空氣熱機實驗

1、空氣熱機實驗研究化學工程學院過程裝備與控制工程/班摘要：掌握空氣熱機原理及循環(huán)過程，測量不同冷熱端溫度時的熱功轉(zhuǎn)換值，作nA/AT與 AT/ T1的關(guān)系圖，驗證卡諾定理。測量并指出熱機輸出功率隨負載及轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。關(guān)鍵詞：空氣熱機、卡諾循環(huán)、卡諾定理、輸出功率【前言】熱機是將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機器。歷史上對熱機循環(huán)過程及熱機效率的研究，曾為熱 力學第二定律的確立起了奠基性的作用。斯特林1816年發(fā)明的空氣熱機，以空氣作為工作介質(zhì)， 是最古老的熱機之一。雖然現(xiàn)在已發(fā)展了內(nèi)燃機，燃氣輪機等新型熱機，但空氣熱機結(jié)構(gòu)簡單， 便于幫助理解熱機原理與卡諾循環(huán)等熱力學中的重要內(nèi)容，是很好的熱學實驗教學儀器

2、?！緦嶒災康摹坷斫鉄釞C原理及循環(huán)過程測量不同冷熱端溫度時的熱功轉(zhuǎn)換值，驗證卡諾定理測量熱機輸出功率隨負載及轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，計算熱機實際效率【實驗原理】空氣熱機的結(jié)構(gòu)及工作原理可用圖1說明。熱機主機由高溫區(qū)，低溫區(qū)，工作活塞及汽缸， 位移活塞及汽缸，飛輪，連桿，熱源等部分組成。熱機中部為飛輪與連桿機構(gòu)，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 作活塞與工作汽缸，飛輪的右方為位移活塞與位移汽缸，工作汽缸與位移汽缸之間用通氣管連 接。位移汽缸的右邊是高溫區(qū)，可用電熱方式或酒精燈加熱，位移汽缸左邊有散熱片，構(gòu)成低 溫區(qū)。工作活塞使汽缸內(nèi)氣體封閉，并在氣體的推動下對外做功。位移活塞是非封閉的

3、占位活塞， 其作用是在循環(huán)過程中使氣體在高溫區(qū)與低溫區(qū)間不斷交換，氣體可通過位移活塞與位移汽缸 間的間隙流動。工作活塞與位移活塞的運動是不同步的，當某一活塞處于位置極值時，它本身的速度最小，而另一個活塞的速度最大。圖1空氣熱機工作原理當工作活塞處于最底端時，位移活塞迅速左移，使汽缸內(nèi)氣體向高溫區(qū)流動，如圖1 a所 示；進入高溫區(qū)的氣體溫度升高，使汽缸內(nèi)壓強增大并推動工作活塞向上運動，如圖1 b所示， 在此過程中熱能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)動的機械能；工作活塞在最頂端時，位移活塞迅速右移，使汽缸 內(nèi)氣體向低溫區(qū)流動，如圖1c所示；進入低溫區(qū)的氣體溫度降低，使汽缸內(nèi)壓強減小，同時 工作活塞在飛輪慣性力的作用下

4、向下運動，完成循環(huán)，如圖1d所示。在一次循環(huán)過程中氣體 對外所作凈功等于P-V圖所圍的面積。根據(jù)卡諾對熱機效率的研究而得出的卡諾定理，對于循環(huán)過程可逆的理想熱機，熱功轉(zhuǎn) 換效率：n = A/Q1 =（Q1-Q2）/Q1=（T1-T2）/T1=AT/ T1式中A為每一循環(huán)中熱機做的功，Q1為熱機每一循環(huán)從熱源吸收的熱量，Q2為熱機每 一循環(huán)向冷源放出的熱量，T1為熱源的絕對溫度，T2為冷源的絕對溫度。實際的熱機都不可能是理想熱機，由熱力學第2定律可以證明，循環(huán)過程不可逆的實際熱 機，其效率不可能高于理想熱機，此時熱機效率：n MAT/ T1卡諾定理指出了提高熱機效率的途徑，就過程而言，應當使實際

5、的不可逆機盡量接近可逆 機。就溫度而言，應盡量的提高冷熱源的溫度差。熱機每一循環(huán)從熱源吸收的熱量Q1正比于AT/n，n為熱機轉(zhuǎn)速，n正比于nA/AT。n，A， T1及AT均可測量，測量不同冷熱端溫度時的nA/AT，觀察它與AT/T1的關(guān)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的熱機實際效率?！緦嶒瀮x器】儀器主要包括空氣熱機實驗儀，空氣熱機測試儀，電加熱器及電源1作者：男，化學工程學院09級過程裝備與控制工程1班學生，主要從事化工機械設備控制、設計等方面 的研究。1空氣

6、熱機實驗儀（1）.電加熱型熱機實驗儀熱機實驗儀采集光電門信號，壓力信號和溫度信號，經(jīng)微處理器處理后，在儀器顯示窗口 顯示熱機轉(zhuǎn)速和高低溫區(qū)的溫度。在儀器前面板上提供壓力和體積的模擬信號，供連接示波器 顯示P-V圖。力矩計懸掛在飛輪軸上，調(diào)節(jié)螺釘可調(diào)節(jié)力矩計與輪軸之間的摩擦力，由力矩計可讀出摩 擦力矩M，并進而算出摩擦力和熱機克服摩擦力所做的功。經(jīng)簡單推導可得熱機輸出功率 P=2nnM，式中n為熱機每秒的轉(zhuǎn)速，即輸出功率為單位時間內(nèi)的角位移與力矩的乘積。（2）.空氣熱機電加熱器電源加熱器電源為加熱電阻提供能量，輸出電壓從24V36V連續(xù)可調(diào)，可以根據(jù)實驗的實際需 要調(diào)節(jié)加熱電壓。當熱機轉(zhuǎn)速超過1

7、5 n/s后，主機會輸出信號將電加熱器電源輸出電壓斷開，停止加熱。2空氣熱機測試儀處理熱機實驗儀采集的壓力、溫度、轉(zhuǎn)速信號，并顯示轉(zhuǎn)速，高、低溫的溫度，及高、低 溫之差；同時可以輸出壓力、體積信號到示波器。3各部分儀器的連接方法將各部分儀器安裝擺放好后，根據(jù)實驗儀上的標識使用配套的連接線將各部分儀器裝置連 接起來。用實驗給的連接線，按照儀器上的標示連接。【實驗內(nèi)容及步驟】用于順時針撥動飛輪，結(jié)合圖1仔細觀察熱機循環(huán)過程中工作活塞與位移活塞的運動情 況，切實理解空氣熱機的工作原理。根據(jù)測試儀面板上的標識和儀器介紹中的說明，將各部分儀器連接起來，開始實驗。取下 力矩計，將加熱電壓加到第11檔（36

8、伏左右）。等待約610分鐘，加熱電阻絲已發(fā)紅后， 用于順時針撥動飛輪，熱機即可運轉(zhuǎn)（若運轉(zhuǎn)不起來，可看看熱機測試儀顯示的溫度，冷熱端 溫度差在100度以上時易于起動）。減小加熱電壓至第1檔（24伏左右），調(diào)節(jié)示波器，觀察壓力和容積信號，以及壓力和 容積信號之間的相位關(guān)系等，并把P-V圖調(diào)節(jié)到最適合觀察的位置。等待約10分鐘，溫度和 轉(zhuǎn)速平衡后，記錄當前加熱電壓，并從熱機測試儀（或計算機）上讀取溫度和轉(zhuǎn)速，從雙蹤示 波器顯示的P-V圖估算（或計算機上讀?。㏄-V圖面積，記入表1中。逐步加大加熱功率，等待約10分鐘，溫度和轉(zhuǎn)速平衡后，重復以上測量4次以上，將數(shù) 據(jù)記入表1。以AT/ T1為橫坐標，

9、nA/AT為縱坐標，在坐標紙上作nA/AT與AT/ T1的關(guān)系圖，驗證卡諾定理?！咀⒁馐马棥考訜岫嗽诠ぷ鲿r溫度很高，而且在停止加熱后1小時內(nèi)仍然會有很高溫度，請小心操作， 否則會被燙傷。熱機在沒有運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，嚴禁長時間大功率加熱，若熱機運轉(zhuǎn)過程中因各種原因停止轉(zhuǎn) 動，必須用于撥動飛輪幫助其重新運轉(zhuǎn)或立即關(guān)閉電源，否則會損壞儀器。熱機汽缸等部位為玻璃制造，容易損壞，請謹慎操作。記錄測量數(shù)據(jù)前須保證已基本達到熱平衡，避免出現(xiàn)較大誤差。等待熱機穩(wěn)定讀數(shù)的時 間一般在10分鐘左右。在讀力矩的時候，力矩計可能會搖擺。這時可以用于輕托力矩計底部，緩慢放手后可以 穩(wěn)定力矩計。如還有輕微搖擺，讀取中間值。飛輪

10、在運轉(zhuǎn)時，應謹慎操作，避免被飛輪邊沿割傷。熱機實驗儀上貼的標簽不可撕毀，否則保修無效！【實驗數(shù)據(jù)及處理】表1測量不同冷熱端溫度時的熱功轉(zhuǎn)換加熱電壓/V熱端溫度T1/K溫度差AT /KAT/ T1A （P-V 圖 面積）熱機轉(zhuǎn)速 n/snA/AT23.8420.3113.40.2698070.0241925.80.00123725.5427.4120.10.2810010.0247686.40.00132027.6440.3131.50.298660.0247687.40.00139428.5450.5139.80.3103220.0241928.80.00152329.5463.9150.40

11、.3242080.02476810.20.001680附圖1不同冷熱溫差時的熱功轉(zhuǎn)換關(guān)系圖結(jié)論：由附圖1我們可以看出途中折線斜率相差不大，通過分析，我們可知在外加負載不變的 情況下，隨加熱功率增大，nA/AT與AT/ T1基本具有線性關(guān)系，驗證了卡諾定理。表2 測量熱機輸出功率隨負載及轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系輸入功率 Pi=VI=35.6*5.5=195.8W熱端溫度T1/K溫度差T/K輸出力矩 M/(N*m)熱機轉(zhuǎn)速 n/s輸出功率Po=2nnM/W輸出效率n o/i 二Po/Pi532.7211.20.002114.30.1886840.0964%546223.30.005211.60.379002

12、0.1936%553229.20.00779.30.4499390.2298%556.3232.70.00958.30.4954290.2530%562.6240.60.01067.40.4928530.2517%564.3242.70.01156.30.4552170.002325附圖2輸出功率隨附在機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線輸出功率隨附在機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線6 5 4 3 2 0 o o o o o O6 5 4 3 2 0 o o o o o O年功出輸14.311.69.38.37.46.3轉(zhuǎn)速n(n/s)結(jié)論：由圖2可分析，在同一加熱功率下，隨摩擦力矩加大，轉(zhuǎn)速降低，熱端溫度升高，溫度 差

13、增加。輸出效率先是隨摩擦力矩的加大而增加，有一個最大輸出點。過了該點過后，由于轉(zhuǎn) 速下降較多，導致輸出效率下降?！舅伎碱}】1.為什么P-V圖的面積即等于熱機在一次循環(huán)過程中將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的數(shù)值。答：P-V圖其實是表示做功的圖。對pdV的微元面積進行積分即可得做功的數(shù)值。而通過計算 機（或雙蹤示波器）顯示出來的即為空氣熱機在一次循環(huán)中的p-v圖。因此我們可以知道：P-V 圖的面積即等于熱機在一次循環(huán)過程中將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的數(shù)值。附：Air Heater Experimental StudyStudent:Student ID:College: chemical engineeringAbstract: Understand the principle and cycle engine, and measure the temperature of hot end different thermal power conversion value, as nA&T an