斯特林热机演示实验观察报告.doc

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1、斯特林热机演示实验观察报告1•实验目的：了解斯特林机的工作原理，弄清具体工作过稈，把理论与实际实验过稈建立一定的联系，深入对斯特林机的理解。2.实验原理：斯特林热机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。18世纪末和19世纪初正值工业革命的高潮时期，热机普遍为蒸汽机。热机的重要标志Z—是它的效率，即吸收来的热量有多少转化为有用的功。当时，蒸汽机的效率很低，只有3%~5%左右。这一方面是由于散热、漏气、摩擦等因素损耗能量，另一方面是由于部分热量在低温热源处放出。为了提高热机的效

2、率，人们开始从理论上研究热机。斯特林热机就是此时诞生的。斯特林热机是一种高效率的能量转换装置，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林热机仅采用外部热源，丁作气体不直接参与燃烧，因此乂被称为外燃机。只要外部热源温度足够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等在内的任何热源，都可使斯特林热机运转，既安全又清洁，故其在能源工程技术领域的研究兴趣II益增加，极有可能成为未来动力的来源Z—o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、氨气等。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

3、腔。置换器活塞推动丁•作气体在两个端Z间来冋运动，气体在低温冷腔屮被压缩，然麻流到高温热腔屮迅速加热，膨胀做功。如此循坏不休，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稈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T机械能，又可将机械能T热能。如果用于制冷，则图2屮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稈（实验室斯特林机实物

4、图）3.部件功能：仪器上方的椭恻弹片对动力活塞起到弹性恢复力的作用•配气活塞下方汽缸是热腔，配气活塞上方汽缸是冷腔.底部的-1•字弹片起到驱动配气活塞的作用.配气活塞在这里起到移气和再生的作用.配气活塞的直径比气缸的内径小些,当配气活塞白由上下移动时，即可以把气缸内的气体工质挤下或挤上•如果气缸底端加热•而在气缸上端冷却.使上下两端具有足够的温差•即可看见当配气活塞上移•气缸内的气体被挤至气缸底端•此时由于气缸底端加热.因此气体受热，压力变大，此压力经由活塞与气缸间的空隙传到动力活塞，使Z上移•相反的，把配气活塞下移，则气缸内的气体

5、被挤至气缸上端，此时由于气缸上端为冷却区，因此气体被冷却•使气体温度降低•压力变小•而使动力活塞下移.如果不断使配气活塞上下移动•即可看见动力活塞随Z上下移动.另外•斯特林循环欲达到和卡诺循环相同的热效率,必须将T质等容放热过程所放出的热量•用来提供工质等容吸热升温所需的热童•这个步骤叫作再生•所使用的装置称为再生器•木仪器的微孔配气活塞兼有再生器的作用.必须注意动力活塞与配气活塞二者相位差是龙/2,因为如果要使输出到曲柄联杆上的平均扭力最大,就要使动力活塞向上移动到中间位置时获得最大的动力，而当配气活塞移到最顶点的位置时.由于底部

6、加热空问最大，所产生的压力嚴大•动力活塞输出动力也最大•而此时二者相位差是龙/2.4.实验过程及现象：斯特林机由一个玻璃罩，大灯泡，活塞，转轮等组成。实验时，老师打开电源开关，灯泡发亮，加热活塞Z后转轮便缓慢转动起來。在该装置屮有两个活塞：动力活塞：这是发动机上方较小的活塞。它是紧封闭的。当发动机内的气体膨胀时，动力活塞会向上运动。置换器活塞：这是装置屮较大的活塞。它在气缸屮非常白由，因此随着其上下运动，空气很容易在加热式或冷却式气缸Z间流动。置换器活塞通过上下运动来控制是对发动机中的气体进行加热还是冷却。它有两个位置：当置换器活塞

7、靠近大气缸的上方时，发动机内的大部分气体由热源加热，然后开始膨胀。发动机内产生的压力会强制动力活塞向上运动。当置换雅活塞靠近大气缸的底部时，发动机内的大部分气体开始冷却收缩。这会导致压力下降，从而使动力活塞向下运动，对气体进行压缩。发动机会反复对气体进行加热和冷却，以便从气体的膨胀和收缩屮吸取能量。3.斯特林机的具体工作过程：下面结合循环图（图2）和活塞运动图（图3）,來详细分析一下斯特林热机的四个循坏过稈。一个装有两个对置活塞的气缸，在两个活塞Z间设置一个冋热器。可以把冋热器设想成一块交替放热和吸热的热力海绵。冋热器和活塞Z间形成

8、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Tmino因此，在冋热器两端有一个温度梯度Tmax-Tmino假设冋热器在纵向没有热传导，与卡诺循环情况一样，假设活塞在运动屮无摩擦，工作气体在气缸屮无泄