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動(dòng)手制做-斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型晨怡熱管 2008-1-27 9:47:47 什么是斯特林熱機(jī)？熱氣機(jī)（即斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)）的理想熱力循環(huán)，為19世紀(jì)蘇格蘭人R.斯特林所提出，因而得名。它是由兩個(gè)定容吸熱過(guò)程和兩個(gè)定溫膨脹過(guò)程組成的可逆循環(huán)，而且定容放熱過(guò)程放出的熱量恰好為定容吸熱過(guò)程所吸收。熱機(jī)在定溫(T1)膨脹過(guò)程中從高溫?zé)嵩次鼰幔诙?T2)壓縮過(guò)程中向低溫?zé)嵩捶艧?。斯特林循環(huán)的熱效率為 公式中W 為輸出的凈功；Q1為輸入的熱量。根據(jù)這個(gè)公式， 只取決于T1和T2，T1越高、T2越低時(shí)，則 越高，而且等于相同溫度范圍內(nèi)的卡諾循環(huán)熱效率。因此，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種很有前途的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。斯特林循環(huán)也可以反向操作，這時(shí)它就成為最有效的制冷機(jī)循環(huán)。斯特林循環(huán)可以分為4個(gè)過(guò)程：定溫壓縮過(guò)程:配氣活塞停留在上止點(diǎn)附近，動(dòng)力活塞從它的下止點(diǎn)向上壓縮工質(zhì)，工質(zhì)流經(jīng)冷卻器時(shí)將壓縮產(chǎn)生的熱量散掉，當(dāng)動(dòng)力活塞到達(dá)它的上止點(diǎn)時(shí)壓縮過(guò)程結(jié)束。 定容回?zé)徇^(guò)程:動(dòng)力活塞仍停留在它的上止點(diǎn)附近,配氣活塞下行，迫使冷腔內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)回?zé)崞髁魅肱錃饣钊戏降臒崆?，低溫工質(zhì)流經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)吸收熱量，使溫度升高。 定溫膨脹過(guò)程：配氣活塞繼續(xù)下行，工質(zhì)經(jīng)加熱器加熱，在熱腔中膨脹，推動(dòng)動(dòng)力活塞向下并對(duì)外作功。 定容儲(chǔ)熱過(guò)程：動(dòng)力活塞保持在下止點(diǎn)附近，配氣活塞上行，工質(zhì)從熱腔經(jīng)回?zé)崞鞣祷乩淝唬責(zé)崞魑展べ|(zhì)的熱量，工質(zhì)溫度下降至冷腔溫度。 在理論上，定容儲(chǔ)熱量等于回?zé)崃?，其循環(huán)效率等于卡諾循環(huán)效率。兩個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)保證的。斯特林（Robert Stirling， 17901878）英國(guó)物理學(xué)家，熱力學(xué)研究專(zhuān)家。斯特林對(duì)于熱力學(xué)的發(fā)展有很大貢獻(xiàn)。他的科學(xué)研究工作主要是熱機(jī)。熱機(jī)的研制工作，是18世紀(jì)物理學(xué)和機(jī)械學(xué)的中心課題，各種各樣的熱機(jī)殊涌而出，不斷互相借鑒，取長(zhǎng)補(bǔ)短，熱機(jī)制造業(yè)興旺起來(lái)，工業(yè)革命處于高潮時(shí)期。隨著熱機(jī)發(fā)展，熱力學(xué)理論研究提到了重要位置，不少科學(xué)家致力于熱機(jī)理論的研究工作，斯特林便是其中著名的一位。他所提出的斯特林循環(huán)，是重要的熱機(jī)循環(huán)之一，亦稱(chēng)“斯特林熱氣機(jī)循環(huán)”。這種循環(huán)，是封閉式的，采用定容下吸熱的氣體循環(huán)方式。循環(huán)過(guò)程是：等容吸熱加熱；由外熱源等溫加熱；等容放熱，供吸熱用；向冷體等溫放熱，完成一個(gè)循環(huán)。在理想吸熱的條件下，這種循環(huán)的熱效率，等于溫度上下限相同的卡諾循環(huán)。利用這種循環(huán)的“斯特林熱機(jī)”，具有很多特點(diǎn)，如采用外燃，或外熱源供熱等。由于這種循環(huán)是封閉式循環(huán)，可采用傳熱性能好的工質(zhì)，同時(shí)，工質(zhì)的腐蝕性也可以很小，如氮?dú)狻錃獾葰怏w。充入的氣體工質(zhì)，還可以加大壓力，視封閉系統(tǒng)的情況，能夠采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓力的高壓氣體工作，這樣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的單位重量的功率，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量。斯特林熱機(jī)在逆向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以作為制冷機(jī)或熱泵機(jī)，這種設(shè)想在現(xiàn)代已進(jìn)入了實(shí)用研究階段。斯特林循環(huán)熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)不排廢氣，除燃燒室內(nèi)原有的空氣外，不需要其他空氣，所以適用于都市環(huán)境和外層空間。18世紀(jì)末和19世紀(jì)初，熱機(jī)普遍為蒸汽機(jī)，它的效率是很低的，只有3一5左右，即有95以上的熱能沒(méi)有得到利用。到1840年，熱機(jī)的效率也僅僅提高到8。斯特林對(duì)于熱力學(xué)理論的研究，就是從提高熱機(jī)效率的目的出發(fā)的。他所提出的斯特林循環(huán)的效率，在理想狀況下，可以無(wú)限提高。當(dāng)然受實(shí)際可能的限制，不可能達(dá)到100，但提供了提高熱效率的努力方向。 用試管和玻璃注射器制作的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型用試管和玻璃注射器做個(gè)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),用蠟燭就可以轉(zhuǎn)，用酒精燈大概轉(zhuǎn)速在350左右，還有很大的改進(jìn)余地y,p&e7D$F1_!v)c;X0O#I%I46u&n*O1%L3G!.F,H I).d-y)醫(yī)療用品商店。各種試管、注射器、膠管都有 經(jīng)過(guò)改進(jìn)，功率大增，體積減小。最高轉(zhuǎn)速達(dá)到900轉(zhuǎn)/分，用個(gè)小蠟燭就可以帶動(dòng)一個(gè)簡(jiǎn)易發(fā)電機(jī)點(diǎn)亮發(fā)光管。發(fā)電機(jī)就是用0.23的漆包線繞2000匝，鐵芯用4個(gè)450電直的廢主軸。磁鐵就是用兩個(gè)10mm的磁鋼吸在鐵質(zhì)飛輪上。Z q9I咖啡杯上的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)這種“熱回聲”式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)里的鋼絲刷才起你說(shuō)的冷熱交換作用5iMX.com 我愛(ài)模型 玩家論壇,?)_*6w+e4T0M)X7B 這個(gè)動(dòng)力缸是玻璃的（玻璃注射器），所有發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力缸都是玻璃的，塑料注射器的阻力太大。這個(gè)玻璃上沒(méi)有打孔，照片中的孔在鋁合金上，這個(gè)孔通到后面的一個(gè)延伸到到動(dòng)力缸的底部的一個(gè)槽，和動(dòng)力缸的塑料堵頭聯(lián)通。 但是manson 發(fā)動(dòng)機(jī)的玻璃上有打孔（見(jiàn)下圖），其實(shí)玻璃的切割和打孔很簡(jiǎn)單的，甚至簡(jiǎn)單過(guò)金屬的切斷，沒(méi)想象的那么難，切割我是夾在車(chē)床上用金剛砂輪切割，打孔就是用小臺(tái)鉆夾上下面照片中塑料盒里的金剛砂魔頭打孔，幾分鐘內(nèi)就可以完成。后聽(tīng)人介紹有玻璃鉆頭買(mǎi)，下圖是我買(mǎi)的3,4,5,6mm的玻璃鉆頭，不過(guò)還沒(méi)來(lái)得及用。加工玻璃的時(shí)候要加水，防止玻璃粉塵飛舞I!l*-g4k0f,d7r,b注射器上打的孔manson發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)后視，注意氣缸（注射器管）上有孔manson發(fā)動(dòng)機(jī)前視原理大概給解釋一下： 此發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)沖程，且兩個(gè)沖程都是做功沖程。 此發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)活塞，圖中左邊的是配氣活塞（活塞和氣缸之間有間隙，以便空氣在冷熱端流動(dòng)），右邊是動(dòng)力活塞，兩活塞是剛性連接。并被動(dòng)力活塞封閉成一個(gè)與外部隔絕的密封腔體。 當(dāng)活塞從上止點(diǎn)往下止點(diǎn)（從左向右）移動(dòng)時(shí)，將冷端的冷空氣壓向熱端，冷空氣在熱端受熱膨脹，腔體里氣體壓力高于大氣壓，故進(jìn)一步推動(dòng)活塞向下止點(diǎn)移動(dòng)（做功沖程）。 當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，圖中管道C的X開(kāi)口和動(dòng)力氣缸的開(kāi)口X接通（exhaust處），熱空氣通過(guò)管道C排出到外部。由于飛輪的慣性作用，活塞將從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)（從右向左）移動(dòng)，此時(shí)殘留在熱端的熱空氣將被壓向冷端，進(jìn)入冷端的熱空氣被冷卻后收縮，將引起腔體內(nèi)的氣體壓力下降到低于大氣壓，故動(dòng)力活塞在外部大氣壓的作用下進(jìn)一步向上止點(diǎn)（向左）移動(dòng)（也是做功沖程）。 當(dāng)活塞移動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，管道B被接通，外部的冷空氣通過(guò)此管道被吸入腔體（因?yàn)榇藭r(shí)腔體內(nèi)的氣壓低于大氣壓）。 如此往復(fù)循環(huán)。 下圖，是分解圖：對(duì)照我以前發(fā)的照片應(yīng)該可以明白此發(fā)動(dòng)機(jī)的原理和制作方法了吧？斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)做模型注意幾點(diǎn); 我個(gè)人認(rèn)為要效率高轉(zhuǎn)速快，主要在于與氣體溫度差和活塞直徑，它決定了活塞的最佳行程。假如冷卻的氣體溫度為t1，加溫后為t2，那么這個(gè)溫差t，(氣體膨脹工質(zhì))決定了氣體的膨脹度V，再用V 除以氣缸的截面積，得出活塞行程L，然后再以這個(gè)L為參考值，考慮各種系數(shù)，最終決定L值，就得出了L1的長(zhǎng)度了。(熱端的導(dǎo)熱很差而美觀的玻璃筒體,要改換為大表面積的耐久侯使用的某一金屬筒體了)理想氣體方程 pV=nRT 遵從理想氣體狀態(tài)方程是理想氣體的基本特征。理想氣體狀態(tài)方程里有四個(gè)變量氣體的壓力p、氣體的體積V、氣體的物質(zhì)的量n以及溫度T和一個(gè)常量（氣體常為R），只要其中三個(gè)變量確定，理想氣體就處于一個(gè)狀態(tài)，因而該方程叫做理想氣體狀態(tài)方程。溫度T和物質(zhì)的量n的單位是固定不變的，分別為K和mol，而氣體的壓力p和體積V的單位卻有多種取法，這時(shí)，狀態(tài)方程中的常量R的取值（包括單位）也就跟著改變，在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，千萬(wàn)要注意正確取用R值 (理介題:在常壓下，把一定量氣體從0度升溫到20度，氣體體積是否會(huì)增加一倍?根據(jù)氣態(tài)方程pV=nRT(R是常數(shù))可知。當(dāng)物質(zhì)的量不變，壓強(qiáng)不變時(shí)，V1/V2=T1/T2。T1=273.15K(絕對(duì)溫度)，T2=293.15K，所以，氣體體積不可能增加一倍。)排氣口大小也很重要。再者要考慮大小活塞的直徑比，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)腔體的容積也在變化制作中注意幾點(diǎn)： 1.一定確保將發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦阻力減到最小，只要能轉(zhuǎn)起來(lái)，獲得經(jīng)驗(yàn)后再考慮如果提高功率和轉(zhuǎn)速。 我在所有連桿處都加了軸承，并且配氣氣缸堵頭滑動(dòng)摩擦處用了賽鋼塑料（帶自潤(rùn)滑）刻條紋減小運(yùn)動(dòng)阻力，其實(shí)不用軸承和賽鋼塑料也可以，不過(guò)第一次做還是努力點(diǎn)好。 2.L1和L2的夾角是90 3.一般情況下L1大于L2，這樣做的效果是小溫差容易轉(zhuǎn)動(dòng)，制作容易成功，但是如果要追求大功率和高轉(zhuǎn)速，L1L2