空气热机输出功率的研究123456

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，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1a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1b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，使汽缸内气体向低温区流动，如图1c所示；进入低温区的气体温度降低，使汽缸内压强减小，同时工作活中国海洋大学塞在飞轮惯性力的作用下向下运动，完成循环，如图1d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Figure1Theworkprincipleofairengine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：η=A/Q1=（Q1-Q2）/Q1=（T1-T2）/T1=ΔT/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：η≦ΔT/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ΔT/n，n为热机转速，η正比于nA/ΔTn，A，T1及ΔT均可测量，测量不同冷热端温度时的nA/ΔT，观察它与ΔT/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。具体操作如下[3]：1.在最大加热功率下，用手轻触飞轮让热机停止运转，然后将力矩计装在飞轮轴上，拨动飞轮，让热机继续运转；2.调节力矩计的摩擦力（不要停机），待输出力矩，转速，温度稳定后，读取并纪录各项参数；3.保持输入功率不变，逐步增大输出力矩，重复以上测量5次，并记录相关数据；结果与分析讨论结果实验一的实验数据如表1；以ΔT/T1为横坐中国海洋大学标，nA/ΔT为纵坐标，作出nA/ΔT与ΔT/T1的关系曲线如图2。实验二的结果如图3和表二；表1不同冷热端温度时的热功转值图2热功转换曲线Table1ThecoldendtemperatureofdifferentheattransfervalueTable2Heatconversioncurve表2热机输出功率随负载及转速的变化Figure2Engineoutputpowerwiththechangeofloadandspeed图3热机输出功率随负载及转速的变化曲线Figure3Engineoutputpowercurvesofloadandspeed结果分析讨论1.实验一测量不同冷热端温度时的热功转换值。图2直观的表现出了nA/ΔT与ΔT/T1之间的关系。理论上，在无外加负载的条件下，随加热功率增大，nA/ΔT与ΔT/T1具有线性关系，从而可以验证卡诺定理。但从实验结果来看，这种线性关系虽然在实验中表现的不是明显，但也基本符合线性关系。说明实验有待进一步改进，加热电压V热端温度T1温度差ΔTΔT/T1A(P-V图面积)热机转速nnA/ΔT24.1455.4142313.40.0380580.00214366225.9474.2157.1317.10.037599.10.00217739728495.7174.8320.90.0372510.30.00219493728.9511.5187.6323.90.0371711.10.00219929130524.4198.1326.30.0379611.60.002222797热端温度T1/K温度差ΔT/K输出力矩M/(N*m)热机转速n/s输出功率Po=2πnM/W输出效率ηo/i=Po/Pi542.8215.90.003511.80.25950.13%565.5236.30.004412.10.33450.17%565.2235.10.006710.90.45890.23%569.0238.40.008710.00.54660.28%577.7246.70.01059.40.62020.31%中国海洋大学实验仪器的精确度不是很高。2.实验二测量热机输出功率随负载及转速的变化关系。图3表现出了输出功率Po与转速n之间的关系。从图3可以看出，随着转速的逐步递减，输出功率逐步增加，且增幅随转速的递减而逐步下降。第二组数据转速突增，可能因误差而引起，在实际中可以舍弃。在同一热功率条件下，随摩擦力矩加大，转速降低，热端温度升高，温度差增加。输出功率先是随摩擦力矩的加大而增加，出现一个最佳配点（有可能在第一个数据点附近），过了该点之后，由于转速下降较多，导致输出功率下降。3.分析实验结果，可以发现，实验数据存在较大的误差。总结产生误差的原因有以下几点：观测误差：计算机及仪器上的数据有较大的跳跃性，十分容易读错。系统本身误差：该空气热机系统的本身精度就不是很高，表格2中的第二组数据就有可能是因为热机本身误差而产生巨大的跳跃。算数误差：在处理实验数据过程中，难免要出现有效数字的保留和舍弃，因为所需计算的数据较小而引起更大的误差。参考文献[1]秦允豪.热学，第二版.北京，高等教育出版社，2004[2]马文蔚等，物理学，第五版，北京，高等教育出版社，2006[3]中国海洋大学物理实验教学中心.大学物理综合设计实验（补充讲义）.青岛：中国海洋大学出版社，2013StudyonairengineoutputpowerPengXiucheng,WangShiwei(OceanUniversityofChina,CollegeofMarineGeosciences,ScienceInformationAndTechnologyoftheEarth,QingDao266000)Abstract：Thisexperimentgotthedatabyairengineandcomputerunderthedifferenttemperature.Analysisngthecombinationoutputpowerandthespeedofaiaengine,Drawingthecurveofheatconversionandairengineoutputpower,Calculatingtheactualefficiencyofaiaengine.Andanalysisingthereasonforerrorsinexperiment.Keywords:AirengineHeatconversionvalueoutputpower