Ultra hot air stirling engine


 

     

 Microwave stirling engine

 

 

Laser stirling engine

 

 

Plasma stirling engine

 


史特靈引擎的遐想

 

1背景

環視近年以來,及可預見的未來,石油的消耗量有增無減但是產量及存量有限的情況下,石化能源不足且價格高漲的問題逐漸浮上檯面,成為現今世界即將面對的能源危機。另外,由於石化燃料的大量使用,如汽車、天然氣等 也造成嚴重的環境污染,二氧化碳濃度增高,產生地球的溫室效應,氣候都受影響。因此,各種替代能源技術近年來逐漸受到重視。其中十九世紀時的史特靈引擎重新受到重視,有可能成為未來能源應用的選擇。

目前各先進國家對於史特靈引擎有相當程度的研究,無論是在工業、軍事、以及航太[6]等各方面皆有發展成果。日本針對史特靈引擎,已經研究了超過 20 年以上,瑞典發展史特靈引擎和製造技術亦已到相當的程度,甚至率先於 1992 年應用於其哥特蘭級(Gotland)潛艦上,隨後澳大利亞的柯林斯級(Collins)潛艦亦使用史特靈引擎做為該艦推進系統,此外,在美國、德國、歐洲各國及中國大陸等國,也有不同的研究機構、學術單位或是企業亦積極投入相關研究[7]

史特靈引擎依其特性及目前的材料、技術水準使其設計上偏重於發電模組,綜合目前國外史特靈引擎的相關技術,可應用於下列之相關領域:

1)垃圾焚化爐發電 [8]

2)聚焦式太陽能發電 [9]

3)廢熱再利用系統[10]

4)超低溫冷凍系統 [11]

5)小型發電系統 [12]

 

羅伯•史特靈[5]

 

2 沿革

18世紀末和19世紀初蒸汽機的使用已經相當廣泛,但是效率很低,只有3%5%左右,95%的熱量都浪費掉了。史特靈引擎早期又稱為熱氣式引擎(hot-air engine),是一高效率的能量轉換裝置。蘇格蘭愛丁堡的羅伯•史特靈傳教士(Rev. Rebert Stirling於一八一六年為其發明的引擎申請專利權後,該種引擎近兩百年來出現至少百種不同機構型式,但大多以史特靈牧師的原始設計為基礎。Stirling 不僅是一位古典學者,也是一位機械工程師,他首次使用再生器(regenerator)來儲存引擎內工作流體的熱能以改善熱效率[13]

 

1824 年到 1840 年間,Stirling 做了許多改進,最重要的是將引擎改成雙動式(double acting)並提高缸內空氣壓力來增加輸出馬力,此時史特靈引擎的效率已超越了蒸氣引擎。在所有引擎中,史特靈引擎在當時是溫度最高的引擎,操作溫度至少要維持在 600。由於當時材料技術不足,常在用了一段時間之後發生汽缸破裂,因此當時的鑄造廠放棄了史特靈引擎,而改回原來的蒸汽機,主要的原因是當年所用的材料(鑄鐵)並不適合史特靈引擎所需的連續加熱方式所造成的高溫。這材料上的問題不斷的困擾著Stirling,一直到其晚年時煉鋼法的出現,才有了解決的希望。

 

由於在 19 世紀中葉,蒸汽機已逐漸發展成為一個可靠的動力,因此Stirling 的熱氣式引擎就只能用在小馬力的特殊用途上。十九世紀末電動馬達及汽油引擎的發展,更使它們比同體積的史特靈引擎馬力高出許多,因此它們逐漸完全取代了史特靈引擎。

 

1937年,荷蘭的電氣工程師飛利浦(N.V.Philips)重新研究史特靈引擎,並將其用作無線電及缺乏電力地區的動力供給。在 1950 年,飛利浦公司發明了精巧的菱形驅動(rhombic drive)機構[14],解決了最有希望發出大馬力的雙動式引擎所面臨的活塞密封問題。菱形驅動機構裝置是一組雙曲軸機構,可提供史特靈引擎活塞及移氣器高度的平行而完美的運轉,此種機構亦同時減輕了活塞的密封問題。1958 年,美國通用汽車也獲得飛利浦授權,而研究史特靈的引擎,在此類引擎的技術發展上,亦有相當的貢獻。

 

美國的機械工教授威廉弼爾先生(William Beale)發明了自由活塞(free piston),主要利用兩個彈性活動零件取代了曲柄、飛輪、配重塊等繁雜的機構[15]。自由活塞式史特靈引擎擁有相當多的優點,包括不需潤滑、密封容易、體積小、簡單、安靜且能自行啟動等,史特靈引擎至此進入新的里程碑。近幾年則無論是在史特靈引擎或是史特靈冷卻器的發展,都進入蓬勃的階段[1]

 

3 史特靈循環

3.1 卡諾循環(Carnot cycle)[3]

早期人們希望提高熱機的效率,於是想了許多方法,如減少機器組件的摩擦以及防止熱損失等,但收效甚微。決定熱機效率的關鍵是什麼?1924年 年輕的法國工程師卡諾對這個問題做了回答,他提出了一種可以獲得最大效率的熱機---卡諾機

    卡諾生活在「熱質論」占統治地位的時代,那時,認為熱是一種物質---熱質,它是一種無重力的,可以滲入任何物質的流體,熱質微粒之間相互排斥,但熱質微粒與普通物質之間相互吸引,熱質可以在物體之間流動,但其總量是守恆的。

    富於想像的卡諾,設想蒸汽機的運轉,猶如水驅動水車運轉,蒸汽機是熱質由鍋爐流向冷凝器過程中,熱質驅動機器運轉的。卡諾還有一種閃光的思維方式,超乎具體的蒸汽機,他設想了一個被後人稱為卡諾機的理想熱機。

    卡諾機是以理想氣體為工作物質(系統),該熱機工作在溫度為T1的高溫熱庫和溫度為T2的低溫熱庫之間。要使熱機週而復始第工作,必須使工作質經歷循環過程,卡諾機是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的循環過程,這種循環稱為卡諾循環。

 

 

3-1 卡諾循環四步驟

 

 

3-1示出卡諾熱機的四個工作過程。在圖3-2a)的P~V圖上示出了卡諾機經歷的卡諾循環,圖3-2 (b)示出熱功轉換的大致關係。

 

 

3-2 卡諾循環

 

 

如圖3-1示出卡諾循環的四個過程是

等溫膨脹:工作物質與高溫T1熱庫接觸,使其達到與熱庫等溫的狀態AP1 V1 T1)後,再等溫膨脹達到狀態BP2 V2 T1)。在此過程中工作物質自高溫熱庫吸收了熱量Q1,對外作功W1

絕熱膨脹:系統達狀態B後,將系統從高溫熱庫移開,使之從狀態B絕熱膨脹到狀態

CP3 V3 T2),在此過程中,系統對外作功W2

等溫壓縮:在系統達狀態C後,將系統與溫度為T2的低溫熱庫接觸,進行等溫壓縮,使系統達狀態DP4 V4 T2),我們能控制這一過程使狀態D正好與狀態A處於同一絕熱過程曲線上,在此過程中,外界對系統作功W3

絕熱壓縮:系統達狀態D後,將系統從低溫熱庫移開,絕熱地壓縮系統,使系統溫度從T2回升到T1,從狀態D再回到狀態A便完成了一個循環,在DA絕熱壓縮過程中,外界對系統作功W4

在一次循環中,既有系統對外作功,也有外界對系統作功,完成一次循環後,系統對外所作的淨功為

    WW1 W2 W3 W4Q1 Q2

             =卡諾循環曲線圍的面積

    在整個循環中,系統吸收的熱量Q1並不能全部轉變成有用的功,其中一部分又從系統放出(Q2),按熱機效率的普遍定義式    ===

得出可逆卡諾機的效率為:

    上式的重大意義是:表明了提高熱機效率的關鍵在於提高 高溫熱庫的溫度,這樣一來,長期得不到解決的熱機效率問題終於被卡諾徹底突破了。從此,熱機就沿著卡諾所指引的方向去提高效率,從蒸氣機到柴油機、汽油機、燃氣輪機、噴氣發動機,溫度越來越高

    上式也表明卡諾熱機的效率與熱機的工作物質類型、功率大小無關,僅與高溫熱庫和低溫熱庫的溫度有關。

 

卡諾定理

    卡諾在提高熱機效率的探索中,得到了一些重要的結論,這些結論背後人稱為卡諾定理,其內容是:

1.    工作於同溫高溫熱庫合同溫低溫之間的不可逆熱機的效率不可能大於可逆熱機的效率,以可逆卡諾機效率為最大。

   

2.    所有工作於同溫高溫高熱庫和同溫低溫熱庫之間的可逆熱機效率相等,亦即

卡諾定理可簡潔地表為

     

「=」號對應可逆循環,「<」號對應不可逆循環。

 

3.2 理想史特靈引擎循環

 

3-3

 

理想史特靈循環可分成四個過程,如圖 3-3 所示:

(1) ab過程中,工作流體等體積吸熱升溫;

(2) bc過程中,工作流體等溫吸熱膨脹;

(3) cd過程中,工作流體等體積冷卻降溫;

(4) da過程中,工作流體等溫冷卻收縮。

史特靈引擎與卡諾引擎比較,前者由兩個等溫過程和兩個等體積過程所構成,而後者係由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構成。換言之,史特靈引擎循環以兩個等體積的吸熱與排熱過程,取代卡諾循環的兩個絕熱過程。因此,若史特靈引擎循環欲達成卡諾引擎相同的熱效率,必須將cd過程中,工作流體等體積排熱過程所排出的的熱量,必須用來提供在ab過程中,工作流體等體積吸熱升溫所需的熱量,這個步驟,叫作再生( Regeneration ),所使用的裝置,稱為再生器(Regenerator),使用再生器來提高熱效率為史特靈循環的特點。

 

3.3 史特靈引擎型式

史特靈引擎可用移動氣體的方式來做區分,大致可分為兩種可能的配置:

1)第一種配置是由一個移氣器(displacer)和一個動力活塞(piston)所組成。利用移氣器來驅趕工作流體,使工作流體在冷熱端來回的流動,再利用動力活塞壓縮和膨脹氣體。

2)第二種配置則是由兩個相同的動力活塞(piston)所組成,利用兩個動力活塞來達成達成驅趕工作流體於冷熱端之間與壓縮、膨脹工作流體的目的。當汽缸內部氣體被驅趕至加熱部分而受熱時,即因工作流體受熱膨脹而推動動力活塞對外作功,即為史特靈引擎(Stirling engine),可輸出動力;而活塞如用外部動力源(如馬達)來驅動,使氣體產生壓縮膨脹,因而改變工作流體的溫度時,即為史特靈冷卻器或熱泵(Stirling cooler or heat pump[16]

另外史特靈引擎也可以用汽缸數目和動力活塞及移氣器的組合方式來區分,如此可以分為下列三種形式:

(1)    α 型:

為雙汽缸型(twin-cylinder Stirling engine),此型無移氣器,具有二個動力活塞,分別在二個獨立的氣缸內作動。其中一個靠近熱源的汽缸稱為膨脹室(expansion space),另一遠離熱源的汽缸稱為壓縮室(compression space)。因為此型的史特靈引擎的兩個活塞皆可傳遞動力,所以又稱為雙缸活塞式史特靈引擎。

[4]

(2)    β 型:

為同軸式活塞型(coaxial piston-displacer Stirling engine),具有一動力活塞  與一移氣器,二者位於同一氣缸,且沿相同軸移動。靠近冷卻器的是動力活塞,靠近熱源的為移氣器。移氣器並不傳遞功率,其作用是使工作流體在冷缸及熱缸間來回流動。

(3)    γ 型:

具有二個獨立氣缸,其中一氣缸內設置動力活塞,另一氣缸則容置一移氣器。與 β 型相同的是,靠近冷卻器的為動力活塞,靠近熱源的為移氣器。

 

 

    簡易整理可得史特靈引擎型式區分表:

 

 

汽缸數

動力活塞數

移氣器數

α 型

2

2

β 型

1

1

1

γ 型

2

1

1

 

 

4 史特靈引擎的特點[1]

史特靈引擎具有柴油機、汽油機、蒸汽機和蒸氣渦輪機等熱機所沒有的優勢,如下所示:

1)熱源多樣化:

史特靈引擎屬外燃機,任何形式的外部熱源皆可應用作為熱功轉換使用。因此,燃料種類及來源皆不受限制,任何種類的燃料皆可成為史特靈引擎的熱源,如太陽能、廢熱、煤油、重柴油、煤炭、天然氣、酒精,木材、垃圾...等等皆可。

2)熱效率高:

史特靈引擎是一種高效率的能量轉換裝置,採用封閉氣體循環(closed gas cycle)及再生器設計。理論上,理想史特靈循環的熱效率與卡諾循環(Carnot cycle)相當,二者皆屬可逆熱機(reversible cycle),具有最高能量轉換熱效率。

3)污染少:

史特靈引擎之燃燒供熱過程通常為在一大氣壓之下長時間的燃燒過程,故燃燒較為完全且廢氣中 CO 含量較少。雖然在高溫的情況下會產生 NO,但經由實際測量 NO 的含量與一般內燃機相較亦很低。因此,史特靈引擎在環保方面的特性遠優於內燃機。

4)噪音小:

內燃機的噪音主要是由於燃燒時氣缸內的壓力急速的升高,以及燃燒氣體在排氣時的壓力波傳遞有關。史特靈引擎屬於封閉式外燃機,並無氣缸內的燃燒爆炸及進、排氣行程,因此整體噪音很小。

5)機構簡單:

史特靈引擎並沒有複雜的進、排氣閥裝置、高壓噴油系統、及需要潤滑的活塞環等。同時,史特靈引擎的潤滑系統與大氣隔絕,不受燃燒物的污染,可以在相當長的時間內不需要更換潤滑油,故潤滑油的消耗量低。

 

5 史特靈引擎技術瓶頸[1]

近幾年來,史特靈引擎的研發工作進展快速,惟其相關技術仍存在有下列幾項瓶頸:

1)史特靈引擎的加熱元件(包含加熱器、氣缸、再生器等)長期在高溫的情況下工作,承受極高的熱負荷及機械負荷,必須使用高溫耐熱的材料製造,所以造價較為昂貴。因此,尋找替代用材料及尋求適合於大量製造的加工方法是當前存在的瓶頸。

2)對於密閉式史特靈引擎的工作性能及使用壽命,密封裝置的可靠性及耐久性影響很大。密閉循環系統中的工作流體壓力越高,對密封的要求也隨之增高,而增大功率最好的方法即是進一步提高工作流體的壓力。因此,更進一步的密封技術是當前史特靈引擎存在的瓶頸。

3)雖然史特靈引擎在理論上擁有極高的效率,但在實際應用上,各機件接觸面的摩擦力使實際性能與理論值產生極大的差異。又由於不同的機構形態產生的摩擦也不盡相同,因此如何降低史特靈引擎的摩擦力,也是當前的困難之一。

4)欠缺完整的理論預測模式,因此理論與實測間相互配合仍難達成。理論模式應用在最佳化方面的研究,目前也因此停滯不前。

5)目前既有的史特靈引擎技術民生用小型發電應用的系統技術相對不足。所謂小型系統係指 100W 1KW 的規格系統,其主要特徵為無潤滑、重量輕、體積小,具備可攜帶之優點。以國內的現況而言,僅有極少數研究人員投入從事相關研究,因此成果分散,欠缺設計技術整合。

 

6. 結論

綜合目前史特靈引擎的優缺點可採用下列方法加以改進,以創造更有效率的引擎,擠身於替代能源的候選者。

6.1 提高加熱頭溫度傳遞

    採用貝納德(Benard)對流花紋,在兩個水平平板之間充以薄層流體,薄層意指水平寬度比厚度大得多。上板為均勻的冷,下板為均勻的熱,使兩者之間形成溫梯度,當溫度梯度超過某一閥值,從上液面便可突然看到圖6-1所示的六對流花紋。

    通過精密的設計與計算,可造出自發性對流的加熱頭,如此熱傳效率可提高。

     

6-1    貝納德對流[3]

 

6.2 提高再生器效能

如圖3-3 若史特靈引擎循環欲達成卡諾引擎相同的熱效率,必須將cd過程中,工作流體等體積排熱過程所排出的的熱量,必須用來提供在ab過程中,工作流體等體積吸熱升溫所需的熱量,這個步驟,叫作再生( Regeneration )

目前常用的做法是使用一吸熱材質於cd過程中把熱儲存起來,而於ab過程中再把熱釋放出來。但是整個過程能量、壓力及氣體流通性損耗大,且製程無法事先計算,只能用經驗法則或是錯誤嘗試法逐步改善。

如採用熱交換器作為再生器,可解決傳統的缺失,且較為經濟。其做法是用雙數的汽缸組AB,當A汽缸cd過程中程所排出的的熱量,經由熱交換器提供給B汽缸ab過程中所需的熱量,當B汽缸cd過程中程所排出的的熱量,經由熱交換器提供給A汽缸ab過程中所需的熱量。在此作用下能量損失最少,能量回收最完全,P~V圖上也能最逼近理想曲線,所以可增進引擎的效率。

 

6.3 提高熱區的溫度

    一般使用化學能所產生的熱源直接加熱於受熱區,帶動工作流體的膨脹進而使引擎運轉,因材料的限制無法在高溫下長時間的連續運轉。而化學能是由物質燃燒à加熱頭被加熱à對流/輻射加熱工作流體,整個過程太多階層,能量損失嚴重效率低,

如採用:

a.震盪工作流體

b.原子的電子能階躍遷

c.電漿加熱

直接加熱工作流體,所產生的熱效率則高多了,因要達到指定的溫度所輸入的能則少多了,且可達到化學能所不可及的溫度,相對的 引擎效率則可推到極致()。當溫度提高工作流體流體壓力增大,使得 壓力/摩擦力 的比值大於門檻時,則可使用高氣密機構,增大引擎的輸出功率。

 

如同一個煤炭à燃燒水產生蒸氣à推動渦輪à帶動發電機à電力傳送à點亮燈泡 與 燃料電池 氫燃料à點亮燈泡,其過程是相當的。引擎的效率提高,或引擎的效率維持不變,但是所需的燃料減少,其結果是經濟的。如此才能為社會大眾所接受,成為替代能源的候選者。

 

 

震盪工作流體:

    如同微波爐,只對工作流體分子震盪,使分子因震盪摩擦生熱,進而使溫度升高,達到引擎運轉所需,如此所需的輸入的能源相對較少。反過來引擎加熱頭則須要追加散熱裝置,如此才能長時間的連續運轉。如此則形成微波史特靈引擎

 

原子的電子能階躍遷

    我們知道,一個自由運動的粒子,其能量E和動量向量P之間有下列關係:

   

這裡m是粒子的量。根據德布羅依為 物質波提出的關係式   

可表示為   

  

原子的在二個態間的躍遷

 

其中 M 是粒子的靜止質量,  焦耳.秒。

原子從一定態到另一定態時,原子放出或吸收的只可能是一定頻率的光子,值由下列頻率條件決定:

   

其中 是浦朗克常數,

         分別表示躍遷前後定態的能量[2]

 

如同雷射,對特定工作流體分子給一定頻能量,達到一臨界值時產生自我激發,釋放大量的能量,以得到極高的溫度,帶動引擎的運轉。使用與引擎轉速同步的脈衝雷射作為能量的輸入,如此則形成脈衝雷射史特靈引擎。

 

電漿加熱

以高溫把工作流體離子化,用電磁把該電漿離子鎖定於加熱區內可避免與汽缸壁接觸,如此可用極高溫方式來驅動引擎,又可避免汽缸材料的限制,如此則形成電漿史特靈引擎。

 

 

 

參考文獻

1. 林育煌

使用菱形驅動機構之同軸式史特靈引擎研究

大同大學 機械工程研究所 碩士論文,民國94年。

2. 黃組洽 著

探索原子核的奧秘  Exploring the secrets of the atomic nucleus

3. 陳宜生  劉書聲 著

談談  A talk on entropy

4.    http://www.ent.ohiou.edu/~urieli/stirling/engines/engines.html

5.    http://www.sesusa.org/history.1816.htm

6. B. Ross, "Status of the Emerging Technology of Stirling Machines,"

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7.    胡志泓,淺析潛艦 AIP系統,http://www.mnd.gov.tw/division/defense/mil/mnd/

8. 石光偉,

利用焚化爐能源推動史特靈引擎發電之可行性分析,

成功大學機械研究所碩士論文,台南,民國89年。

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利用史特靈引擎回收焚化爐廢熱之熱傳分析,

成功大學機械研究所碩士論文,台南,民國90年。

11. 賴建宏,

史特靈式密閉低溫致冷器的模擬分析,

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13. G.Walker,

Stirling-Cycle Machines,

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14. C. M. Hargreaves,

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15. G. Walker and J. R. Senft,

Free Piston Stirling Engine,

Springer-Verlag, New York, 1985.

16. J. Wurm, et al.,

Stirling and Vuilleumier Heat Pumps,

Mc Graw-Hill, New York, 1990.

 

 

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