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发动机练就吸星大法

发布时间:2021-07-05 08:57:54 浏览数:

不用依靠化石燃料的爆燃,只要存在温差,斯特林发动机就能运转,并产生巨大的动能。

方才还是一片寂静的海域,突然开始咆哮。此时那艘二级战舰依然保持着巡航的速度,似乎并没有感觉到有一股激情似乎要从海底爆发出来。突然,敌人从最意想不到的位置出现了!神秘的印度王子、兼深邃哲人与科学狂人与一体的尼莫船长驾驶着“鹦鹉螺号”向“文明世界”倾泄出他全部的愤怒。目标正对战舰,“鹦鹉螺号”在海底全速前进,借助无与伦比的动能把战舰刺穿一个大洞,随后扬长而去……

这就是19世纪的人对于超级动力的想像。在凡尔纳心目中的“鹦鹉螺号”是一个超级科技结晶体:它静如处子,能够深深隐藏在海底两万里;而又动如脱兔,能够在瞬间毁灭当时任何其它海上交通工具。它的能量来自海水中俯仰皆是的钠和水,而把这些不起眼的原料转化为可供驱策的无穷能量的则是一台热气机,也称为斯特林发动机。

余热转化成能量

这台斯特林发动机不用依靠化石燃料的爆燃也能发出巨大的动能。仅仅从钠和水里面就能寻找出取之不尽的能量,这个想法至今依然超出人类的科学和技术水平。但是斯特林发动机却是一个在凡尔纳生前就诞生的老东西了。然而,凡尔纳想像不到的是,虽然“鹦鹉螺号”至今都造不出来,但是斯特林发动机则居然能被用于家用电脑。

当微星在CeBIT 2008上展出它最新的主板时,它的ECOlution散热器也同样迷倒了众多电脑粉丝。这个风扇样式的北桥散热设计的ECOlution散热器就是采用了“斯特林发动机”(Stirling engine)的理论,用于芯片的散热工作。与通常的散热风扇不同的是,这只风扇转起来不用电。

在理论上,斯特林发动机的效率被称为卡诺循环效率,几乎等于理论最大效率。它通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。微星设计的这种芯片组散热风扇采用无电源设计,等同于“被动式”散热器。目前,大多数的计算机主板都是采用“主动式”散热技术,在消除掉了芯片表面的热量的同时却消耗了大量的电力。据解释,当热量聚焦到时,产生的压力推动位于散热器中央的活塞,活塞的运动推动向上旋转的齿轮,从而带动风扇。从而,芯片组产生的热能被转化成了动能,与此同时,热量也被发散出去。

微星解释这种散热器能把70%的热功率转化为动能。这意味着,芯片产生的热能中的7分被用来转化成风扇转动的动能,并且用来消除剩余的3分热量。当芯片组不够热时,整个系统无需工作,当然它也无法工作。

深藏海底的杀人兵器

与“鹦鹉螺号”一样,装备了斯特林发动机的现代潜艇,同样让人望而生畏。通常这种潜艇被称为“亚核潜艇”。

因为,常规动力潜艇在水下是靠蓄电池提供动力,只能在水下航行几十个小时,不得不经常浮至海面“呼吸”,极易暴露目标,遭敌致命打击。而装上斯特林该发动机的潜艇可持续潜航达3周左右,其作战性能将成倍增加,堪比小型核潜艇。

瑞典考库姆公司从20世纪60年代末就开始斯特林发动机的研制工作,目前已经成功研制出71千瓦的 V4-275R 型斯特林发动机,装备于1995年2月2日下水的“哥特兰”号潜艇。

斯特林发动机主要是在水下续航状态下工作,与蓄电池并联,向推进电机、全艇辅机及其他用电设备供电。潜艇中的斯特林发动机的活塞上室为热室,它与另一活塞的下室相连,四个缸相互连接在一起,具体的是1号缸上部的热室与2号缸下部的冷室相连,2号缸上部的热室与3号缸下部的冷室相连,3号缸上部的热室与4号缸下部的冷室相连,4号缸上部的热室与1号缸下部的冷室相连,互相差90°角。它们使工作气体在热室和冷室之间来回移动,使活塞运动并带动曲柄转动。根据中国国防大学张召忠的介绍,由于是外部闭式循环的燃烧,所以只要有一罐氧气就可以反复地燃烧。

日本由于受战后国际条约和《和平宪法》的限制,不能发展核潜艇,因此很青睐这种所谓的“亚核潜艇”。4年前,日本川崎重工开始购买考库姆公司的发动机,并陆续将日本海上自卫队的所有“亲潮”级潜艇及新研制的潜艇上加装“不依赖空气动力装置”(AIP)系统。目前,日本海上自卫队共拥有16艘潜艇,其中新型“亲潮”级潜艇6艘、“春潮”级7艘和“夕潮”级3艘。日本计划以每年更换一艘潜艇的速度,将所有的“夕潮”级潜艇及“亲潮”级潜艇全部换装为加装AIP系统的新型“亲潮”级潜艇。这是全世界最高的,其技术水平也堪称世界一流的现役潜艇的更新换代率。

用于海底军事潜伏,这或许是斯特林发动机的发明者,伦敦的牧师罗巴特•斯特林在1816年发明它时万万想不到的应用方式。当它出现时,相对于燃烧柴油的内燃机,才被称为外燃发动机。它的运动过程是:当燃料连续燃烧时,外燃机内部被蒸发而膨胀氢气(或氦)作为动力气体使活塞运动,膨胀气体将在冷气室冷却而体积变小,如此周而复始地进行循环的推动过程。

斯特林最开始出于提高热机效率的目的而开始热力学理论的研究。当时(18世纪末和19世纪初)的热机普遍为蒸汽机,它的效率只有3%~5%,也意味着有95%以上的热能得不到利用。热机的效率直至1840年也仅仅提高到8%。

斯特林所提出的斯特林循环,是重要的热机循环之一,亦称“斯特林热气机循环”。这种循环,是封闭式的,采用定容下吸热的气体循环方式。循环过程是:一,等容吸热加热;二,由外热源等温加热;三,等容放热,供吸热用;四,向冷体等温放热,完成一个循环。在理想吸热的条件下,这种循环的热效率,等于温度上下限相同的卡诺循环。利用这种循环的“斯特林热机”,具有很多特点,如采用外燃,或外热源供热等。由于这种循环是封闭式循环,可采用传热性能好的工质,同时,工质的腐蚀性也可以很小,如氮气、氢气等气体。充入的气体工质,还可以加大压力,视封闭系统的情况,能够采用远远大于大气压力的高压气体工作,这样可以提高发动机的单位重量的功率,减小发动机的体积和重量。斯特林热机的逆向运转就是制冷机或热泵机。斯特林循环的效率,即在理想状况下,可以无限提高。当然受实际可能的限制,不可能达到100%,但提供了提高热效率的努力方向。

太阳能点燃外燃机

在美国加里福尼亚州大约7平方公里的土地上,耸立着超过20000台太阳能板。这是继瑞典考库姆公司成功商业化斯特林发动机之后,南加州爱迪生电力公司与斯特林能源系统公司合作展开了史上规模最大的斯特林发动机项目。这项与2005年开始的项目,在建成之后将能产生超过500兆瓦的电力,那将超过所有其它美国现行太阳能项目的总和,其能量总以供应50万户家庭使用。

一组镜子方阵将集中太阳能,并且传送至接收端的斯特林发动机。此时接收器加热氢气并且使它膨胀。气体膨胀推动活塞做功,膨胀后的气体在冷气室冷却,然后进入下一个流程。整个能源转换的过程处于一个密闭的环境中,丝毫不用其余的燃料,也不会产生任何的排放。

“这个项目对于我们的用户和国家来说都堪称实惠。”项目常设专家委员会首席执行干事艾伦•佛勒这么说,“我们甚至不需要国家补贴,而且还能提供更便宜的电力。测试表明搭配斯特林发动机技术发电,比其他的太阳能技术大大地节约成本。”进行测试的专家委员会和桑迪亚国家实验室已经表明,这种技术的热能转化效率两倍于其他的太阳能技术。

事实上,只要有一定值的温度差存在,就可以形成斯特林发动机。我们可以试试在一杯滚烫的咖啡杯上假设一台微型的斯特林发动机。反之,如果下面是冰块,因为存在温差,它也能转起来,甚至比里面是热咖啡还要持久。有爱好者曾经达到运转一个小时的记录。

斯特林发动机可以使用多种的燃料,各种可燃气体当然是最佳材料,而在一些传统的游牧地区,牛粪也可以用作燃料。而且它不但排气洁净,因为没有内燃机所必须经历的气体爆炸,所以也大大降低了噪音污染。同时,它除了燃烧室内原有的空气外,不需要其他空气,所以也不排废气,这非常适用于对于环境日益重视的都市环境。

水不能变成油,无论它是一杯冰水或是一杯热水。但是它可以像油一样来驱动一个发动机。

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