斯特林发动机模型制作大全.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流斯特林发动机模型制作大全.精品文档.制作热声效应斯特林引擎 极客迷()十九世纪的吹玻璃工人,偶尔会听到被加热的玻璃管自然发出神秘的单音,这令人费解的声音其实是热机的另一种输出形式。一般的引擎以转动的形式输出能量;声音也具有能量,只不过以空气作为传递的媒介。热声效应的原理空气振动形成声音,声音发生时,为方便讨论,将传播声音的空气分成无数小块空气,应用牛顿力学来分析空气振动的情形,会得到声音的波动方程式,此方程式的解显示:声音传播时,各个小块空气都会发生膨胀收缩和位移。如果小块空气被压缩后,再被加热膨胀,对周围空气作较大的正功;之后这小块空气又先
2、被冷却,再被压缩,作较小的负功 (周围空气对这小块空气作较小的功) 。虽然这小块空气并非对活塞或涡轮作功,而是对周围空气作功,事实上也完成了工作流体加热后膨胀,冷却后被压缩的热机循环,把热能转换成声音振动的能量,增加声音的强度,此即所谓“热声效应”。凡是利用工作流体在冷、热区间移动,执行压缩的工作流体经加热而膨胀作正功,膨胀后先冷却再压缩作负功的热机循环,这样的机构都被归类为斯特林引擎。利用热声效应把热能转换成机械能的装置,也就称为热声效应斯特林引擎(thermoacoustics stirling heat engine) ,热声效应斯特林引擎大致可分为驻波(standing wave)和行
3、波(traveling wave)两种。驻波型斯特林引擎的作功原理驻波型斯特林引擎,基本上是一端闭口,一端开口的管状共振腔,在共振腔内近闭口端装有热片堆(stack),热片堆中有许多平行共振腔轴向的密集穿孔。热片堆在靠近闭端温度较高,另一端温度较低,于是延共振腔轴向的温度梯度(temperature gradient)相当大。当驻波发生时,热堆片穿孔中的各小块空气(工作流体)向闭口端位移,而被压缩,同时移向热片堆较高温处,该小块空气在热穿透深度(thermal penetration depth)以内的部分,会被热片堆加热,使得温度升高,随即膨胀对周围空气做较大的正功,驻波的能量于是加大,小块
4、空气也随着膨胀,同时移至热片堆的冷端,当能量增加的驻波再度压缩这小块空气时,此小块空气已先被较低温的热片堆冷却,只消耗较少的声波能量即可被压缩。于是,热能便不断地变成驻波的能量。动手做驻波型斯特林引擎本文介绍一种驻波型热声效应斯特林引擎的制作方法,所需材料都是一般实验室常见的东西:一、内径2cm、长22cm试管一支。二、直径0.250.4mm的镍铬线和直径0.8mm的漆包线。三、内径11.2mm玻璃毛细管。四、AB胶及胶带等。五、木材、螺丝钉等。另外还须要准备电源供应器。本实验的电源供应器最好选择能大范围调整电压和电流的类型。首先将玻璃毛细管切成约23公分长,再用AB胶黏成一束(图一),裁切玻
5、璃管时需留意切口锋利伤人。玻璃毛细管束要能轻松塞入试管中,并且注意AB胶不要堵住毛细管口,玻璃毛细管束于是构成许多轴向穿孔(图二) ,AB 胶黏合处尽可能靠近玻璃毛细管束的一端 (不须整支毛细管都涂满AB胶) ,在另一端,缠绕镍铬线 (图三)。先将漆包线与镍铬线连接处的漆刮除后,镍铬线两端分别连接漆包线,确保镍铬线和漆包线能导通。再用蓝色胶带将漆包线裹在玻璃毛细管束上,避免漆包线拉扯镍铬线或镍铬线松脱。图一:黏结完成的玻璃毛细管束。图二:玻璃毛细管构成许多轴向穿孔。图三:玻璃毛细管束的一端缠绕镍铬线。用木材制作一具简易的支架,以适当方式将试管置于支架上,将一端缠绕镍铬线的玻璃毛线管置于试管中,
6、导通镍铬线两端的漆包线从试管口伸出即可。玻璃毛细管用镍铬线加热的那头向着试管封闭的底部,玻璃毛细管加热区域的位置,大约在靠近试管底部三分之一试管总长度的地方(图四) 。图四:玻璃毛细管束的加热区靠近试管底部约三分之一处。自制斯特林引擎的操作操作时需加热,试管内外的温度都可能很高,务必小心,以免烫伤。先把电源供应器的电压调到最小,用鳄鱼夹接通电源供应器的输出端和两条从试管伸出的漆包线 (图五)。逐渐调高电源供应器的电压,透过试管可以看到缠在玻璃毛细管一端的镍铬线开始发出暗红色的光,再调高电源供应器的输出功率,使镍铬线发出亮橘色的光(急速再升温)(图六)。注意不可使镍铬线发出白炽的亮光,否则镍铬线
7、可能烧断。再稍等约十秒钟,试管就发出很响的单音。图五:电源供应器提供电力使镍铬线加热。图六:从镍铬线发光的颜色和亮度,可大致判断镍铬线的温度。如果一直未发出声响,可从试管垂直的方向,对试管口大力地吹口气,或在试管口附近鼓掌,诱发热声效应。通常如果对着空的试管这样吹气,就会像吹排笛时而发出的单音一般,试管只会发出声音,但试管内放入一端加热的毛细管束制成的热片堆,试管发出的声音就会有好似回音一般的声音,持续一段时间,这表示整个实验装置完全正确,热声效应也正常发生。此时再稍提高电源供应器的输出电压使镍铬线温度升高,试管就会持续发出相当响的声音了;或者也可经过更急热的程序先关掉电源,待其冷却二十分钟,
8、再打开电源急速升温,试管不久也会发出响声。热声效应引擎的改良与展望驻波型热声斯特林引擎的工作流体,并未完全符合热机循环的过程,所以效率较低。1998年左右C. M. de Blok等人发明行波型热声斯特林引擎,使其工作流体更合乎热机循环的方式,将热能转换成声音的能量,有效提高热声效应斯特林引擎的效率。热声效应斯特林引擎是一项新的能源技术,可以使用多元能源作为动力,目前美国和中国在此领域有较出色的研究成果,所产生的声波可用来推动热声致冷机液化气体或冷却电子设备,也可用来发电双缸斯特林引擎发电 极客迷()在偏远地区,收听广播可能是唯一的娱乐,也是与文明世界沟通的管道,但偏远地区常无电力供应,甚至连
9、电池都难以取得。虽收音机本身轻巧耐用,因缺乏适当的电力,收听广播变得十分麻烦,于是有人就想到利用发条经变速齿轮驱动微型发电机,提供收音机所需微不足道的电力。斯特林引擎在某些场合也具有类似的功能,尽管至今为止小型轻巧的斯特林引擎之输出功率,仍无法与尺寸相仿的内燃机匹敌(极其微小的斯特林引擎与同尺寸内燃机之比较,又另当别论),就收音机或小型照明设备而言,斯特林引擎之输出功率却恰到好处,并且具有燃料多元化、安静、污染少、构造简单耐用、保养方便等优点。玻璃制的透明斯特林引擎作为教具,固然可以寓教于乐,令学生印象深刻,但如果能进一步利用斯特林引擎作为动力,制作相关的动力机械,例如,装配一辆汽车模型(注一
10、),或驱动发电机发电,并以此电力驱动小功率电器,除了完整介绍引擎之原理、构造和用途,更能演示热学原理、能量守恒原理、发电机负载原理,使斯特林引擎教具不但在高中、大学之物理学教学有用,也能应用在技职课程之教学和科普教育。本文介绍这一部双缸水平并卧透明试管引擎发电设备,由两具特别设计的斯特林引擎(注二)组合而成,其内部构造和运转情形一目了然。尽管乍见其外观(图一),构造似乎有些复杂,装配过程好像颇棘手,但其独特的设计已降低了精度的要求,不难成功自制,正适合有兴趣的读者大显身手。图一:试管引擎的实物照片,摄于2004年4 月14 日。一、自制这款引擎所需的材料:1. 外径1.85 cm、内径1.7
11、cm 的试管二个,外径1.63 cm,内径1.45 cm 的试管二个(化学实验室或玻璃仪器行一定有,价格各约二、三十元台币);2. 粗约0.4 mm(0.016 号)的吉他钢弦(乐器行有售,35 元一条);3. 长约16 cm,横截面23 mm2 的铝杆二支;4. 玻璃毛细管(外径5.8 mm,内径0. 45mm,学校实验室找得到);5. 直径1.5 mm,长10 cm 的钢棒两根(就是尚未攻牙的钻头,钻头工厂有卖);6. 内径1.3 cm,长约7cm 的玻璃管二个;7. 内径8 mm 的玻璃管;8. 内径2.2 mm,长约20 cm 的橡皮管;9. 内径15 mm,长约20 cm 的铝棒一根
12、;10. 直径20 mm,长约20 cm 的PE 棒(以上五项,台北市太原路都找得到);11. 白杨木条若干(五金行有售)。二、自制附属发电机所需的材料:1. 直径0.3 mm 的漆包线80 m;2. 直径3 cm,厚6 mm 的铷铁硼稀土磁铁(俗称强力磁铁)两块。3. 双面胶。三、所需的工具:小型车床和钻床、钻石轮锯(五金工具行有售,售价仅台币数百元);美工刀、砂纸;AB 胶、热熔胶等。四、纯手工装配的制程:图一为本车的全貌,双缸水平并卧,以95度药用酒精为燃料。利用具有弹性的吉他琴钢弦,经内径很细(约0.4 mm)的玻璃毛细管伸入试管制成的温差气室中,牵移其中以较小试管制成的移气胴体,借着
13、空气的黏滞性达到很好的气密效果。汽缸为内径1.3 cm,长7 cm 的玻璃管,活塞以铝棒车制;吉他钢弦连接白杨木制移气连杆的部位,又受一内径8 mm 的玻璃管局限,俾能确保高转速时引擎之正常运转。装配时,车体大致可分为五大部分:(一)铝制活塞和玻璃管构成的汽缸;(二)套合大小两试管构成的温差气室;(三)曲轴和轴承组件;(四)发电机;(五)发光二极管负载。首先,用白杨木制成H 型支架,支架上方有两PE棒车成的轴承,两块直径3cm,厚6mm的铷铁硼稀土磁铁,夹在直径1.5 mm,长10 cm的钢棒中段,此稀土磁铁兼有发电机转子和飞轮的功能,钢棒作为转轴置于轴承中,转轴两端分别装上由白杨木制成的曲柄
14、,两曲柄的相对角度可以随意,把另一根直径1.5mm 的钢棒锯成两截,各长2.5 cm,作为曲轴,曲轴装在曲柄上。整个H 型支架安装在木板底座上(图二)。图二:白杨木制成H型支架,支架上方有两PE棒车成的轴承,转轴两端分别装有白杨木制成的曲柄和钢棒曲轴。选用两支内径1.3 cm,长约7.0 cm的玻璃圆管,作为汽缸。再将直径约1.5 cm的铝棒,车成恰可在汽缸中滑动的活塞,活塞长2.5 至4.0 cm。用钻头将此活塞中心掏出一个直径约0.9 cm 的圆穴,使此活塞成为圆柱形杯状物(图三)。图三:铝制活塞、玻璃汽缸和铝制动力连杆的特写镜头,活塞和动力连杆以习用方式连接。在圆穴中塞入一支PE制成的小
15、圆管,此小圆管横向穿有一小截直径1.0 mm的钢棒,作为活塞插销,将其穿过铝制动力连杆一端的小孔。动力连杆长约8cm,横截面23 mm2,被充分镂空,一方面保留其强度和刚性,另一方面减轻其重量,动力连杆另一端的小孔套在曲轴上。两个汽缸下方都以适当大小的PE棒制成的杯状物塞住,此PE杯状物杯口朝向汽缸,侧面钻一小孔恰容内径2.2mm的橡皮管塞入, 两个汽缸都位于转轴两端之曲柄下方,用AB 胶垂直黏在木板底座上(图四)。图四:两个汽缸都位于转轴两端曲柄下方,用AB胶垂直黏在木板底座上。其次,取内径1.7cm和外径1.63 cm的试管各一个,将较小试管的长度裁短成12 cm,并将管口以PE棒车成的塞
16、子塞住。此塞子中心钻一小孔,小孔中插入吉他钢弦,以这个较小的试管作为移气胴体。被锯成长14.2cm的较大试管作为温差气室,将移气胴体置于其中,较大试管管口也用PE棒制成的塞子塞住,但此塞子中心钻一恰容玻璃毛细管(外径5.8 mm,内径0.4 mm)的孔,将玻璃毛细管塞入,自然密封其间隙。同时另外钻一恰容内径2.2 mm的橡皮管塞入的小孔,将内径2.2mm,适当长度的橡皮管,分别塞入该小孔和汽缸底部杯状物的小孔,以连通汽缸和温差气室。玻璃毛细管再套上一截内径8mm的玻璃管,牵动小试管的吉他钢弦由玻璃毛细管穿出,并以AB胶将吉他钢弦与白杨木制长20cm的移气连杆牢牢黏好。白杨木制移气连杆与吉他钢弦
17、连接处制成膨大的金针菇形,此金针菇头的部分局限在内径8mm的玻璃管中往复运动(图五),白杨木制移气连杆另一端有一小孔套在曲轴上。两温差气室完成后,分别以适当高度的支架水平安装妥当。图五:白杨木制移气连杆与吉他钢弦连接处制成膨大的金针菇形,此金针菇头的部分局限在内径8mm的玻璃管中往复运动。再则,将漆包线缠绕在直径4cm的圆柱体,漆包线再覆上一层双面胶,双面胶上再缠绕一层漆包线,即以一层双面胶一层漆包线的方式缠绕约三百匝,之后把直径4cm的圆柱体取出,即制成线圈,并以热熔胶黏在尽可能靠近稀土磁铁的地方,使稀土磁铁转动时线圈的磁通量变化愈大愈好。最后,线圈连接发光二极管,即大功告成(图六)。图六:
18、发电机线圈和发光二极管特写。五、运转发电:以酒精灯火焰直接加热试管底部约30秒,试管被烧烫之后,试管内壁会达到适当温度,用手推动磁铁,引擎启动,至高速时打开发电机开关,发电机发电后可点亮发光二极管(图七)。图七、引擎运转,驱动发电机发电,电力供给发光二极管发光。六、改进的空间:此引擎设备具有两项特点:(1)引擎为双缸,功率较大;(2)以简易发电机发电,成功驱动小功率电器。当然,此原型机仍有改进空间,例如:(a)为降低成本,此原型机使用极廉价的试管,高速运转时有震破之虞。若要长时间运转,宜再缩小试管尺寸,减轻其重量,以降低各种运动状况时之受力,或选用较坚韧的试管。(b)此原型机高速运转时,虽力量
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