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试管玻璃球自制斯特林热机(科技小制作套件)

2014-12-7 08:45| 发布者: admin| 查看: 8830| 评论: 0|原作者: 皮蛋豆腐

摘要: 试管玻璃球自制斯特林热机(科技小制作套件) 在自己家里用简单的方法自制一台点火就能动的发动机,几乎是一个不可能的任务。斯特林热机是最容易的了,但是仍然需要一定的加工工具和制作技巧。本套件完全使用最常 ...
试管玻璃球自制斯特林热机(科技小制作套件)
      在自己家里用简单的方法自制一台点火就能动的发动机,几乎是一个不可能的任务。本套件完全使用最常见的材料,按照我们的教程,您能够很容易地组装成功一台斯特林热机模型,同时掌握它的原理。看着自己动手组装的发动机运转起来,那种满足感简直无法用文字来形容!

      下图是这种用试管、玻璃球和注射器做出来的斯特林热机的全貌:
试管斯特林1.JPG
      它的主体就是一个装了玻璃球的试管,管口用橡胶塞塞住。有一根细铜管从橡胶塞伸出,通过一小段气门芯与玻璃注射器联通起来。试管的中间位置放在筷子和橡皮筋做成的支架上,注射器垂直放在木板上,它的活塞下端用橡皮筋加以固定。
      下面是演示视频,用酒精灯加热试管的末端,给发动机提供动力,慢慢它就开始运转起来。拿走热源,它还会在余热的作用下持续运转一段时间。


套件内容包括:
      试管、玻璃球、小蜡烛、插了铜管的橡胶塞、注射器、方便筷、木板底座、气门芯、橡皮筋,共9种。
试管斯特林2.JPG

需要您自备的材料和工具有:
      小刀、打火机、酒精灯(可选)


制作步骤:

1、制作支架。
      把方便筷分开,头部插进木板前端的小孔里,作为支架的立柱。如果插不进去,用小刀修一下筷子头,如果孔太大,可以垫一点儿纸片。
试管斯特林3.JPG
      把一根筷子用小刀截断,前半段用橡皮筋绑在立柱上,作为横梁。
试管斯特林4.JPG
     如果您不知道怎样绑,看看我下面的描述:橡皮筋先套在立柱上,再缠几圈,把立柱和横梁绑在一起,然后把橡皮筋末端套过横梁末端,让它不能散开,就OK了。

2、把穿过橡胶塞的铜管与注射器连接在一起。
      注射器口比较粗,气门芯很难套上去,所以有一定的技巧。请看下图:
试管斯特林5.JPG
      a、穿了铜管的橡胶塞;
      b、把气门芯套在铜管上;
      c、气门芯上端向下卷;
      d、翻卷的气门芯从铜管上取下来;

      然后再连接注射器,请看下图:
试管斯特林6.JPG
      a、翻卷的气门芯对着注射器口;
      b、把气门芯再反过来,顺势套在注射器口上;

      气门芯的另一端再套在铜管上,橡胶塞就与注射器连接在一起了!
试管斯特林7.JPG

3、组装试管玻璃球斯特林热机的主体
      把玻璃球小心地装入试管,把注射器的活塞稍微向下拉,让其中保留一小段空气,然后把橡胶塞塞进试管口。
试管斯特林8.JPG
      这种斯特林热机成功的关键,就是密封性要好。慢慢推动注射器的活塞,压缩里面的空气,松手以后活塞会重新退回来,就说明整个系统的密封性很好。当然密封性是相对的,只要漏气不太严重即可,因为橡胶塞是软的,只要稍微用力把它塞进试管,就能保证密封。注意:不能过分用力向试管内塞橡胶塞,避免把试管撑破!

4、把主体安装到支架上
      如下图这样,一根橡皮筋从下方“包”过横梁,形成2个半圆环,将来试管要从这2个半环穿过。
试管斯特林9.JPG
      试管穿过橡皮筋形成的2个半圆环,中间位置放在横梁上。
试管斯特林10.JPG
      用2根橡皮筋套在木板上,把注射器活塞末端限制住。
试管斯特林11.JPG
      到这里,试管、玻璃球、注射器为主体组装的斯特林热机就制作完成了!  

5、运行调试
      这种斯特林每次运行以前,都要先把它调到初始位置。初始位置的标准是:注射器直立,试管后端下沉,比横梁低1厘米左右(当然这时候玻璃球都滚向了试管后方),注射器里保持一小段空气。
试管斯特林12.JPG
      这里有一个小技巧,因为玻璃球的重量压在注射器上,里面的空气会被压缩,而且还会存在漏气现象,所以你把整个装置安放好以后,很有可能注射器里就不存在空气柱了。这时候你要拔开橡胶塞,拉伸注射器,让里面有一定的空气柱,然后再立刻塞紧橡胶塞,试几次以后就能达到满意的初始状态了。
      如果初始状态试管里没有一定的空气柱,那么发动机运行的时候,活塞就会击打注射器管,有可能导致破裂,所以这一点很重要的。

6、点火运行发动机
      a、试管斯特林调到初始状态,点燃酒精灯,按照化学实验操作标准,先用火焰均匀加热试管,然后持续加热试管前端。
试管斯特林13.JPG
      试管里空气被加热后膨胀,热空气穿过玻璃球的缝隙,通过橡胶塞内的铜管,进入注射器。空气膨胀做功,体积变大,通过注射器推动试管后端向上。试管后端向上高过横梁之后,玻璃球就会向前端滚动。
      如果加热了较长时间,试管的后端仍然没有高过横梁,此时应该适当调低横梁。
      b、玻璃球滚动到试管前端之后,把里面的空气都“挤”走了,这时候虽然酒精灯的火焰仍然在,但是并不能继续加热试管里的空气了。
试管斯特林14.JPG
      试管内的空气全都到了试管后端,被空气冷却,温度降低,体积收缩,于是外界大气压通过注射器做功,把试管末端向下拉。当试管末端低于横梁之后,玻璃球就会向后滚动,最终达到a的状态。
      如果此时试管末端不能低于横梁,就要适当调高横梁。     
      试管斯特林回到状态a之后,试管内的空气重新被酒精灯加热,直至再进入状态b。循环往复,这台斯特林热机模型就不断运行起来。
      如果状态调整得当(就是不断调整横梁的高度,找到最佳的点),这台试管斯特林运动的幅度会相当大,注射器的活塞上下运动距离会达到4厘米。我们预设的是2厘米,就是初始状态下让试管末端低于横梁1厘米,这样容易启动。
      如果启动起来以后,玻璃球始终在酒精灯那头小幅度来回运动,那么应该提高横梁,当到达最佳高度以后,运动幅度就会达到最大。反之如果启动以后玻璃球在橡胶塞那头小幅度运动,那么就应该降低横梁。运行一段时间以后,拿走酒精灯,试管斯特林仍然会在余热的推动下继续运动一会儿,可见它的热效率是很高的。     

斯特林热机的原理:
      普通的热机,包括蒸汽机、内燃机等,都是工作气体受热体积膨胀做功,例如上面分析的状态a。而斯特林热机在气体受冷体积收缩的时候也会做功,如状态b分析的那样。所以斯特林的热效率很高,而且工作气体的温度较低,一个酒精灯甚至一杯热水都能驱动它。斯特林热机的气缸一般都会有一个热端(试管被酒精灯加热那一端),一个冷端(试管被空气冷却的另外一端),还有一个让气体在冷热端之间来回移动的装置,称作“气体转移活塞”(玻璃球)。气体转移活塞让气体在气缸的热端与冷端之间来回转移,一会儿膨胀做功,一会儿收缩做功,让发动机持续运转。

注意事项:
1、如果您没有酒精灯,可以使用套件里的小蜡烛作为热源。如果蜡烛火焰太小,找一点儿卫生纸,搓成一小节灯芯,等蜡烛燃烧熔化蜡油以后,把灯芯放在蜡油里,就能得到较大的火焰了。
试管斯特林15.JPG
2、套件里的玻璃注射器阻力非常小,不要如下图那样竖直拿着注射器,防止活塞掉落摔碎。如果感觉推拉注射器活塞阻力较大,可以先用干净的纸巾擦拭一下。
试管斯特林16.JPG
3、被加热的玻璃试管有可能温度较高,操作请戴手套,穿长袖衣服,防止烫伤;
4、玻璃试管要轻拿轻放,不要放在桌子的边缘,防止滚落,使用酒精灯要严格按照实验室操作规程;

参考文章:
      试管斯特林发动机http://www.52zhizuo.com/thread-198-1-1.html
      自制试管斯特林发动机http://www.52zhizuo.com/thread-196-1-1.html
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