空气热机输出功率的研究123456.doc
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1、中国海洋大学空气热机输出功率的研究彭修诚,汪世伟(中国海洋大学海洋地球科学学院地球信息科学与技术,青岛 266000)摘要 测量了空气热机不同冷热端温度时的热功转换值,分析了热机输出功率随负载及转速的变化关系,绘制了热功转换及热机输出功率的曲线图,计算了热机实际效率。分析了实验产生误差的原因。主题词 空气热机,热功转换值,输出功率引言热机是把热转化为功的机械。18世纪第一台蒸汽机问世以后,经过许多人的改进,特别是纽科门和瓦特的工作,使蒸汽机成为普遍适用于工业的万能原动机。斯特林于1816年发明的空气热机,以空气为工作介质,是最古老的热机之一。虽然现在内燃机、燃气轮机等新型热机早已渗透到工业生产
2、的方方面面,但是空气热机结构简单,便于帮助理解热机工作原理与卡诺循环等热力学中的重要内容,仍然是很好的教学仪器1。一个热机至少应包含如下三个组成部分:(1)循环工作物质;(2)两个以上温度不相同的热源,使工作物质从高温热源吸热,向低温热源放热;(3)对外做功的机械装置2。空气热机结构与原理空气热机的结构及工作原理可用图1说明。热机主机由高温区,低温区,工作活塞及汽缸,位移活塞及汽缸,飞轮,连杆,热源等部分组成。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汽缸,飞轮的右方为位移活塞与位移汽缸,工作汽缸与位移汽缸之间用通气管连接。位移汽缸的右边是高温区
3、,可用电热方式或酒精灯加热,位移汽缸左边有散热片,构成低温区。 工作活塞使汽缸内气体封闭,并在气体的推动下对外做功。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汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的,当某一活塞处于位置极值时,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,使汽缸内气体向高温区流动,如图1 a所示;进入高温区的气体温度升高,使汽缸内压强增大并推动工作活塞向上运动,如图1 b 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,使汽缸内气
4、体向低温区流动,如图1 c 所示;进入低温区的气体温度降低,使汽缸内压强减小,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1 d 所示。在一次循环过程中气体对外所作净功等于P-V图所围的面积。图1 空气热机工作原理Figure 1 The work principle of air engine 根据卡诺对热机效率的研究而得出的卡诺定理, 对于循环过程可逆的理想热机,热功转换效率: = A/Q1 =(Q1-Q2)/Q1=(T1-T2)/T1 = T/ T1式中A为每一循环中热机做的功,Q1为热机每一循环从热源吸收的热量,Q2为热机每一循环向冷源放出的热量,T1为热源的绝对温度,T2
5、为冷源的绝对温度。 实际的热机都不可能是理想热机。由热力学第二定律可以证明,循环过程不可逆的实际热机,其效率不可能高于理想热机,此时热机效率: T/ T1诺定理指出了提高热机效率的途径,就过程而言,应当使实际的不可逆机尽量接近可逆机。就温度而言,应尽量的提高冷热源的温度差。 热机每一循环从热源吸收的热量Q1正比于T/n,n为热机转速,正比于nA/Tn,A,T1及T均可测量,测量不同冷热端温度时的nA/T,观察它与T/ 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的热机
6、实际效率3。研究方法本实验使用空气热机试验仪、空气热机测试仪、电加热器及电源、计算机等仪器。实验主要包括如下两个部分:实验一:测量不同冷热端温度时的热功转换值(验证卡诺定理)。具体操作如下: 1.将加热电压加到第11档,待加热电阻丝已发红且冷热端温差在100度以上后,用手顺时针拨动飞轮,使热机运转起来; 2.减小加热电压至第1档。等待10分钟,温度和转速平衡后,由计算机数据记录当前加热电压、热端温度、温度差、转速以及P-V图面积; 3.逐步加大加热电压,等待10分钟,温度和转速平衡后,重复以上测量4次,并记录相关数据;实验二:测量热机输出功率随负载及转速的变化关系,计算热机实际效率。具体操作如
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