剖析熱氣機(jī)的運(yùn)用與能量科學(xué)教育

剖析熱氣機(jī)的運(yùn)用與能量科學(xué)教育

斯特林發(fā)動機(jī)通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動力，相比汽油機(jī)、柴油機(jī)等內(nèi)燃機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）燃料來源廣。斯特林發(fā)動機(jī)不但可用煤、石油、自然氣、化石燃料外，也能利用太陽能、原子能、化學(xué)能，木材、秸稈等農(nóng)林廢棄物燃燒釋放的能量，還可以用來回收各種分散或低品位的熱能。

（2）熱效率高。抱負(fù)斯特林循環(huán)由兩個等溫過程和2個等容過程組成，理論循環(huán)效率等于一樣狀態(tài)下的卡諾效率。試驗(yàn)說明斯特林發(fā)動機(jī)的實(shí)際有效效率能到達(dá)32%～40%，最高可達(dá)47%。

（3）排氣污染小。斯特林發(fā)動機(jī)的燃燒過程連續(xù)進(jìn)展，空氣燃燒比的變化對效率和功率的影響很小，只要在足夠空氣下運(yùn)轉(zhuǎn)，燃料的燃燒值比擬高，大大降低廢氣中CO、HC等有害氣體的含量。

（4）噪音低。斯特林發(fā)動機(jī)沒有氣閥機(jī)構(gòu)且工質(zhì)在汽缸內(nèi)的壓力變化類似于正弦，沒有燃燒產(chǎn)生的爆震和排氣波，運(yùn)轉(zhuǎn)比擬平穩(wěn)，噪音比擬小。

（5）運(yùn)轉(zhuǎn)特性好。斯特林發(fā)動機(jī)中最大壓力與最小壓力之比一般小于2，扭矩比擬勻稱、運(yùn)轉(zhuǎn)比擬平穩(wěn)。斯特林發(fā)動機(jī)的超負(fù)荷力量強(qiáng)，在超負(fù)荷50%的狀況下能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，相對于內(nèi)燃機(jī)5%～15%的超負(fù)荷力量具有更好的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。

（6）構(gòu)造簡潔，修理便利。斯特林發(fā)動機(jī)比內(nèi)燃機(jī)少40%的零部件，例如自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)只有密封的汽缸和2個活塞，沒有簡單出故障的氣閥機(jī)構(gòu)、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤滑的活塞環(huán)，便于保養(yǎng)修理。盡管有如此出眾的性能和優(yōu)點(diǎn)，但是由于斯特林發(fā)動機(jī)的熱源來自外部，需要經(jīng)過一段時間才能通過氣缸壁將熱量傳導(dǎo)給發(fā)動機(jī)內(nèi)的氣體，熱量損失是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的2—3倍，難以快速轉(zhuǎn)變動力輸出。再加上制造本錢較高，密封件的牢靠性和壽命存在缺乏，目前市場上還沒有大規(guī)模應(yīng)用斯特林發(fā)動機(jī)。斯特林發(fā)動機(jī)的進(jìn)展前景非常看好，討論者將致力于應(yīng)用新材料和新工藝降低造價，完善構(gòu)造和提高性能，有望在水下動力、太陽能動力、空間站動力、熱泵空調(diào)動力、車用混合推動動力等方面得到廣泛應(yīng)用。例如在太陽能熱發(fā)電工程中,斯特林發(fā)動機(jī)可以把集熱器中的熱能直接轉(zhuǎn)化成動能驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，在美國和澳大利亞等國家取得實(shí)質(zhì)性的突破，許多試驗(yàn)電站已經(jīng)運(yùn)行多年，大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行電站正在建立。2023年8月SCE公司(SouthernCaliforniaEdison)和SES公司(StirlingEnergySystems,Inc.)宣布簽訂20年選購協(xié)議，由SES公司在美國洛杉磯東北莫哈韋沙漠地區(qū)采納碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)建筑一座500MW并逐步擴(kuò)大到850MW的太陽能熱發(fā)電站。該電站估計(jì)將由20，000個碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)組成，占地4500英畝(18平方公里)，這是太陽能光碟/斯特林發(fā)動機(jī)技術(shù)在商業(yè)發(fā)電領(lǐng)域第一次大規(guī)模應(yīng)用。

斯特林發(fā)動機(jī)的能源科學(xué)教育

進(jìn)展于18～19世紀(jì)的熱學(xué)照舊是經(jīng)典科學(xué)教育的重要內(nèi)容，伴隨科技突飛猛進(jìn)，課程內(nèi)容也要適當(dāng)反映當(dāng)代科學(xué)成就，突出新的科學(xué)思想。能源科學(xué)教育應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)以“能”概念為中心，使學(xué)生形成“能量及其轉(zhuǎn)化和耗散”的科學(xué)圖景。熱機(jī)的創(chuàng)造對現(xiàn)代社會影響深遠(yuǎn)，學(xué)生可以調(diào)查身邊的熱機(jī)類型，了解從活塞到輪機(jī)及噴氣發(fā)動機(jī)的進(jìn)展歷程。能源與環(huán)境危機(jī)是當(dāng)今社會進(jìn)展面臨的重大議題，樹立和培育學(xué)生的可持續(xù)進(jìn)展意識已成為各國教育關(guān)注的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)中教師單純依靠文字或者圖片視頻等方式介紹新能源的開發(fā)與利用，給學(xué)生供應(yīng)一些外表的科技信息，無法貼近學(xué)生的實(shí)際生活閱歷。學(xué)生只能被動地熟悉汽油機(jī)、柴油機(jī)等熱機(jī)的簡單構(gòu)造，定性了解它們的工作原理和過程，無法開展切實(shí)可行的科學(xué)探究等活動。

近年來國外科學(xué)教育專家在中小學(xué)開展斯特林發(fā)動機(jī)模型制作與試驗(yàn)討論，取得一系列成果。2023年6月上海交通大學(xué)出版社出版了濱口和洋等人編著的《斯特林引擎模型制作》，書中具體介紹斯特林引擎的歷史、進(jìn)展現(xiàn)狀、工作原理和特征，模型設(shè)計(jì)制作方法以及性能評價。本書具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，讀者可以參照書中圖紙尺寸動手制作，也可以依據(jù)書中的理論學(xué)問自己設(shè)計(jì)制作。斯特林模型試驗(yàn)教學(xué)說明，通過簡潔的儀器演示與教具制作，學(xué)生不但觀看到“熱—功轉(zhuǎn)換”的實(shí)際過程，了解能源的循環(huán)利用，引發(fā)對能源與動力的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)展動手操作的實(shí)踐力量。值得一提的是，斯特林發(fā)動機(jī)做為科學(xué)教育活動的主題，可難可易，可深可淺，它的模型構(gòu)造可以非常簡潔，也可以很簡單，容許學(xué)生經(jīng)受無限的想像和創(chuàng)作空間，自行創(chuàng)新設(shè)計(jì)與探究。

以下是利用玻璃球和試管設(shè)計(jì)的簡潔斯特林模型，主要器材包括一支帶橡膠塞的試管，5個玻璃球，注射器（針管）、塑料接頭。將針頭穿透橡膠塞，把四個玻璃球裝進(jìn)試管，將橡膠塞塞嚴(yán)，肯定不能漏氣。玻璃球直徑要比試管內(nèi)徑略小，能夠順滑地在試管內(nèi)滾動。把輸液器頭軟管那局部用力套在針管上，另一頭與針頭連接。氣路連接完畢以后試驗(yàn)密封性能，往上推注射器活塞，要求松手后活塞能輕松回到原位。玻璃珠發(fā)動機(jī)的工作過程如下：

（1）右側(cè)的酒精燈加熱，氣體受熱膨脹，熱氣體被擠向活塞針筒。

（2）氣體膨脹使活塞針筒伸長。

（3）彈珠被推往試管另外一邊，把氣體擠往試管左側(cè)。

（4）活塞針筒伸長，系統(tǒng)體積變大，溫度下降。

（5）氣體溫度降低，使得氣體體積產(chǎn)生一個真空吸力，帶動活塞針筒收縮。

（6）針筒收縮，試管傾斜，彈珠滾回到試管的左側(cè)。

（7）彈珠移動，把局部氣體又一次擠回到試管的右邊。

（8）酒精燈再次加熱，使氣體膨脹后再一次做功。目前市場上推出一種基于斯特林發(fā)動機(jī)原理的DIY組裝玩具“溫差動能風(fēng)車”，風(fēng)車盤面透亮無色，圖案可以自己打印裝飾，也可以拿一張報(bào)廢的CD盤片充當(dāng)。把組裝好的動能風(fēng)車放在溫度較高的物體上，比方一杯熱茶，人的手掌，甚至頭頂上，稍等一段時間待熱傳導(dǎo)至引擎室的下方，底部的熱能轉(zhuǎn)換機(jī)關(guān)就開頭啟動輪盤，頂部的風(fēng)車就會不斷旋轉(zhuǎn)。面對這個趣味橫生的熱能風(fēng)車，教師可以提出不少啟發(fā)學(xué)生爭論與思索的問題，例如：

（1）引擎的循環(huán)對應(yīng)熱力學(xué)過程分析，氣體在不同階段的壓力、體積及溫度的變化關(guān)系？

（2）飛輪的旋轉(zhuǎn)方向與引擎的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)系嗎？

（3）增加熱水的溫度會產(chǎn)生什么影響？要讓風(fēng)車持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時間增加，有什么方法？我國各地經(jīng)濟(jì)進(jìn)展水平差異較大，辦學(xué)條件比擬好的學(xué)?？梢再徶脦着_斯特林發(fā)動機(jī)模型進(jìn)展試驗(yàn)教學(xué)，鼓舞學(xué)生開展制作斯特林發(fā)動機(jī)的課外科技活動，通過學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與制作斯特林模型，了解其根本構(gòu)成、工作原理和特點(diǎn)。這無疑是一個既有挑戰(zhàn)性，又布滿動手操作樂趣的探究活動：學(xué)生需要在根本設(shè)想階段要求做出輸出和外形的概略圖，在設(shè)計(jì)階段做出各零件的強(qiáng)度計(jì)算和外形計(jì)算的概略圖，在制造階段供應(yīng)加工材料及規(guī)格零件，在組裝階段檢查零件的尺寸，進(jìn)展零件的粘結(jié)及組裝，運(yùn)行階段進(jìn)展加熱確認(rèn)引擎工作。一些精明的商家適時推出兼具教育和消遣功能于一體的斯特林小車模型，玩家只需要嚴(yán)格根據(jù)說明書，將各種零配件組裝起來，使用酒精作為動力，斯特林小車就可以自如行駛。

辦學(xué)條件一般的學(xué)校，可以鼓舞學(xué)生用身邊的簡易器材設(shè)計(jì)和制作各類斯特林發(fā)動機(jī)，例如玻璃球引擎及其驅(qū)動小車，空罐引擎，試管引擎及其驅(qū)動小車，燒杯引擎，低溫差引擎，大功率型引擎，特別引擎等。目前不少地方學(xué)校的辦學(xué)條件還亟待改善和加強(qiáng)，國外開展多年的斯特林科技活動為我們供應(yīng)諸多有益的啟發(fā)和思索