2023年熱工學實踐實驗內容34

2023年熱工學實踐實驗內容實驗3二氧化碳氣體P-V-T關系的測定一、實驗目的1.了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增強對臨界狀態(tài)概念的感性認識。2.穩(wěn)固課堂講授的實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的理論知識，加深對飽和狀態(tài)、臨界狀態(tài)等根本概念的理解。3.掌握CO2的P-V-T間關系測定方法。觀察二氧化碳氣體的液化過程的狀態(tài)變化，及經過臨界狀態(tài)時的氣液突變現(xiàn)象，測定等溫線和臨界狀態(tài)的參數(shù)。二、實驗任務1．測定CO2氣體根本狀態(tài)參數(shù)P-V-T之間的關系，在P—V圖上繪制出t為20℃、31.1℃、40℃三條等溫曲線。2．觀察飽和狀態(tài)，找出t為20℃時，飽和液體的比容與飽和壓力的對應關系。3．觀察臨界狀態(tài)，在臨界點附近出現(xiàn)氣液分界模糊的現(xiàn)象，測定臨界狀態(tài)參數(shù)。4．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結果，畫出實際氣體P-V-t的關系圖。三、實驗原理1.理想氣體狀態(tài)方程：PV=RT實際氣體：因為氣體分子體積和分子之間存在相互的作用力，狀態(tài)參數(shù)〔壓力、溫度、比容〕之間的關系不再遵循理想氣體方程式了。考慮上述兩方面的影響，1873年范德瓦爾對理想氣體狀態(tài)方程式進行了修正，提出如下修正方程：〔3-1〕式中:a/v2是分子力的修正項；b是分子體積的修正項。修正方程也可寫成:〔3-2〕它是V的三次方程。隨著P和T的不同，V可以有三種解：三個不等的實根；三個相等的實根；一個實根、兩個虛根。1869年安德魯用CO2做試驗說明了這個現(xiàn)象，他在各種溫度下定溫壓縮CO2并測定p與v，得到了P—V圖上一些等溫線，如圖2—1所示。從圖中可見，當t>31.1℃時，對應每一個p，可有一個v值，相應于〔1〕方程具有一個實根、兩個虛根；當t=31.1℃時，而p=pc時，使曲線出現(xiàn)一個轉折點C即臨界點，相應于方程解的三個相等的實根；當t<31.1℃時，實驗測得的等溫線中間有一段是水平線〔氣體凝結過程〕，這段曲線與按方程式描出的曲線不能完全吻合。這說明范德瓦爾方程不夠完善之處，但是它反映了物質汽液兩相的性質和兩相轉變的連續(xù)性。2．簡單可壓縮系統(tǒng)工質處于平衡狀態(tài)時，狀態(tài)參數(shù)壓力、溫度和比容之間有確定的關系，可表示為：F〔P，V，T〕=0或v=f(P,T)可見，保持任意一個參數(shù)恒定，測出其余兩個參數(shù)之間的關系，就可以求出工質狀態(tài)變化規(guī)律。如維持溫度不變，測定比容與壓力的對應數(shù)值，就可以得到等溫線的數(shù)據(jù)。圖3--1二氧化碳的Ｐ-Ｖ-t關系四、實驗設備實驗設備：由壓縮室本體、恒溫器及活塞式壓力計組成，如圖3—2所示。活塞式壓力計：由手輪帶動活塞桿的進退調節(jié)油壓，提供實驗中所需的壓力。恒溫器：提供恒溫水，用恒溫水再去恒定CO2的溫度。保持實驗中在不同等級的等溫過程中進行。壓縮室本體：壓縮氣體的壓縮室本體由一根玻璃毛細管和水銀室組成，如圖3—3所示。預先刻度和充氣的玻璃毛細管1插入水銀室2中，再翻開玻璃管下口。圖3—2實驗裝置系統(tǒng)1－壓縮室本體2—活塞式壓力計3－恒溫器實驗時，由恒溫器提供的恒溫水，從實驗臺本體玻璃水套下端進口流入，上端出口流出，反復循環(huán)。玻璃恒溫水套維持了毛細管內氣體溫度不變的條件，由于水套上的溫度計誤差太大，用恒溫器上的精密溫度計來代替，可以近似認為玻璃管中所存的CO2溫度與此溫度相同。實驗中要緩緩轉動活塞式壓力計的手輪，逐漸增大壓力油室3中的油壓，使毛細管內的CO2氣體壓縮。透過玻璃管可以看到氣體的壓縮過程。CO2氣體壓縮時所受壓力是由壓力臺上的壓力表讀出，氣體的體積V由毛細管上的刻度讀出，再經過換算得到。五、實驗步驟1．首先恒溫器接通電源，開動電力泵，使系統(tǒng)水進行循環(huán)對流。2.旋轉電接點溫度計的頂端幅形磁鐵，調整實驗中所規(guī)定的恒定溫度。3．開始加熱，觀察恒溫器上精密溫度計，假設其溫度計讀數(shù)與電接點溫度計標定的溫度一致時，那么可近似認為玻璃管中CO2的溫度處于標定的溫度。4.開始加壓，應緩緩地前進活塞螺桿加壓，并注意觀察CO2受壓后的各種現(xiàn)象。5.進行記錄實驗中的各種數(shù)據(jù)、狀態(tài)。6.當需要改變溫度時，重復上述步驟。六、考前須知1.恒溫水的溫度應穩(wěn)定足夠長的時間，使毛細管內外的溫度均衡后再開始測量數(shù)據(jù)。2.增大油壓時，使毛細管內水銀面緩緩上升，要保持緩慢壓縮。3.維持溫度不變，調整假設干次壓力，壓力間隔一般可取5bar左右，在接近飽和狀態(tài)或臨界狀態(tài)時應取0.5bar。4.除t=20℃時，須加壓至絕對壓力為102bar〔100ata〕外，其余各等溫線均在50～90間測出h值，絕對不允許表壓超過102bar。5．實驗結束卸壓時，應使壓力逐漸下降，不得直接翻開油杯閥門卸壓。圖3—3壓縮室本體示意圖6．實驗完畢將儀器擦凈，恢復原狀。1—玻璃毛細管2—水銀室3—壓力油室4—溫度計5—恒溫水套七、實驗數(shù)據(jù)整理1．CO2比容確實定實驗中由于CO2的質量m不便測定，承受玻璃的內徑d也不易測準，因而只能用間接方法確定V值：因為二氧化碳在20℃，100ata〔102bar〕時，比容即：vco2(20℃，100ata)=因為(常數(shù))那么任意情況下二氧化碳的比容：所以，只要在實驗中測得t=20℃,p=100ata時的h0值，計算出k值后，其它任意狀態(tài)下的比容V值均可求得。2．列數(shù)據(jù)表及繪制P-V圖。實驗數(shù)據(jù)計算整理后，繪制出實際CO2氣體P-V的關系圖。八、實驗報告的要求簡述實驗目的、任務及實驗原理。記錄實驗過程的原始數(shù)據(jù)〔實驗數(shù)據(jù)記錄表〕。根據(jù)實驗得出的數(shù)據(jù)結果，計算整理并畫出二氧化碳P-V-t的關系圖。九、思考題：為什么加壓時，要足夠緩慢地搖動活塞桿而使加壓足夠緩慢進行？假設不緩慢加壓，會出現(xiàn)什么問題？卸壓時為什么不能直接開啟油杯閥門。表3-1實驗數(shù)據(jù)記錄表t=20℃t=31.1℃t=40℃表壓p高度h觀察現(xiàn)象表壓p高度h觀察現(xiàn)象表壓p高度h觀觀察現(xiàn)象3035404550556065707580859099實驗5壓氣機性能實驗活塞式壓氣機是通用的機械設備之一，其工作原理是消耗機械能〔或電能〕而獲得壓縮氣體。壓氣機的壓縮指數(shù)和容積效率等都是衡量其性能先進與否的重要參數(shù)。本實驗是利用微機對壓氣機的有關性能參數(shù)進行實時動態(tài)采集，經計算處理、得到展開的和封閉的示功圖。從而獲得壓氣機的平均壓縮指數(shù)、容積效率、指示功、指示功率等性能參數(shù)。一、實驗目的1．掌握指示功、壓縮指數(shù)和容積效率的根本測試方法；2．對使用微機采集、處理數(shù)據(jù)的全過程和方法有所了解。二、實驗裝置及測量系統(tǒng)本實驗儀器裝置主要由：壓氣機、電動機及測試系統(tǒng)所組成。測試系統(tǒng)包括：壓力傳感器、動態(tài)應變儀、放大器、計算機及打印機，見圖5—1。壓氣機型號：Z—0.03/7汽缸直徑：D=50mm活塞行程:L=20mm連桿長度：H=70mm，轉速：n=1400轉/分圖5—1壓氣機實驗裝置及測試系統(tǒng)為了獲得反映壓氣機性能的示功圖，在壓氣機的汽缸頭上安裝了一個應變式壓力傳感器，供實驗時汽缸內輸出的瞬態(tài)壓力信號。該信號經橋式整流后，送至動態(tài)應變儀放大。對應著活塞上止點的位置，在飛輪外側粘貼著一塊磁條，從電磁傳感器上取得活塞上止點的脈沖信號，作為控制采集壓力的起止信號，以到達壓力和曲柄傳角信號的同步。這二路信號經放大器分別放大后，送入A/D板轉換為數(shù)值量，然后送至計算機，經計算處理便得到了壓氣機工作過程中的有關數(shù)據(jù)及展開的示功圖和封閉的示功圖。見圖5—2及圖5—3。圖5—2封閉的示功圖圖5—3展開的示功圖根據(jù)動力學公式，活塞位移量x與曲柄轉角a有如下關系：〔5-1〕式中：λ=R/LR——曲柄半徑；H——連桿長度；a——曲柄轉角。三、實驗原理1．指示功和指示功率指示功：活塞壓氣機進行一個工作過程，活塞對氣體所作的功，記為Li。顯然功量就是P—V圖上工作過程線所包圍的面積。其縱坐標是以線段長度表示的壓力值，而橫坐標那么表示活塞的位移量，經測面儀測量和計算才能得到功的數(shù)值，即：Li=S×K1×K2×10-5(kgf-m)〔5-2〕式中：S——由測面儀測定的面積值〔mm2〕;K1——單位長度代表的容積(mm3/mm)；式中：L——活塞行程〔mm〕；——活塞行程的線段長度〔mm〕；K2——單位長度代表的壓力(at/mm);式中：p——工作時的表壓力(at);——表壓力在縱坐標圖上對應的高度(mm);指示功率：單位時間內活塞對氣體所作的功，記為Ni。用下式表示：Ni=Li×n/102×60(KW)〔5-3〕式中：n——轉速(轉/分)2.平均多變壓縮指數(shù)壓氣機的實際壓縮過程介于定溫壓縮與定熵壓縮之間，過程指數(shù)在壓縮過程中不斷變化，根據(jù)壓氣機的理論軸功和氣體壓縮功的關系，可以求得平均的多變指數(shù)，記為n0?！?-4〕在Ｐ—Ｖ示功圖上：即為壓縮過程線與縱坐標圍成的面積同壓縮過程線與橫坐標圍成的面積之比。即：〔5-5〕3.容積效率〔〕根據(jù)熱力學定義：〔5-6〕在Ｐ—Ｖ示功圖上：即為有效吸氣線段長度與活塞行程線段長度之比。即：〔5-7〕四、實驗步驟1.接通所有測試儀器設備的電源。2.把采集、處理數(shù)據(jù)的軟件調入計算機。3.啟動壓氣機，調好排氣量，待壓氣機工作穩(wěn)定后，計算機開始采集數(shù)據(jù)，經過計算機處理，得到了展開的和封閉的始功圖。4.用測面儀測量封閉示功圖的面積。5.分別測量壓縮過程線與橫坐標及縱坐標包圍的面積。6.用尺子量出有效吸氣線段的長度和活塞行程線段的長度。五、實驗報告要求1.簡述實驗目的與原理。2．記錄計算機采集各種數(shù)據(jù)的理論值，填入在表5-1中。2.根據(jù)示功圖，得到示功圖上的三個面積值及壓力Pd值。3.計算指示功、指示功率、平均多變壓縮指數(shù)、容積效率等實際值〔要求計算過程〕。六、思考題1.為什么壓縮過程的多變指數(shù)與膨脹過程的多變指數(shù)不相等？對于同一個過程〔壓縮或膨脹過程〕的不同區(qū)段，為什么多變指數(shù)也不一樣？2.當壓氣機工作時，其壓縮指數(shù)變化范圍是多少？在什么情況下，壓氣機耗功最省？3．分析壓氣機工作壓力的改變將對容積效率有何影響。表5-1壓縮機性能實驗記錄大氣壓力--bar室溫--℃濕度--％孔板孔徑--cm排氣管內徑--cm1234567891011項目儲氣罐壓力輸入電功率電動機效率壓氣機生產量示功圖面積壓氣機轉速活塞排量孔板壓差孔板前溫度孔板流量系數(shù)質量流量吸氣狀態(tài)生產量符號P2Ngηght2μGV3fnVh單位barkW％mmH2O℃kg/minm3/mincm2r/minm3/min實驗7用球體法測量導熱系數(shù)實驗一、實驗目的學習用球體法測定粒狀材料導熱系數(shù)的方法。了解溫度測量過程及溫度傳感元件。二、實驗原理粒狀材料的導熱系數(shù)可通過球體導熱儀測定。如圖1—1所示。由均質粒狀材料填充而成的球壁，內外直徑分別為d11及d2〔半徑r1及r2〕，它的內外外表溫度等于t1和t2，并維持不變。由于在不大的溫度范圍內大多數(shù)工程材料的導熱系數(shù)與溫度的關系，均可按直線關系處理，那么將付利葉定律用于此球壁導熱問題。如圖7—1的邊界條件積分可得到熱流量計算式：〔1—1〕〔1—2〕式中：δ—球壁厚度δ=；λm—球壁材料在時的導熱系數(shù)。圖7—1球殼導熱過程因此，只要維持內外球壁溫度均勻穩(wěn)定，球壁半徑d1和d2，測出內外球壁外表溫度t1和t2，即可由式〔1—2〕算出材料的導熱系數(shù)λm。實驗設備如圖7—2所示，實驗設備組成包括：球體導熱儀本體、實驗臺手動測試系統(tǒng)、計算機測量系統(tǒng)、數(shù)字儀表測量系統(tǒng)。球體導熱儀本體是兩個球殼同心套裝在一起，內球殼外徑為d1，外球殼內徑為d2，在兩球殼之間填充實驗粒狀材料，熱量由裝入內球殼中的球`形電加熱器加熱得到。熱量穿過內球壁和被測材料到外球殼，外球殼通過自然空氣對流方式進行冷卻。每個球殼布置上下兩個溫度測點，取其平均值作為球殼溫度。球體法便于測定各種散狀物料〔如沙子、礦渣、石灰等〕的導熱系數(shù)。手動測試系統(tǒng)通過實驗臺操作完成手動測量數(shù)據(jù)，其中，功率測量由電壓表和電流表檢測得到，溫度測量由電位差計檢測得到。計算機測量系統(tǒng)通過計算機運行監(jiān)測主畫面，實時顯示實驗測量數(shù)據(jù)，并計算得到導熱系數(shù)的測量值等。數(shù)字儀表測量系統(tǒng)通過數(shù)字儀表機柜，直接測量得到球壁溫度值和熱流功率值。實驗方法及實驗數(shù)據(jù)確認所在實驗臺上電壓表、電流表工作量程及指針讀數(shù)單位換算。學會用電位差計測量熱電偶信號操作要領。切換轉換開關，記錄4個溫度測量點數(shù)據(jù)；讀表得到電壓、電流數(shù)據(jù)。將實驗數(shù)據(jù)記錄在表7-1中。圖7—2球體導熱儀實驗裝置原理結構圖實驗數(shù)據(jù)整理完成表7-1、表7-2的實驗數(shù)據(jù)記錄、計算及整理工作。六、實驗報告1.結合課堂講授的理論及實驗內容，學生要提供自編的實驗報告書。2.學生要根據(jù)自己所進行的實驗獨立認真地撰寫實驗報告。要求字跡工整、數(shù)據(jù)準確、觀察現(xiàn)象的文字描述層次清晰并應結合理論教學中的知識對實驗結果給出分析和評價。七、思考題1．簡述用球體法測量材料的導熱系數(shù)的優(yōu)缺點？2．如果安裝內外球殼時略有偏心，導熱系數(shù)的測定是否會受到影響？為什么3．試說明懸掛在空中的實驗球體，外球殼外表的換熱方式？如果球殼外表有空氣流動或有陽光照射，對導熱系數(shù)的測量有沒有影響？為什么？表7-1實驗測量數(shù)據(jù)記錄記錄人：同組人：時間：實驗參數(shù)實驗數(shù)據(jù)實驗臺球殼溫度內球殼溫度外球殼溫度試材名稱內上t1－1內下t1－2外上t2－1外下t2－2mvmvmvmv容重℃℃℃℃內平均溫度t1=外平均球溫度t2=外球直徑tm=(t1+t2)/2=加熱功率電壓U(V)電流I(A)功率(W)內球直徑環(huán)境溫度導熱系數(shù)λtm=(w/m·℃)表7-2實驗測量數(shù)據(jù)匯總臺號試材測試法實驗數(shù)據(jù)導熱系數(shù)％*測量誤差內外球均溫tm加熱功率導熱系數(shù)λ1臺粒狀珍珠巖手動測2臺手動測3臺粒狀蛭石手動測4臺手動測3臺粒狀蛭石微機測4臺儀表測*手動測量與微機和儀表測量的相對誤差〔以手動測量為基準〕實驗8空氣橫掠單管強迫對流換熱系數(shù)測定實驗一、實驗目的1.測算空氣橫掠單管時的平均換熱系數(shù)h。2.測算空氣橫掠單管時的實驗準那么方程式。3.學習對流換熱實驗的測量方法。二、實驗測算公式1．根據(jù)牛頓冷卻公式可以測算出平均換熱系數(shù)h。即：h=w/m2·K〔8-1〕式中：Q—空氣橫掠單管時總的換熱量，W；A—空氣橫掠單管時單管的外表積，m2;—空氣橫掠單管時單管壁溫℃；—空氣橫掠單管時來流空氣溫度℃；—壁面溫度與來流空氣溫度平均溫差，℃；2．空氣橫掠單管換熱時，實驗關聯(lián)式確實定根據(jù)傳熱學理論，換熱系數(shù)與流速、管徑、溫度、流體物性等有關，并可用以下準那么方程式關聯(lián)：(8-2)空氣橫掠單管換熱時，實驗關聯(lián)式為：〔8-3〕在定常性溫度下()，普朗特數(shù)可視為常數(shù)，故〔3〕簡化為：〔8-4〕式中Nu—努謝爾數(shù)，Nu，Re—雷諾數(shù)，Re，Pr—普朗特數(shù)，(8-5),—由實驗確定的常數(shù)，—定性溫度由下式確定：℃〔8-6〕上述公式中，—外管徑〔m〕，—流體的導熱系數(shù)〔w/m·℃〕，—流體在實驗測試段中的流速〔m/s〕，—流體的運動粘度〔㎡/s〕。3．實驗關聯(lián)式計算設y=lgNu，x=lgRe，在雙對數(shù)坐標系下，公式〔8-4〕可寫為：〔8-7〕根據(jù)最小二乘法原理，常數(shù)及可按下式計算：〔8-8〕=(8-9)式中：N為實際工況測試點數(shù)(N=11或N＝10)。4．實驗參數(shù)計算〔1〕空氣流速u根據(jù)u=m/s〔8-10〕式中：—重力加速度，m/s2H—微壓計動壓頭〔實測〕，〔酒精柱高〕—酒精密度(介=0.89*103kg/m3)，—空氣密度〔查表〕，kg/m3〔2〕單管加熱量QQ=UI單位：W〔8-11〕式中U—實驗管端電壓〔實測〕，I—實驗管工作電流〔實測〕。5．實驗結果誤差計算用均方根誤差可以反映實驗點〔x,y〕與關聯(lián)式代表線()的平均偏差。，〔8-12〕其中，N為測試點數(shù)(N=11或N＝10)。三、實驗設備實驗系統(tǒng)裝置結構如圖8所示。實驗主體由風箱、風機、有機玻璃風道組成。試驗管為薄壁不銹鋼加熱圓管，安裝在有機玻璃風道實驗段中間。采用低電壓大電流的直流電對試驗管直接加熱。低壓大電流直流電由硅整流電源供應。調整硅整流電源可改變圓管加熱功率。為使雷諾數(shù)Re有較大的變化范圍，一方面在每個實驗臺上安裝不同直徑的單管；另一方面，通過調節(jié)風機入口處的調風口來改變空氣的流速。四、測試方法及實驗步驟在試驗管處風道中裝有畢脫管，通過傾斜式微壓計測出實驗段中空氣來流的動壓H，然后計算空氣流速u。為了準確測定試驗管上的加熱功率并排除管子兩端的影響，在距離管端一定距離處焊有二電壓測點a、b，經過分壓箱和轉換開關，用電位差計準確測定該二電壓測點處的電壓降U。試驗管的加熱回路中串聯(lián)了一標準電阻，電流流過標準電阻時的電壓降△U經轉換開關和電位差計測量，然后確定流過試驗管的工作電流I。為了確定實驗管壁的溫度tw，在試驗管內壁埋設熱電偶(熱端)，由于管壁很薄，僅0.2～0.3mm，故可足夠準確地認為外壁溫度tw等于內壁溫度tw′。為使測量系統(tǒng)簡化，冷端熱電偶置于空氣流中。既熱端所處溫度為管內壁溫度tw′，冷端所處為空氣溫度tf，由電位差計測出溫差熱電勢E〔〕?？諝鉁囟萾f用掛在墻壁上的水銀溫度計測量。實驗時對每一種直徑的管子，空氣流速可調整9個工況，加熱電流可根據(jù)管子直徑及風速大小適當調整，保持管壁與空氣間有一定的溫差。每調整一個工況，須待工況穩(wěn)定后才能測量有關數(shù)據(jù)。六、實驗報告1．完成實驗原始數(shù)據(jù)記錄〔表8-1〕。2．完成實驗工況數(shù)據(jù)處理〔表8-2〕。3．將測出的實驗點(X1,Y1)～(X11,Y11)繪在坐標圖上，試說明實驗點的分布規(guī)律。4．將實驗關聯(lián)式的代表線:繪在坐標圖上，試算出實驗點與代表線的平均偏差。注：建議用計算機Excel完成上述實驗曲線。七、思考題1．實驗管徑與準那么方程式有什么關連？對于空氣橫掠單管強迫對流換熱過程，你能在教材或其他資料上找出Re的大至范圍嗎？2．影響對流換熱的主要因素是什么?3．試分析空氣橫掠管束時的強迫對流換熱系數(shù)？表8-1實驗原始數(shù)據(jù)記錄時間：實驗人：同組人：實驗臺號：單位外徑d=(m)長度L=0.1(m)面積A=(㎡)調節(jié)參考值最大1101009080706050403020實測值pmm氣流動壓H〔=0.2×P〕m電壓V〔×5倍率〕mVU〔＝V×0.201〕V電流A〔×5倍率〕mVI〔＝A×2〕A溫差Mv〔×5倍率〕mV(＝Mv×23.2)℃來流空氣溫度℃＝(tf1+tf2+tf3)/3試件壁溫〔計算〕tw℃表8-2實驗工況整理記錄變量名稱單位變量計算最大1101009080706050403020()Kg/m3u()m/s定性溫度tm℃(tm)w/mK(tm)m2/sQwhw/m2KNuReX=lgRey=lg待定常數(shù),,實驗關聯(lián)式：平均偏差1--風箱；2--風機；3--有機玻