斯特林基本原理的疑惑(高手别看不起小白,你不一定能答上来)
斯特林发动机吧
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level 4
我昨天才刚接触的斯特林,百度了其工作原理。粗看很简单,容易理解,利用了空气的热胀冷缩。但仔细一推敲,原理漏洞很多,根本不可能转起来。可实际就是偏偏转起来了。很纠结,我知道肯定是我错了,可是这些漏洞是怎么回事?我不想“知其然不知其所以然”,希望高手解惑,也希望同样喜欢思考较真的朋友讨论。
网上找了个最基础的模型图如下:
思考1:就算0.5秒完成一次循环吧,也就是在0.5秒这么短的时间内,空气变热又变冷。空气的传热速度有这么快吗?从模型启动要加热1分钟来看,把空气加热到开始膨胀,是个很缓慢的过程。可一旦启动,居然能在0.5秒内完成一个(冷-热-冷)循环,简直瞬间受热膨胀,瞬间遇冷收缩,反应快到不可思议。0.5秒=2分钟?
思考2:退一步讲,就算热传递能瞬间完成,运转了。可是对于热循环缸A来说,热量很快会传导到整个缸体(也就是整个玻璃管,马上会热得发烫),共同对空气再加热,又何来“冷端”?整个一根烫玻璃管啊。
思考3:再退一步讲,就算这根玻璃管A,中间用隔热材料分开,让热端的热量传递不到冷端。可A中的换气活塞,从冷端往热端运动时,只不过把热端的热气挪了个地方,暂时脱离了火烤而已,本身还是热的,怎么会0.25秒内忽然变冷了?
思考4:我们假设室温是20度,当没有加热时,玻璃管内外气压平衡。AB两缸和中间连接的软管,构成了一根密闭的空间,当加热运动后,这个密闭空间中,气温肯定平均高于20度吧?难道不是应该一直在热胀的状态,哪儿来的冷缩啊?里面的压力,应该一直高于外界气压,(当然,当工作缸B的活塞运动到左边顶端时,封闭空间比初始状态大,里面空气变稀薄,会造成一定的压力降,但这部分压力降,应该基本被高温气体抵消差不多了),感觉工作活塞的缩回,似乎更多是因为飞轮惯性的原因,而不是被B里低于外部气压的空气吸回。
思考5:相位角90度,会这么巧?B活塞越过最远死点,回缩到一半路程时,A中的换气块正好开始由热端开始向左边运动,此时迅速膨胀的气压应该立马阻止活塞的回缩,也就是阻碍飞轮的转动,让飞轮停止转动并开始反转,这样的话,飞轮就变成了一个钟摆了,一直半圈摆动。从这点考虑,似乎2个活塞应该同时出现在最右端才是。相位角为0。(当然,如果考虑换气块在最左边时,压力最大,应该飞轮动力臂最大更有效,从这个角度考虑,90度是
正确的
。但从防止回转考虑,工作活塞在退回的末段,会遭受升高气压的逆阻啊)
暂时就这5个思考吧。
2016年07月17日 15点07分 1
level 2
开始的较长时间加热的是缸体,空气的比热容很小冷空气遇热缸体会很快加热膨胀,热空气遇冷缸会迅速放热,但由于比热容小,所含热量并不足以加热冷缸,也就是说热缸冷缸的温度是取决于外界温度的
2016年07月17日 15点07分 2
就算气体热量不足以加热冷缸,通过玻璃传导,热应该能很快到达吧?加热1分钟,整个管子都热了,何来冷缸? 还有,就算冷端真的冷,能在0.25秒内给滚烫的气体降到常温吗?缸体和气体的接触面,只是半根玻璃钢的表面积,不大,来不及完成热交换的,冷缸内的气体,只是外围一层和玻璃管进行的热交换
2016年07月18日 12点07分
冷缸的空气还是高于室温;只是相对预热缸;有温差就转
2016年07月25日 16点07分
level 7
你说的五条第一条和第五条本人也迷茫不过现在想想只是做个模型玩。还没到搞科研地地步。只要能转起来就OK。
2016年07月17日 15点07分 3
level 9
你错了 玻璃管加热尾端 工作多长时间都不会变成整根都烫 本人实际操作过 只要一直在转 多久都不会[呵呵]
2016年07月17日 16点07分 4
实际的应该是对的。只是还是纳闷,如果火焰能量一部分做功,一部分热传导。应该哪个容易实现哪个就占优势。应该热传导更容易啊。难道居然是做功更轻易?
2016年07月18日 13点07分
缸体能否运动过程中散热?就像学车时,练习离合车速极慢,高温低速,整台车像烤炉一样;可是上路了,就有风冷了,温度感觉确实不一样,是否是这样的原因?我看转速起码有1000以上,是否能理解活塞运动中被冷却?
2016年07月20日 02点07分
level 9
因为尾端越热飞轮转得越快 热能转化成机械能了 不同大小的火焰都会最终有一个固定的转速 等到转速不再上升时 证明能量达到了一个平衡 玻璃管温度和飞轮转速都不会再上升了 明白么?还有一个 工作夹角可以不是90度的 我试验过 大概60度到120之间都可以工作 只是效率不高而已
2016年07月17日 16点07分 5
空气是如何在冷端瞬间冷下的疑惑还在[哈哈]
2016年07月18日 13点07分
level 9
都说的很有道理 (⊙o⊙)
2016年07月17日 20点07分 6
level 13
你能说出这么多的想不通,说明你是真正动过脑子的。
要不然,会连问题都提不出来。
不用急,我也是这么过来的。—年了,从基本理论到工艺实现,再到总结别家在这方面的利害得失......要考虑的多了去了。
先得解决理论,可以搜搜相关的不少博硕论文。带着问题去学习,见效快。創新的吹嘘內容先不用看。
具体在这里回答—个问题为例:
惰性气体导热慢,但流动可以快点。流动是主要热交换方式。
热阻大是斯特林机头号难题,为克服这个难题,又带来了更多的难题......但现在的主流技术,20毫秒的周期已经做到了。
2016年07月17日 22点07分 7
一: 发动机是动态工作的,思维也要动态跟上。 二: 回热器在模型中并没有出现,如果你能在理论上认识到回热器的重要并赞叹其巧妙时,你就有进步了。
2016年07月17日 22点07分
我也想过,冷端最好不是直通通的玻璃管,而是毛细血管样的散热管,加强散热。可靠这么简单模型,很难让热气瞬间冷却。
2016年07月18日 13点07分
@旷野回声1995 你如果只是指的模型,那么可以放心,无论是热端还是冷端,现在还用不着毛细管。 常压模型的瓶径在缸内介质的热阻上,不在缸壁上。
2016年07月18日 14点07分
@旷野回声1995 只有加压机,当介质热阻降为百分之一以下时,缸壁的导热面积才值得重视。
2016年07月18日 14点07分
level 7
这里依靠的是温差,不是想象中的一头烫一头冰冷,空气膨胀速度也不是那么慢。空气被加热时做功和离开热源的空气会立即变冷。建议你多看几种类型,总有适合你的思维的品种。
2016年07月18日 09点07分 8
知道不是一头烫一头冰冷,(除非有冷却装置),在本模型中,应该是一头烫一头比常温略高吧(做功比热传导优先的前提)。靠的是温差。离开热源的空气会立即变冷?热量哪去了?得有充分的热传导啊。shsyfsh说20毫秒,是建立在高科技上,在图中简易模型中,实在看不出0.25秒间能变冷。
2016年07月18日 13点07分
@旷野回声1995 色色的模型,最好的成绩已经达到5200转/分。约12毫秒。
2016年07月18日 14点07分
@旷野回声1995 当然,那是空载,但也很不容易了。 模型功率本身就小,空载转速高就是成绩。
2016年07月18日 14点07分
@旷野回声1995 热辐射:高温向低温辐射,和吃冰糕一样,冰糕为什么就化了呢q
2016年07月18日 21点07分
level 5
这些问题都不难答,其实每个做斯特林的朋友都会遇到,问题虽说不难,但涉及到的知识却如同散沙,如果你选错了角度来思考,结果必然是费力不讨好的。此外,理论知识→实际模型的过程是需要逻辑能力的。。
就比如第一个问题,你从空气传热速率上来思考,绝壁转不起来,因为空气的传热速率确实很一般般,但是它就是转了,说明还有别的角度可以解决这个问题。首先,你忽略了分子的运动速度。其次,右边热空气在移气活塞的搅动下并不是直接完成的位移【也就是说并不是瞬移到左边冷缸】,而是通过缝隙,以气流的形式冲进冷缸,这个过程会形成无数小气旋,这是一个接触面积十分大的过程,传热自然不会太慢。再次,空气的热胀冷缩其实很明显很灵活的,没有你想象的那么笨重。大概就是这样,至于别的你再思考思考吧。。
2016年07月22日 05点07分 11
主要传热方式,就是气旋。
2016年07月22日 21点07分
就算是无数小气旋,也是要通过冷端的玻璃管壁传热出去,那段玻璃管的传热性能,还是关键。不然要是这无数的小气旋在热乎乎的环境中旋转再急,也是白搭。
2016年07月23日 13点07分
@旷野回声1995 气旋是主要传热方式,远距离的。 缸壁传热虽然不可少,但在常压条件下,肯定不是瓶颈。要在加压条件下,热阻几十倍,上百倍的下降后,缸壁导热才需要重视。
2016年07月25日 20点07分
@旷野回声1995 论坛上说话,不可能面面俱到,但抓瓶颈是必须的。
2016年07月25日 20点07分
level 3
我来说下我的看法吧:
看模型A缸是热端,B缸是冷端。空气的传热方式有辐射、对流和混合,在斯特林里,空气在热端和冷端之间的传热方式是混合传热,这是很快的,就像热水加入冷水马上就变成温水。在加上膨胀做功本身就是要降温的,所以温度的变化响应还是很快的。热缸传热就不用说了,冷缸因为受到热气体的混合传热,其内温度是会上升的,这时靠的是外界空气对B缸冷却,由于这个斯特林只是维持空转,功率不是很高,所以所需的热量不是太多,冷缸的温升不是很明显,如果是需要输出功率大,冷缸就一定需要冷却装置。
我没做过斯特林,但是我弄到了一台金属缸的,运行一段时间后冷缸是比较烫手的,转速也下降了,这是实际情况。
2016年07月22日 09点07分 12
我的斯特林热缸和热缸连接很短,缸体容量小且是金属的,存在热量短路现象,所以冷缸升温很快很明显。图中的连接管和B缸都属于冷端,且基本不存在热量短路现象,加上玻璃的传热能力不强,因此冷缸的温度升高应该不会很明显,但是肯定是要升高的,会高于环境温度,这个用红外测温就可以测出来。
2016年07月22日 09点07分
@盛世冷龙 阁下可能基本概念错了。B缸不是冷端,而是工作缸,是离热源最远,所以温升不太高的。(你的金属热传导才导致升温快)。冷端和热端都在热置换缸A中,右边火烧的是热端,左边是冷端,里面一个换气活塞,把这两端的空气换来换去。要是水冷降温,降的是A管的左端,而非B缸。
2016年07月23日 14点07分
@旷野回声1995 照你的说法,B缸的作用是什么呢?工作缸如何工作??
2016年07月23日 14点07分
@旷野回声1995 不同类型的机器,对B缸可以有不同定义。 楼主应该先注明图中机器的类型,免得别人做无用功。
2016年07月25日 20点07分
level 5
[真棒][真棒][真棒][真棒]
2016年07月22日 11点07分 13
level 9
现在斯特林模型已经做到 6000转/分钟 空气每秒钟100次冷热交替 空气冷热很快的 去查查空气的特性你就知道了
2016年07月22日 12点07分 14
色色又有刷新,㳟喜。 那么,带负载的转速取半,3000转/分,也不会有问题。 其实也是符合了20毫秒的周期。
2016年07月22日 21点07分

2018年06月29日 09点06分
level 13
这里可以理顺—个概念,介质的热阻和导热速率,细分了,其实是两回事。
常压斯特林的介质是空气,热阻肯定大!但只要功率匹配合适,照样可以得到高效率。 也就是说,高效率与技术是否先进没有必然的关系。
低热阻只是有利于输出更大的功率,有利于提升功率密度。
2016年07月22日 22点07分 15
对于太阳能热机来说,成本只是设备折旧费,不存在燃料费用,那么根据阳光的强弱变化,随时追踪设备可能的即时最大输出,是有必要的。
2016年07月22日 22点07分
level 1
这是能量传递的过程,空气加热后分子动能高这部分空气属于能量高的一端,就像水往低处流一样,它会把能量传递给能量低的空气,内部加热空气一旦对外界做功也就是推动机器运转,这部分空气就会释放能量,而释放了能量的空气就是能量低的一端,然后这部分空气再被送入气室完成整个循环,温度高低只是表象,不要用表象解释内在的原因。
2016年07月23日 16点07分 17
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