熱 功 電轉(zhuǎn)化演示實驗裝置的設(shè)計與制作

李嘉珣齊曉環(huán)

(河北衡水中學(xué)河北 衡水053000)

摘 要：以斯特林熱機為核心，設(shè)計制作了“熱—功—電轉(zhuǎn)化演示實驗裝置”,主要由熱能采集、熱-功轉(zhuǎn)化和直流發(fā)電模塊構(gòu)成.本裝置以可燃?xì)怏w和集熱太陽能作為熱源，采用雙軸自動追光電路配合電機，實現(xiàn)了對太陽的追光聚熱；經(jīng)動力機構(gòu)、換熱器、傳動機構(gòu)實現(xiàn)了“熱—功”轉(zhuǎn)化，再經(jīng)直流發(fā)電機、蓄電池和LED燈珠完成“功—電”轉(zhuǎn)化演示.本裝置用于物理演示實驗教學(xué)，可直觀展現(xiàn)追光集熱、斯特林熱機做功、直流發(fā)電和LED發(fā)光顯示，以及不同形式能量之間的相互轉(zhuǎn)化過程.

關(guān)鍵詞：太陽能集熱菲涅爾透鏡斯特林熱機熱、功、電轉(zhuǎn)化

收稿日期：(2015-03-26)

1引言

物理演示儀器對于學(xué)習(xí)物理知識有著深刻的意義，通過對物理現(xiàn)象、過程的觀察和探究，既可以幫助學(xué)生理解物理概念、原理，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的探索熱情和創(chuàng)新意識.熱、功、電分屬物理學(xué)的熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)課程，做功和傳熱是熱力學(xué)系統(tǒng)與外界之間傳遞能量的兩種方式，功和熱屬于過程量，而能屬于狀態(tài)量.在廣義力的作用下，有廣義位移時，就發(fā)生了某種類型的做功過程(機械功、流體體積變化做功、電流做功、磁力做功……)，在做功過程中，外界與系統(tǒng)之間交換能量，從而引起系統(tǒng)狀態(tài)的變化.傳熱是由溫度差引起的，通過分子之間的相互碰撞來實現(xiàn)，直接結(jié)果是改變系統(tǒng)的內(nèi)能.這些抽象的概念和過程能否直觀展示呢？

我們開展了本設(shè)計研究.

2設(shè)計原理

2.1斯特林熱機循環(huán)過程

斯特林熱機是一種常見的熱機(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1)，內(nèi)部循環(huán)過程稱為斯特林循環(huán)，如圖2所示.

圖1　斯特林發(fā)動機循環(huán)系統(tǒng)示意圖

圖2　斯特林循環(huán)過程

斯特林循環(huán)由 2 個等溫過程和2個等容過程組成，1-2為等溫壓縮過程，工作物質(zhì)被等溫冷卻收縮，熱量在Tmin溫度下從工作氣體傳遞給外部低溫?zé)嵩矗?-3為等容回?zé)徇^程，工作物質(zhì)等容吸熱升溫，熱量從回?zé)崞鱾鬟f給工作氣體；3-4為等溫膨脹過程，工作物質(zhì)等溫吸熱膨脹，熱量在Tmax溫度下從外部熱源傳遞給工作氣體；4-1也是等容回?zé)徇^程，工作物質(zhì)等容冷卻降溫，熱量從工作氣體傳遞給回?zé)崞?

2.2 菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線.其原理是基于菲涅爾波帶片，菲涅爾波帶片具有類似透鏡的作用，它可以使入射光匯聚起來，產(chǎn)生極大的光強，聚焦示意圖見圖3.

圖3　菲涅爾波帶聚焦示意圖

2.3直流發(fā)電

當(dāng)導(dǎo)體在磁場中做“切割”磁感線的運動時，導(dǎo)體內(nèi)的載流子將以同樣的速度運動，磁場對運動電荷產(chǎn)生洛倫茲力，使導(dǎo)體兩端產(chǎn)生一定的電位差，即導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.直流發(fā)電機工作原理示意圖見圖4.

圖4　直流發(fā)電原理示意圖

3熱 功 電轉(zhuǎn)化演示實驗裝置設(shè)計

本演示裝置包括熱能采集模塊、熱-功轉(zhuǎn)化模塊和直流發(fā)電演示模塊，原理框圖見圖5，整機結(jié)構(gòu)示意圖見圖6.

圖5　原理結(jié)構(gòu)框圖

圖6　熱功電整機裝置示意圖

3.1熱能采集模塊

熱能采集分為兩種方式.一種是化學(xué)燃料加熱，即利用可調(diào)、防風(fēng)噴槍式打火機對熱機的換熱器直接加熱.另一種是采用菲涅爾透鏡將太陽光聚焦到換熱器上，在透鏡四邊框的中央分別放置一個同型號光敏電阻傳感器，與LM324四路運放相連，構(gòu)成兩個電壓比較電路(見圖7).

圖7　太陽光追光控制電路圖

根據(jù)感受光強的不同，分別驅(qū)動控制左右向和前后向轉(zhuǎn)動電機的工作，帶動整體裝置沿兩個自由度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對太陽光自動追光集熱.

3.2熱-功轉(zhuǎn)化模塊

熱功轉(zhuǎn)化模塊主要包括換熱器、傳動機構(gòu)、動力機構(gòu)3部分，動力機構(gòu)和換熱器均固定在固定支架上，整體結(jié)構(gòu)圖見圖8.

圖8　熱-功轉(zhuǎn)化模塊示意圖

(1)換熱器

換熱器結(jié)構(gòu)示意圖見圖9，換熱氣缸采用耐高溫玻璃氣缸(容積為6.24 mL，直徑為13 mm，長50 mm)，固定在固定座上，通過膠圈進行密封，在其受熱端套裝金屬均熱帽，有效防止局部高溫引起氣缸炸裂；置換器活塞采用合金制成，以便對熱量進行采集，置換器軸使用不銹鋼(Φ3 mm)黃銅管，兩者摩擦配合來保持其密封性.

圖9　換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

(2)傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖見圖10，大輪直徑為5.5 cm，小輪直徑為2.4 cm，大小飛輪通過螺絲固定在軸承上，相位角相差90°，連桿由厚2 mm 的鋁合金扁桿制成，要盡量減小動力活塞及置換器軸密封的側(cè)推力，由曲柄半徑來選取連桿的長度(連桿/曲柄半徑=5～36 cm).此外，曲柄部分及活塞等可動部分，采用小型軸承來減小摩擦損失.

圖10　傳動機構(gòu)示意圖

(3)動力機構(gòu)

動力機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖見圖11，動力氣缸(外徑30 mm，內(nèi)徑26 mm,長35 mm)采用耐高溫玻璃氣缸，有良好的絕熱性，固定在固定座上，與底座之間通過膠圈進行密封，動力活塞(外徑25 mm，內(nèi)徑22 mm)與動力氣缸之間用潤滑油密封良好，動力氣缸通過連通氣孔與換熱器進行氣體交換.

圖11　動力氣缸結(jié)構(gòu)示意圖

3.3直流發(fā)電演示模塊

直流發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖12，用橡膠皮帶使小飛輪與小型直流發(fā)電機相連，當(dāng)熱機開始工作時，飛輪通過橡膠皮帶可以帶動發(fā)電機進行運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)功到電的相互轉(zhuǎn)化.發(fā)電機與小型蓄電池相連，對發(fā)出的電能進行儲存，同時給小功率LED供電，使其正常發(fā)光，直觀地演示了功到電的轉(zhuǎn)化過程.

圖12　發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.4樣機設(shè)計

遵循科學(xué)對稱布局，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，整體優(yōu)化的思想，整體使用鋁型材支架結(jié)構(gòu)，裝置左側(cè)和前側(cè)各有一個轉(zhuǎn)動電機，聚乙烯板上置有噴槍式打火機、熱機、控制電路和直流發(fā)電演示裝置.整機見圖13.

圖13　熱功電整機裝置圖

4結(jié)束語

本裝置提供了化學(xué)燃料加熱和菲涅爾透鏡自動追光集熱兩種加熱方式，保證了裝置能夠全天候使用.用斯特林熱機演示了“熱—功”轉(zhuǎn)化，經(jīng)傳動機構(gòu)帶動直流發(fā)電機發(fā)電，再經(jīng)蓄電池和LED燈珠演示了“功—電”轉(zhuǎn)化.本裝置可用于物理演示實驗教學(xué)，通過形象、直觀的“熱-功-電”轉(zhuǎn)化過程的觀測，可加深學(xué)生對太陽能光熱、菲涅爾透鏡集熱、熱敏電阻傳感器、斯特林熱機做功、導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生動生電動勢、蓄電池儲能、LED發(fā)光顯示以及不同形式能量之間相互轉(zhuǎn)化過程等知識點的認(rèn)識、理解.

致射：本文是在河北省物理實驗教學(xué)示范中心的大力支持下完成的，在此對該中心楊景發(fā)等老師表示感謝.

參 考 文 獻(xiàn)

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2姚敘紅，朱林泉，薛忠晉，等.菲涅爾透鏡提高太陽利用率的研究.紅外,2009,30(3):30～34

3張?zhí)m，嚴(yán)惠民，施博煊，等.菲涅爾透鏡對平行光的成像特性分析.光學(xué)儀器，2000,22(1):15～20

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5吳丹妮.斯特林發(fā)動機的循環(huán)分析和計算.湛江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，1997,17(2):36～40

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Designing and Making on Demonstration Experimental

Apparatus for Heat, Work and Electricity Transformation

Li JiaxunQi Xiaohuan

(Hengshui High School, Hengshui , Hebei053000)

Abstract:Centered on Sterling engine, "heat-power-electricity conversion demonstration experiment device was designed, which " is mainly composed of a heat collection, heat-power conversion and DC generation modules. The heat collecting solar energy and the combustible gas are used as heat source, the designed biaxial and auto-tracking light circuit combined with the motor can track the sun′s light and accumulate heat ; The power mechanism, heat exchanger and a transmission mechanism can achieve the "heat power conversion", and then DC generator, battery and the LED lamps can demonstrate complete the "power -electricity" conversion.The device has practical significance, which is used for teaching physics demonstration experiment, and it can directly show the light collector, Stirling engine work, DC power and LED light-emitting display and the energy conversion process between different forms .

Key words:solar heat colleting; finel lens; stirling engine;heat, work, electricity transformation