工程热力学实验指导书.doc

个人收集整理 勿做商业用途

《工程热力学》
综合（设计）性实验指导书

电力学院
李华 编

华南理工大学教材供应中心

2010年4月

目 录

实验一 气体定压比热测定实验 1
实验二 二氧化碳热力学性能测定实验 6
实验三 喷管流动测试实验 17
实验四 活塞式压气机试验 22

实验一 气体定压比热测定实验
1。1 概述
气体定压比热测定实验系统是一个设计性实验系统，它主要包括热力学参数测量系统的设计、加热和保温系统的设计，稳定状态的确认和维持、基本状态参数的测定和误差分析，以及实验安全和设备维护方面的考虑等.本实验的目的在于：
1、初步掌握热力学实验系统的一般设计方法,熟悉热力学参数测量的仪器选择、仪器使用方法及其注意事项，了解气体比热测定装置的基本原理和构思，利用已有设备设计搭建本实验系统的实验台；
2、掌握比热及其不同计量方法，熟悉定压比热和定容比热的定义及其相互关系，复习巩固理想气体的有关知识,能够用基本数据和基本公式计算各种比热值.通过实验观察和定量测定不同温度下空气的定压比热值。
3、通过数据整理,发现空气的定压比热随温度变化的规律，绘制它们之间的关系曲线，做出定性的解释。数值分析实验结果的误差，并给出产生误差的原因及减少误差的可能途径。
1。2 本实验的相关热力学原理
比热又称比热容，是指单位量的物质温度升高1℃（或1K）时所吸收的热量.根据物质单位量的标准不同，比热有质量比热c、体积比热C'和摩尔比热Cm三种计量方法.对于理想气体，这三种比热间的关系如下：

上式中的M是物质的摩尔质量。
另外物质吸热的过程并非唯一确定的，因而从严格意义上讲,比热是与具体热力过程有关的过程量。然而，由于工程实际中针对较多的是定压过程和定容过程（或近似可视为定压过程和定容过程），因而除非特殊说明，人们所说的比热往往指定压比热或定容比热.当热力过程的性质确定后,比热就变成了仅与工质状态有关的一个重要的物性参数.本实验针对的是气体的定压质量比热.
不同的物质具有不同的比热值，理想气体的比热是温度的单值函数.本实验接近在常压下进行，温度也在室温至300℃的范围内,此时空气可视作理想气体.在精度要求不高的情况下，理想气体的比热可采用根据Mayer公式导出的下面定值比热公式计算：

上式中，k为比热比，或绝热指数;Rg为气体常数，J/（kg. K）。对于空气而言，k=1.4，Rg=287 J/（kg. K）.
1。3 实验系统设计时的设备条件
本实验在实验设置和气体流程方面提供了以下设计条件：
1、比热仪本体（如右图所示）
此比热仪是本实验系统中的核心装置,它可用于测量300℃以下的气体定压比热。
2、风机、流量计、调压器、电流表、电压表、温度测量系统等也是本实验系统重要组成部分,它们或为实验提供和调节流动气流，或为实验提供了电加热系统以及温度测量系统。它们和比热仪本体一起组成了如下图推荐的实验系统。
气体定压比热测定实验台

3、空气有风机经流量计送入比热仪本体，经加热、均流、旋流、混流、测温后流出。气体流量由调压器调节风机输出电压(即调节风机转速）控制，气体出口温度由输入电热器的电压调节。
1.4 本实验中的具体设计项目
1、预先确定实验中所用温度计、压力表等测量仪器的量程和精度，考虑风机输入电压和电加热电压的调节（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）。
2、根据前文提供的实验台系统参考图，确定实验台的组装方法和安装时的注意事项，并画出实验系统组装的分步示意图.
3、尝试编写实验步骤,设想实验中注意事项。要重点实验开启和停止中设备启动的先后顺序,以及实验中安全问题。（切勿在无气流通过的情况下使电热投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪本体；加热和冷却却要缓慢进行，防止比热仪本体因温度骤升骤降而断裂；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，以使其温度降低接近室温）。
4、编制数据记录表格和实验报告的提纲。
5、编制数据记录表格和实验报告的提纲。实验结束之后，除了应得到空气定压比热和温度的关系曲线外，也要对空气流量、加热功率和定压比热(包括Cp=a+bt中的截距a和斜率b）等实验结果进行误差分析。
1.5 有关实验过程和参数确定的提示
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：
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、实验数据记录
大气压力： 环境温度:
实验次数
1
2
3
4
5
电加热功率（W)

干球温度（℃)

湿球温度（℃)

进口气体温度(℃）

出口气体温度(℃)

流量计前气体压差(mmH2O)

流量计流量(20升时间) (秒)

五、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）。

6

实验二 二氧化碳热力学性能测定实验
2.1 概述
二氧化碳热力学性能实验系统是一个设计性实验系统，它主要包括热力学参数测量系统的设计、加热和保温系统的设计,加压系统的设计、以及实验安全和设备维护方面的考虑。本实验的目的在于：
1、初步掌握热力学实验系统的一般设计方法，熟悉热力学参数测量的仪器选择和注意事项,利用已有设备设计搭建本实验系统的实验台；
2、掌握CO2的热力学状态变化的一般规律，通过实验观察和定量测定CO2在不同温度条件下的状态参数变化（包括相变和非相变）；
3、通过数据整理，发现实际气体（CO2 ）在不同温度T条件下的P、V关系。
2。2 本实验的相关热力学原理
实际气体的性质是工程热力学重要研究内容.由于分子力和分子体积的影响，在距离液态较近和较远的二种情况下，同一工质的热力性质是截然不同的.当工质的状态距离液态较远时，工质接近理想气体，基本遵守理想气体状态方程式，此时其等温线是双曲线。但当工质的状态距离液态较近时，工质的微观属性已经不再满足理想气体的微观要求，其状态不能用简单的理想气体状态方程式来描述，此时其等温线也不再是双曲线。CO2 的临界点温度只有31。1℃，容易液化。只要提供适当的压力变化范围,我们就能以CO2 为例，通过实验观察和研究物质在临界点附近的状态变化。
2.3 实验系统设计时的设备条件
试验台系统图

本实验的实验系统如上图所示,其中在实验仪器方面提供了以下设计条件：
1、CO2 p—V—T实验仪
已充有CO2的、内径均匀的高压玻璃管的下面与水银槽相通.槽外的空间充满蓖麻油,并用钢管与压力计直联。高压玻璃管外有一玻璃罩管.二者间的空腔有来自恒温器的水循环流通.可确保CO2定温。罩管外表刻有尺寸量度CO2柱高度。试验过程中,压力切勿超过9.807MPa，免得高压玻璃管爆裂。另外、压力不能骤变，免得水银溢出和损坏仪器。
2、恒温器
恒温器内腔盛有净水，接通电流后,温控单元便自动调节水温其值是由导电温度计触点控制，温度值由水温指示温度计读得。恒温器内的水可籍仪器的水泵与CO2 p—V-T实验仪连通循环。
3、活塞式压力计
旋转手轮可带动泵体内的活塞，把油压入CO2 p—V-T实验仪的内腔，其压力值由压力表读得。
2.4 实验中有关参数测定的提示
本实验的核心任务在于确定不同温度下CO2的压力和比容（体积）的变化关系,即要确定的参数有温度T、压力p和比容v。由上面提供的有关设备可以知道:温度和压力是能够直接从仪表上读出的,而比容(体积）是不能直接读取的。
然而，CO2是预先充进内径均匀的高压玻璃管内,其质量虽然未知,但在实验中保持不变。而且高压玻璃管内的CO2柱高度 h 能够从高压玻璃管外的玻璃罩管外表的刻度上读取。因此本实验可以借助一已知的CO2状态，绕开CO2的体积直接确定不同压力和温度下CO2的比容.方法如下：

上式中：A—高压玻璃管的内腔面积;
m-高压玻璃管内的CO2质量；
V—高压玻璃管内的CO2体积;
由于高压玻璃管的内腔面积（内径均匀）A和其内部的CO2质量m固定不变,所以上式中的k是个固定常数。如果已知某压力和温度下CO2的比容 v，实验中又能测定同样状态下高压玻璃管内的CO2柱高度 h，那么就可确定常数k了.已知当压力和温度分别为：、时，CO2的比容为:。
2.5 本实验中的具体设计项目
1、预先确定实验中所用温度计、压力表等测量仪器的量程和精度以及如何正确安装、读数等。
2、设想实验系统的组装过程(参照上面实验系统图)。
3、尝试编写实验步骤，设想实验中注意事项（尤其安全问题）.
4、编制数据记录表格和实验报告的提纲。
2.6 本实验相关部分内容的指导性说明
2。6.1 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.
2、恒温器准备及温度调节：
(1)、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。
(2）、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。
（3）、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。
（4）、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。
（5）、当所需要改变实验温度时，重复（2)～（4)即可.
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，开启压力台上油杯的进油阀。
(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.
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。
(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、精度。
（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V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V(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）∵V（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℃时的定温线.
（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,以保证定温条件.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vc，并将数据填入表1。
（2）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31.1℃，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。1℃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31.1℃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。
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。
2.6。2 注意事项
1．除t=20℃时,须加压到绝对压力10MPa（表压9.9MPa)外,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60℃。
2．一般压力间隔可取0。2～0.5，接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。
3．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！
4．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。
5．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.
2.6。3 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。
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=45℃
p
mPa)
Δh
v=Δh/K
现象(气液）
p
（mPa)
Δh
v=Δh/K
现象（气液）
p
（mPa）
Δh
v=Δh/K
现象（气液）
4

5

6

7

7.2

7。4

7.6

7.8

8

9

10

进行等温线实验所需时间
分钟
分钟
分钟

图三 标准曲线

图四 ts—ps曲线
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Vc[m3/Kg] 表2
标准值
实验值
Vc=RTc/Pc
Vc=3/8
RT/Pc
0.00216

14

实验三 喷管流动测试实验
3。1 概述
喷管流动测试实验是一个设计性实验系统，它主要包括压力、温度等热力参数测量系统的设计、流动系统及其工况稳定系统的设计、以及实验步骤和安全等方面的考虑.本实验的目的在于：
1、初步掌握热力学实验系统的一般设计方法，熟悉用热工仪表测量压力(负压）、压差及流量等物理量的方法以及使用这些仪表的注意事项，利用已有设备设计搭建本实验系统的实验台;
2、认识喷管的型式，掌握临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念以及喷管内气流热力学状态变化的一般规律,观察和测量在不同压差条件下，渐缩喷管和缩放喷管内气流沿喷管各截面的压力变化以及喷管进出口压力变化对喷管出口速度及流量的影响;
3、通过数据整理,发现在不同压差条件下，渐缩喷管和缩放喷管内气流沿喷管各截面的压力变化规律，比较它们之间的差异，绘制喷管内的压力分布曲线及流量曲线，做出定性的解释，并定量给出临界压力和最大流量。
3.2 本实验的相关热力学原理
流体在喷管等短管道的流动是热力学的重要研究内容。喷管有渐缩型和缩放型(Laval）两种,见下图。
渐缩型喷管
缩放型喷管（Laval喷管）

喷管型式不同,它们内部的气体流动规律也不同.对于渐缩型喷管而言，其内部的气流只能处于音速以下区域，不可能达到超音速。而对于缩放喷管,其内部的气流流动情况更为复杂，不只有亚音速和音速流动，也可以达到超音速，甚至出现激波等现象.
但不管那一种形式，喷管内气体的流动都受热力学的有关方程制约，其出口速度都可以用下面公式计算：

对于理想可逆流动的情况，

当流动稳定后，根据质量守恒，喷管内各截面的质量流量都是相同的,但一般以最小截面(喉部）或出口截面计算流量，即:

对于理想可逆流动的情况，
喷管的最小截面处叫喉部。在进出口压差达到一定值以后，两种喷管内的气流都在此截面处刚好从亚音速达到音速，缩放喷管的气流随后变为超音速等,因而喉部截面也叫临界截面。当喉部的气流速度达到当地音速时，此时的速度称为临界速度，此时通过的气流流量也达到最大值。
3。3 实验系统设计时的设备条件
本实验在实验仪器方面提供了以下设计条件：
真空泵一台、函数记录仪、大气压力计、温度计、负压传感器、喷管实验台由进气管、孔板流量计、测压针、真空表及移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，见下页参考图。
3.4 本实验中的具体设计项目
1、预先确定实验中所用温度计、真空表等测量仪器的量程和精度以及如何正确安装、读数等。
2、根据前文提供的实验台系统参考图，确定实验台的组装方法和安装时的注意事项，并画出实验系统组装的分步示意图.
3、预测实验台调试中应注意的问题，分析气体泄露等问题对实验可能产生的影响。自己查找资料,给出解决这些问题的参考方法.
4、尝试编写实验步骤，设想实验中注意事项。尤其要重点思考缩放喷管在
喷管实验台组成简图
1。进气口 2.U形管压差计 3。孔板流量计 4.压差传感器 5.有机玻璃喷管 6。测压探压针 7.背压真空表 8.背压传感器 9。截面可移动真空表 10。截面可移动传感器 11。电机螺杆移动机构 12。位移传感器 13.背压用调节阀 14.真空罐前截止阀 15.软管连接头 16。真空储气罐 17.可更换有机玻璃喷管移动架。
非设计工况下,压力沿流动方向分布的几种可能情况，以及定性预测其质量流量与背压的关系曲线，并估计最大流量mmax对应的背压所在范围。
5、编制数据记录表格和实验报告的提纲。实验结束之后,除应得出两种喷管各自在不同背压下的压力沿流动方向分布的一组曲线、以及质量流量与背压的关系曲线外，也要对所测量的各截面压力和不同背压对应的流量进行误差分析。
3.5 实验中有关问题的提示
1、 详细检查喷管实验装置各系统后，应按操作规程启动真空泵（打开真空泵冷却水阀、机油润滑阀,检查电源，按起动电钮）；
2、 针对渐缩喷管的实验如下：
把X输入记录仪的X轴,p输入Y 轴。调节背压，使之分别大于、等于和小于临界压力。在每一种情况下,播动手轮，测定相应的压力沿流动方向的分布曲线。
把pb(当测压孔移至喷管出口之外一段距离后保持不动,此时，压力传感器可不进行改接)输入仪器的X轴，m输入Y轴。改变调节阀的开度，逐渐降低背压pb，进而测定质量流量与背压的关系曲线，并得到最大流量mmax值。
3、 与针对渐缩喷管的实验类似，装上缩放喷管后,也需调节不同的背压,测定相应的压力沿流动方向的分布曲线，以及质量流量与背压的关系曲线,并得到最大流量mmax值.若设计出口压力为pd,则当pb<pd时，气流在管内膨胀不足，只能在管外继续膨胀；当pb=pd时,气流在管内得到完全膨胀，出口压力与背压一致,称为设计工况。当pb〉pd时，气流在管内流动情况较为复杂，可能在渐扩段出现激波，也可能整个喷管内的流动均为亚音速流动。；对比可称pb〈pd的流动为超设计工况,pb〉pd的流动为亚设计工况.
3。6、实验数据的确定
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（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：
（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:Δp 仍为U型管差压计的读数(Pa)。其它参数意义为：
—流速膨胀系数；

—气态修正系数；

—几何修正系数（约等于1.0)；
—室温（℃）；
3。7 有关实验曲线的定性参考图
喷管流量与背压的关系
b
c
q m
a
0
D
p
A
B
C
渐缩喷管中的压力变化曲线
X
0

p
A
B
C
G
E
F
p0
D
缩放喷管中的压力变化曲线
p
A
B
C
G
E
F
p0
D
缩放喷管中的压力变化曲线
0
X

19

实验四 活塞式压气机试验
4。1 概述
活塞式压气机实验系统是一个设计性实验系统，它主要包括熟悉两级空气压缩机的构造与运行、理解并测定压气机的容积效率与定温压缩效率等.本实验的目的在于：
1、复习和巩固有关热力学基本概念和基本知识，如表压力、温标、压气机的容积效率与定温压缩效率等。
2、基本掌握热力学实验系统的一般设计方法,熟悉热力学参数测量的仪器选择和注意事项，利用已有设备设计搭建本实验系统的实验台;
3、了解活塞式压气机的结构和运行机理，观察压气机运行中的参数变化和存在问题,定量测定压气机和中冷器的进出口参数(压力、温度和流量等）；
4、通过数据整理，确定压气机的容积效率与定温压缩效率。并掌握实验误差分析的一般方法。
4.2 本实验的相关热力学原理
压气机是通过消耗机械能来得到压缩气体的一种机器。活塞式压气机是其中较常见的一种。对于这种压气机而言，由于余隙容积的存在，进排气阀及进排气流通过阻力等因素的影响,压气机每循环的吸气量总是小于气缸排量，于是有和生产量有关的容积效率的问题。另外，从理论角度看，可逆等温压缩过程耗功最少，而实际压气机压缩过程即使采用了分级压缩、中间冷却等措施,也不可能达到可逆等温压缩过程的那种理想效果,因此定温压缩效率是评价活塞式压气机工作性能的重要参数之一.
1、压缩机的容积效率
压缩机容积效率是指有效吸气容积与气缸排量之比，即：

其中，V—每循环实际吸入空气量； Vh-气缸排量。
每循环的实际吸入空气量可由流量计测取，并根据下式整理成大气状态下的体积:
（升/转）
（m3/S）
其中：D、d———比丘流量计管径D=0.014m、d=0.008m；
∆P ——比丘流量计压差,(Pa)；
P0---环境大气压力 （Pa)
T0-—-大气温度 （K);
P2 —--流量计入口压力 (绝对压力）（Pa）；
T2--—-流量计入口温度 （K)；
n--—压缩机转速 (转/分）；为电动机转速的一半
V排————流量计的体积流量，（升/秒）.
压缩机的气缸排量Vh为：
其中，D—气缸的直径 （cm),5.1cm；S—活塞行程（cm)，3。85cm。
2、压缩机的定温压缩效率:
按定温压缩效率的定义：

a、质量流量的计算：（)
kg/s
b、定温压缩的轴功计算
kJ/kg
—-压气机出口压力（Pa)；
P0--—环境大气压力 （Pa)
T0—--大气温度 （K);
c、实际轴功的计算：
对于压气机的实际功率，其计算公式为：
（W）
式中：——相应工况下的感应力矩， [N.m]
—-相应工况下的电机旋转角速度
——相应工况下的电机旋转速度，[转/分］
——相应工况下的力臂上的作用力，[N]
L-—力臂长度，0.15[m］
——相应工况下的砝码总重(称重传感器)，[N］
——电机未转动情况下平衡时的初始砝码重量(称重传感器）.其中，称重传感器测量的单位是(g)，要将其转换为单位（N).
4.3 实验系统设计时的设备条件
本实验台主要是测试单缸活塞式压缩机的性能，包括压气机本体，电机，涡轮流量计以及测试系统。在实验过程中主要测量8个物理量：包括储气罐内的压力，压气机出口气体的压力,压气机气缸内的气体压力,出口气体的流量,出口气体的温度,入口气体的温度，电机转速,称重传感器测量扭矩。其中,温度采用铂电阻Pt100测量，压力采用压力传感器测量，流量采用涡轮流量计测量,转速用专用的转速表测量，扭矩采用称重传感器测量，所有测量数据都在显示仪表(巡检仪)上数字显示。试验装置结构如下图所示：
图一 工作原理如图
1。称重传感器 2.电机 3.电机转速 4。气缸 5.气体入口温度测点 6。 气缸压力测点 7.气缸出口管 8。罐体压力测点 9。罐体 10。罐体内气体出口管 11.出口气体压力测点 12.出口气体温度测点 13。出口气体涡轮流量计 14.实验桌。
4。4 实验过程有关问题的提示
1．实验前应预习实验指导书及安装使用说明书，详细了解实验系统各部分的作用，掌握压气机系统的操作规程和调节方法，熟悉各测试仪表的安装使用方法。
2．按安装使用说明书规定方法启动压气机系统。
3．按指导教师要求并参考安装使用说明书介绍的方法调节实验工况。
4．待工况稳定后测定储气罐内的压力，压气机出口气体的压力,压气机气缸内的气体压力,出口气体的流量，出口气体的温度，入口气体的温度，电机转速，称重传感器等参数。（在实验时，当阀门全开时,气罐内压力很小，因此出口气体压力也很小，为了获得一定压力的出口气体,最好不要全开气罐的出口阀门或者流量计前的气体出口阀门。）调整工况时，最少要等稳定5分钟后再采集记录数据。在调频时，频率要从30HZ做起，然后逐步加大,每增大5HZ做一次实验。若频率太低，压气机容易出现震动。
5．待三次记录数据均在稳定工况要求范围内,该工况测试即告结束.改变工况，重复上述实验.
6．实验结束后，按安装使用说明书规定方法停止系统工作.
压气机测试原始数据记录表
压气机气缸的直径(D）：_5。1___ （cm）， 行程（S）__3。85_____ （cm）
大气压力： 大气温度：
实验次数
1
2
3
4
5
1。压气机出口压力P3（MPa）

2.出口气体压力P2（KPa）

3。气缸内压力(MPa)

4.比丘流量计压差∆P （Pa)

5。称重传感器(g）

6。电动机转速(）

7.出口气体温度（℃)

8.入口气体温度(℃)

4。5 本实验中的具体设计项目
1、预先确定实验中所用温度计、压力表等测量仪器的量程和精度以及如何正确安装、读数等.
2、设想实验系统的组装过程.实验中,在指导老师的帮助下，组装好实验系统，并进行调试直至允许正常使用。
3、尝试编写实验步骤。由于本实验的对象是压气机，所以在启动、实验中、关机等各个环节都要注意人身设备安全和测试参数稳定等问题。这点在实验前编写实验步骤时应予充分考虑。
4、编写实验报告提纲。实验结束之后，除了计算出经过实验得到的压气机的容积效率和等温压缩效率外,也要对实验结果进行误差分析,分析试验结果，指出影响压气机性能的因素。
4.6 分析讨论
分析试验结果，指出影响压气机性能的因素.
4。7注意事项
1，实验前应熟识实验内容和实验方法。
2、必须注意用电安全和人身安全。
3、实验过程中如出现事故，应立即切断电源。

24