工程热力学实验指导书.doc
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1、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
2、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.
3、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Maye
4、r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
5、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
6、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(
7、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);t为进出口温度差();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(,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(h,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
8、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; =69.96 秒/10升;h=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.
9、比热随温度的变化关系假定在0300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12345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
10、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
11、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
12、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 pVT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
13、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 pV-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 pV-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
14、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
15、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3050mm。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
16、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
17、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
18、、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h0(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,h=hh0 h任意温度、压力下水银柱
19、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
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