工程热力学与传热学实验指导书

实验一二氧化碳临界状态观测及p-v-T关系测定实验指导书一、 实验目的了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。掌握CO2的p-v-T关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。二、 实验原理在准平衡状态下，气体的绝对压力P、比容v和绝对温度T之间存在某种确定关系，即状态方程：F(p,v,T)=0理想气体的状态方程具有最简单的形式：pv=RT实际气体的状态方程比较复杂，目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来，虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映P、v、T之间关系的实际气体的状态方程。因此，具体测定某种气体的P、v、T关系，并将实测结果表示在坐标图上形成状态图，乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系，故具体测定时有必要保持某一个状态参数为定值，本实验就是在保持绝对温度T不变的条件下进行的。三、 实验内容测定CO2的p-v-t关系。在p-v坐标系中绘出低于临界温度(t=20°C)、临界温度(t=31.1°C)和高于临界温度(t=35C)的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。观测临界状态临界状态附近气液两相模糊的现象。气液整体相变现象。测定CO2的pc、vc、tc等临界参数，并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教，简述其差异原因。 °四、 实验设备整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成(如图一所示)。试验台本体如图二所示。其中1—高压容器；2—玻璃杯；3—压力机；4一水银；5一密封填料；6一填料压盖；7一恒温水套；8一承压汞容器；9—CO2空间；10—温度计。、对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数P、v、T之间有：F(p,v,T)=0或T=f(p,v) (1)本实验就是根据式(1)，采用定温方法来测定CO2的p-v-T关系，从而找出CO2的p-v-T关系。实验中，由压力台送来的压力由压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了co2气体的承压玻璃管，co2被压缩，其压力和容器通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。实验工质二氧化碳的压力，由装在压力台上的压力表读出(如要提高精度，可由加在活塞转盘上的平衡砝码读出，并考虑水银柱高度的修正)。温度由插在恒温水套中的温度计读出。比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件来换算得出。图一试验台系统图 图二试验台本体

五、实验步骤按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯。恒温器准备及温度调节：把水注入恒温器内，注至离盖30〜50mm。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。在温度控制器AL808E的控制面板上通过上下键设定好实验用的温度。此时控制面板上视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。观察玻璃水套上的温度计，若其读数与恒温器上的温度计及电接点温度计标定的温度一致时(或基本一致)，则可(近似)认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所标定的温度。当所需要改变实验温度时，重复(2)〜(4)即可。加压前的准备：因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能在压力表显示压力读数。压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。所以，务必认真掌握，其步骤如下：关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力台油缸中抽满了油。先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。摇进活塞螺杆，使本体充油。如此交复，直至压力表上有压力读数为止。特别应注意以下情况，如螺杆已推进到极限位置，而压力尚未达到所需值，必须再一次抽油加压，此时要严格按以下程序操作，先关油路控制阀；再开油杯进油阀，使压力表压力降至0;关压力表控阀，倒退螺杆抽油至极限位置；然后关油杯进油阀，开压力表控制阀，推进螺杆逐渐加压直到刚才所建立的油压时才能开油路控制阀(在此以前油路控制阀决不能开!)，进一步加压。再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启。若均已调定后，即可进行实验。作好实验的原始记录：设备数据记录：仪器、仪表名称、型号、规格、量程、精度。常规数据记录：室温、大气压、实验环境情况等。测定承压玻璃管内CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积(A)又不易测准，因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容，认为CO2的比容V与其高度是一种线性关系。具体方法如下：已知CO2液体在20°C，9.8MPa时的比容V(20°C，9.8Mpa)=0.00117M3・kg。实际测定实验台在20C，9.8Mpa时的CO2液柱高度Ah0(m)。(注意玻璃管水套上刻度的标记方法)c)W(20C，9.8Mpa)=竺oa=0.00117m3/kgm=K(kg/m2)=K(kg/m2)00.00117其中：K——即为玻璃管内CO2的质面比常数。所以，任意温度、压力下CO2的比容为：“A“Ah Ahm/A K(m3/kg)式中，△h=h-h0h——任意温度、压力下水银柱高度。h0——承压玻璃管内径顶端刻度。测定低于临界温度t=20°C时的定温线。将恒温器调定在t=20C，并保持恒温。压力从4.41Mpa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准。按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。测定临界参数，并观察临界现象。按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容vc，并将数据填入表1。 ° °观察临界现象。临界温度指气体能通过加压压缩成液态的最高温度，当温度高于临界温度时，无论加多大的压力也不能使气体液化。理论上CO2的临界温度是31.1C，故实验时温度在此附近时，通过不断地加压能看到某一压力(理论上是7.52MPa，实验误差等影响可能是在其附近)看到水银柱上面出现少许白雾(液化)随后加压白雾消失，无论再怎么加压也不会出现液化现象。当实验温度低于31.1C时，一直加压会出现少许液体，这是气液共存现象。当温度高于31.1C时，无论怎么加压也不会出现液化现象，当然如果此时忽然卸压会出现少许液化，这是因为突然降压，绝热降温造成的。测定高于临界温度t=35C时的定温线。将数据填入原始记录表1。六、 注意事项除t=20C时，须加压到绝对压力10MPa(表压9.9MPa)夕卜，其余各等温线均在5~9MP间测出h值，表压不得超过10MPa，温度不应超过60Co一般压力间隔可取0.2〜0.5MPa，接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。加压过程应足够缓慢以实现准平衡过程，卸压时应逐渐旋转压力泵手柄，决不可直接打开油杯阀卸压！实验完毕将仪器设备擦净。将原始记录交指导教师签字后方可离开实验室。遇到疑难或异常情况应及时询问指导教师，不得擅自违章处理。七、 实验结果处理和分析按表1的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。将实验测得的等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。CO2等温实验原始记录 表1t=20Ct=31.1C(临界)t=35C(Mpa)△hv=Ah/K现象(Mpa)△hv=Ah/K现象(Mpa)△h¥=△h/K现象4.将实验测定的临界比容vc与理论计算值一并填入表2,并分析它们之间的差异及其产生误差的原因。 °临界比容叮m3/Kg] 表2标准值实验值0.00216图三标准曲线实验二中温辐射时的物体黑度的测试指导书一、 实验目的用比较法，定性地测量中温辐射时物体黑度£。二、 原理概述由n个物体组成的辐射换热系统中，利用净辐射法可求物体i的纯换热量QnetjQ=Q-Q=a£IJXdA-£EAnet,iabs,ie,iiajj,ijibi式中：Qneti—i面的净辐射换热量；Qabsi—i面从其他表面的吸热量；Q：：—-i面本身的辐射热量；£i——i面的黑度；xj,i—j面对i面的角系数；J.—-j面有效的辐射力；Ebi—i面的黑体辐射力；ai—-i面的吸收率；Ai—i面的面积。根据本实验的设备情况，可以认为：1、 热源1、传导圆筒2为黑体。2、 热源、传导圆筒2、待测物体（受体）3表面上的温度均匀（图1）。图1辐射换热简图1—热源2—传导圆筒3一待测物体因此，公式（1）可写成：Qnet,3如3（Eb1气儿寸％人⑵乂?）一£‘气A因为A1=A3；a3=£3；X32=X12又根据角系数的互换性A2X23=A3X32，则待测物体单位面积上的净辐射换热量为： , , , ,q3=Qnet,3/A3=£3（Eb,1X1,3+Eb,2X1,2）-£3Eb,3=£3（Eb,1X1,3+电2七一乩） （2）由于受体3与环境主要以自然对流方式换热，则：

q3=h（t3—以 （3）式中：h——待测物体表面传热系数；t3——待测物体（受体）温度；tf——环境温度由（2）、（3）式得：h(t—t)（4）£3二气iXI,+"之乂1,2一（4）当热源1当热源1和传导圆筒2的表面温度一致时，Eb1=Eb2而且热源1、传导圆筒2和待测物体3组成封闭系统，则：x1,3+x1,2=i由此，（4）'式可写成:h(t—h(t—t)Eb"E：h(t—t)a(T]4—T：)(5)式中。称为斯蒂芬——玻尔兹曼常数，其值为5.67X10-8w/m2k4。b对不同待测物体（受体）a、b的黑度£为：h(T—T)h(T—T)aa(T41a—T43a）；b设h=ah，b则：Ea二T_3a一—T cT4—LbT43bEb T3b当为黑体时，E二」—£—Tfb^1T fT]，(6)T.4—T41a 3a式可写成：1b—T二aT3b—TfT4—1aT34a三、实验装置h(T—T)

a(T4—T4)1b 3b(6)(7)实验装置简图如图2所示:图2实验装置简图9、导轨支架10、热源及中间体电压表3、数显温度计4、接线柱5、导轨6、热源7、传导体89、导轨支架10、热源及中间体电压表11、接线柱12、调压旋钮13、测温接线柱（红为+）14、电源开关热源腔体具有一个测温电偶，传导腔体有二个热电偶，受体有一个热电偶，它们都可过琴键转换开关来切换。四、实验方法和步骤本实验仪器用比较法定性地测定物体的黑度，具体方法是通过对三组加热器电压的调整（热源一组，传导体二组），使热源和传导体的测量点恒定在同一温度上，然后分别将“待测”（受体为待测物体，具有原来的表面状态）和“黑体”（受体仍为待测物体，但表面薰黑）两种状态的受体在恒温条件下，测出受到辐射后的温度，就可按公式计算出待测物体的黑度。具体步骤如下：1、 热源腔体和受体腔体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）靠紧传导体。2、 接通电源，调整热源、传导左、传导右的调温旋钮，使热源温度在50°C至150°C范围内某一温度，受热约40分钟左右，通过测温仪表测试热源、传导体的温度，并根据测得的温度微调相应的电压旋钮，使三点温度尽量一致。3、 系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在五分钟内各点温度波动小于3C），开始测试受体温度，当受体温度五分钟内的变化小于3°C时，记下一组数据。“待测”受体实验结束。4、取下受体，换为黑体，然后重复以上实验，测得第二组数据。将两组数据代入公式即可得出待测物体的黑度8受。五、注意事项 乂1、 热源及传导的温度不可超过160C。2、 每次做原始状态实验时，建议