空气热机实验报告.doc

空气热机
高树超
热机是将热能转换为机械能的机器,斯特林1816年发明的空气热机,以空气作为工作介质,是最古老的热机之一。虽然现在已发展了内燃机,燃气轮机等新型热机,但空气热机结构简单,便于帮助理解热机原理与卡诺循环等热力学中的重要内容,是很好的实验教学仪器。

空气热机的结构及工作原理可用图1说明。热机主机由汽缸、高温区、低温区、工作活塞、位移活塞、飞轮、连杆等部分组成。
图2 作为热泵和制冷机操作热空气发动机的操作原理:
上图为热泵、下图为冷泵
汽缸的上部有螺旋状的加热电阻,构成高温区,汽缸下部为水冷的低温区。汽缸下面的活塞是工作活塞,它使汽缸内气体封闭,并在气体的推动下对外做功。工作活塞上面是位移活塞,它是半封闭活塞,气体可通过其中间圆柱内充塞的细铜丝流动,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,并在通过铜丝时预冷(热)。
工作活塞与位移活塞通过连杆与飞轮连接,相位相差90度,当某一活塞处于位置极值时,它本身的位置变化率最小,而另一个活塞的位置变化率最大。在作热机工作时,位移活塞超前工作活塞90度。当工作活塞处于最顶端时,位移活塞迅速下移,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下运动,如图1 b 所示, 在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能;工作活塞在最底端时,位移活塞迅速上移,使汽缸内气体向低温区流动,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上运动,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。
根据卡诺对热机效率的研究而得出的卡诺定理, 热机效率:
ηµ 1-T2/T1
式中T2为冷源的绝对温度,T1为热源的绝对温度,热机冷热源的温度比值越小,热机效率越高。本装置冷源为循环水,温度基本恒定,而热源温度随加热功率的提高而升高,故输入功率越大,热机效率应越高。

通过外力驱动飞轮,空气热机可以作为热泵或制冷机工作,在空气热机有两个活塞通过活塞杆连接到曲柄上,位移活塞与工作活塞有位相差90
o,如果飞轮逆时针旋转,当工作活塞位于最顶端中心位移活塞向上运动,并将空气转移到被水冷却的汽缸低端(图2上)。空气随后在低端的通过工作活塞下移而膨胀并从“冷却水”中吸收热量。当工作活塞位于最低端中心,位移活塞向下运动并转移空气到汽缸的上端部分,此时空气被工作活塞压缩并放出热量给汽缸的顶部,这样空气热机就作为热泵工作。
如果飞轮顺时针旋转,当工作活塞处于最上端中央时,位移活塞将空气转移到上端(图2下),因此在后续工作活塞下移而导致空气的膨胀过程中将汽缸的顶部取出热量。此时空气被位移活塞向下转移,在汽缸的低端被工作活塞压缩而给出热量给冷却水。这就是空气热机作为制冷机工作的原理。与图1是一样的,热机循环一周所消耗的能量等于制冷机循环一周从热端取出的热量。
在本实验中,空气热机作为热泵或制冷机工作是定性研究,机械能的供给和热能的关系的描述是通过电动马达的速度变化和汽缸顶部温度计的温度变化来进行的。
仪器介绍:

实验装置如图3所示。作定性实验时,只用热机及变压器即可。
变压器为热机的加热电阻提供能量,其输出