工程熱力學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、 工程熱力學(xué)實 驗 指 導(dǎo) 書土木工程學(xué)院2009年5月19日目 錄一、氣體定壓比熱測量實驗3二、二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及P-V-T關(guān)系測定實驗.6實驗一 氣體定壓比熱測量實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?、了解氣體比熱測定裝置的基本設(shè)備與測量原理。2、熟悉本實驗中的溫度測量、壓力測量、熱量測量、流量測量的方法。3、掌握由基本數(shù)據(jù)計算出比熱值和求得比熱公式的方法。4、分析本實驗產(chǎn)生誤差的原因及減小誤差的可能途徑。二、實驗裝置和原理實驗裝置由風(fēng)機、流量計、比熱儀主體、電功率調(diào)節(jié)及測量系統(tǒng)等四部分組成，如圖1所示，比熱儀主體如圖2所示。圖1 實驗裝置圖2 比熱儀主體實驗時，被測空氣由風(fēng)機經(jīng)濕式氣體流量計送入比

2、熱儀主體，經(jīng)加熱、均流、旋流、混流后流出。在此過程中，分別測定：室溫；空氣在流量計進(jìn)口處的干、濕球溫度（t1，t1w）；氣體經(jīng)比熱儀主體的出口溫度（t2）；每流過10L空氣所需的時間（）；電熱器的輸入功率（W）；以及實驗時相應(yīng)的大氣壓（B）和流量計出口處的表壓（h）。有了這些數(shù)據(jù)，并查用相應(yīng)的物性參數(shù)，即可計算出被測氣體的定壓比熱（cpm）。氣體的流量由調(diào)節(jié)閥控制，氣體出口溫度由輸入電熱器的功率來調(diào)節(jié)。本比熱儀可測300以下的定壓比熱。三、實驗內(nèi)容開啟風(fēng)機，調(diào)節(jié)流量，使它保持在額定值附近。調(diào)節(jié)電熱器的輸入功率，根據(jù)測得的室溫；空氣在流量計進(jìn)口處的干、濕球溫度（t1，t1w）；氣體經(jīng)比熱儀主體的

3、出口溫度（t2）；每流過10L空氣所需的時間（）；電熱器的輸入功率（W）；以及實驗時相應(yīng)的大氣壓（B）和流量計出口處的表壓（h）等數(shù)據(jù)，并查用相應(yīng)的物性參數(shù)，計算出被測氣體的定壓比熱（cpm）。四、實驗步驟和數(shù)據(jù)處理1、接通電源及測量儀表，將U型管（測量壓力）安裝好，將出口溫度計插入混流網(wǎng)的凹槽中。2、開動風(fēng)機，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥，讀出每10L空氣通過流量計所需時間（，秒），使流量保持在額定值附近。3、調(diào)節(jié)電熱器功率至某值可以根據(jù)下式預(yù)先估計所需電功率：，式中：W為電熱器輸入電功率（W）；t為進(jìn)出口溫度差（）可假設(shè)從25加熱到200，取n個間隔，預(yù)估出t；為每流過10L空氣所需的時間（s），連續(xù)加熱進(jìn)

4、入設(shè)備的空氣，記錄加熱后的出口溫度。4、需要記載的數(shù)據(jù)：室溫t0；比熱儀進(jìn)口干、濕球溫度即流量計的進(jìn)口溫度（t1，t1w，）；連續(xù)變化的出口溫度（t2，）；當(dāng)時相應(yīng)的大氣壓力（B，mmHg）和流量計出口處的表壓（h，mmH2O）；電熱器的輸入功率（W，W）。5、根據(jù)流量計進(jìn)口空氣的干球溫度和濕球溫度，從濕空氣的焓濕圖查出含濕量(d，g/kg(a)，并根據(jù)下式計算出水蒸氣的容積成分：6、根據(jù)電熱器消耗的電功率，可算出電熱器單位時間放出的熱量（kcal/s）：7、干空氣質(zhì)量流量（kg/s）為：8、水蒸氣流量（kg/s）為：9、水蒸氣吸收的熱量（kcal/s）：10、干空氣的定壓比熱（kcal/（k

5、g·）為：11、計算舉例假定某一穩(wěn)定工況的實測參數(shù)如下：t0=8；t1=8；t1w=7.5；B=748.0mmHg；t2=240.3；=69.96 s/10L；h=16mmH2O；W=41.84kW；查干濕圖得 d=6.3g/kg(a)（=94%）并計算其他參數(shù)如下： kcal/skg/skg/skcal/skcal/(kg·)12、比熱隨溫度的變化關(guān)系假定在0300之間，空氣的真實定壓比熱與溫度之間近似地有線性關(guān)系，則由t1到t2的平均比熱為：因此，若以 為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)，則可根據(jù)不同的溫度范圍內(nèi)的平均比熱確定截距a和斜率b，從而得出比熱隨溫度變化的計算式，并繪制變化

6、關(guān)系圖，如圖3所示。圖3 比熱隨溫度的變化五、 實驗注意事項1、切勿在無氣流通過的情況下使電熱器投入工作，以免引起局部過熱而損壞比熱儀主體。2、輸入電熱器的電壓不得超過220V。氣體出口最高溫度不得超過300。3、加熱和冷卻要緩慢進(jìn)行，防止溫度計和比熱儀主體因溫度驟增、驟降而破裂。4、停止試驗時，應(yīng)切斷電熱器，讓風(fēng)機繼續(xù)運行15分鐘左右（溫度較低時可適當(dāng)縮短）。實驗二 二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及P-V-T關(guān)系測定實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?、了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增加對臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識。2、增加對課堂所講的工質(zhì)熱力狀態(tài)、凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等基本概念的理解。3、掌握CO2的p-v-t關(guān)系

7、的測定方法，學(xué)會用測定實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法。4、學(xué)會活塞式壓力計，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。二、實驗裝置和原理整個實驗裝置由壓力臺、恒溫器和實驗臺本體及其防護(hù)罩等三大部分組成，如圖1所示。13圖1 試驗臺系統(tǒng)圖 圖2 試驗臺本體試驗臺本體如圖2所示。其中1高壓容器；2玻璃杯；3壓力機；4水銀；5密封填料；6填料壓蓋；7恒溫水套；8承壓汞容器；9CO2空間；10溫度計。對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)p、v、t之間有： 或 （1）本實驗就是根據(jù)式（1），采用定溫方法來測定CO2的p-v-t關(guān)系，從而找出CO2的p-v-t關(guān)系。實驗中，由壓力臺送來的壓力油進(jìn)入高壓

8、容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進(jìn)入預(yù)先裝了CO2氣體的承壓玻璃管，CO2被壓縮，其壓力和容器通過壓力臺上的活塞桿的進(jìn)、退來調(diào)節(jié)。溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來調(diào)節(jié)。實驗工質(zhì)CO2的壓力，由裝在壓力臺上的壓力表讀出（如要提高精度，可由加在活塞轉(zhuǎn)盤上的平衡砝碼讀出，并考慮水銀柱高度的修正）。溫度由插在恒溫水套中的溫度計讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)CO2柱的高度來測量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、截面不變等條件來換算得出。在準(zhǔn)平衡狀態(tài)下，氣體的絕對壓力P、比容V和絕對溫度T之間存在某種確定關(guān)系，即狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程具有最簡單的形式：實際氣體的狀態(tài)方程比較復(fù)雜，目前尚不能將各種氣體的狀態(tài)方程

9、用一個統(tǒng)一的形式表示出來，雖然已經(jīng)有了許多在某種條件下能較好反映P、V、T之間關(guān)系的實際氣體的狀態(tài)方程。因此，具體測定某種氣體的P、V、T關(guān)系，并將實測結(jié)果表示在坐標(biāo)圖上形成狀態(tài)圖，乃是一種重要而有效的研究氣體工質(zhì)熱力性質(zhì)的方法。在平面的狀態(tài)圖上只能表達(dá)兩個參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，故具體測定時有必要保持某一個狀態(tài)參數(shù)為定值，本實驗就是在保持絕對溫度T不變的條件下進(jìn)行的。三、實驗內(nèi)容1、測定CO2的p-v-t關(guān)系。在p-v坐標(biāo)系中繪出低于臨界溫度（t=20）、臨界溫度（t=31.1）和高于臨界溫度（t=50）的三條等溫曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)實驗曲線及理論計算值相比較，并分析其差異原因。2、測定CO2在低于臨

10、界溫度（t=20）飽和溫度和飽和壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，并與圖4中的ts-ps曲線比較。3、觀測臨界狀態(tài)（1）臨界狀態(tài)附近氣液兩相模糊的現(xiàn)象。（2）氣液整體相變現(xiàn)象。（3）測定CO2的pc、vc、tc等臨界參數(shù)，并將實驗所得的vc值與理想氣體狀態(tài)方程和范德瓦爾方程的理論值相比較，簡述其差異原因。四、實驗步驟和數(shù)據(jù)處理1、按圖1裝好實驗設(shè)備，并開啟實驗本體上的日光燈。2、恒溫器準(zhǔn)備及溫度調(diào)節(jié)：（1） 把水注入恒溫器內(nèi)，注至離蓋3050mm。檢查并接通電路，開動電動泵，使水循環(huán)對流。（2） 在溫度控制器AL808E的控制面板上通過上下鍵設(shè)定好實驗用的溫度。（3） 此時控制面板上視水溫情況，開、關(guān)加熱器

11、，當(dāng)水溫未達(dá)到要調(diào)定的溫度時，恒溫器指示燈是亮的，當(dāng)指示燈時亮?xí)r滅閃動時，說明溫度已達(dá)到所需要恒溫。（4） 觀察玻璃水套上的溫度計，若其讀數(shù)與恒溫器上的溫度計及電接點溫度計標(biāo)定的溫度一致時（或基本一致），則可（近似）認(rèn)為承壓玻璃管內(nèi)的CO2的溫度處于所標(biāo)定的溫度。（5） 當(dāng)所需要改變實驗溫度時，重復(fù)（2）（4）即可。3、加壓前的準(zhǔn)備：因為壓力臺的油缸容量比容器容量小，需要多次從油杯里抽油，再向主容器充油，才能在壓力表顯示壓力讀數(shù)。壓力臺抽油、充油的操作過程非常重要，若操作失誤，不但加不上壓力，還會損壞試驗設(shè)備。所以，務(wù)必認(rèn)真掌握，其步驟如下：（1）關(guān)閉進(jìn)入本體油路的閥門，開啟壓力臺上油杯的進(jìn)油

12、閥。（2）搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。這時，壓力臺油缸中抽滿了油。（3）先關(guān)閉油杯閥門，然后開啟進(jìn)入本體油路的兩個閥門。（4）搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。如此交復(fù)，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。特別應(yīng)注意以下情況，如螺桿已推進(jìn)到極限位置，而壓力尚未達(dá)到所需值，必須再一次抽油加壓，此時要嚴(yán)格按以下程序操作，先關(guān)本體油路控制閥；再開油杯進(jìn)油閥，使壓力表壓力降至0，倒退螺桿抽油至極限位置；然后關(guān)油杯進(jìn)油閥，推進(jìn)螺桿逐漸加壓直到剛才所建立的油壓時才能開油路控制閥（在此以前油路控制閥決不能開?。?，進(jìn)一步加壓。（5）再次檢查油杯閥門是否關(guān)好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若均已調(diào)定后，即可進(jìn)行實

13、驗。4、作好實驗的原始記錄：（1）設(shè)備數(shù)據(jù)記錄：儀器、儀表名稱、型號、規(guī)格、量程、精度。（2）常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：室溫、大氣壓、實驗環(huán)境情況等。（3）測定承壓玻璃管內(nèi)CO2質(zhì)量不便測量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積（A）又不易測準(zhǔn)，因而實驗中采用間接辦法來確定CO2的比容，認(rèn)為CO2的比容v與其高度是一種線性關(guān)系。具體方法如下：a）已知CO2液體在20，9.8MPa時的比容v（20，9.8MPa）=0.00117m3/。b）實際測定實驗臺在20，9.8MPa時的CO2液柱高度h0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的標(biāo)記方法）c）由于：v（20，9.8Mpa）=所以：其中：即為玻璃管內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)。所以，任

14、意溫度、壓力下CO2的比容為：式中： 任意溫度、壓力下水銀高度承壓玻璃管內(nèi)徑頂端高度。(注意：此值不能遺忘)5、測定低于臨界溫度t=20時的定溫線。（1）將恒溫器調(diào)定在t=20，并保持恒溫。（2）壓力從4.41MPa開始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀柱升起來后，應(yīng)足夠緩慢地?fù)u進(jìn)活塞螺桿，以保證定溫條件。否則，將來不及平衡，使讀數(shù)不準(zhǔn)。（3）按照適當(dāng)?shù)膲毫﹂g隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。（4）注意加壓后CO2的變化，特別是注意飽和壓力和飽和溫度之間的對應(yīng)關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測得的實驗數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。6、測定臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。（1）按上述方法和步驟測出臨界等溫線，并在該曲

15、線的拐點處找出臨界壓力pc和臨界比容vc，并將數(shù)據(jù)填入表1。（2）觀察臨界現(xiàn)象。臨界溫度指氣體能通過加壓壓縮成液態(tài)的最高溫度，當(dāng)溫度高于臨界溫度時，無論加多大的壓力也不能使氣體液化。理論上CO2的臨界溫度是31.1，故實驗時溫度在此附近時，通過不斷地加壓能看到某一壓力（理論上是7.52MPa，實驗誤差等影響可能是在其附近）看到水銀柱上面出現(xiàn)少許白霧（液化）隨后加壓白霧消失，無論再怎么加壓也不會出現(xiàn)液化現(xiàn)象。當(dāng)實驗溫度低于31.1時，一直加壓會出現(xiàn)少許液體，這是氣液共存現(xiàn)象。當(dāng)溫度高于31.1時，無論怎么加壓也不會出現(xiàn)液化現(xiàn)象，當(dāng)然如果此時忽然卸壓會出現(xiàn)少許液化，這是因為突然降壓，絕熱降溫造成的

16、。7、測定高于臨界溫度t=50時的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。表1.CO2等溫實驗原始記錄 t=20t=31.1（臨界）t=50p(MPa)hv=h/K現(xiàn)象p(MPa)hv=h/K現(xiàn)象p(MPa)hv=h/K現(xiàn)象進(jìn)行等溫線實驗所需時間 分鐘分鐘分鐘8、按表1的數(shù)據(jù)，如圖3在p-v坐標(biāo)系中畫出三條等溫線。9、將實驗測得的等溫線與圖3所示的標(biāo)準(zhǔn)等溫線比較，并分析它們之間的差異及原因。10、將實驗測得的飽和溫度與壓力的對應(yīng)值與圖4給出的ts-ps曲線相比較。（m3/kg）11、將實驗測定的臨界比容vc與理論計算值一并填入表2，并分析它們之間的差異及其產(chǎn)生誤差的原因。表2 臨界比容vc標(biāo)準(zhǔn)值實驗值vc=RTc/pcvc =3/8RT/pc0.00216圖