LABORATORIUM Z FIZYKI TECHNICZNEJ Ć W I C Z E N I E N R 9 WYZNACZENIE SPRAWNOŚCI SILNIKA STIRLINGA

Transkrypt

1 Ćwiczenie 0: Wyzaczanie sprawności silnika Strlinga Projekt Plan rozwoju Politechniki Częstochowskiej współfinansowany ze środków UNII EUROPEJSKIEJ w raach EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU SPOŁECZNEGO Nuer Projektu: POKL /08 INSTYTUT FIZYKI WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I TECHNOLOGII MATERIAŁÓW POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA LABORATORIUM Z FIZYKI TECHNICZNEJ Ć W I C Z E N I E N R 9 WYZNACZENIE SPRAWNOŚCI SILNIKA STIRLINGA Politechnika Częstochowska, Centru Proocji i Zastosowań Nauk Ścisłych ul. Dąbrowskiego 73 pok. 78, 4-00 Częstochowa tel./ fax , e-ail: ii@ii.pcz.pl, --

2 Ćwiczenie 0: Wyzaczanie sprawności silnika Strlinga I. Zagadnienia do przestudiowania: Teoria kinetyczno olekularna gazów, Równanie Clapeyrona, Przeiany gazowe, Pierwsza i druga zasada terodynaiki, Procesy kołowe, definicja sprawności silnika, cykl Carnota. II. Wstęp teoretyczny Substancją roboczą, zbudowanego w 86 roku, silnika Stirlinga jest gaz, np. powietrze. Silnik pobiera ciepło z zewnętrznego źródła, bez spalania wewnętrznego, i dlatego zyskuje w ostatnich latach zainteresowanie ze względów ekologicznych. Gaz doskonały w idealny silniku Stirlinga podlega procesowi kołoweu, który składa się z dwóch przeian izotericznych i dwóch izochorycznych (rys.). Rys.. Cykl zaknięty idealnego silnika Stirlinga. Proces AB jest izotericzny rozprężanie p p, przy stałej teperaturze T = const. Ciśnienie i objętość spełnia równanie: p p. () Pracę wykonuje silnik koszte pobranego ciepła bez ziany energii wewnętrznej gazu. Zgodnie z pierwszą zasadą terodynaiki praca W jest równa pobraneu ciepłu ze źródła Q. Pracę wykonano przez gaz w procesie AB ożna wyznaczyć z zależności: W pd. () Z równania Clapeyrona wynika, że przy stałej teperaturze T ciśnienie p zależy od objętości zgodnie z równanie: nrt p, (3) gdzie: n jest liczbą oli gazu a R stałą gazową. Po podstawieniu do równania () ay: --

3 Ćwiczenie 0: Wyzaczanie sprawności silnika Strlinga d Q W nrt nrt ln. (4) Proces BC jest izochoryczny ochładzanie w objętości. Ciśnienie aleje od p do p 3, teperatura od T do T. Wydzielone ciepło jest akuulowane wewnątrz silnika i jest odzyskiwane w procesie DA, który jest izochoryczny ogrzewanie od teperatury T do teperatury T przy wzroście ciśnienia od p 4 do p w stałej objętości (rys.). Proces CD jest izotericzny sprężanie w teperaturze T. Praca wykonana nad gaze W, równa ciepłu oddaneu przez gaz, Q, zgodnie z powyższyi wzorai oże być dana wyrażenie: d Q W nrt nrt ln (5) Efektywna praca wykonana przez silnik w jedny zaknięty cyklu jest różnicą ilości ciepła pobranego i oddanego przez silnik: W Q Q (6) Sprawność zdefiniowana jako wyrażony w procentach stosunek wykonanej w jedny cyklu pracy do pobranego przez silnik w ty cyklu ciepła oże być wyrażona w postaci: nr( T T )ln Q Q T T 00% 00% 00%. (7) Q T nrt ln Powyższy wzór jest identyczny ze wzore na sprawność silnika pracującego według idealnego cyklu Carnota. Scheat rzeczywistego silnika Stirlinga pokazane jest na rys.. Rys. Zasada działania dwucylindrowego silnika Sterlinga. -3-

4 Ćwiczenie 0: Wyzaczanie sprawności silnika Strlinga Substancją roboczą jest stała asa gazu zaknięta w dwóch cylindrach z dwoa tłokai połączonyi wałe korbowy tak, aby tłok w cylindrze ciepły (pozioy) wyprzedzał tłok w cylindrze ziny o ¼ cyklu ruchu. Podstawowe etapy pracy silnika to: rozprężanie (I), ochładzanie (II) akuulacja ciepła, sprężanie (III) oraz ogrzewanie odzysk ciepła (I). Silnik pobiera ciepło z zewnętrznego źródła (etap I) i oddaje ciepło do otoczenia (etap III). Wykres p rzeczywistego, zakniętego cyklu pracy silnika Stirlinga różni się od idealnego cyklu pokazanego na rys. i jest przedstawiony na rys.3. Rys.3 Ciśnienie w funkcji objętości w rzeczywisty, zaknięty cyklu Stirlinga. Pole pod krzywą zakniętą p jest równe pracy wykonanej przez silnik w czasie jednego cyklu. W doświadczeniu wyznaczay: współczynnik sprawności cieplnej palnika (zewnętrznego źródła ciepła), pracę całkowitą wykonaną przez silnik w jedny cyklu, pracę echaniczną ruchu obrotowego i oc echaniczną jako funkcję częstotliwości obrotowej, przy wykorzystaniu iernika oentu siły, sprawność silnika Do wyznaczania sprawności cieplnej palnika potrzebna jest znajoość ocy cieplnej palnika. III. Wyznaczanie ocy cieplnej palnika Przebieg poiarów. Przy poocy enzurki odierzay (około 5 l) alkoholu i wleway go do palnika.. Mierzyy czas spalania alkoholu przy poocy stopera. 3. Wyniki zapisujey w tabelce: Lp. [l] t[s] [ g / l] H [ kj / g] [g] u / t P H [W ]

5 Ćwiczenie 0: Wyzaczanie sprawności silnika Strlinga 4. Masę spalonego alkoholu wyznaczay ze wzoru: a szybkość spalania u (8) t 5. Moc cieplną palnika obliczy z zależności: P H u H, (9) gdzie H jest ciepłe spalania alkoholu. Ze względów czasowych ożna tą część eksperyentu poinąć przyjując w dalszej części ćwiczenia oc cieplną palnika P H 67W. I. Wyznaczanie pracy całkowitej wykonanej przez silnik w jedny cyklu. Sprawdzić połączenia: -Teropara ierząca teperaturę gorącego końca silnika powinna być połączona z gniazde T, a teropara ierząca teperaturę chłodnicy z gniazde T iernika p--n- T. -Przetwornik ciśnienia i objętości przy silniku powinien być połączony z odpowiedni gniazde iernika. -Wyjście iernika połączyć z wejście Analog In/S interfejsu Cobra3. -Wyjście p iernika połączyć z wejście Analog In/S interfejsu. -Podłączyć zasilanie i wyjście USB połączyć z koputere. W pierwszej kolejności należy przeprowadzić kalibrację przetworników objętości i ciśnienia w napięcie elektryczne. W ty celu należy:. Włączyć iernik p--n-t.. Wcisnąć przycisk kalibracji T 3. Ustawić tłok w cylindrze pionowy silnika w pozycji najniejszej objętości (najniższe położenie tłoka osiężnego). 4. Wcisnąć na ierniku przycisk Kalibracja. Miernik wskaże liczbę obrotów n=0, teperaturę T i T. 5. Uruchoić progra easure 6. Wybrać przycisk iernik 7. Wybrać Cobra3 Rejestrator uniwersal 8. Wybrać poiar noralny 9. Wcisnąć Dalej i następnie Uruchoić poiar. 0. Obracać koło zaachowe silnika ręcznie ruche jednostajny obrotowy z taką prędkością kątową, aby przeiana gazu w silniku ogła być traktowana jako izotericzna.. Po wykonaniu kilku pełnych obrotów wcisnąć przycisk Zakończ poiar. Na ekranie zostaną wyświetlone dwa wykresy: czerwony przedstawiający napięcie odpowiadające objętości i niebieski przedstawiający napięcie odpowiadające ciśnieniu w funkcji czasu. 3. Kliknąć na krzywą oznaczoną kolore czerwony. 4. Nacisnąć przycisk Przekształcenie kanałów 5. W iejscu Operacja f:= wpisać 3+U*/5. 6. W opisie zaiast kanał analogowy wpisać Objętość, wielkość ierzona, jednostka poiarowa c^3 7. Kliknąć przycisk Oblicz. Na ekranie pojawi się wykres objętości w funkcji czasu w kolorze zielony. -5-

6 Ćwiczenie 0: Wyzaczanie sprawności silnika Strlinga 8. Kliknąć krzywą oznaczoną kolore niebieski. Zienia się opis osi pionowej. Napięcie U w woltach zależne od ciśnienia gazu w silniku. 9. Kliknąć przycisk Przekształcanie kanałów. 0. W pozycji Kanały źródłowe wstawić.. W pozycji Operacja f:= wpisać 03+(U -,5)*35.. W opisie zaiast Kanał analogowy wpisać Ciśnienie, wielkość ierzona p, jednostka poiarowa hpa. 3. Kliknąć Oblicz. W oknie pojawi się czerwony wykres ciśnienia w funkcji czasu. 4. Przy poocy przycisków Zaznaczenie i Wycięcie wybrać obszar onotonicznych zian napięcia U i ciśnienia p w funkcji czasu. Przyciskai U i ożna usunąć fragenty wykresów U(t) i (t). 5. Wybrać Poiar i z enu rozwijanego Menager kanałów poiarowych 6. Drugi kanał analogowy U(t) wybrać jako oś X, ciśnienie jako oś Y. 7. Kliknąć przycisk OK.. 8. Pojawi się okno Konwertuj relację na funkcję. Kliknij wybór Zachowaj tylko wartości do pierwszego zakłócenia onotoniczności 9. Kliknij OK. W oknie pojawi się wykres zależności ciśnienia od U. 30. Wybrać przycisk Dopasuj krzywą 3. Wybierz linię prostą y = a*x + b. 3. Kliknij Oblicz 33. Zapisz wartości a i b. Jest to koniec kalibracji układu. 34. Zapal palnik i podsuń pod cylinder pozioy. Gdy różnica teperatur T i T będzie około 70K urucho silnik ręcznie przekręcając koło zaachowe zgodnie z ruche wskazówek zegara. Odczytaj ustalone wartości liczby obrotów n i teperatur T i T. Wyniki zanotuj w tabelce. 35. Kliknąć przycisk Miernik. 36. Wybrać Cobra3 Rejestrator uniwersal 37. Kliknąć Szybki poiar. 38. Wybrać 000 punktów poiarowych. 39. Rozpocząć poiar 40. Po zakończeniu poiaru w oknie pojawią się dwa wykresy U(t) i U(t). 4. Dokonać przekształcenia kanału U(t) w (t) zgodnie z punktai Dokonać przekształcenia kanału U(t) w p(t). W pozycji Operacja f:= a*u+b, gdzie a i b są wartościai uzyskanyi w punkcie Przy poocy przycisków Zaznaczanie i Wycięcie wybrać obszar zian (t) i p(t) nieznacznie przewyższający jeden okres. 44. Wybrać Poiar i z enu rozwijanego Menager kanałów poiarowych. 45. Objętość wybrać jako oś X, Ciśnienie wybrać jako oś Y. 46. Kliknąć przycisk Bez zachowania relacji. 47. W oknie zobaczyy pętlę p. Pole tej pętli jest pracą wykonaną przez silnik w jedny cyklu. W celu obliczenia tej pracy kliknąć przycisk Pokaż całkę. Wartość bezwzględna liczby w oknie jest oczekiwaną pracą W p. Wyniki zapisujey w tabeli. 48. Obciążay silnik oente echaniczny M dokręcając śrubę wskazówki w celu zwiększenia siły tarcia na osi. 49. Po ustaleniu się szybkości obrotów silnika notujey jej wartość wraz z teperaturai T i T oraz wyznaczay pole pętli p (punkty 35-47). 50. Zwiększay oent echaniczny średnio co x0-3 N aż do zatrzyania silnika. Po ustaleniu wartości oentu siły (eliinacja niewielkich drgań wskazówki) powtarzay procedurę określania pola powierzchni pętli p. Regulacje oentu należy przeprowadzać ostrożnie aby nie zdławić silnika. 5. Wyniki zapisujey w tabelce. -6-

7 . Tabela poiarowa Ćwiczenie 0: Wyzaczanie sprawności silnika Strlinga L.p. M [0-3 N] n [in - ] T [K] T [K] W [J] f [Hz] P [W] W p [J] W fr [J] I. Opracowanie wyników Pracę echaniczną wykonana przez silnik w jedny cyklu (jedny pełny obrocie),w, obliczay ze wzoru: W M (0) gdzie M jest oente echaniczny obciążający silnik. Po przeliczeniu liczby obrotów n na częstotliwość f oc echaniczną silnika ożna wyrazić wzore: P W f () Praca silnika wykonana w celu pokonania wszelkich sił tarcia w jedny cyklu będzie dana wyrażenie: W fr W W () p. Obliczyć pracę echaniczną, W, częstotliwość f, oc echaniczną P i pracę silnika na pokonanie sił tarcia, W zgodnie z wzorai (0) () i wpisać do tabelki.. Sporządzić na jedny rysunku wykresy W p ( f ), W ( f ) i ( f ) fr 3. Dla aksyalnej ocy echanicznej silnika, P, obliczay : sprawność palnika, sprawność tericzną cyklu i sprawność echaniczną silnika. W fr Sprawność palnika definiujey wzore: W 00% (3) W H gdzie W H jest energią dostarczoną przez palnik w jedny cyklu pracy silnika. W H oże być obliczona z zależności: PH WH, (4) f gdzie PH jest ocą palnika określoną na początku eksperyentu ( P H 67W ) f częstotliwością obrotów silnika. Sprawność tericzną cyklu obliczay ze wzoru: T T T 00% (5) T -7-

8 Ćwiczenie 0: Wyzaczanie sprawności silnika Strlinga Sprawność echaniczną określa wzór: Zestawić i przedyskutować uzyskane wyniki sprawności W 00% (6) W II. Literatura. Instrukcje firy Phywe Physics-Laboratory Experients. R. Resnick, D. Halliday, Fizyka to., PWN Warszawa J. Orear, Fizyka, PWN Warszawa p -8-