試析斯特林原理發(fā)動機在創(chuàng)新實驗中的應(yīng)用

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摘 要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對能源的創(chuàng)新利用以及減少環(huán)境污染等方面產(chǎn)生了新的思考，對單缸高溫置換型發(fā)動機借助斯特林原理加以改造可以有效優(yōu)化熱力學(xué)以及空氣動力學(xué)的實際應(yīng)用?；诖?，本文對斯特林原理發(fā)動機的創(chuàng)新實驗進行探討，分別從建立斯特林原理創(chuàng)新實驗室的背景與意義、基于STL原理的創(chuàng)新實驗活動以及STL原理創(chuàng)新實驗活動的重要意義出發(fā)，進一步推動對能源綜合利用的思考。

關(guān)鍵詞：斯特林原理 發(fā)動機 創(chuàng)新實驗

Analysis of the Application of Stirling Principle Engine in Innovation Experiment

Zhang Tian

Abstract：With the continuous development of society and economy， people have produced new thinking on the innovative use of energy and reducing environmental pollution. The transformation of single-cylinder high-temperature displacement engines with the use of Stirling principle can effectively optimize thermodynamics and aerodynamics practical application. Based on this， this article discusses the innovation experiment of the Stirling principle engine， starting from the background and significance of establishing the Stirling principle innovation laboratory， the innovation experiment activities based on the STL principle， and the important significance of the STL principle innovation experiment activities， promoting thinking about comprehensive utilization of energy.

Key words：stirling principle， engine， innovative experiment

1 引言

自工業(yè)革命開始，機械設(shè)備開始在人們的實際生活中得到廣泛應(yīng)用，進而有效推動了社會的變革。在這樣的發(fā)展背景下，發(fā)動機也得到了顯著的發(fā)展與提升，其中內(nèi)燃機和電機被廣泛應(yīng)用于航天、交通、日常生活等各個方面，然而以斯特林原理為基礎(chǔ)的發(fā)動機卻應(yīng)用的十分有限，進而限制了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。因此應(yīng)進一步加強對斯特林發(fā)動機的創(chuàng)新應(yīng)用加以探討，進而有效發(fā)揮其在能源利用上的重要作用。

2 建立斯特林原理創(chuàng)新實驗室的背景與意義

斯特林原理發(fā)動機是由英國科學(xué)家Robert Stirling在1816年發(fā)明的，該外燃發(fā)動機的主要工作原理是運用了“熱—功轉(zhuǎn)換”的相關(guān)模式，物理界將其統(tǒng)稱為STL原理。STL發(fā)動機的發(fā)明是在蒸汽機出現(xiàn)之后，在當時因為蒸汽機鍋爐高溫、高壓的特性常會導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，并以此為契機Stirling開始了對不需要鍋爐的發(fā)動機的研究，并有效并發(fā)明了STL循環(huán)以及STL熱機[1]。STL循環(huán)的本質(zhì)是一種全封閉式的熱機循環(huán)，這也就說明了在整個熱機內(nèi)部參與工作的氣體是不需要與外界產(chǎn)生交換的，相較于蒸汽機、內(nèi)燃機等開放式循環(huán)模式，STL循環(huán)的全封閉循環(huán)工作方式省略了進氣和排氣的環(huán)節(jié)，進而也大大提升了STL發(fā)動機的使用壽命、降低了后期的維護成本。如果STL循環(huán)的熱效率可以得到有效發(fā)揮，那么其理想狀態(tài)就可以近似于卡諾循環(huán);同時，相較于內(nèi)燃機燃料參與發(fā)動機內(nèi)部工作的燃料供給方式，STL發(fā)動機屬于外燃機，即燃料只需要提供發(fā)動機所需的熱量，而不需要參與發(fā)動機內(nèi)部工作。這樣的模式最為突出的優(yōu)勢是STL發(fā)動機的燃料實用范圍被大大擴大，不僅是局限于汽油、柴油等常規(guī)燃料，煤炭、木柴等較為低級的燃料也可以使用，而且清潔太陽能也可以利用STL發(fā)動機發(fā)揮其積極效用。另外，由于STL發(fā)動機內(nèi)部氣體不參與燃燒的特性也使得發(fā)電機工作過程中沒有劇烈的震動與噪音，這樣的優(yōu)良特性也為STL發(fā)動機更為廣泛的應(yīng)用提供了保障。

之所以STL發(fā)動機沒有同蒸汽機一樣受到重視，主要是因為在STL原理的使用過程中會受到一定的應(yīng)用條件限制，即在當時工藝較為不發(fā)達的時候，STL發(fā)動機氣缸在長時間工作運行之后會出現(xiàn)開裂的情況，同時也隨著內(nèi)燃機改良進程的不斷推進，STL發(fā)動機也逐漸消失在人們的視野中。但隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源危機以及環(huán)境污染問題開始出現(xiàn)，STL發(fā)動機憑借其高效、節(jié)能等優(yōu)勢又被重新投入到了各個領(lǐng)域的應(yīng)用當中。

因此在此基礎(chǔ)上建立STL原理創(chuàng)新實驗室可以通過更為生動形象的方法對基礎(chǔ)物理學(xué)加以闡述，進而引導(dǎo)學(xué)生的正確思維、帶動其進一步加強對自然科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)的研究與探索。同時，可以進一步幫助學(xué)生參與到教師的演示模型講解以及自身對模塊化小型發(fā)動機的組裝實踐中，進而開拓學(xué)生對基礎(chǔ)物理學(xué)的思考，幫助其更加深刻地理解、掌握相應(yīng)的物理學(xué)原理。而且STL原理創(chuàng)新實驗室的建立以及相關(guān)創(chuàng)新活動的開展還可以在幫助學(xué)生了解發(fā)動機演變歷史的基礎(chǔ)上，明確相關(guān)物理學(xué)基本原理在發(fā)動機上以及日常生活當中的實際應(yīng)用，進一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思考意識與開拓進取精神，進而體現(xiàn)出了十分重要的現(xiàn)實意義。

3 基于STL原理的創(chuàng)新實驗活動

開展STL原理的創(chuàng)新實驗首先需要準備一定的教學(xué)演示模型，進而通過模型對其中蘊含的基本原理展開講解，進而有效加深學(xué)生對STL原理實際應(yīng)用的理解程度與掌握程度。通常情況下，作為教學(xué)演示模型的STL原理發(fā)動機有多個部分組成，其中主要包括動力氣缸、動力壓氣活塞、傳動連桿以及可視結(jié)構(gòu)框架等部件。如果將STL原理發(fā)動機按照使用的熱源溫度進行區(qū)分主要可以分成兩類，分別為單缸高溫置換型發(fā)動機演示模型以及低溫磁鏈型發(fā)動機演示模型。其中，單缸高溫置換型高溫差STL發(fā)動機模型更多會采用酒精燈、電熱絲以及太陽能聚焦等加熱方式;而熱氣缸與動力氣缸則分別采用耐高溫玻璃以及人工研磨配和玻璃氣缸、活塞制成，進而大大提升了STL發(fā)動機模型的氣密性以及免維護性。同時，單缸高溫置換型高溫差STL發(fā)動機模型還具有輸入能量高、轉(zhuǎn)速快、動力性能優(yōu)良等特征，以至于還可以帶動LED燈等負載，進而大大提升了實驗的震撼效果，帶給學(xué)生更深的實驗體會。而另外一種低溫磁鏈型STL發(fā)動機模型通常采用的集熱方式主要為熱水集熱、低溫電熱絲集熱以及太陽直接照射集熱，其中熱氣缸和動力氣缸則分別采用耐高溫透明工程塑料以及人工研磨配合玻璃氣缸、活塞制成，進而也具備著較高的氣密性與免維護性。在實際展開演示實驗的過程中，低溫磁鏈型STL發(fā)動機模型因具備較少的輸入熱量，所以該模型的熱氣缸一般會遠遠大于動力氣缸，以進一步增加吸熱面積。如果對二者加以比較，低溫磁鏈型STL發(fā)動機雖然動力效果不足單缸高溫置換型發(fā)動機，但依然具備著較為明顯的演示效果，只需很少的熱量就可以實現(xiàn)發(fā)動機的轉(zhuǎn)動。

在演示模型展示的過程中，通過向?qū)W生介紹STL原理發(fā)動機不同的熱源驅(qū)動模式，加強學(xué)生對熱能與機械能轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)過程的思考，加深對多種能源綜合利用的理解。同時，為進一步優(yōu)化教學(xué)效果，加深學(xué)生的影響與理解，還可以在實驗過程中引入一部分簡易組裝的小型STL原理發(fā)動機模型，進而可以布置學(xué)生以分組的形式進行模塊化STL原理發(fā)動機模型的零部件組裝。在此過程中，學(xué)生可以通過組裝發(fā)電機的零部件加深對其中蘊含物理學(xué)基本原理的理解與掌握，同時充分體會到發(fā)動機模型創(chuàng)新應(yīng)用的樂趣。

在現(xiàn)階段的物理實驗教學(xué)過程中，加強對學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)時教育環(huán)節(jié)中的重中之重，為了進一步培養(yǎng)出更多的物理專業(yè)優(yōu)秀人才，使得物理教育工作可以最大限度地符合時代的發(fā)展需求、有效地服務(wù)于日常生活，物理教育工作者應(yīng)進一步加強對教育環(huán)節(jié)的思考與變革。同時，如何在知識傳授的過程中有效提升學(xué)生的創(chuàng)新意識與專業(yè)技能是每一位教育工作者需要思考的問題，因此可以通過不斷對教學(xué)手段的創(chuàng)新應(yīng)用來加強學(xué)生對理論知識的理解以及借助更為科學(xué)的實踐活動加強對學(xué)生創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)。在這樣的模式下，學(xué)生可以更為深化地理解物理學(xué)基礎(chǔ)理論在實際生活中的應(yīng)用，為培養(yǎng)出更多適應(yīng)社會發(fā)展需求的優(yōu)質(zhì)人才打下基礎(chǔ)。

4 STL原理創(chuàng)新實驗活動的重要意義

總的來說，STL原理創(chuàng)新實驗室的創(chuàng)新活動具有十分強烈的現(xiàn)實意義，其重要體現(xiàn)在四個方面：第一是該實驗具有著安全、穩(wěn)定、啟動時間短的特點，進而可以在滿足課程需要的基礎(chǔ)上顯著提升課堂的生動性。第二是學(xué)生可以借助演示模型的展示加深對熱能與機械能轉(zhuǎn)換的理解，進而不斷提升物理課程的教學(xué)效果。第三是在對小型發(fā)動機模型零部件組裝的過程中，學(xué)生可以通過具體操作更加深入地了解物理學(xué)基本原理在STL發(fā)動機中的實際應(yīng)用以及其中物理學(xué)基本原理的主要構(gòu)成。第四是借助這樣更為創(chuàng)新的教學(xué)方法，可以在演示與操作的過程中增加教師與學(xué)生之間的互動，有效改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式中的弊端，提升學(xué)生對物理教學(xué)知識的接受程度。STL原理發(fā)電機創(chuàng)新實驗的開展一方面可以更為直觀地將物理學(xué)基本原理及應(yīng)用展示出來，而另一方面也大大提升了學(xué)生對學(xué)習(xí)物理的興趣以及實際動手操作能力。

在實際開展實驗課程的過程中，可以先對STL發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、活塞運動方式以及機械連接方式等基礎(chǔ)內(nèi)容進行講解，進而有效拓展學(xué)生對發(fā)動機認識，加深對學(xué)生思維方向的引導(dǎo)。接著，應(yīng)讓學(xué)生清楚意識到STL發(fā)動機對社會發(fā)展的重要作用以及現(xiàn)階段對其進行重新研究的意義，從而幫助學(xué)生在對基礎(chǔ)物理科學(xué)及理論熟練運用的基礎(chǔ)上加強創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。在學(xué)習(xí)STL發(fā)動機的實際應(yīng)用時，可以介紹STL原理在氣體制冷領(lǐng)域的應(yīng)用、STL原理循環(huán)特性對當今社會環(huán)保節(jié)能建設(shè)的關(guān)鍵作用、STL發(fā)動機在第三代和第四代常規(guī)潛艇上的軍事應(yīng)用等方面的內(nèi)容，進而可以通過相關(guān)知識的拓展提升學(xué)生的創(chuàng)新意識與探索意識，為開拓學(xué)生思維、促進其全面發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)[2]。

5 結(jié)語

綜上所述，斯特林原理發(fā)電機憑借其高效率的特征在能源的優(yōu)化利用方面發(fā)揮了十分關(guān)鍵的效用。在現(xiàn)階段的時代背景下，人們對節(jié)能環(huán)保的關(guān)注愈發(fā)廣泛，因此對發(fā)電機的改造以及創(chuàng)新應(yīng)用也體現(xiàn)出了很強的必要性。通過進一步對斯特林原理發(fā)電機展開相應(yīng)的創(chuàng)新實驗，可以有效深化對其運行方式及機械結(jié)構(gòu)的研究，進而開拓出更為防范的應(yīng)用領(lǐng)域。同時，也可以進一步適應(yīng)當今社會對環(huán)保節(jié)能的要求。

天水師范學(xué)院校列科研項目資助 項目名稱：斯特林發(fā)動機活塞桿密封材料研究 項 目編號：0110-101100110106。

參考文獻：

[1]劉彥平.斯特林原理發(fā)動機在創(chuàng)新實驗中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2019（07）：123-124+127.

[2]譚德寧，張燕紅，魏紅梅等.一種斯特林發(fā)動機的設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2019，（9）：50-52.