機采用曲柄連桿機構(gòu)，雙作用式熱 氣機可采用曲柄連桿機構(gòu)、斜盤或擺盤機構(gòu)等。 1、菱形傳動機構(gòu)、菱形傳動機構(gòu) n用于配氣活塞式熱 氣機。 n結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成 n工作特點工作特點 活塞正弦運動規(guī)活塞正弦運動規(guī) 律律 良好的平衡性良好的平衡性 緩沖腔緩沖腔 n適用于功率不大適用于功率不大 的熱氣機的熱氣機 菱形傳動機構(gòu)示意圖菱形傳動機構(gòu)示意圖 2曲柄連桿機構(gòu)曲柄連桿機構(gòu) n這種機構(gòu)用于內(nèi)燃機上是成熟的。 n用于熱氣機，必須保活塞桿垂直運動以利于工質(zhì) 的密封，因此構(gòu)柄連桿機構(gòu)通常是帶有十字頭的。

54、 n特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單，但平衡性較差，單缸的平衡機 構(gòu)更復雜。 3.斜盤傳動機構(gòu)斜盤傳動機構(gòu) n結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成 n優(yōu)點：優(yōu)點： n(1)結(jié)構(gòu)簡單、易平衡、扭矩特性好，活塞作簡單的簡諧 運動，氣缸數(shù)選擇自由空間大。 (2)改變斜盤的傾角可以改變活塞的行程，從而控制與調(diào) 節(jié)負荷。 斜盤傳動機構(gòu)示意圖斜盤傳動機構(gòu)示意圖 1.3.4調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng) n熱氣機的控制系統(tǒng)可分為燃燒控制和功率控制兩 大部分。 n控制要求是根據(jù)熱氣機的應用情況來決定： 若與固定頻率的發(fā)電機組合時，在不同負載條 件下，熱氣機應保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。 若與變工況運轉(zhuǎn)的汽車相匹配時，則熱氣機應 能快速調(diào)節(jié)和控制轉(zhuǎn)速和功率。 1

55、燃燒控制系統(tǒng)燃燒控制系統(tǒng) n燃燒控制系統(tǒng)的基本要求： 在整個負載范圍內(nèi)都能保持最高的效率和穩(wěn)定 的燃燒。 當負荷變化時，要求燃燒控制系統(tǒng)能及時調(diào)節(jié) 燃料供給量、空氣流量，并保持穩(wěn)定的空燃比 (一般為1.2左右)，使燃燒過程能正常地進行。 n熱氣機的運行效率主要取決于加熱管內(nèi)工質(zhì)的最 高溫度，加熱管的溫度就是燃燒控制系統(tǒng)的信息 源。 n菲利浦福持公司4215DA發(fā)動機上的控制系統(tǒng)。 n燃油控制系統(tǒng)的設(shè)計目標，是使加熱管器的工作溫度保持 在799不變。溫度傳感器是空氣-燃油控制回路的初級控 制裝置。通過溫度傳感器和空燃比控制器，既調(diào)節(jié)燃油的 供給，也控制進入燃燒器的空氣量。 空燃比控制裝置系統(tǒng)圖空

56、燃比控制裝置系統(tǒng)圖 2功率控制系統(tǒng)功率控制系統(tǒng) （1）壓力調(diào)節(jié)法）壓力調(diào)節(jié)法 n基本原理基本原理 n增加負荷增加負荷 n減少負荷減少負荷 n瞬時減小負荷瞬時減小負荷 n特點特點 n增大功率時的反應比 較靈敏，但減小功率 時卻反應較慢 n壓力控制法需要有壓 縮機和貯氣瓶，裝置 比較復雜。 多缸熱氣機采用壓力調(diào)節(jié)法的多缸熱氣機采用壓力調(diào)節(jié)法的 控制系統(tǒng)圖控制系統(tǒng)圖 (2)附加容積調(diào)節(jié)法附加容積調(diào)節(jié)法 n基本原理 n容積增加，壓力波幅 值減小，熱氣機的功 率于是下降。 n功率變化是非連續(xù)的 。 附加容積調(diào)節(jié)法的系統(tǒng)圖附加容積調(diào)節(jié)法的系統(tǒng)圖 n 這種調(diào)節(jié)法的優(yōu)點是可省去壓氣機等裝置，降低 成本，但無益

57、容積調(diào)節(jié)法的反應時間比壓力法長， 不夠靈敏。 調(diào)節(jié)過程中的壓力幅及功率變化情況調(diào)節(jié)過程中的壓力幅及功率變化情況 1.3.5 典型樣機簡要介紹典型樣機簡要介紹 n日本的日本的NS03M一一87型熱氣機型熱氣機 NS03M一一87型熱氣機剖面圖型熱氣機剖面圖 n燃用生物質(zhì)的燃用生物質(zhì)的ST一一5型熱氣機型熱氣機 ST-5型熱氣機剖面圖型熱氣機剖面圖 n美國美國STM4120太陽能熱氣機太陽能熱氣機 l中國海軍新潛的中國海軍新潛的AIP(Air Independence Power)技術(shù)技術(shù):熱氣機熱氣機 第第4節(jié)節(jié) 熱氣機的循環(huán)分析及特性熱氣機的循環(huán)分析及特性 1.4.1 施密特循環(huán)分析法施密特循

58、環(huán)分析法 n實際循環(huán)是一個極其復雜的過程，要在完全真實的情況下 分析計算循環(huán)過程是十分困難的。 n 施密特(1871)對循環(huán)過程提出了經(jīng)典性的理論分析-施密特 分析計算法。 n特點：特點： 1）假定活塞作簡諧運動，同時考慮了加熱器、回熱器、冷 卻器以及連接通道等附加容積的存在。 2）相對于按理想斯特林循環(huán)所導出的理論公式來說向?qū)嶋H 靠近了一步。但它仍保留理想斯特林循環(huán)的許多假定。 1.施密特分析法的基本假設(shè)施密特分析法的基本假設(shè) 壓縮過程和膨脹過程是定溫的； 在循環(huán)回路中，各處工質(zhì)瞬時壓力相等，即無流體摩擦阻 力損失； 工質(zhì)遵守理想氣體狀態(tài)方程pVMRT，且作穩(wěn)定流動； 工質(zhì)總質(zhì)量保持不變，即

59、沒有泄漏； 工作腔容積按正弦規(guī)律變化； 回熱過程是完全的，即回熱器的有效性為100%； 循環(huán)系統(tǒng)各組成部分中的工質(zhì)溫度為恒值； 無機器的導熱、散熱損失及機械摩擦損失； 工況處于穩(wěn)定狀態(tài)。 2、符號說明及意義、符號說明及意義 VE 、VC - 熱腔、冷腔的掃氣容積 - 掃氣容積比； = VC /VE Ve、Vc - 熱腔、冷腔的瞬時容積； 、v - 活塞相位角、容積相位角。 VD - 總附加容積(或稱無益容積)；包括加熱器、回熱器、 冷卻器及聯(lián)接管道等的通流容積。 -附加容積比；= VD /VE TE、 Tc 、TD- 熱腔、冷腔和附加容積的工質(zhì)溫度； - 溫度比； = TC /TE p、 Pm

60、ax、 Pmin 、Pm 分別為循環(huán)瞬時壓力、循環(huán)最大 壓力、循環(huán)最小壓力、循環(huán)平均壓力； - 曲軸轉(zhuǎn)角，從熱活塞在下止點起算的曲軸轉(zhuǎn)角。 Me、Mc、Md - 在熱腔、冷腔、附加容積中的工質(zhì)質(zhì)量； Mt - 工質(zhì)總質(zhì)量； VT - 總掃氣容積； 單作用式熱氣機 VT(1+)VE； 配氣活塞式熱氣機 VT(1+)VE - VL VL -活塞行程重疊容積 稱為壓力相位角。這是一個重要的參數(shù)，它標志著循環(huán) 壓力變化的特征點。 ) cos sin ( 1 tg 3單作用式熱氣機的施密特分析單作用式熱氣機的施密特分析 (1)基本方程式基本方程式 n 單作用式熱氣機的各腔容積與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系： 瞬時熱腔