空氣熱機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告范文
篇一：空氣熱機(jī)實(shí)驗(yàn)論文報(bào)告
摘要：熱機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，空氣熱機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、便于操作�？諝鉄釞C(jī)實(shí)驗(yàn)通過對(duì)空氣熱機(jī)探測儀、計(jì)算機(jī)等操作來理解空氣熱機(jī)原理及循環(huán)過程。通過電加熱器改變熱端溫度測量熱功轉(zhuǎn)換值，作出nA/ΔT與ΔT/ T1的關(guān)系圖，驗(yàn)證卡諾定理。逐步改變力矩大小來改變熱機(jī)輸出功率及轉(zhuǎn)速，計(jì)算、比較熱機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)化效率。試驗(yàn)表明:在一定誤差范圍內(nèi),隨熱端溫度升高nA/ΔT與ΔT/ T1的關(guān)系呈現(xiàn)性變化，驗(yàn)證卡諾定理。熱端溫度一定時(shí)輸出功率隨負(fù)載增大而變大，轉(zhuǎn)速而減小。
關(guān)鍵詞：卡諾定理;空氣熱機(jī);卡諾循環(huán)
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)過程及熱機(jī)效率的研究為熱力學(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)簡單，便于幫助理解熱機(jī)原理與卡諾循環(huán)等熱力學(xué)知識(shí)。 空氣熱機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖一所示，熱機(jī)主機(jī)主要有高溫區(qū)、低溫區(qū)、工作活塞和位移活塞、氣缸、飛輪、連桿，熱源等組成。
由電熱方式加熱位移活塞，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氣缸間的間隙流動(dòng)，提高高溫與低溫間的溫度差可以提高熱機(jī)效率。位移活塞與工作活塞通過連桿與飛輪連接，他們的運(yùn)動(dòng)是不同步的，其中一個(gè)處于極值時(shí)，速度最小，另一個(gè)活塞速度最大。
圖一 空氣熱機(jī)工作原理示意圖
當(dāng)工作活塞向下移時(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，在此過程中熱能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能；工作活塞向頂端移動(dòng)時(shí)，位移活塞迅速右移，使位移汽缸內(nèi)氣體向低溫區(qū)流動(dòng)，如圖1 c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向下運(yùn)動(dòng)，完成循環(huán)，如圖1 d 所示。在一次循環(huán)過程中氣體對(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)于可逆循環(huán)的理想熱機(jī)，熱功轉(zhuǎn)換效率為：
A/Q1Q1Q2/Q1(T1T2)/T1T/T1
式中A為每一個(gè)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)每一個(gè)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。
由于熱量損失，實(shí)際的熱機(jī)都不可能是理想熱機(jī)，循環(huán)過程也不是可逆的，所以熱機(jī)轉(zhuǎn)化效率：
T/T1，只要使循環(huán)過程接近可逆循環(huán)，就是盡量提高冷源與熱源的溫度差。
熱機(jī)循環(huán)過程從熱源吸收的熱量正比于nA/T，n為熱機(jī)轉(zhuǎn)速，所以：正比于nA/T。測量不同熱
端溫度時(shí)的nA/T，觀察與T/T1的關(guān)系，可驗(yàn)證卡諾定理。同一功率下，調(diào)節(jié)力矩計(jì)與轉(zhuǎn)軸的摩擦改變熱機(jī)實(shí)際輸出功率P0，計(jì)算出不同負(fù)載大小時(shí)的熱機(jī)效率。同時(shí)轉(zhuǎn)速n也會(huì)改變，觀察P0n
關(guān)系圖，表示同一輸出功率下，輸出耦合不同時(shí)輸出功率隨耦合的關(guān)系。
一、 實(shí)驗(yàn)儀器與方法：
電熱ZKY-RJ型空氣熱機(jī)實(shí)驗(yàn)儀如圖二示
圖二 電加熱型熱機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置圖
飛輪下部裝有雙電門，上面的一個(gè)用于定位工作活塞的最低位置，下面一個(gè)用于測量飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度。氣缸的體積隨工作活塞的位移而改變，活塞的位移改變通過飛輪測得，在飛輪邊緣均勻排列45個(gè)擋片，由光電門信號(hào)確定飛輪位置，進(jìn)而計(jì)算氣缸體積。壓力傳感器與工作汽缸底相通，測量汽缸的壓力得到體積變化。底座的三個(gè)插座分別與實(shí)驗(yàn)測試儀相連，在儀器顯示窗口顯示熱機(jī)轉(zhuǎn)速、高低溫區(qū)的溫度、P-V圖。加熱器輸出電壓24V-36V可調(diào)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需要調(diào)節(jié)加熱電壓。
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)與轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力，由力矩計(jì)可讀出摩擦力矩M，可得出熱機(jī)輸出功率P2nM，即單位時(shí)間內(nèi)的角位移與力矩的乘積。
二、 試驗(yàn)內(nèi)容、步驟:
第一部分:測量不同熱端溫度的熱功轉(zhuǎn)換值，驗(yàn)證卡諾定理。
連接測試儀面板和電腦的，各儀器之間的端口，開始試驗(yàn)。將加熱電壓加之最大檔（11檔），等待6~10分鐘（大約在溫差在100K以上），加熱電阻絲已發(fā)紅后，用手順時(shí)針撥動(dòng)飛輪，熱機(jī)即可運(yùn)轉(zhuǎn)。減小加熱電壓至第一檔，打開電腦輔助軟件，觀察壓力和容積信號(hào)，并把P-V圖調(diào)節(jié)到最適合觀察的位置。等待大約10
分鐘，溫度和轉(zhuǎn)速平衡后，記錄加熱電壓，讀取溫度和轉(zhuǎn)速，記于表一中。逐步加大加熱功率，重復(fù)上
述測量過程4次以上，在表一中記錄數(shù)據(jù)。以ΔT/ T為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上作nA/ΔT與ΔT/ T1的關(guān)系圖，驗(yàn)證卡諾定理。
第二部分：測量不同輸出功率下，轉(zhuǎn)速和實(shí)際效率的變化。
在最大加熱功率下，觸動(dòng)飛輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，在飛輪上裝上力矩計(jì)，撥動(dòng)飛輪，讓熱機(jī)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)力矩計(jì)的摩擦力（不要停機(jī)），待輸出力矩、轉(zhuǎn)速、溫度穩(wěn)定后，在表二中讀取記錄各項(xiàng)參數(shù)。保持輸出功率不變，逐步增大輸出力矩，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟5次以上。以n為橫坐標(biāo)，P0為縱坐標(biāo)，作出n與P0的關(guān)系圖。表示同一輸出功率下，輸出耦合不同時(shí)輸出功率或效率隨耦合的變化關(guān)系。
三、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
表一 測量不同冷熱端溫度時(shí)的熱功率轉(zhuǎn)換值
表二 測量熱機(jī)輸出功率、效率隨負(fù)載及轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系
圖一 電腦觀察到的熱機(jī)實(shí)驗(yàn)P_V實(shí)驗(yàn)圖圖二 電腦觀測到的容積和壓力變化曲線
四、 分析與結(jié)論：
由表格數(shù)據(jù)可作圖結(jié)果分析，在外加負(fù)載不變的情況下，隨著熱功率增大，nA/ΔT與ΔT/ T1基本具有線性關(guān)系，驗(yàn)證了卡諾定理。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，溫度差加大，輸出效率加大。對(duì)于輸出力矩繼續(xù)加大時(shí)，輸出功率如何變化，是繼續(xù)變大還是轉(zhuǎn)折本實(shí)驗(yàn)未能涉及，也是實(shí)驗(yàn)要改進(jìn)的地方。
五、 參考文獻(xiàn):
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