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热力发动机原理
空气热机的机构分为:加热电源、加热电阻丝、汽缸(高温区、低温区)、工作活塞、位移活塞、飞轮、活塞连杆等部分组成。空气密封在汽缸中,不与外界进行气体交换。工作活塞移动改变气体体积。工作活塞和位移活塞移动使气体进行交换。气体交换是通过中间充满细铜丝(细铜丝能够提高通过气体的热交换速率)的通道进行。
热机气缸的工作原理如图(图中箭头表示活塞运动方向,不表示气流方向):在热机中,位移活塞和工作活塞通过活塞连杆连接到曲柄上,位移活塞在工作活塞上方。在活塞的运动周期中,位移活塞超前工作1/4个周期。当工作活塞位于最顶部(称为上死点或上止点)时,位移活塞向下运动并将空气向上转移到汽缸上部的加热部分,空气被加热膨胀驱动工作活塞向下运动。此时机械功转移到飞轮,当工作活塞位于最下端(称为下死点或下止点),位移活塞向上运动并向下转移空气到汽缸的冷端部分,空气被冷却并被工作活塞压缩,压缩所需要的机械功由飞轮提供。
热机汽缸工作原理图
斯特林循环(Stirlingcycle)由两个等温过程和两个等容过程组成,空气加热或冷却体积不变,在体积膨胀和压缩时温度不变。因此热机的热力学循环状态:等体加热a,等温膨胀b,等体冷却c和等温压缩d。一次循环对外做得动等于p-V图中曲线所包围的面积,由于工作活塞作正弦运动,无法获取等体变化过程。斯特林循环与卡诺循环的相同点是:等温膨胀从高温吸热和等温压缩外界对系统做功,当循环的上下限温度相同时,斯特林循环和卡诺循环的效率相同:
为冷源绝对温度,
为热源绝对温度,热机冷热源温度比值越小,热机效率越高。