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摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)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(duì)單缸高溫置換型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用?；诖耍疚膶?duì)斯特林原理發(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探討，分別從建立斯特林原理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的背景與意義、基于STL原理的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)以及STL原理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的重要意義出發(fā)，進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)能源綜合利用的思考。

關(guān)鍵詞：斯特林原理 發(fā)動(dòng)機(jī) 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

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(kāi)始，機(jī)械設(shè)備開(kāi)始在人們的實(shí)際生活中得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)而有效推動(dòng)了社會(huì)的變革。在這樣的發(fā)展背景下，發(fā)動(dòng)機(jī)也得到了顯著的發(fā)展與提升，其中內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)被廣泛應(yīng)用于航天、交通、日常生活等各個(gè)方面，然而以斯特林原理為基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)卻應(yīng)用的十分有限，進(jìn)而限制了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。因此應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新應(yīng)用加以探討，進(jìn)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(shí)驗(yàn)室的背景與意義

斯特林原理發(fā)動(dòng)機(jī)是由英國(guó)科學(xué)家Robert Stirling在1816年發(fā)明的，該外燃發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作原理是運(yùn)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(dòng)機(jī)的發(fā)明是在蒸汽機(jī)出現(xiàn)之后，在當(dāng)時(shí)因?yàn)檎羝麢C(jī)鍋爐高溫、高壓的特性常會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，并以此為契機(jī)Stirling開(kāi)始了對(duì)不需要鍋爐的發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，并有效并發(fā)明了STL循環(huán)以及STL熱機(jī)[1]。STL循環(huán)的本質(zhì)是一種全封閉式的熱機(jī)循環(huán)，這也就說(shuō)明了在整個(gè)熱機(jī)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(jī)、內(nèi)燃機(jī)等開(kāi)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(jìn)氣和排氣的環(huán)節(jié)，進(jìn)而也大大提升了STL發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命、降低了后期的維護(hù)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(shí)，相較于內(nèi)燃機(jī)燃料參與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作的燃料供給方式，STL發(fā)動(dòng)機(jī)屬于外燃機(jī)，即燃料只需要提供發(fā)動(dòng)機(jī)所需的熱量，而不需要參與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作。這樣的模式最為突出的優(yōu)勢(shì)是STL發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料實(shí)用范圍被大大擴(kuò)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(jí)的燃料也可以使用，而且清潔太陽(yáng)能也可以利用STL發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮其積極效用。另外，由于STL發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣體不參與燃燒的特性也使得發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中沒(méi)有劇烈的震動(dòng)與噪音，這樣的優(yōu)良特性也為STL發(fā)動(dòng)機(jī)更為廣泛的應(yīng)用提供了保障。

之所以STL發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有同蒸汽機(jī)一樣受到重視，主要是因?yàn)樵赟TL原理的使用過(guò)程中會(huì)受到一定的應(yīng)用條件限制，即在當(dāng)時(shí)工藝較為不發(fā)達(dá)的時(shí)候，STL發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸在長(zhǎng)時(shí)間工作運(yùn)行之后會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂的情況，同時(shí)也隨著內(nèi)燃機(jī)改良進(jìn)程的不斷推進(jìn)，STL發(fā)動(dòng)機(jī)也逐漸消失在人們的視野中。但隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源危機(jī)以及環(huán)境污染問(wèn)題開(kāi)始出現(xiàn)，STL發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其高效、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)又被重新投入到了各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)中。

因此在此基礎(chǔ)上建立STL原理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)更為生動(dòng)形象的方法對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)加以闡述，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生的正確思維、帶動(dòng)其進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)自然科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)的研究與探索。同時(shí)，可以進(jìn)一步幫助學(xué)生參與到教師的演示模型講解以及自身對(duì)模塊化小型發(fā)動(dòng)機(jī)的組裝實(shí)踐中，進(jìn)而開(kāi)拓學(xué)生對(duì)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(shí)驗(yàn)室的建立以及相關(guān)創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)展還可以在幫助學(xué)生了解發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)上以及日常生活當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思考意識(shí)與開(kāi)拓進(jìn)取精神，進(jìn)而體現(xiàn)出了十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 基于STL原理的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)

開(kāi)展STL原理的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)首先需要準(zhǔn)備一定的教學(xué)演示模型，進(jìn)而通過(guò)模型對(duì)其中蘊(yùn)含的基本原理展開(kāi)講解，進(jìn)而有效加深學(xué)生對(duì)STL原理實(shí)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(dòng)機(jī)有多個(gè)部分組成，其中主要包括動(dòng)力氣缸、動(dòng)力壓氣活塞、傳動(dòng)連桿以及可視結(jié)構(gòu)框架等部件。如果將STL原理發(fā)動(dòng)機(jī)按照使用的熱源溫度進(jìn)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(dòng)機(jī)演示模型以及低溫磁鏈型發(fā)動(dòng)機(jī)演示模型。其中，單缸高溫置換型高溫差STL發(fā)動(dòng)機(jī)模型更多會(huì)采用酒精燈、電熱絲以及太陽(yáng)能聚焦等加熱方式;而熱氣缸與動(dòng)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(jìn)而大大提升了STL發(fā)動(dòng)機(jī)模型的氣密性以及免維護(hù)性。同時(shí)，單缸高溫置換型高溫差STL發(fā)動(dòng)機(jī)模型還具有輸入能量高、轉(zhuǎn)速快、動(dòng)力性能優(yōu)良等特征，以至于還可以帶動(dòng)LED燈等負(fù)載，進(jìn)而大大提升了實(shí)驗(yàn)的震撼效果，帶給學(xué)生更深的實(shí)驗(yàn)體會(huì)。而另外一種低溫磁鏈型STL發(fā)動(dòng)機(jī)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(yáng)直接照射集熱，其中熱氣缸和動(dòng)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(jìn)而也具備著較高的氣密性與免維護(hù)性。在實(shí)際展開(kāi)演示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，低溫磁鏈型STL發(fā)動(dòng)機(jī)模型因具備較少的輸入熱量，所以該模型的熱氣缸一般會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動(dòng)力氣缸，以進(jìn)一步增加吸熱面積。如果對(duì)二者加以比較，低溫磁鏈型STL發(fā)動(dòng)機(jī)雖然動(dòng)力效果不足單缸高溫置換型發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

在演示模型展示的過(guò)程中，通過(guò)向?qū)W生介紹STL原理發(fā)動(dòng)機(jī)不同的熱源驅(qū)動(dòng)模式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)過(guò)程的思考，加深對(duì)多種能源綜合利用的理解。同時(shí)，為進(jìn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中引入一部分簡(jiǎn)易組裝的小型STL原理發(fā)動(dòng)機(jī)模型，進(jìn)而可以布置學(xué)生以分組的形式進(jìn)行模塊化STL原理發(fā)動(dòng)機(jī)模型的零部件組裝。在此過(guò)程中，學(xué)生可以通過(guò)組裝發(fā)電機(jī)的零部件加深對(duì)其中蘊(yùn)含物理學(xué)基本原理的理解與掌握，同時(shí)充分體會(huì)到發(fā)動(dòng)機(jī)模型創(chuàng)新應(yīng)用的樂(lè)趣。

在現(xiàn)階段的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)時(shí)教育環(huán)節(jié)中的重中之重，為了進(jìn)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(shí)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(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)教育環(huán)節(jié)的思考與變革。同時(shí)，如何在知識(shí)傳授的過(guò)程中有效提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與專業(yè)技能是每一位教育工作者需要思考的問(wèn)題，因此可以通過(guò)不斷對(duì)教學(xué)手段的創(chuàng)新應(yīng)用來(lái)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解以及借助更為科學(xué)的實(shí)踐活動(dòng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)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(shí)際生活中的應(yīng)用，為培養(yǎng)出更多適應(yīng)社會(huì)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(shí)驗(yàn)活動(dòng)的重要意義

總的來(lái)說(shuō)，STL原理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新活動(dòng)具有十分強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義，其重要體現(xiàn)在四個(gè)方面：第一是該實(shí)驗(yàn)具有著安全、穩(wěn)定、啟動(dòng)時(shí)間短的特點(diǎn)，進(jìn)而可以在滿足課程需要的基礎(chǔ)上顯著提升課堂的生動(dòng)性。第二是學(xué)生可以借助演示模型的展示加深對(duì)熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的理解，進(jìn)而不斷提升物理課程的教學(xué)效果。第三是在對(duì)小型發(fā)動(dòng)機(jī)模型零部件組裝的過(guò)程中，學(xué)生可以通過(guò)具體操作更加深入地了解物理學(xué)基本原理在STL發(fā)動(dòng)機(jī)中的實(shí)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(guò)程中增加教師與學(xué)生之間的互動(dòng)，有效改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式中的弊端，提升學(xué)生對(duì)物理教學(xué)知識(shí)的接受程度。STL原理發(fā)電機(jī)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)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(lái)，而另一方面也大大提升了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)物理的興趣以及實(shí)際動(dòng)手操作能力。

在實(shí)際開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程的過(guò)程中，可以先對(duì)STL發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、活塞運(yùn)動(dòng)方式以及機(jī)械連接方式等基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行講解，進(jìn)而有效拓展學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)識(shí)，加深對(duì)學(xué)生思維方向的引導(dǎo)。接著，應(yīng)讓學(xué)生清楚意識(shí)到STL發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要作用以及現(xiàn)階段對(duì)其進(jìn)行重新研究的意義，從而幫助學(xué)生在對(duì)基礎(chǔ)物理科學(xué)及理論熟練運(yùn)用的基礎(chǔ)上加強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。在學(xué)習(xí)STL發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(duì)當(dāng)今社會(huì)環(huán)保節(jié)能建設(shè)的關(guān)鍵作用、STL發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)而可以通過(guò)相關(guān)知識(shí)的拓展提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與探索意識(shí)，為開(kāi)拓學(xué)生思維、促進(jìn)其全面發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，斯特林原理發(fā)電機(jī)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(shí)代背景下，人們對(duì)節(jié)能環(huán)保的關(guān)注愈發(fā)廣泛，因此對(duì)發(fā)電機(jī)的改造以及創(chuàng)新應(yīng)用也體現(xiàn)出了很強(qiáng)的必要性。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)斯特林原理發(fā)電機(jī)展開(kāi)相應(yīng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，可以有效深化對(duì)其運(yùn)行方式及機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究，進(jìn)而開(kāi)拓出更為防范的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，也可以進(jìn)一步適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)保節(jié)能的要求。

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

參考文獻(xiàn)：

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