Установка и ход работы




Скачать 262.12 Kb.
НазваниеУстановка и ход работы
страница1/2
Дата публикации09.09.2013
Размер262.12 Kb.
ТипДокументы
uchebilka.ru > Физика > Документы
  1   2


Темы для изучения


Первый и второй законы термодинамики, обратимые циклы, изохорные и изотермические изменения, газовые законы, КПД, двигатель Стирлинга, теплопередача, тепловой насос.
Принцип

На двигатель Стирлинга действует нагрузка со стороны торсиометра. Проводятся наблюдения за частотой вращения и температурными изменениями, происходящими в двигателе. Рассматривается зависимость эффективной механической энергии и мощности, а также эффективной электрической мощности от частоты вращения. Количество энергии, преобразованной за один цикл, определяется при помощи графика. Рассчитывается КПД двигателя.

Оборудование


Двигатель Стирлинга, прозрачный 04372.00 1

Блок двигатель/ генератор 04372.01 1

Торсиометр 04372.02 1

Камин для двигатель Стирлинга 04372.04 1

Измерительный блок

двигателя Стирлинга () 04371.97 1

Сенсорный блок () для двигателя Стирлинга 04371.00 1

Экранированный кабель, BNC, 750 мм 07542.11 2

Термопара NiCr-Ni, c микропокрытием 13615.01 2

Денатурат, 1000 мл 31150.70 1

Переходник,

разъем BNC типа/ пара контактов 4 мм 07542.27 1

Универсальная установка Кобра 3 12150.00 1

Источник питания, 12 В 12151.99 1

Информационный стандартный кабель RS 232 14602.00 1

Универсальные самописец системы Кобра 3 14504.61 1


Цель


  1. Определить мощность горелки.

  2. Прокалибровать сенсорный блок.

  3. Рассчитать общую энергию, производимую двигателем, определив зону цикла на графике, построенном при помощи универсальной установки Кобра 3.

  4. Определить затраты механической работы за один цикл. Найти зависимость выходной мощности от частоты вращения при помощи торсиометра.

  5. Определить КПД



^

Установка и ход работы


Соберите экспериментальную установку как показано на Рис.1. Снимите с двигателя Стирлинга опорную плиту и зафиксируйте двигатель на опорной плите сенсорного блока. Закрепите дифференциальный передатчик сенсорного блока на оси двигателя, затем зафиксируйте двигатель на опорной плите. Перед включением измерителя убедитесь, что он подключен к датчику . Соедините p вход с аналоговым входом «Analog in 1/S1» универсальной установки Кобра 3. Подсоедините экспериментальную установку Кобра 3 к порту компьютера COM 1, COM 2 или USB (для подсоединения к порту USB используйте преобразователь USB - RS232 14602.10). После включения измеритель показывает на экране «cal». Для того, чтобы температура обоих термопар была одинакова, нажатием кнопки «Calibration-T» («Определение температуры») выставьте одинаковое значение для термопар. После этого на экране величина разности температур будет равна нулю. На верхнем дисплее высветится «OT» - «верхняя исходная точка». В этом положении объем

Рис. 1: Экспериментальная установка: Двигатель Стирлинга




двигателя минимальный, а поршень должен находиться в нижней позиции. Для этого поверните вал двигателя и нажмите кнопку «Calibration-V» («Определение объема»). При неправильном определении объема может возникнуть сдвиг фаз выходного напряжения, что приведет к искажениям на графике. На включенных дисплеях должно отображаться 0 revs/min (оборот/мин) и значения действительных температур для и .
1. Тепловая мощность горелки
Измерьте количество спирта до и после эксперимента при помощи градуированной мензурки или взвесьте горелку до и после выполнения работы. Заметьте время продолжительности эксперимента.
^ 2. Тарирование датчика давления

Прокалибруйте датчик давления таким образом, чтобы можно было качественно рассчитать график . Запустите программу «Measure» и в меню приборов выберите «Cobra 3 Universal Writer» («Универсальный самописец системы Кобра 3»). Для калибровки используйте настройки «Normal Measurement» («Стандартный режим измерения»), показанные на Рис. 2.


Рис. 2: Установки для тарирования датчика давления
Отсоедините малую трубку, ведущую к датчику давления, приведите поршень в нижнее положение, при котором объем в двигателе минимальны. Снова зафиксируйте трубку. В данный момент давление внутри двигателя равно внешнему давлению (примерно 1013 гПa), а объем – 32 см3. При поднятом поршне объем составляет 44 см3. Начните измерения, нажав «Continue», рукой осторожно запустите двигатель, чтобы произошло изотермическое расширение воздуха внутри двигателя (). Не допустите сдвига фаз между объемом и давлением! Остановите измерения, промасштабируйте объем вала, выбрав «Analysis» > «Channel modification…» («Анализ» > «Изменение канала…») относительно реального объема как:

(1)

поскольку напряжение изменяется между 0 и 5 В при смещении поршня от 32 до 44 см3 (разница составляет 12 см3).


Рис. 3: Изменение канала
Если принять OT за точку, в которой давление равняется внешнему, то зная, что 1013 гПa·32 см3 получим давление . Значения, полученные при изменении канала:
(2),
выставленные для , можно сравнить с напряжением , считав значения при помощи функции «Survey» («Обзор»), или при помощи «Measurement» > «Channel manager…» («Измерение» > «Управление каналами…»), занеся значения в строку для координат по оси x, а значения давления - для координат по оси y. Из наклона кривой определяется калибровочный коэффициент. Калибровочный коэффициент, в данном случаем, должен быть несколько сотен гПа (или мБар)/Вольт, а значение напряжения будет составлять примерно 2,5 В при соответствующем давлении, например, изменение канала может иметь вид

(3)

где вместо значения в 2,25 используется действительное значение для при соответствующем давлении, а вместо 235 – действительный калибровочный коэффициент. Можно также проградуировать датчик давления при помощи шприца, подсоединенного к малой гибкой трубке.

Зажгите горелку, запишите начальное время, затем толкните маховое колесо двигателя. Всегда начинайте измерения после того, как установится постоянная температура и частота вращения. Откройте таблицу «Fast measurement» («Быстрый режим измерения») и проведите измерения, используя параметры, указанные на Рис. 4.






Рис. 4: Параметры измерения.
Постройте кривую, нажав кнопку «Continue». Пример полученной кривой изображен на Рис. 5. Промасштабируйте кривые объема и давления при помощи «Analysis» > «Channel modification…», используя формулы (1) и (3). Сохраните полученные графики для дальнейшей работы.


Рис. 5: Пример измерения до преобразования напряжения


При помощи опции выделения (крестообразный символ рядом с символом увеличительного стекла) и опции вырезания (символ ножниц) выберите только один сектор кривой, отображающий полный цикл. Откройте окно «Measurement» > «Channel manager…» и введите значения напряжения в строку координат по оси х, а значения давления – в строку координат по оси y. См. Рис. 6. В раскрывшемся окне «Convert relation to function» («Преобразовать в функцию ») выберите «Keep measurement in relation mode» («Измерение в взаимосвязанном режиме»)

Рис. 6: Использование управления каналами для выделения кривых.
Чтобы рассчитать поверхность цикла, нажмите кнопку «Show integral» («Показать интеграл»). Пример результатов изображен на Рис. 7. Поверхность цикла составляет 2510 мБар см3 = 2510 гПа см3 = 2510 100 = 251 .


Рис. 7: Цикл на графике


^ 3. Эффективная механическая энергия
Для нагрузки на двигатель закрепите торсиометр на большой опорной плите, а внутренний край металлической стрелки зафиксируйте на валу перед маховым колесом. Трение между стрелкой и металлической пластиной осторожно регулируется винтом на стрелке, стрелка не должна колебаться. Начните проведение измерения при помощи торсиометра. В конце каждой настройки подождите, пока не установятся торсиометр, частота вращения и температура. Запишите все значения и постройте графики

.


^ Теория и расчет
В 1816 г. Роберт Стирлинг получил патент на двигатель, сейчас известный как двигатель Стирлинга. Сегодня он используется для изучения принципа работы тепловых двигателей как пример процесса преобразования тепловой энергии в механическую. Ученые продолжают улучшение параметров двигателя благодаря ряду его преимуществ. К примеру, он представляет собой замкнутую систему и работает от различных источников теплоты, что позволяет использовать различные виды природного топлива.
Рис. 3а: график для идеального процесса Стирлинга.

Теоретически в каждом цикле двигателя существуют четыре фазы (см. Рис. 3а и 3б):
1) Изотермическое изменение с использованием тепла и полученной работы
и

2) Изохорное изменение при охлаждении газа:

и
3) Изотермическое изменение с получением тепла и приложенной работы:
и

4) Изохорное изменение при подаче газа в систему:
и
Согласно первому закону термодинамики количество тепловой энергии поступающей в замкнутую систему, равно сумме возрастающей внутренней энергии системы и приложенной механической работы:

Для цикла Стирлинга характерно, что тепловая энергия, образовавшаяся при изохорном охлаждении, сохраняется до использования ее при изохорном нагревании (принцип регенерации).


Рис. 3б: Работа двигателя Стирлинга (прозрачного).






Таким образом, в фазе IV количество тепловой энергии, полученной в фазе II, поглощается. Это означает, что внутри двигателя происходит процесс обмена тепловой энергией. Механическая работа выполняется в фазах I и III. Благодаря тому, что внутренняя энергия не преобразовывается вследствие изотермических процессов, работа, потраченная на эти фазы, соответственно равна поглощаемой или высвобождаемой тепловой энергии.

Так как



где - количество вещества в системе,

- газовая постоянная,

работа, полученная в фазе I, равна:



(значение с отрицательным знаком).

Следовательно, работа, полученная в фазе III, равна:


, т.к.

Только часть данной общей полезной энергии может использоваться как полезная работа при внешних нагрузках на двигатель. Остальная часть идет на потери внутри двигателя.

Максимальный КПД в тепловом двигателе равен отношению работы и количеству приложенной тепловой энергии






Данные значения являются максимальными значениями КПД для любого теплового двигателя. Данный КПД возрастает с увеличением разницы температуры.
  1   2

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Установка и ход работы iconУстановка и ход работы
Брэгговское отражение, метод Дебая – Шеррера, кристаллографические плоскости, структура графита, материальные волны, уравнение де...

Установка и ход работы iconУстановка и ход работы
Электрическое поле, напряженность электрического поля, электростатическая индукция, электрическая постоянная, плотность поверхностного...

Установка и ход работы iconУстановка и ход работы
Полупроводник, p-n-переход, диаграмма энергетических уровней, уровень Ферми, потенциал поля р-n-перехода, внутреннее сопротивление,...

Установка и ход работы iconУстановка и ход работы
Резонансный контур, последовательный резонансный контур, параллельный резонансный контур, сопротивление, емкость, индуктивность,...

Установка и ход работы iconА установка и ход работы
Сопротивление напору, фрикционная стойкость, коэффициент лобового сопротивления, турбулентный поток, ламинарный поток, число Рейнольдса,...

Установка и ход работы iconУстановка и ход работы
Френеля, интерференция, пространственная и временная когерентность, условия когерентности, длина когерентности для неточечных источников...

Установка и ход работы iconУстановка и ход работы Часть 1: Электростатический потенциал
Электрическое поле, напряженность поля, электрический поток, электрический заряд, правило Гаусса, плотность поверхностного заряда,...

Установка и ход работы iconЭпителиальный копчиковый ход
Копчиковый ход имеет длину 2— 3 см, оканчивается в подкожной клетчатке слепо и с самим копчиком не связан. Эпителий, выстилающий...

Установка и ход работы iconУстановка и работа с Ubuntu 16 Удалённый доступ 19 Установка Qemu...
...

Установка и ход работы iconУстановка Windows xp/ 7 (чистая установка)
«под ключ» с активацией (не ломаная) !!! (входит всё необходимое для работы, драйвера, антивирус (полноценный, не пробная версия),...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<