Загальна інформація
Опис (1/3)
Опис
Двигун Стірлінга
Прозорий двигун Стірлінга поєднує в собі такі характеристики:
- Повністю прозорий - видно всі важливі частини
- Вимірювання всіх експериментальних даних через модуль USB SmartSense
- Сумісність із measureLAB
- Велике прозоре махове колесо.
- Циліндр і поршень, що витісняє, виготовлені з термостійкого скла.
- Витісняючий поршень з 2 вимірювальними елементами для вимірювання температури.
Опис (2/3)
Опис
Двигун Стірлінга - це тепловий двигун, який працює за рахунок циклічного стиснення і розширення повітря при різних температурах, таким чином відбувається чисте перетворення теплової енергії в механічну роботу. Більш конкретно, двигун Стірлінга - це рекуперативний тепловий двигун із замкнутим циклом з постійно газоподібним робочим тілом.
Двигун Стірлінга був спочатку розроблений доктором Робертом Стірлінгом (1790 - 1878).
Доктор Роберт Стірлінг
Опис (3/3)
Опис
Принцип роботи двигуна Стерлінга
Двигун Стірлінга PHYWE має тільки один циліндр, гарячий на одному кінці і холодний на іншому. Витіснювач, що нещільно прилягає, шунтує повітря між гарячим і холодним кінцями циліндра. Силовий поршень на відкритому кінці циліндра приводить у рух маховик.
Додаткова інформація (1/3)
Попередні
знання
Принцип
Цикл складається з чотирьох термодинамічних процесів/ коло Карно
- Ізотермічне додавання теплоти (розширення).
- Ізохорне відведення теплоти (постійний об'єм).
- Ізотермічне відведення теплоти (стиснення).
- Ізохорне додавання теплоти (постійний об'єм).
Якщо цикл Стірлінга має перпендикулярні лінії, в реальних додатках, цей цикл є квазіеліптичним.
Додаткова інформація (2/3)
Мета навчання
Учні мають дізнатися поняття про ...
- Перший і другий закон термодинаміки
- Оборотні цикли
- Ізохорні та ізотермічні перетворення
- Газові закони
- ККД
- Перетворення теплоти
- Тепловий насос
- Цикл Карно
Додаткова інформація (3/3)
Принцип
На двигун Стірлінга подається навантаження за допомогою торсіометра (регульованого вимірювача крутного моменту або з'єднаного генератора). Спостерігаються зміни частоти обертання і температури двигуна Стірлінга. Ефективна механічна енергія і потужність, а також ефективна електрична потужність оцінюються залежно від частоти обертання. Кількість енергії, перетвореної в роботу за цикл, можна визначити за допомогою -діаграми.
Можна обчислити ККД двигуна Стірлінга
Інструкції з техніки безпеки
Етанол / Денатурований спирт
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів з природничих наук
Правила роботи з небезпечними речовинами наведено у відповідних паспортах безпеки
H225: Сильно займиста рідина і пара.
H318: Викликає серйозні пошкодження очей.
P210: Зберігати подалі від тепла, гарячих поверхонь, іскор, відкритого вогню та інших джерел займання. Не палити
Теорія (1/6)
У 1816 році Роберт Стірлінг отримав патент на двигун гарячого повітря, який сьогодні відомий як двигун Стірлінга. У наш час двигун Стірлінга використовується для вивчення принципу роботи теплових двигунів, оскільки в цьому разі процес перетворення теплової енергії на механічну особливо наочний та відносно простий для розуміння. Наразі двигун Стірлінга переживає новий етап подальшого розвитку завдяки своїм численним перевагам. Так, наприклад, він є закритою системою, працює дуже плавно, та може працювати з різними джерелами тепла, що дає змогу враховувати й екологічні аспекти.
Теоретично, у кожному циклі роботи двигуна є чотири фази (етапи).
-діаграма для ідеального процесу Стірлінга
Теорія (2/6)
I) Ізотермічне розширення робочого тіла, коли підводиться тепло і виконується робота:
II) Ізохорне відведення тепла від робочого тіла до регенератора (охолодження газу):
III) Ізотермічне стиснення робочого тіла, коли виділяється тепло і виконується робота:
IV) Ізохорне нагрівання робочого тіла при підведенні тепла до системи:
Згідно з першим законом термодинаміки, коли теплову енергію підводять до ізольованої системи, її кількість дорівнює сумі внутрішньої енергії системи та механічної роботи, яку вона виконує:
Для циклу Стірлінга важливо, щоб теплова енергія, отримана під час фази ізохорного охолодження, зберігалася доти, доки її не буде використано знову під час фази ізохорного нагрівання (принцип регенерації).
Теорія (3/6)
Фаза I
Фаза II
Фаза III
Фаза IV
Принцип роботи двигуна Стірлінга, фази (етапи) I, II, III, IV
Теорія (4/6)
Таким чином, під час фази IV кількість теплової енергії, вивільненої під час фази II, регенеративно поглинається. Це означає, що в двигуні відбувається лише обмін тепловою енергією. Механічна робота лише виконується під час фаз I і III. Через те, що внутрішня енергія не змінюється під час ізотермічних процесів, робота, виконана під час цих фаз, відповідно дорівнює поглинутій або вивільненій тепловій енергії.
Оскільки де число молей, що містяться в системі і - універсальна газова стала.
Робота, виконана на етапі I, становить:
(від'ємна, тому що це кількість теплоти, що підводиться).
Отже, робота, що виконується на етапі III, становить:
оскільки
Теорія (5/6)
Таким чином, повна робота визначається сумою и . Це дорівнює площі діаграми .
Лише частина цієї повної ефективної енергії використовується в якості ефективної роботи через зовнішні навантаження, прикладені до двигуна. Решта - це втрати двигуна Стірлінга.
Максимальний тепловий ККД оборотного процесу в тепловому двигуні дорівнює відношенню всієї сумарної роботи до кількості теплової енергії, що підводиться
Теорія (6/6)
Тільки частина цієї повної ефективної енергії може бути використана як ефективна робота через зовнішні навантаження, прикладені до двигуна.
Решта - це втрати двигуна Стірлінга.
Карно вважав, що це максимальний тепловий ККД для будь-якого теплового двигуна, якого можна досягти лише теоретично.
ККД зростає зі збільшенням різниці температур.
Обладнання
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Двигун Стірлінга, прозорий. | 04372-00 | 1 |
| 2 | Блок двигун/генератор | 04372-01 | 1 |
| 3 | Торсіометр | 04372-02 | 1 |
| 4 | Камін для двигуна Стірлінга | 04372-04 | 1 |
| 5 | Дигітальний модуль для двигуна Стірлінга. | 04372-10 | 1 |
| 6 | Програмне забезпечення "measureLAB" | 14580-61 | 1 |
| 7 | Реостат, 330 Ом , 1,0 A | 06116-03 | 1 |
| 8 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 2 |
| 9 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 3 |
| 10 | Мірний циліндр, 50 мл, прозорий, PP | 36628-01 | 1 |
| 11 | Етанол (денатурат) | 31150-70 | 1 |
| 12 | Лампа розжарювання 4 В/ 0,04 A, E 10 | 06154-00 | 5 |
Підготовка та виконання роботи
Завдання
- Налаштування експериментальної установки
- Розрахунок повної енергії, виробленої двигуном Стерлінга
- Оцінка механічної роботи за один повний цикл і розрахунок механічної потужності залежно від частоти обертання
- Визначення ККД пальника
- Оцінка вихідної електричної потужності залежно від частоти обертання.
- Оцінка ККД двигуна.
Підготовка (1/2)
Відео з налаштування експериментальної установки
Ви можете легко і просто виконати налаштування, слідуючи відео, що додається.
Можливості з measureLAB
Маркетинг
Двигун Стірлінга:
Як встановити модуль реєстрації даних для використання з measureLAB
Двигун Стірлінга:
Можливості з measureLAB
Двигун Стірлінга:
Загальний огляд
Підготовка (2/2)
Будь ласка, підпишіться також на канал PHYWE на YouTube
Ви ніколи не пропустите в майбутньому нову інформацію для відповідних цілей
https://www.youtube.com/c/phywesysteme/featured
Виконання роботи
Побудова -діаграми
- Підключіть модуль до ПК через USB, а потім запустіть measureLAB.
- Виберіть "Швидкий старт", а потім використовуйте режим .
- Частота має бути встановлена на 2 кГц
- Налаштування кривої: Ширина лінії: 6 символьних точок
- Помістіть запалений пальник під скляний циліндр і спостерігайте за температурою на дисплеї.
- Не забувайте про скляний посуд.
- Коли різниця температур досягне приблизно 80 К, злегка підштовхніть маховик за годинниковою стрілкою, щоб запустити двигун.
- Через деякий час частота двигуна має досягти приблизно 600 об/хв.
Посібник
Керівництво
Використання measureLAB
- Використання програмного забезпечення докладно описано в "Посібнику користувача".
- Ви знайдете цей посібник, натиснувши таку кнопку в програмі measureLAB
Оцінка (1/3)
Спиртовий пальник, регульований 32154-00
Оцінку теплової потужності пальника (див. фото) наведено нижче.
Об`єм спаленого спирту
Густина спирту
Це дає змогу визначити масу спирту, що спалюється за секунду: , а також теплову потужність пальника: Вт.
Оцінка (2/3)
Оцінка (2/3) -Типова pV-діаграма двигуна Стірлінга PHYWE
Оцінка (3/3)
Оцінка (3/3) - Типова pV-діаграма двигуна Стірлінга PHYWE
Після запису pV-діаграми Ви можете натисканням кнопки "Інструменти та аналіз" та кнопки "Функція інтегрування" визначити значення інтеграла.
За допомогою цього інструменту Ви можете визначити площу поверхні кривої, необхідну для визначення ККД двигуна Стерлінга
Альтернативна установка
Альтернативна експериментальна установка
За допомогою зовнішнього джерела живлення (наприклад, блок живлення PHYWE, 230 В, 13506-93) постійного струму: 0...12 В, 2 А можна інвертувати цикл Карно, подаючи на пристрій 5 - 10 В постійного струму, 1,5 А, як показано на фото.
Зверніть увагу, що блок живлення не входить до комплекту поставки експерименту, і має бути придбане окремо.
