Product Design, Manufacturing & Innovation Resources

家 » 斯特林循环

斯特林循环

1816-11-16

Robert Stirling

（图片仅供参考）

理想的斯特林循环是封闭式再生循环。热力学该循环包含四个不同的过程：等温膨胀、等容散热、等温压缩和等容吸热。工作流体始终被密封。其理论热效率等于卡诺循环效率，由公式 [latex]eta_{th} = 1 – frac{T_C}{T_H}[/latex] 给出，其中 [latex]T_H[/latex] 和 [latex]T_C[/latex] 分别是热源和冷源的绝对温度。

The Stirling cycle’s four processes can be visualized on a Pressure-Volume (P-V) diagram. Process 1-2 is isothermal expansion, where the gas expands at a constant high temperature [latex]T_H[/latex], absorbing heat from the external source and performing work on the surroundings. Process 2-3 is isochoric (constant volume) heat removal, where the gas is passed through the regenerator, cooling to the low temperature [latex]T_C[/latex] and transferring heat to the regenerator matrix. Process 3-4 is isothermal compression, where the gas is compressed at constant temperature [latex]T_C[/latex], rejecting heat to the cold sink while work is done on the gas. Finally, process 4-1 is isochoric heat addition, where the gas passes back through the regenerator, picking up the stored heat and returning to temperature [latex]T_H[/latex].

再生器对于理想循环的高效率至关重要。通过在等容阶段储存和释放热量，它确保所有外部热交换都发生在等温过程中，就像卡诺循环一样。这使得斯特林循环在理论上能够达到任何在两个给定温度之间运行的热机所能达到的最高效率。然而，在实际应用中，真正的斯特林发动机与这种理想状态存在偏差。由于有限的传热速率和活塞的连续运动，这些过程并非完全等温或等容，导致PV图上的拐角呈圆角，效率降低。

可持续性设计, 效率, 活力, 热处理, 机械工业, 流程优化, 可再生能源, 可持续性, 热力学

UNESCO Nomenclature: 2212

- 热力学

类型

抽象系统

中断

基础

用法

广泛使用

前体

萨迪·卡诺的理想热机循环理论（1824 年）
发展理想气体定律源自博伊尔、查尔斯和盖-吕萨克的作品
热力学的早期概念和能量守恒
活塞和气缸机构的发明

应用程序

cryocoolers for electronics and 医学成像
太阳能碟式斯特林系统中的发电
微型热电联产（MCHP）机组
工业过程的废热回收系统
潜艇和游艇的静音电源
偏远地区的生物质燃料发电机

专利：

GB 4081 of 1816

潜在创新理念

利用斯特林发动机的地热发电厂，利用低温温差发电
利用体温驱动的可植入式、长寿命人工心脏
低温 cooling systems for quantum computers
用于灾害救援的便携式发电机，可使用任何可燃材料作为燃料。
适用于建筑物的超静音、高效暖通空调系统
具有长续航能力的深海自主水下航行器（AUV）
由放射性同位素热源驱动，并结合斯特林发动机的火星探测车
利用家用规模热电联产（CHP）机组的分布式电网
数据中心先进废热回收
solar-powered water pumps for irrigation in developing nations

相关术语：斯特林循环、热力学、等温循环、等容循环、再生循环、热机、卡诺效率、闭式循环、工作流体、热效率。

历史背景

查理定律（体积温度定律）

查尔斯定律也称为体积-温度定律或体积定律，它指出，对于恒压下固定质量的理想气体，其所占体积与其绝对温度成正比。这表示为 [latex]V \propto T[/latex] 或 [latex]\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}[/latex]。它解释了在等压（恒压）条件下加热时气体膨胀的趋势。.

现代原子理论

原子理论认为，所有物质都由称为原子的离散单元组成。元素由原子核中含有特定数量质子的原子组成。原子曾经被认为是不可分割的，但现在已知它们由亚原子粒子组成：质子、中子和电子。化学反应涉及这些原子的重新排列，这些原子在化学反应过程中保持守恒。

阿伏伽德罗定律

阿伏加德罗定律指出，在相同的温度和压力下，等体积的所有气体都含有相同数量的分子。这就在气体的体积和物质的数量（摩尔数）之间建立了直接的比例关系。数学关系表示为 [latex]V \propto n[/latex]，或更常见的 [latex]V/n = k[/latex]，其中 k 是常数。.

斯特林循环

连续统假设

连续介质假设将流体视为连续物质，而非离散分子。当问题的长度尺度远大于分子间距离时，这种简化是有效的，从而允许在无穷小的点上定义密度和速度等属性。这使得我们能够使用微分方程来描述流体流动的宏观行为。

磁偶极矩

磁体的磁矩是一个矢量，它描述了磁体的整体磁性。它可以形象地理解为一个磁偶极，即一对相隔一定距离的假想南北极。磁矩从南极指向北极。对于一个电流回路，磁矩 [latex]\vec\{mu} = I \vec{A}[/latex]，其中 I 是电流，A 是面积矢量。.

塞贝克效应

塞贝克效应是将温度差直接转换为电压的过程。当在两个不同导体或半导体的结点上施加温度梯度时，就会产生电压。该电压与温差成正比，其比例常数称为塞贝克系数（[latex]V = S cdot Delta T[/latex]）。.

1802

1808

1811

1816-11-16

1820

1821

1802

1810

1816

1816-11-16

1820

1822

盖-吕萨克定律（压力-温度定律）

这一原理也被称为阿蒙顿斯定律，它指出，对于固定质量、恒定体积的理想气体，其压强与其绝对温度成正比。这种关系在数学上表示为 [latex]P \propto T[/latex] 或两种状态之间的比较，即 [latex]\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}[/latex]。这描述的是等焓（恒定体积）条件下的气体行为。.

道尔顿分压定律

道尔顿定律指出，在不发生反应的气体混合物中，施加的总压强等于各气体分压之和。气体的分压是指在相同温度下，气体单独占据整个体积时所产生的压强。计算公式为 [latex]P_{text{total}} = \sum_{i=1}^{n} p_i[/latex]。.

电极极化限制

伏打电池的主要缺陷在于电极极化。在运行过程中，铜阴极产生的氢气会在其表面形成一层气泡绝缘层。这层气泡会增加电池的内阻，并减少可用于反应的表面积。因此，电池的电压和电流输出在开始使用后不久就会显著下降。

完美气体中的声速

完美气体的声速（[latex]c[/latex]）是由其热力学性质决定的，而不仅仅是压力或密度。公式为 [latex]c = \sqrt{gamma R_s T}[/latex], 其中 [latex]\gamma[/latex] 是热容比（[latex]c_p/c_v[/latex]），[latex]R_s[/latex] 是气体比常数，[latex]T[/latex] 是绝对温度。因此，声音在温度较高的气体中传播得更快。.

斯特林发动机再生式节能器

再生器，或称“节能器”，是罗伯特·斯特林最重要的贡献，也是发动机高效率的关键。它是一个内部热交换器，在循环过程中暂时储存和释放热能。当热气体流向冷端时，它会在再生器内部沉积热量，然后冷气体在返回热端的过程中吸收这些热量。

压力和应变

工程应力 ([latex]\sigma[/latex]) 是外加载荷除以原始横截面积 ([latex]A_0[/latex])，而工程应变 ([latex]\epsilon[/latex]) 是长度变化 ([latex]\Delta L[/latex]) 除以原始长度 ([latex]L_0[/latex])。这些定义，即 [latex]\sigma = \frac{F}{A_0}[/latex] 和 [latex]\epsilon = \frac{Delta L}{L_0}[/latex] 是绘制应力-应变曲线的基础，但假设试样的尺寸在测试期间保持不变。.

电磁学和电磁铁

电磁铁是一种由电流产生磁场的磁铁。电流切断后，磁场消失。电磁铁通常由一根绕成线圈的导线组成。磁场强度与电流和线圈匝数成正比。这一原理由汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现。

纳维-斯托克斯方程

纳维-斯托克斯方程是一组描述粘性流体物质运动的非线性偏微分方程。它们是牛顿第二定律的陈述，平衡了动量变化与压力梯度、粘性力和外力之间的关系。对于不可压缩流体，方程为 [latex]\rho (\frac\{partial \mathbf{v}}{partial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f}[/latex]。

（如果日期未知或不相关，例如“流体力学”，则提供其显著出现的近似估计）