LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 1

Wyznaczanie sprawnoci termicznej silnika Stirlinga

Celem wiczenia jest zapoznanie si z budow i zasad dziaania silnika Stirlinga oraz praktyczne wyznaczenie jego sprawnoci termicznej.

1. WSTP

Silnik Stirlinga, wymylony i opatentowany przez Roberta Stirlinga w 1816 roku,

jest maszyn przetwarzajc energi ciepln na mechaniczn. Jego cech

charakterystyczn odrniajc go od innych silnikw cieplnych jest to, e jest w nim

zamknita staa ilo gazu (wodr, hel, powietrze). Nie ma w nim cyklicznie spalanej

mieszaniny powietrza z gazowym lub ciekym paliwem, natomiast w sposb cigy

doprowadzane jest ciepo z zewntrz (np. ciepo pochodzce ze spalania paliwa staego

ciekego lub gazowego, ciepo dostarczane przez kolektor soneczny, ciepo fermentacji

nawozu) do ogrzewanego czynnika roboczego, ktry przepywa midzy dwoma

cylindrami z tokami, zwanymi pompujcym i roboczym bd ciepym i zimnym. Std

nie ma on zaworw wydechowych przez ktre ulatniaj si gazy pod wysokim

cinieniem ani te nie wystpuj spalania detonacyjne mieszanki paliwowej.

Do zalet silnika Stirlinga mona zaliczy:

- bardzo niski poziom haasu;

- bardzo niski poziom emisji szkodliwych skadnikw spalin przy duej

rnorodnoci wykorzystywanych rde ciepa;

- wysoka sprawno cieplna;

- brak ukadu zaponowego (wzgldnie drogiego i wysoce skomplikowanego);

- dopuszczalno lunego pasowania gorcego toka, przepompowujcego

czynnik roboczy;

- praca (praktycznie bez adnych zmian konstrukcyjnych) jako pompy ciepa lub

urzdzenia chodniczego

Do wad silnika Stirlinga mona zaliczy:

- trudno w uzyskaniu pynnej zmiany prdkoci obrotowej;

- stosunkowo due gabaryty silnika w stosunku do uzyskiwanej mocy;

- potrzeba intensywnego schadzania czynnika roboczego przepywajcego do

komory nad tokiem roboczym ze wzgldu na sprawno silnika oraz wzgldnie

duy jego ciar wasny w przypadku gdy cinienie czynnika roboczego

przewysza 2 MPa [1]

Biorc pod uwag zalety jakie posiada silnik Stirlinga znajduje on zastosowanie w

nastpujcych obszarach1

1 http://www.kmciso.ps.pl/stirling/index_stirling_zastosowania.html

http://www.kmciso.ps.pl/stirling/index_stirling_zastosowania.html

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 2

energetyka:

- stacjonarne i przenone generatory energii elektrycznej,

- systemy skojarzonej produkcji ciepa i energii elektrycznej,

- systemy przetwarzania energii sonecznej,

przemys samochodowy:

- napd gwny pojazdw samochodowych,

- hybrydowe zespoy napdowe pojazdw samochodowych,

przemys morski:

- napd okrtw podwodnych,

- pomocnicze zespoy napdowe i prdotwrcze,

- systemy utylizacji ciepa spalin wylotowych silnikw okrtowych,

- generatory do adowania akumulatorw odzi aglowych,

- napd maych robotw podwodnych,

przemys kosmiczny:

- pomocnicze rda energii w systemach elektroenergetycznych pojazdw

kosmicznych,

medycyna:

- pompa sztucznego serca,

urzdzenia chodnicze, klimatyzacyjne i kriogeniczne,

pompy ciepa i pompy wodne,

modelarstwo:

- napd miniaturowych modeli pojazdw samochodowych,

- napd miniaturowych modeli jednostek pywajcych.

2. BUDOWA I ZASADA DZIAANIA SILNIKA STIRLINGA

Rysunek 1 przedstawia widok zakupionego silnika Stirlinga w firmie PHYWE. W

podstawowej konfiguracji (Rys. 1) silnik ten skada si z dwch cylindrw (ciepego i

zimnego). Cylinder ciepy (poziomy) jest podgrzewany w sposb cigy w wyniku

spalania spirytusu w metalowym palniku a zimny (pionowy) jest chodzony

powietrzem atmosferycznym. Komory obydwu cylindrw s poczone tak, e gaz

swobodnie przepywa pomidzy nimi (przez pionow szklan rurk Rys. 1).

Widoczny na kocu tej rurki radiator uatwia odprowadzanie ciepa do otoczenia. Toki

s poczone waem korbowym w taki sposb, aby tok w cylindrze ciepym

(nieszczelny) wyprzedza ruch toka w cylindrze zimnym (szczelny) o kt 900. W celu

podtrzymania ruchu tokw, gdy silnik nie generuje siy napdowej korbowd jest

poczony z koem zamachowym (Rys. 2). Na przedueniu osi obrotu przymocowane

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 3

Rys. 1. Widok silnika Stirlinga firmy PHYWE

Rys. 2. Schemat silnika Stirlinga widocznego na Rys. 1

jest tarcza cylindryczna wykonana z pleksi poczona paskiem gumowym z

generatorem prdu i licznikiem obrotw. Dodatkowo na powierzchni zew. cylindra

ciepego (Rys. 1) znajduj si miejsca mocowania gorcych kocw termoelementw

paszczowych typu K do pomiaru temperatury T1 i T2. Teoretyczny oraz rzeczywisty

cykl pracy silnika Stirlinga przedstawia (Rys. 3).

Rys. 3a. Teoretyczny obieg Stirlinga Rys. 3b. Rzeczywisty obieg silnika Stirlinga

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 4

Obieg Stirlinga jest realizowany w wyniku wykonania nastpujcych przemian:

I. przemiana izotermiczna (T1 = idem) podczas ktrej dostarczane jest ciepo (z zewntrz) do ukadu oraz wykonywana jest praca zmiany

objtoci (Rys. 4_I)

II. przemiana izochoryczna (V2 = idem) w ktrej nastpuje ochodzenie czynnika roboczego w wyniku gwatownego spadku cinienia (Rys.

4_II)

III. przemiana izotermiczna (T2 = idem) podczas ktrej dostarczana jest praca i odprowadzane jest ciepo do otoczenia (Rys. 4_III)

IV. przemiana izochoryczna (V1 = idem) w ktrej nastpuje ogrzewanie czynnika roboczego w wyniku gwatownego wzrostu cinienia (Rys.

4_IV)

Zgodnie z pierwsz zasad termodynamiki energia dostarczona z zewntrz na sposb

ciepa dQ do nieruchomego ukadu zamknitego jest zuywana na wzrost jego energii

wewntrznej dU oraz na wykonanie pracy zewntrznej dL, ktra rwna jest pracy

zmiany objtoci pdV

pdVdUdQ (1)

W trakcie realizacji obiegu Stirlinga (silnik f-my PHYWE) silnik w sposb cykliczny

podgrzewa i chodzi czynnik roboczy uzyskujc energi w trakcie jego ekspansji i

kompresji.

Rys. 4. Kolejne fazy cyklu Stirlinga (por. Rys. 3a)

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 5

Biorc pod uwag fakt, e energia wewntrzna nie ulega zmianie w trakcie przemiany

izotermicznej (dlaczego?) praca przemiany izotermicznej odbywa si kosztem ciepa

doprowadzonego lub odprowadzonego (faza I oraz III).

Analizujc kolejne fazy cyklu Stirlinga (Rys. 4) moemy zauway, e:

Faza I: Ogrzany gaz w cylindrze ciepym (poziomy cylinder, nieszczelny tok)

rozszerza si i przechodzi (moliwa jest w tym miejscu opcja z

wykorzystaniem regeneratora w postaci skrconej siatki drucianej, ktra to

czasowo przechowuje ciepo) do cylindra zimnego (pionowy cylinder,

szczelny tok) wypierajc go do gry. Wykonywana jest w tym czasie praca

izotermiczna zmiany objtoci LT, I o wartoci

11

211121I, KmolJ3,8314R),/ln(R)/ln(R ppTnVVTnLT (2)

gdzie n liczba kilomoli gazu zawartego w ukadzie, a znak () oznacza, e praca jest

dostarczana do ukadu

Faza II: Tok w cylindrze zimnym pozostaje prawie w spoczynku, poniewa znajduje

si w swym grnym pooeniu zwrotnym. Gaz wypenia niemal ca objto

cylindra zimnego i zaczyna si ochadza. To powoduje spadek cinienia w

warunkach zblionych do izochorycznych. W trakcie zachodzcej przemiany

izochorycznej ilo oddawanego ciepa przy zaoeniu niezalenoci ciepa

waciwego przy staej objtoci od temperatury wynosi

)(1

R)( 1212II, TTnTTCnQ vv

(3)

gdzie = cp/cv wykadnik izentropy (dla powietrza = 1,4)

Faza III: Ruch koa zamachowego i kurczenie si gazu powoduj przemieszczenie si

toka zimnego w d, przy czym, tok ciepy znajduje si w swym prawym

pooeniu zwrotnym (prawie w bezruchu) gdzie ogranicza on dopyw ciepa z

palnika. Gaz ciepy i zimny (pod wpywem ruchu toka zimnego) mieszaj si

i oddaj ciepo przez radiator otoczeniu a dodatkowo zostaje wykonana praca

izotermiczna zmiany objtoci LT, III o wartoci

)/ln(R)/ln(R 212122III, ppTnVVTnLT (4)

przy czym zachodzi relacja LT, III < LT, I poniewa T2 < T1

Faza IV: Tok w cylindrze zimnym dochodzi do swojego dolnego zwrotnego pooenia,

a tok ciepy przesuwajc si w lewo powoduje spranie gazu w warunkach

niemal izochorycznych, a zatem nastpuje wzrost temperatury gazu w

zwizku z wydzielaniem si ciepa i powrt do fazy I. Ilo ciepa

wydzielonego w trakcie przemiany izochorycznej IV jest ciepem

dostarczonym do ukadu o wartoci

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 6

)(1

R)( 2121IV, TTnTTCnQ vv

(5)

Pamitajc oglnie przyjt konwencj co do znakw ciepa i pracy w przypadku ich

dostarczania lub odprowadzania od ukadu moemy ciepo doprowadzone do ukadu

zapisa jako

)(1

1R)/ln(R 21121IV,I, TTnVVTnQQQ vTd

(6)

a ciepo odprowadzone od ukadu w postaci

)(1

1R)/ln(R 21122II,III, TTnVVTnQQQ vTod

(7)

Zgodnie z definicj sprawnoci termicznej silnika cieplnego mamy

)(1

1)/ln(R

)(1

1)/ln(R

11

21121

21122

TTVVTn

TTVVTn

Q

Q

Q

QQ

Q

L

d

od

d

odd

d

obtS

tCT

T

TTVVT

TTVVT

1

2

12121

21122 1)/1()/ln()1(

)1/()/ln()1(1 (8)

a zatem sprawno termiczna obiegu Stirlinga jest mniejsza od sprawnoci termicznej

obiegu Carnota. W przypadku obiegu Stirlinga naley mie jednak na uwadze, e tylko

cz cakowitej pracy Lob jest wykonywana efektywnie poprzez zadane silnikowi

obcienie a dodatkowo naley uwzgldni bezpowrotne straty energii zuywane na

pokonanie si tarcia.

3. PRZYGOTOWANIE STANOWISKA LABORATORYJNEGO DO PRACY

Stanowisko pomiarowe (Rys. 5) skada si z modelu silnika Stirlinga (Rys. 1) oraz

bloku pomiarowego zakupionego od firmy PHYWE. W skad stanowiska wchodzi

take wyposaenie zwizane z moduem akwizycji danych firmy National Instruments.

Stanowisko wyposaone jest take w komputer klasy PC, na ktrym zainstalowane

jest rodowisko LabVIEW wraz z programem wspomagajcym eksploatacj stanowiska

laboratoryjnego do bada silnika Stirlinga. Na wstpie dokonujemy montau kart

pomiarowych NI 9205 (karta do pomiaru napicia) oraz NI 9211 (karta do pomiaru

temperatury) w module NI cDAQ-9172 (Rys.6).

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 7

Rys. 5. Stanowisko pomiarowe do bada silnika Stirlinga.

Karta NI 9205 wyposaona jest w gniazda umoliwiajce podczenie do niej

wczeniej specjalnie przygotowanych przewodw na potrzeby stanowiska

laboratoryjnego zakoczonych pinami (Rys. 7-9). Piny przewodw podczamy do

karty w nastpujcej kolejnoci:

Piny przewodu I ACH 0 na karcie pomiarowej

Piny przewodu II ACH 1 na karcie pomiarowej

Piny przewodu III ACH 2 na karcie pomiarowej

Przewody zakoczone pinami, na ktrych widnieje rowy pasek, przeznaczone s

dla wartoci + przesyanego sygnau (Rys. 8) dlatego piny tych przewodw

podczamy do gniazd znajdujcych si od strony numeracji kanaw, czyli po lewej

stronie patrzc na kart od gry (Rys. 9). Przewody biae ( bez widocznego rowego

paska) wpinamy w odpowiednie gniazda

Dwa z przygotowanych przewodw (czarne) zakoczone s na drugim kocu

wtyczkami oscyloskopowymi, ktre podpinamy do odpowiednich gniazd

oscyloskopowych p i V znajdujcych si na bloku pomiarowym firmy PHYWE (Rys.

10) . Pozostay biay przewd zakoczony jest wtyczk w postaci szybko-zczki, ktr

podpinamy do przewodu wychodzcego bezporednio z podzespou czujnikw

znajdujcego si na silniku Stirlinga (Rys. 11). Do bloku pomiarowego podpinamy

take 8-pinow wtyczk typu DIN, ktr zakoczone s przewody poprowadzone we

wsplnej osonie, odpowiedzialne za przesyanie sygnaw z podzespou czujnikw, ale

take stanowice rdo zasilania czujnika obrotw i czujnika cinienia

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 8

Rys. 6. Monta kart pomiarowych NI 9205 Rys. 7 Gniazda karty NI 9205

i NI9211 w module NI cDAQ-9172 z numeracj kanaw

Rys. 8 Przewd z widocznym rowym Rys. 9. Gniazda karty NI 9205 z wpitymi

paskiem przeznaczony dla wartoci + odpowiednio pinami przewodw.

przesyanego sygnau

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 9

Rys. 10. Przewody z wtyczkami oscyloskopowymi Rys. 11. Wtyczka i gniazdo w

oraz 8-pinowa wtyczka typu DIN ( z lewej), postaci szybko-zczki.

w gbi gniazda bloku pomiarowego.

Karta do pomiaru temperatury NI 9211 posiada ju przewody ze specjalnymi

kocwkami umoliwiajcymi podczenie termoelementw (zcze eskie) (Rys. 12).

Termoelementy zaopatrzone s w podobne kocwki (zcze mskie) (Rys. 13). Cztery

termoelementy paszczowe typu K (chromel/alumel) umieszczone w odpowiednich

punktach pomiarowych mierz nastpujce wartoci temperatury:

temperatur TH gorcego koca cylindra

temperatur TK zimnego koca cylindra

temperatur T0 otoczenia

temperatur TP palnika

Wtyczki przewodw s dodatkowo oznakowane. Kolejno podczenia przewodw

jest nastpujca:

przewd 40 termoelement do pomiaru temperatury TH

przewd 41 termoelement do pomiaru temperatury TK

przewd 42 termoelement do pomiaru temperatury T0

przewd 43 termoelement do pomiaru temperatury TP

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 10

Rys. 12. Karta NI 9211 do pomiaru Rys. 13. Wtyczka do podczenia

temperatury wraz z przewodami zakoczonymi termoelementw (gra zcze enskie,

specjalnymi kocwkami. d zcze mskie)

Nastpnie podczamy modu NI cDAQ-9172 za pomoc zasilacza na prd stay do

sieci elektrycznej, a take za pomoc przewodu USB do komputera klasy PC.

Wczamy modu przyciskiem umieszczonym na jego panelu przednim.

Podczamy blok pomiarowy do sieci elektrycznej, po czym wczamy go

przyciskiem umieszczonym na tylnej ciance obudowy. Na wywietlaczu bloku

pomiarowego wywietla si napis CAL.

Przystpujemy do kalibracji bloku pomiarowego. Przy pomocy koa

zamachowego silnika Stirlinga ustawiamy tok w cylindrze pionowym w jego

najniszym, minimalnym pooeniu (Rys. 14). Wciskamy odpowiednio przyciski

oznaczone T oraz V umieszczone na panelu przednim bloku pomiarowego pod

napisem KALIBRIEREN/CALIBRIATION (Rys. 15). Nastpuje kalibracja czujnika

objtoci po czym na wywietlaczu bloku pomiarowego pojawiaj si wartoci

temperatur oraz prdkoci obrotowej.

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 11

Rys. 14. Pooenie minimalne toka w Rys. 15. Przyciski T i V na bloku

cylindrze pionowym silnika Stirlinga pomiarowym firmy PHYWE

Wczamy komputer, po czym uruchamiamy program zatytuowany Silnik

Stirlinga za pomoc ikony umieszczonej na pulpicie (Rys. 16).

Rys. 16. Ikona programu Silnik Stirlinga na pulpicie komputera

Uzupeniamy metalowy zbiorniczek palnika czystym alkoholem etylowym. Za

pomoc pokrta umieszczonego na obudowie wysuwamy knot palnika na dugo

r=6 [mm] (Rys. 17).Dokonujemy pomiaru jego masy 1pm za pomoc wagi

laboratoryjnej MENSOR LWK 02 (Rys.18) co pozwala na pniejsze okrelenie

zmiany masy palnika pm , co za tym idzie zmiany masy spirytusu.

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 12

Rys. 17 Palnik spirytusowy z wysunitym Rys. 18. Waga laboratoryjna MENSOR

knotem oraz z pokrtem do jego regulacji LWK 02

4. PRZEBIEG WICZENIA

Posugujc si programem w rodowisku LabVIEW, wspomagajcym eksploatacj

stanowiska laboratoryjnego do bada silnika Stirlinga, wykorzystujemy prac w oknie

programu, ktre nosi nazw Panel (Front Panel). Widok okna dziaajcego programu

zatytuowanego Silnik Stirlinga przedstawia rysunek poniej (Rys. 20).

Panel stanowi interaktywny, przejrzysty interfejs z uytkownikiem, ktry

symuluje pyt czoow rzeczywistego przyrzdu. Umieszczone s na nim zadajniki

(Controls), takie jak rnego rodzaju przeczniki. Wskaniki (Indicators), takie jak

wywietlacze, wykresy, przeznaczone s do wyprowadzania danych z programu dla

uytkownika. Do obsugi elementw na panelu wykorzystywana jest mysz bd

klawiatura.

Okno Panel programu Silnik Stirlinga skada si z nastpujcych

komponentw (Rys.20):

A. Grna cz okna Panel, w ktrej znajduje si pasek tytuu z przyciskami

minimalizacji okna na pasek zada, maksymalizacji okna do trybu

penoekranowego i zamknicia okna. Na pasku tytuu znajduje si nazwa

uywanego przyrzdu wirtualnego. Poniej paska tytuu znajduje si menu oraz

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 13

linijka przyciskw narzdziowych z przyciskiem umoliwiajcym uruchomienie

aplikacji. Przycisk ten jest w postaci biaej strzaki (Rys.19).

Rys. 19. Linijka przyciskw narzdziowych z przyciskiem umoliwiajcym uruchomienie aplikacji

B. Przycisk STOP, ktry pozwala na wyczenie dziaajcego programu i

jednoczenie wszystkich aplikacji w tym zapis do pliku, jeli wczeniej zosta on

wczony. Obok zielona dioda potwierdzajca dziaanie programu.

C. Prdko obrotowa n w oknie Panel zobrazowana jest w postaci zegara oraz

dodatkowo pod nim w postaci cyfrowej. Prdko ta podawana jest w jednostce

[obroty /min].

D. Wyskalowany wykres indykatorowy cinienia p od objtoci gazu w cylindrach

silnika V.

E. Chwilowe wartoci maksymalne i minimalne cinienia p i objtoci V gazu.

F. Wartoci temperatur w czterech punktach pomiarowych w postaci wskanikw

liczbowych od poszceglnych punktw pomiarowych oraz warto bezwzgldna

rnicy pomidzy temperatur TH gorcej czci cylindra, a temperatur TK

zimnej czci cylindra.

G. Przycisk pozwalajcy na wczenie lub wyczenie moliwoci zapisu do pliku

podczas pracy programu. Element odpowiedzialny za zapis wszystkich wartoci

pomiarowych do pliku tekstowego z rozszerzeniem .txt, .lvm lub .tdm.

Konfiguracja parametrw pozwala na wybranie cieki zapisu oraz nazwy pod

jak ma by zapisany plik. Istnieje take moliwo podejrzenia nazwy

zapisywanego w danym czasie pliku w oknie obok. Potwierdzenie wczenia

zapisu obrazuje wiecca si na zielono dioda.

H. Wykres obrazujcy przebieg temperatur TH, TK, T0 w czasie t wykonuwanego

pomiaru.

I. Licznik czasu w postaci stopera, wspomagajcy prac programu. Umoliwia on

po wczeniu programu gwnego pomiar czasu dziaania tego programu,

jednoczenie zostaje dokonany pomiar czasu spalania spirytusu.

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 14

Rys. 20. Okno Panel dziaajcego programu z oznaczeniami poszczeglnych elementami

Wczeniej uruchomiony program jest gotowy do pracy, jeli na linijce przyciskw

narzdziowych okna programu widnieje strzaka koloru biaego (Rys.21a). Start

programu nastpuje po wciniciu biaej strzaki. Jeeli w programie wystpi bd, np.

nie jest podczony do komputera modu akwizycji danych NI cDAQ-9172, strzaka na

przycisku do uruchomienia programu bdzie zamana (Rys.21b). Strzaka

uruchomionego programu zmienia kolor na czarny (Rys.21c).

Rys. 21a Strzaka programu Rys. 21b Strzaka programu Rys. 21c Strzaka programu

gotowego do pracy. z zaistniaym bdem w trakcie pracy

Podpalamy knot palnika i po czym ustawiamy palnik na zewntrznym kocu

poziomego cylindra. Jednoczenie wczamy program wciskajc bia strzak w oknie

Panel (powinna wieci na zielono dioda z opisem ON). Odczekujemy okoo 1 min

po czym prbujemy co pewien czas obraca tarcz w prawo w celu zainicjowania pracy

silnika Stirlinga. W momencie kiedy silnik zacznie pracowa uruchamiamy zapis

danych pomiarowych do pliku przyciskiem znajdujcym si w prawym dolnym rogu

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 15

okna programu [G]. Wczeniej moemy wprowadzi nazw pod jak ma by

zapisany plik, zdefiniowa rozszerzenie pliku tekstowego(.txt, .lvm lub .tdm) oraz

wybra ciek zapisu na dysku twardym komputera. Jeeli nie wprowadzimy wasnej

nazwy pliku, rozszerzenia oraz cieki, plik zostanie automatycznie zapisany na dysku

twardym pod nazw test z rozszerzeniem .lvm w katalogu LabVIEW Data

mieszczcym si w folderze Moje Dokumenty . Ponowny zapis nie spowoduje jednak

utraty wczeniej zapisanego pliku, ktrego nazwa zostanie zmieniona na backup_X,

gdzie X oznacza kolejne numery zapisu. Prac programu koczymy czerwonym

przyciskiem STOP.

Czas trwania pomiaru wynosi od 10 do 15 minut w zalenoci od zalecenia

prowadzcego wiczenie.

W wyniku pomiaru otrzymujemy plik tekstowy z mierzonymi wielkociami. Plik

zawiera w kolejnoci kolumny danych pomiarowych odpowiadajce wartociom: czasu

t, objtoci V, cinienia p, maksymalnego cinienia w danej chwili czasu pmax,

minimalnego cinienia w danej chwili czasu pmin, prdkoci obrotowej silnika n,

temperatury gorcej czci cylindra TH, temperatury zimnej czci cylindra TK,

temperatury otoczenia T0 oraz temperatury palnika TP.

Pomiary i opracowanie wynikw

Zewntrze rdo ciepa stanowi palnik w ktrym spalany jest czysty alkohol etylowy.

Biorc pod uwag parametry palnika:

- pojemno zbiornika V = 29 ml

- gsto alkoholu = 0,83 g/ml - moc cieplna waciwa h = 25 kJ/g

- czas spalania t = 3600 s

mona okreli jednostkowe (masowe) zuycie alkoholu

1-3- sg106,6863600

2983,0

t

V

t

m (9)

oraz ilo ciepa na sekund (moc ciepln) wydzielan w trakcie pracy palnika

W1672500010686,6 3

h

t

mPH

a) Na podstawie danych z pliku tekstowego wyznacz czas t pomiaru.

b) Wyznacz ubytek masy mp palnika zachodzcy w trakcie spalania w czasie t

zawartego w nim spirytusu znajc pocztkow mas palnika 1pm z zalenoci:

1008,0 pp mtm (10)

c) Oblicz wartoci rednie temperatur TH oraz TK ze wszystkich serii pomiarowych na podstawie wzorw:

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 16

i

T

T

i

k

Hi

H

0 [K] (11)

i

T

T

i

k

Ki

K

0 [K] (12)

gdzie:

i

k

HiT0

,

i

k

KiT0

- sumy wszystkich temperatur TH i TK z danych pomiarowych,

i liczba serii pomiarowych;

d) Wyznacz wspczynnik temperaturowy dla temperatur rednich HT i KT :

H

K

T

T

(13)

e) Wyznacz maksymaln Vmax oraz minimaln Vmin objto uzyskan w trakcie pomiarw ze wszystkich serii pomiarowych.

f) Wyznacz stopie sprania dla podanych wyej wartoci Vmax i Vmin ze wzoru:

min

max

V

V (14)

(Uwaga! Przyjmij Vmin = 32 cm3 ; Vmax = 44 cm

3 ; V = 12 cm

3. Liczba moli powietrza zawartego w

cylindrach silnika wynosi n = 1,1010-3

mola)

g) Oblicz sprawno termiczn t obiegu silnika Stirlinga bez regeneracji

(przyjmujc = 1,4) ze wzoru:

)1(ln)1(

ln)1)(1(

t (15)

h) Oblicz sprawno termiczn t dla obiegu Carnota (w tym samym zakresie temperatur Tmin = TK i Tmax = TH), czyli sprawno z doskona regeneracj

obliczono ze wzoru:

11

H

Kt

T

T (16)

i) Wykonaj wykresy:

zalenoci temperatur TH, TK, T0 od czasu t,

zalenoci zmiany prdkoci obrotowe n w czasie t,

zalenoci zmiany cinienia p w funkcji objtoci V.

j) Na podstawie wykresu zmiany cinienia p w funkcji objtoci V oblicz rzeczywist prac obiegu Lp-V, jako pole powierzchni ograniczonej krzyw

zawierajc zbir punktw pomiarowych uzyskanych w dowiadczeniu.

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 17

Wskazwka:

W celu wyznaczenia pola ograniczonego wykresem indykatorowym zbir

punktw pomiarowych podziel na dwa rozczne zbiory: grny zawierajcy

zaleno pmax = f(V) oraz dolny pmin = f(V) (Rys.22). Powysze zalenoci pmax =

f(V) oraz pmin = f(V) aproksymuj przy pomocy wielomianw 3-go stopnia

postaci: 3

4

2

321max )( VAVAVAAVp (18) 3

4

2

321min )( VBVBVBBVp (19)

gdzie An i Bn kolejne wartoci wspczynnikw wielomianw.

(Uwaga! Do aproksymacji mona wykorzysta program CurveExpert v.1.4 typu shareware dostpny

na stronie internetowej http://www.curveexpert.net/download/ )

Rys. 22. Zaleno zmiany cinienia p w funkcji objtoci V

Dokonaj porwnania otrzymanego wyniku LpV z wartoci, ktra wynika z zaoenia, e

elementarna praca ekspansji dLex jest rwna dLex = pmax(V)dV, a w przypadku kompresji

wynosi ona dLkom = pmin(V)dV zatem praca w zakresie zmierzonych objtoci od Vmin

do Vmax jest rwna:

dVVpL

V

V

ex )(max

max

min

(20a)

i podobnie, praca kompresji ma w tym przypadku warto:

dVVpL

V

V

kom )(min

max

min

(20b)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

30 32 34 36 38 40 42 44 46

Ci

nie

nie

p[h

Pa

]

Objto V [cm^3]

Zaleno zmiany cinienia p w funkcji objtoci V

Punkty pomiarowe p_min = f(V)

Punkty pomiarowe p_max = f(V)

Krzywa trzeciego rzdu

Krzywa trzciego rzdu

http://www.curveexpert.net/download/

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI

Silnik Stirlinga (opracowa J. Zmywaczyk, P. Sapiski)

LT-- 18

Std rzeczywista praca obiegu Lp-V badanego silnika Stirlinga wyniesie:

komexVp LLL (21)

Wnioski do przeprowadzonego wiczenia laboratoryjnego

LITERATURA

1. Teraz ju w seryjnej produkcji Silniki Stirlinga, Gigawat energia, Nr 08/2002

2. Instrukcja Phywe LEP 3.6.04 INTERNET: http://www.nikhef.nl/~h73/kn1c/praktikum/phywe/LEP/Experim/3_6_04.pdf

3. Jak to dziaa Mody Technik, 29 4/2005

4. INTERNET: http://www.stirling.fc.pl/

http://www.nikhef.nl/~h73/kn1c/praktikum/phywe/LEP/Experim/3_6_04.pdfhttp://www.stirling.fc.pl/