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剖析热气机的运用与能量科学教育

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斯特林发动机通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力,相比汽油机、柴油机等内燃机具有以下优点:

(1)燃料来源广。斯特林发动机不但可用煤、石油、天然气、化石燃料外,也能利用太阳能、原子能、化学能,木材、秸秆等农林废弃物燃烧释放的能量,还可以用来回收各种分散或低品位的热能。

(2)热效率高。理想斯特林循环由两个等温过程和2个等容过程组成,理论循环效率等于相同状态下的卡诺效率。实验表明斯特林发动机的实际有效效率能达到32%~40%,最高可达47%。

(3)排气污染小。斯特林发动机的燃烧过程连续进行,空气燃烧比的变化对效率和功率的影响很小,只要在足够空气下运转,燃料的燃烧值比较高,大大降低废气中CO、HC等有害气体的含量。

(4)噪音低。斯特林发动机没有气阀机构且工质在汽缸内的压力变化类似于正弦,没有燃烧产生的爆震和排气波,运转比较平稳,噪音比较小。

(5)运转特性好。斯特林发动机中最大压力与最小压力之比一般小于2,扭矩比较均匀、运转比较平稳。斯特林发动机的超负荷能力强,在超负荷50%的情况下能正常运转,相对于内燃机5%~15%的超负荷能力具有更好的运转特性。

(6)结构简单,维修方便。斯特林发动机比内燃机少40%的零部件,例如自由活塞式斯特林发动机只有密封的汽缸和2个活塞,没有容易出故障的气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环,便于保养维修。尽管有如此出众的性能和优点,但是由于斯特林发动机的热源来自外部,需要经过一段时间才能通过气缸壁将热量传导给发动机内的气体,热量损失是内燃发动机的2—3倍,难以快速改变动力输出。再加上制造成本较高,密封件的可靠性和寿命存在不足,目前市场上还没有大规模应用斯特林发动机。斯特林发动机的发展前景十分看好,研究者将致力于应用新材料和新工艺降低造价,完善结构和提高性能,有望在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力等方面得到广泛应用。例如在太阳能热发电项目中,斯特林发动机可以把集热器中的热能直接转化成动能驱动发电机发电,在美国和澳大利亚等国家取得实质性的突破,很多实验电站已经运行多年,大规模商业运行电站正在建立。2005年8月SCE公司(SouthernCaliforniaEdison)和SES公司(StirlingEnergySystems,Inc.)宣布签订20年采购协议,由SES公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500MW并逐步扩大到850MW的太阳能热发电站。该电站预计将由20,000个碟式斯特林发电系统组成,占地4500英亩(18平方公里),这是太阳能光碟/斯特林发动机技术在商业发电领域第一次大规模应用。

斯特林发动机的能源科学教育

发展于18~19世纪的热学依旧是经典科学教育的重要内容,伴随科技突飞猛进,课程内容也要适当反映当代科学成就,突出新的科学思想。能源科学教育应当强调以“能”概念为中心,使学生形成“能量及其转化和耗散”的科学图景。热机的发明对现代社会影响深远,学生可以调查身边的热机类型,了解从活塞到轮机及喷气发动机的发展历程。能源与环境危机是当今社会发展面临的重大议题,树立和培养学生的可持续发展意识已成为各国教育关注的热点。传统科学教学中教师单纯依靠文字或者图片视频等方式介绍新能源的开发与利用,给学生提供一些表面的科技信息,无法贴近学生的实际生活经验。学生只能被动地认识汽油机、柴油机等热机的复杂构造,定性了解它们的工作原理和过程,无法开展切实可行的科学探究等活动。

近年来国外科学教育专家在中小学开展斯特林发动机模型制作与实验研究,取得一系列成果。2010年6月上海交通大学出版社出版了滨口和洋等人编著的《斯特林引擎模型制作》,书中详细介绍斯特林引擎的历史、发展现状、工作原理和特征,模型设计制作方法以及性能评价。本书具有很强的实践性,读者可以参照书中图纸尺寸动手制作,也可以根据书中的理论知识自己设计制作。斯特林模型实验教学表明,通过简单的仪器演示与教具制作,学生不但观察到“热—功转换”的实际过程,了解能源的循环利用,引发对能源与动力的学习兴趣,发展动手操作的实践能力。值得一提的是,斯特林发动机做为科学教育活动的主题,可难可易,可深可浅,它的模型构造可以十分简单,也可以很复杂,容许学生经历无限的想像和创作空间,自行创新设计与探索。

以下是利用玻璃球和试管设计的简单斯特林模型,主要器材包括一支带橡胶塞的试管,5个玻璃球,注射器(针管)、塑料接头。将针头穿透橡胶塞,把四个玻璃球装进试管,将橡胶塞塞严,绝对不能漏气。玻璃球直径要比试管内径略小,能够顺滑地在试管内滚动。把输液器头软管那部分用力套在针管上,另一头与针头连接。气路连接完毕以后试验密封性能,往上推注射器活塞,要求松手后活塞能轻松回到原位。玻璃珠发动机的工作过程如下:

(1)右侧的酒精灯加热,气体受热膨胀,热气体被挤向活塞针筒。

(2)气体膨胀使活塞针筒伸长。

(3)弹珠被推往试管另外一边,把气体挤往试管左侧。

(4)活塞针筒伸长,系统体积变大,温度下降。

(5)气体温度降低,使得气体体积产生一个真空吸力,带动活塞针筒收缩。

(6)针筒收缩,试管倾斜,弹珠滚回到试管的左侧。

(7)弹珠移动,把部分气体又一次挤回到试管的右边。

(8)酒精灯再次加热,使气体膨胀后再一次做功。目前市场上推出一种基于斯特林发动机原理的DIY组装玩具“温差动能风车”,风车盘面透明无色,图案可以自己打印装饰,也可以拿一张报废的CD盘片充当。把组装好的动能风车放在温度较高的物体上,比如一杯热茶,人的手掌,甚至头顶上,稍等一段时间待热传导至引擎室的下方,底部的热能转换机关就开始启动轮盘,顶部的风车就会不断旋转。面对这个趣味横生的热能风车,教师可以提出不少启发学生讨论与思考的问题,例如:

(1)引擎的循环对应热力学过程分析,气体在不同阶段的压力、体积及温度的变化关系?

(2)飞轮的旋转方向与引擎的机构设计有关系吗?

(3)增加热水的温度会产生什么影响?要让风车持续运转的时间增加,有什么方法?我国各地经济发展水平差异较大,办学条件比较好的学校可以购置几台斯特林发动机模型进行实验教学,鼓励学生开展制作斯特林发动机的课外科技活动,通过学习设计与制作斯特林模型,了解其基本构成、工作原理和特点。这无疑是一个既有挑战性,又充满动手操作乐趣的探究活动:学生需要在基本设想阶段要求做出输出和形状的概略图,在设计阶段做出各零件的强度计算和形状计算的概略图,在制造阶段提供加工材料及规格零件,在组装阶段检查零件的尺寸,进行零件的粘结及组装,运行阶段进行加热确认引擎工作。一些精明的商家适时推出兼具教育和娱乐功能于一体的斯特林小车模型,玩家只需要严格按照说明书,将各种零配件组装起来,使用酒精作为动力,斯特林小车就可以自如行驶。

办学条件一般的学校,可以鼓励学生用身边的简易器材设计和制作各类斯特林发动机,例如玻璃球引擎及其驱动小车,空罐引擎,试管引擎及其驱动小车,烧杯引擎,低温差引擎,大功率型引擎,特殊引擎等。目前不少地方学校的办学条件还亟待改善和加强,国外开展多年的斯特林科技活动为我们提供诸多有益的启发和思考,例如教材呈现的方式要有利于学生学习方式与教师教学方式的多样化;课程内容要联系社会和生活实际,突出科学技术与社会相互联系和影响;教学活动要有创新意识和时代气息,教学设计要合理有趣,使学生喜欢阅读,愿意参加所设计的活动,体味到自主探究与成功的乐趣。

作者:李耀俊杨杰陈杰良单位:广西民族大学理学院南宁第二中学

剖析热气机的运用与能量科学教育责任编辑:陈老师    阅读:人次