《工程熱力學 第2版》 實驗指導(dǎo)書 實驗3、4 空氣在噴管內(nèi)流動性能測定實驗、飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實驗

《工程熱力學》

實驗指導(dǎo)書

前言

1.實驗總體目標

通過實驗?zāi)芨玫乩斫夤こ虩崃W的一些現(xiàn)象和結(jié)論。

學習一些實驗儀器的使用方法。

學習實驗數(shù)據(jù)的處理方法。

2.適用專業(yè)

熱能與動力工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程、核科學與核工程

3.先修課程

高等數(shù)學、大學物理

4.實驗課時分配

實驗項目學時

實驗一氣體定壓比熱容實驗2

實驗二二氧化碳綜合實驗2

實驗三空氣在噴管內(nèi)流動性能測定實驗2

實驗四飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實驗選做

5.實驗環(huán)境

實驗室環(huán)境干凈整潔，水電齊全，能夠滿足實驗的要求。

在醒目的地方有實驗原理的說明，便于教師講解和學生熟悉實驗的步驟。

6.實驗總體要求

通過實驗?zāi)軌驇椭鷮W生更好地理解工程熱力學的一些基本原理。

指導(dǎo)教師要提前做好徉備，提高實驗的效率。

學生要提前預(yù)習實驗的內(nèi)容和要求（特別是注意事項），以免發(fā)生危險和損壞實驗設(shè)備。

按指導(dǎo)教師的要求書寫實驗報告，及時上交。

7.本實驗的重點、難點及教學方法建議

本實驗的重點是氣體定壓比熱容實驗、二氧化碳壓縮綜合實驗和噴管實驗，這三個實驗

都是綜合性實驗，涉及到水浴的使用，真空泵的使用，表壓力及真空度和絕對壓力的關(guān)系，

等等，需要大家對工程熱力學的基本內(nèi)容有清楚的了解。

難點是在臨界溫度下定溫壓縮二氧化碳時不好把握,繪出來的圖和理想壓縮有較大的差

別，另外，如何通過間接方法求出二氧化碳的比體積也有?些技巧。

教學方法：學生提前預(yù)習，做實驗之前老師提問；學生仔細觀察指導(dǎo)教師的演示；實驗

室對學生開放，一次沒有做成功，或者想更好地掌握實驗技巧的學生，可以跟指導(dǎo)教師預(yù)約

時間另做。

2

目錄

實驗一氣體定壓比熱容實驗...................................3

實驗二二氧化碳綜合實驗.....................................7

實驗三空氣在噴管內(nèi)流動性能測定實驗.........................8

實驗四飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實驗...........................11

3

實驗三空氣在噴管內(nèi)流動性能測定實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

（1）鞏固和驗證有關(guān)氣體在噴管內(nèi)流動的基本理論，掌握氣流在噴管中流速、流量、

壓力的變化規(guī)律，加深臨界狀態(tài)參數(shù)、背壓、出口壓力等基本概念的理解。

（2）測定不同工況IPb>P,r，Pb=Per，Pb<Pjr）下，氣流在噴管內(nèi)流量心的變

化，繪制%曲線；分析比較久max的計算值和實測值；確定臨界壓力〃

（3）測定不同工況時，氣流沿噴管各截面（軸相位置X）的壓力變化情況，繪制X-乙

P\

關(guān)系曲線，分析比較臨界壓力的計算值和實測值。

二、實驗類型

綜合性實驗

三、實驗儀器

本實驗裝置由實驗本體、真空泵及測試儀表等組成。其中實驗本體由進氣管段，噴管實

驗段（漸縮噴管與漸縮漸寸噴管各一），真空罐及支架等組成，實驗裝置系統(tǒng)圖見圖3.1,采

用真空泵作為氣源設(shè)備，裝在噴管的排氣側(cè)。噴管入口的氣體狀態(tài)用測壓計6和溫度計7

測量。氣體流量用風道上的孔板流量計2測量。噴管排氣管道中的壓力〃2用真空表11測量。

轉(zhuǎn)動探針移動機構(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12讀取。

實驗中要求噴管的入口壓力保持不變。風道上安裝的調(diào)節(jié)閥門3,可根據(jù)流量增大或減

小時孔板壓差的變化適當開大或關(guān)小調(diào)節(jié)閥。應(yīng)仔細調(diào)節(jié)，使實驗段1前的管道中的壓力維

持在實驗選定的數(shù)值。噴管排氣管道中的壓力P2由調(diào)節(jié)閥門3控制，真空罐13起穩(wěn)定排氣

管壓力的作用。當真空泵運轉(zhuǎn)時，空氣由實驗本體的吸氣口進入并依次通過進氣管段，孔板

流量計，噴管實驗段然后排到室外。

噴管各截面上的壓力采用探針測量，如圖3.2所示，探針可以沿噴管的軸線移動，具體

的壓力測量是這樣的：川一根直徑為1.2mm的不銹鋼制的探針貫通噴管，起右端與真空表

相通，左端為自由端（其端部開口用密封膠封死），在接近左端端部處有一個0.5mm的引壓

孔。顯然真空表上顯示的數(shù)值應(yīng)該是引壓孔所在截面的壓力，若移動探針（實際上是移動引

壓孔）則可確定噴管內(nèi)各截面的壓力。

圖3-2探針測壓簡圖

1-管道；2-噴管：3-探針：4-測壓孔；5-測量噴管各截面壓力的壓力表;

6-測量噴管入口壓力的壓力表；7-測量噴管排氣管道壓力的壓力表

4

圖3-1噴管實驗裝置系統(tǒng)圖

I-實驗段（噴管）:2-孔板:3-調(diào)節(jié)閥：4?探針移動機構(gòu)：5-孔板流量計;6-噴管入口壓差計：7-水銀溫度計；8-調(diào)節(jié)閥:

9?真空泵：13風道：II-背壓真空表：12-與探針相通的真.空表：13-真空耀

四、實驗原理

1、漸縮噴管

氣體在潮縮噴管內(nèi)絕熱流動的最大膨脹程度取決于瑜界壓力比:

Po1八U

(3-1)

區(qū)=0.528

臨界壓力比只和氣體的等畸指數(shù)k有關(guān)，對于空氣，々=1.4,〃。o式中的“er即為氣

體在漸縮噴管中膨脹所能達到的最低壓力，稱為臨界壓力。氣體在漸縮噴管中的膨脹情況如

圖3-3所示。

(a)漸縮噴管中氣體分布示意圖(b)漸縮噴管流量曲線

圖3-3氣體漸縮噴管中的膨脹情況

2、縮放形噴管

氣體流經(jīng)縮放形噴管時完全膨脹的程度決定于噴管的出口截面積Az與噴管中的最小截

面積Amin的比值。噴管在穴同背壓條件下工作時，壓力分布如圖3—4所示。

1一在設(shè)計條件下I：作時的壓力分布

2、4-膨脹過度時的壓力分布

3一膨1]|：不足時噴管出口H現(xiàn)]的突然膨月:：

S3-4縮放噴管中氣體壓力分布示意圖

6

五、實驗內(nèi)容和要求

1.裝上所需的噴管，將“坐標校準器”調(diào)好，即使指針對準“位移坐標板”零刻度時，探

針的測壓孔正好在噴管的入口處。

2.開罐前的調(diào)節(jié)閥，將真空泵的飛輪盤車1-2轉(zhuǎn)，一切正常后，打開罐后調(diào)節(jié)底，打

開冷卻水閥門，而后啟動真空泵。

3.測量噴管軸向壓力分布情況-2=/（工）

P\

（1）用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)背壓（/人＞〃“）至一定直（見真空表的讀數(shù)），并記下該數(shù)

值。

（2）轉(zhuǎn)動手輪使測壓探針由入口向出口方向移動，每移動一定的距離（一般為5mm）

便停頓一下，記下該測點的坐標位置及相應(yīng)的壓力值，一直測至噴管出口之外，于是便得到

一條在這一背壓下的噴管的壓力分布曲線。

4.測量噴管流量變化情況：%,=/（%）

（1）轉(zhuǎn)動手輪使測壓探針引壓孔移至噴.管的出口截面之外，打開罐后調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉罐

前調(diào)節(jié)閥，而后啟動真空泵。

注釋：如果從實驗3連續(xù)做到實驗4只需將探針移出噴管的出口截面外。

（2）用罐前調(diào)節(jié)閥改變背壓值，使背壓值每變化O.OIMPa便停頓一下，同時將背壓值

和U型管壓差計的差值記錄下來，以便代入流量公式進行計算。當背壓為某一值時U型管

壓差計的的液柱便不再變化（即流量已達到最大值）此后盡管不斷地降低背壓，但是U型

管壓差計的的液柱高度仍保持不變，這時再測2~3個值即可，到此為止，流量測量完成。

注釋：兩個真空表的最大量程都是O.IMPa,真空表讀數(shù)越大表示絕對壓力越小。

5.開罐前調(diào)節(jié)閥，美閉罐后調(diào)節(jié)閥,讓真空罐充句：3分鐘后關(guān)閉直空泵，十即打開

罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空泵充氣（防止回油）；1分鐘后關(guān)閉罐前調(diào)節(jié)閥和罐后調(diào)節(jié)閥。

6.關(guān)閉冷卻水閥門；關(guān)閉電源。

7.實驗數(shù)據(jù)記錄

1）噴管尺寸見圖紙，圖3-5。

7

圖3-5噴管尺寸

2)噴管入口溫度外，入口壓力Pi。

入口溫度4為室溫心。由于在進氣管中裝有測流量孔板，氣流流過孔板將有壓力損失。

Pl將略低于大氣壓力Pa，流量越大，低得越多。根據(jù)經(jīng)驗公式和實測，可由下式確定入口

壓力P1：

Pi=p()-0.97Ap(3-2)

式中：ap_孔板流量LU型管壓差，若U型管壓差計讀數(shù)為△AmmHzO柱高，大氣壓

力計讀數(shù)為pumbar則：

〃]=-0.97x0.0981Mmbar

P\=Pa_0095A/?mbar(3-3)

注釋：大氣壓力以為0.101325MPa,噴管入口壓力也統(tǒng)一為O.IMPa,此時計算可

得孔板流量計U型管壓差為Ah=139.5mmH2O

3)孔板流量計計算公式：

[〃=1.373x10"kg/s(3-4)

式中：￡——流量膨脹系數(shù)，￡=1-1.373x10-4.她；

Pa

P―氣態(tài)修正系數(shù)，/?=0.0538J―2一；

VC,+273.15

/——幾何修正系數(shù)，(標定值)按1.0計算；

M一U型管壓差計讀數(shù)(mmH3O)

Pa——大氣壓力計讀數(shù)，單位Pa；

室溫，匕

8

注釋：lmbar=10UPa,lMPa=104mbar；lMPa=103kPa

4）噴管的一個重要特征參數(shù)一臨界壓力

=0528P|在真空表上的讀數(shù)：

Per（真空度尸Pa-Pcr=Pa-°528（Pa-S095Ah）,mbar

〃”（真空度）=0472〃”+0.054〃，mbar

式中：Pa—大氣壓力計讀數(shù)，mbar

△h——U型管壓差計讀數(shù)，mmHzO

注釋：噴管入口壓力約為O.IMPa,計算可得p“（真空度）=0.047MPa

4）噴管流量心的理論計算值：

在穩(wěn)定流動中，任何截面上的質(zhì)量均相等，流量大小可由下式確定：

3A、］.且心聲-佇產(chǎn)

丫-1匕|_PiPiJ

式中：K——絕熱指數(shù)；

4----出口截面積，m2；

v15v2—分別表示進、出口截面氣體的比體積，mVkg；

〃1，〃2——分別表示進、出口截面上氣體的壓力，Pao

當出口截面壓力等于臨界壓力〃cr，即：

2—

P2=P"=(二T)f28Pl

則心—信心）u

對于空氣，代入K=1.4,R.=287.1J/kg*℃o

=0.0404h*

Clm=J”.max==0-685^^(3-7)

5）臨界壓力的理論計算值:

pcr=0.528P|=0.528(pa-0.095Ah)

=0.528pa-0.05Ahmbar(3-8)

9

8.實驗數(shù)據(jù)記錄表:

1）漸縮噴管實驗：

表3.1位移——壓力比數(shù)據(jù)表格（%=O.\MPa）

（1）背壓低于臨界壓力工況：pv=0.06MPapb=pi-pv=MPa

x(mm)05101520253035

pv(MPa)

px=pi-pv(MPa)

Px/Pi

（2）背壓等于臨界壓力工況：pv=0.047MPapb=pi-pv=MPa

x(mm)05101520253035

pv(MPa)

px=pi-pv(MPa)

Px/pi

（3）背壓高于臨界壓力工況：pv=0.03MPapb=pi-pv=MPa

x(mm)05101520253035

pv(MPa)

Px=pi-pv(MPa)

Px/pl

表3.2流量一壓力比數(shù)據(jù)表格（p.=O.\MPa）

pv(MPa)

Pb=pi-pv(MPa)

pt/pi

M(mm)

m(xl0*3kg/s)

注釋：背壓（真空表）可取0.01、0.02、0.03、0.04、0.047、0.06、0.07、0.08MPa

2）縮放噴管實驗：

表3.3位移——壓力比數(shù)據(jù)表格（%=0.1MPa）

（1）工況一：pv=0.08MPapb=pi-pv=MPa

x(mm)05101520253035

pv(MPa)

px=pi-pv(MPa)

pjpi

10

(2)工況二：pv=0.047MPapb=pi-pv=MPa

x(mm)05101520253035

pv(MPa)

px=pi-pv(MPa)

Px/pi

(3)工況三：pv=0.03MPapb=pi-pv=MPa

x(mm)05101520253035

pv<MPa)

px=pi-pv(MPa)

Px/pi

表3.4流量---壓力比數(shù)據(jù)表格（凡=OAMPa）

pv(MPa)

pb=pi-pv(MPa)

pjpi

M(mm)

m(xl0'3kg/s)

注釋：背壓（真空表）可取O.OIMPa、0.02、0.03、0.04、0.047、0.06、0.07、0.08MPa

六、注意事項

（1）啟動真空泵前，對真空泵傳動系統(tǒng)，油路，水路進行檢查，檢查無誤后，打開背

壓調(diào)節(jié)閥，用手轉(zhuǎn)動真空泵飛輪一周，去掉汽缸內(nèi)過量的油氣，啟動電機，當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后開

始進行實驗。

（2）由于測壓探針內(nèi)徑較小，測壓時滯現(xiàn)象比較嚴重，當以不同速度搖動手輪時，畫

出的曲線將不重合。因此：為了取得準確的壓力值，搖動手輪必須足夠的慢。同理，描繪流

量曲線時，開關(guān)調(diào)節(jié)閥的速度也不宜過快。

（3）停機前，先關(guān)真空罐出口調(diào)節(jié)閥，讓真空罐充氣，關(guān)真空泵后，立即打開此閥，

讓真空泵充氣，防止真空泵回油，也有利于真空泵下次啟動。

（4）與本實驗臺配套的各種儀器設(shè)備使用方法和使用注意事項，詳見產(chǎn)品說明書。

七、思考題

1.如何理解噴管的臨界壓比？

2.如何防止真空泵回油7

3.背壓和出口處壓力有何區(qū)別？

II

實驗四飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實驗（選做）

一、實驗?zāi)康?/p>

（1）通過觀察飽和蒸汽壓力和溫度的關(guān)系，加深對飽和狀態(tài)的理解。

（2）通過試驗數(shù)據(jù)的整理，掌握飽和蒸汽P-T關(guān)系圖表的編制方法。

（3）學會溫度計、壓力表、調(diào)壓器和大氣壓力計等儀表的使用方法。

二、實驗類型

驗證型實驗

三、實驗儀器

整套實驗裝置由蒸汽發(fā)生器、壓力表、溫度計、可控數(shù)顯溫度儀和電流表等組成，如圖

4-1o

圖4-1飽和蒸汽溫度、壓力關(guān)系實驗裝置

1-壓力表：2-排氣閥；3■緩沖器；4-可視玻璃及蒸汽發(fā)生器；5-電源開關(guān)：&電功率

調(diào)節(jié)器：7-溫度計；8-可控數(shù)顯溫度儀；9-電流表

四、實驗原理

水沸騰后，處于飽和狀態(tài)，飽和溫度和飽和壓力是一一對應(yīng)的。

壓力的絕對值才是蒸汽的狀態(tài)參數(shù)。

五、實驗內(nèi)容和要求

1.熟悉實驗裝置及使用儀表的工作原理和性能。

2。將電功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)至電流表零位，然后接通電源.

3o調(diào)節(jié)電功率調(diào)節(jié)器并緩慢逐漸加大電流，待蒸汽壓力升至一定