斯特林发动机-具有外部热量供应的发动机。 当需要使用非有机燃料作为热源时，外部供热非常方便。 例如，您可以使用太阳能，地热能，各种企业的废热。
斯特林循环的一个好特征是其效率等于卡诺循环的效率[1]。 自然，真正的斯特林发动机效率较低，通常更高。 斯特林发动机的诞生是通过具有许多运动部件的装置实现的，例如活塞，连杆，曲轴，轴承[2]。 此外，发电机转子正在旋转（图1）。
图1-斯特林引擎alpha类型看一下斯特林Alpha型发动机。 当轴旋转时，活塞开始将气体从冷气蒸馏到热缸，反之亦然，从热气蒸馏到冷气。 但是它们不仅蒸馏，而且压缩和膨胀。 发生热力学循环。 在图片中可以想象到，当轴旋转时，安装连杆的轴位于顶部，这将是气体最大压缩的时刻，而在下方则是膨胀的时刻。 的确，由于热膨胀和气体收缩，这并非完全正确，但几乎所有这些都是正确的。
发动机的核心是所谓的核心，它由两个热交换器（热和冷）组成，在它们之间有一个蓄热器。 热交换器通常制成层状，而蓄热器通常是一堆金属网。 我们为什么需要热交换器？很明显-加热和冷却气体，为什么我们需要再生器？ 蓄热器是真正的蓄热器。 当热气移至冷侧时，它会加热蓄热器，蓄热器会存储热能。 当气体从冷侧移至热侧时，冷气在蓄热室中被加热，因此，这种热量（没有蓄热室将不可撤销地用于加热环境）得以节省。 因此，再生器是绝对必要的。 好的再生器可使发动机效率提高约3.6倍。
想自己建造这种发动机的风扇，我想向您详细介绍热交换器。 在我看到的大多数斯特林发动机中，根本没有热交换器（我说的是阿尔法型发动机）。 热交换器是活塞和汽缸本身。 一个气缸被加热，另一个气缸被冷却。 此外，与气体接触的热交换表面的面积非常小。 因此，可以通过将热交换器放在汽缸的入口处来显着提高发动机功率。 即使在图1中，火焰也直接对准气缸，在工厂发动机中并非如此。
让我们回到斯特林发动机的发展历史。 因此，让发动机在许多方面都保持良好状态，但是刮油环和轴承的存在缩短了发动机的使用寿命，工程师们在努力研究如何改进发动机方面做出了艰苦的努力，于是他们提出了方案。
1969年，威廉·贝尔（William Bale）研究了发动机运转中的共振效应，后来得以制造出既不需要连杆又不需要曲轴的发动机。 由于共振效应，发生了活塞同步。 这种类型的发动机被称为自由活塞发动机（图2）。
图2-斯特林自由活塞发动机图2显示了无β活塞的活塞发动机。 在此，由于置换器（可自由移动），气体从热区流至冷区，反之亦然，工作活塞也发挥了重要作用。 置换器和活塞在螺旋弹簧上振荡，可以在图的右侧看到。 困难在于，由于共振效应，它们的振动必须处于相同的频率并且相位差为90度。 这是很难做到的。
因此，零件的数量减少了，但同时，对计算和制造精度的要求也提高了。 但是，毫无疑问，发动机的可靠性得到了提高，特别是在使用柔性膜片作为置换器和活塞的设计中。 在这种情况下，发动机没有摩擦部件。 如果需要，可以使用线性发电机从这种发动机上去除电力。
但这对工程师来说还不够，他们开始寻找摆脱摩擦的方法，而不仅仅是移动部件。 他们找到了这样的方法。
在20世纪70年代，彼得·泽佩里（Peter Zeperli）意识到斯特林发动机中压力和气体速度的正弦振动，以及这些振动是同相的事实，令人难以置信地使人想起了行进声波中气体压力和速度的波动（图3）。 ）
图3-传播的声波的压力和速度随时间变化的曲线图。 结果表明，压力和速度波动是同相的。这个想法不是偶然地出现在Zeperli上的，因为在他之前，热声学领域已有大量研究，例如，Rayleigh勋爵本人在1884年就定性地描述了这种现象。
因此，他提议完全放弃活塞和置换器，而仅使用声波来控制气体的压力和运动。 这导致发动机没有运动部件，并且理论上能够实现斯特林循环的效率，从而达到卡诺的效率。 实际上，最好的指标是卡诺循环效率的40-50％（图4）。
图4-具有行波的热声发动机图您会看到，运行波热声发动机是完全相同的核心，由热交换器和再生器组成，但没有活塞和连杆，而是有一个称为谐振器的环形管。 但是，如果没有活动部件，该引擎如何工作？ 这怎么可能？
首先，回答问题，声音从哪里来？ 答案是，当两个热交换器之间出现足够的温差时，它会自行产生。 再生器中的温度梯度使您可以增强声音的振动，但只能使特定波长等于谐振器的长度。 从一开始，该过程如下所示：当加热热交换器时，会产生微沙沙，甚至可能因热变形而破裂，这是不可避免的。 这些沙沙声是频率范围很广的噪声。 在所有这些丰富的声音频谱中，引擎开始放大声音的振动，该振动的波长等于管道谐振器的长度。 不管初始波动有多小，它都会被放大到最大可能值。 当通过热交换器的声音放大功率等于损失功率（即声音振动的衰减功率）时，将在引擎内部产生最大音量。 并且该最大值有时达到160 dB的巨大值。 因此，在这样的引擎内部真的很大。 幸运的是，声音无法散发出去，因为谐振器很紧，因此站在正在运转的发动机旁边，几乎听不到声音。
由于相同的热力学循环-斯特林循环，在再生器中进行，一定频率的声音被放大。
图5-循环的各个阶段是粗糙且简化的。正如我已经写过的，在热声发动机中根本没有活动部件，它本身内部仅产生声波，但是不幸的是，如果没有活动部件，就不可能从发动机中去除电。
通常，能量是使用线性发电机从热声发动机产生的。 弹性膜在高强度声波的压力下振荡。 在带有芯的铜线圈内部，安装在膜片上的磁铁会振动。 发电。
2014年，来自Aster Thermoacoustics的Kees de Blok，Pawel Owczarek和Maurice Francois表明，连接到发电机的双向脉冲涡轮机适合将声波能量转换为电能[3]。
图6-脉冲涡轮机示意图脉冲涡轮沿相同方向旋转，而与流动方向无关。 图6示意性地示出了侧面的定子叶片和中间的转子叶片。
因此，涡轮在它们中看起来很现实：
图7-双向脉冲涡轮机的外观预计使用涡轮机代替线性发电机将大大降低建造成本，并将设备的功率提高到典型火力发电厂的功率，这对于线性发电机是不可能的。
我还开发了自己的热声引擎，有关更多信息，请参见下面的视频以及本文：
“创建和启动热声引擎”使用的来源清单[1] 克鲁格洛夫。 斯特林发动机。 莫斯科，1977年。
[2] G. Reader，C。Hooper。 斯特林发动机。 莫斯科“先生”，1986年。
[3]基斯·德布洛克（Kees de Blok），帕维尔·奥瓦萨雷克（Pawel Owczarek）。 声音到电力的转换，2014年。