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十九世纪的吹玻璃工人,偶尔会听到被加热的玻璃管自然发出神秘的单音,这令人费解的声音其实是热机的另一种输出形式。一般的引擎以转动的形式输出能量;声音也具有能量,只不过以空气作为传递的媒介。

热声效应的原理

空气振动形成声音,声音发生时,为方便讨论,将传播声音的空气分成无数小块空气,应用牛顿力学来分析空气振动的情形,会得到声音的波动方程式,此方程式的解显示:声音传播时,各个小块空气都会发生膨胀收缩和位移。如果小块空气被压缩后,再被加热膨胀,对周围空气作较大的正功;之后这小块空气又先被冷却,再被压缩,作较小的负功 (周围空气对这小块空气作较小的功) 。虽然这小块空气并非对活塞或涡轮作功,而是对周围空气作功,事实上也完成了工作流体加热后膨胀,冷却后被压缩的热机循环,把热能转换成声音振动的能量,增加声音的强度,此即所谓“热声效应”。

凡是利用工作流体在冷、热区间移动,执行压缩的工作流体经加热而膨胀作正功,膨胀后先冷却再压缩作负功的热机循环,这样的机构都被归类为斯特林引擎。利用热声效应把热能转换成机械能的装置,也就称为热声效应斯特林引擎(thermoacoustics stirling heat engine) ,热声效应斯特林引擎大致可分为驻波(standing wave)和行波(traveling wave)两种。

驻波型斯特林引擎的作功原理

驻波型斯特林引擎,基本上是一端闭口,一端开口的管状共振腔,在共振腔内近闭口端装有热片堆(stack),热片堆中有许多平行共振腔轴向的密集穿孔。热片堆在靠近闭端温度较高,另一端温度较低,于是延共振腔轴向的温度梯度(temperature gradient)相当大。

当驻波发生时,热堆片穿孔中的各小块空气(工作流体)向闭口端位移,而被压缩,同时移向热片堆较高温处,该小块空气在热穿透深度(thermal penetration depth)以内的部分,会被热片堆加热,使得温度升高,随即膨胀对周围空气做较大的正功,驻波的能量于是加大,小块空气也随着膨胀,同时移至热片堆的冷端,当能量增加的驻波再度压缩这小块空气时,此小块空气已先被较低温的热片堆冷却,只消耗较少的声波能量即可被压缩。于是,热能便不断地变成驻波的能量。

 

驻波型斯特林引擎动手做

本文介绍一种驻波型热声效应斯特林引擎的制作方法,所需材料都是一般实验室常见的东西:

一、内径2cm、长22cm试管一支。

二、直径0.25~0.4mm的镍铬线和直径0.8mm的漆包线。

三、内径1~1.2mm玻璃毛细管。

四、AB胶及胶带等。

五、木材、螺丝钉等。

另外还须要准备电源供应器。本实验的电源供应器最好选择能大范围调整电压和电流的类型。

首先将玻璃毛细管切成约2~3公分长,再用AB胶黏成一束(图一),裁切玻璃管时需留意切口锋利伤人。玻璃毛细管束要能轻松塞入试管中,并且注意AB胶不要堵住毛细管口,玻璃毛细管束于是构成许多轴向穿孔(图二) AB 胶黏合处尽可能靠近玻璃毛细管束的一端 (不须整支毛细管都涂满AB胶) ,在另一端,缠绕镍铬线 (图三)。先将漆包线与镍铬线连接处的漆刮除后,镍铬线两端分别连接漆包线,确保镍铬线和漆包线能导通。再用蓝色胶带将漆包线裹在玻璃毛细管束上,避免漆包线拉扯镍铬线或镍铬线松脱。

图一:黏结完成的玻璃毛细管束。

图二:玻璃毛细管构成许多轴向穿孔。

图三:玻璃毛细管束的一端缠绕镍铬线。

用木材制作一具简易的支架,以适当方式将试管置于支架上,将一端缠绕镍铬线的玻璃毛线管置于试管中,导通镍铬线两端的漆包线从试管口伸出即可。玻璃毛细管用镍铬线加热的那头向着试管封闭的底部,玻璃毛细管加热区域的位置,大约在靠近试管底部三分之一试管总长度的地方(图四)

图四:玻璃毛细管束的加热区靠近试管底部约三分之一处。

 

自制斯特林引擎的操作

操作时需加热,试管内外的温度都可能很高,务必小心,以免烫伤。先把电源供应器的电压调到最小,用鳄鱼夹接通电源供应器的输出端和两条从试管伸出的漆包线 (图五)。逐渐调高电源供应器的电压,透过试管可以看到缠在玻璃毛细管一端的镍铬线开始发出暗红色的光,再调高电源供应器的输出功率,使镍铬线发出亮橘色的光(急速再升温)(图六)。注意不可使镍铬线发出白炽的亮光,否则镍铬线可能烧断。再稍等约十秒钟,试管就发出很响的单音。

图五:电源供应器提供电力使镍铬线加热。

图六:从镍铬线发光的颜色和亮度,可大致判断镍铬线的温度。

如果一直未发出声响,可从试管垂直的方向,对试管口大力地吹口气,或在试管口附近鼓掌,诱发热声效应。通常如果对着空的试管这样吹气,就会像吹排笛时而发出的单音一般,试管只会发出声音,但试管内放入一端加热的毛细管束制成的热片堆,试管发出的声音就会有好似回音一般的声音,持续一段时间,这表示整个实验装置完全正确,热声效应也正常发生。此时再稍提高电源供应器的输出电压使镍铬线温度升高,试管就会持续发出相当响的声音了;或者也可经过更急热的程序︰先关掉电源,待其冷却二十分钟,再打开电源急速升温,试管不久也会发出响声。

热声效应引擎的改良与展望

驻波型热声斯特林引擎的工作流体,并未完全符合热机循环的过程,所以效率较低。1998年左右C. M. de Blok等人发明行波型热声斯特林引擎,使其工作流体更合乎热机循环的方式,将热能转换成声音的能量,有效提高热声效应斯特林引擎的效率。

热声效应斯特林引擎是一项新的能源技术,可以使用多元能源作为动力,目前美国和中国在此领域有较出色的研究成果,所产生的声波可用来推动热声致冷机液化气体或冷却电子设备,也可用来发电。

 

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