热机效率综合实验仪的制作方法

1.本实用新型涉及热机技术领域，具体为一种热机效率综合实验仪。


背景技术：

2.空气热机实验平台包括热机和热源两部分。当作为热机时，来自热端的热量被用来作功，从而有电流流过负载电阻，由比可以得到热机的实际效率和理论最大效率。当作为热泵时，将热量从低端传到热端，从而可以得到热泵实际性能系数和理论最大系数。传统空气热机采用玻璃管作容器，压缩空气进行能量转换带动热机运动；玻璃器皿非标准造型制作困难，易碎，酒精灯加热明火实验存在安全隐患，而且其使用时的负载一般相对固定，负载更换不易，因此需要对其进行改进。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本实用新型提供一种热机效率综合实验仪，用于解决上述背景技术所提出的问题。
4.本实用新型的热机效率综合实验仪，包括；
5.箱体，所述箱体的顶部设置有盖板，所述盖板的顶部开设有三个通孔，且分别设置有电源、空气热机模型和温控仪；
6.所述电源与温控仪的顶部均设置有线缆插接孔，用于连接配套线缆，所述空气热机模型的顶部设置有与配套线缆对应的对接孔，所述对接孔的下方设置有负载安装盒，所述负载安装盒和对接孔之间设置有负载连接孔，用于调控实验时的负载数值。
7.作为本实用新型的进一步改进，所述箱体的顶部开设有安装空腔，且与连接在盖板上的电源、空气热机模型和温控仪适配，所述盖板的顶部两侧设置有拉环。
8.作为本实用新型的进一步改进，所述安装空腔的内壁两侧均设置有限位框，所述限位框与盖板的底部凸起适配。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述箱体的正面开设有方形通孔且延伸至安装空腔内侧，位于该方形通孔处活动连接有密封挡板，该密封挡板与安装空腔适配，所述箱体的底部设置有用于支撑的支撑脚。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述负载安装盒的内侧设置有一个或对多个卡框，所述卡框的两侧均通过组合块与负载安装盒的内侧相连接，所述卡框的内侧设置有负载本体，所述负载本体的两端均通过限位组件相卡接。
11.作为本实用新型的进一步改进，所述负载安装盒的盒体一侧设置有安装槽，所述安装槽的内侧安装有握持环。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述限位组件包括滑板和凸台，所述凸台设置在滑板的下方，所述凸台的顶部设置有下压头，所述滑板的下方设置有上压头，所述上压头与上压头呈对称设置。
13.作为本实用新型的进一步改进，所述限位组件的内侧位于下压头的两侧均开设有
滑槽，位于该滑槽处与滑板滑动连接。
14.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
15.本实用新型通过采用半导体制冷片作为核心热交换器件，利用半导体制冷片一边制冷一边发热的原理，控制热机的冷端和热端温度，采用低压半导体电加热与制冷，采用数字pid控温，同时主机模块化，而且模块化主机中包含温控仪、数控稳压电源，便于拓展应用，能够满足使用的需要，且在模块化的使用方式下，避免空气热机采用玻璃管作容器，压缩空气进行能量转换带动热机运动时采用的玻璃器皿制作困难的问题，同时进一步避免玻璃器皿出现破碎和加热源明火使用时出现安全隐患的问题，而且在使用的时候，利用设置的负载安装盒配合不同的使用需要，即可实现不同负载下的空气热机实验。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
17.图1为本实用新型箱体正视立体结构示意图；
18.图2为本实用新型箱体与盖板组合侧视结构示意图；
19.图3为本实用新型箱体与盖板俯视结构示意图；
20.图4为本实用新型负载安装盒俯视结构示意图；
21.图5为本实用新型限位组件立体结构示意图；
22.图6为本实用新型限位组件侧视结构示意图；
23.图7为本实用新型限位组件俯视结构示意图；
24.图8为本实用新型限位组件与滑板组合结构示意图；
25.图9为本实用新型空气热机模型无负载展示示意图；
26.图10为本实用新型空气热机模型有负载展示结构示意图；
27.图11为本实用新型测量内阻等效电路结构示意图。
28.图中：1、箱体；2、盖板；3、电源；4、空气热机模型；5、温控仪；11、支撑脚；12、密封挡板；13、限位框；14、安装空腔；21、拉环；31、线缆插接孔；41、负载安装盒；42、负载连接孔；43、对接孔；411、安装槽；412、组合块；413、卡框；414、负载本体；415、限位组件；416、凸台；417、下压头；418、滑槽；419、上压头；420、滑板。
具体实施方式
29.以下将以图示揭露本实用新型的多个实施方式，为明确说明起见，许多实物上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实物上的细节不应用以限制本实用新型。也就是说，在本实用新型的部分实施方式中，这些实物上的细节是非必要的。此外，为简化图示起见，一些习知惯用的结构与组件在图示中将以简单的示意的方式绘示之。
30.另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
31.请参阅图1、图2和图3，空气热机实验平台包括热机和热源两个部分，它既可以当做热机来使用也可以当做热泵来进行使用，传统的空气热机通常采用玻璃管作为容器，通
过压缩空气进行能量转换，带动热机运动，由于玻璃器皿的非标准造型制作相当困难，而且玻璃本身特性导致其很容易破碎，因此基于上述考虑本技术提供一种热机效率综合实验仪，包括；
32.箱体1，所述箱体1的顶部设置有盖板2，所述盖板2的顶部开设有三个通孔，且分别设置有电源3、空气热机模型4和温控仪5；
33.所述电源3与温控仪5的顶部均设置有线缆插接孔31，用于连接配套线缆，所述空气热机模型4的顶部设置有与配套线缆对应的对接孔43，所述对接孔43的下方设置有负载安装盒41，所述负载安装盒41和对接孔43之间设置有负载连接孔42，用于调控实验时的负载数值。
34.在此实施例中，通过设置的箱体1让盖板2与电源3、温控仪5以及空气热机模型4形成模块化的设置，利用模块化的设置可以满足扩展的需要，而且整体使用相较于传统的空气热机而言更加的方便，减少因玻璃容器的加入而出现破损的问题，而且整个空气热机模型4通过模块化的制作，利用扩展的能力可以更加强大，进行测试的时候，能够为教学提供更好的展示作用。
35.请参阅图1和图2，在正常工作的时候为了保障模块化设置的空气热机模型4、温控仪5以及电源3能够与盖板2进行稳定的连接，且使得盖板2可以与箱体1稳定的组合在一起，此时需要盖板2和箱体1之间有能够连接的结构。
36.基于上述考虑，可以在，所述箱体1的顶部开设有安装空腔14，且与连接在盖板2上的电源3、空气热机模型4和温控仪5适配，所述盖板2的顶部两侧设置有拉环21。
37.所述安装空腔14的内壁两侧均设置有限位框13，所述限位框13与盖板 2的底部凸起适配。
38.所述箱体1的正面开设有方形通孔且延伸至安装空腔14内侧，位于该方形通孔处活动连接有密封挡板12，该密封挡板12与安装空腔14适配，所述箱体1的底部设置有用于支撑的支撑脚11。
39.在此实施例中，箱体1的顶部通过开设的安装空腔14能够与空气热机模型4、温控仪5以及电源3进行组合，实现模块化设计的安装需要，同时在安装空腔14的内壁两侧利用限位框13与盖板2底部的凸起相组合，实现盖板2 与箱体1之间的连接，而且通过箱体1正面开设的通孔与活动设置的密封挡板12能够在需要检修和维护内部空气热机模型4、温控仪5以及电源3的时候可以方便的对其进行检修和维护，满足使用的需要，同时使用的空气热机模型4、温控仪5以及电源3相较于传统的传统空气热机采用玻璃管作容器，压缩空气进行能量转换带动热机运动的方式而言，避免了使用非标准的玻璃器皿，也就避免了玻璃器皿制作困难和易碎的问题，同时在使用的时候，利用温差发电的原理，冷热两端会在半导体里面产生微弱的电流，通过负载电阻形成回路，检测出电压和电流计算效率，相较于传统采用酒精灯等明火源来说，更加的安全，同时也更易于控制温度，提高实验的精度。
40.请参阅图3、图4、图5、图6、图7以及图8，在正常工作的时候由于空气热机模型4会通过负载电阻来得到热机的实际效率和理论的最大效率，因此在实际使用的时候其负载的大小影响着空气热机模型4正常工作的状态，而为了在教学时能够充分的展示负载对空气热机效率的影响，有时候需要更换负载来起到不同的演示效果。
41.基于上述考虑，可以在所述负载安装盒41的内侧设置有一个或对多个卡框413，所
述卡框413的两侧均通过组合块412与负载安装盒41的内侧相连接，所述卡框413的内侧设置有负载本体414，所述负载本体414的两端均通过限位组件415相卡接。
42.所述负载安装盒41的盒体一侧设置有安装槽411，所述安装槽411的内侧安装有握持环。
43.所述限位组件415包括滑板420和凸台416，所述凸台416设置在滑板 420的下方，所述凸台416的顶部设置有下压头417，所述滑板420的下方设置有上压头419，所述上压头419与上压头419呈对称设置。
44.所述限位组件415的内侧位于下压头417的两侧均开设有滑槽418，位于该滑槽418处与滑板420滑动连接。
45.在此实施例中，利用在负载安装盒41中安装的多个卡框413能够与负载本体414相组合，同时通过限位组件415的设置可以及时的更换负载本体414 来实现不同负载下空气热机正常工作时的工作效率，使得教学的数据可以更加的充分，能够带来更好的展示效果，整个限位部件和负载本体414之间的连接，均通过滑动连接的方式进行，可以减少更换的复杂性能够方便教学使用，上述中的负载本体414为机械领域中常见的实现在电路中增加负载的零部件之一比如，电阻、不同阻值的金属等等，从实验和教学的角度考虑，优选为电阻。
46.本实用新型的工作原理：
47.1、热机：
48.热机是利用-个高温热源和一个低温热源的温差来做功。对于热效率实验仪，热机是利用电流通过一个负载电阻来做功，做功最终产生的热量，被负载电阻所消耗(焦耳热)。
49.热机原理如下图所示，根据能量守恒定律(热力学第一定律)得出
50.qh＝w qc51.热机的热输入等于热机所做的功加上向低温热源的排热量
52.2、实际效率：
53.热机的效率定义为
54.如果把所有的热输入转换成有用功，热机的效率就会为1，因此它的效率总是小于1的。
55.注意：用热机效率仪测量热量转化率，测量的是功率而不是能量。
56.由方程qh＝w qc变成ph＝pw pc,效率为
57.3、卡诺效率：
58.卡诺指岀，热机的最大效率仅与热源的温度差有关，而与热机的型号无关。
[0059][0060]
温度必须在开氏温度下。效率能够达到100％的只是运作在th和绝对零度之间的热机。假设没有由于摩擦、热传导、热辐射、以及装置内部电阻的焦耳热量而引起的能量损失，卡诺效率是对于给定的两个温度效率最高的热机。
[0061]
4、调整效率：
[0062]
利用力热创新实验平台，可以将损失的能量添加回功率pw和ph，最终的调整效率接
近卡诺效率。
[0063]
5、热泵(制冷机)：
[0064]
热泵是热机的逆向运行。作为热泵工作时，是将热量从低温热源抽到高温热源。就像一个冰箱将热量从冷藏室抽到温室，或者像冬天里，将热量从寒冷的户外抽到到温暖的室内。
[0065]
热泵的原理图相比热机箭头是逆向的。能量守恒w qc＝qh或者功率守恒 pw pc＝ph[0066]
6、实际制冷系数：
[0067]
制冷系数是从低温热源抽岀的热量与消耗的功率之比。
[0068][0069]
这类似于热机效率，尽管热效率总是小于1,但是制冷系数总是大于1的。
[0070]
7、最大制冷系数：
[0071]
热泵的最大制冷系数只取决于温度。
[0072]
这里的温度是指开尔文温度。
[0073]
8、调整制冷系数：
[0074]
如果所有的损失都是摩擦、热传导、热辐射、和焦耳加热导致的，实际的制冷系数是可以调整的，调整后它接近最大制冷系数。
[0075]
9、实验测量：
[0076]
能够通过热效率实验仪直接测量的值有三个：温度、传递到热机的功率、负载电阻所消耗的功率。
[0077]
温度：冷、热源的温度由x-lab温控仪液晶屏直接显示出来。
[0078]
高温热源的功率(ph)：高温热源是利用电流通过电阻使其保持在一个恒定的温度，由于电阻随温度变化，所以必须测量电流和电压来获得输入功率， ph＝i
hvh
.
[0079]
负载电阻消耗的功率(pw)：负载电阻消耗的功率通过测量已知负载电阻的电圧求得:负载电阻有一个1％的允许误差。注意：因为电阻随温度的变化不明显，所以我们可以使用求出负载电阻的功率。
[0080]
当热效率实验仪作为一个热泵而不是一个热机来操作时，不能使用负载电阻。外加电源可显示电流和电压，输入功率可用公式pw＝i
wvw
计算得出。
[0081]
间接测度的量有：1.热机的内阻；2.导热和辐射的热量；3.从低温热源抽走的热量。
[0082]
内阻：按照下图接线，电源输入端接入直流电源输出端。在有负载电阻的情况下，其等效电路如图所示。
[0083]
由基尔霍夫定律，有v
s-i
r-ir＝0
[0084][0085]
热传导和热辐射：高温热源的热量一部分被热机所利用做功，而其他部分从高温热源辐射掉，或通过热机传到冷端。假设热辐射与热传导在工作与不工作时一样，即没有负载时，高温热源保持在相同温度下，通过加热电阻输入到高温热源的热量等于从高温热源中辐射和传导的能量，即ph(开路)。
[0086]
从低温热源被抽走的热量：当热效率实验仪作为一个热泵工作时，从低温热源被抽走的热量pc等于传递到高温热源的热量ph减去做的功pw。注意当热泵工作时，如果高温热源的温度保持不变，根据能量守恒，传递到高温热源的热量等于热传导和辐射的热源量。可以通过测量无负载时的热源输入功率求得此温差下的散热。
[0087]
以上所述仅为本实用新型的实施方式而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理以内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本实用新型的权利要求范围之内。