工程热力学实验指导书(华北电力).doc

工程热力学
实验指导书

华北电力大学
能源与动力工程学院
实验一 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。
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，学会用实验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
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）。

图一 试验台系统图

图二 试验台本体
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—水银；5—密封填料；6—填料压盖；7—恒温水套；8—承压玻璃杯；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，压力台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值，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、按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯（目的是易于观察）。
2、恒温器准备及温度调节：
（1）、把水注入恒温器内，至离盖30～50mm。检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。
（2）、把温度调节仪波段开关拨向调节，调节温度旋扭设置所要调定的温度，再将温度调节仪波段开关拨向显示。
（3）、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。
（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。
注：当初使水温高于实验设定温度时，应加冰进行调节。
3、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，再向主容器管充油，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：
（1）关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台油杯上的进油阀。
（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力台油缸中抽满了油。
（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、实验环境情况等。
（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）实际测定实验台在20℃，9.8Mpa时的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
c）∵（20℃，9.8Mpa）=
∴
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：
（m3/kg）
式中，Δh=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，饱和汽线和饱和液线合于一点，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。如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这个液体又是接近气态的液体。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。既然，此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。可以这样说：临界状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。
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，如图三在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三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四给出的ts-ps曲线相比较。

CO2等温实验原始记录 表1

t=20℃
t=31.1℃（临界）
t=50℃
p
(Mpa)
Δh
v=Δh/K
现象
p
(Mpa)
Δh
v=Δh/K
现象
p
(Mpa)
Δh
v=Δh/K
现象

进行等温线实验所需时间
分钟
分钟
分钟

图三 标准曲线

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。

临界比容Vc[m3/Kg] 表2
标准值
实验值
Vc=RTc/Pc
Vc=3/8
RT/Pc
0.00216

实验二 气体定压比热测定
气体定压比热的测定是工程热力学的基本实验之一。实验中涉及温度、压力、热量（电功）、流量等基本量的测量；计算中用到比热及混合气体（混空气）方面的知识。本实验的目的是增加热物性研究方面的感性认识，促使理论联系实际，以利于培养同学分析问题和解决问题的能力。
一、实验目的和要求
1. 了解气体比热测定装置的基本原理和构思。
2. 熟悉本实验中的测温、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求得比热公式的方法。
4. 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、实验装置和原理
装置由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成（如图一所示）。

图一 实验装置
比热仪主体如图二所示。
实验时，被测空气（也可以时其它气体）由风机经湿式气体流量计送入比热仪主体，经加热、均流、旋流、混流后流出。在此过程中，分别测定：空气在流量计出口处的干、湿球温度（t0，tw由于是湿式气体流量计，实际为饱和状态）；气体经比热仪主体的进出口温度（t1，t2）；气体的体积流量（V）；电热器的输入功率（W）；以及实验时相应的大气压（B）和流量计出口处的表压（Δh）。有了这些数据，并查用相应的物性参数，即可计算出被测气体的定压比热（Cpm）。
气体的流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电热器的功率来调节。
本比热仪可测300℃以下的定压比热。
三、实验步骤和数据处理
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. 摘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（t0）。
3. 将温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。逐渐提高电热器功率，使出口温度升高至预计温度
[可以根据下式预先估计所需电功率： 图二 比热仪主体
式中：W为电热器输入电功率（瓦）；
Δt为进出口温度差（℃）；
τ为每流过10升空气所需的时间（秒）。]
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，每10升空气通过流量计所需时间（τ,秒）；比热仪进口温度——即流量计的出口温度（t1,℃）和出口温度（t2℃）；当时相应的大气压力（B，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（Δh，毫米水柱）；电热器的输入功率（W，瓦）。
5. 根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的干湿图查出含湿量(d,克/公斤干空气)，并根据下式计算出水蒸气的容积成分：

6. 根据电热器消耗的电功率，可算出电热器单位时间放出的热量：
千卡/秒
7. 干空气流量（质量流量）为：
公斤/秒
8. 水蒸气流量为：

公斤/秒
9. 水蒸气吸收的热量：

千卡/秒
10. 干空气的定压比热为：
千卡/（公斤·℃）
11. 计算举例
假定某一稳定工况的实测参数如下：
t0=8℃； tw=7.5℃； B=748.0毫米汞贡柱
t1=8℃； t2=240.3℃； τ=69.96 秒/10升；
Δh=16 毫米汞柱; W=41.84千瓦
查干湿图得 d=6.3克/公斤干空气（=94%）

千卡/秒
公斤/秒
公斤/秒
千卡/秒
千卡/（公斤·℃）
12. 比热随温度的变化关系
假定在0—300℃之间，空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系，则由t1到t2的平均比热为：

因此，若以 为横坐标， 为纵坐标（如图三），则可根据不同的温度范围内的平均比热确定截距a和斜率b，从而得出比热随温度变化的计算式。
图 三

四、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220伏。气体出口最高温度不得超过300℃。
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增骤降而破裂。
4. 停止试验时，应切断电热器，让风机继续运行十五分钟左右（温度较低时可适当缩短）。

实验三 喷管特性实验
一、实验目的及要求
1、验证并进一步加深对喷管中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、比较熟练地掌握用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法。
3、重要概念1的理解：应明确在渐缩喷管中，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。
4、重要概念2的理解：应明确在缩放喷管中，其出口处的压力可以低于临界压力，流速可高于音速，而流量不可能大于最大流量。
5、应对喷管中气流的实际复杂过程有所了解，能定性解释激波产生的原因。
二、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1。

图1喷管实验台
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
进气管（1）为ф57×3.5无缝钢管，内径ф50。.空气吸气口（2）进入进气管，流过孔板流量计（3）。孔板孔径ф7，采用角接环室取压。流量的大小可从U形管压差计（4）读出。喷管（5）用有机玻璃制成。配给渐缩喷管和缩放喷管各一只，见图2、3。根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架（6），更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探压针（7）（外径ф1.2）连至“可移动真空表”（8）测得，它们的移动通过手轮～螺杆机构（9）实现。由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（ф0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，也可从装在“可移动真空表”下方的针在“喷管轴向坐标板”（在图中未画出）上所指的位置来确定。喷管的排气管上还装有“背压真空表”背压用调节阀（11）调节。真空罐（12）直径ф400，体积0.118m3。起稳定压的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。为减小震动，真空罐与真空泵之间用软管（13）连接。
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。
本实验台配套的仪器设备选型如下：
真空泵： 1401型 排气量3200升/分
用途和特点
本实验台主要用于《工程热力学》教学中“喷管临界状态的观察”实验。
1．可方便地装上渐缩喷管或缩放喷管，观察气流沿喷管各截面的压力变化。
2．可在各种不同工况下（初压不变，改变背压），观察压力曲线的变化和流量的变化，从中着重观察临界压力和最大流量现象。
3．除供定性观察外，还可作初步的定量实验。压力测量采用精密真空表，精度0.4级。流量测量采用低雷诺数锥形孔板流量计，适用的流量范围宽，可从流量接近为零到喷管的最大流量，精度优于2级。
4．采用真空泵为动力，大气为气源。具有初压初温稳定，操作安全，功耗和噪声较小，试验气流不受压缩机械的污染等优点。喷管用有机玻璃制作，形象直观。
5．采用一台真空泵，可同时带两台实验台对配给的渐缩、缩放喷管做全工况观测。因装卸喷管方便，本实验台还可用作其他各种流道喷管和扩压管的实验。
三、实验原理
1、喷管中气流的基本规律
（1）、由能量方程：

及
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：
常数
有
及过程方程 常数
有
根据
马赫数 ，而
得： (2)
显然，当来流速度 时，喷管应为渐缩型；当来流速度 时，喷管应为渐缩型。
2、气流动的临界概念
喷管气流的特征是，，，三者之间互相制约。当某一截面的流速达到当地音速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（）。临界压力与喷管初压（）之比称为临界压力比，有：

经推导可得： (3)
对于空气，
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：
(4)
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。本实验台的二种最小道截面积为：19.625 mm2）。
3、气体在喷管中的流动
（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 所示：
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：
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（），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①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，如图曲线②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。如图中的曲线③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。
四、操作步骤
1、装上所需的喷管，用“坐标校准器”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）、转动手轮，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20—30mmHg柱，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2—3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2和图3 。
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）：
（5）
式中： —大气压力（mmbar） ；
—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：
（6）
（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：
（7）
计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，约为380mmHg柱）。
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）；
Δp—U型管差压计的读数（mmHg） ；
—室温（℃）；
—大气压力（mbar） 。
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、一压力比为横坐标，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。
实验四 可视性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，从而树立液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念。
2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽 P—T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、实验设备见图1

图1实验设备简图
1、压力表（－0.1～0～1.5Ma） 2、排气阀 3、缓冲器 4、可视玻璃及蒸汽发生器 5、电源开关 6、电功率调节 7、温度计（100～250℃） 8、可控数显温度仪 9、电流表
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0.2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0～1.0Ma（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
[℃]
[%]
1

2

3

4

5

6

2、绘制P—t关系曲线：
将实验结果点在坐标上，清除偏离点，绘制曲线。

图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。

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