Работа №2 Цикл тепловой машины

Цель работы: исследование принципа работы простейшей тепловой машины в прямом и обращенном цикле.

Будем называть тепловой машиной устройство, способное переносить тепло от менее нагретого тела к более нагретому. В случае, если при этом процессе увеличивается температура теплоприемника за счет неограниченного запаса тепла в более холодном теле, цикл будем называть прямым, в случае уменьшения температуры более холодного тела за счет рассеяния тепла в более теплом теле, цикл будем называть обращенным.

В промышленных тепловых машинах не применяется газ в качестве рабочего тела вследствие крайне низкого КПД, но для ознакомления с принципом работы тепловой машины газ в качестве рабочего тела удобен из-за простоты описания происходящих процессов. Рассмотрим основные этапы работы тепловой машины в прямом цикле. Предполагается, что в системе имеется неограниченный источник тепла, т.е. такой источник, который сохраняет свою температуру независимо от процессов теплообмена с ним. В качестве такого источника реально используется окружающая среда (уличный воздух, вода в больших водоемах). В качестве приемника тепла может выступать, например, воздух внутри помещения. За счет тепла источника газ в начале цикла сжатия приобретает температуру источника. В процессе сжатия температура газа повышается, избыточное тепло передается приемнику тепла. При этом часть тепла неизбежно теряется на нагрев частей установки и, в конечном итоге, возврат назад к источнику тепла. Поскольку масса газа в объеме цилиндра много меньше суммарной массы циркулирующей воды в теплоприемнике и деталей установки, теплом, потраченным на нагрев газа можно пренебречь, тогда уравнение теплового баланса за цикл сжатия можно записать в следующем виде:

где - изменение температуры системы за один ход поршня;

- теплоемкость теплоприемника (воды);

- теплоемкость цилиндра и поршня;

- работа внешних сил по перемещению поршня.

Оценить работу можно графически, построив график зависимости по результатам измерения параметров состояния газа в процессе сжатия.

Экспериментальная установка

Схема установки изображена на рисунке ниже:

Назначение и характеристика основных элементов установки:

а) Термостатированный резервуар (1), с заключенным в нем цилиндром (2) с поршнем (3). Посредством штока (4) и реверсивного шагового привода (5) поршень может перемещаться в цилиндре. Управляется шаговый привод пультом (15), отображающим текущий объем под поршнем.

Параметры:

- объем под поршнем (геометрический): V_min = 0,5 л, V_max = 5 л;

- теплоемкость резервуара 400 Дж/°С.

б) Термостаты. Термостатирование объема осуществляется прокачиваемой водой, температура которой поддерживается термостатами (8) и (9), настроенными на поддержание низкой и высокой температуры. Выбор термостата, вода из которого в данный момент подается в объем (1), осуществляется краном (10). Каждый термостат имеет собственный пульт управления: (16) и (17). Термостаты расположены ниже уровня цилиндра и при отключении циркуляционного насоса вода из рубашки цилиндра стекает в соответствующий термостат. Термостат может находится в трех состояниях:

1) "ВЫКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [выключено], если в этом состоянии термостат подключен к системе краном (12), то в него стекает вода из рубашки цилиндра;

2) "ВКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [включено], при этом на выходе термостата температура равна заданной регулятором [Уст. Т] независимо от величины температуры на входе;

3) "ЦИРК." - переключатель [нагрев] в положении [выключено], переключатель [цирк.] в положении [включено], при этом температура на выходе термостата равна температуре на входе. Допускается любое состояние термостата при любом положении крана (10).

Параметры:

- диапазон задаваемых температур: t_min = 10 °C, t_max = 98 °C;

- объем циркулирующей воды: 1 л.

в) Система заполнения цилиндра. Для заполнения или вентиляции объема цилиндра служит кран (11) - соединяет внутренний объем цилиндра с атмосферой.

г) Контроль давления. Для контроля давления служит мановакуумметр (12). Прибор постоянно подключен к внутреннему объему цилиндра. Показания прибора - относительно атмосферного давления.

Параметры:

- шкала мановакуумметра: -0,1 ¸ 0 ¸ 1,2 МПа.

д) Измерение температуры внутри цилиндра осуществляется термопарой (6), индикация температуры - цифровой термометр (13). Для измерения температуры воды используется термопара (7), индикация температуры - цифровой термометр (14).

Параметры:

- шкала термометра: 0 ¸ 200 °С;

ЗАДАНИЕ

1. Запустите лабораторную работу. Отметьте в лабораторном журнале указанный преподавателем цикл тепловой машины и температуру источника (приемника) тепла.

2. При открытом кране 11 переведите поршень в верхнее положение, закройте кран 11.

3. Считаем левый термостат источником тепла (приемником). Установите на левом термостате заданную начальную температуру (можно оставить 20°С), переведите термостат в режим НАГРЕВ (режим НАГРЕВ на левом термостате будет включен постоянно).

4. Если исследуется прямой цикл тепловой машины, то подключите к цилиндру краном 10 правый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Запишите параметры состояния ( ) газа при верхнем положении поршня. Опускайте поршень вниз, записывая значения параметров ( ) через каждые 0,5 л, дожидаясь установления температуры в цилиндре. Далее, выключите режим ЦИРК правого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. Подключите к цилиндру краном 10 левый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Поднимите поршень в крайнее верхнее положение, дождитесь установления температуру в цилиндре, выключите режим ЦИРК левого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. На этом один цикл работы тепловой машины завершен.

5. Если исследуется обращенный цикл, то подключите к цилиндру краном 10 левый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Опустите поршень вниз до отметки 0,5 л. Дождитесь установления температуры. Выключите режим ЦИРК левого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. Подключите краном 10 к цилиндру правый термостат, включите режим ЦИРК. Запишите параметры состояния ( ) газа при нижнем положении поршня. Поднимайте поршень вверх, записывая значения параметров ( ) через каждые 0,5 л, дожидаясь установления температуры в цилиндре. Далее, выключите режим ЦИРК правого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. На этом один цикл работы тепловой машины завершен.

6. Используя данные о теплоемкости системы и результаты измерения температуры при рабочем движении поршня, оцените совершенную работу . Постройте график рабочего процесса и по нему определите совершенную работу . Сравните полученные результаты.

7. Повторите действия п.4 (или п.5) 10÷15 ( ) раз. Оцените затраченную работу по общему изменению температуры и сравните ее значение с величиной .

Объясните полученное расхождение.