低温斯特林热机探索PPT

大学物理演示实验报告院系名称：勘察与测绘学院专业班级：资源1242姓名：王延平学号：1201431226斯特林热机演示实验试验目的：初步了解热机的工作原理以及热机正向和逆向循环工作的用途。

实验原理：斯特林热机（Stirling Engine），是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式发动机。

它由苏格兰牧师斯特林提出。

斯特林热机采用封闭气体进行循环，工作气体可以是空气、氮气、氦气等。

如图1所示，在热机封闭的气缸内充有一定容积的工作气体。

汽缸一端为热腔，另一端为冷腔。

置换器活塞推动工作气体在两个端之间来回运动，气体在低温冷腔中被压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。

如此循环不休，将热能转化为机械能，对外做功。

理论上，斯特林热机的热效率很高，其效率接近理论最大效率（称为卡诺循环效率）。

但二者又有所不同，前者由两个等温过程和两个等容过程构成，如图2所示。

而后者由两个等温过程和两个绝热过程构成。

斯特林热机属于可逆热机，既可用于制热，又可用于制冷；既可将热能→机械能，又可将机械能→热能。

如果用于制冷，则图2中的四个热力学循环将沿逆时针方向进行。

图2 斯特林热机的四个循环过程图1 斯特林热机下面结合循环图（图2）和活塞运动图（图3），来详细分析一下斯特林热机的四个循环过程。

一个装有两个对置活塞的气缸，在两个活塞之间设置一个回热器。

可以把回热器设想成一块交替放热和吸热的热力海绵。

回热器和活塞之间形成了两个空间。

一个称为膨胀腔，使它保持高温Tmax；另一个称为压缩腔，使它保持低温Tmin。

因此，在回热器两端有一个温度梯度Tmax-Tmin。

假设回热器在纵向没有热传导，与卡诺循环情况一样，假设活塞在运动中无摩擦，工作气体在气缸中无泄露损失。

循环开始时，设压缩腔活塞处于外止点，膨胀腔活塞处于内止点并紧靠回热器端面。

这样，全部工作气体都处于冷的压缩腔内。

因为此时的容积为最大值，所以工作气体的压力和温度都处于最小值，用图2和图3中的点1表示。

斯特林发动机实验原理斯特林发动机是一种热机，它利用燃烧产生的热能来产生机械功，而不像内燃机那样利用高温与低温之间的热差来产生机械功。

和内燃机相比，斯特林发动机的热效率更高，因此在一些特殊应用，如低温环境或需要长时间运行的应用中得到了广泛的应用。

斯特林发动机的工作原理是通过一个循环过程将热能转化为机械能。

这个循环过程包括以下几个步骤：1. 加热气体：在发动机内部有一个热源（例如一个火炉），它加热气体（通常是氢气或氮气），使气体温度升高。

2. 膨胀气体：加热后的气体进入一个气缸，气缸外围有一个活塞，气体膨胀时会推动活塞向外运动。

3. 冷却气体：气缸的另一侧与一个冷源相连，使气体冷却并收缩。

4. 压缩气体：冷却并收缩后的气体由于压力下降而吸回活塞，回到第一步重新开始循环。

斯特林发动机的实验可以通过以下几个步骤进行：1. 组装：将实验所需的斯特林发动机装配起来，通常包括一个气缸、活塞、曲轴和连接杆。

2. 准备：在发动机中加入气体（如氢气或氮气），并将热源放置在适当位置，以便将气体加热。

3. 启动：点燃热源，加热气体，使气体膨胀并推动活塞运动，从而带动曲轴旋转。

4. 测试：测量发动机的性能参数，例如产生的功率和效率。

可以通过改变热源的位置、调整气缸的尺寸和形状来改变发动机的性能。

5. 分析：分析实验结果并推导出发动机的工作原理和性能规律。

可以通过理论分析和数值计算来验证实验结果，进一步深入理解斯特林发动机的工作原理。

斯特林发动机的优点在于高效、低污染和可靠性高，但也存在一些局限性，例如需要较长的启动时间、重量较大、体积较大等。

随着技术的不断发展，一些新型斯特林发动机已经解决了这些问题，并在特定领域得到了广泛应用。

为了进一步提高斯特林发动机的性能，研究人员开发了许多改进器件和技术，例如：1. 调节调速器：将变速器安装在斯特林发动机上，可以更好地控制发动机的转速，从而提高其效率和性能。

2. 节流阀：通过使用节流阀可以调节发动机的输出功率，从而在运行时节省燃料和能源，同时也能降低机械部件的磨损和维护成本。

TermologiaCicli1 / 2Motore ad aria calda (motore Stirling)FUNZIONAMENTO DEL MODELLO FUNZIONALE DI UN MOTORE AD ARIA CALDA COME MOTORE TERMICO.UE2060100 04/16 JSBASI GENERALIIl ciclo termodinamico del motore ad aria calda (R. Stirling , 1816) può essere suddiviso, a fini di semplificazione, nei processi di apporto del calore, espansione, cessione del calore e compressione. Questi processi sono illustrati schematicamente nelle Figg. 1-4 per il modello funzionale analizzato. Per l’apporto di calore, il pistone di compressione P1 si sposta avanti e sposta l’aria verso il basso nell’area riscaldata del cilindro grande. In questa fase, il pistone di lavoro P2 si trova nella posizione più bassa, in quanto il pistone di compressione precede il pistone di lavoro di 90°.L’aria riscaldata si espande e sposta il pistone di lav oro verso l’alto. A questo proposito, il lavoro meccanico viene ceduto all’asta centrifuga tramite l’albero a gomiti. Mentre il pistone di lavoro si trova nel punto morto superiore, il pistone di compressione arretra e sposta l’aria nell’area superiore del grande cilindro per la cessione del calore all’ambiente.L’aria raffreddata viene compressa dal pistone di lavoro che si sposta verso il basso. Il lavoro meccanico necessario a questo proposito viene svolto dall’asta centrifuga.Se il motore ad aria calda viene azionato senza carico meccanico, il motore gira ad un regime minimo che è limitato dall’attrito interno e che dipende dalla potenza calorifica apportata. Il regime diminuisce non appena la potenza meccanica viene eliminata. Questo può essere facilmente dimostrato esercitando una forza di attrito sull’albero a gomiti.Fig. 1: Apporto del caloreFig. 2: EspansioneFig. 3: Cessione del calore Fig. 4: CompressioneUE2060100 3B SCIENTIFIC® PHYSICS EXPERIMENT3B Scientific GmbH, Rudorffweg 8, 21031 Amburgo, Germania, © Copyright 2016 3B Scientific GmbHELENCO DEGLI STRUMENTI1 Motore Stirling D1000817 (U8440450)1 Alimentatore CC 20 V, 5 A @230 V 1003312 (U33020-230) oAlimentatore CC 20 V, 5 A @115 V 1003312 (U33020-115) 1 Set di cavi di sicurezza per esperimenti, 75 cm 1017718 (U13816) 1 Cronometro meccanico 1003369 (U40801)MONTAGGIO∙ Allentare l’impugnatura di bloccaggio dell’albero a gomiti e del pistone di compressione.∙Agganciare l’occhiello del filo di nylon, a cui è appeso il pistone di compressione, sull’estremità anteriore dell’albero a gomiti.∙ Avvitare a fondo la seconda asta centrifuga sull’estremità posteriore dell’albero a gomiti. ∙ Chiudere il cilindro grande con il coperchio nero.ESECUZIONE∙ Collegare l’alimentatore all’ingresso della tensione di accensione.∙Impostare la tensione di accensione su 12 V, attendere qualche minuto, quindi avviare manualmente il motore ad aria calda agendo sull’asta centrifuga.∙ Variare gradualmente la tensione di accensione da 8 V a 15 V in stadi da 1 V ciascuno.∙Attendere un minuto, misurare il tempo necessario per 10 giri dell’albero motore e, su tale base,calcolare il relativo numero di giri.Fig. 5: Struttura per il funzionamento del motore ad aria caldacome motore termico mediante riscaldamento elettricoESEMPIO DI MISURAZIONETabella 1: Valori misurati relativi al regime minimo n infunzione della tensione di accensione UANALISIConsiderando l’attritointerno costante, a fini di semplificazione, il regime minimo risulta proporzionale alla potenza meccanica del motore ad aria calda ceduta durante il funzionamento a vuoto. Assumendo inoltre che la resistenza ohmica del riscaldamento non si modifichi, la potenza calorifica risulta proporzionaleal quadrato della tensione di accensione. Nella Fig. 6 è quindi riportato il regime minimo n del motore ad aria calda (come unità di misura della potenza meccanica ceduta) in funzione del quadrato della potenza di accensione U (come unità di misura della potenza calorifica apportata).La Fig. 6 mostra quindi come la potenza meccanica ceduta aumenti innalzando la potenza calorifica apportata.Fig. 6: Regime minimo del motore ad aria calda in funzionedel quadrato della tensione di accensioneRISULTATODurante il funzionamento come motore termico, il motore ad aria calda trasforma una parte della potenza calorifica apportata in p otenza meccanica, cedendo all’ambiente la parte rimanente sottoforma di potenza calorifica.。

实验室型低温史特林热机实验报告
一、实验目的
本次演示实验通过演示实验室型低温史特林热机的工作过程, 让同学们了解史特林热机的结构及其工作原理。

二、实验背景
史特林热机（Stirling Engine）, 是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩膨胀的封闭往复式发动机。

它由苏格兰牧师史特林提出, 在十九世纪初被发明, 目前已经发展为上百种不同的机械结构。

三、实验原理
史特林热机采用封闭气体进行循环, 工作气体可以是空气、氮气、氦气等。

在热机封闭的气缸内充有一定容积的工作气体, 汽缸一端为热腔, 另一端为冷腔。

置换器活塞推动工作气体在两个端之间来回运动, 气体在低温冷腔中被压缩, 然后流到高温热腔中迅速加热, 膨胀做功。

如此循环不休, 将热能转化为机械能, 对外做功。

四、实验应用
史特林热机属于可逆热机, 可用于制热, 又可用于制冷；可将热能转化为机械能, 又可将机械能转化为热能。

它是一种高效率的能量转换装置, 由于工作气体不直接参与燃烧, 因此又被称为外燃机。

只要外部热源温度足够高, 无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等任何热源, 都可使史特林热机运转, 既安全又清洁, 故其在能源工程技术领域的研究兴趣日益增加, 极可能成为未来动力的来源之一。