第一章 热气机

第一章热气机主讲人：郭鹏江山东理工大学主要内容1.1概述1.2热气机的工作原理1.3热气机的构造1.4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第1节

热气机概述定义：热气机是一种外部加热闭式循环活塞式发动机。发明人：1815年，英国苏格兰牧师罗伯特·斯特林(RobertStirling)发明了这种发动机，因此，热气机又常称为斯特林发动机(stirlingEngine)。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。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。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。优点

可以燃用多种照料，还可利用太阳能、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。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。返回上级主要内容第2节

热气机的工作原理工作过程描述：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1、定义：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。过程l-2为定温压缩过程;过程2-3为定容吸热过程;过程3-4为定温膨胀过程;过程4-l为定容放热过程。

热交换是在定容过程中完成的，又称为定容回热循环。

2、斯特林循环与卡诺循环卡诺循环：两个定温过程和两个绝热过程所组成的可逆循环。热效率：ηC=1-（TC/TE）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。卡诺循环是最有利的一种热力循环，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）热效率比较

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。不同的过程：斯特林循环在极限回热的情况下，其定容放热过程所释放的热量与定容吸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。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热效率相同。（2）做功能力的比较在p—V图中，由循环过程所组成的面积表示循环功的大小。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循环功要大。p—V图中的阴影面积代表斯特林循环比卡诺循环增加的功;T—S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。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）动力性比较循环平均压力：表示单位气缸工作容积所做的循环功：

Pt=W/V0Pt越高，说明做功能力越大。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。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。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可用于多种热机。（1）原动机定义：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：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。heatworkheathotreservoir,THcoldreservoir,TC（2）制冷机

用于制冷机时，外部热源在膨胀过程中的温度低于压缩过程中工质的释热温度。膨胀过程3′—4′把热量从冷区抽走。压缩功对原动机和制冷机都是相同的。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。工质在过程2—3′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4′—l时，工质温度相应地增加。相同处：都是在Tc温度下压缩，压缩功相同。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，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：（3）热泵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。斯特林循环用于热泵，其工作过程与制冷机完全相同，它的膨胀腔温度Tr也低于压缩腔温度Tc；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1.2.2热气机的结构类型1、热气机的主要结构特点（1）热气机的主要组成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：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。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。实现回热循环：应有一个交替地吸热和放热的装置——回热器。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。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。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、热气机分类（1）单作用式热气机结构特点：热气机有两个活塞分别置于两个气缸中，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。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）配气活塞式热气机

①单缸配气活塞式热气机

结构组成活塞作用:配气活塞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。加热器回热器冷却器动力活塞配气活塞膨胀腔压缩腔单缸配气活塞式热气机结构图

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重叠的，故冷腔的最小容积理论上可以是零。多种形式：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。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。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。②双缸配气活塞式热气机

结构组成双缸配气活塞式热气机工作过程演示配气活塞膨胀腔加热器回热器冷却器配气活塞回热器配气活塞回热器配气活塞冷却器回热器配气活塞配气活塞配气活塞膨胀腔动力活塞压缩腔冷却器配气活塞加热器双缸配气活塞式热气机优缺点：

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。

膨胀腔动力活塞压缩腔冷却器回热器配气活塞加热器配气活塞式热气机的优缺点：

优点它比单作用式热气机较易解决往复件的密封技术问题。便于解决平衡和振动问题。

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。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。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。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1、结构和假设（1）结构组成（2）温度：热腔温度为TE；冷腔温度为Tc。回热器两端的温度梯度为TE-Tc。（3）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循环开始时的活塞位置冷活塞热活塞膨胀腔压缩腔加热器冷却器回热器2、过程分析（1）定温压缩过程1-2①过程描述②参数变化V：V1=VmaxV1=Vmin；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。定温压缩过程起始点1点定温压缩过程终止点2点③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）定容吸热过程①过程描述②参数变化V：保持不变；T：T2升高到T3=TE；P：P2升高到P3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起始点2点定容吸热过程终止点3点定容吸热过程起始点2点③转换热量与熵变根据理想气体状态方程，在定温过程中：

假设定容比热Cv取为定值或平均值，则有：

（3）定温膨胀过程

①过程描述②参数变化V：从V3=Vmin增加到V4=VmaxT：TE=Tmax

保持不变；P：P3降低到P4

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。定温膨胀过程起始点3点定温膨胀过程终止点4点定温膨胀过程起始点3点③转换热量与熵变

（4）定容冷却过程

①过程描述：②参数变化V：保持不变；T：T4=Tmax=TE下降到T1=Tmin=Tc

；P：P4下降到P1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终止点1点定容冷却过程起始点4点③转换热量与熵变根据理想气体状态方程，在定温过程中：

假设定容比热Cv取为定值或平均值，则有：

3、完整的斯特林循环参数变化熵的变化量为零△S=△S1+△S2+△S3+△S4=0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+W3-4=QC+QE

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

1.2.4理想循环与实际循环

1．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功图比较配气活塞式热气机配气活塞和动力活塞的正弦运动轨迹(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。存在附加容积。实际发动机所用的工质并非理想气体。回热器不是完美的。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。热气机常采用十字头式曲柄连秆机构，两活塞作简谐运动。一单作用热气机的结构冷热热冷下止点中部上止点中部压缩过程的活塞运动(1)压缩过程曲轴转角0～90°冷活塞从下止点运动到行程中部，冷腔容积缩小了一半。热活塞从行程中部运动到上止点，热腔容积减小到零。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。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=0.29V0

才是最小工作腔容积上止点中部上止点中部热上止点中部冷热上止点中部压缩过程的容积变化冷热上止点中部冷热定容加热过程的活塞运动(2)定容加热过程曲轴转角90～180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；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。工作腔总容积的变化很小(在0.5V0到0.29V0之间变化)，且在工作腔最小容积附近发生，因此与理想循环的定容过程相似。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活塞运动上止点热冷热膨胀过程的活塞运动膨胀过程的容积变化

(3)膨胀过程

曲轴转角：180°～270°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；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。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。冷热冷热中部中部上止点下止点冷热热冷热冷热冷热

(4)定容冷却

曲轴转角：270～360°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；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。工作腔总容积的变化幅度较小(在1.5V0到1.71V0之间变化)，变化幅度仅为0.21V0，因此可认为接近定容过程。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。返回上级主要内容定容冷却过程的活塞运动定容冷却过程的容积变化下止点下止点中部冷热冷热

热腔容积VE的变化律

V0—热腔的扫气容积

—从冷活塞下止点起算的曲轴转角冷腔容积Vc的变化规律活塞行程容积与曲轴转角的关系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：

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1、主要组成

外部供热系统闭式循环系统(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2、工作过程外部燃烧系统和调节控制系统闭式循环系统动力传动系统1.3.1外部供热系统1、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)气流流程3、流程燃烧器鼓风机新鲜空气空气预热器调节器油箱燃油泵加热器外界(2)气体温度变化预热燃烧传给加热器传给预热器常温600～700℃1600～2000℃800～1200℃300℃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（1）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3～5％鼓风机应根据需要专门设计，经常采用的鼓风机为离心式，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85~90%，不仅节约热能还能改善燃烧，简化排气系统结构。结构：一般为逆流式换热器。A、板式预热器材料：耐热合金钢片(约0.2mm)手风琴状温度为800～1200℃的燃气流与温度为40～60℃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℃。不受机械应力要求：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器

材料：多孔陶瓷小孔直径：约0.5mm，预热器圆盘厚：40mm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5～6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。体积，成本上较有利，清洗方便，换热效率较差。（3）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燃烧器形状：薄壁锥形圆筒直接与高温燃气接触（1800-2000度），需对燃烧器进行冷却温度：800~1000度不受压力材料：耐热合金钢涡流发生器：提高火焰稳定性B燃油喷雾器

①缝隙式燃油喷雾器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）。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。喷油器的引射空气量约占燃烧空气量的2～3%。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②涡流式压力喷油器喷油器前端是一涡流室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通过回油阀可控制喷油量的多少。（4）燃烧炉

燃用固体燃料沸腾炉燃烧（流化床燃烧），是指燃料颗粒处于“流态化”状态下的燃烧。固体燃料送入炉膛中的炉蓖上，空气从炉篦下方引入。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。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：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。燃烧温度较低(850～l000℃)，可减少或抑制NOx的产生炉床温度比较稳定，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：飞灰损失大，需要设置除尘器捕集飞灰，使其返回炉内继续燃烧。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）太阳能加热装置结构工作原理太阳能内部加热的热气机。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。加热系统非常简单、轻巧，附加容积较小。成本低、热效率高。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1、功能：2、组成：主要由气缸体、加热器、回热器、冷却器、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2π。

闭式循环回路的组成配气活塞式热气机工作演示图（1）加热器头结构：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。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构加热器头的组成主要零件：加热器管组

职能：将高温燃气热量传入加热器管内壁，并由工质吸收，达到对工质加热的目的。

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。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)。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；（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上下温差可达400～600℃，承受很高的机械应力和较高的热应力。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。一般都要用耐热合金钢或不锈钢加工或精密浇铸而成。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：1.空隙2.

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：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：筛网式载热体回热器球状颗粒载热体回热器卷席式填料回热器环形缝隙式回热器陶瓷回热器①筛网式载热体回热器

回热器芯用直径为0.035～0.1mm的不锈钢丝制造；面容比：300cm2／cm3。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，保证透空率和换热面积。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：A、回热器孔隙液力直径：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。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:长径比大，换热效果好，减少轴向导热损失，流阻损失大。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。回热器的长径比为0.5～2.5，较低值适用于空气作工质或要求具有较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。②球状颗粒载热体回热器其载热体由数千个直径为3mm左右的钢球组成。回热器两端有罩板，以固定钢球位置。罩板上开有多条窄槽，槽宽要小于钢球直径。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。③卷席式填料回热器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。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。卷席式填料回热器

④环形缝隙式回热器对缸径小于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。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。⑤陶瓷回热器近年开发的新型回热器蓄热能力强价格低机械强度和耐热冲击力差（4）冷却器功能：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。冷却剂：通常用水或水和甘醇的混合液。管壳式冷却器：工质轴向地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。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）活塞组功能：是将工质的能量转换为机械功的部件。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400～500℃)，但压差很小，其值相当于工质通过各热交换器时的压力降。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2～3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。密封：动力活塞上下端的压差达5～l0MPa，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。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。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

重要性：保证热气机正常工作必不可少的条件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。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。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。热气机的密封环不允许用油润滑。

原因：润滑油或其油蒸气堵塞回热器和沾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。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)活塞密封活塞密封包括配气塞密封和动力活塞密封。主要是动力活塞密封。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。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。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。

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。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)活塞杆密封作用：防止工质通过活塞杆漏入曲轴箱，同时也防止曲轴箱中的润滑油沿活塞杆渗入闭式循环系统。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动力传动系统热气机动力传动系统的任务

三种类型：菱形传动机构曲柄连杆机构斜盘传动机构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、菱形传动机构用于配气活塞式热气机。结构组成工作特点活塞正弦运动规律良好的平衡性缓冲腔适用于功率不大的热气机菱形传动机构示意图2．曲柄连杆机构这种机构用于内燃机上是成熟的。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。特点：结构简单，但平衡性较差，单缸的平衡机构更复杂。3.斜盘传动机构结构组成优点：(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1.3.4调节控制系统热气机的控制系统可分为燃烧控制和功率控制两大部分。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．燃烧控制系统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。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。菲利浦／福持公司4—215DA发动机上的控制系统。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

2．功率控制系统

（1）压力调节法基本原理增加负荷减少负荷瞬时减小负荷特点增大功率时的反应比较灵敏，但减小功率时却反应较慢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控制系统图

(2)附加容积调节法基本原理容积增加，压力波幅值减小，热气机的功率于是下降。功率变化是非连续的。附加容积调节法的系统图

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

1.3.5典型样机简要介绍日本的NS03M一87型热气机

NS03M一87型热气机剖面图燃用生物质的ST一5型热气机

ST-5型热气机剖面图美国STM4—120太阳能热气机中国海军新潜的AIP(AirIndependencePower)技术:热气机

第4节热气机的循环分析及特性1.4.1施密特循环分析法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。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。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pV＝MRT，且作稳定流动；工质总质量保持不变，即没有泄漏；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VE

、VC-热腔、冷腔的扫气容积

κ-扫气容积比；κ=VC/VEVe、Vc-热腔、冷腔的瞬时容积；φ、φv-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。

χ-附加容积比；χ=VD/VETE、Tc

、TD-热腔、冷腔和附加容积的工质温度；

τ-温度比；τ=TC/TEp、Pmax、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+κ)VE；配气活塞式热气机VT＝(1+κ)VE-VLVL-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。3．单作用式热气机的施密特分析

(1)基本方程式

单作用式热气机的各腔容积与曲轴转角的关系：瞬时热腔容积瞬时冷腔容积总附加容积

工作腔总循环容积Vt＝Ve+VD+Vc

两种热气机的容积变化与曲轴转角的关系

下止点上止点上止点下止点各腔的工质质量系统中各点的瞬时压力p均相同，并假定TE

，Tc，TD为常数，根据理想气体特性方程

热腔工质质量冷腔工质质量附加容积工质质量总工质质量假定C为某一系数；按上面形式，也可将工质总量MT写成：

瞬时压力的公式

根据工质质量关系式得到

令：则可得到利用三角函数关系，有

因此可得：得到简化的瞬时压力的公式：

(2)循环压力的变化及循环平均压力

当α

=θ+π时，p为最大值，即：从而瞬时压力p可表示为：

或从上式可看出，系统内工质瞬时压力p是曲轴转角的函数，呈余弦变化规律。

当曲轴转角α=θ时，循环压力p为最小值，即：压力比rp定义为：

循环平均压力Pm：

求解后可得循环平均压力Pm

最终表达式：

(3)循环功和循环效率

热腔循环功(膨胀功)WE为：因得用Pm取代Pmax后，可得到热腔膨胀功

冷腔循环（压缩功）Wc为:经过类似上述处理，可求得冷腔压缩功（或传热量）为：热气机的总循环功WT为膨胀功和压缩功之和，即故总循环功WT为：或

循环热效率

在定温循环中，通过加热器传给工质的热量QE等于循环膨胀功WE

即热气机的循环效率等于卡诺效率

功率NT=WT（n/60）

施密特分析法的特点：活塞在连续运动的情况下，考虑了附加容积的存在，只要压缩和膨胀在定温下进行，且回热器工作是完美的，无摩擦及导热等损失，则热气机仍可达到热力学的最高循环效率。施密特循环分析法仍是理想化的，以致实际发动机的性能最多不会超过按施密特循环计算所得结果的60％，甚至往往只有40～50％。施密特计算法至今仍被人们引用，主要原因是其方法简单，可以揭示热气机的性能与其工作参数及结构参数之间的关系，有利于指导热气机的设计及参数选择。1.4.2影响热气机性能的主要因素WT是Pmax，VE，τ，δ，θ的函数，δ又是τ，χ，κ，φ的函数，而θ是τ，κ，φ的函数因此，可将循环功表为：

WT=f（Pmax，VE，τ，χ，κ，φ）也就是说，可以用Pmax等六个参数的优化组合，既满足对循环功的要求，又使机器的尺寸和重量达到最小。影响热气机性能的参数共20余个。除上述提到的六个参数外，发动机转速n，容积压缩比ε以及工质性质等，对热气机性能的影响也是很大的。1．工质压力Pmax(或Pm)和扫气容积循环压力及气缸扫气容积与循环功是成正比的。在其他条件不变的情况下，循环最大压力Pmax(或Pm)以及扫气容积VE的增大，意味着p—V图的高度或宽度增加，功图面积扩大。(1)工质压力想要得到高的循环功，必须提高循环压力，但对活塞和活塞杆密封的要求也相应提高。是否能提供性能优良的密封装置，是能否大幅度提高热气机功率的关键。高指标的热气机，平均循环压力Pm一般为10～20MPa，但农用固定式热空气机，Pm为0.5～2MPa。

单缸30kW、用氢作工质的菱形传动配气活塞式热气机。随着循环压力的增大，有效功率接近线性地增加，有效效率ηe也有所提高。原因是由于摩擦损失功率随循环压力增大变化较小，而指示功率随循环压力成正比地增加。热气机功率和效率特性曲线（2）扫气容积热腔扫气容积VE的增大，必然导致机器尺寸和重量的增加。气缸直径增加，活塞行程也相应加长；考虑到运动件的往复惯性力及机器工作寿命，发动机的转速需要降低。因此增大VE来提高功率并非良策。（3）无因次循环功系数Cw

虽然相同的最大循环压力和扫气容积，但可以得到不同的循环功，这是由于许多其他参数能否合理组合的影响。Cw越大，表示在一定的压力和容积下发动机的循环功越大，说明各参数的选择及组合越好。

在上式中已消掉了Pmax和VE，故循环系数Cw仅是温度比τ等的函数，即CW=f（τ，χ，κ，φ

），如果将四个参数优化组合，即能在给定的循环压力及扫气容积下获得最大的循环功。2.温度比τ温度比τ对热气机性能影响很大，理论循环效率随τ的减小而增大。若想获得大的循环功和高的循环效率，应尽量降低温度比τ。要提高热区温度TE和降低冷区温度Tc是受到限制的。温度比τ对循环的影响（Tc=300k，χ=1.0，κ=0.8，φ=90°）加热器的壁温应越高越好，但受到外部热源形式、加热方式、材料的限制。加热器：奥氏体不锈钢：650°C，高级耐热合金：750-800°C，陶瓷材料：1100-1200°C

在使用金属加热器的情况下，实际热气机的温度比范围τ＝0.3～0.35。如开发利用陶瓷作为加热器材料，温度比可以降到0.23~0.25。冷腔温度对热气机性能的影响也颇大。当冷却水进口温度从60℃降到30℃时，有效效率相对增加约11％，有效功率增长约10％。车用热气机由于受到水散热器尺寸的约束，冷却器进口水温通常高达60～75℃；如用作船舶动力，进水温度与环境温度接近，为15～35℃。3．附加容积比

χ

附加容积比是热气机特有的结构参数之一。χ越大CW越小，当增大即总附加容积增加后，容积压缩比ε下降，从而使循环压力的变动幅度减小，导致循环功Wt相应降低。

附加容积比对循环系数Cw的影响（φ和κ为常数）

单纯从理论循环功来看，似乎χ应越小越好，当附加容积为零时，循环功达到最大值。VD在实际热气机中是不可少的。如果VD过小，不仅使工质的流动损失显著增大，而且因没有足够的换热面积而导致换热量不足，使功率无法达到，效率也会下降。附加容积比的通常范围是=1.3～2.0。较低值适用于低压、低速热气机，较高值适用于高压、高速热气机。在保证各换热器必要的换热能力的前提下，应尽量减小附加容积比。4．扫气容积比κ和相位角φ对应不同的τ，κ均有一最佳的值，此时的循环功系数最大。常用τ值下的最佳扫气容积比在κ=0.75～1.0之间。实际热气机的各气缸直径往往设计得相同，因而κ值都在1.0附近。相位角φ对循环功系数Cw的影响较小，单作用式热气机的最佳相位角在90°附近。配气活塞式热气机的在110～135°范围内（χ=1)。单作用式热气机的扫气容积比对Cw的影响χ=1，1-τ=0.252-τ=0.33-τ=0.354-τ=0.4

Κ和φ对循环功系数Cw影响的三维图

此三维图是在τ=0.3、χ=1.0时得到的，曲面顶点所对应的φ

=0.54∏、Κ

=0.74，即为上述条件下的最佳组合，可获得最大循环功。

5．容积压缩比ε

热气机ε的选择与其他结构参数有密切的关系，是难以独立选择的。(1)定温过程在等温条件下，并考虑到回热器的效率时，循环效率：式中：k-比热比,k=Cp/Cv;r-回热器效率。若r＝l，则=1-τ。若r

＜l，<1-τ

。是随的ε增大而增大，当ε越大时，越接近(1-τ)。

(2)绝热过程绝热压缩和绝热膨胀：热气机实际循环是多变过程。现代热气机的τ=0.3～0.35，用氢或氦作工质，r=0.9～0.95，从图看到，ε应当小于2才能获得最高的循环效率。一般ε在1.6～1.9之间。

绝热状态下的循环效率与压缩比及回热器效率的关系

(3)压缩比ε与总附加容积VD的关系热气机的ε与工作腔容积变化的程度有关，与附加容积比也密切相关。按定义：

当VD减小时，ε增加，使压力变化幅度加大，循环功增加。现代热气机的附加容积比x=1.3～2.0，压缩比ε小于2。若ε

＝2.5时，x降至0.7左右，热气机的性能将是低劣的，因为这时没有足够的换热面积，同时流阻损失猛增。6．热气机工质和转速的影响工质的影响在热气机闭式循环系统中所采用的工质，对热气机的性能影响很大。正在研究工质：复合工质，由气态载体和相变成分两部分组成。实际热气机上常用的工质有三种：空气、氦气和氢气。差别是由于工质的物理性质，如密度、比热、导热率及粘度的不同所造成的。应根据发动机的使用要求和场合来选定最适当的工质。热气机用三种不同工质的试验结果空气最易获得，并可降低对密封装置的要求，但空气工质的严重缺陷是比功率低、流动损失大、效率低以及机器尺寸大，难以满足高性能指标的要求。适用于指标要求不高的固定式热气机。氢气有最佳的热力特性，但以氢气作工质，热机的密封装置设计困难增加，而且氢气易从金属壁渗漏使金属脆化，又容易着火，如何保证安全是个大问题。氮气的性能比氢气略差，价格昂贵，但使用安全。高性能指标的现代热气机都是采用氦气或氢气作为工质的。转速的影响转速n是一个很重要的运转参数。热气机的总指标功率及摩损功率基本上与n成正比。由于在低转速时漏泄损失相对增加，而在高转速时流阻损失又急剧增大，因此，效率最高值通常出现在中等转速区域。转速的选择主要根据发动机的使用要求和采用的工质，若对尺寸和重量要求较高(如车用热气机)，而又准备用氢气或氦气作工质，则转速应选得高些，比功率可增大。如要用空气作工质，则转速不应大于l000r／min以保证一定的热效率。热气机功率和效率特性曲线1.4.3热气机的特性1．热气机的主要优点(1)多种燃科、多种能源的适应性热气机能够使用任何种类的热能，如各种燃料燃烧产生的热能、太阳能、化学能和原子能等。热气机所用燃料要比内燃机广泛得多。热气机对多种能源的适应性是十分吸引人的。由于石油资源不断减少的总趋势，而热气机正符合当前世界范围内能源结构正在发生变化的要求。(2)良好的环境特性排放低：热气机的燃烧是在接近大气压力下连续进行的，燃烧温度变化小、燃烧室的内壁很热；可以采用足够的过量空气系数，燃油与空气的混合良好，因而燃烧完全，有良好的排放特性。运转噪声低：是因为热气机气缸中工质的压力变化平缓，运动件的撞击声小。没有内燃机的爆燃声，进、排气噪声和气阀周期性的敲击声。热气机的噪声主要来自传动机构及附属设备。经测量，装有菲利浦热气机的大客车其噪声级为68dB(A)，比小轿车低10—15dB。(3)扭矩特性好、运转平稳热气机循环扭矩变化比同等功率的内燃机小得多。多缸热气机的扭矩变化小，使得运转平稳，发动机所需要的飞轮重量、尺寸大为减小。

热气机与柴油机相对扭矩的比较(4)高的热效率燃用柴油或天然气的高性能热气机的有效效率已达到32～38％，固定装置、船用热气机的有效效率个别可达40％以上。这样的指标完全可以与当代先进的内燃机媲美。(5)润滑油消耗少、工作条件好热气机闭式循环系统中的气缸、活塞组是绝对不能用滑油润滑的，需要润滑的只是传动机构。热气机的润滑油消耗是很少的，这不仅使发动机的润滑系统调化，而且减少了运营费用。2．热气机的不足之处：

(1)成本高需要使用较昂贵的耐高温金属(不锈钢或耐高温合金)来制造加热器及热部件，而这些材料的加工和联接比一般金属困难；用不锈钢材料制造的进气预热器和回热器。(2)密封装置问题高性能的热气机不仅要增加循环系统中的工质压力，而且要采用氢气或氦气作工质，密封装置必须能有效地保存高压、低摩尔质量的气体在闭式循环系统内，否则达不到设计的性能。要防止润滑油或油气渗入循环系统，以免堵塞和污染换热器。还要求在没有润滑的情况下具有较低的摩擦损失，同时要求装置寿命长、保养要求低、容易更换，因此对密封装置要求是严峻的。(3)启动慢、控制调节系统复杂热气机是依靠加热器对工质进行加热才能工作的，发动机启动前加热器必须预热到所要求的状态。在使用石油燃料时即使环境温度为20℃，它的启动时间(包括预热和拖动)约为20～30秒，这显然比内燃机要长得多。作为车用热气机，由于发动机热部件存在热惯性，为适应车辆负荷和车速的频繁变化而增减燃料供给，还要有一套较为复杂的功率调节系统，这套系统的造价高达整机造价的20～30％。因此，如何使控制、调节系统有效和进一步简化，是又一重要问题。3．热气机的科研方向(1)寻求制造加热器、回热器和活塞等部件的价格较廉的耐热金属或代用材料，以及能适应大量生产的制造工艺。(2)进一步完善密封装置和控制调节系统。(3)研究特种热源和扩大热气机的应用范围。(4)发展使用热管的热气机。(5)进一步加深对循环过程的研究，寻求比较精确而又不很复杂的设计计算方法。1.5.1设计参数及工质的选择1．基本参数的选择

影响热气机性能的参数很多，包括结构参数和工作参数共有20多个。在进行设计时，对影响小的参数可暂不考虑。影响循环功的主要参数有：(1)热活塞最大行程容积VE（包括热腔缸径DE和热活塞行程SE）(2)工质的循环压力P

m或Pmax(3)温度比τ(4)活塞扫气容积比κ

(5)附加容积比χ

(6)活塞相位角φ和容积相位角φ

v(7)转速n第5节热气机基本参数的选择及计算2．性能综合系数B的确定热气机的功率与热腔容积VE、循环压力Pm及转速n成正比。热气机的输出功率可以近似地表示为：（W）式中：B一性能综合系数，又称为皮尔数。它能够反映所选的主要参数和设计水平对热气机性能的综合影响。B＝0.08～0.20；Pm-循环平均压力，单位为MPa;VE-以每缸容积计算，单位用cm3

n-转速(r/min)；Z-缸数；Ne-输出功率，单位为W。性能综合系数B的选定:B与加热器管壁温度、热气机的结构、设计水平、工质及运行状况有关。但主要取决于加热器管壁温度。图中的实线表示，在假定冷却水温是60～70℃的条件下，B值与加热器管壁温度的关系。试验发现，大多数热气机的B值都散落在实线两侧所画出的两条虚线之间。冷却水温度较低且设计精良的高效率热气机，B值接近上极限曲线；冷却水温度高且设计稍差的效率中等的热气机，B值接近下极限曲线。

综合系数B与加热器管壁温度的关系3．有效功率Ne与热效率的估算（1）有效功率估算根据材料要求选定加热器管壁的温度THM，参照设计的情况及所选参数，从图中选定B值，由有效功率公式估算出该热气机的有效功率。例如荷兰菲利普公司所试制的4-235型热气机：

THM为700℃；选定B＝0.15，再根据此热气机的VE＝0.235L，n=3000r/min，Pm＝22MPa，则计算得到热气机的最大功率为155kW，与该型热气机实际最大功率147kW接近。(2)热效率估算最有效的热气机，其热效率可以达到卡诺效率的60％，但设计或制造较差的热气机，其热效率低于卡诺效率的40％，但大多数热气机的热效率在44～55％之间。若假设热效率为卡诺效率的50％。则热效率可表示为：TE取决于THM，而Tc则与环境温度及冷却系统的冷却能力有关。例如采用铁基的耐热合金钢A286作为加热器管材料，THM可以允许到760℃；冷却水进口温度为15℃；另假定加热器管壁与工质间的温度梯度为80℃，冷却器管壁与工质的温度梯度为30℃，则热气机的热效率估算为：

若采用普通耐热不锈钢，THM为650℃，冷却水进口温度为60℃。则：从上两例比较可见，采用不同的加热器管材料及不同的进水温度，对热效率的影响是很可观的。必须指出，影响热气机的Ne和ηe的因素十分复杂，上面介绍的只适用于粗略的估算。4．气缸直径D与平均循环压力Pm的关系以设计一台小型单缸热气机为例，最大功率为2.2kW，THM为650℃，大修期不低于3000h，采用菱形传动机构。为保证3000h的大修期，活塞平均速度Vm不大于3.0m/s。活塞平均速度Vm=2S·nf则

nf=Vm/2S

式中：

nf

-循环频率（Hz）nf=n/60

将上式代入有效功率估算式，得到

Ne=BZVmPm(W)于是气缸直径即成为平均循环压力Pm的函数。为保持同样的最大功率，采用不同的Pm

，即有不同的气缸直径。提高平均循环压力可将缸径减小，使机器小型化和轻量化，但绝密封造成更大困难。设Pm采用3MPa，取B＝0.12，Ne=2200W，因采用空气作工质，取Vm=160cm/s，Z=1，则D=9.86cm，取D＝10cm。活塞行程S通常是0.5～0.9D，较短的活塞行程有利于提高循环效率。取S＝0.7D，则S=7.0cm。因此，可求出活塞的行程容积VE=549.5cm3。5．循环频率nf和转速n

nf=Vm/2Sn=60nf在活塞平均速度Vm＝160cm/s的情况下，活塞行程S=7.0cm，则nf=11.4Hz；n=686r/min在空气作为工质的情况下，选用686r/min作为最高转速是合适的。若采用氢气或氦气作工质，则转速可以提高到2000r/min或更高，而效率仍可保持在较高的水平。6．附加容积比x和容积压缩比ε当附加容积比x增大，容积压缩比ε下降，压力比rp减小，热气机功率下降。但因换热面积增加，有可能使热效率提高，运转更加平稳。当选用x

=1.6时，则总附加容积要控制在880cm3以内，此时容积压缩比ε=1.5～1.6，rp=1.8

～2.0。1.5.2循环功的计算1．冷腔、热腔容积的计算冷腔容积的两个极限位置冷腔容积为零

冷腔容积最大工作演示冷腔容积为零时的位置曲轴转角为α时的位置当曲轴转角为α时，两活塞的距离Scx为：

式中：L-连杆长度；R-曲柄半径；E-偏心距；

α一从冷腔容积最小时起算的曲轴转角。冷腔容积的计算当α＝0时，Scx＝Scmin；当α=180°时，Scx＝Scmax，即两活塞的距离最大。

所以冷腔最大容积为：

式中：D-气缸直径；d-配气活塞杆直径。