空氣熱機(jī)實(shí)驗(yàn)

1、空氣熱機(jī)實(shí)驗(yàn)研究化學(xué)工程學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程/班摘要：掌握空氣熱機(jī)原理及循環(huán)過(guò)程，測(cè)量不同冷熱端溫度時(shí)的熱功轉(zhuǎn)換值，作nA/AT與 AT/ T1的關(guān)系圖，驗(yàn)證卡諾定理。測(cè)量并指出熱機(jī)輸出功率隨負(fù)載及轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。關(guān)鍵詞：空氣熱機(jī)、卡諾循環(huán)、卡諾定理、輸出功率【前言】熱機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。歷史上對(duì)熱機(jī)循環(huán)過(guò)程及熱機(jī)效率的研究，曾為熱 力學(xué)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(jī)，以空氣作為工作介質(zhì)， 是最古老的熱機(jī)之一。雖然現(xiàn)在已發(fā)展了內(nèi)燃機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)等新型熱機(jī)，但空氣熱機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 便于幫助理解熱機(jī)原理與卡諾循環(huán)等熱力學(xué)中的重要內(nèi)容，是很好的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器

2、?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹坷斫鉄釞C(jī)原理及循環(huán)過(guò)程測(cè)量不同冷熱端溫度時(shí)的熱功轉(zhuǎn)換值，驗(yàn)證卡諾定理測(cè)量熱機(jī)輸出功率隨負(fù)載及轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，計(jì)算熱機(jī)實(shí)際效率【實(shí)驗(yàn)原理】空氣熱機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理可用圖1說(shuō)明。熱機(jī)主機(jī)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(jī)中部為飛輪與連桿機(jī)構(gòu)，工作活塞與位移活塞通過(guò)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(dòng)下對(duì)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(guò)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(guò)位移活塞與位移汽缸 間的間隙流動(dòng)。工作活塞與位移活塞的運(yùn)動(dòng)是不同步的，當(dāng)某一活塞處于位置極值時(shí)，它本身的速度最小，而另一個(gè)活塞的速度最大。圖1空氣熱機(jī)工作原理當(dāng)工作活塞處于最底端時(shí)，位移活塞迅速左移，使汽缸內(nèi)氣體向高溫區(qū)流動(dòng)，如圖1 a所 示；進(jìn)入高溫區(qū)的氣體溫度升高，使汽缸內(nèi)壓強(qiáng)增大并推動(dòng)工作活塞向上運(yùn)動(dòng)，如圖1 b所示， 在此過(guò)程中熱能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能；工作活塞在最頂端時(shí)，位移活塞迅速右移，使汽缸 內(nèi)氣體向低溫區(qū)流動(dòng)，如圖1c所示；進(jìn)入低溫區(qū)的氣體溫度降低，使汽缸內(nèi)壓強(qiáng)減小，同時(shí) 工作活塞在飛輪慣性力的作用下

4、向下運(yùn)動(dòng)，完成循環(huán)，如圖1d所示。在一次循環(huán)過(guò)程中氣體 對(duì)外所作凈功等于P-V圖所圍的面積。根據(jù)卡諾對(duì)熱機(jī)效率的研究而得出的卡諾定理，對(duì)于循環(huán)過(guò)程可逆的理想熱機(jī)，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(jī)做的功，Q1為熱機(jī)每一循環(huán)從熱源吸收的熱量，Q2為熱機(jī)每 一循環(huán)向冷源放出的熱量，T1為熱源的絕對(duì)溫度，T2為冷源的絕對(duì)溫度。實(shí)際的熱機(jī)都不可能是理想熱機(jī)，由熱力學(xué)第2定律可以證明，循環(huán)過(guò)程不可逆的實(shí)際熱 機(jī)，其效率不可能高于理想熱機(jī)，此時(shí)熱機(jī)效率：n MAT/ T1卡諾定理指出了提高熱機(jī)效率的途徑，就過(guò)程而言，應(yīng)當(dāng)使實(shí)際

5、的不可逆機(jī)盡量接近可逆 機(jī)。就溫度而言，應(yīng)盡量的提高冷熱源的溫度差。熱機(jī)每一循環(huán)從熱源吸收的熱量Q1正比于AT/n，n為熱機(jī)轉(zhuǎn)速，n正比于nA/AT。n，A， T1及AT均可測(cè)量，測(cè)量不同冷熱端溫度時(shí)的nA/AT，觀察它與AT/T1的關(guān)系，可驗(yàn)證卡諾 定理。當(dāng)熱機(jī)帶負(fù)載時(shí)，熱機(jī)向負(fù)載輸出的功率可由力矩計(jì)測(cè)量計(jì)算而得，且熱機(jī)實(shí)際輸出功率 的大小隨負(fù)載的變化而變化。在這種情況下，可測(cè)量計(jì)算出不同負(fù)載大小時(shí)的熱機(jī)實(shí)際效率。【實(shí)驗(yàn)儀器】?jī)x器主要包括空氣熱機(jī)實(shí)驗(yàn)儀，空氣熱機(jī)測(cè)試儀，電加熱器及電源1作者：男，化學(xué)工程學(xué)院09級(jí)過(guò)程裝備與控制工程1班學(xué)生，主要從事化工機(jī)械設(shè)備控制、設(shè)計(jì)等方面 的研究。1空氣

6、熱機(jī)實(shí)驗(yàn)儀（1）.電加熱型熱機(jī)實(shí)驗(yàn)儀熱機(jī)實(shí)驗(yàn)儀采集光電門信號(hào)，壓力信號(hào)和溫度信號(hào)，經(jīng)微處理器處理后，在儀器顯示窗口 顯示熱機(jī)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(hào)，供連接示波器 顯示P-V圖。力矩計(jì)懸掛在飛輪軸上，調(diào)節(jié)螺釘可調(diào)節(jié)力矩計(jì)與輪軸之間的摩擦力，由力矩計(jì)可讀出摩 擦力矩M，并進(jìn)而算出摩擦力和熱機(jī)克服摩擦力所做的功。經(jīng)簡(jiǎn)單推導(dǎo)可得熱機(jī)輸出功率 P=2nnM，式中n為熱機(jī)每秒的轉(zhuǎn)速，即輸出功率為單位時(shí)間內(nèi)的角位移與力矩的乘積。（2）.空氣熱機(jī)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(shí)驗(yàn)的實(shí)際需 要調(diào)節(jié)加熱電壓。當(dāng)熱機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)1

7、5 n/s后，主機(jī)會(huì)輸出信號(hào)將電加熱器電源輸出電壓斷開，停止加熱。2空氣熱機(jī)測(cè)試儀處理熱機(jī)實(shí)驗(yàn)儀采集的壓力、溫度、轉(zhuǎn)速信號(hào)，并顯示轉(zhuǎn)速，高、低溫的溫度，及高、低 溫之差；同時(shí)可以輸出壓力、體積信號(hào)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(shí)驗(yàn)儀上的標(biāo)識(shí)使用配套的連接線將各部分儀器裝置連 接起來(lái)。用實(shí)驗(yàn)給的連接線，按照儀器上的標(biāo)示連接?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】用于順時(shí)針撥動(dòng)飛輪，結(jié)合圖1仔細(xì)觀察熱機(jī)循環(huán)過(guò)程中工作活塞與位移活塞的運(yùn)動(dòng)情 況，切實(shí)理解空氣熱機(jī)的工作原理。根據(jù)測(cè)試儀面板上的標(biāo)識(shí)和儀器介紹中的說(shuō)明，將各部分儀器連接起來(lái)，開始實(shí)驗(yàn)。取下 力矩計(jì)，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(shí)針撥動(dòng)飛輪，熱機(jī)即可運(yùn)轉(zhuǎn)（若運(yùn)轉(zhuǎn)不起來(lái)，可看看熱機(jī)測(cè)試儀顯示的溫度，冷熱端 溫度差在100度以上時(shí)易于起動(dòng)）。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(hào)，以及壓力和 容積信號(hào)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(dāng)前加熱電壓，并從熱機(jī)測(cè)試儀（或計(jì)算機(jī)）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(jì)算機(jī)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(fù)以上測(cè)量4次以上，將數(shù) 據(jù)記入表1。以AT/ T1為橫坐標(biāo)，

9、nA/AT為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上作nA/AT與AT/ T1的關(guān)系圖，驗(yàn)證卡諾定理?！咀⒁馐马?xiàng)】加熱端在工作時(shí)溫度很高，而且在停止加熱后1小時(shí)內(nèi)仍然會(huì)有很高溫度，請(qǐng)小心操作， 否則會(huì)被燙傷。熱機(jī)在沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，嚴(yán)禁長(zhǎng)時(shí)間大功率加熱，若熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因各種原因停止轉(zhuǎn) 動(dòng)，必須用于撥動(dòng)飛輪幫助其重新運(yùn)轉(zhuǎn)或立即關(guān)閉電源，否則會(huì)損壞儀器。熱機(jī)汽缸等部位為玻璃制造，容易損壞，請(qǐng)謹(jǐn)慎操作。記錄測(cè)量數(shù)據(jù)前須保證已基本達(dá)到熱平衡，避免出現(xiàn)較大誤差。等待熱機(jī)穩(wěn)定讀數(shù)的時(shí) 間一般在10分鐘左右。在讀力矩的時(shí)候，力矩計(jì)可能會(huì)搖擺。這時(shí)可以用于輕托力矩計(jì)底部，緩慢放手后可以 穩(wěn)定力矩計(jì)。如還有輕微搖擺，讀取中間值。飛輪

10、在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎操作，避免被飛輪邊沿割傷。熱機(jī)實(shí)驗(yàn)儀上貼的標(biāo)簽不可撕毀，否則保修無(wú)效！【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理】表1測(cè)量不同冷熱端溫度時(shí)的熱功轉(zhuǎn)換加熱電壓/V熱端溫度T1/K溫度差A(yù)T /KAT/ T1A （P-V 圖 面積）熱機(jī)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(shí)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(guò)分析，我們可知在外加負(fù)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(yàn)證了卡諾定理。表2 測(cè)量熱機(jī)輸出功率隨負(fù)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線輸出功率隨附在機(jī)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(gè)最大輸出點(diǎn)。過(guò)了該點(diǎn)過(guò)后，由于轉(zhuǎn) 速下降較多，導(dǎo)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(jī)在一次循環(huán)過(guò)程中將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的數(shù)值。答：P-V圖其實(shí)是表示做功的圖。對(duì)pdV的微元面積進(jìn)行積分即可得做功的數(shù)值。而通過(guò)計(jì)算 機(jī)（或雙蹤示波器）顯示出來(lái)的即為空氣熱機(jī)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(jī)在一次循環(huán)過(guò)程中將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)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