先進斯特林式放射性元素引擎

先進斯特林式放射性元素引擎是一款先進斯特林式的引擎

基本介紹

  • 中文名:先進斯特林式放射性元素引擎
  • 稱號:能源之星
  • 類別:先進斯特林式
  • 性質:引擎
能源之星——斯特林引擎
一、環保的工業革命
從十八世紀初葉開始,一連串對往復式蒸汽機的改良,確定了動力機械的實用性,促成能源科技的突飛猛進,人類從此掙脫了人力和獸力的限制,生產力一夕暴增,引發了以碳能源為基礎的第一次工業革命,深遠改變全體人類的文明軌跡。
人類於是發展出一種極度依賴能源的生活方式。然而,人們慣用的化石能源(如煤、石油、天然氧等)蘊藏量有限,不可逆的大量消耗,原本即非長久之計。再加上近年來金磚四國經濟起飛,大量人口也競相使用能源,近日油價於是屢創歷史新高,新一波能源危機隱隱浮現。
值得注意的是,70年代的石油危機,是產油國在以巴衝突中藉高油價杯葛英美之中東政策,人為製造出來的,幾經外交折衝,油價不難復歸平穩。但最近油價居高不下,則是市場上的確存在供不應求的客觀因素所造成,長遠來看,這樣的趨勢只會日益嚴峻,高油價時代實已無可避免。
另一方面,由於大量消耗化石能源,也對環境造成極大的衝擊,二氧化碳的濃度和排放量都創下了前所未有的記錄,衍生的各種後果不堪構想,於是而有京都議定書的簽署,減少依賴化石能源勢在必行。
平常就以賽球對抗排譴競爭本性的人類,立刻露出爭取珍貴石油的衝動,國際間暗潮洶湧,甚至爆發戰爭。面對能源危機和其連鎖所引發的糧食、環保、氣候變遷、生態威脅、國際關係等難題,憑藉第一次工業革命以降暴增的科技實力,賦予與蒸汽機幾乎同時誕生,卻蟄伏近兩世紀的一種外燃引擎——斯特林引擎——新的生命,展開著眼於永續非碳能源的下一場工業革命,相信必能和平的為當前困局找到兩全其美的解決方案。
二、從熱機談起
除了早期的蒸氣機之外,各種精巧的內燃引擎也陸續問世。這些能將熱能轉換成機械能的機器統稱“熱機(heat engine)”。從物理學的角度來看,儘管各種引擎的構造大異其趣,但所有熱機的主角都是工作流體(working fluid)。熱能進入工作流體之後,透過工作流體之運作,轉換成動能。打個比方來說,熱機好似公司行號,工作流體好似員工,無論公司之體制,聘僱方式如何,也無論員工領薪水的方式是用支票,還是給現金,總而言之,公司的營運方式都是員工領薪水然後辦理公事。
老式火車頭上的往復式活塞蒸汽機,現代核能電廠中的渦輪蒸汽機,不用火星塞的柴油引擎,常見的汽油引擎,戰機或客機搭載的噴射引擎(圖2-1),推動高空偵察機SR-71以三倍音速巡戈的衝壓引擎,不用連桿的轉子引擎,無論這些熱機的構造複雜與否;也不論它們加熱工作流體的方式,是直接在工作流體中燃燒燃料(內燃),還是經由鍋爐或汽缸來加熱工作流體(外燃);也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質;也不論他們是重複循環使用工作流體,或不斷使用用過即拋的工作流體,他們的工作原理都是一樣的:“工作流體被加熱或高溫狀態時,膨脹作正功,工作流體降溫或較低溫的狀態時,被壓縮作負功。”把工作流體的壓力和體積關係的封閉曲線畫在PV圖上,無論Rankine循環、Otto循環、Diesel循環,或者圖2-1所示的Brayton循環,工作流體狀態之變化都必須隨著相似的順時鐘方向。
二、從熱機談起
除了早期的蒸氣機之外,各種精巧的內燃引擎也陸續問世。這些能將熱能轉換成機械能的機器統稱“熱機(heat engine)”。從物理學的角度來看,儘管各種引擎的構造大異其趣,但所有熱機的主角都是工作流體(working fluid)。熱能進入工作流體之後,透過工作流體之運作,轉換成動能。打個比方來說,熱機好似公司行號,工作流體好似員工,無論公司之體制,聘僱方式如何,也無論員工領薪水的方式是用支票,還是給現金,總而言之,公司的營運方式都是員工領薪水然後辦理公事。
老式火車頭上的往復式活塞蒸汽機,現代核能電廠中的渦輪蒸汽機,不用火星塞的柴油引擎,常見的汽油引擎,戰機或客機搭載的噴射引擎(圖2-1),推動高空偵察機SR-71以三倍音速巡戈的衝壓引擎,不用連桿的轉子引擎,無論這些熱機的構造複雜與否;也不論它們加熱工作流體的方式,是直接在工作流體中燃燒燃料(內燃),還是經由鍋爐或汽缸來加熱工作流體(外燃);也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質;也不論他們是重複循環使用工作流體,或不斷使用用過即拋的工作流體,他們的工作原理都是一樣的:“工作流體被加熱或高溫狀態時,膨脹作正功,工作流體降溫或較低溫的狀態時,被壓縮作負功。”把工作流體的壓力和體積關係的封閉曲線畫在PV圖上,無論Rankine循環、Otto循環、Diesel循環,或者圖2-1所示的Brayton循環,工作流體狀態之變化都必須隨著相似的順時鐘方向。
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先進斯特林式放射性元素引擎
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圖2-1 噴射引擎之工作流體,由外界吸入,PV狀態經0-23(壓縮)-34(燃燒升溫)-45(膨脹對渦輪(turbine)作工)-58(回到外界降溫),順時針變化其狀態,完成熱機循環
(數據源:www.grc.nasa.gov;WWW/K-12/airplane/brayton.html;encyclozine.com/Science/Physics/thermodynamics/)
熱力學第二定律則指出,工作流體被加熱之後,又必然恢復到原來狀態時,被加熱時獲得的熱能,因為機率的原故,不可能完全經做功轉換成機械能,所以沒有完美的熱機。
就以大家最熟悉的汽油引擎為例,圖2-2是理想化的二行程汽油引擎,汽油引擎的主角當然也是工作流體,也就是進出引擎的空氣。
過程1:混合著少量汽油的空氣(此時溫度較低)被壓縮後,點火爆燃油氣,使空氣溫度升高。
過程2:加熱後的高溫空氣膨脹作正功,推動活塞,經連桿驅動飛輪轉動。
過程3:飛輪繼續轉動則將推動活塞壓縮工作流體,所以在此先吸入混著汽油的低溫空氣,並把高溫的空氣(廢氣)排出。排出廢氣,吸入新鮮空氣的過程,其主要效果是冷卻工作流體。
過程4:較冷的工作流體於是再被活塞壓縮,作負功,並繼續過程1。
如此周而復始,此二行程汽油引擎即不停運轉。四行程汽油引擎只不過是經由較徹底的先排氣,再吸氣,完成降溫過程而已,工作原理與二行程的汽油引擎完全一樣。
2-2
先進斯特林式放射性元素引擎
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三、斯特林引擎的工作原理
1816年蘇格蘭牧師羅伯特斯特林,申請了現今稱為斯特林引擎的一種外燃機專利。有別於以水蒸汽作為工作流體的蒸汽機,當時的斯特林引擎1以空氣作為工作流體,所以也稱為熱空氣引擎(hot air engine)。
圖3-1顯示一種很容易理解其原理的斯特林引擎,右方容器稱之為溫差氣室。溫差氣室的下方為熱區,溫度較高;上方冷區的溫度較低;兩側斜線部分代表熱再生器(regenerator)。引擎運轉時,要持續維持熱區和冷區的溫差。溫差氣室中的移氣胴體(displacer)可上下移動。移動時顯然不會改變引擎中工作流體的體積,但移氣胴體在上方時,工作流體被移往熱區,移氣胴體在下方時,工作流體被移往冷區。熱再生器的功能是,當工作流體從熱區移到冷區時預先冷卻工作流體,並暫時儲存工作流體釋出的熱能,當工作流體從冷區移到熱區時,利用儲存的熱能預先加熱工作流體。工作流體預冷後停留在冷區繼續冷卻,預熱後停留在熱區繼續加熱。
活塞的往復運動則會改變工作流體的體積,工作流體膨脹時對活塞作正功,工作流體被壓縮時作負功。
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先進斯特林式放射性元素引擎
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圖3-1 斯特林引擎示意圖,右方溫差氣室兩側斜線部分代表“熱再生器(regenerator)”
這型斯特林引擎的運轉過程,與後來才出現的汽油內燃機模擬,非常容易加以解釋。(比較圖3-1和圖2-2)
過程1:在此過程中,工作流體已被壓縮,必須先獲得熱能,再膨脹作正功。汽油引擎利用燃燒少量的汽油,加熱汽缸中的工作流體(空氣);斯特林引擎中的工作流體,則是被移氣胴體驅趕,經熱再生器移到下方熱區加熱。
過程2:高溫的工作流體壓力增加,膨脹對活塞作較大的正功。
過程3:工作流體將被壓縮,先被移氣胴體驅趕,經熱再生器移到上方冷區冷卻。汽油引擎則在此過程中,排掉高溫廢氣,並吸入混有燃料的低溫空氣,以進行降溫。
過程4:低溫的工作流體於是被活塞壓縮作負功。
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先進斯特林式放射性元素引擎
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圖3-2 理想化的斯特林引擎工作流體PV圖
對照的汽油引擎和這型斯特林引擎,兩者不同之處在於:汽油引擎以混合燃料燃燒的方式直接加熱工作流體,以排氣吸氣的方式冷卻工作流體;斯特林引擎則是利用工作流體接觸不同溫度的區域,來升降其溫度
移氣胴體和活塞如何在時序上恰好配合,使得工作流體先加熱再膨脹,先冷卻再壓縮呢?最常用的是曲軸和連桿等構成的連動機構(drive mechanism),但許多巧妙的方法也可達到同樣的效果。
圖3-2 顯示斯特林引擎的工作流體理想化的PV圖。在過程1(圖中1→2狀態),活塞假設不動,被壓縮的工作流體經熱再生器由冷區移到熱區,工作流體被加熱,等體積升溫;過程2(圖中2→3狀態),活塞向外運動,工作流體停留在熱區等溫膨脹;過程3(圖中3→4狀態),活塞假設不動,工作流體經熱再生器,由熱區回到冷區,等體積降溫;過程4(圖中4→1狀態),活塞向內運動,工作流體停留在冷區,作等溫壓縮。
如果熱再生器在工作流體等體積降溫時(3狀態→4狀態),熱能完全儲存在熱再生器中,等體積升溫時(1狀態→2狀態),儲存在熱再生器中的熱能又完全釋入工作流體中,即Q3→4=-Q1→2。在2狀態至3狀態的等溫膨脹(溫度較高,以Th表示),所做的功為:
3.1
先進斯特林式放射性元素引擎
3.1
(3.1)
其中n為工作流體莫耳數,R為氣體常數,VL和VS分別是工作流體的膨脹後和壓縮後之體積。
根據熱力學第一定律,等溫膨脹所作的功等於所獲得之熱能
3.2
先進斯特林式放射性元素引擎
3.2
(3.2)
同理,低溫(TC不變)被壓縮的過程中,工作流體所作的功和獲得之熱能分別為
<0 (3.3)
3.3
先進斯特林式放射性元素引擎
3.3
(3.4)
3.4
先進斯特林式放射性元素引擎
3.4
因此,工作流體每循環一次所作的淨功為:
(3.5)
3.5
先進斯特林式放射性元素引擎
3.5
等於PV圖中封閉曲線所包圍的面積。在完美熱再生器的前提之下,斯特林引擎的效率為
3.6
先進斯特林式放射性元素引擎
3.6
(3.6)
即等於卡諾循環的效率。
然而,斯特林引擎有許多不同的設計,不同構造的斯特林引擎,其工作流體的PV圖與圖3-2中顯示者多少有些出入。
此外,在真實的斯特林引擎中,活塞大多以近似時間正弦函式的方式運動,鮮少完全靜止,所以工作流體能經歷一段等體積過程,實為簡化的假設;通常熱再生器的效率亦難達到100%;而在溫差氣室冷區的工作流體也不容易完全移到熱區加熱,反之亦然,在熱再生器中也會滯留一部分工作流體,這些沒有參與溫度變化的工作流體,形成所謂滯留體積(dead volume),PV曲線圖實際上會比圖3-2所示的曲線平滑許多。
再加上工作流體在溫差氣室中移動時,各種阻滯力造成動能的損失(flow loss),以及外燃加熱時,熱傳導過程中的各種損失(heat transfer loss),而工作流體等溫膨脹或壓縮的等溫假設亦顯有瑕疵,更使得實際斯特林引擎的效率與卡諾循環的效率不完全相等。

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