斯特林空气热机实验报告

1

利用空气热机验证卡诺定理

田群 王静菊

（中国海洋大学 海洋环境学院 海洋气象系，山东青岛，266100）

摘 要：本文介绍了利用空气热机验证卡诺定理的原理和方法。得到实验结果与卡诺定理的理 论值基本一致，并对产生误差的原因做了讨论。 关键词： 卡诺定理； 空气热机； 热效率

卡诺定理（Carnot Theorem）是法国物理学家尼古拉·卡诺（Nicolas Carnot）在前人工作的基础上于1924年提出的。此定理说明热机的最大热功率只与高温热源与低温热源之间的温度差有关，即：

TC 为低温热源的绝对温度，TH 为高温热源的绝对温度[1]。空气热机是以空气为工作物质的热机，在1816年由伦敦牧师罗伯特·斯特林（Robert Stirling）发明，因此又称为“斯特林发动机”，是最古老的热机之一[2]。本文将利用空气热机验证卡诺定理，并对空气热机的效率低于卡诺热机效率的原因做一些分析。

1 空气热机的工作原理

空气热机的工作部分结构如图1，工作活塞使汽缸内气体封闭，并在气体的推动下对外做功。位移活塞是非封闭的占位活塞，其作用是在循环过程中使气体在高温区与低温区间不断交换，气体可通过位移活塞与

位移汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运

综合设计与创新物理实验

空气热机实验报告

学 院: XX学院

学生姓名: XX 学 号: XX

二零XX年X月X日

空气热机实验报告

摘要：空气热机是利用空气不同温度的空气导致不同气压的原理，使空气产生流动从而将热能转换为机械能的机器。本实验测量了不同的冷热端温度时的热功转换值及热机输出功率随负载及转速的变化关系，验证了卡诺定理，探讨出热机效率的影响因素。 关键词：空气热机 卡诺定理 热工转换 输出功率 1 实验过程 1.1 实验原理

空气热机主机由高温区，低温区，工作活塞及气缸，位移活塞及气缸，飞轮，连杆，热源等部分组成。工作活塞使气缸内气体封闭，并在气体的推动下向外做功。当工作活塞处于最低端时，位移活塞迅速左移，使气缸内气体向高温区流动；进入高温区的气体温度升高，使气缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞处于最顶端时，位移活塞迅速右移，使气缸内气体向低温区流动，进入低温区的气体温度降低，使气缸内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下移动，完成循环。

卡诺根据对热机效率的研究而得出了卡诺定理。对于循环过程可逆的理想热机，热机转换效率：

η=A/

综合设计与创新物理实验

空气热机实验报告

学 院: XX学院

学生姓名: XX 学 号: XX

二零XX年X月X日

空气热机实验报告

摘要：空气热机是利用空气不同温度的空气导致不同气压的原理，使空气产生流动从而将热能转换为机械能的机器。本实验测量了不同的冷热端温度时的热功转换值及热机输出功率随负载及转速的变化关系，验证了卡诺定理，探讨出热机效率的影响因素。 关键词：空气热机 卡诺定理 热工转换 输出功率 1 实验过程 1.1 实验原理

空气热机主机由高温区，低温区，工作活塞及气缸，位移活塞及气缸，飞轮，连杆，热源等部分组成。工作活塞使气缸内气体封闭，并在气体的推动下向外做功。当工作活塞处于最低端时，位移活塞迅速左移，使气缸内气体向高温区流动；进入高温区的气体温度升高，使气缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞处于最顶端时，位移活塞迅速右移，使气缸内气体向低温区流动，进入低温区的气体温度降低，使气缸内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下移动，完成循环。

卡诺根据对热机效率的研究而得出了卡诺定理。对于循环过程可逆的理想热机，热机转换效率：

η=A/

斯特林发动机的发展史,以及斯特林在各个方面的应用。

斯特林发动机一热机领域里的竞争者王景枯上海汽车发动机厂上海船用柴油机研究所

徐宁义! #,

自从概念以后

年法国卡诺提出热机的循环和可逆的,

同时向外放热 0

,

保证过程等温

,

做负功

。

人们认识到实际热机的效率不可能高于理想可逆的热机理想效率与工质无关只与冷热源的,

动力活塞在上止点不动配气活塞由上止点向下点运动经压缩后的工质流经回热

等温吸热

—,

,

,

谧差有关多年以来汽轮机、

,

并据此设想出高压缩型自燃式热机、、

。

一百

器

,

并从中吸收热量使温度和压力都升高到最大值,

。

与内燃机同时发展或新近在发展中的有燃气轮机以及利用太阳能氢能核聚变能,、

由于动力活塞不动行,

总工作容积不变

,

过程在等容进

不做功

。

等各种能源的高效

低公害新型动力机、、

。

属于热机范、

畴的则有蒸汽机内燃机汽轮机燃气轮机斯 / )特林%& ( +发动机朗肯, . 发动机和氢发、

、

膨胀麟

动机

低

、

除蒸汽机已接近淘汰以外汽轮机由于效率太装置笨重而只用于电站和大型船舶,斯特林朗。、

,

厂〕〕二厂二二〕

州

0

肯和氮发动机目前均尚不够成熟因此作为主要发动机的仅有内燃机和燃气轮机,而燃气轮机的经济性还比不上内燃机,

。

,

1 2一 1

加热器

’

… 曰

3

回热器配气活

斯特林发动机的发展史,以及斯特林在各个方面的应用。

斯特林发动机一热机领域里的竞争者王景枯上海汽车发动机厂上海船用柴油机研究所

徐宁义! #,

自从概念以后

年法国卡诺提出热机的循环和可逆的,

同时向外放热 0

,

保证过程等温

,

做负功

。

人们认识到实际热机的效率不可能高于理想可逆的热机理想效率与工质无关只与冷热源的,

动力活塞在上止点不动配气活塞由上止点向下点运动经压缩后的工质流经回热

等温吸热

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谧差有关多年以来汽轮机、

,

并据此设想出高压缩型自燃式热机、、

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并从中吸收热量使温度和压力都升高到最大值,

。

与内燃机同时发展或新近在发展中的有燃气轮机以及利用太阳能氢能核聚变能,、

由于动力活塞不动行,

总工作容积不变

,

过程在等容进

不做功

。

等各种能源的高效

低公害新型动力机、、

。

属于热机范、

畴的则有蒸汽机内燃机汽轮机燃气轮机斯 / )特林%& ( +发动机朗肯, . 发动机和氢发、

、

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动机

低

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除蒸汽机已接近淘汰以外汽轮机由于效率太装置笨重而只用于电站和大型船舶,斯特林朗。、

,

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肯和氮发动机目前均尚不够成熟因此作为主要发动机的仅有内燃机和燃气轮机,而燃气轮机的经济性还比不上内燃机,

。

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加热器

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3

回热器配气活

空气热机实验

热机是将热能转换为机械能的机器。历史上对热机循环过程及热机效 率的研究，曾为热力学第二定律的确立起了奠基性的作用。斯特林1816 年发明的空气热机，以空气作为工作介质，是最古老的热机之一。虽然现 在已经发展了内燃机、燃气轮机等新型热机，但空气热机结构简单，便于 帮助理解热机原理与卡诺循环等热力学中的重要内容，是很好的热学实验 教学仪器。

一、实验目的

1、理解热机原理及循环过程；

2、测量不同冷热端温度时的热功转换值，验证卡诺定理；

3、测量热机输出功率随负载及转速的变化关系，计算热机实际效率。

二、实验原理

空气热机的结构及工作原理可用图1说明。热机主机由高温区、低温 区、工作活塞及汽缸、位移活塞，以及汽缸、飞轮、连杆、热源等部分组 成。

热机中部为飞轮与连杆机构，工作活塞与位移活塞通过连杆与飞轮连 接。飞轮的下方为工作活塞与工作汽缸，飞轮的右方为位移活塞与位移汽 缸，工作汽缸与位移汽缸之间用通气管连接。位移汽缸的右边是高温区， 可用电热方式或酒精灯加热，位移汽缸左边有散热片，构成低温区。

工作活塞使汽缸内气体封闭，并在气体的推动下对外做功。位移活塞 是非封闭的占位活塞，其作用是在循环过

斯特林发动机

斯特林发动机是一种闭循环活塞式热机,闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内,而开循环则如内燃机和一些蒸气机需要与大气交换气体。斯特林发动机一般被归为外燃机。

切图以外的菱形驱动器测试配置斯特林发动机的设计：

* 粉红-热筒壁

* 深灰色-冷筒壁（与冷却进排气管在黄色） * 暗绿色-热绝缘分开的两个汽缸结束 * 浅绿色-置换活塞 * 深蓝色-功率活塞

* 淡蓝色-曲柄连杆和飞轮

没有表明：热源和热汇。 在此设计了置换活塞构造没有专门建造的再生 。

介绍

斯特林发动机在热机中的效率目前是最高的，有时可以达到80%。

In the conversion of heat into mechanical work, the Stirling engine has the potential to achieve the highest efficiency of any heat engine. It can theoretically perform up to the full Carnot efficiency, although not yet in practice. The pract

关于斯特林发动机的研究与发展

学号：13015218

姓名：彭俊图

摘要:简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯 特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。

关键词:斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统

随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传 统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个 问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途 径之一。斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种 封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，噪音低，运转特性好，结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的关注。国外一些专家预言， 21 世纪将是斯特林发动机的 世纪。

1 斯特林发动机的发展

1816 年，罗伯特·斯特林 (Robe Stirling) 发明了闭式循 环的热气机一一斯特林发动机。在当年的第 4081 号专利 中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和 应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述

斯特

毕 业 设 计(论文)

题 目 斯特林发动机模型制作与研究

系 别 专业班级 学生姓名 指导教师

动力工程系

热能与动力工程08k3班

王庆五

二○一二年六月

华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）

斯特林发动机模型制作与研究

摘 要

随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。研究能以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为21世纪提供主要动力。斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。本文通过研究斯特林发动机的性能特性，讲述了斯特林发动机的结构类型与主要分析方法，总结了斯特林发动机的关键技术，阐述了斯特林发动机的特点及主要应用，设计制

实习报告的编写 要求如下：

1． 说明实习目的、任务及要求；

2． 实习的内容、方法、步骤、精度、计算结果； 3． 实习的心得体会、意见和建议。

一、教学实习任务

实习的具体内容如下：

1． 每组完成小区域控制测量、数字地形图测绘。2.每组完成一条道路的纵横断面测量

和土方量的计算。3.完成全站仪放样房角点；

二、基本资料

每组领取水准仪一台，标尺一对，尺垫二个，全站仪一套。

三、作业步骤与技术要求

第一部分：区域控制测量、数字地形图测绘

（一）平面控制测量

由于测区范围很小，故采用独立直角坐标系，以闭合导线形式建立图根级的平面控制网。 （已知点和已知方位角任意选取） 用5″全站仪施测。

精度要求：方位角闭合差≤10″n，导线全长相对闭合差为1/14000。 以下是图根级导线的施测步骤和精度要求。 1、外业工作

导线测量的外业工作包括：踏勘选点及埋设标志、角度观测、边长测量。 （1）选点、做标记 每组在指定地区选定若干控制点，组成闭合导线形式。 ① 导线点应均匀分布，导线边长应大致相等，避免前后边长相差太大。

② 控制点应选在土质坚实、便于保存标志和安置仪器、视野开阔便于施测碎部的地方，相邻导线点间通视良好，便于测角量