《斯特林发动机模型制作大全》由会员分享，可在线阅读，更多相关《斯特林发动机模型制作大全（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、制作热声效应斯特林引擎制作热声效应斯特林引擎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 气又先被冷却，再被压缩，作较小的负功 (周围空气对这小块空
2、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)和行波(traveling wave)两种。
3、驻波型斯特林引擎的作功原理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，小块空气
4、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
5、约 23 公分长，再用 AB 胶黏成一束(图一)，裁切玻 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
6、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，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
7、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
8、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，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
9、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双缸斯特林引擎发电 极客迷极客迷（）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
10、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)，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
11、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：一、自制这款引擎所需的材料：1. 外径 1.85 cm、内径 1.7 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
12、);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;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：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
13、. 双面胶。三、所需的工具：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：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
14、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，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
15、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 2
16、3 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
