劉銘基

熱能是最普通的能量形式之一，熱能的儲(chǔ)存有助于降低現(xiàn)有生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗，與節(jié)能環(huán)保型生產(chǎn)過(guò)程密切相關(guān)。熱機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器，它以空氣作為工作介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

工 作 原 理

空氣熱機(jī)的主要原理是熱能被熱機(jī)中的空氣吸收后，空氣膨脹，推動(dòng)密封容器中的導(dǎo)管來(lái)回運(yùn)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)外接機(jī)械結(jié)構(gòu)，提供動(dòng)能，如推動(dòng)輪船螺旋槳使之前進(jìn)，推動(dòng)發(fā)電機(jī)使其發(fā)電。

空氣熱機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由高溫區(qū)、低溫區(qū)、位移氣缸、位移活塞，以及工作活塞、工作氣缸、飛輪、連桿、通氣管等部分組成。

熱機(jī)中部為飛輪與連桿機(jī)構(gòu)，工作活塞與位移活塞通過(guò)連桿與飛輪連接。飛輪的下方為工作活塞與工作氣缸，飛輪的右方為位移活塞與位移氣缸，工作氣缸與位移氣缸之間用通氣管連接。位移氣缸的右上方是高溫區(qū)，可用電熱方式或酒精燈加熱；位移氣缸的左邊有散熱片，構(gòu)成低溫區(qū)。

工作活塞使氣缸內(nèi)氣體封閉，并在氣體的推動(dòng)下對(duì)外作功。位移活塞是非封閉的占位活塞，其作用是在循環(huán)過(guò)程中使氣體在高溫區(qū)與低溫區(qū)間不斷交換，氣體可通過(guò)位移活塞與位移氣缸間的間隙流動(dòng)。工作活塞與位移活塞的運(yùn)動(dòng)是不同步的，當(dāng)其中一活塞處于極值位置時(shí)，它本身的速度最小，而另一個(gè)活塞的速度最大。

當(dāng)工作活塞處于最底端時(shí)，位移活塞迅速左移，使氣缸內(nèi)氣體向高溫區(qū)流動(dòng)，如圖2a所示；進(jìn)入高溫區(qū)的氣體溫度升高，使氣缸內(nèi)壓強(qiáng)增大并推動(dòng)工作活塞向上運(yùn)動(dòng)，如圖2b所示，在此過(guò)程中熱能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能；工作活塞在最頂端時(shí)，位移活塞迅速右移，使氣缸內(nèi)氣體向低溫區(qū)流動(dòng)，如圖2c所示；進(jìn)入低溫區(qū)的氣體溫度降低，使氣缸內(nèi)壓強(qiáng)減小，同時(shí)工作活塞在飛輪慣性力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，完成循環(huán)，如圖2d所示。在一次循環(huán)過(guò)程中，氣體對(duì)外所作凈功的四個(gè)狀態(tài)過(guò)程曲線如圖3所示。

根據(jù)卡諾定理，對(duì)于循環(huán)過(guò)程可逆的理想熱機(jī)，其熱功效率

η = A/Q1 = （Q1 - Q2）/Q1 = （T1 - T2）/T1 = ΔT/T1

式中A為每一次循環(huán)作的功，Q1為每一次循環(huán)從熱源吸收的熱量， Q2為每一次循環(huán)向冷源放出的熱量，T1 為熱源的溫度，T2為冷源的溫度。

實(shí)際的熱機(jī)不可能是理想熱機(jī)，由熱力學(xué)第二定律可以證明，循環(huán)過(guò)程不可逆的實(shí)際熱機(jī)，其熱功效率

η ≦ ΔT/T1

熱機(jī)的熱量Q1正比于ΔT/n，n為熱機(jī)轉(zhuǎn)速，η正比于nA/ΔT。n、A、T1、T2及ΔT 均為可測(cè)量，計(jì)算不同冷熱端溫度時(shí)的nA/ΔT，觀察它與ΔT/T1的關(guān)系，可驗(yàn)證卡諾定理。

當(dāng)熱機(jī)帶負(fù)載時(shí)，熱機(jī)向負(fù)載輸出的功率可由力矩計(jì)測(cè)量后計(jì)算而得，且熱機(jī)實(shí)際輸出功率的大小隨負(fù)載的變化而變化。在這種情況下，可測(cè)量計(jì)算出不同負(fù)載大小時(shí)熱機(jī)的實(shí)際效率。

應(yīng) 用 前 景

空氣熱機(jī)應(yīng)用技術(shù)主要適用于以下方面：

工業(yè)余熱的利用

利用冶煉企業(yè)、化工企業(yè)等發(fā)出的余熱，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，推動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直流電。通過(guò)逆變器，把直流電轉(zhuǎn)為交流電存入蓄電池，供辦公、生產(chǎn)照明。

野 外 應(yīng) 用

空氣熱機(jī)在野外使用，主要利用日光來(lái)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。其電能輸出，除了受空氣熱機(jī)自身質(zhì)量影響外，蓄電池、逆變器在技術(shù)上的提高，以及聚光板的質(zhì)量也是關(guān)鍵。

為電動(dòng)汽車充電樁配置直流電源

太陽(yáng)光產(chǎn)生的熱能，通過(guò)空氣熱機(jī)轉(zhuǎn)化成直流電，配置在直流充電樁上。其主要優(yōu)點(diǎn)是充電樁可直接使用，節(jié)約了供電系統(tǒng)所配置的電源，同時(shí)減少因交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姸霈F(xiàn)的能量消耗和諧波影響。

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源需求越來(lái)越大，人們急切尋求綠色能源，因?yàn)樗P(guān)系到人類的生活質(zhì)量。利用空氣熱機(jī)發(fā)電是對(duì)綠色能源的補(bǔ)充，也是造福人類潛在的新技術(shù)。相信不久的將來(lái)，空氣熱機(jī)能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、民用化，成為新的動(dòng)力來(lái)源。