Устройство для демонстрации превращения лучистой энергии в механическую Советский патент 1992 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и может быть использовано для превращения лучистой энергии в меха- .ничесхую и является дополнительным к основному авт.св. № 1019479.

Известно устройство, содержащее резонатор Гельмгольца, выходное отверстие горловины которого обращено к лопастям ротора лучистой энергии, расположенный между источником излучения и объемом ре-, зонатора. Для повышения КПД устройства объем резонатора выполнен из материала, поглощающего тот вид излучения, энергию которого преобразуют в механическую энергию.

Недостатком прототипа является низкий КПД преобразования лучистой энергии, отсутствие возможности регулирования

КПД и вытекающая из этого невозможность изучения факторов, влияющих на коэффициент преобразования. Устройство позволяет демонстрировать взаимопревращение энергии, не раскрывает роль различных факторов, определяющих этот процесс, т.е. обладает ограниченными обучающими возможностями. Определенное неудобство представляет необходимость нагрева объема резонатора до высокой температуры (более 600°С при использовании резонатора из стали) для проявления видимого эффекта превращения энергии. Причина - низкий КПД процесса преобразования.

Цель изобретения - расширение функциональных и дидактических возможностей.

VJ

N)

Ј О

ю

Цель достигается тем, что в резонаторе Гельмгольца участок горловины, прилегающий к объему, выполнен из теплоизоляционного материала. Внутри объема этого участка размещен теплосьемный элемент, не создающий помехи потоку колеблющегося в горловине газа, т.е. теплосъемный элемент с малым коэффициентом аэродинамического сопротивления, определяемым экспериментально.

Установлено, что в неравномерно нагретом резонаторе Гельмгольца амплитуда установившихся колебаний прямо пропор- .циональна градиенту температуры на стыке объема с горловиной. Следовательно, чем выше градиент температуры, тем выше коэффициент преобразования лучистой энергии в энергию акустических колебаний и соответственно в механическую энергию. Предлагаемое устройство реализует эту физическую закономерность и тем самым позволяет демонстрировать работу прибора в широком диапазоне режимов, что расширяет его функциональные возможности как наглядного пособия.

На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство, общий вид.

Устройство содержит резонатор Гельмгольца, состоящий из объема 1 и горловины 2 с выходным отверстиемЗ, ротор с лопастями А, установленный с возможностью вращения, концентраторы 5 излучения б, выполненные, например, в виде линзы или вогнутого зеркала. Участок 7 горловины 2 выполнен из теплоизоляционного материала, в объеме участка 7 размещен теплосъемный элемент 8, выполненный, например, в виде змеевика с подводом и отводом охлаждающей жидкости 9.

Устройство работает следующим образом.

Резонатор ориентируют так, чтобы поток б излучения, собранный концентратами 5,- падал на объем 1 резонатора. Подают охлаждающую жидкость 9 (например, воду) на теплосъемный элемент 8, расположенный внутри участка 7. Охлаждающую жидкость берут из водопроводной сети или бака-хранилища. На входе воды в теплосьемный элемент 8 может быть установлен регулирующий вентиль и расходомер. Изменяя вентилем расход охлаждающей жидкости 9 регулируют величину теплосъема элементом 8. После нагрева объема 1 в резонаторе самопроизвольно возникают автоколебания газа за счет преобразования лучи стой энергии, а у выходного отверстия 3 горловины 2 возникает поток воздуха (называемый акустическим ветром), который

направляют на лопасти ротора 4, приводя его во вращение. Таким образом энергию излучения превращают в тепловую (нагревают объем резонатора), затем преобразуют резонатором в энергию акустических колебаний, которую в свою очередь - в механическую энергию вращения ротора.

Элементом, демонстрирующим влияние градиента температуры газа в зоне объ0 ем-горловина, является теплосъемный элемент 8, понижающий температуру газа до температуры своей поверхности (предельный случай). Другим элементом, демонстрирующим влияние на градиент

5 температуры газа в этой зоне является участок 7 из теплоизоляционного материала, например асбоцементы, стекла или керамики, исключающий теплопередачу от стенки горловины к колеблющемуся газу внутри не0 го. В целом, участок 7 и теплосъемный элемент 8 приводят к резкому снижению температуры газа в зоне объем-горловина, тем самым повышая градиент температур как газа, так и стенки в этой зоне.

5 Демонстрировать влияние градиента температуры газа можно как сменой участков 7, выполненных из материалов с разной теплопроводностью (то же, что и с разными теплоизоляционными свойствами), так и

0 расходом охлаждающей жидкости 9 через элемент 8, либо температурой охлаждающей жидкости 9. Изменение амплитуды автоколебаний при изменении градиента температур может фиксироваться на слух по

5 изменению громкости звука или с помощью акустической аппаратуры (микрофон, усилитель, осциллограф) по изменению амплитуды регистрируемых колебаний на вторичном приборе или экране осциллогра0 фа.

Размещением новых элементов реализуется требуемый градиент температуры, обеспечивающий наиболее интенсивные колебания, т.е. наибольший КПД преобра5 зования энергии. Изменением теплопроводности участка 7, например варьированием теплоизоляционного материала, демонстрируется влияние градиента температуры стенки резонатора между объ0 емом и горловиной. За счет изменения теплосъема на элементе 8, например путем регулирования расхода охлаждающей жидкости 9, демонстрируется влияние градиента температуры газа в зоне

5 объем-горловина. Кроме того, за счет изменения градиента температуры стенки и газа демонстрируется возможность регулирования КПД и взаимопревращения одного вида энергии в другой, измерения этого КПД.

При использовании предлагаемого изобретения в качестве учебно-лабораторной установки измерение КПД может быть следующим. Рассмотрим случай, когда объем резонатора Гельмгольца помещен в элект- ропечь. Тогда цепь преобразования энергии будет следующей:

W3 ЯОэ Qp И/Va где Ws - электрическая мощность, подаваемая на электропечь;

Оэ - тепловая энергия, выделившаяся на электронагревательном элементе печи;

Qp - тепловая энергия, принятая резонатором Гельм гольца (стенками и газом внутри него);

W8 - акустическая энергия, генерируемая резонатором Гельмгольца;

WM - механическая энергия вращения ротора;

/1 - /4 - соответствующие коэффици- енты (или КПД) преобразования одного вида энергии в другой.

Измерения или расчет значений W3, Q3, Qp, WM являются классическими, поэтому здесь не рассматриваются. Остановимся на определении Wa - специфичного, но хорошо известного из акустики.

Акустическая мощность определяется как произведение акустического давления Ра. акустической скорости Va и площади по- перечного сечения горловины резонатора S. Значение Ра определяется (измеряется) .датчиком давления, a Va - термоанемометром в горловине резонатора. Если не имеется точной акустической измерительной аппаратуры и термоанемометра, значение Va можно определить (менее точно) по амплитуде смещения частиц а. Для этого с помощью свечи, спички или струйки дыма определяют расстояние, на котором смещение частиц газа от среза горловины перестает воздействовать на пламя или дым. Затем по известным формулам

Va (О а, Ра ft) а р С,

где р - плотность газа;

С - скорость звука.

вычисляют значения Ра и Va по измеренным смещению а и частоте автоколебаний f (ио - 2 п f). Кроме того, коэффициент преобразования тепловой энергии в акустическую, а также акустическую мощность можно рассчитать.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом, обладает более широкими функциональными возможностями, что повышает его ценность как наглядного учебного пособия.

При использовании участка 7 горловины из пирексового стекла акустическими колебаниями в резонаторе возбуждаются при опускании его объема в кипящую воду 100°С, а аналогичный резонатор, выполненный из стали, возбуждается при нагреве объема более 650°С.

Формула изобретения Устройство для демонстрации превращения лучистой энергии в механическую по авт.св. № 1019479, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных и дидактических возможностей, участок гор ловимы, прилегающей к объему резонатора, выполнен из теплоизоляционного материала, а внутри него установлен теплосъемный элементе регулируемой подачей охлаждающей среды.