Ćwiczenie

nr 14

Temat ćwiczenia:

Silnik Stirlinga

Sprawozdanie

Wydział, rok: Energetyki i Paliw, II
Grupa: 5
nr zespołu: 1

Data wykonania
ćwiczenia:

28.05.2015

Nazwisko i imię

Ocena
Odpowiedź:

Wykonanie ćwiczenia: Końcowa:

1. Pysz Michał
2. Szeremeta Alan
Główne elementy układu:

1. Silnik Stirlinga;
2. Płytka grzejna z ogniwem Peltiera;
3. Moduł pomiarowy z zasilaczem;
4. Komputer z kartą pomiarową;
5. Termometr pokojowy;
6. Czujnik temperatury;
7. Przewód łączący czujnik obrotów z modułem pomiarowym;
8. Pojemnik na wodę;
9. Woda;

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie działania silnika Stirlinga, podczas różnych trybów pracy, m.in. gdy
temperatura gazu roboczego samoistnie się zmniejsza oraz gdy jest ona zwiększana poprzez
zewnętrzne źródło ciepła. Jednym z aspektów doświadczenia jest sprawdzenie jak silnik reaguje na
nagłe zwiększenie różnicy temperatur pomiędzy chłodnicą, a źródłem ciepła. Na sam koniec
badamy zależność szybkości obrotów od upływu czasu oraz od zmiany temperatury.

2. Wykonanie ćwiczenia

2.1 Pierwsze ćwiczenie dotyczyło zachowania się silnika podczas samoistnego schładzania się
źródła ciepła.

Do wykonania ćwiczenia wykorzystujemy zbiornik z zagotowaną wcześniej wodą. W celu
przyspieszenia procesu, w trakcie trwania doświadczenia wrzucamy do wody 2 kostki lodu.
Podczas doświadczenia dokonujemy pewnego eksperymentu, polegającego na schłodzeniu
chłodnicy w celu wytworzenia wyższej różnicy temperatur pomiędzy źródłem ciepła, a chłodnicą.

Wykres 1 – Zależność szybkości obrotów oraz temperatury w funkcji czasu(ćwiczenie 1).

Na wykresie zestawione zostały poszczególne zdarzenia mające wpływ na charakterystykę
rysowanych krzywych:
1 – rozpoczęcie procesu, uruchomienie silnika;
2 – chwilowe, niezidentyfikowane zakłócenie pracy silnika;
3 – wrzucenie kostek lodu do źródła ciepła, chwilowe ustanie pracy silnika;
4 – położenie kostek lodu na chłodnicy;
5 – zakończenie procesu, zatrzymanie się silnika;

Następnie wykreślamy charakterystykę szybkości obrotów w funkcji temperatury, w której
eliminujemy zdarzenia mogące mieć wpływ na zakłócenie przebiegu.

Wykres 2 – Zależność szybkości obrotów od temperatury(ćwiczenie 1).

Ostatnim punktem ćwiczenia jest obliczenie sprawności konwersji energii cieplnej na mechaniczną.

η

=

T

1

−

T

2

T

1

gdzie:
T

1

– temperatura źródła ciepła [K], w chwili uruchomienia silnika;

T

2

– temperatura chłodnicy [K], w chwili uruchomienia silnika;

η=

T

1

−

T

2

T

1

=

351,3 K−297,4 K

351,3 K

= 15,34%

Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia:
Jak wskazuje wykres 2, zależność szybkości obrotów od temperatury ma w przybliżeniu liniową
charakterystykę. Jeżeli chodzi o eksperyment z położeniem kostek lodu na chłodnicy, to
zauważamy, że zmniejszając temperaturę chłodnicy doprowadzamy do przyspieszenia silnika, a tym
samym do zwiększenia jego sprawności. Jest to związane ze zwiększeniem różnicy temperatur
pomiędzy źródłem ciepła, a chłodnicą.

2.2 W drugim ćwiczeniu badamy zachowanie się silnika podczas odpowiednio narastającej, a
następnie malejącej temperatury źródła ciepła.

W celu wykonania ćwiczenia używamy zewnętrznego źródła ciepła podłączonego do stałego
napięcia, a następnie po osiągnięciu pożądanej temperatury, odłączamy źródła od napięcia,
zsuwamy silnik na metalowy radiator i obserwujemy pracę silnika, aż do jego zatrzymania.
W celu uzyskania bardziej przejrzystych wyników, usuwamy wszystkie wyniki przed
uruchomieniem silnika(w tym wszystkie próby uruchomienia).

50

55

60

65

70

75

80

85

0

50

100

150

200

250

300

350

400

T [°C]

n

[o

br

/m

in

]

Wykres 3 – Zależność szybkości obrotów oraz temperatury w funkcji czasu(ćwiczenie 2).

Wykres 4 – Zależność szybkości obrotów od temperatury(ćwiczenie 2).

Sprawność:

η

=

T

1

−

T

2

T

1

gdzie:
T

1

– temperatura źródła ciepła [K], w chwili odłączenia zasilania od źródła;

T

2

– temperatura chłodnicy [K], w chwili odłączenia zasilania od źródła;

45

50

55

60

65

70

75

0

50

100

150

200

250

300

350

400

T [°C]

n

[o

br

/m

in

]

200

300

400

500

600

700

800

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0

10

20

30

40

50

60

70

80

t [s]

n

[o

br

/m

in

]

T

[°

C

]

η=

T

1

−

T

2

T

1

=

343,8 K−301K

343,8 K

= 12,5%

Wnioski:
Kolejny raz uzyskujemy liniową zależność szybkości obrotów od temperatury. Podczas schładzania
silnika otrzymujemy niższe wartości szybkości obrotów w funkcji temperatury niż podczas jego
nagrzewania. W ćwiczeniu tym osiągnęliśmy odrobinę niższą sprawność niż w ćwiczeniu
pierwszym, związane jest to z niższą temperaturą maksymalną źródła ciepła, oraz nagrzewaniem się
chłodnicy w trakcie osiągania temperatury maksymalnej. Jeżeli porównamy pierwszy eksperyment
z drugim, zauważyć możemy też jak bardzo radiator przyspiesza proces obniżania się temperatury
źródła ciepła.