关于空气热机的设想

刘铭基

热能是最普通的能量形式之一，热能的储存有助于降低现有生产过程中的能源消耗，与节能环保型生产过程密切相关。热机是将热能转换为机械能的机器，它以空气作为工作介质，结构简单。

工 作 原 理

空气热机的主要原理是热能被热机中的空气吸收后，空气膨胀，推动密封容器中的导管来回运动，经传动机构使飞轮运转，从而推动外接机械结构，提供动能，如推动轮船螺旋桨使之前进，推动发电机使其发电。

空气热机的结构如图1所示，它由高温区、低温区、位移气缸、位移活塞，以及工作活塞、工作气缸、飞轮、连杆、通气管等部分组成。

热机中部为飞轮与连杆机构，工作活塞与位移活塞通过连杆与飞轮连接。飞轮的下方为工作活塞与工作气缸，飞轮的右方为位移活塞与位移气缸，工作气缸与位移气缸之间用通气管连接。位移气缸的右上方是高温区，可用电热方式或酒精灯加热；位移气缸的左边有散热片，构成低温区。

工作活塞使气缸内气体封闭，并在气体的推动下对外作功。位移活塞是非封闭的占位活塞，其作用是在循环过程中使气体在高温区与低温区间不断交换，气体可通过位移活塞与位移气缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的，当其中一活塞处于极值位置时，它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。

当工作活塞处于最底端时，位移活塞迅速左移，使气缸内气体向高温区流动，如图2a所示；进入高温区的气体温度升高，使气缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，如图2b所示，在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞在最顶端时，位移活塞迅速右移，使气缸内气体向低温区流动，如图2c所示；进入低温区的气体温度降低，使气缸内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下运动，完成循环，如图2d所示。在一次循环过程中，气体对外所作净功的四个状态过程曲线如图3所示。

根据卡诺定理，对于循环过程可逆的理想热机，其热功效率

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

式中A为每一次循环作的功，Q1为每一次循环从热源吸收的热量， Q2为每一次循环向冷源放出的热量，T1 为热源的温度，T2为冷源的温度。

实际的热机不可能是理想热机，由热力学第二定律可以证明，循环过程不可逆的实际热机，其热功效率

η ≦ ΔT/T1

热机的热量Q1正比于ΔT/n，n为热机转速，η正比于nA/ΔT。n、A、T1、T2及ΔT 均为可测量，计算不同冷热端温度时的nA/ΔT，观察它与ΔT/T1的关系，可验证卡诺定理。

当热机带负载时，热机向负载输出的功率可由力矩计测量后计算而得，且热机实际输出功率的大小随负载的变化而变化。在这种情况下，可测量计算出不同负载大小时热机的实际效率。

应 用 前 景

空气热机应用技术主要适用于以下方面：

工业余热的利用

利用冶炼企业、化工企业等发出的余热，将热能转变为机械能，经过传动机构，推动发电机产生直流电。通过逆变器，把直流电转为交流电存入蓄电池，供办公、生产照明。

野 外 应 用

空气热机在野外使用，主要利用日光来将热能转化为机械能。其电能输出，除了受空气热机自身质量影响外，蓄电池、逆变器在技术上的提高，以及聚光板的质量也是关键。

为电动汽车充电桩配置直流电源

太阳光产生的热能，通过空气热机转化成直流电，配置在直流充电桩上。其主要优点是充电桩可直接使用，节约了供电系统所配置的电源，同时减少因交流电转变为直流电而出现的能量消耗和谐波影响。

现代社会对能源需求越来越大，人们急切寻求绿色能源，因为它关系到人类的生活质量。利用空气热机发电是对绿色能源的补充，也是造福人类潜在的新技术。相信不久的将来，空气热机能实现商业化、民用化，成为新的动力来源。