第一章 热气机

1、第一章第一章 热气机热气机 主讲人：郭鹏江主讲人：郭鹏江 山东理工大学山东理工大学 主要内容主要内容 1.1 概述概述 1.2 热气机的工作原理热气机的工作原理 1.3 热气机的构造热气机的构造 1.4 热气机的循环分析及特性热气机的循环分析及特性 1.5 热气机基本参数的选择及计算热气机基本参数的选择及计算 第第1节节 热气机概述热气机概述 n定义：定义：热气机是一种外部 加热闭式循环活塞式发动 机。 n发明人发明人：1815年，英国 苏格兰牧师罗伯特斯特 林(Robert Stirling)发明了 这种发动机，因此，热气 机又常称为斯特林发动机 (stirling Engine)。 n原理

2、：原理：当时是利用燃烧炉 对闭式回路中的空气进行 加热，由炽热空气推动活 塞作功，实则为热空气机。 n缺点：缺点：1.采用的工质是空气，其导热系数低。 2.当时的材料及制造水平，加热器、回 热器的换热效果很差。 3.发动机热效率低，机器功率小而体积、 重量很大，以致逐渐被后起的内燃机所取代而没 有得到进一步发展。 n 改进：改进：采用导热率比空气高几倍的氢或氦作为工 质，设计制造了具有现代技术水平的高效率热交 换器，研制成新型的密封装置等，使热气机的热 效率和功率得到大幅度的提高。现代热气机所达 到的热效率、比重量等性能指标，已可以和高效 的内燃机媲美。 n优点优点 可以燃用多种照料，还可利用

3、太阳能、核能 等作为热源。此外，它的排污少、噪声低、振动 小、环境特性好。这些优点适应了当前世界范围 内石油资源日趋紧张，对环境保护日益严格的要 求。 n应用应用 由于热气机的特点，使它的适用范围很广， 上至太空、下至地面和水下；大至舰船动力，小 至人造心脏。目前已设计、试制出各种用途多种 型号的热气机，有些已通过耐久试验，正向商品 化过渡，有些安装在汽车、船舶、热泵系统、农 村碾米厂、卫星及沿海的浮标，进行实际使用考 验。 返回上级主要内容返回上级主要内容 第第2节节 热气机的工作原理热气机的工作原理 工作过程描述：工作过程描述： 热气机的工质被密封在闭式循环回路中。 热气机有一个加热器、一

4、个冷却器、一个回热器。 通过加热器对工质进行加热，使工质在高温下膨胀 作功，在较低温度下压缩。 膨胀结束后的工质不排至外界而被循环使用，由活 塞的运动来控制工质在回路中的流动。 由密封在回路中的炽热气体周期性地膨胀和压缩实 现将热能转化为机械功。 热气机的理想循环是斯特林循环。 1.2.1斯特林循环斯特林循环 1 1、定义：、定义：热气机的理想循环，高度理想化，热气机的理想循环，高度理想化， 可逆。两个定温过程和两个定容回热过程。可逆。两个定温过程和两个定容回热过程。 v 过程过程l-2l-2为定温为定温 压缩过程压缩过程; ; v 过程过程2-32-3为定容为定容 吸热过程吸热过程; v 过

5、程过程3-43-4为定温为定温 膨胀过程膨胀过程; v 过程过程4-l4-l为定容为定容 放热过程。放热过程。 热交换是在定容过程中完成的，又称为热交换是在定容过程中完成的，又称为定容回热循环。定容回热循环。 2 2、斯特林循环与卡诺循环、斯特林循环与卡诺循环 n卡诺循环：两个定温过程和两 个绝热过程所组成的可逆循环。 n热效率：C=1-（TC/TE） n仅与热源和冷源的温度有关， 与工质的性质和热机的类型等 无关。 n卡诺循环是最有利的一种热力 循环，具有最高的热效率具有最高的热效率。在 冷源与热源的温度比值相同的 情况下，任何一种热机的循环 热效率都不可能高于卡诺效率。 （1 1）热效率比

6、较）热效率比较 l 共同特点：共同特点：两者的压缩过程 和膨胀过程都是在定温的条件 下完成的。 l 不同的过程：不同的过程：斯特林循环在 极限回热的情况下，其定容放定容放 热过程所释放的热量与定容吸热过程所释放的热量与定容吸 热过程所吸收的热量相等热过程所吸收的热量相等，于 是其效果和卡诺循环的两个绝 热过程相当。 l 在相同的循环温度比条件下， 斯特林循环热效率与卡诺循环斯特林循环热效率与卡诺循环 热效率相同热效率相同。 （2 2）做功能力的比较）做功能力的比较 n 在pV图中，由循环过程所组成 的面积表示循环功的大小。 n 在给定的压力、温度和容积界限 下，斯特林循环的循环功比卡诺斯特林循

7、环的循环功比卡诺 循环功要大。循环功要大。 n pV图中的阴影面积代表斯特林 循环比卡诺循环增加的功; n TS图中的阴影面则代表斯特林 循环比卡诺循环需要增加的热量。 n 输入热量增加了，但输出功也相 应增加。其输入热量转换为功的 比例(即热效率)仍与卡诺热效率相 同。 （3 3）动力性比较）动力性比较 n循环平均压力：循环平均压力：表示单位气缸工作容积所做的 循环功： Pt=W/V0 nPt越高，说明做功能力越大。 n在循环压力和温度相同的情况下，斯特林循环 的 Pt 最高，单位气缸容积所做的功最大。 n活塞式发动机的升功率指标反映了发动机的强 化程度及设计水平，它与 Pt 有着正比的关系

8、。 热气机中每升气缸工作容积能产生150kW的功 率，而目前内燃机是难以达到的。 3、斯特林循环的应用、斯特林循环的应用 斯特林循环可用于多种热 机。 （1）原动机）原动机 定义：定义：把高温热源供给的 热转换成功并在低温下排 热的机械。 工作过程：工作过程：在某一高温热 源的 TE 下对循环供热， 其中部分热量转变为功， 其余部分在低温的TC下以 热的形式被排掉，这就是 对原动机工作循环的描述。 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）制冷机）制冷机 n用

9、于制冷机时，外部热源在膨胀过程中的温度低于压缩过程中膨胀过程中的温度低于压缩过程中 工质的释热温度工质的释热温度。 n膨胀过程34把热量从冷区抽走。 n压缩功对原动机和制冷机都是相同的。压缩功对原动机和制冷机都是相同的。 n制冷机的膨胀功低于其压缩功制冷机的膨胀功低于其压缩功，该功需要由外界提供以驱动循 环的进行。 n工质在过程23从压缩腔转移到膨胀腔时，其温度降低，而在 反向的回热过程4l时，工质温度相应地增加。 相同处：相同处：都是在Tc温度下压缩，压缩功相同。 不同处：不同处：原动机是在高温下由外界供热，在高温的TE 下膨胀以产生有用功。制冷机则是在低温的Tr下膨 胀从外界吸入热量以制冷

10、，但需向制冷机输入净功 用于压缩工质。 斯特林用于原动机和制冷机的异同：斯特林用于原动机和制冷机的异同： （3）热泵）热泵 n热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是 从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的 对象（温度较高的物体），其工作原理与制冷机 相同，所不同的只是工作温度范围不一样。 n斯特林循环用于热泵，其工作过程与制冷机完全工作过程与制冷机完全 相同相同，它的膨胀腔温度Tr也低于压缩腔温度Tc； n与制冷机的不同之处：与制冷机的不同之处：热泵的Tc与Tr都比制冷机 的温度提高了。在原动机和制冷机中的Tc，一般 都是环境大气温度Ta，因此可以用水冷却，而热 泵的Tc是系统的放热温

11、度，此时排出的热量是作 为有用的产物来为建筑物如办公楼、宾馆、宿舍 供暖。 在咖啡杯上转动的斯特林发动机在咖啡杯上转动的斯特林发动机 1.2.2热气机的结构类型热气机的结构类型 1、热气机的主要结构特点、热气机的主要结构特点 （1）热气机的主要组成）热气机的主要组成 n 结构特点是具有两个温度不同而容积作周期性变化的腔室， 并用换热器把这两个腔室联结起来为了实现斯持林循环，要有 两个运动的活塞使工作腔容积发生变化： u实现定温压缩：需要有一个压缩腔，并配置能将压缩 热导出的换热器工质冷却器。 u实现定温膨胀：要具备一个膨胀腔，并应设置使工质 能作定温膨胀的供热设施工质加热器。 u实现回热循环：

12、应有一个交替地吸热和放热的装置 回热器。 n 热气机均存在由冷腔、冷却器、回热器、加热器、热腔所组 成的闭式循环系统。 （2）活塞相位要求活塞相位要求 n为了使工质在闭式循环回路中的流动能满足热力循环 过程的要求，两个活塞的运动必需保持某一相位差， 否则是不能工作的。 n活塞领先角：热活塞运动领先于冷活塞运动的曲轴转 角。领先角是对热气机性能颇有影响的设计参数。 n容积相位角：热腔容积变化领先于冷腔容积变化的角 度(即热腔最小容积时到冷腔最小容积时两者之间曲轴 转角)。 2 2、热气机分类、热气机分类 （1）单作用式热气机）单作用式热气机 n结构特点：结构特点：热气机有两个活塞分别 置于两个气

13、缸中，靠近冷却器一侧 的缸叫压缩气缸(也叫冷缸)，活塞叫 压缩活塞。靠近加热器一侧的缸叫 膨胀气缸(也叫热缸)，活塞叫膨胀活 塞。 l 工作过程：工作过程：单作用式是相对于双作用式而言的，是指两活塞 都只有一方为工作腔(图中为上方)，构成闭式循环回路中的冷 腔或热腔，两腔之间连通各换热器，而活塞的另一方为非工作 腔。 单作用式热气机两个活塞在循环过程中都传递动力，均称为 动力活塞。这种类型热气机又有平行气缸，V形气缸、对置气 缸及旋转气缸等多种形式。 （2 2）配气活塞式热气机）配气活塞式热气机 单缸配气活塞式热气机单缸配气活塞式热气机 n结构组成结构组成 l 活塞作用活塞作用: : 配气活塞

14、的主要功能是将工 质从一个腔室挤向另一个腔室， 使工质在循环回路中来回流动。 动力活塞在气缸中运动时， 活塞压缩工质或工质膨胀通过活 塞做功。 加热器加热器 回热器回热器 冷却器冷却器 动力活塞动力活塞 配气配气 活塞活塞 膨胀腔膨胀腔 压缩腔压缩腔 单缸配气活塞式热气机单缸配气活塞式热气机 结构图结构图 n工作特点：工作特点： 1、配气活塞上、下腔的压力理 论上是相同的(如不考虑流动损 失)。 2、动力活塞上、下腔的压力在 整个循环中均不相同(除某瞬时 外）。 3、热腔容积的变化由配气活塞 运动所控制，而冷腔容积变化 则要由配气活塞和动力活塞两 者的运动联合控制。两个活塞 的行程有一段可以是

15、重叠的， 故冷腔的最小容积理论上可以 是零。 n多种形式：多种形式： n外回热器式：外回热器式：将回热器设在缸外，这种形式在小型热气机 领域中应用广泛。 n回热配气活塞式：回热配气活塞式：配气活塞的一部分或全部是用多孔金属 基体作成的，它本身就构成一个回热式的换热器。 n自由活塞式：自由活塞式：是一种有趣的结构，正发展用于太阳能转换、 人工心脏、热泵等领域。 双缸配气活塞式热气机双缸配气活塞式热气机 n结构组成结构组成 双缸配气活塞式热气机工作过程演示双缸配气活塞式热气机工作过程演示 配气配气 活塞活塞 膨胀腔膨胀腔 加热器加热器 回热器回热器 冷却器冷却器 配气配气 活塞活塞 回热器回热器

16、配气配气 活塞活塞 回热器回热器 配气配气 活塞活塞 冷却器冷却器 回热器回热器 配气配气 活塞活塞 配气配气 活塞活塞 配气配气 活塞活塞 膨胀腔膨胀腔 动力活塞动力活塞 压缩腔压缩腔 冷却器冷却器 配气配气 活塞活塞 加热器加热器 n双缸配气活塞式热双缸配气活塞式热 气机优缺点：气机优缺点： 优点优点 气缸分置的优点 是有利于配气活塞杆 的密封和动力活塞的 设计。 缺点缺点 在气缸容积的有 效利用上也不如单缸 配气活塞式，因而机 器的体积及重量相对 较大。 膨胀腔膨胀腔 动力活塞动力活塞 压缩腔压缩腔 冷却器冷却器 回热器回热器配气配气 活塞活塞 加热器加热器 配气活塞式热气机的优缺点：配

17、气活塞式热气机的优缺点： 优点优点 n它比单作用式热气机较易解决往复件的密封技术问 题 。 n便于解决平衡和振动问题。 缺点缺点 配气活塞式热气机是单缸机，功率受到了限制，多用 在小功率热气机领域。 （3）双作用式热气机）双作用式热气机 n双作用定义：双作用定义：是指活塞上、下方均 为工作腔，活塞的上端为热腔，下端 为冷腔。 n结构特点：结构特点：各缸中的热腔经过换热 器与相邻气缸的冷腔相连。活塞既起 动力活塞的作用，也起配气活塞的作 用，所以又称动力配气活塞。 l 工作特点：工作特点：冷热腔之间相继有冷却器、回热器、加热器，组 成一个完整的循环系统。 各缸的冷腔可和相邻气缸的热腔联通，分别组

18、成完整而又独 立的循环系统。 四个气缸、四个活塞以及四套热交换器，组成了四个完整的 闭式循环系统，相当于四台单作用式热气机 n优点：优点：气缸和往复运动件(活塞及连杆)的数目减少了一半， 使得机器结构紧凑，重量和体积大大下降，成本也因而降低。 n缺点：缺点： 1.工作方式及布置决定了双作用式热气机只能是多缸机。 2.气缸数目受到限制，这一点与内燃机不同。限制热气机 缸数的主要因素是活塞领先角，因为90的活塞领先角接近最 佳值，所以目前制成的双作用式热气机都是四缸机。 1.2.3热气机的工作原理热气机的工作原理 1、结构和假设、结构和假设 （1）结构组成）结构组成 （2）温度：）温度：热腔温度为

19、TE；冷腔温度为Tc。回热器两端的温度梯度为TE- Tc。 （3）假设：）假设：工质为理想气体；忽略各换热器的容积；活塞在运动中无摩 擦；工质在气缸中无泄漏损失；回热器是完美的。 （4）循环开始时的活塞位置 此时：V1= Vmax，P1=Pmin，T1=Tmin=Tc 对置气缸单作用式热气机结构及对置气缸单作用式热气机结构及 循环开始时的活塞位置循环开始时的活塞位置 冷活塞冷活塞 热活塞热活塞膨胀腔膨胀腔压缩腔压缩腔加热器加热器冷却器冷却器 回热器回热器 2、过程分析、过程分析 （1）定温压缩过）定温压缩过 程程1-2 过程描述过程描述 参数变化参数变化 V：V1=Vmax V1=Vmin；

20、Tc ：保持恒定； P：P1提高到P2 热量和功：压缩热Qc 由冷却器导至外界，外 界对工质做功W1-2。内 能保持不变，W1-2 = Qc。 定温压缩过程定温压缩过程 起始点起始点1点点 定温压缩过程定温压缩过程 终止点终止点2点点 转换热量与熵变转换热量与熵变 根据理想气体状态方程，在定温过程中： T2= T1= Tmin= TC 令 ， 称为循环温度比 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、）定容吸热过程）定容吸热过程 过程描述过程描述 参数变化参数变化 nV：保持不变； nT ：T2升高到 T3=TE ； nP：P2升高到P3 n热量和功：工质获 得热量QR ，工质的内 能和熵均增大 定容吸热过程定容吸热过程 起始点起始点2点点 定容吸热过程定容吸热过程 终止点终止点3点点 定容吸热过程定容吸热过程 起始点起始点2点点 转换热量与熵变转换热量与熵变 根据理想气体状态方程，在定温过程中： 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 假设定容比热Cv取为定值或平均值，则有： （3）定温膨胀过程）定温膨胀过程 过程描述过程描述 参数变化参数变化 nV：从V3=Vmin增加到 V4=Vmax nT ：TE=Tmax 保持不变； nP：P3降低到P4 n热量和功：由加热器从 外界向工质加入热量QE。 工质向外界作功， W1-2等 于热量QE。工质内能不变， 但熵增加了。 定温膨胀过程定温膨胀过程 起始点起始点3点点 定温膨胀过程定温膨胀过程 终止点终止点4点点 定温膨胀过程定温膨胀过程 起始点起始点3点点 转换热量与熵变转换热量与熵变 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）定容冷却过程）定容冷却过程 过程描述：过程描述： 参数变化参数变化 nV：保持不变； nT ：T4=Tmax=TE下降 到T1=Tmin=Tc ； nP：P4下降到P1 n热量和功：工质的部 分热量QR被回热器所吸 收 ，工质的内能和熵均 减小 定容冷却过程定容冷却过程 终止点终止点1点点 定容冷却过程定容冷却过程 起始点起始点4点点 转换热量与熵变转换热量与熵变 根据理想气体状态方程，在定温过程中： 14maxVVV 1minTTcT 1 144

24、4 4 C E TT pppp TT 1 4E Tc R T QMCvdtMCvdT 假设定容比热Cv取为定值或平均值，则有： 1 4 4E Tc T dTdT SCvCv TT ()()EE R QMCvTcTMCv TTc 414SSSMCvIn 3、完整的斯特林循环参数变化、完整的斯特林循环参数变化 n熵的变化量为零 S=S1+S2+S3+S4=0 n回热器从工质吸收的热量QR 和回热器释放给工质的热量QR， 其绝对值相等但符号相反 QR+ QR =0 n在循环过程中，工质与回热器之间无热量的得失，工质与外界 的热交换量仅为QE和QC，工质在一个循环中所做的功为： W=W1-2 +W3-

25、4=QC +QE n根据循环热效率的定义： 斯特林循环热效率等于相同温度范围内的卡诺循环热效率 max min (1)()E V WMRTIn V tEW Q 11t E Tc T 1.2.4 理想循环与实际循环理想循环与实际循环 1实际循环与理想循环的差别实际循环与理想循环的差别 （1）实际发动机工作时，活塞是做正弦运动而不是如理想循环 那样地间断运动。 实际循环和理想循环示实际循环和理想循环示 功图比较功图比较 配气活塞式热气机配气活塞式热气机 配气活塞和动力活塞的配气活塞和动力活塞的 正弦运动轨迹正弦运动轨迹 (2 ) 实际的压缩和膨胀过程不是定温过程而是多变过 程。冷却和加热的复杂性。

26、 n 存在附加容积。 n实际发动机所用的工质并非理想气体。 n回热器不是完美的。 n加热器不能将燃料燃烧产生的全部热量传给工 质，存在排气损失。 2热气机的实际循环热气机的实际循环 n实际热气机寻求接近理想循环活塞运动规律的传动机构，而活塞实际热气机寻求接近理想循环活塞运动规律的传动机构，而活塞 运动是连续的。运动是连续的。 n热气机常采用十字头式曲柄连秆机构，两活塞作简谐运动。热气机常采用十字头式曲柄连秆机构，两活塞作简谐运动。 一单作用热气一单作用热气 机的结构机的结构 冷冷热热热热冷冷 下止点下止点 中部中部 上止点上止点 中部中部 压缩过程的活塞运动压缩过程的活塞运动 (1)压缩过程压

27、缩过程 n曲轴转角090 n冷活塞从下止点运 动到行程中部，冷腔 容积缩小了一半。 n热活塞从行程中部 运动到上止点，热腔 容积减小到零。 n总的工作腔容积从 1.5V0减小到0.5V0， 工质受到压缩并处于 冷腔。 n此阶段终了时的容 积0.5V0并非是工作 腔的最小容积，但已 接近最小容积。当时 曲轴转角=135时， 即VE +Vc=0.29 V0 才 是最小工作腔容积 上止点上止点 中部中部 上止点上止点 中部中部 热热 上止点上止点 中部中部 冷冷热热 上止点上止点 中部中部 压缩过程的容积变化压缩过程的容积变化 冷冷热热 上止点上止点 中部中部 冷冷 热热 定容加热过程的活塞运动定容

28、加热过程的活塞运动 (2)定容加热过程定容加热过程 n曲轴转角90180 n冷活塞从行程中部 移动到上止点，冷腔 容积从0.5V0减少到零； n而热活塞从上止点 移动到行程中部，热 腔容积从零增大到 0.5V0。 n工作腔总容积的变 化很小(在0.5 V0到 0.29 V0之间变化)，且 在工作腔最小容积附 近发生，因此与理想与理想 循环的定容过程相似循环的定容过程相似。 n当工质从冷腔经回 热器转移到热腔时， 工质是在接近定容的 情况下吸取回热器的 热量。 定容加热过程的容积变化定容加热过程的容积变化 定容加热过程的活塞运动定容加热过程的活塞运动 上止点上止点 热热冷冷热热 膨胀过程的活塞运

29、动膨胀过程的活塞运动 膨胀过程的容积变化膨胀过程的容积变化 (3)膨胀过程膨胀过程 n曲轴转角：180 270 n当热活塞由行程中部 移动到下止点，使热腔 容积由0.5V0增大到V0； n冷活塞从上止点运动 到行程中部，冷腔容积 也由零增加到0.5V0。 n总工作腔容积从 0.5V0增加到1.5V0，膨 胀过程主要发生在此阶 段。在曲轴转角 270时，热腔已增至 最大容积，工质基本处 于热腔。值得注意的是， 此时工作腔总容积并未 达到最大值。 冷冷热热冷冷 热热 中部中部 中部中部 上止点上止点 下止点下止点 冷冷 热热 热热冷冷 热热 冷冷热热冷冷 热热 (4)定容冷却定容冷却 n曲轴转角：

30、 270 360 n热活塞从下止点运动到 行程中部，热腔容积由V0 缩小到0.5V0； n冷活塞则从行程中部移 动到下止点，冷腔容积从 0.5V0增大到V0。 n工作腔总容积的变化幅 度较小(在1.5V0到1.71 V0 之间变化)，变化幅度仅为 0.21 V0，因此可认为接近 定容过程。 n在此阶段，热腔容积减 小而冷腔容积加大，使工 质从热腔流入冷腔。在流 经回热器时，工质将部分 热量传给了回热器载热体 而使本身得到冷却。 返回上级主要内容返回上级主要内容 定容冷却过程的活塞运动定容冷却过程的活塞运动 定容冷却过程的容积变化定容冷却过程的容积变化 下止点下止点 下止点下止点 中部中部 冷冷

31、热热冷冷热热 n 热腔容积热腔容积VE的变化律的变化律 nV0热腔的扫气容积 从冷活塞下止点起算的 曲轴转角 n冷腔容积冷腔容积Vc的变化规律的变化规律 0 1 (1cos) 2 EVV 0 0 1 1cos(90 ) 2 VcV 活塞行程容积与曲轴转角的关系活塞行程容积与曲轴转角的关系 n对两活塞作简谐运动的热气机的实际循环的四个热力过程进对两活塞作简谐运动的热气机的实际循环的四个热力过程进 行分析：行分析： 假设一单作用式热气机的热腔和冷腔的最大容积相等，热活 塞运动领先于冷活塞运动的相位角90。 1.3 热气机的构造热气机的构造 1、主要组成、主要组成 外部供热系统 闭式循环系统(核心部

32、分核心部分 ) 动力传动系统 调节控制系统 辅助设备系统 单缸配气活塞式热气机的主要部件组成示意图单缸配气活塞式热气机的主要部件组成示意图 2、工作过程、工作过程 外部燃烧外部燃烧 系统和调系统和调 节控制系节控制系 统统 闭式循环闭式循环 系统系统 动力传动动力传动 系统系统 1.3.1外部供热系统外部供热系统 1、作用：、作用：是给闭式循环系统提供热源。凡是 温度在450以上的任何发热装置，均可以 成为热气机的外部热源。 2、外部供热系统的组成、外部供热系统的组成 以柴油作为燃料的外部燃烧系统的主要 组件有：燃烧空气鼓风机、空气预热器、 燃烧器组、燃油泵和燃油与空气的调控装 置等。 (1)

33、气流流程气流流程 3、流程、流程 燃烧器燃烧器 鼓风机鼓风机新鲜空气新鲜空气空气预热器空气预热器 调节器调节器油箱油箱燃油泵燃油泵 加热器加热器 外界外界 (2)气体温度变化气体温度变化 预热预热燃烧燃烧 传给传给 加热器加热器 传给传给 预热器预热器 常温常温 600700160020008001200 300 双曲轴传动热气机及外燃系统气流流程双曲轴传动热气机及外燃系统气流流程 4、外部燃烧系统主要组件的结构、外部燃烧系统主要组件的结构 （1）燃烧空气鼓风机）燃烧空气鼓风机 其噪声是热气机噪声的主要 噪声源之一； 消耗热气机功率的35 鼓风机应根据需要专门设计， 经常采用的鼓风机为离心式，

34、 它的压头为5000Pa左右。若 采用涡轮增压，其压头还可 高得多。 （2）空气预热器）空气预热器 n功用：功用：是将排气中的热量传给从外界输入的新鲜 空气，使外燃系统的效率由55%提高至8590%， 不仅节约热能还能改善燃烧，简化排气系统结构。 n结构：结构：一般为逆流式换热器。 A、板式预热器、板式预热器 n材料：耐热合金钢片(约0.2mm) n手风琴状 n温度为8001200的燃气流与温度为4060的空气 流在预热器中进行换热，结果空气经预热升高到500 700，而燃气温度在预热器出口下降到约300。 n不受机械应力 n要求：预热器效率高、尺寸小、造价合理。 B、陶瓷制造的蓄热式转盘预热

35、器、陶瓷制造的蓄热式转盘预热器 n材料：多孔陶瓷 n小孔直径：约0.5mm， n预热器圆盘厚：40mm n工作过程：安装在燃烧 区的上方，预热器由电机 带动缓慢旋转（每分钟约 56转)。当预热器某一 区域由炽热的燃气流过时， 该处圆盘温度升高并蓄热； 当旋转到一定位置时该处 接通了冷空气流，又将热 传给空气。 n体积，成本上较有利，清 洗方便，换热效率较差。 （3）燃烧器组）燃烧器组 包括燃烧器、燃油喷雾器、燃油喷雾鼓风机和点火器 等。 A 燃烧器燃烧器 n形状：薄壁锥形圆筒 n直接与高温燃气接触（1800-2000度），需对燃烧器 进行冷却 n温度：8001000度 n不受压力 n材料：耐热

36、合金钢 n涡流发生器：提高火焰稳定性 B 燃油喷雾器燃油喷雾器 缝隙式燃油喷雾器缝隙式燃油喷雾器 n依靠空气鼓风机产生的压力空气，将燃油喷入燃烧器 （引射作用）。 n在燃油及气流的动量作用下，所形成的雾状油粒和进 入燃烧室的新鲜空气得到最好的混合并获得完全燃烧。 n喷油器的引射空气量约占燃烧空气量的23%。 n燃烧器在起动时，采用普通的电火花点火器，燃烧器 点火完成以后，点火器暂停工作 涡流式压力喷油器涡流式压力喷油器 n喷油器前端是一涡流室 n燃油在压力的作用下送进涡流室后，一部分从喷 孔喷入燃烧室，一部分从回油管返回 n通过回油阀可控制喷油量的多少。 （4）燃烧炉）燃烧炉 燃用固体燃料 n

37、沸腾炉燃烧（流化床燃烧），是 指燃料颗粒处于“流态化”状态 下的燃烧。 n固体燃料送入炉膛中的炉蓖上， 空气从炉篦下方引入。 n风速小：燃料层静止不动，风从 燃料的间隙通过，固定床燃烧， 层燃式燃烧。 n风速大：达到某一临界速度时， 料层颗粒就会失去稳定性，产生 强烈的相对运动，发生沸腾式燃 烧或流化床燃烧。 沸腾燃烧优点： n燃料颗粒和空气获得强烈搅混，延长燃料在炉内 停留时间，燃烧过程稳定、迅速且较完全。 n燃烧温度较低(850l000)，可减少或抑制NOx 的产生 n炉床温度比较稳定，热气机的加热管埋入炉床可 得到相当稳定的工质温度。 缺点： n飞灰损失大，需要设置除尘器捕集飞灰，使其返

38、 回炉内继续燃烧。 n在沸腾段的受热管和炉壁易磨损，送风机压头要 求较高，电能消耗多。 （5）太阳能加热装置）太阳能加热装置 n结构结构 n工作原理工作原理 n太阳能内部加热的热气机。太阳能内部加热的热气机。 n结构：石英玻璃气缸头，由盘 式聚能器聚集光束，直接从外 面透过石英玻璃加热安装在配 气活塞上方的金属丝网。工质 通过接受太阳光的金属丝网得 到热量。 n加热系统非常简单、轻巧，附 加容积较小。 n成本低、热效率高。 n把热气机的外部加热变为内部 加热，形成一种新型热气机。 1.3.2 闭式循环系统闭式循环系统 1、功能：、功能： 2、组成：、组成：主要由气缸体、加热器、 回热器、冷却器

39、、冷热活塞组及 密封装置等组成。 工质在系统中来回流动一次， 完成一个循环，循环周期为2。 闭式循环回路的组成闭式循环回路的组成 配气活塞式热气机工作演示图配气活塞式热气机工作演示图 （1）加热器头）加热器头 n结构：结构：包括热腔气 缸顶和加热器管组 (或加热片)，有时 还附有回热器壳体。 n特点：特点：加热器头是 一个耐高温(600 800)和耐高压 (最高可达25MPa) 的气密构件。 3、闭式循环系统主要组件的结、闭式循环系统主要组件的结 构构 加热器头的组成加热器头的组成 l主要零件：加热器管组主要零件：加热器管组 职能职能：将高温燃气热量传入加热器管内壁，并由 工质吸收，达到对工质

40、加热的目的。 要求要求：在保证必要的传热能力的条件下，工质的 流通容积和流阻损失应尽可能小，以保证发动机具 有较高的功率和效率。但是，这三者往往不可兼顾。 n材料要求材料要求： 良好的热强度和机械强度； 对燃气具有良好的抗蚀性。 当以氢气为工质时，要求金属加热器管壁不易渗 透扩散氢气，不受氢的脆化作用（氢气与金属中 碳发生化合，使金属变脆而形响强度)。 n材料种类：材料种类： （1）高级耐热合金：含铬、钴、镍各约20%。 例如N-155，可承受温度约750和压力 24.5MPa,价格昂贵，用于军事; （2）A286合金钢： 55铁、25镍、15钴， 价格比N-155便宜许多，用于商品车用热气机

41、； （3）普通不锈钢：管壁温度不应高于650， 承压在15MPa以内。 （2）气缸套和回热器壳体）气缸套和回热器壳体 n上下温差可达400600，承受很高的机械应力和较 高的热应力。 n为了降低缸壁和壳体的上下直接导热损失，在保证机械 强度的前提下，要求缸壁较薄。 n一般都要用耐热合金钢或不锈钢加工或精密浇铸而成。 n气缸套较长，可分成两段。上段处于温度很高的热腔， 要采用耐热钢材，而下段处于冷腔，可用一般钢材制造， 这样可减少耐热合金的消耗量。 （3）回热器）回热器 基本结构：基本结构：在耐压容器中填充由蓄热材料构成的载热体 (又称填料或回热器芯)。 载热体要求：载热体要求： 1.空隙 2.

42、 热交换面积足够大，而通流容积和流动损失要小 3.良好的耐热性能以及高的热容量和热导率。 作用：作用：不仅是热气机的一种必要的节能装置，而且可使 加热器和冷却器的工作容量大大减小，因此，回热器是一个 极其重要的部件。 回热器分类：回热器分类： u筛网式载热体回热器 u球状颗粒载热体回热器 u卷席式填料回热器 u环形缝隙式回热器 u陶瓷回热器 筛网式载热体回热器筛网式载热体回热器 n回热器芯用直径为0.035 0.1mm的不锈钢丝制造； n面容比：300cm2cm3。 l将钢丝网冲成圆片，一片片地堆叠在一起（错开 一定的角度），稍微压缩一下，将网片层的四周进 行轻微的烧结形成一个整体，保证透空率

43、和换热面 积。 l将回热器芯插入一个薄壁护套中，在护套两端各 装一个斜纹状的网板，以避免气流直接冲击回热器 芯。 回热器结构尺寸：回热器结构尺寸： A、回热器孔隙液力直径：回热器孔隙液力直径： n孔隙减小时，流通容积相应减小，换热效果得到改善。小孔径 的金属丝作回热器芯的材料是可取的。 n孔隙减小，流阻损失增加，过大的流阻损失会使发动机的功率 和效率都下降。 B、长度直径比、长度直径比: n长径比大，换热效果好，减少轴向导热损失，流阻损失大。 n长径比的选取，除要兼顾效率和流阻损失两者外，还要考虑所 用工质及热气机的用途。 n回热器的长径比为 0.52.5，较低值适用于空气作工质或要 求具有较

44、高功率密度的发动机，较高值适用于氢气工质或转速 较低的热气机。 筛网式回热器在热器机上采用最多。 球状颗粒载热体回热器球状颗粒载热体回热器 p其载热体由数千个直径为3mm左右的钢球组成。 p回热器两端有罩板，以固定钢球位置。 p罩板上开有多条窄槽，槽宽要小于钢球直径。 p工质由窄槽进入钢球群中，穿过各缝隙与钢球接触进 行热交换。 卷席式填料回热器卷席式填料回热器 n载热体采用很薄的不锈钢 片、铝片或铜片，卷成圆 筒形，然后置于回热器中 充当载热体。 n为了保持薄片之间有均匀 的间隙，在360圆周范 围冲压出n个等分的波纹， 波纹的深度取决于要求薄 板之间的间隙大小，还要 避免波峰重叠。 卷席式

45、填料回热器卷席式填料回热器 环形缝隙式回热器环形缝隙式回热器 n 对缸径小于50mm，工质压力低于0.5MPa的超小型 低速热气机，有时借助配气活塞与缸套之间的环形缝 隙代替回热器。 n实践证明，采用缝隙式回热器，由于附加容积、回热 器壳体上导热损失和流动摩擦损失等都较小，所以能 改善超小型低速热气机的性能。 陶瓷回热器陶瓷回热器 近年开发的新型回热器 n蓄热能力强 n价格低 n机械强度和耐热冲击力差 （4）冷却器）冷却器 n功能：功能：将压缩过程中工质的压缩热导至外界，使 压缩过程尽可能接近等温下进行。 n冷却剂：冷却剂：通常用水或水和甘醇的混合液。 n管壳式冷却器：管壳式冷却器：工质轴向地

46、流经小口径的冷却器 管束，而冷却水在管束的外壁横向流过，对从管 内流过的工质进行冷却。 n冷却器的通流容积较小冷却器的通流容积较小（仅占总附加容积的13 15左右）：燃气与加热器管壁的换热系数远低 于水与冷却器管壁的换热系数，压缩热又低于膨 胀热。 （5）活塞组）活塞组 n功能：功能：是将工质的能量转换为机械功的部件。 n强度：强度：要求活塞有足够的结构强度，以承受气体 压力、机械负荷和惯性力。 (1)配气活塞配气活塞 n工作特点：工作特点：配气活塞上端是循环的高温区，下端是循环的 低温区，活塞上下端温差很大(可达400500)，但压差 很小，其值相当于工质通过各热交换器时的压力降。 n其结构

47、特点是：其结构特点是： 采取中空薄壁结构，活塞做得较长，一般可达活塞直 径的23倍，可使结构轻巧 ，并降低导热损失。 活塞项部做成圆球形或拱形，目的是为了降低应力集 中，并与气缸圆顶相配合，减小余隙容积。 由于活塞上下压差很小，一般无须设置正规的密封装 置。相反，活塞与气缸间的间隙不应过小，否则反而 会使摩擦损失加剧以及导热损失增加。 活塞壳体内部在长度方向可点焊或压入几层水平隔板。 若工质压力较高而又采用薄壳结构，则在活 塞底部的封盖上应开设一个小孔，使活塞内 腔充满工质。 活塞顶处于高温区，需要用耐热合全钢制造； 活塞体及底部温度较低，可用普通钢制造， 与顶部连成一体。 (2)动力活塞动力

48、活塞 n工作特点：工作特点：动力活塞上下端都处于循环系统的低温区， 温差小但压差很大。动力活塞上端处于闭式循环系统 内，承受工质压力，而活塞下端是缓冲腔，一般为最 小循环压力或平均循环压力。 n密封：密封：动力活塞上下端的压差达5l0MPa，因此必 须进行密封，以防止冷腔与缓冲腔通。 （3）双作用热气机活塞）双作用热气机活塞 n工作特点：工作特点：其上下端的温差如配气活塞 那样，其压差近于动力活塞，因此，其 工作条件差。 n结构结构:活塞也应做成很长的中空薄壁结 构，活塞与气缸间隙不应过小，但其活 塞底部应设置密封环。 n三部分组成三部分组成:活塞头是用高级耐热合金 钢制成的薄壳结构，内腔工质

49、压力为最 低循环压力，活塞座上方连活塞头，下 方接活塞杆和活塞体，活塞体上带有活 塞环，环一般是两道。在活塞环的上方 或下方应设置导向环，防止活塞摆动， 以保证活塞环良好的工作条件。 （6）密封装置及活塞环）密封装置及活塞环 n 重要性：重要性： n保证热气机正常工作必不可少的条件 n当循环系统中的发动机的功率密度越大时工质压力 越高，但密封也越困难。 n密封装置的好坏已成为热气机能否向更高功率密度 发展的重要问题。 n热气机的密封，根据其部位的不同可 分为活塞密封和活塞杆密封；前者又 称为环密封，后者称为杆密封。 n热气机的密封环不允许用油润滑。 原因：原因：润滑油或其油蒸气堵塞回热器 和沾

50、污热交换器的换热表面，使发动 机性能恶化；若用氢作工质还会生成 碳氢化合物(如甲烷)，使工质发生改 变。 n仍要求密封环有良好的滑动性能，摩 擦损失不能太大，因此密封环一般不 能用金属而采用某种特殊材料，目前 常采用聚四氟乙烯作为其基质，并掺 入其他强化物质。 (1)活塞密封活塞密封 n活塞密封包括配气塞密封和动力活塞密封。主要是 动力活塞密封。 n为了保证活塞环能在一定的温度下长期可靠地工作， 摩擦功又不太大，要求活塞材料的干摩擦系数小， 又具有相当的稳定性。 n氟炭材料具有良好的干摩擦性能，适用于滑动密封。 特别是聚四氟乙烯(特氟隆)具有很好的冷流特性，在 较低的干摩擦系数下可获得良好的滑

51、动性能和密封 能力但这种材抖的热稳定较差，在120以上的温 度下工作，环很快磨损。 n当当聚氟乙烯充填玻璃纤维等材料后，就称为鲁隆， 它具有较好的热稳定性，良好的抗磨能力，但干摩 擦系数较大。 n 动力活塞密封环可以用“特氟隆”棒材经车削而成 为整体式，环上开有切口，安装在活塞环槽内。 n 双作用活塞密封环的工作条件比动力活塞密封环要 恶劣。它的上下压差比动力活塞环约高40，因此 要求活塞环具有很大的张力。可以采用内燃机刮油 环的形式，在整体“鲁隆”环的背面增设一根金属 弹簧，使“鲁隆”环沿径向有一定张力向外胀紧。 (2)活塞杆密封活塞杆密封 n作用：防止工质通过活塞 杆漏入曲轴箱，同时也防

52、止曲轴箱中的润滑油沿活 塞杆渗入闭式循环系统。 n在菱形传动配气活塞式热 气机中，必须设置两组活 塞杆密封装置。一组是动 力活塞杆与缓冲腔之间的 密封，另一组装在动活塞 杆和配气活塞杆之间。 热气机密封部位图热气机密封部位图 n密封形式中的几种： (a)绝对密封装置 ：呈圆锥 形的橡胶卷筒，大端固定 在缸体上，小端固定在活 塞杆上 。 (b)滑动密封装置 三处弹性密封件：顶密 封 ，刮油环 ，泵环 。气 腔，油腔。 (c)自动紧贴密封装置：密封 环,用于活塞杆密封，适用 于低性能指标的热气机 。 1.3.3动力传动系统动力传动系统 n热气机动力传动系统的任务热气机动力传动系统的任务 n三种类型

53、三种类型 ： 菱形传动机构 曲柄连杆机构 斜盘传动机构 v配气活塞式热气机常采用菱形传动机构，单 作用式热气机采用曲柄连杆机构，双作用式热 气机可采用曲柄连杆机构、斜盘或摆盘机构等。 1、菱形传动机构、菱形传动机构 n用于配气活塞式热 气机。 n结构组成结构组成 n工作特点工作特点 活塞正弦运动规活塞正弦运动规 律律 良好的平衡性良好的平衡性 缓冲腔缓冲腔 n适用于功率不大适用于功率不大 的热气机的热气机 菱形传动机构示意图菱形传动机构示意图 2曲柄连杆机构曲柄连杆机构 n这种机构用于内燃机上是成熟的。 n用于热气机，必须保活塞杆垂直运动以利于工质 的密封，因此构柄连杆机构通常是带有十字头的。

54、 n特点：特点：结构简单，但平衡性较差，单缸的平衡机 构更复杂。 3.斜盘传动机构斜盘传动机构 n结构组成结构组成 n优点：优点： n(1)结构简单、易平衡、扭矩特性好，活塞作简单的简谐 运动，气缸数选择自由空间大。 (2)改变斜盘的倾角可以改变活塞的行程，从而控制与调 节负荷。 斜盘传动机构示意图斜盘传动机构示意图 1.3.4调节控制系统调节控制系统 n热气机的控制系统可分为燃烧控制和功率控制两 大部分。 n控制要求是根据热气机的应用情况来决定： 若与固定频率的发电机组合时，在不同负载条 件下，热气机应保持转速稳定。 若与变工况运转的汽车相匹配时，则热气机应 能快速调节和控制转速和功率。 1

55、燃烧控制系统燃烧控制系统 n燃烧控制系统的基本要求： 在整个负载范围内都能保持最高的效率和稳定 的燃烧。 当负荷变化时，要求燃烧控制系统能及时调节 燃料供给量、空气流量，并保持稳定的空燃比 (一般为1.2左右)，使燃烧过程能正常地进行。 n热气机的运行效率主要取决于加热管内工质的最 高温度，加热管的温度就是燃烧控制系统的信息 源。 n菲利浦福持公司4215DA发动机上的控制系统。 n燃油控制系统的设计目标，是使加热管器的工作温度保持 在799不变。温度传感器是空气-燃油控制回路的初级控 制装置。通过温度传感器和空燃比控制器，既调节燃油的 供给，也控制进入燃烧器的空气量。 空燃比控制装置系统图空

56、燃比控制装置系统图 2功率控制系统功率控制系统 （1）压力调节法）压力调节法 n基本原理基本原理 n增加负荷增加负荷 n减少负荷减少负荷 n瞬时减小负荷瞬时减小负荷 n特点特点 n增大功率时的反应比 较灵敏，但减小功率 时却反应较慢 n压力控制法需要有压 缩机和贮气瓶，装置 比较复杂。 多缸热气机采用压力调节法的多缸热气机采用压力调节法的 控制系统图控制系统图 (2)附加容积调节法附加容积调节法 n基本原理 n容积增加，压力波幅 值减小，热气机的功 率于是下降。 n功率变化是非连续的 。 附加容积调节法的系统图附加容积调节法的系统图 n 这种调节法的优点是可省去压气机等装置，降低 成本，但无益

57、容积调节法的反应时间比压力法长， 不够灵敏。 调节过程中的压力幅及功率变化情况调节过程中的压力幅及功率变化情况 1.3.5 典型样机简要介绍典型样机简要介绍 n日本的日本的NS03M一一87型热气机型热气机 NS03M一一87型热气机剖面图型热气机剖面图 n燃用生物质的燃用生物质的ST一一5型热气机型热气机 ST-5型热气机剖面图型热气机剖面图 n美国美国STM4120太阳能热气机太阳能热气机 l中国海军新潜的中国海军新潜的AIP(Air Independence Power)技术技术:热气机热气机 第第4节节 热气机的循环分析及特性热气机的循环分析及特性 1.4.1 施密特循环分析法施密特循

58、环分析法 n实际循环是一个极其复杂的过程，要在完全真实的情况下 分析计算循环过程是十分困难的。 n 施密特(1871)对循环过程提出了经典性的理论分析-施密特 分析计算法。 n特点：特点： 1）假定活塞作简谐运动，同时考虑了加热器、回热器、冷 却器以及连接通道等附加容积的存在。 2）相对于按理想斯特林循环所导出的理论公式来说向实际 靠近了一步。但它仍保留理想斯特林循环的许多假定。 1.施密特分析法的基本假设施密特分析法的基本假设 压缩过程和膨胀过程是定温的； 在循环回路中，各处工质瞬时压力相等，即无流体摩擦阻 力损失； 工质遵守理想气体状态方程pVMRT，且作稳定流动； 工质总质量保持不变，即

59、没有泄漏； 工作腔容积按正弦规律变化； 回热过程是完全的，即回热器的有效性为100%； 循环系统各组成部分中的工质温度为恒值； 无机器的导热、散热损失及机械摩擦损失； 工况处于稳定状态。 2、符号说明及意义、符号说明及意义 VE 、VC - 热腔、冷腔的扫气容积 - 扫气容积比； = VC /VE Ve、Vc - 热腔、冷腔的瞬时容积； 、v - 活塞相位角、容积相位角。 VD - 总附加容积(或称无益容积)；包括加热器、回热器、 冷却器及联接管道等的通流容积。 -附加容积比；= VD /VE TE、 Tc 、TD- 热腔、冷腔和附加容积的工质温度； - 温度比； = TC /TE p、 Pm

60、ax、 Pmin 、Pm 分别为循环瞬时压力、循环最大 压力、循环最小压力、循环平均压力； - 曲轴转角，从热活塞在下止点起算的曲轴转角。 Me、Mc、Md - 在热腔、冷腔、附加容积中的工质质量； Mt - 工质总质量； VT - 总扫气容积； 单作用式热气机 VT(1+)VE； 配气活塞式热气机 VT(1+)VE - VL VL -活塞行程重叠容积 称为压力相位角。这是一个重要的参数，它标志着循环 压力变化的特征点。 ) cos sin ( 1 tg 3单作用式热气机的施密特分析单作用式热气机的施密特分析 (1)基本方程式基本方程式 n 单作用式热气机的各腔容积与曲轴转角的关系： 瞬时热腔