關于空氣熱機的設想

劉銘基

熱能是最普通的能量形式之一，熱能的儲存有助于降低現有生產過程中的能源消耗，與節能環保型生產過程密切相關。熱機是將熱能轉換為機械能的機器，它以空氣作為工作介質，結構簡單。

工 作 原 理

空氣熱機的主要原理是熱能被熱機中的空氣吸收后，空氣膨脹，推動密封容器中的導管來回運動，經傳動機構使飛輪運轉，從而推動外接機械結構，提供動能，如推動輪船螺旋槳使之前進，推動發電機使其發電。

空氣熱機的結構如圖1所示，它由高溫區、低溫區、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。

熱機中部為飛輪與連桿機構，工作活塞與位移活塞通過連桿與飛輪連接。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，可用電熱方式或酒精燈加熱；位移氣缸的左邊有散熱片，構成低溫區。

工作活塞使氣缸內氣體封閉，并在氣體的推動下對外作功。位移活塞是非封閉的占位活塞，其作用是在循環過程中使氣體在高溫區與低溫區間不斷交換，氣體可通過位移活塞與位移氣缸間的間隙流動。工作活塞與位移活塞的運動是不同步的，當其中一活塞處于極值位置時，它本身的速度最小，而另一個活塞的速度最大。

當工作活塞處于最底端時，位移活塞迅速左移，使氣缸內氣體向高溫區流動，如圖2a所示；進入高溫區的氣體溫度升高，使氣缸內壓強增大并推動工作活塞向上運動，如圖2b所示，在此過程中熱能轉換為飛輪轉動的機械能；工作活塞在最頂端時，位移活塞迅速右移，使氣缸內氣體向低溫區流動，如圖2c所示；進入低溫區的氣體溫度降低，使氣缸內壓強減小，同時工作活塞在飛輪慣性力的作用下向下運動，完成循環，如圖2d所示。在一次循環過程中，氣體對外所作凈功的四個狀態過程曲線如圖3所示。

根據卡諾定理，對于循環過程可逆的理想熱機，其熱功效率

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

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

實際的熱機不可能是理想熱機，由熱力學第二定律可以證明，循環過程不可逆的實際熱機，其熱功效率

η ≦ ΔT/T1

熱機的熱量Q1正比于ΔT/n，n為熱機轉速，η正比于nA/ΔT。n、A、T1、T2及ΔT 均為可測量，計算不同冷熱端溫度時的nA/ΔT，觀察它與ΔT/T1的關系，可驗證卡諾定理。

當熱機帶負載時，熱機向負載輸出的功率可由力矩計測量后計算而得，且熱機實際輸出功率的大小隨負載的變化而變化。在這種情況下，可測量計算出不同負載大小時熱機的實際效率。

應 用 前 景

空氣熱機應用技術主要適用于以下方面：

工業余熱的利用

利用冶煉企業、化工企業等發出的余熱，將熱能轉變為機械能，經過傳動機構，推動發電機產生直流電。通過逆變器，把直流電轉為交流電存入蓄電池，供辦公、生產照明。

野 外 應 用

空氣熱機在野外使用，主要利用日光來將熱能轉化為機械能。其電能輸出，除了受空氣熱機自身質量影響外，蓄電池、逆變器在技術上的提高，以及聚光板的質量也是關鍵。

為電動汽車充電樁配置直流電源

太陽光產生的熱能，通過空氣熱機轉化成直流電，配置在直流充電樁上。其主要優點是充電樁可直接使用，節約了供電系統所配置的電源，同時減少因交流電轉變為直流電而出現的能量消耗和諧波影響。

現代社會對能源需求越來越大，人們急切尋求綠色能源，因為它關系到人類的生活質量。利用空氣熱機發電是對綠色能源的補充，也是造福人類潛在的新技術。相信不久的將來，空氣熱機能實現商業化、民用化，成為新的動力來源。