2011年热工学实践试验内容34

1、2011 年热工学实践实验内容 342012 年热工学实践实验内容实验 3 二氧化碳气体 P-V-T 关系的测定一、实验目的1.了解 CO2临界状态的观测方法， 增强对临 界状态概念的感性认识。2.巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律 的理论知识，加深对饱和状态、临界状 态等基本概念的理解。3.掌握 CO2 的 P-V-T 间关系测定方法。观察 二氧化碳气体的液化过程的状态变化， 及经过临界状态时的气液突变现象，测 定等温线和临界状态的参数。二、实验任务1测定 CO2气体基本状态参数 P-V-T 之间的 关系，在 PV 图上绘制出 t 为 20、31.1 、 40三条等温曲线。2观察饱和状态，找

2、出 t 为 20时，饱和 液体的比容与饱和压力的对应关系。3观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数4根据实验数据结果， 画出实际气体 P-V-t 的关系图。三、实验原理1.理想气体状态方程： PV = RT 实际气体：因为气体分子体积和分子之间存 在相互的作用力， 状态参数 （压力、温度、比容） 之间的关系不再遵循理想气体方程式了。 考虑上 述两方面的影响， 1873 年范德瓦尔对理想气体 状态方程式进行了修正，提出如下修正方程：ap 2 v b RTv（3-1）式中: a / v 2是分子力的修正项；b 是分子体积的修正项。修正方程也可写 成 :pv 3 （bp

3、RT）v 2 av ab 0（3-2）它是 V的三次方程。随着 P和 T的不同， V可以 有三种解：三个不等的实根；三个相等的实根； 一个实根、两个虚根。1869 年安德鲁用 CO2 做试验说明了这个现 象，他在各种温度下定温压缩 CO2并测定 p 与 v， 得到了 PV图上一些等温线，如图 21 所示。 从图中可见，当 t 31.1 时，对应每一个 p， 可有一个 v 值，相应于（ 1）方程具有一个实根、 两个虚根；当 t =31.1 时，而 p = p c时，使曲 线出现一个转折点 C 即临界点，相应于方程解的 三个相等的实根；当 t 31.1 时，实验测得的 等温线中间有一段是水平线（气

4、体凝结过程） ， 这段曲线与按方程式描出的曲线不能完全吻合。 这表明范德瓦尔方程不够完善之处， 但是它反映 了物质汽液两相的性质和两相转变的连续性。2简单可压缩系统工质处于平衡状态时， 状态参数压力、温度和比容之间有确定的关系， 可表示为：F（P，V，T）= 0或v= f（P,T） 可见，保持任意一个参数恒定， 测出其余两 个参数之间的关系，就可以求出工质状态变 化规律。 如维持温度不变， 测定比容与压力 的对应数值，就可以得到等温线的数据。图 3-1 二氧化碳的- - t 关系四、实验设备 实验设备： 由压 缩室本体、恒温器及 活塞式压力计组成， 如图 32 所示。活塞式压力计： 由手轮带动

5、活塞杆 的进退调节油压，提供实验中所需的压力恒温器：提供恒温水，用恒温水再去恒定CO2 的温度。保持实验中在不同等级的等温过程 中进行。压缩室本体：压缩气体的压缩室本体由一根 玻璃毛细管和水银室组成，如图 33 所示。预 先刻度和充气的玻璃毛细管 1插入水银室 2 中， 再打开玻璃管下口。 图 3 2 实验装置系统1压缩室本体 2 活塞式压力计3恒温器实验时， 由恒温器提供的恒温水， 从实验台本体 玻璃水套下端进口流入， 上端出口流出， 反复循 环。玻璃恒温水套维持了毛细管内气体温度不变 的条件， 由于水套上的温度计误差太大， 用恒温 器上的精密温度计来代替， 可以近似认为玻璃管 中所存的 C

6、O2 温度与此温度相同。实验中要缓缓 转动活塞式压力计的手轮，逐渐增大压力油室 3 中的油压，使毛细管内的 CO2 气体压缩。透过玻 璃管可以看到气体的压缩过程。CO2 气体压缩时所受压力是由压力台上的压 力表读出，气体的体积 V 由毛细管上的刻度读 出，再经过换算得到。五、实验步骤 1首先恒温器接通电 源，开动电力泵，使系 统水进行循环对流。2.旋 转电接点温 度计的顶端幅形磁铁， 调整实验中所规定的恒 定温度。3开始加热，观察 恒温器上精密温度计， 若其温度计读数与电接 点温度计标定的温度一 致时，则可近似认为玻 璃管中 CO2 的温度处于 标定的温度。4.开始加压，应缓缓地前进活塞螺杆加

7、压， 并注意观察 CO2 受压后的各种现象。5.进行记录实验中的各种数据、状态4温度计5 恒温水套6.当需要改变温度时，重复上述步骤。六、注意事项1. 恒温水的温度应稳定足够长的时间，使 毛细管内外的温度均衡后再开始测量数据。2. 增大油压时，使毛细管内水银面缓缓上 升，要保持缓慢压缩。3.维持温度不变，调整若干次压力，压力 间隔一般可取 5bar 左右，在接近饱和状态或临 界状态时应取 0.5bar 。4.除 t=20 时，须 加压 至绝对 压力为 102bar （100ata ）外，其余各等温线均在 50 90间测出 h 值，绝对不允许表压超过 102bar。5实验结束卸压时，应使压力逐渐

8、下降， 不得直接打开油杯阀门卸压。图 3 3 压缩室本体示意图6实验完毕将仪器擦净，恢复原状。1玻璃毛细管 2 水银室 3压力油 室h 0 A h0 4 dmm因为mh 0A 0 .00117K （ 常数 ）七、实验数据整理1CO2比容的确定实验中由于 CO2 的质量 m不便测定，承受玻璃的内径 d 也不易测准，因而只能用间接方法确 定 V 值：因为二氧化碳在 20，100ata(102bar )时， 比容 v 0. 00117 mkg 即：vco2(20 ， 100ata)=则任意情况下二氧化碳的比容：V mh hV mA K所以，只要在实验中测得 t=20 , p=100ata 时的 h0

9、值，计算出 k 值后，其它任意状态下的比 容 V 值均可求得。2列数据表及绘制 P-V 图。实验数据计算整理后，绘制出实际 CO2 气体 P-V 的关系图。八、实验报告的要求1 简述实验目的、任务及实验原理0.001172 记录实验过程的原始数据 （实验数据记录 表）。3 根据实验得出的数据结果， 计算整理并画 出二氧化碳 P-V-t 的关系图。九 、思考题：1 为什么加压时，要足够缓慢地摇动 活塞杆而使加压足够缓慢进行？若不缓慢 加压，会出现什么问题？2 卸压时为什么不能直接开启油杯阀门。表 3-1 实验数据记录表t=20t=31.1 t=40 表高观察 表高观察 表高观观察压 p度 h现象

10、压 p度 h现象压 p度现 h象3035404550556065707580859099实验 5 压气机性能实验活塞式压气机是通用的机械设备之一， 其工 作原理是消耗机械能 （或电能）而获得压缩气体。 压气机的压缩指数和容积效率等都是衡量其性 能先进与否的重要参数。 本实验是利用微机对压 气机的有关性能参数进行实时动态采集， 经计算 处理、得到展开的和封闭的示功图。 从而获得压 气机的平均压缩指数、容积效率、指示功、指示 功率等性能参数。一、实验目的 1掌握指示功、压缩指数和容积效率的基本测试方法；2对使用微机采集、处理数据的全过程和 方法有所了解。二、实验装置及测量系统 本实验仪器装置主要由

11、： 压气机、 电动机 及测试系统所组成。测试系统包括：压力传感器、动态应变仪、 放大器、计算机及打印机，见图 5 1。压气机型号： Z0.03/7汽 缸 直 径 ： D=50mm 活 塞 行 程 : L=20mm连杆长度： H=70m，m 转速： n=1400转/ 分图 5 1 压气机实验装置及测试系统为了获得反映压气机性能的示功图，在压 气机的汽缸头上安装了一个应变式压力传感器， 供实验时汽缸内输出的瞬态压力信号。 该信号经 桥式整流后， 送至动态应变仪放大。 对应着活塞 上止点的位置， 在飞轮外侧粘贴着一块磁条， 从 电磁传感器上取得活塞上止点的脉冲信号， 作为 控制采集压力的起止信号，

12、以达到压力和曲柄传 角信号的同步。这二路信号经放大器分别放大 后，送入 A/D 板转换为数值量， 然后送至计算机， 经计算处理便得到了压气机工作过程中的有关 数据及展开的示功图和封闭的示功图。见图 5 2 及图 5 3图5 2图 5 3 展开的示功图L i=S (kgf-m)K1 K2 10-5(5-2)根据动力学公式， 活塞位移量 x 与曲柄转角 a有如下关系：x R(1 cos a) 4 (1 cos 2a) (5-1) 式中：=R/LR曲柄半径； H连杆长度； a曲柄转角。三、实验原理1指示功和指示功率指示功： 活塞压气机进行一个工作过程， 活塞 对气体所作的功，记为 Li 。显然功量就

13、是 PV 图上工作过程线所包围的面积。 其纵坐标是以线 段长度表示的压力值， 而横坐标则表示活塞的位 移量，经测面仪测量和计算才能得到功的数值， 即：式中：k1式中：k2式中：S 由测面仪测定的面积值 （ mm2）K1单位长度代表的容积 （mm 3/mm） ；LD24gbL 活塞行程（ mm）；gb 活塞行程的线段长度（ mm）；K2单位长度代表的压力 （at/mm）;pd 1fep 工作时的表压力 （at）;fe 表 压 力 在 纵 坐 标 图 上 对 应 的 高 度 （mm）;指示功率：单位时间内活塞对气体所作的 功，记为 Ni 。用下式表示：Ni =Li n/102 60 （KW（5-3

14、）式中：n 转速（转/ 分）2.平均多变压缩指数 熵压缩之间，过程指数在压缩过程中不断变化， 根据压气机的理论轴功和气体压缩功的关系， 可以求得平均的多变指数，记为 n021 vdp n021 pdv（5-4）在示功图上： 即为压缩过程线与纵坐标围成的面积同压缩过程线与横坐标围成的面积之比。即：由 cdefc 围成的面积n0 由 cdabc 围成的面积（5-5）3. 容积效率（ c ）根据热力学定 义：c 有效工吸作气容容积积（5-6）在示功图上： 即为有效吸气线段长度与活塞行程线段长度之比。即：hb c gb（5-7）四、实验步骤1. 接通所有测试仪器设备的电源2. 把采集、处理数据的软件调

15、入计算机3.启动压气机，调好排气量，待压气机工 作稳定后，计算机开始采集数据，经过 计算机处理，得到了展开的和封闭的始 功图。4.用测面仪测量封闭示功图的面积。5.分别测量压缩过程线与横坐标及纵坐标包 围的面积。6.用尺子量出有效吸气线段 hb 的长度和活塞 行程线段 gb 的长度。五、实验报告要求1. 简述实验目的与原理。2记录计算机采集各种数据的理论值，填 入在表 5-1 中。2. 根据示功图，得到示功图上的三个面积 值及压力 Pd 值。3. 计算指示功、指示功率、平均多变压缩 指数、容积效率等实际值（要求计算过程） 。六、思考题1. 为什么压缩过程的多变指数与膨胀过程 的多变指数不相等？

16、对于同一个过程（压缩或膨胀过程）的不同区段，为什 么多变指数也不一样？2. 当压气机工作时，其压缩指数变化范围是多少？在什么情况下，压气机耗功最省？3分析压气机工作压力的改变将对容积效率有何影响。表 5-1 压缩机性能实验记录大气 压力 -bar室温- 湿度 -孔板孔径 -cm排气管内 径-cm1 234567891011项 储 输 电压气机生产量示 压活目 气 罐 压入 电 功动 机 效孔 板 压孔 板 前孔 板 流质量流吸 气 状功 图 面气机转塞 排 量力 率 率差温 度量 系 数量态 生 产 量积 速符 号P2Ng ght2GV3fnVh单 位bar kWmmH2Okg/mi nm3/

17、mi ncm2r/mi nm3/mi n实验 7 用球体法测量导热系数实验一、实验目的1 学习用球体法测定粒状材料导热系数的 方法。2 了解温度测量过程及温度传感元件。二、实验原理 粒状材料的导热系数可通过球体导热仪测 定。如图 1 1 所示。由均质粒状材料填 充而成的球壁，内外直径分别为 d11 及 d2（半 径 r1 及 r 2），它的内外表面温度等于 t1 和 t2，并维 持不变。由于在不大的温度范围 内大多数工程材料的 导热系数与温度的关系，均 可按直线关系处理，则 将付利叶定律用于此球壁导 热问题。如图 71 的边 界条件积分可得到热流量计 算式：d1d2 m (t1 t2)(1 1

18、)d1d2(t1t2)12)式中：球壁厚度 =21(d2 d1)； m球壁材料在 tm t1 2t2 时的导热系数7 1 球壳导热过程因此，只要维持内外球壁温度均匀稳定，已 知球壁半径 d1和 d2，测出内外球壁表面温度 t1 和 t 2，即可由式（ 12）算出材料的导热系数 m 。三、 实验设备如图 72 所示，实验设备组成包括： 球体导热仪本体、 实验台手动测试系统、 计 算机测量系统、 数字仪表测量系统。 球体导热 仪本体是两个球壳同心套装在一起， 内球壳外 径为 d1，外球壳内径为 d2，在两球壳之间填 充实验粒状材料，热量由装入内球壳中的球 形电加热器加热得到。 热量穿过内球壁和被测

19、 材料到外球壳，外球壳通过自然空气对流方式 进行冷却。每个球壳布置上下两个温度测点， 取其平均值作为球壳温度。 球体法便于测定各 种散状物料（如沙子、矿渣、石灰等）的导热 系数。手动测试系统通过实验台操作完成手动测 量数据，其中，功率测量由电压表和电流表检 测得到，温度测量由电位差计检测得到。 计算 机测量系统通过计算机运行监测主画面， 实时220V调（变）压器显示实验测量数据， 并计算得到导热系数的测 量值等。数字仪表测量系统通过数字仪表机 柜，直接测量得到球壁温度值和热流功率值。四、 实验方法及实验数据1.确认所在实验台上电压表、 电流表工作量程 及指针读数单位换算。2.学会用电位差计测量

20、热电偶信号操作要领。3.切换转换开关，记录 4 个温度测量点数据； 读表得到电压、 电流数据。 将实验数据记录 在表 7-1 中。铜康铜热电偶电 位E 差 计转换开关图 7 2 球体导热仪实验装置原理结构图五、 实验数据整理完成表 7-1、表 7-2 的实验数据记录、计 算及整理工作。六、实验报告1.结合课堂讲授的理论及实验内容，学生 要提供自编的实验报告书。2.学生要根据自己所进行的实验独立认真地撰写实验报告。要求字迹工整、数据准确、 论教学观中察的现知象识的对文实字验描结述果层给次出清分晰析并和应评结价合。理七、思考题1简述用球体法测量材料的导热系数的优 缺点？2如果安装内外球壳时略有偏心

21、， 导热系 数的测定是否会受到影响？为什么3试说明悬挂在空中的实验球体， 外球壳 表面的换热方式？如果球壳表面有空气流 动或有阳光照射，对导热系数的测量 有没有影响？为什么？表 7-1 实验测量数据记录记 录 人 ： 同 组 人时间：实验参数实验数据实验台内球壳温度外球壳温度内上 t11内下t12外上t21外下t22试材名称mvmvmvmv容 重内平均温度 t 1=外平均球温度 t 2=球 壳 温 度tm=( t 1+ t 2)/2=外球直径电压 U (V)电流 I(A)功率 Q(W)UgI内球直径加热功率环境 温度导热 系数tm(w/m )表 7-2 实验测量数据汇总实验数据台 号试 材测

22、试 法内外球 均温 tm加热功率导热系 数手 动 测1 台2台粒 状 珍 珠 岩手 动 测手 动 测3 台4台粒 状蛭石手 动 测导热 数 * 测 误差系量3粒 微机 测台4状蛭石仪台表 测手动测量与微机和仪表测量的相对误差（以手动测量为基准）实验 8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验一、实验目的1. 测算空气横掠单管时的平均换热系数 h 。2. 测算空气横掠单管时的实验准则方程式n 1 3Nu C Ren Pr 1 3。3.学习对流换热实验的测量方法。二、实验测算公式 1根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h即：h=QA(tW t f )QAtw/m 2 K量，8-1) 式中：Q W；

23、A空气横掠单管时总的换热空气横掠单管时单管的表面积，twm2 ;空气横掠单管时单管壁温 ； t f 空气横掠单管时来流空气温；t 壁面温度与来流空气温度平均 温差，；2空气横掠单管换热时，实验关联式的确 定根据传热学理论，换热系数与流速、 管径、温度、流体物性等有关，并可用下 列 准 则 方 程 式 关 联 ： Nu f (Re,Pr) (8-2 ) 空气横掠单管换热时，实验关联式为：n 1 3Nu C Ren Pr1 38-3)在定常性温度下 （tm），普朗特数 Pr 可视为常 数，故（ 3）简化为：m ）， 流Nu C Ren8-4）式中(8-5)C , n 由实验确定的常数， tm 定性

24、温度由下式确定：tw tf tm w2 f8-6）上述公式中， d 外管径 体的导热系数（ w/m）， u流体在实验 测试段中的流速（ m/s）， v 流体的运动粘 度（ /s ）。3实验关联式计算设 y=lgNu ，x=lgRe ，在双对数坐标系Nu 努谢尔数，NuRe 雷诺数，RePr 普朗特数，C Pr1313C PrChd ，ud ，v，下，公式（ 8-4）可写为：y n x lgC8-7)根据最小二乘法原理，常数式计算：lgC 及 n可按下8-8)（8-9）式中：N N N N2 xi yixiyixii1 i 1i 1i1lgC i1 N i 1 2 i 1N i1xiNxi2i

25、1 i 1N N Nxiyi N xi yii1 i 1 i 1N 2 NxiNxi2i 1 i 1N 为实际工况测试点数 10）。4实验参数计算 （1）空气流速 u 根据2g 介 H 10 3空(N=11 或 Nu=m/s8-10）式中： gHm/s重力加速度，微压计动压头（实测）， （酒精柱高）酒精密度 ( 介=0.89*10 3 kg/m 3) ，空 空 气 密 度 （ 查 表 ）， kg/m3（2）单管加热量 QQ=UI 单 位 ： W （8-11）式中 U 实验管端电压（实测） ， I 实验管工作电流（实测） 。5实验结果误差计算 用均方根误差 可以反映实验点（ x,y ）与关 联式

26、代表线 （ y n x lgC ）的平均偏差。（yi yi）2i N 1 ， （8-12）其中， N 为测试点数 （N=11 或 N10）。三、实验设备实验系统装置结构如图 8 所示。实验主 体由风箱、风机、有机玻璃风道组成。试验 管为薄壁不锈钢加热圆管， 安装在有机玻璃 风道实验段中间。 采用低电压大电流的直流电对试验管直接加热。 低压大电流直流电由 硅整流电源供给。 调整硅整流电源可改变圆 管加热功率。为使雷诺数 Re 有较大的变化 范围，一方面在每个实验台上安装不同直径 的单管；另一方面， 通过调节风机入口处的 调风口来改变空气的流速。四、测试方法及实验步骤 在试验管处风道中装有毕脱管，

27、 通过倾 斜式微压计测出实验段中空气来流的动压 H ，然后计算空气流速 u。为了准确测定试验管上的加热功率并排 除管子两端的影响， 在距离管端一定距离处焊 有二电压测点 a 、b，经过分压箱和转换开关， 用电位差计准确测定该二电压测点处的电压 降 U 。试验管的加热回路中串联了一标准电 阻，电流流过标准电阻时的电压降 U 经转换 开关和电位差计测量， 然后确定流过试验管的 工作电流 I 。为了确定实验管壁的温度 tw，在试验管内 壁埋设热电偶 （热端），由于管壁很薄， 仅 0.2 0.3mm，故可足够准确地认为外壁温度 tw 等于内壁温度 tw。为使测量系统简化，冷端热电 偶置于空气流中。既热

28、端所处温度为管内壁温 度 tw，冷端所处为空气温度 tf，由电位差计 测出温差热电势 E( t w,t f )。空气温度 tf 用挂在 墙壁上的水银温度计测量。实验时对每一种直径的管子， 空气流速可调 整 9 个工况，加热电流可根据管子直径及风速 大小适当调整，保持管壁与空气间有一定的温 差。每调整一个工况， 须待工况稳定后才能测 量有关数据。六、实验报告 1完成实验原始数据记录(表 8-1)。 2完成实验工况数据处理(表 8-2)。3将测出的实验点 (X1,Y1) (X11,Y11) 绘 在坐标图上，试说明实验点的分布规律。4 将实验关联式的代表线 : y n x lgC 绘在 坐标图上，试

29、算出实验点与代表线的平均 偏差 。注：建议用计算机 Excel 完成上述实验曲线。七、思考题 1实验管径与准则方程式有什么关连？对于空气横掠单管强迫对流换热过程，你能在教材或其他资料上找出 Re 的大至范围 吗？2影响对流换热的主要因素是什么 ?3 试分析空气横掠管束时的强迫对流换热 系数？表 8-1 实验原始数据记录 时间：实验人：同组人：实验台号：单位外径 d= (m)长度 L= 0.1 (m)面积 A=()调节参考值最大1101009080706050403020实测值 pmm气流动压H( = 0.2 P)mV (5 倍率）mV电压U（V 0.201 )VA (5 倍率）mV电流I（A2)AMv ( 5 倍率）mV温差t ( Mv 23.2)来流空气温度 tftf(t f1+t f2+t f3)/3试件壁温（计算） tw表 8-2 实验工况整理记录变量计算变量称名单 单位最大1101009080706050403020空(tf)Kg/m 3u (tf)m/s定性温度 tm(tm)w/mK(tm)m 2/sPr(tm)Pr (tm)Qwhw/m2KNuRe