发布时间 : 星期一 文章空气热机实验报告更新完毕开始阅读26f557155f0e7cd1842536e3
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。
1．热机发电原理
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。
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， 图1 热机结构及原理图 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。 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 根据卡诺对热机效率的研究而得出的卡诺
定理， 热机效率：
η ? 1-T2/T1
空气热机 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
压力传感器 位移传感器 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。 接口电路 变压器 2．热机作为热泵或冷泵
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
o
曲柄上，位移活塞与工作活塞有位相差90,如果飞轮
70
图3 空气热机实验装置 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：
1．空气热机及附件
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，其输出端有6个插孔，选用不同的组合可使输出电压在2~20伏之间变化。
作定量实验时，需连接压力及位移传感器，并通过接口电路将探测到的信号连接到计算机。
压力传感器探测工作过程中汽缸内外的压强差。
位移传感器实际是1个多圈电位器，通过细线、转向滑轮、张紧弹簧，将工作活塞与电位器的调节轮连接，工作活塞的运动带动调节轮转动，电位器电阻的变化即对应汽缸内气体的体积变化。
2．CASSY Lab实验软件
CASSY Lab是1个多用途的实验操作软件，可支持莱宝公司的多种实验仪器。当用于本实验时，计算机通过CASSY软件采样，可测量循环过程中压力及电阻的变化情况，如图4所示。该软件具有设置采样时间间隔，采样时间；显示采样数据并将数据作图；通过参数设置显示新参数；以不同的坐标作图；对图中的面积作积分；存储实验数据等功能，便于作定量研究。为方便使用，在“热机测量”文件中对测量参数进行了设置并保留了测量示例，可直接打开该文件进行后续测量。
1．定性观测
用手拨动飞轮（如图3所示为逆时针拨动，面向飞轮时顺时针拨动），结合图1观察热机循环过程中工作活塞与位移活塞的运动情况，切实理解空气热机的工作原理。
检查确认位移活塞运行到最高点时，不会与加热电阻相碰。 用万用表测量并记录加热丝冷电阻。 将热机的进出水管接通冷却水。
将热机加热丝导线接在变压器12伏输出端，打开变压器开关，10秒后可观察到加热丝发红，预热1分钟后用手拨动飞轮（注意拨动方向），热机即可运转。在飞轮未另加负载时，热机输出的功率克服活塞运动及飞轮转动的摩擦力做功，因此输入功率越大，热机转速越高。输入电压低于8伏时，热机不能正常转动，输入电压过高，仪器容易损坏，实验中允许电压值为10，12，14伏。
71
清除 保存 测量 状态栏放大 关闭/打开传感器当前值显示 打开 打印 设置 帮助 登录 电阻当前值显示 相对压强当前值显示 图4 测量与显示窗口 2．定量测量
双击计算机桌面上的“热机测量”快捷键，首先打开的是设置窗口。点击其中的“General”按钮，在其窗口中点击COM1接口的下拉菜单，选择CASSY，即激活了CSSSY接口电路与计算机COM1串行接口的连接。关闭设置窗口后，即进入图4所示的测量与显示窗口。
图4显示了1个接入电压12V时的测量示例，设置采样间隔为5ms，采样数为125。左边数据区显示采样时间和采样值，其中相对压强的单位为百帕（1hPa=102N/m2）；右边图形区是根据采样数据所做的图，当前纵坐标显示的是电阻值RA1，用鼠标点击图形区左上角的按钮PB1，可使纵坐标显示相对压强值PB1。
点击清除按钮可清除原有测量数据；点击测量按钮将按已有设置开始新的测量；用右键点击工具栏的RA1或PB1按钮，可对传感器的测量及显示范围进行设置。
类似图4的测量图清楚的表示了在循环过程中相对压强及电阻（体积）随时间的变化情况。由此图可测得热机的转速，Rmax与Rmin的值等参数。
通过参数设置可将探测到的电阻变化改
72
图5 空气热机的P-V关系图 变为相应的气体体积变化。当工作活塞运行到最上端时，汽缸内气体的最小体积为50cm3，活塞表面积为28.3cm2（以上来自厂家数据），活塞行程为5cm，气体体积最小时电阻最小，且电阻随转动角度线性变化，故气体体积与电阻之间的关系为：
V=50+28.3×5（RA1-Rmin）/（Rmax-Rmin）。
点击工具栏的设置按钮；在设置窗口中点击“Parameter/Formula/FFT”按钮；在其窗口中点击“New Quantity”按钮；然后在“Properties”窗口的Fomula栏中输入50+28.3*5*(RA1-Rmin)/( Rmax-Rmin)，其中Rmax与Rmin要将测得的实际值代入；在Symbol栏中输入Ｖ；在Unit栏中输入cm^3；在From栏中输入0；在To栏中输入200；关闭设置窗口后可看到体积曲线出现在图形区中。将鼠标指向数据区和图形区的交界处，出现拖动符号后按住左键向右拖动，扩大数据区，体积的数据即可显示出来。
若要显示P-V图，在设置窗口中点击“Display”按钮；然后点击X-Axis栏的下拉菜单，选择Ｖ；点击Y-Axes栏下最左边的下拉菜单，选择PB1；关闭设置窗口后在图形区可看到图5所示的P-V图。
在鼠标指向图形区时点击右键，在菜单中选择“Calculate Integral”，在其下拉菜单中选择“Peak Area”，即可利用CASSY软件的积分功能对P-V图的面积作积分。用鼠标左键在曲线上任一点点击，然后微微移动鼠标，当看到１条细绿线将Ｐ-Ｖ图围起来时，再次点击左键，积分区域被涂黑显示，同时积分值显示在数据区下边的状态栏中，其单位为hPa*cm3，将此值的小数点左移４位，即将所得数据转换为焦耳。若发现所选择的积分区域或积分值不对，可用右键点击图形区，选择“Delete All Evaluations”删除积分，再重新选择积分功能作积分。
3.定性观察热机作为热泵或冷泵工作（图6）
a)作为热泵操作热机
（1）打开冷却水，检查水流，直到水回流出来。
图6空气热机作为热泵或制冷机工作的实验装置
（2）设置旋转开关a到中间位置（静止），设
（冷却水通过水容器底部的水泵供给）
置速度控制器b到中间位置，打开速度控制器开关。
（3）启动热机并使热机向左旋转（逆时针旋转）。 （4）测量汽缸顶部的温度并观察温度的增加。
（5）如果有必要，通过速度控制器缓慢增加转动速度。
o
（6）当温度达到最大温度（110C）,重新设置转速开关到中间位置。 b)作为制冷机操作热机
（1）注意冷却水是否正常。
（2）设置旋转开关a到中间位置（静止），设置速度控制器b到中间位置，打开控制器开关。 （3）启动热机并使热机向右旋转（顺时针旋转）
73
（4）测量汽缸顶部的温度并观察温度的下降。
（5）如果有必要，通过速度控制器缓慢增加转动速度。
（6）当温度达到最小温度（-32oC）,重新设置转速开关到中间位置。
注意事项：
1． 热机为贵重进口实验仪器，汽缸等部位为玻璃制造，容易损坏，请谨慎操作 2． 热机必须在通冷却水的情况下才能通电加热，连通电源前务必检查冷却水循环是否
正常，工作过程中必须经常检查冷却水流动情况。不能允许循环冷却水的温度超过30oC。
3． 热机在静止状态下严禁长时间加热，若热机运转过程中因意外原因出现停止转动，
必须立即关闭电源，并用手拨动飞轮使汽缸内气体在冷热区交换，帮助高温区冷却 4． 热机工作过程中实验人员严禁离开，否则若冷却水断流或热机停转，都将使高温区
温度过高而使汽缸炸裂或变形，此仪器价值人民币2万圆。
74