Устройство для демонстрации превращения лучистой энергии в механическую

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 27146 А 9 В 23/ 51)5 Э,Оь,Е У ВТОРСКО ИДЕТЕ Й Цель изоциональныхстей,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗО(71) Казанский государственный университет им. Ульянова-Ленина(56) Авторское свидетельство СССР М 1019479., кл. 6 09 В 23/06, 1981.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ. ПРЕВРАЩЕНИЯ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ ВМЕХАНИЧЕСКУЮ.(57) Изобретение относится к учебным пособиям. Цель изобретения - расширение . функциональных и дидактических возмож- ностей, Повышение КПД устройства путем увеличения градиента температур на прилегающем к объему участке горловины и пре-: Изобретение относится к учебным пособиям по физике и может быть использовано для превращения лучистой энергии в меха,ническую и является дополнительным к основному авт,св. ЬВ 1019479.Известно устройство. содержащее.резонатор Гельмгольца, выходное отверстиегорловины которого обращено к лопастям ротора лучистой энергии, расположенныймежду источником излучения и объемом ре-, зонатора. Для повышения КПД устройства обьем 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 дусмотренб возможность регулирования этого КПД. Устройство содержит резонатор Гельмгольца, состоящий из объема и горловины с выходным отверстием, ротор с лопастями, установленный с .возможностью вращения, и концентратор лучистой энергии, расположенный между источником излучения и обьемом резонатора. Участок горловины, прилегающий к объему, выполнен из теплоизоляционного материала, а внутри этого участка размещен теплосьемный элемент с подводом и отводом охлаждающей жидкости, Новым в устройстве являются выполнение участка горловины, прилегающим к обьему резонатора, из теплоизоляционного материала и размещение внутри этого участка теплосьемного элемента с регулируемой подачей охлаждающей жидкости 1 ил КПД и вытекающая из этого невозможность изучения факторов, влияющих на коэффициент преобразования. Устройство позволяет Я демонстрировать взаимопревращение энергии, не раскрывает роль различных а факторов, определяющих этот процесс, т.е, ф обладает ограниченными обучающими воз- р можностями, Определенное неудобство представляет необходимость нагрева обьема резонатора до высокой температуры (более 600 С при использовании резонатора иэ М стали) для проявления видимого эффекта превращения энергии. Причина - низкий КПД процесса преобразования, бретения - расширение функ.и дидактических возможно 172714640 45 50 55 Цель достигается тем, что в резонаторе Гельмгольца участок горловины, прилегающий к обьему, 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 воэможности 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 отверстием 3, ротор с лопастями 4, установленный с возможностью вращения, концентраторы 5 излучения 6, выполненные, например, в виде линзы или вогнутого зеркала. Участок 7 горловины 2 выполнен из теплоизоляционного материала, в объеме участка 7 размещен теплосьемный элемент 8, выполненный, например, в виде змеевика с подводом и отводом охлаждающей жидкости 9. Устройство работает следующим образом,Резонатор ориентируют так, чтобы поток 6 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 втеплосьемный элемент 8 может быть установлен регулирующий вентиль и расходомер. Изменяя вентилем расход охлаждающей жидкости 9 регулируют величину теплосьема элементом 8. После нагрева объема 1 в резонаторе самопроизвольно возникают автоколебания газа за счет преобразования лучистой энергии, а у выходного отверстия 3 горловины 2 возникает поток воздуха (называемый "акустическим ветром" ), который 10 15 20 25 30 35 направляют на лопасти ротора 4, приводя его во вращение. Таким образом энергию излучения превращают в тепловую (нагре- . вают 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 "объем"горловина", является теплосъемный элемент 8, понижающий температуру газа до температуры своей поверхности (предельный случай), Другим элементом, демонстрирующим влияние на градиент 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 него. В целом, участок 7 и теплосьемный 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,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 расходом охлаждающей жидкости 9 через элемент 8, либо температурой охлаждающей жидкости 9, Изменение амплитуды автоколебаний при изменении градиента температур может фиксироваться на слух по изменению громкости звука или с помощью акустической аппаратуры (микрофон, усилитель, осциллограф) по изменению амплитуды регистрируемых колебаний на вторичном приборе или экране осциллогра- фа.Размещением новых элементов реализуется требуемый градиент температуры, обеспечивающий наиболее интенсивные колебания, т.е. наибольший КПД преобразования энергии, Изменением теплопроводности участка 7, например варьированием теплоизоляционного материала, демонстрируется влияние градиента температуры стенки резонатора между объемом и горловиной. За счет изменения теплосьема на элементе 8, например путем регулирования расхода охлаждающей жид- . кости 9, демонстрируется влияние градиента температуры газа в зоне "обьем-горловина". Кроме того, за счет изменения градиента температуры стенки. и газа демонстрируется возможность регулирования КПД и взаимопревращения одного аида энергии в другой, измерения этого КПД,. Назаренкоентал Корректор Н, Корол оставитель ехред М.М едактор А. Долини Заказ 1280 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета йо изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роиэводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гага При использовании предлагаемого изобретения в качестве учебно-лабораторной установки измерение КПД может быть следующим. Рассмотрим случай, когда объем резонатора Гельмгольца помещен в электропечь, Тогда цепь преобразования энергии будт следующей:ЧЧэ -Оэ - Ор - фМlа ФЧЧмгде ЧЧэ - электрическая мощность, подаваемая на электропечь;Оэ - тепловая энергия, выделившаяся на электронагревательном элементе печи;Ор - тепловая энергия, принятая резонатором Гельмгольца (стенками и газом внутри него);ЧЧа - акустическая энергия, генерируемая резонатором Гельмгольца;Юм - механическая энергия вращения ротора;д 1 - 4 - соответствующие коэффициенты (или КПД) преобразования одного вида энергии в другой.Измерения или расчет значений ЧЧэ, Оэ, Ор, /Чм являются классическими, поэтому здесь не рассматриваются. Остановимся на определении И/а - специфичного, но хорошо известного из акустики,Акустическая мощность определяется как произведение акустического давления Ра. акустической скорости Ча и площади поперечного сечения горловины резонатора Я, Значение Ра определяется (измеряется) ,датчиком давления, а Ча - термоанемометром в горловине резонатора, Если не имеется точной акустической измерительной аппаратуры и термоанемометра, значение Ча можно определить (менее точно) по амплитуде смещения частиц а, Для этого с помощью свечи, спички или струйки дыма определяют расстояние, на котором смещениечастиц газа от среза горловины перестаетвоздействовать на пламя или дым. Затем по5 известным формуламЧа и а Ра а а р С,где р - плотность газа:С - скорость звука,вычисляют значения Ра и Ча по измерен 10 ным смещению а и частоте автоколебаний1(м = 2 д ), Кроме того, коэффициент пре. образования тепловой энергии в акустическую, а также акустическую мощностьможно рассчитать.15 Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом, обладаетболее широкими функциональными возможностями, что повышает его ценность какнаглядного учебного пособия.20 При использовании участка 7 горловины из пирексового стекла акустическими колебаниями в резонаторе возбуждаются приопускании его объема в кипящую волу. 100 С, а аналогичный резонатор, выполнен 25 ный из стали. возбуждается при нагревеобъема более 650 С. Ф ор мул а изобретен и яУстройство для демонстрации превра щения лучистой энергии в механическую по авт.св. М 1019479, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных и .дидактических возможностей, участок горловины, прилегающей к объему резонатора. 35 выполнен из теплоизоляционного материала, а внутри него установлен теплосъемный элемент с регулируемой подачей охлаждающей среды,