工程熱力學(xué)試驗講義

1、第一章工程熱力學(xué)§1-1空氣絕熱指數(shù)的測定實(shí)驗、實(shí)驗?zāi)康耐ㄟ^測量絕熱膨脹和定容加熱過程中空氣的壓力變化，計算空氣絕熱指數(shù)。理解絕熱膨脹過程和定容加熱過程以及平衡態(tài)的概念。、實(shí)驗原理氣體的絕熱指數(shù)定義為氣體的定壓比熱容與定容比熱容之比，以K表示,本實(shí)驗利用定量空氣在絕熱膨脹過程和定容加熱過程中的變化規(guī)律來測定空氣的絕熱指數(shù)Ko實(shí)驗過程的P-V圖如圖1所示。圖中AB為絕熱膨脹過程;BC為定容加熱過程。圖1等容和絕熱過血AB為絕熱過程，kkPM=p2V2(1)BC為定容過程，V2=V3(2)假設(shè)斗犬態(tài)A和C溫度相同，則t2=t3。根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，對于狀態(tài)A、C可得：p3V3(3)將

2、(3)式兩邊K次方得：kk(PM)=(P3V3)(4)由（1）、（4）兩式得,正=.pL,再兩邊取對數(shù)，得:<P3)P2lnk=一Inf、Pi32fyPi(5)IP3)因此，只要測出A、求得空氣的絕熱指數(shù)B、C三狀態(tài)下的壓力小,p2，p3且將其代入（5）式，即可k。三、實(shí)驗裝置空氣絕熱指數(shù)測定儀由剛性容器，充氣閥、排氣閥和U型差壓計組成，如圖2所示?？諝饨^熱指數(shù)測定儀以絕熱膨脹和定容加熱兩個基本熱力過程為工作原理，測出空氣絕熱指數(shù)。整個儀器簡單明了，操作簡便，有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用熱力學(xué)基本和公式從事實(shí)驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理的工作能力，從而起到鞏固和深化課堂教學(xué)內(nèi)容的實(shí)際效果。圖2空氣絕熱指數(shù)測定

3、裝置示意圖1有機(jī)玻璃容器；2進(jìn)氣及測壓三通；3U型壓力計；4氣囊；5放氣閥門。四、實(shí)驗步驟實(shí)驗對裝置的氣密性要求較高。因此，在實(shí)驗開始時，應(yīng)檢查其氣密性。通過充氣閥對剛性容器充氣，使U型壓差計的水柱Ah達(dá)到200mmH2O左右，記下Ah值，5分鐘后再觀察Ah值，看是否發(fā)生變化。若不變化，說明氣密性滿足要求；若變化，說明裝置漏氣。若漏氣，檢查管路連接處，排除漏氣。若不能排除，則報告老師做進(jìn)一步處理。此步驟一定要認(rèn)真，否則將給實(shí)驗結(jié)果帶來較大的誤差。氣密性檢查完畢后可開始實(shí)驗。分以下幾步進(jìn)行：首先使大容器內(nèi)的氣體達(dá)到狀態(tài)A點(diǎn)。關(guān)閉放氣閥，利用充氣閥（即橡皮球）進(jìn)行充氣。使U型差壓計的兩側(cè)有一個比較

4、大的差值。等待一段時間，U型差壓計的讀數(shù)不再變化以后，記錄下這時U型差壓計的讀數(shù)A,則R=pa+h1,Pa為大氣壓力。然后進(jìn)行放氣使大容器內(nèi)的氣體由A點(diǎn)達(dá)到狀態(tài)B點(diǎn)。這是一個絕熱過程，因此放氣的過程一定要快，使放氣過程中容器內(nèi)氣體和外界的熱交換可以忽略。轉(zhuǎn)動排氣閥進(jìn)行放氣，并迅速關(guān)閉排氣閥。這時U型差壓計內(nèi)讀數(shù)在劇烈震蕩不易讀數(shù)，等U型差壓計讀數(shù)剛趨于穩(wěn)定時立刻讀出h2值，p2=pa十%。繼續(xù)等待U型差壓計的讀數(shù)變化。等到讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取h3值，p3=pa+h3。穩(wěn)定過程需要幾分鐘。利用k_check.exe軟件檢查所測的實(shí)驗數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件給出的結(jié)果總結(jié)操作中應(yīng)該注意的問題。重復(fù)上述步驟，多做

5、幾遍，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。五、數(shù)據(jù)記錄及處理序號狀態(tài)A狀態(tài)B狀態(tài)CKhiPi=Pa+hih2P2=Pa+卜2h3P3=Pa+h3123六、思考問題：1 .放氣操作時應(yīng)注意什么？原因是什么？2 .把實(shí)驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值做比較，并分析造成誤差的原因是什么。3 .實(shí)驗操作中的一個難點(diǎn)是讀h2值，試分析h2的誤差對結(jié)果的影響附：k_check軟件使用方法：k_check軟件是本實(shí)驗室編制的一個檢查實(shí)驗數(shù)據(jù)的小程序。程序運(yùn)行后，根據(jù)提示首先輸入大氣壓值pa,然后依次輸入%,%,h3值，程序就會給出計算出的絕熱指數(shù)K。如果有幾組數(shù)據(jù)需要檢查，繼續(xù)輸入下一組h1,h2,h3值即可。§1-2飽和蒸汽壓力和溫度

6、關(guān)系實(shí)驗一、實(shí)驗?zāi)康耐ㄟ^觀察飽和蒸汽壓力和溫度變化的關(guān)系，加深對飽和狀態(tài)的理解，從而建立液體溫度達(dá)到對應(yīng)液面壓力的飽和溫度時，沸騰便會發(fā)生的基本概念通過對實(shí)驗數(shù)據(jù)的整理，掌握飽和蒸汽p-t關(guān)系圖表的編制方法觀察小容積的泡態(tài)沸騰現(xiàn)象二、實(shí)驗設(shè)備本實(shí)驗使用可視性飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實(shí)驗儀。實(shí)驗裝置主要由加熱密封容器（產(chǎn)生飽和蒸汽）、電接點(diǎn)壓力表、調(diào)壓器（0220V）、電壓表、水銀溫度計（0200C）、測溫管（管底注入少量機(jī)油，用來傳遞和均勻溫度）和透明玻璃窗等組成（參見圖1）。采用電接點(diǎn)壓力表的目的，在于使用中能限制壓力的意外升高，起到安全保護(hù)作用。圖11-電接點(diǎn)壓力表2-保溫棉3-密封容器4-

7、觀察窗5-電加熱器6-機(jī)殼7-調(diào)壓器8-溫度計9-測溫管10-蒸儲水三、實(shí)驗原理考察水在定壓下加熱時水的狀態(tài)的變化過程。隨著熱量的加入，水的溫度不斷升高。當(dāng)溫度上升到某溫度值t時水開始沸騰。此沸騰溫度稱為該壓力下的飽和溫度。同樣，此時的壓力稱為飽和壓力。繼續(xù)加熱，水中不斷產(chǎn)生水蒸汽，隨著加熱過程的進(jìn)行，水蒸汽不斷增加，直至全部變?yōu)檎羝?，而達(dá)到干飽和蒸汽狀態(tài)。對干飽和蒸汽繼續(xù)加熱，由蒸汽的溫度由飽和溫度逐漸升高。水在汽化過程中，呈現(xiàn)出五種狀態(tài)，即未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽。在汽化階段，處于汽液兩相平衡共存的狀態(tài)，它的特點(diǎn)是定溫定壓，即一定的壓力對應(yīng)著一定的飽和溫度，或一定

8、的溫度對應(yīng)著一定的飽和壓力。四、實(shí)驗方法和步驟熟悉實(shí)驗裝置的工作原理、性能和使用方法將調(diào)壓器指針置于零位，然后接通電源。將電接點(diǎn)壓力表的上限壓力指針撥到稍高于最高試驗壓力（如：0.7MPa）的位置。將調(diào)壓器輸出電壓調(diào)至170V,待蒸汽壓力升至接近于第一個待測定的壓力值時，將電壓降至20-50V左右（參考值）。由于熱慣性，壓力將會繼續(xù)上升，待工況穩(wěn)定（壓力和溫度基本保持不變）時，記錄下蒸汽的壓力和溫度。重復(fù)上述實(shí)驗，在00.6Pa（表壓）范圍內(nèi)，取5個壓力值，順序分別進(jìn)行測試。實(shí)驗點(diǎn)應(yīng)盡可能分布均勻。實(shí)驗完畢后，將調(diào)壓器指針旋回零位，并斷開電源。記錄實(shí)驗環(huán)境的溫度和大氣壓力B。注意事項：本裝置允

9、許使用壓力為0.8MPa（表壓），不可超壓操作。五、數(shù)據(jù)記錄和處理記錄與計算數(shù)據(jù)記錄表大氣壓力B序飽和壓力MPa飽和溫度C誤差號參考壓力值壓力表讀值P'絕對壓力P=P'+B溫度計讀數(shù)值t'標(biāo)準(zhǔn)值tt=t-1'%父100%10.220.330.440.550.6繪制p-t關(guān)系曲線將實(shí)驗結(jié)果在p-t坐標(biāo)系中標(biāo)出，清除特殊偏離點(diǎn)，繪制曲線。整理經(jīng)驗公式將實(shí)驗點(diǎn)繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)中，實(shí)驗曲線將基本呈一直線，所以飽和水蒸汽壓力和溫度的關(guān)系可近似整理成下列經(jīng)驗公式：t=1004p思考問題1 .調(diào)節(jié)調(diào)壓器時應(yīng)注意什么問題？2 .把實(shí)驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值做比較，并分析造成誤差的原因&#

10、167;1-3氣體定壓比熱的測定氣體定壓比熱的測定是工程熱力學(xué)的基本實(shí)驗之一。實(shí)驗中涉及溫度、壓力、熱量（電功）、流量等基本量的測量；計算中用到比熱及混合氣體（濕空氣）方面的基本知識。本實(shí)驗的目的是增加熱物性實(shí)驗研究方面的感性認(rèn)識，促進(jìn)理論聯(lián)系實(shí)際，以利于培養(yǎng)同學(xué)分析問題和解決問題的能力。一、實(shí)驗?zāi)康牧私鈿怏w比熱測定裝置的基本原理和構(gòu)思熟悉本實(shí)驗中的測溫、測壓、測熱、測流量的方法掌握由基本數(shù)據(jù)計算出比熱值和求得比熱公式的方法分析本實(shí)驗產(chǎn)生誤差的原因及減小誤差的可能途徑圖11-比熱儀主體2-溫度計3-流量計4-風(fēng)機(jī)二、實(shí)驗裝置比熱（Cpm）。氣體的流量由節(jié)流閥控制，氣體出口溫度由輸入電熱器的功率

11、來調(diào)節(jié)。本比熱儀可測300c以下氣體的定壓比熱。三、實(shí)驗步驟接通電源及測量儀表，選擇所需的出口溫度計插入混流網(wǎng)的凹槽中。摘下流量計上的溫度計，開動風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使流量保持在額定值附近。測出流量計出口空氣的干球溫度（to）和濕球溫度（。）。圖21-多層杜瓦瓶2-電熱器3均流網(wǎng)4絕緣墊5旋流片6-混流網(wǎng)7出口溫度計將溫度計插回流量計，調(diào)節(jié)流量，使它保持在額定值附近。逐漸提高電熱器功率，tW:12使出口溫度升至預(yù)計溫度可以根據(jù)下式預(yù)先估計所需電功率：丁。式中，W為電熱器輸入電功率（瓦）；&為進(jìn)出口溫度差（C）；7為每流過10升空氣所需時間（秒）。待出口溫度穩(wěn)定后（出口溫度在10分鐘之內(nèi)無

12、變化或有微小起伏，即可視為穩(wěn)定），讀出下列數(shù)據(jù)：每10升氣體通過流量計所需時間（7,秒）；比熱儀進(jìn)口溫度（t1，C）-即流量計的出口出口溫度；出口溫度（t2,C）；當(dāng)時相應(yīng)的大氣壓力（B,毫米汞柱）和流量計出口處的表壓（&h,毫米水柱）；電熱器的輸入功率（W,瓦）。根據(jù)流量計出口空氣的干球溫度和濕球溫度，從濕空氣的干濕圖查出含濕量（d,克/公斤干空氣），并根據(jù)下式計算出水蒸汽的容積成分：r_622W-1d1622根據(jù)電熱器消耗的電功率，可算得電熱器單位時間放出的熱量:Q=WKJ/秒干空氣流量（質(zhì)量流量）為:P_y1-rwBh13.6104/735.5610/1000.G_=丁RJo29

13、.27to273.153_.4.6447101-rwB，=h13.6.to273.15水蒸汽流量為：公斤/秒PwVrwB.h13.6104/735.5610/1000.Gw=RwTo47.06to273.152.8889104rwB；：h13.6二元石百公斤/秒水蒸汽吸收的熱量為：t2Qw=Gw0.44040.0001167tdtt1=Gw0.4404t2-t1-0.00005835t；-t；1干空氣的定壓比熱為：,t2QuQ-QwCpmt1=,=Gt2-t1G.t2-t1KJ/秒Bt1t2西W<pCp和處理KJ/（公斤.C）五、四、數(shù)據(jù)記錄注意事項切勿在無氣流通過的情況下使電熱器投入工

14、作，以免引起局部過熱而損壞比熱儀主體。輸入電熱器的電壓不得超過220伏。氣體出口最高溫度不得超過300Co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升驟除而破裂。停止實(shí)驗時，應(yīng)先切斷電熱器，讓風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行十五分鐘左右（溫度較低時可適當(dāng)縮短）。§1-4二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及P-V-T關(guān)系測定實(shí)驗一、實(shí)驗?zāi)康募皟?nèi)容了解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)識加深對課堂所講的工質(zhì)熱力狀態(tài)、凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等基本概念的理解掌握CO2的PVT關(guān)系的測定方法，學(xué)會用實(shí)驗測定實(shí)際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧學(xué)會活塞式壓力計、恒溫器等熱工儀器的正確使用方法測定CO2的p-

15、v-t關(guān)系。在p-v坐標(biāo)中繪出低于臨界溫度（t=20C）、臨界溫恒溫器圖1度（t=31.lC）和高于臨界溫度（t=50C）的三條等溫曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗曲線及理論計算值相比較，并分析其差異原因。測定CO2在低度于臨界溫度時（t=25C,27C）飽和溫度和飽和壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，并與圖4中的%一%曲線比較。觀測臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)附近汽液兩相模糊的現(xiàn)象汽液整體相變現(xiàn)象測定CO2的Pc、vc等臨界參數(shù)，并將實(shí)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。二、實(shí)驗設(shè)備整個實(shí)驗裝置由壓力臺、恒溫器和試驗臺本體及其防護(hù)罩等三大部分組成（如圖所示）。試驗臺本體如圖所示。對簡單可壓

16、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:E（P，V，t尸0或t=f（P，v）（1）恒溫水10恒溫水1高壓容器4-水銀7恒溫水套10溫度計。圖22-玻璃杯5密封填料8承壓玻璃管3-壓力油6-填料壓蓋9CO2空間本試驗就是根據(jù)式（1）,采用定溫方法來測定CO2的p-v之間的關(guān)系，從而找出CO2的p-v-t關(guān)系。實(shí)驗中，由壓力臺送來的壓力油進(jìn)入高壓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，其壓力和容積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(shí)驗工質(zhì)二氧化碳的壓力，由裝在壓力臺上的壓力表讀出。溫度由插在恒溫水套

17、中的溫度計讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來測量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、截面不變等條件換算得出。三、實(shí)驗步驟按圖1裝好試驗設(shè)備，并開啟試驗本體上的日光燈恒溫器準(zhǔn)備及溫度調(diào)定將蒸鐳水注入恒溫器內(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。旋轉(zhuǎn)電接點(diǎn)溫度計頂端的帽形磁鐵，調(diào)動凸輪示標(biāo)，使凸輪上端面與所要調(diào)定的溫度一致，再將帽形磁鐵用橫向螺釘鎖緊，以防轉(zhuǎn)動。視水溫情況，開、關(guān)加熱器，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)到所需恒溫。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(diǎn)溫度計標(biāo)定的溫度一致時（

18、或基本一致），則可認(rèn)為承壓玻璃管內(nèi)的CO2的溫度處于所標(biāo)定的溫度。當(dāng)需要改變試驗溫度時，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主容器容量小，需要多次從油杯里抽油，再向主容器充油，才能在壓力表上顯示壓力讀數(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：關(guān)壓力表及其進(jìn)入本體油路的兩個閥門，開啟壓力臺上油杯的進(jìn)油閥。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。先關(guān)閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個閥門。搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。如此反復(fù)，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。再次檢

19、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(shí)驗。實(shí)驗的原始記錄設(shè)備數(shù)據(jù)記錄儀器、儀表名稱、型號、規(guī)格、量程、精度。常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：室溫、大氣壓、實(shí)驗環(huán)境情況等。測定承壓玻璃管內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)K值由于充進(jìn)承壓玻璃管內(nèi)的C02質(zhì)量不便測量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積（A）又不易測推，因而實(shí)驗中采用間接辦法來確定C02的比容，認(rèn)為C02的比容V與其高度是一種線性關(guān)系。具體方法如下：已知C02液體在20C,9.8MPa時的比容v（20C,9.8MPa）=0.00117m3/Kg實(shí)際測定試驗臺在20C,9.8MPa時的C02液體柱高度Ah°（m）。（注意玻璃水套上刻度

20、的標(biāo)記方法）：h0A°=0.001173c丫V（20C,9.8MPa）=mmKgm_h°_KA-0.00117-KgmK-即為玻璃管內(nèi)C02的質(zhì)面比常數(shù)所以，任意溫度、壓力下C02的比容為：式中，；h=h_h°h-任意溫度、壓力下水銀柱高度h0-承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度5.測定低于臨界溫度t=20C時的定溫線將恒溫器調(diào)定在t=20C,并保持定溫線壓力從4.41MPa開始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀升起來后，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)。按照適當(dāng)?shù)膲毫﹂g隔取h值，直到壓力p=9.8MPa。注意加壓后CO2的變化，特別是注意飽和壓力和飽和

21、溫度之間的關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測得的實(shí)驗數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。測定t=25C,t=27C時其飽和溫度和飽和壓力的對應(yīng)關(guān)系。測定臨界等溫線和臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。按上述方法和步驟測出臨界等溫線，并在該曲線的拐點(diǎn)處找出臨界壓力已和臨界比容Vc,并將數(shù)據(jù)填入表1。觀察臨界現(xiàn)象a）整體相變現(xiàn)象由于在臨界點(diǎn)時，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合于一點(diǎn)，所以這時汽液的相互轉(zhuǎn)變不是象臨界溫度以下那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為漸變過程，而這時當(dāng)壓力稍在變化時，汽液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。b）汽、液兩相模糊不清現(xiàn)象處于臨界點(diǎn)的CO2具有共同參數(shù)（p、v、t）,因而不能區(qū)別此時CO

22、2是氣態(tài)還是液態(tài)。如果說它是氣體，那么，這個氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那么，這個液體是接近氣態(tài)的液體。下面，就來用實(shí)驗證明這個結(jié)論。因為這時是處于臨界溫度下，如果按等溫線過程來進(jìn)行，使CO2壓縮或膨脹，那么，管內(nèi)是什么也看不到的?，F(xiàn)在，我們按絕熱過程來進(jìn)行。首先在壓力等于7.64MPa附近，突然降壓，CO2狀態(tài)點(diǎn)由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi)CO2出現(xiàn)了明顯的液面。這就是說，如果這時管內(nèi)的CO2是氣體的話，那么，這種氣體離液區(qū)很接近，可以說是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)我們在膨脹這后，突然壓縮CO2時，這個液面又立刻消失了。這就告訴我們，CO2這時液體離氣區(qū)也是非常接近的，可以說是接近氣態(tài)的

23、液體。既然，此時的CO2既接近氣態(tài)，又接近液態(tài)，所以能處于臨界點(diǎn)附近?？梢赃@樣說：臨界狀態(tài)究竟如何，就是飽和汽、液分不清。這就是臨界點(diǎn)附近，飽和汽、液模糊不清的現(xiàn)象。測定高于臨界溫度t=50C的等溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1四、實(shí)驗數(shù)據(jù)記錄表1數(shù)據(jù)記錄表T=20Ct=31.1C(臨界)t=50CP(MPa)V=*/K現(xiàn)象P(MPa)廿v二dh/K現(xiàn)象P(MPa)Ahv=h/K現(xiàn)象進(jìn)行各等溫線實(shí)驗所需時間分鐘分鐘分鐘五、實(shí)驗結(jié)果處理和分析按表1的數(shù)據(jù)，如圖在p-v坐標(biāo)系中畫出三條等溫線。將實(shí)驗測得的等溫線與圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)等溫線比較，并分析它們之間的差異及其原因。將實(shí)驗測得的飽和溫度與飽和壓力的對

24、應(yīng)值與圖3給出的ts-ps曲線相比較。將實(shí)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原因。表2臨界比容Vc目/Kg標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)驗值Vc=RTc/PcVc=3/8RT/Pc0.00216圖3CO2飽和溫度和壓力關(guān)系曲線圖4標(biāo)準(zhǔn)曲線思考問題：實(shí)驗中為什么要保持加壓或降壓過程的緩慢進(jìn)行?分析實(shí)驗中有哪些因素會帶來誤差？§1-5噴管特性實(shí)驗一、實(shí)驗?zāi)康尿炞C并進(jìn)一步加深對噴管中氣流基本規(guī)律的理解，建立臨界壓力、臨界流速和最大流量等噴管臨界參數(shù)的概念比較熟練地掌握用熱工儀表測量壓力（負(fù)壓）、壓差及流量的方法明確漸縮噴管出口處的壓力不可能低于臨界壓力，流速不可能高于音速，流

25、量不可能大于最大流量明確縮放噴管中的壓力可以低于臨界壓力，流速可高于當(dāng)?shù)匾羲伲髁坎豢赡艽笥谧畲罅髁繉姽苤袣饬鞯膶?shí)際復(fù)雜過程有所了解，能定性解釋激波產(chǎn)生的原因二、實(shí)驗裝置噴管各截面上的壓力采用探針測量，如圖所示，探針可以沿噴管軸線移動，引壓圖1探針測壓簡圖1.管道；5.測量噴管各截面壓力的壓力表；2.噴管；6.測量噴管人口壓力的壓力表；3.探針；7.測量噴管排氣管道中壓力（背壓）的壓力表4.測壓孔；1.實(shí)驗段（噴管）4.孔板壓差計7.風(fēng)道入口；00.穩(wěn)壓罐圖2噴管實(shí)驗裝置系統(tǒng)2.孔板；5.調(diào)節(jié)閥；8.背壓真空表；11.調(diào)節(jié)閥3.探針移動機(jī)構(gòu)；6.真空泵；9.探針連通的真空表;12.實(shí)驗臺支

26、架孔也隨之移動，從而達(dá)到測定噴管內(nèi)各截面上的壓力的目的。實(shí)驗所需的設(shè)備和儀器儀表有：噴管實(shí)驗段（漸縮噴管和縮放噴管各一個）、流量計、壓力表、水銀溫度計和氣源設(shè)備等。實(shí)驗裝置系統(tǒng)如圖所示，采用真空泵作為氣源設(shè)備，裝在噴管排氣側(cè)。噴管入口的氣體狀態(tài)用測壓計6和溫度計測量。氣體流量用風(fēng)道上的孔板流量計2測量，噴管排氣管道中的壓力P2用真空表8測量，噴管各截面上的壓力用探針測取，轉(zhuǎn)動探針移動機(jī)構(gòu)4的手輪，可以移動探針測壓孔的位置，測量的壓力值由真空表9讀取。當(dāng)實(shí)驗中要求噴管入口的壓力不變時，風(fēng)道上裝有調(diào)節(jié)閥11,可根據(jù)流量增大或減小孔板壓差的變化，適當(dāng)開打或減小調(diào)節(jié)閥，使實(shí)驗段1前管道中的壓力維持在實(shí)

27、驗選定的數(shù)值。噴管排氣管道中的壓力用調(diào)節(jié)閥5控制，氣罐10起穩(wěn)定排氣管壓力的作用。實(shí)驗裝置配上電子測試系統(tǒng)后，能自動采集和處理實(shí)驗數(shù)據(jù)，顯示打印出實(shí)驗結(jié)果。三、實(shí)驗原理1 .噴管中氣流的基本原理由連續(xù)方程A1c1A2c2AC古m=m。=fiAC=m值12VlV2VdAdVdC微分后，得A-V-C（1）（2）由能量方程dq=dh2-dc2對于定嫡穩(wěn)定流動過程，能量方程也可寫成dq=dh-Vdp從而與dp=cdc可見，當(dāng)氣體流經(jīng)噴管速度增加時，壓力必然降低。（3）由狀態(tài)方程PVK=常數(shù)KdV二dP微分后，得VP（3）式（2）代入式（3）,再代入式（1）中此外，馬赫數(shù)M=c/a,而ak'kp

28、vdA22dc=M-1最后得到：AI，c顯然，要使噴管中氣流加速，當(dāng)M<1時，噴管應(yīng)為漸縮型（dA<0）;當(dāng)氣流M>1時，噴管應(yīng)為漸擴(kuò)型（dA>0）。2.氣體流動的臨界概念噴管中氣流的特征是dp<0,dc>0,dv>0,三者之間互相制約。當(dāng)某一截面的速度達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲贂r，氣流處于從亞音速變?yōu)槌羲俚霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，通常稱為臨界狀態(tài)。此時，該截面上的壓力成為臨界壓力Pc。臨界壓力與噴管入口壓力P1之比稱之為臨界壓力比：V=PC/P1o經(jīng)推導(dǎo)得到：K一2r"飛"（5）對于空氣，.=0.528當(dāng)漸縮噴管出口處氣流速度達(dá)到音速或縮放噴管喉部達(dá)到音速時

29、，通過噴管的氣體流量便達(dá)到了最大值（）,或成臨界流量?？捎上率酱_定:m=A.maxmiJ2K2K2-1P1(6)K1K1V1式中：一最小截面積對于縮放噴管即為喉部的截面積（對于漸縮噴管即為出口處的流通截面積；。本實(shí)驗臺的兩種噴管最小截面積均為11.44）。3.氣體在噴管中的流動（1）漸縮噴管漸縮噴管因受幾何條件（dA<0）的限制。有式（4）可知：氣體流速只能等于或低于音速（C<a）;出口截面的壓力只能高于或等于臨界壓力（P2-Pc）;通過噴管的流量只能等于或小于最大流量（m=mmax）。根據(jù)不同的背壓（Pb）,漸縮噴管可分為三種工況，：A,亞臨界工況（Pb>Pc）,此時m&l

30、t;mmaxP2=RPcB.臨界工況（Pb=Pc）,此時m=mmaxP2=RC.超臨界工況（Pb<Pc）,此時m=mmaxP2=PcPb（2）縮放噴管縮放噴管的喉部dA=0,因而氣流可達(dá)到音速（c=a）;擴(kuò)大段dA>0,出口截面處的流速可超音速（c>a）,其壓力可低于臨界壓力（P2<Pc），但因喉部幾何尺寸的限制，其流量的最大值仍為最大流量（mmax）。氣流在擴(kuò)大段能做完全膨脹，這時出口截面處的壓力稱為設(shè)計壓力（Pd）?？s放噴管隨工作背壓不同，也可分為三種工況：A.背壓等于設(shè)計背壓（Pb=Pd）時，稱為設(shè)計工況。此時氣流在噴管中能完全膨脹，出口截面的壓力與背壓相等（P2

31、=Pb=Pd）,在噴管喉部，壓力達(dá)到臨界壓力，流速達(dá)到音速，在擴(kuò)大段轉(zhuǎn)入超音速流動，流量達(dá)到最大流量。B.背壓低于設(shè)計背壓（Pb<Pd）時，氣流在噴管內(nèi)仍膨脹到設(shè)計背壓。當(dāng)氣流一離開出口截面便與周圍介質(zhì)匯合，其壓力立即降至實(shí)際背壓值，流量仍為最大流量。C.背壓高于設(shè)計背壓時，氣流在噴管內(nèi)膨脹過度，其壓力低于背壓，以至于氣流在未到達(dá)出口截面處便被壓縮，導(dǎo)致壓力突然躍升（即產(chǎn)生激波），在出口截面處，其壓力達(dá)到背壓。激波產(chǎn)生的位置隨著背壓的升高而向噴管入口方向移動，激波在未到達(dá)喉部之前，其喉部的壓力仍保持臨界壓力，流量仍為最大流量。當(dāng)背壓升高到某一值時，將脫離臨界狀態(tài)，縮放噴管便與漸縮噴管的特

32、性相同了，其流量低于最大流量。四、實(shí)驗步驟裝上所需的噴管，用“坐標(biāo)校準(zhǔn)器”調(diào)好“位移坐標(biāo)板”的基準(zhǔn)位置。打開罐前的調(diào)節(jié)閥，將真空泵的飛輪盤車旋12轉(zhuǎn)，一切正常后，全開罐后調(diào)節(jié)閥，打開冷卻水閥門。然后啟動真空泵。測量軸向壓力分布（1）用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)背壓至一定值（見真空表讀數(shù)），并記下該數(shù)值。（2）轉(zhuǎn)動手輪，使測壓探針向出口方向移動。每移動一定距離（一般約23mm）便停頓一下，記下該測點(diǎn)的坐標(biāo)位置及相應(yīng)的壓力值，一直測至噴管出口之處。于是便得到一條在這一背壓下噴管的壓力分布曲線。（3）若要做若干條壓力分布曲線，只要改變其背壓值并重復(fù)步驟（1）（2）即可。4 .流量曲線測試（1）把測壓探針的引壓孔

33、移至出口截面之外，打開罐后調(diào)節(jié)閥，并關(guān)閉罐前調(diào)節(jié)閥，啟動真空泵。（2）用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)背壓，每變化2030mmHg便停頓一下，同時將背壓值和U型管壓差計的讀數(shù)記下來。當(dāng)背壓升到某一值時，U型管壓差計的液柱便不再變化（即流量已達(dá)到了最大值）。此后盡管不斷地降低背壓，但U型管壓差計的液柱仍保持不變，這時，再測23點(diǎn)。至此，流量測量即可結(jié)束。5 .打開罐前調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉罐后的調(diào)節(jié)閥，讓真空罐充氣；23分鐘后停閉真空泵，立即打開罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空泵充氣（防止回油）；最后關(guān)閉冷卻水閥門。五、實(shí)驗數(shù)據(jù)處理1.壓力值的確定（1）本實(shí)驗裝置采用的負(fù)壓系統(tǒng)，表上讀數(shù)均為真空度，必須換算成絕對壓力值：P=Pa-Pv式

34、中：Pa一大氣壓力（mbar）；P（v）一用真空度表示的壓力（2）由于噴管前裝有孔板流量計，氣流有壓力損失。本實(shí)驗裝置的壓力損失為壓力為U型管壓差計讀數(shù)（AP）的97%。因此，噴管入口壓力為：（8）（3）噴管中空氣的臨界壓力Pc=0.528P1,在真空表上的讀數(shù)（即真空表）為:(9)P(V)=0.472P0.51.：Pca式中各項，計算時必須用相同的壓力單位，大致判斷PC（V）約為380mmHg。2.噴管實(shí)際流量的確定噴管中的空氣流量是通過噴管前的孔板流量計來確定的，計算公式為：式中:m'=1.373104、.尸；一、(Kg/s)(10)k流束膨脹系數(shù);=1-2.87310一：一氣態(tài)修

35、正系數(shù)；P"538上鼻1.0)mmH2O)'.一幾何修正系數(shù)（約等于加一U型管壓差計讀數(shù)（一室溫（C）Pa一大氣壓力（mbar）一般地，&P、v的乘積近似地是一個常數(shù)，即可以認(rèn)為mAP在實(shí)驗中的PB關(guān)系，可以用而p1來表達(dá)流量曲線的變化情況。此外，由于噴管內(nèi)氣流的摩擦而形成邊界層，從而減少流通面積，因此，實(shí)際流量必然小于理論值，按式（10）計算的實(shí)際最大流量也必然小于按式（6）計算出來的理論最大流量。實(shí)驗記錄表一、漸縮噴管大氣壓mmHg壓力分布、測壓位Amm背壓mmHg孔板流量計壓降iHmm36912151821242730354045505560h左h右150380

36、450流量曲線背壓mmHgx.孔板流量計壓總、306090120150180210240270300330360390420H左mmH2OH右mmH2O二、縮放噴管壓力分布物壓位mm背壓mmHg孔板流量計壓降A(chǔ)Hmm36912151821242730354045505560h左h右150'450650流量曲線壓mmHg壓降306090120150180210240270300H左mmH2OH右mmH2O實(shí)驗報告要求簡述實(shí)驗?zāi)康?，原理和裝置操作步驟；實(shí)驗原始數(shù)據(jù)記錄表格；繪制不同工況下噴管內(nèi)的壓力分布曲線P/P1X,并作討論;繪制流量曲線，并分析特征；根據(jù)條件計算噴管最大流量的理論值，且

37、與實(shí)驗值比較。六、思考問題：實(shí)驗前應(yīng)如何選定實(shí)驗條件（噴管的入口壓力和背壓等）才能觀察到膨脹不足、膨脹過度等各種工況下的流動現(xiàn)象？實(shí)驗測定結(jié)果和理論計算結(jié)果有什么不同？試分析原因?qū)嶒炛欣糜嬎銠C(jī)自動采集數(shù)據(jù)操作說明：實(shí)驗前的準(zhǔn)備工作：測量前將負(fù)壓和壓差電位器進(jìn)行調(diào)整，使負(fù)壓和壓差直流輸出信號為零測量噴管壓力變化情況時，應(yīng)使a和b間電壓保持在8.7伏，使c和d間電壓保持在1.3伏。搖動手輪使探針測壓孔對準(zhǔn)噴管入口零處（指針對準(zhǔn)標(biāo)板零刻度即可），并使位移信號電壓輸出為0伏，如果不為0伏則調(diào)整穩(wěn)壓器微調(diào)e使之為0伏，然后再搖動手輪使探針測壓孔對準(zhǔn)噴管出口處（指針對準(zhǔn)坐標(biāo)刻度35mm處即可），并使位移

38、信號電壓輸出為3.5伏，如果不是3.5伏，則調(diào)整穩(wěn)壓微調(diào)f使之為3.5伏（0伏和3.5伏要反復(fù)多次才能調(diào)好）。實(shí)驗中計算機(jī)操作：起動真空泵，使真空度達(dá)到最大（約為0.09MPa）在放大器的II、I上分別調(diào)整輸出放大倍數(shù)，使測壓輸出三5伏，測流量輸出在35伏之間。以上動態(tài)測試完成后，打開計算機(jī)。進(jìn)入Window系統(tǒng)，運(yùn)行本實(shí)驗軟件PG.EXE負(fù)壓與位移信號的測量轉(zhuǎn)動罐前調(diào)節(jié)閥改變背壓，使負(fù)壓為某一值如0.03MPa。選擇初始化（inicianite）菜單項，設(shè)定負(fù)壓與位移數(shù)據(jù)采樣時間t,缺省選擇t=30秒鐘。選才ip-x菜單項，選擇開始（start）按鈕，同時打開電機(jī)驅(qū)動開關(guān)。當(dāng)位移x指針到達(dá)5

39、0mm刻度處，關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動開關(guān)，約30秒后可以得到一條p-x曲線。調(diào)節(jié)背壓，使負(fù)壓為另一值（如0.04MPa）重復(fù)以步驟，可得到另一條p-x曲線。流量的測量用初始化菜單進(jìn)行壓差傳感器標(biāo)定。當(dāng)負(fù)壓為0.09MPa時，根據(jù)U型管的壓差數(shù)值，用滾動條，輸入壓差傳感器的壓差值U,缺省時U=400mmH2O。選擇流量菜單后，按下開始（start）按鈕。經(jīng)3秒延遲后，緩慢轉(zhuǎn)動背壓調(diào)節(jié)閥，則負(fù)壓值由0緩變到0.09MPa,此過程需要30秒鐘。約30秒鐘后，可以得到m-Pb/P1曲線。曲線數(shù)據(jù)存盤與打印壓力流量采樣結(jié)束后，采樣所得數(shù)據(jù)可在文件菜單中選擇save按鈕存盤。P/P1-x曲線存盤文件的擴(kuò)展名為PGP

40、,m-Pb/P1曲線存盤文件的擴(kuò)展名為PGM。選擇相應(yīng)的菜單還可以對存盤的文件進(jìn)行顯示和打印。§1-6小型壓縮機(jī)性能實(shí)驗一、實(shí)驗?zāi)康膲簹鈾C(jī)在工程上應(yīng)用廣泛，種類繁多，但其工作原理都是消耗機(jī)械能（或電能）而獲得壓縮氣體，壓氣機(jī)的壓縮指數(shù)和容積效率等是衡量其性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，本實(shí)驗是利用微機(jī)對壓氣機(jī)的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時動態(tài)采集，經(jīng)計算處理得到展開的和封閉示功圖，從而獲得其平均壓縮指數(shù)n,容積效率“v,指示功Wc,指示功率P等性能參數(shù)。二、實(shí)驗裝置及測量系統(tǒng)本實(shí)驗裝置主要由壓氣機(jī)和與其配套的電動機(jī)及測試系統(tǒng)組成，測試系統(tǒng)包括壓圖11.空氣壓縮機(jī)2.壓力傳感器3.飛輪4.磁電傳感器5.電機(jī)6

41、,進(jìn)氣口7.壓力表8.貯氣備19.排氣控制閥10.動態(tài)應(yīng)變儀11.端子板12.A/D轉(zhuǎn)換板13.計算機(jī)14.打印機(jī)力傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、放大器、A/D板、微機(jī)、繪圖儀及打印機(jī)，詳見圖1所示。壓氣機(jī)的型號：Z-0.03/7X氣缸直徑：D=70mm,活塞仃程：L=20mm,余隙距離c=1.51mm；連桿長度：H=70mm,轉(zhuǎn)速：n=1400轉(zhuǎn)/分；為獲得反映壓氣機(jī)性能的示功圖，在壓氣機(jī)缸上安裝了一個應(yīng)變式壓力傳感器，供實(shí)驗時輸出氣缸內(nèi)的瞬態(tài)壓力信號。該信號經(jīng)橋式整流以后至動態(tài)應(yīng)變儀放大；對應(yīng)著活塞下止點(diǎn)的位置，在飛輪外側(cè)粘貼著一塊磁條，從電磁傳感器上取得活塞下止點(diǎn)的脈沖信號，作為控制采集壓力的起止

42、信號，已達(dá)到壓力和曲柄轉(zhuǎn)角信號的同步。這兩路信號分別經(jīng)放大后送入A/D板轉(zhuǎn)換為數(shù)值量，然后送到計算機(jī)，經(jīng)計算處理便得到了壓氣機(jī)工作過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)及展開示功圖。三、實(shí)驗原理指示功和指示功率指示功是壓氣機(jī)進(jìn)行一個工作過程，壓氣機(jī)所消耗的功Wc,即Wc=YPVdV=SK1.K2105Kgfm2式中：S-測面儀測定的P-V圖上工作過程線所圍的面積（mm兀K1邛位長度代表的容積（L-活塞行程；gb-活塞行程的線段長度（K2邛位長度代表的壓力（mm);K2at/mm);即K血K-z14gb支fe；P2-壓氣機(jī)排氣工作日的表壓力（at）;fe-表壓力在縱坐標(biāo)上對應(yīng)的高度（mm）;P-指示功率，即：單位時間

43、內(nèi)壓氣機(jī)所消耗的功，可用下式表式:P=NWc10260/、c"'（KW）式中N-轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）。平均多變壓縮指數(shù)壓氣機(jī)的實(shí)際壓縮過程等價于定嫡壓縮之間。即多變指數(shù)n的范圍為1<n<k,因為多變過程的技術(shù)功是過程功的n倍，所以n等于P-V圖上壓縮過程線與縱坐標(biāo)軸圍成的面積同壓縮過程線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積之比。容積效率（"v）由容積效率的定義得：n有效吸氣容積v二活塞位移容積四、實(shí)驗步驟按圖1聯(lián)接線路標(biāo)定打開動態(tài)應(yīng)變放大器，調(diào)節(jié)電橋平衡電阻，使放大器的輸出為0（表頭指針指向零刻度）。打開壓氣機(jī)電源，使壓氣機(jī)工作，調(diào)節(jié)壓氣機(jī)的截流閥，使壓氣機(jī)的表壓力為3個大氣

44、壓。調(diào)節(jié)動態(tài)應(yīng)變放大器的放大倍數(shù)（增益）使其輸出電壓為2V,并保持不變。計算機(jī)采樣打開打算機(jī)進(jìn)入Window系統(tǒng)，運(yùn)行BB.EXE文件選才iSampling菜單，按下Start按鈕，開始對壓力與位移信號采樣。屏幕顯示壓氣機(jī)工作時的展開示功圖和脈沖圖。在展開圖中選擇一個較好的波形，按下Stop按鈕，再按下Cancel按鈕關(guān)閉采樣窗口?？傻玫秸归_的P-V曲線。五、數(shù)據(jù)記錄及處理多變指數(shù)計算選才?calculation菜單，進(jìn)入PolytropicExp窗口后，按下OK鍵，得到封閉示功圖，同時顯示功率值P。在壓氣機(jī)壓縮過程終點(diǎn)附近選定一點(diǎn)，對應(yīng)坐標(biāo)值即為壓力、容積值P2、V2。調(diào)節(jié)P2、V2滾動條，

45、使?jié)L動條上的數(shù)值與選定值相同（提供該工況下的實(shí)際參數(shù)供計算）。按下Exp按鈕可得到壓縮過程的平均多變指數(shù)。b.容積效率計算選才?calculation菜單，進(jìn)入VolumeEff窗口，按下OK按鈕，得到封閉的示功圖，調(diào)節(jié)V1、V2滾動條（其中V2為活塞的排量位移，V1為活塞有效吸氣位移），使?jié)L動條上的數(shù)值等于實(shí)際測量值。按下V.E按鈕，即得到容積效率值。c.數(shù)據(jù)管理曲線文件的擴(kuò)展名為YQJ,選才iFile菜單下相應(yīng)選項可保存實(shí)驗數(shù)據(jù)，以及打開保存過的文件。§1-7絕熱節(jié)流效應(yīng)的測定一、實(shí)驗?zāi)康慕^熱節(jié)流效應(yīng)在工程上有很多應(yīng)用。如利用節(jié)流的冷效應(yīng)進(jìn)行制冷。節(jié)流效應(yīng)也是物性量，在研究物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)方面有重要作用。如根據(jù)測定的節(jié)流效應(yīng)數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出較精確的經(jīng)驗狀態(tài)方程式。測定絕熱節(jié)流效應(yīng)的基本方法是在維持氣體與周圍環(huán)境沒有熱交換的條件下對氣體節(jié)流，測量其節(jié)流前后的壓力和溫度。圖2陶瓷管節(jié)流器1-陶瓷管2-玻璃管3-隔環(huán)4,5-測溫電阻二、實(shí)驗裝置實(shí)驗用的設(shè)備和儀器儀表有節(jié)流器、恒溫器、標(biāo)準(zhǔn)壓力表、溫度計（測溫電阻和電橋）、大氣壓力計和氣源設(shè)備等。實(shí)驗裝置系統(tǒng)如圖所示?？諝鈮?/p>