热工学实践实验内容34.doc

2012年热工学实践实验内容

实验3 二氧化碳气体P-V-T 关系的测定

一、实验目的

1. 了解CO 2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识。

2. 巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解。

3. 掌握CO 2的P-V-T 间关系测定方法。观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的气液突变现象，测定等温线和临界状态的参数。

二、实验任务

1．测定CO 2气体基本状态参数P-V-T 之间的关系，在P —V 图上绘制出t 为20℃、31.1 ℃、40℃三条等温曲线。

2．观察饱和状态，找出t 为20℃时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。 3．观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数。 4．根据实验数据结果，画出实际气体P-V-t 的关系图。

三、实验原理

1. 理想气体状态方程：PV = RT

实际气体：因为气体分子体积和分子之间存在相互的作用力，状态参数（压力、温度、比容）之间的关系不再遵循理想气体方程式了。考虑上述两方面的影响，1873年范德瓦尔对理想气体状态方程式进行了修正，提出如下修正方程：

()RT b v v a p =-??? ?

?+2 （3-1）

式中: a / v 2

是分子力的修正项；

b 是分子体积的修正项。修正方程也可写成 : 0)(23

=-++-ab av v RT bp pv

（3-2）

它是V 的三次方程。随着P 和T 的不同，V 可以有三种解：三个不等的实根；三个相等的实

根；一个实根、两个虚根。

1869年安德鲁用CO 2做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩CO 2并测定p 与v ，得到了P —V 图上一些等温线，如图2—1所示。从图中可见，当t >31.1℃时，对应每一个p ，可有一个v 值，相应于（1）方程具有一个实根、两个虚根；当t =31.1℃时，而p = p c 时，使曲线出现一个转折点C 即临界点，相应于方程解的三个相等的实根；当t <31.1℃时，实验测得的等温线中间有一段是水平线（气体凝结过程），这段曲线与按方程式描出的曲线不能完全吻合。这表明范德瓦尔方程不够完善之处，但是它反映了物质汽液两相的性质和两相转变的连续性。

2．简单可压缩系统工质处于平衡状态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定的关

系，可表示为：

F（P，V，T）= 0

或

v= f(P,T)

可见，保持任意一个参数恒定，测出其余两个参数之间的关系，就可以求出工质状态变化规律。如维持温度不变，测定比容与压力的对应数值，就可以得到等温线的数据。

图3--1 二氧化碳的Ｐ-Ｖ-t关系

四、实验设备

实验设备：由压缩室本体、恒温器

及活塞式压力计组成，如图3—2所示。

活塞式压力计：由手轮带动活塞杆

的进退调节油压，提供实验中所需的压

力。

恒温器：提供恒温水，用恒温水再

去恒定CO2的温度。保持实验中在不同等

级的等温过程中进行。

压缩室本体：压缩气体的压缩室本

体由一根玻璃毛细管和水银室组成，如

图3—3所示。预先刻度和充气的玻璃毛

细管1插入水银室2中，再打开玻璃管

下口。图3—2 实验装置系统

1－压缩室本体 2—活塞式压力计

3－恒温器

实验时，由恒温器提供的恒温水，从实验台本体玻璃水套下端进口流入，上端出口流出，反复循环。玻璃恒温水套维持了毛细管内气体温度不变的条件，由于水套上的温度计误差太大，用恒温器上的精密温度计来代替，可以近似认为玻璃管中所存的CO2温度与此温度相同。实验中要缓缓转动活塞式压力计的手轮，逐渐增大压力油室3中的油压，使毛细管内的CO2气体压缩。透过玻璃管可以看到气体的压缩过程。

CO2气体压缩时所受压力是由压力台上的压力表读出，气体的体积V由毛细管上的刻度读出，再经过换算得到。

五、实验步骤

1．首先恒温器接通电源，开动电力泵，

使系统水进行循环对流。

2. 旋转电接点温度计的顶端幅形磁铁，

调整实验中所规定的恒定温度。

3．开始加热，观察恒温器上精密温度计，

若其温度计读数与电接点温度计标定的温度

一致时，则可近似认为玻璃管中CO2的温度处

于标定的温度。

4. 开始加压，应缓缓地前进活塞螺杆加

压，并注意观察CO2受压后的各种现象。

5. 进行记录实验中的各种数据、状态。

6. 当需要改变温度时，重复上述步骤。

六、注意事项

1. 恒温水的温度应稳定足够长的时间，

使毛细管内外的温度均衡后再开始测量数据。

2. 增大油压时，使毛细管内水银面缓缓

上升，要保持缓慢压缩。

3. 维持温度不变，调整若干次压力，压

力间隔一般可取5bar左右，在接近饱和状态

或临界状态时应取0.5bar。

4. 除t=20℃时，须加压至绝对压力为

102bar（100ata）外，其余各等温线均在50～

90间测出h值，绝对不允许表压超过102bar。

5．实验结束卸压时，应使压力逐渐下降，

不得直接打开油杯阀门卸压。图3—3 压缩室本体示意图6．实验完毕将仪器擦净，恢复原状。 1—玻璃毛细管 2—水银室3—压力油室 4—温度计 5—恒温水套

七、实验数据整理

1．CO2比容的确定

实验中由于CO2的质量m不便测定，承受玻璃的内径d也不易测准，因而只能用间接方法确定V值：

因为二氧化碳在20℃，100ata （102bar ）时，比容kg v m 3

00117.0=

即：

v co2

(20℃，100ata)=

kg m

d

m

A

m

h h 3

00

00117.04

=?

=

?π

因为

K A m h ==00117

.00(常数)

则任意情况下二氧化碳的比容：

K h A

m h V =

= 所以，只要在实验中测得t=20℃, p=100ata 时的h 0值，计算出k 值后，其它任意状态下的比容V 值均可求得。

2．列数据表及绘制P-V 图。

实验数据计算整理后，绘制出实际CO 2气体P-V 的关系图。

八、实验报告的要求

1． 简述实验目的、任务及实验原理。

2． 记录实验过程的原始数据（实验数据记录表）。

3． 根据实验得出的数据结果，计算整理并画出二氧化碳P-V-t 的关系图。

九 、思考题：

1． 为什么加压时，要足够缓慢地摇动活塞杆而使加压足够缓慢进行？若不缓慢加压，

会出现什么问题？

2． 卸压时为什么不能直接开启油杯阀门。

表3-1实验数据记录表

实验5 压气机性能实验

活塞式压气机是通用的机械设备之一，其工作原理是消耗机械能（或电能）而获得压缩气体。压气机的压缩指数和容积效率等都是衡量其性能先进与否的重要参数。本实验是利用微机对压气机的有关性能参数进行实时动态采集，经计算处理、得到展开的和封闭的示功图。从而获得压气机的平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数。

一、实验目的

1．掌握指示功、压缩指数和容积效率的基本测试方法；

2．对使用微机采集、处理数据的全过程和方法有所了解。

二、实验装置及测量系统

本实验仪器装置主要由：压气机、电动机及测试系统所组成。

测试系统包括：压力传感器、动态应变仪、放大器、计算机及打印机，见图5—1。

压气机型号：Z—0.03/7

汽缸直径：D=50mm 活塞行程: L=20mm

连杆长度：H=70mm，转速：n=1400转/分

图5—1 压气机实验装置及测试系统

为了获得反映压气机性能的示功图，在压气机的汽缸头上安装了一个应变式压力传感器，供实验时汽缸内输出的瞬态压力信号。该信号经桥式整流后，送至动态应变仪放大。对应着活塞上止点的位置，在飞轮外侧粘贴着一块磁条，从电磁传感器上取得活塞上止点的脉冲信号，作为控制采集压力的起止信号，以达到压力和曲柄传角信号的同步。这二路信号经放大器分别放大后，送入A/D板转换为数值量，然后送至计算机，经计算处理便得到了压气机工作过程中的有关数据及展开的示功图和封闭的示功图。见图5—2及图5—3。

图 5—2 封闭的示功图图 5—3 展开的示功图

根据动力学公式，活塞位移量x 与曲柄转角a 有如下关系：

-=1(R x )2cos 1(4

)cos a a -+

λ

（5-1）

式中：

λ=R/L

R ——曲柄半径； H ——连杆长度； a ——曲柄转角。

三、实验原理

1．指示功和指示功率

指示功：活塞压气机进行一个工作过程，活塞对气体所作的功，记为L i 。显然功量就是P —V 图上工作过程线所包围的面积。其纵坐标是以线段长度表示的压力值，而横坐标则表示活塞的位移量，经测面仪测量和计算才能得到功的数值，即：

L i =S ×K 1×K 2×10-5

(kgf-m) （5-2） 式中：

S ——由测面仪测定的面积值 （mm 2

）;

K 1——单位长度代表的容积 (mm 3

/mm) ；

gb

LD k

42

1

π=

式中： L ——活塞行程（mm ）；

gb ——活塞行程的线段长度（mm ）；

K 2——单位长度代表的压力 (at/mm);

fe

p

k

d

1

2

-=

式中： p ——工作时的表压力(at);

fe ——表压力在纵坐标图上对应的高度(mm);

指示功率：单位时间内活塞对气体所作的功，记为N i 。用下式表示：

N i =L i ×n/102×60 (KW) （5-3）

式中：n —— 转速(转/分)

2.平均多变压缩指数

压气机的实际压缩过程介于定温压缩与定熵压缩之间，过程指数在压缩过程中不断变化，根据压气机的理论轴功和气体压缩功的关系，可以求得平均的多变指数，记为n 0。

?

?-

=

21

2

10

pdv

vdp

n

（5-4）

在Ｐ—Ｖ示功图上：即为压缩过程线与纵坐标围成的面积同压缩过程线与横坐标围成的面积之比。即：

围成的面积

由围成的面积

由cdabc cdefc n

=

（5-5）

3. 容积效率（

η

c

）

根据热力学定义：

工作容积

有效吸气容积

=

η

c

（5-6）

在Ｐ—Ｖ示功图上：即为有效吸气线段长度与活塞行程线段长度之比。即：

gb

hb

c

=

η

（5-7）

四、实验步骤

1. 接通所有测试仪器设备的电源。

2. 把采集、处理数据的软件调入计算机。

3. 启动压气机，调好排气量，待压气机工作稳定后，计算机开始采集数据，经过计算机处理，得到了展开的和封闭的始功图。

4. 用测面仪测量封闭示功图的面积。

5. 分别测量压缩过程线与横坐标及纵坐标包围的面积。

6. 用尺子量出有效吸气线段hb 的长度和活塞行程线段gb 的长度。

五、实验报告要求

1. 简述实验目的与原理。

2．记录计算机采集各种数据的理论值，填入在表5-1中。 2. 根据示功图，得到示功图上的三个面积值及压力P d 值。

3. 计算指示功、指示功率、平均多变压缩指数、容积效率等实际值（要求计算过程）。

六、思考题

1. 为什么压缩过程的多变指数与膨胀过程的多变指数不相等？对于同一个过程（压缩或膨胀过程）的不同区段，为什么多变指数也不一样？

2. 当压气机工作时，其压缩指数变化范围是多少？在什么情况下，压气机耗功最省？ 3．分析压气机工作压力的改变将对容积效率有何影响。

表5-1压缩机性能实验记录

实验7 用球体法测量导热系数实验

一、实验目的

1． 学习用球体法测定粒状材料导热系数的方法。 2． 了解温度测量过程及温度传感元件。

二、实验原理

粒状材料的导热系数可通过球体导热仪测定。如图1—1所示。由均质粒状材料填 充而成的球壁，内外直径分别为d 11及d 2（半径 r 1及r 2），它的内外表面温度等于t 1和t 2，并维持 不变。由于在不大的温度范围内大多数工程材料的 导热系数与温度的关系，均可按直线关系处理，则 将付利叶定律用于此球壁导热问题。如图7—1的边 界条件积分可得到热流量计算式：

1212()m

d d t t πλδ

Φ=

- （1—1） 1212()

m d d t t δ

λπΦ?=

- （1—2）

式中：

δ—球壁厚度δ=)(2

1

12d d -； λm —球壁材料在 2

21t

t t m +=时的导热系数。

图7—1 球壳导热过程

因此，只要维持内外球壁温度均匀稳定，已知球壁半径d 1和d 2，测出内外球壁表面温度t 1和t 2，即可由式（1—2）算出材料的导热系数λm 。

三、实验设备

如图7—2所示，实验设备组成包括：球体导热仪本体、实验台手动测试系统、计算机测量系统、数字仪表测量系统。球体导热仪本体是两个球壳同心套装在一起，内球壳外径为d1，外球壳内径为d2，在两球壳之间填充实验粒状材料，热量由装入内球壳中的球`形电加热器加热得到。热量穿过内球壁和被测材料到外球壳，外球壳通过自然空气对流方式进行冷却。每个球壳布置上下两个温度测点，取其平均值作为球壳温度。球体法便于测定各种散状物料（如沙子、矿渣、石灰等）的导热系数。

手动测试系统通过实验台操作完成手动测量数据，其中，功率测量由电压表和电流表检测得到，温度测量由电位差计检测得到。计算机测量系统通过计算机运行监测主画面，实时显示实验测量数据，并计算得到导热系数的测量值等。数字仪表测量系统通过数字仪表机柜，直接测量得到球壁温度值和热流功率值。

四、实验方法及实验数据

1.确认所在实验台上电压表、电流表工作量程及指针读数单位换算。

2.学会用电位差计测量热电偶信号操作要领。

3.切换转换开关，记录4个温度测量点数据；读表得到电压、电流数据。将实验数据

记录在表7-1中。

五、实验数据整理

完成表7-1、表7-2的实验数据记录、计算及整理工作。

六、实验报告

1. 结合课堂讲授的理论及实验内容，学生要提供自编的实验报告书。

2. 学生要根据自己所进行的实验独立认真地撰写实验报告。要求字迹工整、数据准确、观察现象的文字描述层次清晰并应结合理论教学中的知识对实验结果给出分析和评价。

七、思考题

1．简述用球体法测量材料的导热系数的优缺点？

2．如果安装内外球壳时略有偏心，导热系数的测定是否会受到影响？为什么

3．试说明悬挂在空中的实验球体，外球壳表面的换热方式？如果球壳表面有空气流动或有阳光照射，对导热系数的测量有没有影响？为什么？

表7-1 实验测量数据记录

表7-2 实验测量数据汇总

实验8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验

一、实验目的

1. 测算空气横掠单管时的平均换热系数h 。

2. 测算空气横掠单管时的实验准则方程式1Re Pr n

Nu C =??。 3. 学习对流换热实验的测量方法。

二、实验测算公式

1．根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h 。

即：h=

)(f W t t A Q

-Q A t

=

?? w/m 2·K （8-1） 式中：

Q — 空气横掠单管时总的换热量， W ； A — 空气横掠单管时单管的表面积，m 2 ;

w t — 空气横掠单管时单管壁温 ℃；

f t — 空气横掠单管时来流空气温度 ℃；

t ?— 壁面温度与来流空气温度平均温差，℃；

2．空气横掠单管换热时，实验关联式的确定

根据传热学理论，换热系数与流速、管径、温度、流体物性等有关，并可用下列准则方程式关联：(Re,Pr)Nu f = (8-2 ) 空气横掠单管换热时，实验关联式为：

1Re Pr n Nu C =?? （8-3）

在定常性温度下(m t )，普朗特数r P 可视为常数，故（3）简化为：

Re n Nu C '= （8-4）

式中

Nu — 努谢尔数，Nu λ

hd

=

，

Re — 雷诺数， Re v

ud =

，

Pr — 普朗特数，

13

13Pr Pr C C C '=?=? (8-5) C ,n — 由实验确定的常数，

m t —定性温度由下式确定：

()2

+=

w f m

t t t ℃ （8-6） 上述公式中，d —外管径（m ），λ—流体的导热系数（w/m ·℃），u —流体在实

验测试段中的流速（m/s ），v —流体的运动粘度（㎡/s ）。 3．实验关联式计算

设y=lgNu ，x=lgRe ，在双对数坐标系下，公式（8-4）可写为： lg y n x C '=?+ （8-7） 根据最小二乘法原理，常数lg C 及n 可按下式计算：

2

1

1

1

1

2

2

11lg ======-'=

??- ?

??

∑∑∑∑∑∑N N N N

i i

i

i

i

i i i i N

N

i i i i x y x y x

C x N x （8-8）

n =

1

1

12

2

11N N N

i

i

i

i

i i i N

N

i i i i x y N x y

x N x =====-??-

???

∑∑∑∑∑ (8-9)

式中： N 为实际工况测试点数(N=11或N ＝10)。

4．实验参数计算 （1）空气流速u 根据

u=

空

介ρρ3

102-?H g m/s （8-10）

式中：g — 重力加速度， m/s 2

H — 微压计动压头（实测）， （酒精柱高） ρ介— 酒精密度(ρ介=0.89*103

kg/m 3

)，

ρ空— 空气密度（查表）， kg/m 3

（2）单管加热量Q

Q=UI 单位：W （8-11） 式中 U — 实验管端电压（实测）， I — 实验管工作电流（实测）。

5．实验结果误差计算

用均方根误差σ可以反映实验点（x,y ）与关联式代表线 (lg y n x C ''=?+)的平均偏差。

σ=

， （8-12）

其中，N 为测试点数(N=11或N ＝10)。

三、实验设备

实验系统装置结构如图8所示。实验主体由风箱、风机、有机玻璃风道组成。试验管为薄壁不锈钢加热圆管，安装在有机玻璃风道实验段中间。采用低电压大电流的直流电对试验管直接加热。低压大电流直流电由硅整流电源供给。调整硅整流电源可改变圆管加热功率。为使雷诺数Re 有较大的变化范围，一方面在每个实验台上安装不同直径的单管；另一方面，通过调节风机入口处的调风口来改变空气的流速。

四、测试方法及实验步骤

在试验管处风道中装有毕脱管，通过倾斜式微压计测出实验段中空气来流的动压H ，然后计算空气流速u 。

为了准确测定试验管上的加热功率并排除管子两端的影响，在距离管端一定距离处焊有二电压测点a 、b ，经过分压箱和转换开关，用电位差计准确测定该二电压测点处的电压降U 。试验管的加热回路中串联了一标准电阻，电流流过标准电阻时的电压降△U 经转换开关和电位差计测量，然后确定流过试验管的工作电流I 。

为了确定实验管壁的温度t w ，在试验管内壁埋设热电偶(热端)，由于管壁很薄，仅0.2～0.3mm ，故可足够准确地认为外壁温度t w 等于内壁温度t w ′。为使测量系统简化，冷端热电偶置于空气流中。既热端所处温度为管内壁温度t w ′，冷端所处为空气温度t f ，

由电位差计测出温差热电势E （f w t t ,'

）。空气温度t f 用挂在墙壁上的水银温度计测量。 实验时对每一种直径的管子，空气流速可调整9个工况，加热电流可根据管子直径及风速大小适当调整，保持管壁与空气间有一定的温差。每调整一个工况，须待工况稳定后才能测量有关数据。

六、实验报告

1．完成实验原始数据记录（表8-1）。 2．完成实验工况数据处理（表8-2）。

3．将测出的实验点(X1,Y1)～(X11,Y11)绘在坐标图上，试说明实验点的分布规律。 4．将实验关联式的代表线: lg y n x C '=?+绘在坐标图上，试算出实验点与代表线的平均偏差。 注：建议用计算机Excel 完成上述实验曲线。

七、思考题 1．实验管径与准则方程式有什么关连？对于空气横掠单管强迫对流换热过程，你能在

教材或其他资料上找出Re 的大至范围吗？ 2．影响对流换热的主要因素是什么?

3．试分析空气横掠管束时的强迫对流换热系数？

图8-1 实验系统装置结构图 3--有机玻璃风道； 5--硅整流电源；

8--倾斜式微压计；

11--电位差计；温差热电偶。

实验6 蒸汽压缩制冷（热泵）装置性能实验

一、实验目的

1. 了解蒸汽压缩制冷（热泵）装置。学习运行操作的基本知识。

2. 测定制冷剂的制冷系数。掌握热工测量的基本技能。

3. 分析制冷剂的能量平衡。

二、实验任务

1. 测定水冷式单级蒸汽压缩制冷系统的制冷系数。

2. 了解壳管式换热器的性能，节流阀的调节方法和性能。

3. 了解热泵循环系统的流程和制热系数的概念。

三、实验设备及仪表

1. 水冷式氟利昂制冷装置，功率表，电压表，温度计，压力表，流量计，转速表等。

2. 两缸立式氟利昂制冷机、壳管式冷凝器、壳管式蒸发器、热力膨胀阀（节流阀）。

3. 图6-2为实验装置系统示意图。

图6-2 蒸汽压缩制冷实验装置示意图

四、数据整理和实验报告

1. 实验报告

2. 实验记录及数据整理在参考表6-1中。

3. 全班各组实验数据汇集后，画出ε-t o曲线。

4.结合课堂讲授的理论及实验内容，学生要提供自编的实验报告书。

5.. 学生要根据自己所进行的实验独立认真地撰写实验报告。要求字迹工整、数据准确、

观察现象的文字描述层次清晰并应结合理论教学中的知识对实验结果给出分析

价。

五、思考题

1.制冷系数与蒸发温度t o（冷凝温度t k）的关系？

2.实际制冷系数与理论制冷系数的比较？

3.如果利用冷凝器的放热量Q k，该制冷装置将成为热泵系统。可按下式计算热泵的

制热系数:

φ= Q k/N

按上式计算一组工况下的制热系数，如果用电加热提供热量，消耗的功率是多少？

试分析热泵的节能原理。

4.根据制冷原理请修改参考表6-1。

表6-1制冷装置性能试验记录

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