斯特林循环

物理学术语

斯特林循环全称“斯特林热气机理想循环”，亦称 “活塞式热气发动机理想循环”，俗称“热气机循环”。一种采用定容下回热的、热力学理论上最完善的闭式概括性卡诺循环。因英国工程师斯特林(Robert Stirling，1790～ 1878) 于1816年首先提出而得名。斯特林循环是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。热机在定温(T1)膨胀过程中从高温热源吸热，而在定温(T2)压缩过程中向低温热源放热。

原理

热气机(即斯特林发动机)的理想热力循环，由等温吸热、等容放热、等温放热和等容吸热四个可逆过程组成：

(1)低压低温工质在向外冷源放热的同时接受活塞定温压缩的过程；

(2)低温工质在定容条件下接受回热器对其进行定容加热的过程，压力和温度均相应升高；

(3) 高压高温工质在向外热源吸热的同时，推动活塞对外作功的定温膨胀过程；

(4)高温工质在定容条件下向回热器进行定容放热的过程，压力和温度均相应降低并回复到初态，从而完成了一个闭式循环。两个等温过程是从高温热源吸热和向低温热源放热，而两个等容过程的热量则是循环内部的回热，即等容吸热过程恰好吸收等容放热过程所放出的热量。因此该循环是工作在一个高温热源和一个低温热源间的可逆循环。其p-υ图和T-s图示于附图。

热效率

斯特林循环的热效率为：

式中W 为输出的净功；Q1为输入的热量。根据这个公式，ηt只取决于T1和T2，T1越高、T2越低时，则ηt越高，而且等于相同温度范围内的卡诺循环热效率。因此，斯特林发动机是一种很有前途的热力发动机。斯特林循环也可以反向操作，这时它就成为最有效的制冷机循环。

优点

斯特林循环主要优点是，在极限回热的理想条件下（即定容放热过程放出的热量恰等于定容加热过程所需吸入的热量），其循环热效率可等于相同温度界限内卡诺循环的热效率。但由于某些设备（如加热器等）的表面一直需在循环的最高温度下工作，使该循环最高温度直接受金属耐热性能的限制，以及存在摩擦等不可逆损失，故进一步提高斯特林循环的实际热效率还有一定的困难。这种循环逆向运转时，则可成为性能系数最高的制冷循环或热泵循环。

斯特林发动机

1816年，苏格兰人R.斯特林(Robert Stirling)曾以按该循环工作的热空气往复式“外燃机”申请专利，称斯特林发动机，又称热气机。由于该机器的笨重，特别是受到发明内燃机的冲击，长期来未得到广泛应用。近年来斯特林循环重新又引起人们的重视，其原因是人们为了某种需要，希望有一种能燃用任何燃料或利用任何一种热源热量的高效热机，另一方面传热学、流体力学知识以及对除空气以外其他工质知识的增长，也提供了制造实用斯特林发动机的可能性。斯特林发动机被用于包括航天技术在内的一些特殊领域。

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