2023年《工程热力学》实验指导书

《工程热力学试验》指导书福州大学化学化工学院202311月试验1 气体定压比热容测定试验一、试验目的1、了解气体比热测定装置的根本原理和构思；2、生疏本试验中温度、压力、电加热功率、流量的测量方法；3、把握由根本数据计算出定压比热容值和拟合比热容公式的方法；4、分析本试验产生误差的缘由及减小误差的可能途径。二、试验原理t1升为t2时，气体的定压比热容可以表示为：Qc t2 p

kJ/kg•℃ 〔1〕mt1pt tmt12 1式中：m——湿空气的质量流量，kg/s；Q ——湿空气在定压加热过程中的吸热量，kJ/s。p说明，抱负气体的比热与温度之间的函数关系甚为简单，但总可表达为：c abtet2 〔2〕p式中a、b、e等是与气体性质有关的常数。例如空气的定压比热容的试验关系式：c 1.023191.76019104T4.02402107T24.872681010T3pkJ/kgKT——确定温度，K。该式适用于250～600K，平均偏差为0.03%，最大0.28%。那个温度下的比热。依据定压比热的定义，气体在t℃时的定压比热等于气体自温度t上升到tdt时所需热量dq除以dt，即：3c dqp dt当温度间隔dt为无限小时，即为某一温度t时气体的真实比热。假设已得出cft的函数关系，温度由t至t1 2

的过程中所需要的热量即可按下式求得：2 2 qc1

dtabtet2 dtp 1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 abtp则温度由t至t的过程中所需要的热量可表示为：1 2qt2abtdtt1由t加热到t的平均定压比热容则可表示为：1 2ttt

〔3〕〔4〕c t2t ab1 11

〔5〕t1pt t 2t12 1t加热到t时，其中水蒸1 2气的吸热量可用式〔4〕a1.833b0.0003111，则水蒸气的吸热量为：Q m t2833000311tdt1w wt 1=m w 2

t0.0001556t21 2

t21

kJ/s 〔6〕式中：m 气流中水蒸气质量，kg/s。w则干空气的平均定压比热容由下式确定：Q

QQc t2(

p w

〔7〕pmt1

mm)t tw 2 1

(mm)t tw 2 1Qp

”——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，不行避开地因热辐射而有度状况一样，散热量也一样。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的气体质量流量分别为m和m1 2

Q和Q1 2

，辐射散热量为Q，则到达稳定状况后可以得到如下的热平衡关系：Q Q Q1 p1

Q(m1

m )c tw1 pm

tQ1 QQ Q Q Q(m m )c t tQ Q2 p2 w2 2 w2 pm 2 1 w2两式相减消去Q项，得到mmmmmm

Q c t2pmt1

2

2wt w

kJ/kg•℃

〔8〕三、试验设备

1 2 w1

w2 2 11所示。1-11-调整阀；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2用以掌握测定仪器出口气流的温度。装置可以承受小型单级压缩机或其它设备作为气源设53调整。比热容测定仪本体〔图2〕由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、进口温度计1和出〕34，567组成。气体自进口管引入，进口温度计4测量其48测量加热终300℃以下气体的定压比热。2-2比热容测定仪构造原理图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、试验方法及数据处理试验中需要测定干空气的质量流量mmw、电加热器的加热量〔即气流吸热量〕Q”和气流温度等数据，测定方法如下：p5101、mmw到试验流量值四周，测定流量计出口的气流温度t〔由流量计上的温度计测量〕0和相对湿度。依据t0与 的焓-湿图确定含湿量d(g/kg)，并计算出y水蒸气的容积成分：yw

y d/622w 1d/622

〔9〕于是，气流中水蒸气的分压力为：p y p N/m2w wp——流量计中湿空气确实定压力〔Pa：

〔10〕p10B1

〔11〕kPa；由数字式压力计读出。h——流量计上压力表〔U型管〕读数，mmH2O柱；V〔m3〔例0.01m3气体所花的时间〔sp(V/)m w

kg/s

〔12〕Rw

w RTw0——水蒸气的气体常数：R 461 J/〔kg•K〕wT——确定温度，K。干空气的质量流量计算如下：0

〔13〕pV/m g g RT0

kg/s 〔14〕R——干空气的气体常数：R287 J/〔kg•K〕〔15〕2、电加热器的加热量Qp电热器消耗功率可由瓦特表读出〔瓦特表读数方法见瓦特表说明书：Q3.6Qp p

〔kJ/h〕

〔16〕式中：Qp——瓦特表读数，W；3、气流温度气流在加热前的温度t1和加热后的温度t2由比热容测定仪上的温度计测量。试验时，依据选定的气流初始温度t1和加热温度t2的变化范围及变化间隔，t1用恒温槽调整，t2由电加热器调整。五、试验步骤1、接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。wt0t。w3、将温度计插回流量计，重调整流量，使它保持在额定值四周，渐渐提〔可依据下式预先估量所需电功率：tw12

,w为电功率Wt为进出口温差〔℃，10升空气所需的时间〔s。为稳定，读出以下数据：10升气体通过流量计所需时间〔s；t1〔℃t2〔℃；1 B〔kP，流量计中气体表压h〔mmH1 p〔W。0 5依据流量计出口空气的干球温度t和湿球温度t 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0 6、每小时通过试验装置空气流量：V36/ 〔m3/h〕 式中：10升空气流过所需时间，s；将各量代入式〔14〕并统一单位可以得出干空气质量流量的计算式：

1000B8h36/m g7、水蒸气的流量：

w 287t1273.150

kg/h

〔18〕将各量代入式〔12〕并统一单位可以得出水蒸气质量流量的计算式：y m w 1

〔19〕六、计算实例

w 461.5t0

273.15某一稳定工况实测参数如下：t0=8℃，tw=7.8℃，tf=8℃，Bt=99.727kPa,t1=8℃，t2=240.3℃,=69.96s/10升，h16mmH2O柱，Qp=41.842W，由t0，tw查焓-湿图得=94%，d=6.3g/kg干空气。计算如下：1、水蒸气的容积成分：代入式〔9〕 y w

6.3/62216.3/622

=0.0100272、电加热器单位时间放出的热量：代入式〔16〕Qp3、干空气质量流量：

p

3.641.842150.632 kJ/h代入式〔18〕 m g

10.010027100099.7279.811636/69.960.63048kg/h4、水蒸气质量流量：0.010027100099.7279.8136/69.96代入式〔19〕 m w

461.58273.150.0039755kg/h5、水蒸气吸取的热量为：

Q 0.00397551.833240.38w

1.556104240.3282 1.728 kJ/h则干空气的平均定压比热容为：150.6321.728c pm8

0.63048240.381.0167 kJ/h七、试验留意事项1、电热器不应在无气流通过状况下投入工作，以免损害比热仪本体。2、输入电热器电压不得超过220伏，气体出口温度最高不得超过300℃。3、加热和冷却要缓慢进展，防止温度计比热仪本体因温度突然变化和受热不均匀而裂开。4、停顿试验时，应先切断电热器电源，让风机连续运行15分钟左右〔温度较低时，时间可适当缩短。5、试验测定时，必需确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。八、试验报告1、简述试验目的、原理、仪器构成原理、试验步骤。2、列表给出全部原始数据记录。3、列表给出试验结果〔数据处理要附有计算过程。4、与下述阅历方程比较：TC 1.023191.76019104T4.02402103(pT

21004.87268104(

100

)3KJ/(kgK)其中：T为空气确实定温度，K。5、分析造成试验误差的各种缘由，提出改进方案；九、思考题1、在本试验中，如何实现绝热？2、气体被加热后，要经过均流、旋流和混流后才测量气体的出口温度，为什么？简述均流网、旋流片和混流网的作用？3、尽管在本试验装置中承受了良好的绝热措施，但散热是不行避开的。不一种试验方法〔仍利用现有设备〕来消退散热给试验带来的误差？试验2 空气比热容比测定一、试验目的1、测量空气定压比热容与定容比热容之比。2、观测热力学过程中空气状态变化的根本规律。3、学习用传感器准确测量气体压强和温度的原理和方法。二、试验原理气体的定压比热容c定容比热容ck表示，p vk，可以加深对绝热、定容、定压、等温等热力学过程的理解。如图1所示，以贮气瓶内的气体作为争论对象进展如下试验过程：1、首先翻开放气阀A，贮气瓶与大气相〔设为T〕同压〔P0

〕的气体。B。此时瓶内空气被压缩，压强增大，温度上升。等待内部气体温度稳定，即到达与四周温度平衡，I〔P,V,T。1 1 03、快速翻开放气阀A，使瓶内气体与大气相通，当瓶内压强降至P0

时，马上关闭放气 图1 试验装置简图的气体由状态I〔P,V,T〕转变为状态II〔P,VT。V为贮气瓶容积，V为1 1 0 0 2 1 2 1I〔P,T

〕时的体积。1 04、由于瓶内气体温度T低于室温T

，所以瓶内气体渐渐从外界吸热，直至1 0到达室温T0

P2

。则稳定后的气体状态为III〔P2

,V,T2

。从状态II→状态III的过程可以看作是一个等容吸热的过程。由2所示。图2 气体状态变化P-V图I→II是绝热过程，由绝热过程方程得P P

〔1〕1 1 0 2IIIIT，由气体状态方程得0PV PV

〔2〕1 1 2 2由式〔1、式〔2〕V、V得1 2 lnP l

) 1 0

1 0 〔3〕lnP l1 2

)1 2由式〔3〕P

就可求得空气的绝热指数k。0 1 2假设由于环境的温度的变化我们测量到状态〔PVT，我们可以把3 2 22 2 IVII〔PVTIV→III2 2 P T20P T3 2三、试验仪器1、空气比热容比测定仪AD590L3所示。图3 THQBR-1型空气比热容比测定仪转换公式为： P=P+U/L (4)1 02、气压计该气压计用来观测环境气压。3、水银温度计用来观测环境温度。四、试验步骤1、接好仪器电路，开启电源，预热20分钟，然后调零。BP1T0。3AP0时〔放气声音消逝时。4P2。5、用公式〔3〕进展计算，求得空气的比热容比r的值，并与准确值做比较。p k的准确值：c=1.0032kJ/kg.℃，c=0.7106kJ/kg.＝1.412p k值。五、数据处理PP(105Pa)0ΔP(mV)1T/(mV)1ΔP(mV)2T/(mV)2P1P2r说明：表中已ΔP、ΔP分别为绝热压缩过程和等容吸热过程气体压强的增量，试验时1 2先按直流数字电压表测得值记录单位为mV，试验计算中再由换算因子200(mV)相当于