工程热力学实验指导书

1、 工程热力学实验指导书工程热物理教研室 编华北电力大学（北京）二00六年十月1/20前言1实验总体目标通过实验能更好地理解工程热力学的一些现象和结论。学习一些实验仪器的使用方法。学习实验数据的处理方法。 适用专业热能与动力工程、建筑环境与设备工程、核科学与核工程 先修课程高等数学、大学物理 实验课时分配实验工程学时实验一气体定压比热容实验2实验二二氧化碳综合实验2实验三喷管特性实验2实验四饱和蒸汽压力和温度关系实验选做 实验环境实验室环境干净整洁，水电齐全，能够满足实验的要求。在醒目的地方有实验原理的说明，便于教师讲解和学生熟悉实验的步骤。 实验总体要求通过实验能够帮助学生更好地理解工程热力学

2、的一些基本原理。指导教师要提前做好准备，提高实验的效率。学生要提前预习实验的内容和要求（特别是注意事项），以免发生危险和损坏实验设备。按指导教师的要求书写实验报告，及时上交。 本实验的重点、难点及教案方法建议本实验的重点是气体定压比热容实验、二氧化碳压缩综合实验和喷管实验，这三个实验都是综合性实验，涉及到水浴的使用，真空泵的使用，表压力及真空度和绝对压力的关系，等等，需要大家对工程热力学的基本内容有清楚的了解。难点是在临界温度下定温压缩二氧化碳时不好把握，绘出来的图和理想压缩有较大的差别，另外，如何通过间接方法求出二氧化碳的比体积也有一些技巧。教案方法：学生提前预习，做实验之前老师提问；学生仔

3、细观察指导教师的演示；实验室对学生开放，一次没有做成功，或者想更好地掌握实验技巧的学生，可以跟指导教师预约时间另做。2/20目录气体定压比热容实验3二氧化碳综合实验8喷管特性实验143/20实验一气体定压比热容实验一、实验目的1 了解气体比热容测定装置的基本原理和构思。2 熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法。3 掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。4 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二、 实验类型综合性实验三、实验仪器实验所用的设备和仪器仪表由风机、流量计、比热仪本体、电工率调节测量系统共四部分组成，实验装置系统如图 1-1 所示。装置中采用湿式流量计测定气流流量

4、，气流流量用调节阀 1 调整。流量计出口的恒温槽2 用以控制测定仪器出口气流的温度。装置可以采用小型单级压缩机或其它设备作为气源设备，并用钟罩型气罐5 维持供气压力稳定。图 1-1 测定空气定压比热容的全套装置系统1- 调节阀； 2- 流量计； 3- 比热仪本体； 4- 瓦特表； 5- 调压变压器； 6- 稳压器； 7- 风机比热容测定仪本体（图1-2 ）由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、进口温度计1 和出口温度计8（铂电阻温度计或精度较高的水银温度计）、电加热器3 和均流网4、绝缘垫5、旋流片6 和混流网7 组成。气体自进口管引入，进口温度计1 测量其初始温度，离开电加热器的气体经均流网4 均流均温

5、，出口温度计8 测量加热终了温度，后被引出。该比热仪可测300以下气体的定压比热。4/20图 2-2 比热容测定仪结构原理图1-进口温度计； 2-多层杜瓦瓶； 3-电加热器； 4-均流网； 5-绝缘垫； 6- 旋流片； 7-混流网； 8-出口温度计四、实验原理根据热力学第一定律解读式，对可逆过程有：dq dh vdp（1- 1）定压时 dp0dqdh vdphc pdT（1- 2）dTT p5/20此式直接由 cp 的定义导出，故适用于一切工质。在没有对外界作功的气体的等压流动过程中：dh1 dQ p （1- 3）m则气体的定压比热容可以表示为：t 2Qp（1- 4）cp t1kJ/kg?m

6、t 2 t1式中： m 气体的质量流量，kg/s ；Q p 气体在等压流动过程中的吸热量，kJ/s 。由于比热随温度的升高而增大，在离开室温不很远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线形的，即可近似表示为：c pabt（1- 5）则温度由 t1 至 t 2 的过程中所需要的热量可表示为：qt2abt dt（1- 6）t1大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度t1 加热到 t 2 时，其中水蒸气的吸热量为：t2Qwmw t1.833 0.0003111t dt1=mw 1.833 t 2 t10.0001556 t22t12kJ/ s（1- 7）式中 ： mw 气流中水蒸

7、气质量， kg/s 。则干空气的平均定压比热容由下式确定：t 2Q pQp ' Qw（1- 8）c pm t1(m mw ) t 2 t1(m mw ) t 2t1式中： Q p '为湿空气气流的吸热量。仪器中加热气流的热量（例如用电加热器加热），不可避免地因热辐射而有一部分散失于环境。这项散热量的大小决定于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况相同，散热量也相同。因此，在保持气流加热前的温度仍为t1 和加热后温度仍为t2 的条件下，当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时，每次的散热量应当是一样的。于是，可在测定结果中消除这项散热量的影响。设两次测定时的气体质量流量分别为m1

8、 和 m2 ，加热器的加热量分别为 Q1 和 Q2 ，辐射散热量为Q ，则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系6/20Q1Qp1Qw1Q ( m1mw1 ) c pm t 2t 1Qw1QQ2Qp2Qw2Q ( m2mw2 )c pm t 2t1Qw2Q两式相减消去Q 项，得到t2Q1Q2Qw1Qw2kJ/ kg?（1- 9）c pm tm1m2mw1mw2 t 2t11五、实验内容和要求（一）实验内容1. 开动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测出流量计出口空气的干球温度 t0 和湿球温度 t w 。2. 将温度计插回流量计，重新调节流量，使它保持在额定值附近，逐渐提高电压，使出口

9、温度计读数升高到预计温度。3. 待出口温度稳定后（出口温度在 10 分钟之内无变化或有微小起伏即可视为稳定），读出下列数据：a） 10 升气体通过流量计所需时间（ s）；b） 比热仪进口温度t1 （ ） 、出口温度 t2 （） ；c） 大气压力计读数B1 （ kPa），流量计中气体表压h （ mmH 2O）；d） 电热器的功率 Q p （W ） 。4. 根据流量计出口空气的干球温度t 0 和湿球温度 t w 确定空气的相对湿度，根据和干球温度从湿空气的焓- 湿图（工程热力学附图）中查出含湿量d （ g/ kg 干空气 ） 。（二）实验要求1每小时通过实验装置空气流量：V36 / （ m3/h）

10、式中： 每 10 升空气流过所需时间，s；可以得出干空气质量流量的计算式：mg1 y w 1000B19.81 h 36/287 t 0kg/ h273.152. 水蒸气的流量：mwyw 1000B1 9.81 h36/461.5 t0273.15kg/ h（ 1- 10）（ 1- 11）（ 1- 12）t 2Q1Q2Qw1Qw2kJ/ kg? 计算干空气的平均定压质3利用 c pm t1m1m2mw1mw 2 t 2t1量热容。7/20六、注意事项1、切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪主体。2、输入电热器的电压不得超过220V，气流出口最高温度不得超过30

11、0。3、加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪主体因温度骤升和骤降而破裂。4、停止实验时，应先切断电热器。让风机继续运行十五分钟左右（温度较低时可适当缩短）。七、思考题1、 怎样判断气体的流动已经稳定了？2、停止实验后，为什么还要让风机运行一段时间？3、 如果不考虑水蒸气的影响，将会有什么样的结果？4、 如果要测量不同加热温度的平均比热容，如何设计实验？5、 怎样减少测量误差？实验二二氧化碳临界状态观测及P-V-T 关系测定一、实验目的（1）了解 CO2 临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。8/20（ 2）加深对课堂所讲的工质的热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。（

12、 3）学会活塞式压力计、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。（4）加深对实际气体pvt 属性的理解，增加实际气体热物性研究方面的感性认识；（ 5）掌握CO2 的 pvt 关系的测定方法并学会运用实验来测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。二、 实验类型综合性实验三、实验仪器1. 实验所用设备及仪表有实验台本体及其防护罩，恒温器，压力台等三大部分组成。如图2-1 所示。2. 压缩室本体如图 2-2 所示 .图 2-1 CO2 实验台系统图1-实验台本体； 2- 活塞式压力计；3-恒温器9/20图 2-2 实验台本体示意图1- 高压容器； 2- 玻璃杯； 3-压力油； 4-水银； 5-密封填料；

13、6- 填料压盖 7-恒温水套；8-承压玻璃管； 9- 二氧化碳空间；10-温度计四、实验原理(1). 当简单可压缩热力系统处于平衡状态时，状态参数压力p 、温度 t 和比体积 v 之间存在一定的函数关系，有：F ( p,v,t)0 （ 2-1）或者tf ( p,v) （ 2-2）当温度维持不变时，测定与不同压力所对应的比体积数值，从而可获得等温线的数据。 1873 年范德瓦尔对理想气体状态方程作了相应修正，提出下列实际气体状态方程：10/20a( P2 )(v b) RT（ 2-3）vRTa或者v b- v 2 （ 2-4）p式中， a 与 b 是各种气体所特有的，数值为正的常数，称为范德瓦尔

14、常数。范德瓦尔方程是比体积v 的三次方程，在p v 图上以一簇等温线表示，在临界温度以上一个压力相对应只有一个v 值，即只有一个实根，在临界温度以下与一个压力值对应的有三个值，在这三个实根中，最小值是饱和液体比体积，最大值是饱和蒸汽的比体积，中间值没有物理意义。得到三个相等实根的等温线上的点为临界点，方程可得临界温度等温线拐点，满足下述条件：p2 p）T=0（ 2-5）（）T=0和 （.v 2v本实验根据范德瓦尔方程，采用等温的方法来测定二氧化碳pv 之间的关系，从而找出实际气体二氧化碳的p v t 关系。(2). 实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯的上部，迫使水银进入预先装了二氧

15、化碳气体的承压玻璃管。二氧化碳气体被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞螺杆的进、退来调节，温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。(3). 实验工质二氧化碳的压力由装在压力台上的压力表读出。温度由插在恒温水套中的温度计读出。比体积通过 CO2 的高度来用间接方法度量。（ 4） 维持温度不变，测定比体积与压力的对应数值，就可得到等温线的数据。在不同温度下对二氧化碳气体进行压缩，将此过程画在p v图上，可得到的二氧化碳pv T关系曲线。当温度低于临界温度tc时，该二氧化碳实际气体的等温线有气液相变的直线段。随着温度的升高，相变过程的直线段逐渐缩短。当温度增加到临界温度时，饱和液体和饱和气体之间的界

16、限已完全消失，呈现出模糊状态，称为临界状态。二氧化碳的临界压力pcr为7.38MPa ，临界温度 tcr 为31.1。在 p v图上，临界温度等温线在临界点上既是驻点，又是拐点。临界温度以上的等温线也具有拐点，直到48.1才成为均匀的曲线。（5）利用质面比常数k 值间接测量二氧化碳的比体积由于充进承压玻璃管内二氧化碳的质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A ）又不易测准，因而实验中是采用间接的方法来确定二氧化碳的比体积，认为二氧化碳的比体积与其高度是一种线性关系，具体如下方法：已知二氧化碳液体在20 ， 100at 时的比体积：v( 20oC,100at )0.00117 m3/kg（ 2-6

17、）如前操作实地测出本实验台二氧化碳液体在20 ， 100at的二氧化碳液柱高度h * （注意玻璃水套上刻度的标记方法）由式（ 2-6）可知v( 20oC ,100at )h A0.00117 m3/kg（ 2-7）m则m =h*= k kg/m 3（ 2-8）A0.0011711/20那么在任意压力、温度下的二氧化碳的比体积为hhv = m= kA式中：h = h h ；03（ 2-9）m /kgh 任意压力、温度下的水银柱高度；h0 承压玻璃管内径顶端刻度。五、实验内容和要求（一） 实验内容1测定 t20 、 t31.1及 t50 时的等温线2测定临界等温线与临界参数，观察临界现象测出临界等

18、温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc 与临界温度 vc ，并将数据填入表 2.1。1）临界乳光现象将水温加热到临界温度（31.1）并保持温度不变，摇进压力台上的活塞螺杆使压力升至上7.8MPa 附近出，然后摇退活塞螺杆（注意勿使实验本体晃动）降压，在此瞬间玻璃管内将出现园锥状的乳白色的闪光现象，这就是临界乳光现象。这是由于二氧化碳分子受重力场作用沿高度分布不均和光的散射所造成的，可以反复几次，来观察这一现象。2）整体相变现象由于在临界点时，气化潜热等于零，饱和气相线和饱和液相线合于一点，所以这时气液的相互转化不是像临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变的过程，而这时当压

19、力稍有变化时，气、液是以突变的形式互相转化的。3）汽、液两相模糊不清的现象处于临界点的二氧化碳具有共同的参数( p,v,t )，因而仅凭参数是不能区分此时二氧化碳是气体还是液体，如果说它是气体，那么这个气体是接近了液态的气体，如果说它是液体，那么这个液体是接近了气态的液体。下面就用实验来验证这个结论。因为这时是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使二氧化碳压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到的。现在我们按绝热过程来进行。首先在压力等于78at 附近，突然降压，二氧化碳状态点由等温线沿绝热线降到液态区，管内二氧化碳出现了明显的液面，这就说明，如果这时管内二氧化碳是气体的话，那么这种气体离液区很接

20、近可以说是接近了液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩二氧化碳时，这个液面又立即消失了，这就告诉我们，此时的二氧化碳液体离气区也是非常近的，可以说是接近了气态的液体。既然此时的二氧化碳既接近气态又接近液态，所以，只能处于临界点附近。可以说，临界状态究竟如何，是饱和汽、液分不清。这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象。12/20（二）实验要求1测定高于临界温度t50 时的等温线，并将数据填入表2.1 中。表 2.1 二氧化碳等温实验原始记录t20 t31.1 t50 p (at)hh 现象 p (at)hh现p (at)hh现vv象v象kkk455060708090100做出各条等温线所需时间分

21、钟分钟分钟表 2.2 临界比体积 vc (m3/kg)标准值实验值vcRTcPc0.002162绘制等温线与比较a）按表（ 2.1）的数据仿图2.3 再绘出三条等温线。b）将实验测得的等温线与图2.3 所示的标准等温线比较，并分析其中的差异及原因。c）将实验测得的饱和温度与饱和压力的对应值与图2.4 绘出的曲线相比较。d）将实验测得的临界比体积与理论计算值一并填入表2.2，并分析其中差异及原因。13/20图 2-3 标准曲线图 2.4 CO2 饱和温度与饱和压力六、注意事项(1) 做各条等温线时，实验温度不要超过50，实验压力不要超过100MPa。一般压力间隔可取 0.2 0.5MPa，但是在

22、接近饱和状态与临界状态时，压力间隔应取0.05MPa。(2) 恒温水流量应足够大，使水套进、出口的水温尽可能接近相同。(3) 实验中读取 h 时，水银柱液面高度的读取要注意，应使视线与水银柱半圆形液面的中间一齐。(4) 不要在气体被压缩情况下打开油杯阀门，致使二氧化碳突然膨胀而逸出玻璃管，水银则被冲出玻璃杯。如要卸压，应慢慢退出活塞杆使压力逐渐下降，执行升压过程的逆程序。(5) 为达到二氧化碳的定温压缩和定温膨胀，除保持流过恒温水套的水温恒定外，还要求压缩和膨胀过程进行得足够缓慢，以免玻璃管内二氧化碳温度偏离管外恒温水套的水温。(6) 如果玻璃管外壁或水套内壁附着小气泡，妨碍观测，可通过放充水

23、套中的水，将气泡冲掉。操作和观测时要格外小心，不要碰到实验台本体，以免损坏承压玻璃管及恒温水套。七、思考题1实验中为什么要保持加压（或降压）过程缓慢进行？2实验中是如何间接测量CO2 的比体积的？14/20实验三喷管特性实验一、实验目的（ 1）巩固和验证有关气体在喷管内流动的基本理论，掌握气流在喷管中流速、流量、压力的变化规律，加深临界状态参数、背压、出口压力等基本概念的理解。（ 2）测定不同工况（pb >pcr,pbpcr,pbpcr）下，气流在喷管内流量m 的变化，绘制mpbps 曲线；分析比较mmax的计算值和实测值；确定临界压力pcr 。（ 3）测定不同工况时，气流沿喷管各截面（

24、轴相位置X）的压力变化情况，绘制pX x 关系曲线，分析比较临界压力的计算值和实测值。p1二、 实验类型综合性实验三、实验仪器本实验装置由实验本体、真空泵及测试仪表等组成。其中实验本体由进气管段，喷管实验段（渐缩喷管与渐缩渐扩喷管各一），真空罐及支架等组成，实验装置系统图见图3.1，采用真空泵作为气源设备，装在喷管的排气侧。喷管入口的气体状态用测压计度计 7 测量。气体流量用风道上的孔板流量计 2 测量。喷管排气管道中的压力6 和温p2 用真空表11 测量。转动探针移动机构表 12 读取。4 的手轮，可以移动探针测压孔的位置，测量的压力值由真空实验中要求喷管的入口压力保持不变。风道上安装的调节

25、阀门减小时孔板压差的变化适当开大或关小调节阀。应仔细调节，使实验段力维持在实验选定的数值。喷管排气管道中的压力p2 由调节阀门3，可根据流量增大或1 前的管道中的压3 控制，真空罐13 起稳定排气管压力的作用。当真空泵运转时，空气由实验本体的吸气口进入并依次通过进气管段，孔板流量计，喷管实验段然后排到室外。图 3-1 喷管实验装置系统图1.空气吸气口； 2.进气管； 3.孔板流量计； 154.U /形20管压差计； 5. 三轮可移动支架； 6.可互换渐缩喷管和缩放喷管夹具； 7.背压真空表； 8.可移动真空表； 9.探针手轮螺杆机构； 10.背压调节阀； 11.真空罐； 12.进气调节阀； 1

26、3.软管接头； 14.真空泵； 15.出气管 16.水泥基础座 .喷管各截面上的压力采用探针测量，如图3.2 所示，探针可以沿喷管的轴线移动，具体的压力测量是这样的：用一根直径为1.2mm 的不锈钢制的探针贯通喷管，起右端与真空表相通，左端为自由端（其端部开口用密封胶封死），在接近左端端部处有一个0.5mm 的引压孔。显然真空表上显示的数值应该是引压孔所在截面的压力，若移动探针（实际上是移动引压孔）则可确定喷管内各截面的压力。图 3-2 探针测压简图1-管道； 2- 喷管； 3-探针； 4-测压孔； 5-测量喷管各截面压力的压力表；6- 测量喷管入口压力的压力表；7- 测量喷管排气管道压力的压

27、力表四、实验原理1、渐缩喷管气体在渐缩喷管内绝热流动的最大膨胀程度取决于临界压力比：（3-1 ）临界压力比只和气体的等熵指数k有关，对于空气，k1.4，。式中的 pcr即为气体在渐缩喷管中膨胀所能达到的最低压力，称为临界压力。气体渐缩喷管中的膨胀情况如图 3 3所示。16/20（ a）渐缩喷管中气体分布示意图（ b）渐缩喷管流量曲线图 3 3 气体渐缩喷管中的膨胀情况2、缩放形喷管气体流经缩放形喷管时完全膨胀的程度决定于喷管的出口截面积A2与喷管中的最小截面积 Amin 的比值。喷管在不同背压条件下工作时，压力分布如图3 4所示。图 3 4 缩放喷管中气体压力布示意图五、实验内容和要求（一）实

28、验内容在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内的不同截面位置x、气流在该截面上的压力 p、背压 pb、流量 m，这些量可分别用位移指针的位置、可移动真空表、背压真空表以及 U 形管压差计的读数来显示。p1测量喷管轴向压力分布情况f ( x)p12测量喷管流量变化情况：mf ( pb p1)（二）实验要求1装上所需的喷管，将“坐标校准器”调好，即使指针对准“位移坐标板”零刻度时，探针的测压孔正好在喷管的入口处。2开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车1-2 转，一切正常后，打开罐后调节阀，打开冷却水阀门，而后启动真空泵。3开罐前调节阀,关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3 分钟后关闭真空泵，立即打开罐

29、后调节阀，让真空泵充气（防止回油）；最后关闭冷却水阀门。4实验数据记录1） 喷管尺寸见图纸，图3-5。17/20（a） 渐缩喷管结构图（ b） 渐缩渐扩喷管结构图图 3-5喷管尺寸2）喷管入口温度t1 ，入口压力p1 。入口温度 t1 为室温 t a 。由于在进气管中装有测流量孔板，气流流过孔板将有压力损失。 p1 将略低于大气压力pa ，流量越大，低得越多。根据经验公式和实测，可由下式确定入口压力 p1 ：p1pa0.97 p（ 3-2）式中： P孔板流量计 U 型管压差，若U 型管压差计读数为h mmH 2O 柱高，大气压力计读数为 pa mbar 则：p1 = pa -0.970

30、5;.0981h mbarp1 = pa -0.095h mbar（ 3-3）3）孔板流量计计算公式：m1.373 10 4kg/s（ 3-4）h式中：流束膨胀系数， =1-2.873 × 10-2 h / pa ；气态修正系数，0.538pa；t a273.15 几何修正系数，此处取1；pa 大气压力计读数，mbar；ta 室温，18/20 h U 型管压差计读数，mm 水柱。4）喷管的一个重要特征参数 临界压力pcr =0.528 p1在真空表上的读数：pcr (真空度 )= pa - pcr = pa -0.528( pa -0.095 h )，mbarpcr (真空度 )=0.472 pa +0.05 h ， mbar 折算为 mm 汞柱：pcr (真空度 )=3.54 pa +0.375 h ， mm 汞柱式中： pa 大气压力计读数，mbar h U 型管压差计读数，mm 水柱5)