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重庆科技学院工程热力学实验指导书热能与动力工程教学示范中心二八年九月目 录实验一 气体定压比热容测定实验 1实验二 二氧化碳p-v-t关系测定实验 8实验三 饱和蒸汽压力和温度关系实验 15实验四 喷管实验 18实验一 气体定压比热容测定实验一、实验目的1了解气体比热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、实验原理引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有： 和 （1）定压时 （2）此式直接由的定义导出，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： （3）则气体的定压比热容可以表示为： kJ/kg （4）式中：气体的质量流量，kg/s；气体在等压流动过程中的吸热量，kJ/s。由于气体的实际定压比热是随温度的升高而增大，它是温度的复杂函数。实验表明，理想气体的比热与温度之间的函数关系甚为复杂，但总可表达为： （5）式中、等是与气体性质有关的常数。例如空气的定压比热容的实验关系式：kJ/kgK式中：绝对温度，K。该式适用于250600K，平均偏差为0.03%，最大偏差为0.28%。由于比热随温度的升高而增大，所以在给出比热的数值时，必须同时指明是那个温度下的比热。根据定压比热的定义，气体在时的定压比热等于气体自温度升高到时所需热量除以，即：当温度间隔为无限小时，即为某一温度时气体的真实比热。如果已得出的函数关系，温度由至的过程中所需要的热量即可按下式求得：用逐项积分来求热量十分繁复。但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： （6）则温度由至的过程中所需要的热量可表示为： （7）由加热到的平均定压比热容则可表示为： （8）大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度加热到时，其中水蒸气的吸热量可用式（8）计算，其中，则水蒸气的吸热量为： = kJ/s （9）式中：气流中水蒸气质量，kg/s。则干空气的平均定压比热容由下式确定： （10）式中：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和加热后温度仍为的条件下，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和，加热器的加热量分别为和，辐射散热量为，则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系两式相减消去项，得到 kJ/kg （11）三、实验设备图1-1测定空气定压比热容的实验装置系统1-节流阀；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。图1-2 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-出口温度计装置中采用湿式流量计测定气流流量。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。气流流量用调节阀3调整。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4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，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。四、实验步骤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。2取下流量计上的温度计，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和湿球温度。3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，使出口温度计读数升高到预计温度。（可根据下式预先估计所需电功率：,式中：为电功率（W），为进出口温差（），为每流过10升空气所需的时间（s）。4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：10升气体通过流量计所需时间（s）；比热仪进口温度（）；出口温度（）；大气压力计读数（kPa），流量计中气体表压（mmH2O）；电热器的功率（W）。5根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度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（g/kg干空气）。 6每小时通过实验装置空气流量： （m3/h） （12）式中：每10升空气流过所需时间，s；干空气质量流量的计算式： kg/h （13）7水蒸气的流量：水蒸气质量流量的计算式： kg/h （14）五、数据处理实验中需要测定干空气的质量流量、水蒸气的质量流量、电加热器的加热量（即气流吸热量）和气流温度等数据，测定方法如下：1干空气的质量流量和水蒸气的质量流量 电加热器不投入，摘下流量计出口与恒温槽连接的橡皮管，把气流流量调节到实验流量值附近，测定流量计出口的气流温度（由流量计上的温度计测量）和相对湿度。根据与值由湿空气的焓-湿图确定含湿量g/kg，并计算出水蒸气的容积成分 （15）于是，气流中水蒸气的分压力为 N/m2 （16）式中：流量计中湿空气的绝对压力（Pa）： （17）式中：当地大气压，kPa；由数字式压力计读出。流量计上压力表（U型管）读数，mmH2O柱；接上橡皮管，开始加热。当实验工况稳定后测定流量计每通过（m3）（例如0.01m3）气体所花的时间（s），以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下： kg/s （18）式中：水蒸气的气体常数： J/（kgK） （19） 绝对温度，K。干空气的质量流量计算如下： kg/s （20）干空气的气体常数： J/（kgK） 2电加热器的加热量电热器消耗功率可由瓦特表读出：瓦特表读书方法见瓦特表说明书 （kJ/h） （21）式中：瓦特表读数，W； 3气流温度 气流在加热前的温度和加热后的温度由比热容测定仪上的温度计测量。实验时，根据选定的气流初始温度和加热温度的变化范围及变化间隔，用恒温槽调节，由电加热器调节。六、实验注意事项1电热器不应在无气流通过情况下投入工作，以免引起局部过热而损害比热仪本体。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行，防止温度计比热仪本体因温度骤然变化和受热不均匀而破裂。4停止实验时，应先切断电热器电源，让风机继续运行15分钟左右（温度较低时，时间可适当缩短）。5实验测定时，必须确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。实验二 二氧化碳p-v-t关系测定实验一、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。2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。3掌握CO2的p-v-t关系的测定方法，学会测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。4学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。二、实验内容1 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）、临界温度（t=31.1）和高于临界温度（t=50）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。2测定CO2在低于临界温度（t=20、27）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-ps曲线比较。3观测临界状态（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。（2）气液整体相变现象。（3）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。三、实验设备及原理实验装置由压力计、恒温水浴和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图2-1所示）。图2-1 试验台系统原理图 图2-2 试验台本体结构简图试验台本体如图2-2所示。其中：高压主容器管内充CO2；玻璃杯盛满水银；压力油用来传递由压力机施加的压力；水银是用来把压力施加给主容器管内CO2，并起到封闭CO2不外泄的作用；密封填料起到组合件之间压力封闭作用；填料压盖其密封紧固作用；恒温水套用来给CO2恒温；温度计用来控制恒温水套中的水温。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，从而找出CO2的p-v-t关系。实验中，压力计油缸送来的压力由压力油传入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管容器，CO2被压缩，其压力大小通过压力计上的活塞杆的进、退来调节。温度由恒温水浴供给的水套内的水温来调节。实验工质二氧化碳的压力值，由装在压力计上的压力表读出。温度由插在恒温水套中的温度传感器及数显温度表读出。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截面不变等条件来换算得出。四、实验步骤1按图1装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯（目的是易于观察）。2恒温水浴准备及温度调节：（1）把水注入恒温器内，至离盖3050mm。检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。（2）设置数字调节器，把温度调节仪调节至所需温度。（3）视水温、环境情况，调节设定温度。（4）观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于设定的温度。（5）当所需要改变实验温度时，重复（2）（4）即可。(当初使水温高于实验设定温度时，应加冰块进行调节。)3加压前的准备：因为压力计的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在压力表显示压力读数。压力计抽油、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：（1）关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力计油杯上的进油阀。（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力计油缸中抽满了油。（3）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。（4）摇进活塞螺杆，使本体充油。如此交替重复，直至压力表上有压力读数为止。（5）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。4作好实验的原始记录：（1）设备数据记录：仪器、仪表名称、型号、规格、量程等。（2）常规数据记录：室温、大气压等实验环境参数。（3）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的比容与其高度是一种线性关系。具体方法如下：a）已知CO2液体在20，9.8MPa时的比容（20，9.8Mpa）=0.00117M3。b）实际测定实验在20，9.8Mpa时的CO2液柱高度h0（m）。* 注意玻璃管水套上刻度的标记方法。c） （m3/kg） 式中，h=h-h0 h任意温度、压力下水银柱高度。 h0承压玻璃管内径顶端刻度。5测定低于临界温度t=20时的等温线。（1）将恒温器调定在t=20，并保持恒温。（2）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，以保证等温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准。（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。（4）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。（5）测定t=25、27时其饱和温度和饱和压力的对应关系。6测定临界参数，并观察临界现象。（1）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c，并将数据填入表1。（2）观察临界现象。a）整体相变现象由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和蒸汽线和饱和液体线合于一点，所以这时汽-液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽-液是以突变的形式相互转化。b）汽、液两相模糊不清的现象处于临界点的CO2具有共同参数（p,v,t），因而不能区别此时CO2是气态还是液态。下面就来用实验证明这个结论。因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使CO2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7.64Mpa附近，突然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面。这就是说，如果这时管内的CO2是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了。这就告诉我们，这时CO2液体离气区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。7、测定高于临界温度t=50时的定温线。将数据填入原始记录表1。五、实验结果处理和分析1、按表1的数据，如图2-3在p-v坐标系中画出三条等温线。2、将实验测得得等温线与图2-3所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图2-4给出的ts-ps曲线相比较。表1 CO2等温实验原始记录t=20t=31.1（临界）t=50p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/K现象进行等温线实验所需时间 分钟分钟分钟 图2-3 标准曲线图2-4 ts-ps曲线4、将实验测定的临界比容c与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其原因。表2 临界比容Vcm3/Kg标准值实验值Vc=RTc/PcVc=3/8RT/Pc0.00216实验三 饱和蒸汽压力和温度关系实验一、实验目的1通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解。2通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽PT关系图表的编制方法。3学会温度计、压力表、调压器和大气压力计等仪表的使用方法。4能观察到小容积和金属表面很光滑（汽化核心很小）的饱态沸腾现象。二、实验设备图3-1实验设备简图1、排气阀 2、可视玻璃及蒸汽发生器三、实验方法与步骤1熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能。2将电功率调节器调节至电流表零位，然后接通电源。3调节电功率调节器，并缓慢逐渐加大电流，待蒸汽压力升至一定值时，将电流降低0.6安培左右保温，待工况稳定后迅速记录下水蒸气的压力和温度。重复上述实验，在01.0Ma（表压）范围内实验不少于6次，且实验点应尽量分布均匀。4实验完毕后，将调压指针旋回零位，并断开电源。5记录室温和大气压力。四、数据记录和整理1记录和计算实验次数饱和压力Ma饱和温度误差备注压力表读值 P大气压力 B绝对压力 P=P+B温度计读值 t 理论值t %1234562绘制Pt关系曲线如图3-2，将实验结果点在坐标上，清除偏离点，绘制曲线。 图3-2 饱和水蒸气压力和温度的关系曲线3总结经验公式将实验曲线绘制在双对数坐标纸上，则基本呈一直线，故饱和水蒸气压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式： 图3-3饱和水蒸气压力和温度的关系对数坐标曲线4误差分析通过比较发现测量比标准值低1%左右，引起误差的原因可能有以下几个方面：（1）读数误差。（2）测量仪表精度引起的误差。（3）利用测量管测温所引起的误差。五、注意事项1实验装置通电后必须有专人看管。2实验装置使用压力为1.0Ma（表压），切不可超压操作。实验四 喷管实验一、实验目的1验证并进一步加深对喷管内气流基本规律的理解，牢固树立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念。2掌握气流在喷管中流速、流量、压力变化的规律及测试方法。二、实验原理1. 喷管中气流的基本规律（1）由能量方程可得： (1)可见 ，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降。（2）由连续性方程及过程方程得： (2)显然，当来流速度 时，喷管应为渐缩型；当来流速度 时，喷管应为渐扩型。（3）当渐缩喷管出口处气流速度达到音速，或缩放喷管喉部气流速度达到音速时，通过喷管的气体流量便达到了最大值（），或称为临界流量。可由下式确定： (3)式中：最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流道截面积；对于缩放喷管即为喉部处的流道截面积。本实验台的喷管最小截面积为：12.56 mm2）。2气体在不同类型喷管中的流动（1）渐缩喷管渐缩喷管因受几何条件的限制，由式（2）可知：气体流速只能等于或低于音速（）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（）。根 据不同的背压（）， 渐缩喷管可分为三种工况，如图4-1所示：图4-1 渐缩喷管压力分布曲线及流量曲线A亚临界工况（），此时m B临界工况（），此时 m= C超临界工况（），此时 m= （2）缩放喷管缩放管的喉部，因此气流可以达到音速（）；扩大段（），出口截面的流速可超音速(),其压力可大于临界压力（），但因喉部几何尺寸的限制，其流量的最大值仍为最大流量（），气流在扩大段能做完全膨胀，这时出口截面出的压力成为设计压力（）。缩放喷管随工作背压不同，亦可分为三种情况，见图4-2： 图4-2 减缩喷管压力分布曲线及流量曲线A被压等于设计被压（）时，称为设计工况。此时气流在喷管中能完全膨胀，出口截面的压力与被压相等（），见图五中的曲线A。在喷管喉部，压力达到临界压力，速度达到音速。在扩大段转入超音速流动，流量达到最大流量。B被压低于设计被压（）时，气流在喷管内仍按曲线A那样膨胀到设计压力。当气流一离开出口截面便与周围介质汇合，其压力立即降至实际被压值，如图五曲线B所示，流量仍为最大流量。C被压高于设计被压（）时，气流在喷管内膨胀过渡，其压力低于被压，以至于气流在未达到出口截面处便被压缩，导致压力突然升跃（即产生激波），在出口截面处，其压力达到被压。如图五中的曲线C所示。激波产生的位置随着背压的升高而向喷管入口方向移动，激波在未达到喉部之前，其喉部的压力仍保持临界压力，流量仍为最大流量。当背压升高到某一值时，将脱离临界状态，缩放管便与文丘里管的特性相同了，其流量低于最大流量。三、实验装置整个实验装置包括实验台、真空泵。实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，见图43。 图43喷管实验台组成简图1.进气管 2. 空气吸气口 3. 孔板流量计 4. U形管压差计 5. 喷管 6.三轮支架7. 测压探压针 8.可移动真空表 9. 手轮螺杆机构 10. 背压真空表 11. 背压用调节阀12. 真空罐13. 软管接头四、操作步骤1装上所需的喷管，调好“位移坐标板”的基准位置。2打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。而后启动真空泵。3测量轴向压力分布：（1）用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记录下该值。（2）启动位移转动开关，使测压探针向出口方向移动。每移动一定距离（一般约2-3mm）便停顿下来，记录该点的坐标位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外。把各个点描绘到坐标纸上，便得到一条在这一背压下喷管的压力分布曲线。（3）若要做若干条压力分布曲线，只要改变其背压值并重复（1）、（2）步骤即可。4流量曲线的测绘（1）把测压探针的引压孔移至出口截面之外，打开罐后调节阀，关闭罐前调节阀，启动真空泵。（2）用罐前调节阀调节背压，每一次改变200Pa300Pa，稳定后记录背压值和U型管差压计的读数。当背压升高到某一值时，U型管差压计的液柱便不再变化（即流量已达到了最大值 ）。此后尽管不断提高背压，但U型管差压计的液柱仍保持不变，这时测23点。至此，流量测量即可完成。渐缩喷管和缩放喷管的流量曲线参见图4-1和图4-2。5实验结束后的设备操作打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3分钟后停真空泵并立即打开罐后调节阀，让真空泵充气（目的是防止回油）。最后关闭冷却水阀门。五、数据处理1压力值的确定（1）本实验装置采用的是负压系统，表上读数均为真空度，为此须换算成绝对压力值（p）： （4）式中： 大气压力（Pa） ； 用真空度表示的压力。（2）由于喷管前装有孔板流量计，气流有压力损失。本实验装置的压力损失为U型管差压计读数（）的97% 。因此，喷管入口压力为： （5）（3）由式（5）、（6）可得到临界压力，在真空表上的读数（即用真空度表示）为： （6）计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，约为3800Pa）。2喷管实际流量测定由于管内气流的摩擦而形成边界层，从而减少了流通面积。因此，实际流量必然小于理论值。其实际流量为： （kg/s）式中：流速膨胀系数；气态修正系数；几何修正系数（约等于1.0）；pU型管差压计的读数（Pa） ；室温（）；大气压力（Pa） 。六、实验报告要求1以测压探针孔在喷管中的位置（x） 为横坐标，以为纵坐标，绘制不同工况下的压力分布曲线。2压力比为横坐标，流量为纵坐标，绘制流量曲线。3根据条件，计算喷管最大流量的理论值，且与实验值比较。