1、空氣熱機實驗研究化學工程學院過程裝備與控制工程/班摘要：掌握空氣熱機原理及循環過程，測量不同冷熱端溫度時的熱功轉換值，作nA/AT與 AT/ T1的關系圖，驗證卡諾定理。測量并指出熱機輸出功率隨負載及轉速的變化關系。關鍵詞：空氣熱機、卡諾循環、卡諾定理、輸出功率【前言】熱機是將熱能轉換為機械能的機器。歷史上對熱機循環過程及熱機效率的研究，曾為熱 力學第二定律的確立起了奠基性的作用。斯特林1816年發明的空氣熱機，以空氣作為工作介質， 是最古老的熱機之一。雖然現在已發展了內燃機，燃氣輪機等新型熱機，但空氣熱機結構簡單， 便于幫助理解熱機原理與卡諾循環等熱力學中的重要內容，是很好的熱學實驗教學儀器

2、。【實驗目的】理解熱機原理及循環過程測量不同冷熱端溫度時的熱功轉換值，驗證卡諾定理測量熱機輸出功率隨負載及轉速的變化關系，計算熱機實際效率【實驗原理】空氣熱機的結構及工作原理可用圖1說明。熱機主機由高溫區，低溫區，工作活塞及汽缸， 位移活塞及汽缸，飛輪，連桿，熱源等部分組成。熱機中部為飛輪與連桿機構，工作活塞與位移活塞通過連桿與飛輪連接。飛輪的下方為工 作活塞與工作汽缸，飛輪的右方為位移活塞與位移汽缸，工作汽缸與位移汽缸之間用通氣管連 接。位移汽缸的右邊是高溫區，可用電熱方式或酒精燈加熱，位移汽缸左邊有散熱片，構成低 溫區。工作活塞使汽缸內氣體封閉，并在氣體的推動下對外做功。位移活塞是非封閉的

3、占位活塞， 其作用是在循環過程中使氣體在高溫區與低溫區間不斷交換，氣體可通過位移活塞與位移汽缸 間的間隙流動。工作活塞與位移活塞的運動是不同步的，當某一活塞處于位置極值時，它本身的速度最小，而另一個活塞的速度最大。圖1空氣熱機工作原理當工作活塞處于最底端時，位移活塞迅速左移，使汽缸內氣體向高溫區流動，如圖1 a所 示；進入高溫區的氣體溫度升高，使汽缸內壓強增大并推動工作活塞向上運動，如圖1 b所示， 在此過程中熱能轉換為飛輪轉動的機械能；工作活塞在最頂端時，位移活塞迅速右移，使汽缸 內氣體向低溫區流動，如圖1c所示；進入低溫區的氣體溫度降低，使汽缸內壓強減小，同時 工作活塞在飛輪慣性力的作用下

4、向下運動，完成循環，如圖1d所示。在一次循環過程中氣體 對外所作凈功等于P-V圖所圍的面積。根據卡諾對熱機效率的研究而得出的卡諾定理，對于循環過程可逆的理想熱機，熱功轉 換效率：n = A/Q1 =（Q1-Q2）/Q1=（T1-T2）/T1=AT/ T1式中A為每一循環中熱機做的功，Q1為熱機每一循環從熱源吸收的熱量，Q2為熱機每 一循環向冷源放出的熱量，T1為熱源的絕對溫度，T2為冷源的絕對溫度。實際的熱機都不可能是理想熱機，由熱力學第2定律可以證明，循環過程不可逆的實際熱 機，其效率不可能高于理想熱機，此時熱機效率：n MAT/ T1卡諾定理指出了提高熱機效率的途徑，就過程而言，應當使實際

5、的不可逆機盡量接近可逆 機。就溫度而言，應盡量的提高冷熱源的溫度差。熱機每一循環從熱源吸收的熱量Q1正比于AT/n，n為熱機轉速，n正比于nA/AT。n，A， T1及AT均可測量，測量不同冷熱端溫度時的nA/AT，觀察它與AT/T1的關系，可驗證卡諾 定理。當熱機帶負載時，熱機向負載輸出的功率可由力矩計測量計算而得，且熱機實際輸出功率 的大小隨負載的變化而變化。在這種情況下，可測量計算出不同負載大小時的熱機實際效率。【實驗儀器】儀器主要包括空氣熱機實驗儀，空氣熱機測試儀，電加熱器及電源1作者：男，化學工程學院09級過程裝備與控制工程1班學生，主要從事化工機械設備控制、設計等方面 的研究。1空氣

6、熱機實驗儀（1）.電加熱型熱機實驗儀熱機實驗儀采集光電門信號，壓力信號和溫度信號，經微處理器處理后，在儀器顯示窗口 顯示熱機轉速和高低溫區的溫度。在儀器前面板上提供壓力和體積的模擬信號，供連接示波器 顯示P-V圖。力矩計懸掛在飛輪軸上，調節螺釘可調節力矩計與輪軸之間的摩擦力，由力矩計可讀出摩 擦力矩M，并進而算出摩擦力和熱機克服摩擦力所做的功。經簡單推導可得熱機輸出功率 P=2nnM，式中n為熱機每秒的轉速，即輸出功率為單位時間內的角位移與力矩的乘積。（2）.空氣熱機電加熱器電源加熱器電源為加熱電阻提供能量，輸出電壓從24V36V連續可調，可以根據實驗的實際需 要調節加熱電壓。當熱機轉速超過1

7、5 n/s后，主機會輸出信號將電加熱器電源輸出電壓斷開，停止加熱。2空氣熱機測試儀處理熱機實驗儀采集的壓力、溫度、轉速信號，并顯示轉速，高、低溫的溫度，及高、低 溫之差；同時可以輸出壓力、體積信號到示波器。3各部分儀器的連接方法將各部分儀器安裝擺放好后，根據實驗儀上的標識使用配套的連接線將各部分儀器裝置連 接起來。用實驗給的連接線，按照儀器上的標示連接。【實驗內容及步驟】用于順時針撥動飛輪，結合圖1仔細觀察熱機循環過程中工作活塞與位移活塞的運動情 況，切實理解空氣熱機的工作原理。根據測試儀面板上的標識和儀器介紹中的說明，將各部分儀器連接起來，開始實驗。取下 力矩計，將加熱電壓加到第11檔（36

8、伏左右）。等待約610分鐘，加熱電阻絲已發紅后， 用于順時針撥動飛輪，熱機即可運轉（若運轉不起來，可看看熱機測試儀顯示的溫度，冷熱端 溫度差在100度以上時易于起動）。減小加熱電壓至第1檔（24伏左右），調節示波器，觀察壓力和容積信號，以及壓力和 容積信號之間的相位關系等，并把P-V圖調節到最適合觀察的位置。等待約10分鐘，溫度和 轉速平衡后，記錄當前加熱電壓，并從熱機測試儀（或計算機）上讀取溫度和轉速，從雙蹤示 波器顯示的P-V圖估算（或計算機上讀取）P-V圖面積，記入表1中。逐步加大加熱功率，等待約10分鐘，溫度和轉速平衡后，重復以上測量4次以上，將數 據記入表1。以AT/ T1為橫坐標，

9、nA/AT為縱坐標，在坐標紙上作nA/AT與AT/ T1的關系圖，驗證卡諾定理。【注意事項】加熱端在工作時溫度很高，而且在停止加熱后1小時內仍然會有很高溫度，請小心操作， 否則會被燙傷。熱機在沒有運轉狀態下，嚴禁長時間大功率加熱，若熱機運轉過程中因各種原因停止轉 動，必須用于撥動飛輪幫助其重新運轉或立即關閉電源，否則會損壞儀器。熱機汽缸等部位為玻璃制造，容易損壞，請謹慎操作。記錄測量數據前須保證已基本達到熱平衡，避免出現較大誤差。等待熱機穩定讀數的時 間一般在10分鐘左右。在讀力矩的時候，力矩計可能會搖擺。這時可以用于輕托力矩計底部，緩慢放手后可以 穩定力矩計。如還有輕微搖擺，讀取中間值。飛輪

10、在運轉時，應謹慎操作，避免被飛輪邊沿割傷。熱機實驗儀上貼的標簽不可撕毀，否則保修無效！【實驗數據及處理】表1測量不同冷熱端溫度時的熱功轉換加熱電壓/V熱端溫度T1/K溫度差AT /KAT/ T1A （P-V 圖 面積）熱機轉速 n/snA/AT23.8420.3113.40.2698070.0241925.80.00123725.5427.4120.10.2810010.0247686.40.00132027.6440.3131.50.298660.0247687.40.00139428.5450.5139.80.3103220.0241928.80.00152329.5463.9150.40

11、.3242080.02476810.20.001680附圖1不同冷熱溫差時的熱功轉換關系圖結論：由附圖1我們可以看出途中折線斜率相差不大，通過分析，我們可知在外加負載不變的 情況下，隨加熱功率增大，nA/AT與AT/ T1基本具有線性關系，驗證了卡諾定理。表2 測量熱機輸出功率隨負載及轉速的變化關系輸入功率 Pi=VI=35.6*5.5=195.8W熱端溫度T1/K溫度差T/K輸出力矩 M/(N*m)熱機轉速 n/s輸出功率Po=2nnM/W輸出效率n o/i 二Po/Pi532.7211.20.002114.30.1886840.0964%546223.30.005211.60.379002

12、0.1936%553229.20.00779.30.4499390.2298%556.3232.70.00958.30.4954290.2530%562.6240.60.01067.40.4928530.2517%564.3242.70.01156.30.4552170.002325附圖2輸出功率隨附在機轉速的變化關系曲線輸出功率隨附在機轉速的變化關系曲線6 5 4 3 2 0 o o o o o O6 5 4 3 2 0 o o o o o O年功出輸14.311.69.38.37.46.3轉速n(n/s)結論：由圖2可分析，在同一加熱功率下，隨摩擦力矩加大，轉速降低，熱端溫度升高，溫度 差

13、增加。輸出效率先是隨摩擦力矩的加大而增加，有一個最大輸出點。過了該點過后，由于轉 速下降較多，導致輸出效率下降。【思考題】1.為什么P-V圖的面積即等于熱機在一次循環過程中將熱能轉換為機械能的數值。答：P-V圖其實是表示做功的圖。對pdV的微元面積進行積分即可得做功的數值。而通過計算 機（或雙蹤示波器）顯示出來的即為空氣熱機在一次循環中的p-v圖。因此我們可以知道：P-V 圖的面積即等于熱機在一次循環過程中將熱能轉換為機械能的數值。附：Air Heater Experimental StudyStudent:Student ID:College: chemical engineeringAbstract: Understand the principle and cycle engine, and measure the temperature of hot end different thermal power conversion value, as nA&T an