空氣熱機實驗報告范文
篇一：空氣熱機實驗論文報告
摘要：熱機是將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，空氣熱機結(jié)構(gòu)簡單、便于操作�？諝鉄釞C實驗通過對空氣熱機探測儀、計算機等操作來理解空氣熱機原理及循環(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，驗證卡諾定理。逐步改變力矩大小來改變熱機輸出功率及轉(zhuǎn)速，計算、比較熱機實際轉(zhuǎn)化效率。試驗表明: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，驗證卡諾定理。熱端溫度一定時輸出功率隨負載增大而變大，轉(zhuǎn)速而減小。
關(guān)鍵詞：卡諾定理;空氣熱機;卡諾循環(huán)
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，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(xué)知識。 空氣熱機的結(jié)構(gòu)如圖一所示，熱機主機主要有高溫區(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，提高高溫與低溫間的溫度差可以提高熱機效率。位移活塞與工作活塞通過連桿與飛輪連接，他們的運動是不同步的，其中一個處于極值時，速度最小，另一個活塞速度最大。
圖一 空氣熱機工作原理示意圖
當(dāng)工作活塞向下移時，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；工作活塞向頂端移動時，位移活塞迅速右移，使位移汽缸內(nèi)氣體向低溫區(qū)流動，如圖1 c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向下運動，完成循環(huán)，如圖1 d 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，對于可逆循環(huán)的理想熱機，熱功轉(zhuǎn)換效率為：
A/Q1Q1Q2/Q1(T1T2)/T1T/T1
式中A為每一個循環(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為熱機每一個循環(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。
由于熱量損失，實際的熱機都不可能是理想熱機，循環(huán)過程也不是可逆的，所以熱機轉(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。
熱機循環(huán)過程從熱源吸收的熱量正比于nA/T，n為熱機轉(zhuǎn)速，所以：正比于nA/T。測量不同熱
端溫度時的nA/T，觀察與T/T1的關(guān)系，可驗證卡諾定理。同一功率下，調(diào)節(jié)力矩計與轉(zhuǎn)軸的摩擦改變熱機實際輸出功率P0，計算出不同負載大小時的熱機效率。同時轉(zhuǎn)速n也會改變，觀察P0n
關(guān)系圖，表示同一輸出功率下，輸出耦合不同時輸出功率隨耦合的關(guān)系。
一、 實驗儀器與方法：
電熱ZKY-RJ型空氣熱機實驗儀如圖二示
圖二 電加熱型熱機實驗裝置圖
飛輪下部裝有雙電門，上面的一個用于定位工作活塞的最低位置，下面一個用于測量飛輪轉(zhuǎn)動角度。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個擋片，由光電門信號確定飛輪位置，進而計算氣缸體積。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。底座的三個插座分別與實驗測試儀相連，在儀器顯示窗口顯示熱機轉(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)實驗的實際需要調(diào)節(jié)加熱電壓。
力矩計懸掛在飛輪軸上，調(diào)節(jié)螺釘可調(diào)節(jié)力矩計與轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力，由力矩計可讀出摩擦力矩M，可得出熱機輸出功率P2nM，即單位時間內(nèi)的角位移與力矩的乘積。
二、 試驗內(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。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，用手順時針撥動飛輪，熱機即可運轉(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，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，驗證卡諾定理。
第二部分：測量不同輸出功率下，轉(zhuǎn)速和實際效率的變化。
在最大加熱功率下，觸動飛輪停止轉(zhuǎn)動，在飛輪上裝上力矩計，撥動飛輪，讓熱機繼續(xù)運動。調(diào)節(jié)力矩計的摩擦力（不要停機），待輸出力矩、轉(zhuǎn)速、溫度穩(wěn)定后，在表二中讀取記錄各項參數(shù)。保持輸出功率不變，逐步增大輸出力矩，重復(fù)以上實驗步驟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，輸出耦合不同時輸出功率或效率隨耦合的變化關(guān)系。
三、 實驗結(jié)果：
表一 測量不同冷熱端溫度時的熱功率轉(zhuǎn)換值
表二 測量熱機輸出功率、效率隨負載及轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系
圖一 電腦觀察到的熱機實驗P_V實驗圖圖二 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。對于輸出力矩繼續(xù)加大時，輸出功率如何變化，是繼續(xù)變大還是轉(zhuǎn)折本實驗未能涉及，也是實驗要改進的地方。
五、 參考文獻:
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