ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ДВИГУНА СТИРЛИНГА ПРИ ЗМІНІ ТЕМПЕРАТУРИ ДЖЕРЕЛА ТЕПЛА

Дослідити вплив температури джерела тепла, що підводиться, на потужність та ефективність двигуна.

Визначити потужність, коефіцієнт корисної дії установки та момент на валу в залежності від температури джерела тепла та порівняти з теоретичними значеннями.

Двигун Стирлінга є двигуном зовнішнього згоряння і являє собою тепловий двигун, у якому відбувається стиск робочого тіла і його нагрівання через стінку двигуна або в теплообміннику за рахунок згоряння палива ззовні. Далі робоче тіло розширюється й, діючи на механізм двигуна (поршень або турбіну), приводить його в рух.

Перевагою двигунів зовнішнього згоряння перед двигунами внутрішнього згоряння є їх сумісність із широким спектром палива й джерел енергії, у тому числі й поновлюваних. Вони можуть використовувати тепло від будь-якого джерела: біомаси, продуктів, отриманих з біомаси, побутових відходів, ядерних, сонячних, геотермальних джерел або екзотермічних реакцій без горіння. Це відрізняє їх від двигунів внутрішнього згоряння, кожний тип яких вимагає використання певного виду пального. Крім того, важливими перевагами двигунів зовнішнього згоряння є: низький рівень викидів завдяки безперервному зовнішньому згорянню й низький рівень шуму завдяки видаленню відпрацьованих газів продуктів згоряння під низьким тиском.

Ідеальний цикл Стирлінга складається із чотирьох термодинамічних процесів - двох ізотермічних і двох ізохорних.

Рис. 1. Цикл Стирлінга та схематичне зображення тактів. 1 – поверхня, що нагрівається; 2- поверхня, що охолоджується; 3 – поршень-витискач; 4 – робочий поршень.

Перший такт (процес 1-2) – такт стиснення при постійній температурі робочого тіла: поршень-витискач теплообмінного циліндра знаходиться поблизу нижньої мертвої точки (НМТ) і залишається умовно нерухомим. Газ стискається робочим поршнем робочого циліндра. Тиск газу зростає, а температура залишається постійною, так як теплота стиснення відводиться через холодний торець теплообмінного циліндра в навколишнє середовище.

Другий такт (процес 2-3) – такт нагрівання при постійному об’ємі: робочий поршень робочого циліндра знаходиться поблизу НМТ і повністю переміщує холодний стиснений газ в теплообмінний циліндр, де поршень-витискач рухається до верхньої мертвої точки (ВМТ) і витісняє газ в гарячу порожнину. Так як при цьому сумарний внутрішній об'єм циліндрів двигуна залишається постійним, робоче тіло розігрівається тиск підвищується і досягає максимального значення.

Третій такт (процес 3-4) – такт розширення при постійній температурі газу: поршень-витискач теплообмінного циліндра знаходиться поблизу верхньої мертвої точки (ВМТ) і залишається умовно нерухомим. Поршень робочого циліндра під дією тиску газу рухається до верхньої мертвій точці. Відбувається розширення гарячого газу в порожнині робочого циліндра. Корисна робота, що здійснюються поршнем робочого циліндра, через кривошипно-шатунний механізм передається на вал двигуна. Тиск в циліндрах двигуна при цьому падає, а температура газу в гарячій порожнини залишається постійною, так як до нього підводиться тепло від джерела тепла через гарячу стінку циліндра.

Четвертий такт (процес 4-1) – такт охолодження при незмінному об’ємі: поршень робочого циліндра знаходиться поблизу ВМТ і залишається умовно нерухомим. Поршень теплообмінного циліндра рухається до НМТ і переміщує газ, що залишився в гарячій частині в холодну частину циліндра. Так як при цьому сумарний внутрішній об'єм циліндрів двигуна залишається постійним, тиск газу в них продовжує падати і досягає мінімального значення.

Поршень-витискач теоретично виконує роль регенератора – запасає тепло під час проходження через нього гарячого робочого тіла (процес 4-1) і віддає тепло під час проходження повз нього холодного робочого тіла (процес 2-3). Таким чином тепло, що повинно передаватися у навколишнє середовище в процесі 4-1 повертається в систему в процесі (2-3) (рис. 2).

Якщо кількості теплоти в процесах 2-3 і 4-1 однакові, то теплообмін між двигуном і навколишнім середовищем здійснюється шляхом підведення й відводу теплоти відповідно при Т_макс і Т_мін (рис. 3).

Такі умови підведення й відводу теплоти при постійних температурах задовольняють висновкам другого закону термодинаміки для максимального термічного к.к.д. циклу; внаслідок цього термічний коефіцієнт корисної дії циклу Стирлінга такий самий, як і для циклу Карно, тобто

V_h – робочий об’єм (об’єм робочого циліндра між ВМТ і НМТ); V_a – повний об’єм; V_c =V_a −V_h – мертвий об’єм; k – показник адіабати робочого тіла.

Для виконання роботи використовується лабораторна модель двигуна Стирлинга (рис.4).

Рис. 4 Загальний вид лабораторної моделі двигуна Стирлінга: 1 – великий циліндр, А – нижня (що нагрівається) поверхня циліндра; Б - верхня (що охолоджується) поверхня циліндра; 2 –поршень-витискач, 3 – малий (робочий) циліндр; 4 – кривошипно-шатунний механізм; 5 – маховик; 6 – робочий поршень.

Двигун складається із двох циліндрів. Великий циліндр (1) – теплообмінний. У ньому відбувається почергове розігрівання й охолодження робочого тіла. Для здійснення роботи одна поверхня циліндра (А) розігрівається, інша поверхня (Б) –охолоджується. Всередині циліндра вільно переміщується великий поршень (2), виконаний з теплоізоляційного матеріалу. Зазор між стінками циліндра й поршня становить 1-2 мм. Зазор виконує роль теплового клапана, що переганяє газ між холодним і гарячим торцями. Малий циліндр (3) є робочим. У ньому поршень щільно підігнаний до циліндра.

Загальна схема лабораторної установки наведена на рис 5. Установка складається з калорифера 1, в який наливається гаряча вода 2. Температура води вимірюється термопарою Т_В. На калорифері розміщується двигун Стирлінга 4, який нагрівається від гарячої води конденсацією пари. Температура гарячої поверхні контролюється термопарою Т₁. На холодну поверхню розміщується лід з водою 3, які знаходяться у термодинамічній рівновазі і забезпечують температуру холодної поверхні 0ºС. Обертання валу приводить у рух електрогенератор 5, який працює на навантаження, на якому визначається потужність. Комутація проводиться черех комутаційну коробку 6. Частота обертання визначається тахометром 7, що реагує на мітку на маховику 8.

1. Проводиться комутація вимірювальної схеми. Оптимальне значення навантаження, що забезпечує максимальну ефективність генератора 1-1,5 Ом. Однак при цьому, для визначення напруги на навантаженні необхідний мікровольт метр. При використанні мілівольтметра для підвищення точності вимірювань рекомендується обирати навантаження від 10 Ом.

2. У калорифер заливається гаряча вода з температурою 80-85ºС. на калорифері розміщується двигун Стирлінга. У ємності на двигуні Стирлінга розміщується лід і вода, що знаходяться у рівновазі.

Рис. 5. Схема лабораторної установки. 1 – калорифер, 2- гаряча вода, 3 – лід та вода у стані рівноваги, 4 – двигун Стирлінга, 5 – генератор, 6 – комутаційна коробка, 7 – тахометр, 8 – мітка.

3. Кожні 5 хвилин знімаються показання термопар Т₁, Т_В (у ºС), напруги на навантаженні U (у мВ) та частоти обертання f (у Гц). Результати заносяться у Таблицю 1 для кожного i-го моменту часу t_i.

4. Виміри проводяться до припинення руху двигуна або за вказівкою викладача.

5. Для кожного i-го моменту часу проводиться розрахунок електричної Р (у мкВт) та теплової Р_Т (у Вт) потужностей, момент на валу двигуна Стирлінга М (у мН·см), експериментальне значення ККД двигуна Стирлінга η_ДС, а також розрахункові значення ККД ідеального двигуна Стирлінга з регенерацією η_tk та без неї η_t (всі ККД у %).

6. Будуються графіки залежності експериментальне та розрахункові значення ККД двигуна Стирлінга та моменту на валу від температури гарячої поверхні циліндра.

1. Електрична потужність, що видається генератором у момент часу t_i, визначається за формулою (мкВт при використанні напруги у мВ):

де R_n, R_w – опори навантаження та дротів, що під’єднують (0,4 Ом).

2. Визначається теплова потужність, що подається на двигун у момент часу t_i (Вт):

Т_Ві+1, Т_Ві – температури для наступного часу та для цього часу.

3. Експериментальне значення ККД двигуна Стирлінга у момент часу t_i визначається за формулою, %:

де η _g_і – ККД генератора у момент часу t_i, що розраховується за формулою (напруга у мВ):

4. Визначається момент на вагу двигуна (мН·см, потужність у мкВт) за формулою:

5. η_tk та η_t розраховуються за формулами 1 і 2 у відсотках приймаючи Т_max =(273+ T₁) К, T_min =273 К, ε = 9, k = 1,4.

6. В одній системі координат будуються графіки η, η_tk та η_t у залежності від температури Т₁. Будується графік залежності М (Т₁).

7. Робляться висновки щодо наявності регенерації в системі, можливі додаткові тепловтрати та інші шляхи зниження ККД двигуна.

1. Поясніть сутність регенерації в тепловій машині.

2. Поясніть, для чого використовується на холодній пластині суміш льоду та води, а не тільки льоду чи води?

3. Які можливі причини втрати ККД установки порівняно з її термодинамічним ККД?

4. Поясніть принцип роботи двигуна Стирлінга.

5. Наведіть переваги та недоліки двигунів зовнішнього згорання.

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ МАТЕРІАЛІВ МЕТОДОМ ТРУБИ

Дослідження стаціонарної теплопровідності.

Експериментальновизначити коефіцієнт теплопровідності матеріалів

Необоротний процес передачі теплоти в просторі з неоднорідним розподілом температури має назву теплообміну. У загальному випадку процес передачі теплоти супроводжується зміною температури як у просторі, так і у часі. Сукупність значень температури t для всіх точок простору у даний момент часу

, має назву температурного поля

Ізотермічною поверхнею називається геометричне місце точок, що мають однакову температуру. Ізотермічні поверхні не перетинаються, вони або замикаються всередині тіла, або обриваються на його границях.

Результатом перетинання площиною ізотермічних поверхонь є ізотерми − лінії постійної температури. Найбільша зміна температури на одиницю довжини спостерігається у напрямку нормалі n до ізотермічної поверхні (рис 1). Зростання температури у напрямку до ізотермічної поверхні характеризується градієнтом температур.

Температурний градієнт є вектор, що спрямований по нормалі до ізотермічної поверхні вбік зростання температури і чисельно дорівнює межі відношення зміни температури

до відстані між ізотермами по нормалі

Кількість теплоти Q _τ, що проходить в одиницю часу через ізотермічну поверхню, називається тепловим потоком Q (Вт). Тепловий потік, що проходить через одиницю площі ізотермічної поверхні, називається щільністю теплового потоку

Теплопровідність – процес передачі теплоти при безпосереднім зіткненні різних тіл або окремих часток тіла, що мають різні температури.

Конвекція – процес передачі теплоти при переміщенні об’ємів рідини або газу у просторі з області з однією температурою в область з іншої. При цьому перенос енергії нерозривно пов'язаний з переміщенням самого середовища.

Теплове випромінювання – це процес передачі енергії шляхом електромагнітних хвиль. Теплообмін випромінюванням представляє процес послідовного перетворення внутрішньої енергії одного тіла в енергію випромінювання, поширення її у просторі і перетворення енергії випромінювання у внутрішню енергію іншого тіла.

Теплопровідність спостерігається у будь-яких неізотермічних тілах або системах тіл. Механізм переносу енергії залежить від фізичного стану тіл. У металах перенос теплоти здійснюється шляхом руху (дифузії) вільних електронів; передача теплоти за рахунок пружних коливань кристалічних ґраток другорядна. У рідинах, у твердих тілах – діелектриках перенос теплоти здійснюється шляхом безпосередньої передачі теплового руху молекул і атомів сусіднім часткам речовини.

У газах перенос теплоти теплопровідністю відбувається внаслідок обміну енергією при зіткненні молекул, що мають різну швидкість теплового руху (шляхом дифузії молекул і атомів).

Вивчаючи явище теплопровідності, Фур'є встановив, що кількість переданої теплоти пропорційна градієнту температури, часу і площі перетину, перпендикулярного напрямку поширення теплоти. Математичний вираз для визначення теплового потоку називається основним законом теплопровідності – законом Фур'є:

де l – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К).

Для щільності теплового потоку закон Фур'є має вигляд:

Знак “ – ” показує, що вектора теплового потоку (щільності теплового потоку) і градієнта температури спрямовані у протилежні сторони.

Фізичний зміст коефіцієнта теплопровідності l – кількість теплоти, передана в одиницю часу через одиницю площі ізотермічної поверхні при одиничному значенні температурного градієнта. Чисельне значення l характеризує здатність речовини передавати теплоту.

Значення коефіцієнта теплопровідності речовин знаходяться в межах l» 0,006¸420Вт/(м.К).

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: