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摘 要：由于热气机具有很多内燃机不具备的优点，近年来受到了越来越多的关注。为了研究热气机的性能，以斯特林循环为基础，设计并制作一款小型简易循环热空气发动机。首先通过查阅文献资料，利用SolidWorks软件完成热气机的设计、零件的装配和动态仿真；然后选择合适材料完成热气机的制作，并开展实验测试，得到热气机运转的参数；最后针对实验结果，对如何提高热气机的热效率和功率，提出改进措施。
关键词：清洁能源；斯特林循环；热气机
中图分类号：V236 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0252-01
現在，随着全球能源与环保的形势日益严峻，热气机由于具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越收到重视。在航空、陆地、水上及水下灯各个领域都具有广阔的应用前景。本课题将制作一款外部加热的封闭往复式循环发动机，可实现模拟真实工况工作，为日后该类型发动机的应用及研究工作奠定基础。
在美国、意大利、日本等国家都争相进行着热气机的研制工作，争取占领这部分市场。但是目前热气机的技术还不成熟，只在军事和小规模发电领域中有所应用，还不能广泛运用在人们的生活之中。而在内燃机不能完全涉足的农村能源、城镇热泵等领域，热气机有广泛的运用空间。我国虽然之前对热气机投入较少，随着实力愈加雄厚，现在也在对热气机进行着研究，取得了不俗的进步。
在将来，热气机将凭借着自身的优点，越来越受到人们的重视，尤其是在小功率发电设备中的应用的性价比优于内燃机，具有很高的研究价值。热气机的广泛使用对环保，节能减排方面也有着重要意义。
1 工作原理
系统工作原理基于斯特林循环，由两个等温与两个等容的可逆过程组包括：
（1）气体等容吸热升温。
（2）气体等温吸热膨胀。
（3）气体等容冷却降温。
（4）气体等温冷却收缩。
由此可见，热气机理论热效率等于卡诺循环效率。但由于能量的损失，实际效率比卡诺效率低。
热气机特点：
（1）能量来源广泛
热气机属于外燃机的，因此只要能产生一定温度的热源都可使热气机运转。比如说化石能源，工业余热等。
（2）工质封闭循环
热气机的工作发生在气缸内，因此与外界没有工质的交换。和汽车普遍用的内燃机相比，没有排放气体污染的问题。其性能受环境气压影响小，能适应在多种环境下工作，有的甚至可在真空、水下工作。
（3）理论热效率高
理想热气机工作是有两个等容与两个等温过程构成，理论热效率等于卡诺循环效率。
2 系统的结构设计
2.1 气缸结构
系统效果图如图1所示。气缸是由空心铝合金型材制成，经过密封处理。气缸下端是加热管，加热管下方可以用热源如酒精灯对此进行加热。大气缸上方，左边是配气气缸，右边为动力气缸。气缸内分别有配气活塞和动力活塞。配气活塞与动力活塞通过曲轴相连。
当热源对加热管进行加热时，加热管处受热膨胀，配气活塞上移。同时动力活塞处受冷收缩，动力活塞下移。在动力活塞和移气器上分别加一连杆连接到同一曲轴上，形成曲轴连杆机构。从而使动力活塞的上下移动转变为曲轴的旋转运动。
（细节来说就是空气膨胀释放出来的功大于压缩空气消耗的功。热的空气膨胀功比冷的空气膨胀功大，冷的空气比热的空气压缩功小。那么如果使空气在冷时压缩，压缩功就小，在热时膨胀，膨胀功就大。得到的结果就是输出功=（膨胀功-压缩功）为正，也就是开始运作。）
2.2 制作详情
工作介质为空气（导热系数0.024）；活塞行程25mm。
气缸：铝合金，16mm×16mm×50mm。
支架：铝合金2mm×14mm×100mm。
配气气缸：玻璃高度22mm，内径9mm。
动力气缸：玻璃高度24mm，内径9mm。
3 实验结论
在酒精灯加热下，发动机可正常运转，达到预期的工作效果。
4 实验中的问题与解决改进
（1）效率低
解决方法：可以将气缸内的气体换成导热系数跟高的氦气或氢气（空气和氮气的导热系数是0.024，氦气是0.16，氢气是0.17），但是由于工艺水平有限，气体防漏的问题难以解决，导致气缸内气体易泄露；也可以对气缸内气体加压，但高压防漏的问题同样难以解决。
（2）预热时间长
解决方法：增加热源温度。
5 总 结
实验中采用的是小型热气机。与目前可投入使用的小功率发电设备中的热气机结构虽有较大差距，但是基本原理相同。从实验中不难发现，热气机相比较与传统的内燃机拥有燃料来源广，热效率高，污染小，运转稳，噪音小等优点。
相信随着越来越多的国家机构开始重视热气机的发展，将得到更广泛的应用。在提高能源利用效率，保护环境，节能减排等领域发挥重要作用。
资助项目：中国民航大学大学生创新创业训练计划项目资助“小型简易循环热空气发动机设计制作”（IECAUC2017145）。
参考文献
[1]沈维道，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2007.
[2]李 明.小型斯特林发动机的研制与实验[D] .大连：大连理工大学，2012.
收稿日期：2018-4-14
作者简介：杨笑琦（1997-），男，汉族，浙江衢州人，学生，本科，研究方向为飞行器动力工程。
关键词：清洁能源；斯特林循环；热气机
中图分类号：V236 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0252-01
現在，随着全球能源与环保的形势日益严峻，热气机由于具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越收到重视。在航空、陆地、水上及水下灯各个领域都具有广阔的应用前景。本课题将制作一款外部加热的封闭往复式循环发动机，可实现模拟真实工况工作，为日后该类型发动机的应用及研究工作奠定基础。
在美国、意大利、日本等国家都争相进行着热气机的研制工作，争取占领这部分市场。但是目前热气机的技术还不成熟，只在军事和小规模发电领域中有所应用，还不能广泛运用在人们的生活之中。而在内燃机不能完全涉足的农村能源、城镇热泵等领域，热气机有广泛的运用空间。我国虽然之前对热气机投入较少，随着实力愈加雄厚，现在也在对热气机进行着研究，取得了不俗的进步。
在将来，热气机将凭借着自身的优点，越来越受到人们的重视，尤其是在小功率发电设备中的应用的性价比优于内燃机，具有很高的研究价值。热气机的广泛使用对环保，节能减排方面也有着重要意义。
1 工作原理
系统工作原理基于斯特林循环，由两个等温与两个等容的可逆过程组包括：
（1）气体等容吸热升温。
（2）气体等温吸热膨胀。
（3）气体等容冷却降温。
（4）气体等温冷却收缩。
由此可见，热气机理论热效率等于卡诺循环效率。但由于能量的损失，实际效率比卡诺效率低。
热气机特点：
（1）能量来源广泛
热气机属于外燃机的，因此只要能产生一定温度的热源都可使热气机运转。比如说化石能源，工业余热等。
（2）工质封闭循环
热气机的工作发生在气缸内，因此与外界没有工质的交换。和汽车普遍用的内燃机相比，没有排放气体污染的问题。其性能受环境气压影响小，能适应在多种环境下工作，有的甚至可在真空、水下工作。
（3）理论热效率高
理想热气机工作是有两个等容与两个等温过程构成，理论热效率等于卡诺循环效率。
2 系统的结构设计
2.1 气缸结构
系统效果图如图1所示。气缸是由空心铝合金型材制成，经过密封处理。气缸下端是加热管，加热管下方可以用热源如酒精灯对此进行加热。大气缸上方，左边是配气气缸，右边为动力气缸。气缸内分别有配气活塞和动力活塞。配气活塞与动力活塞通过曲轴相连。
当热源对加热管进行加热时，加热管处受热膨胀，配气活塞上移。同时动力活塞处受冷收缩，动力活塞下移。在动力活塞和移气器上分别加一连杆连接到同一曲轴上，形成曲轴连杆机构。从而使动力活塞的上下移动转变为曲轴的旋转运动。
（细节来说就是空气膨胀释放出来的功大于压缩空气消耗的功。热的空气膨胀功比冷的空气膨胀功大，冷的空气比热的空气压缩功小。那么如果使空气在冷时压缩，压缩功就小，在热时膨胀，膨胀功就大。得到的结果就是输出功=（膨胀功-压缩功）为正，也就是开始运作。）
2.2 制作详情
工作介质为空气（导热系数0.024）；活塞行程25mm。
气缸：铝合金，16mm×16mm×50mm。
支架：铝合金2mm×14mm×100mm。
配气气缸：玻璃高度22mm，内径9mm。
动力气缸：玻璃高度24mm，内径9mm。
3 实验结论
在酒精灯加热下，发动机可正常运转，达到预期的工作效果。
4 实验中的问题与解决改进
（1）效率低
解决方法：可以将气缸内的气体换成导热系数跟高的氦气或氢气（空气和氮气的导热系数是0.024，氦气是0.16，氢气是0.17），但是由于工艺水平有限，气体防漏的问题难以解决，导致气缸内气体易泄露；也可以对气缸内气体加压，但高压防漏的问题同样难以解决。
（2）预热时间长
解决方法：增加热源温度。
5 总 结
实验中采用的是小型热气机。与目前可投入使用的小功率发电设备中的热气机结构虽有较大差距，但是基本原理相同。从实验中不难发现，热气机相比较与传统的内燃机拥有燃料来源广，热效率高，污染小，运转稳，噪音小等优点。
相信随着越来越多的国家机构开始重视热气机的发展，将得到更广泛的应用。在提高能源利用效率，保护环境，节能减排等领域发挥重要作用。
资助项目：中国民航大学大学生创新创业训练计划项目资助“小型简易循环热空气发动机设计制作”（IECAUC2017145）。
参考文献
[1]沈维道，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2007.
[2]李 明.小型斯特林发动机的研制与实验[D] .大连：大连理工大学，2012.
收稿日期：2018-4-14
作者简介：杨笑琦（1997-），男，汉族，浙江衢州人，学生，本科，研究方向为飞行器动力工程。