空气热机输出功率的研究123456

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上运动，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下运动，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。

图1 空气热机工作原理

Figure 1 The work principle of air engine

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/Q

1 =（Q

1

-Q

2

）/Q

1

=（T

1

-T

2

）/T

1

= ΔT/ T

1

式中A为每一循环中热机做的功，Q

1

为

热机每一循环从热源吸收的热量，Q

2

为热机每一

循环向冷源放出的热量，T

1

为热源的绝对温度，

T

2

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/ T

1

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Q

1

正比于ΔT/n，n为热机转速，η正比于nA/ΔTn，A，

T

1

及ΔT均可测量，测量不同冷热端温度时的

nA/ΔT，观察它与ΔT/ T

1

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

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Table 1 The cold end temperature of different heat transfer value Table 2 Heat conversion curve

表2 热机输出功率随负载及转速的变化

Figure 2 Engine output power with the change of load and speed

图3 热机输出功率随负载及转速的变化曲线

Figure3 Engine output power curves of load and speed 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ΔT

ΔT/T

1

A(P-V图

面积)

热机

转速

n

nA/ΔT

24.1 455.4 142 313.4 0.03805 8 0.002143662

25.9 474.2 157.1 317.1 0.03759 9.1 0.002177397 28 495.7 174.8 320.9 0.03725 10.3 0.002194937 28.9 511.5 187.6 323.9 0.03717 11.1 0.002199291 30 524.4 198.1 326.3 0.03796 11.6 0.002222797

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/Pi

542.8 215.9 0.0035 11.8 0.2595 0.13% 565.5 236.3 0.0044 12.1 0.3345 0.17% 565.2 235.1 0.0067 10.9 0.4589 0.23% 569.0 238.4 0.0087 10.0 0.5466 0.28% 577.7 246.7 0.0105 9.4 0.6202 0.31%