工热实验指导书

实验四 气体定压比热的测定

本实验采用定流法测定空气的平均定压比热。即让气体流过量热器时被加热，有量热器测定其他的吸热量。实验中设计温度、压力、流量等基本量的测量，计算中用到比热及混合气体（湿空气）方面的基本知识。

一、 实验目的和要求

1.

了解气体比热测定装置的基本原理和构思； 2.

熟悉本实验中的温度、压力、热量、流量等测量方法； 3.

掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法； 4. 分析本实验产生误差的原因及减小误差的额可能途径。

二、 实验原理

气体的定压比热定义为

p p T

h C )(??= （1） 在没有对外界做功的气体的等压流动过程中，)(1p dQ m

dh = 则气体的定压比热可表示为p p T

Q m C )(1??= （2） 当气体在此等压过程中由温度t 1加热到温度t 2时，气体在此温度范围内的平均定压比热值可以由下式确定： )/()(1221C kg kJ t t m Q C p t t pm ??-= ( 3 ) 式中m ——气体的质量流量，kg/s Q P ——气体在等压流动过程中的吸热量，KJ/s 大气是含有水蒸气的湿空气，当湿空气气流由温度t 1加热到温度t 2时其中水蒸气的吸热量可用下式计算：

?+=21)0004886.0844.1(dt t m Q w m

s kJ t t t t m w /)](0002443.0)(844.1[212212-+-= （4）

式中m w ——为气流中水蒸气质量流量，kg/s ，于是，干空气的平均定压比热由下式确定： C kg kJ t t m Q Q t t m Q C w

p p t t pm ?--=-=/)()(121221 （5）

式中Qp 1

——为湿空气气流的吸热量（近似为电热器放热量）KJ/s

三、 试验装置

装置由风机、湿式流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成（如图一） 比热仪主体（如图二）由多层杜瓦瓶1、电热器2、均流网3、绝热垫4、旋流片5、混流网

6、出口温度计7组成。

实验时，被测空气（也可以使其他气体）由风机1经流量计2送入比热仪主体3，经加热、均流、旋流、混流后流出。在此过程中，分别测定：气体在流量计出口处的干、湿球温度（to 、tw ）；气体流经比热仪主体的进出口温度（t 1、t 2）；气体的体积流量V~；电热器的输入功率W ，以及实验时相对应的大气压B 和流量计出口处的表压△h 。有了这些数据，并查用相应的物性参数，即可计算出被测气体的定压比热Cpm.

四、 试验方法与数据整理

1. 接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。

2. 电加热器不投入工作，摘下流量计出去橡皮管，开动风机，测量流量计出口的干、湿球温度to 、tw 。

3．接上流量计出口橡皮管，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。逐渐提高电热器功率。使出口温度升高至予计温度。

4．待出口温度稳定后，读出下列数据：

流量计每通过V ’[m3]（例如：0.01m3）所需时间[t, 秒]；比热仪进口温度[t1, ℃]；当时相应的大气压[B, 毫米汞柱]；电热器的输入功率[W, 瓦]。

5．根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，由湿球温度的焓—湿图确定含湿量[d, 克/kg 干空气]，并根据下式计算出水蒸汽的容积成分YW 。

622/1622/d d w r += （6）

于是气流中水蒸汽的分压力为：

062

.75010)595.13(5

??+=h B r P w w N/m 2 （7） 水蒸汽的质量流量计算如下：

v

w w w T R V P m )/('τ= kg/s （8） 式中RW=461.5 J/(kg ·K)

水蒸汽的吸热量QW 按（4）式计算。

6．干空气的分压力为：

062

.75010)595.13)(1(5

??+-=h B r p w N/m 2 （9） 干空气的质量流量为：0

')/(RT V p m τ= kg/s （10） 式中R=287 J/(kg ·k)

7．根据电热器消耗的电功率可算得电热器单位时间放出的热量：

1000

VI Q p = kJ/s （11） 干空气的定压比热CPM 按（5）式计算。

8．比热随温度的变化关系

在离开室温不很远的温度范围内，空气的定压比热与温度的关系可近似认为是线性的，即 可近似表示为：

bt a C p += （12）

由t1加热到t2的平均定压比热则表示为：

2

)(21122121t t b a t t dt bt a C t t pm ++=-+=? （13） 因此，用作图法或最小二乘法，可根据不同温度范围内的平均比热确定常数a 和b 值，从而得出比热随温度变化的计算式。

五．注意事项：

1．切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪主体；

2．输入电热器的电压不得超过220伏。气体出口温度不得超过300℃；

3．加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪主体因温度骤升骤降而破裂；

4．停止试验时，应先切断电热器，让风机继续运行十五分钟左右。

实验三 低沸点流体临界状态及P-V-T 关系的观测

一、 实验目的

1. 理解流体临界状态的观测方法。增加对临界状态的感性认识；

2. 加深对课堂所讲授的工质的热力学状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解；

3. 掌握流体的P-V-T 关系的测定方法，学会用实验测定实际流体状态变化规律的方法和技巧；

4.学会压力计、恒温水浴等热工仪器的正确使用方法。

二、实验内容

1.利用定容法P-V-T实验台测定一种低沸点流体，在低于临界点温度tc时，饱和温度与饱和压力之间的对应关系（Ps-ts图）并与给定数值进行比较。（见表1）

2.观测临界状态

(1)临界乳光

(2)临界状态附近汽液两相模糊现象

(3)应用低压下饱和液体P-V-T数据推算临界参数。

三、试验设备与原理

1.整个试验装置由压力台（包括手动压缩泵、数显压差计、薄膜压力计）、恒温器和

试验块组成，如图1 所示。

2.实验原理

对于简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数P，V，T之间有如下关系：F(P，V，T)=0

本试验是采用定容法测定饱和状态下温度和压力关系，其原理是：流体的汽液共存压力、温度和流体的密度无关，在保持平衡密度不变时测得饱和压力与饱和温度。

观测临界状态是在试验容器内充入密度接近流体临界密度的工质，通过调节试验块上的螺杆体积调节器使其达到理解密度，随着温度升高，界面变宽变模糊并伴随有乳光现象发生最后在临界温度下界面完全消失。

四、操作步骤

1.饱和温度与饱和压力的测定

(1)将标准压力台上油针阀（5）打开，转动手轮（8）吸油到行程1/2处，关闭油针阀

（5）；

(2)关闭平衡筒阀门（6），将三通（1）打开向系统充氮气准备（此时转向发（2）应在

连通位置）；

(3)将恒温水槽加热到测量的预定温度后将针阀（4）打开放入恒温水槽内（针阀（3）

不能动，只在充工质时使用）；

(4)打开氮气瓶上阀门（9），按动控制盒前面板表的电磁阀按钮，向系统充氮气流入量

与试验块充注的工质物性表中温度所对应的压力来定，当前面表信号灯亮的时候，停止向系统充入氮气，转动三通阀向空气放氮气到信号灯熄灭时，关闭三通阀。

(5)将转向阀（2）关闭，调节手轮（8）向内加压至信号灯亮，重复调节手轮让信号灯

处在亮与不亮之中；

(6)此时，数据表可读出系统与工质压力差值，将标准压力表读数加上数显表的压差代

数和，即工质所对应的温度与压力的关系；

(7)调节恒温水槽的温度，重复以上步骤可得到一组t-p关系数值。

2.临界现象观测

（1）通过调节实验块上的螺杆体积调节器使其达到临界密度（已调好切勿动）；

（2）继续增加恒温水槽的温度，注意实验块界而变宽，变模糊而伴随有乳光现象发生；

（3）记录此时的温度和压力

3.整理实验装置

（1）实验结束后，先将实验块从恒温水槽中取出，关闭针阀（4），关闭恒温水槽，将系统转向阀（2），转向连通位置，转动三通阀（1）排气至压力为零，转动手

轮（8），吸油并缓慢打开油针阀（5）至针阀全部打开，将手轮（8）向内将油

压入杯中即可；

（2）关闭电源开关，断电；关闭氮气瓶门（9）。

4.做好实验记录

（1）设备数据记录：仪器、仪表的名称、型号、规格、量程、精度。

（2）常规数据记录：室温、大气压、实验环境情况等。

（3）实验块容积和工质充灌量

（4）原始记录（自行设计表格）

五、实验报告

1.简述实验原理和过程；

2.各种数据的原始记录；

3.数据整理和实验现象说明；

4.对涉及实验中的问题进行分析讨论并对本实验提出改进意见。

六、思考题

1.按工作原理来分测量工质P-V-T有几种方法？

2.试验块的位置对压力值的确定有无影响，为什么？

3.确定实验工质压力为什么用显表压力度数与标准压力表读数代表和表示？

4. 分析有哪些因素带来测量误差？

* 带“*”号部分不做强硬要求，有兴趣的同学可参考童景山，高光华等“应用低压下饱和液体P-V-T 数据推算临界参数”，工程热物理学报，VOL.15 No.4 1994

实验六 压气机的性能实验

一、 实验目的

1． 掌握用微机检测指示功，指示功率，压缩指数和容积效率等基本操作测试方法；

2． 对微机采集数据和数据处理的全过程和方法有所了解；

3． 掌握用面积仪测量不同示功图的面积，并计算指示功，指示功率，压缩指数和容积效率。

二、 实验装置及测量系统

本实验装置主要由压气机以及配套的测试系统所组成。测试系统包括压力传感器，SYF —Ⅱ应变放大器、磁感、端子板、A/D 板、微机等组成。详见实验装置接线图。（图一）

压气机的型号：Z-0.03/7

气缸直径：D=50mm 活塞行程：L=20mm

连杆长度：H=70mm 转速n=1400转/分。

为获得反映压气机性能的示功图，在压气机气缸上安装了一个应变式压力传感器，供实验时输出气缸的瞬态压力信号，该信号经整流以后送到动态应变仪放大；

图一

对应着活塞上止点的位置，在飞轮外例贴着一块磁条，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，已达到压力和曲柄转角信号的同步。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，然后送到计算机，经计算机处理便得到了压气机工作过程中的有关数据及展开示功图和封闭的示功图。

图2-2 图2-3

三、 实验原理

1． 指示功和指示功率

指示功——压气机进行一个工作过程，压气机所消耗的功Wc ，显然其值就是P-V 图上工作过程线cdijc 所包围的面积Wc=φPVdV

52110-???=K K S W c kgf-m （1） 式中：

S ——测面仪测量的P-V 图上工作过程线所围面积（mm2）

K1——单位长度代表的容积（mm3/mm ）

gb LD K 42

1π= （2）

D —气缸直径（mm ）

L —活塞行程（mm ）

gb —活塞行程的线段长度（mm ）

K2—单位长度代表的压力（at/mm ）

fe P K /22= （3） P2—压气机排气时的表压力（at ）

fe —表压力在纵坐标上对应的高度（mm ）

P —指示功率。即：单位时间内压气机所消耗的功。

P=N ·Wc/102×60（KW ）

N —转数（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。即多变指数n 的范围为1＜n ＜k 。因为多变过程的技术功是过程功的n 倍，所以n 等于P-V 图上压缩过程线与纵坐标轴围成的面积同压缩过程线与横坐标轴围成的面积之比，即：

围成的面积

由围成的面积由cdabc cdefc n = （4） 3．容积效率（ηv ） 由容积效率的定义得：活塞位移容积

有效吸气容积=v η （5） 在P-V 图上，有效吸气过程线段长度与活塞行程线段长度之比等于容积效率即： gb

hb v =η （6） 四、实验内容：

1．用微机将指示功、指示功率、多变指数、容积效率等参数记下；

2．用打印机打出示功图，供人工计算用；

3．人工计算：

①用测面仪测量示功图的面积cdijc和线段gb纱与fb的长度。人工计算指示功、指示功率；

②分别测量压缩过程线与横坐标轴包围的面积cdabc及压缩过程线与纵坐标轴包围的面积cdefc求多变指数n；

③用尺子量出反映有效吸气线段hb的长度和反映活塞行程线段gb的长度，求出容积效率。

五、实验报告内容：

1．简要实验目的，实验原理；

2．测量并计算出指示功和指示功率；

3．求出平均多变压缩指数；

4．求出容积效率；

5．分析压气机增压比的改变将对容积效率有何影响。

六、思考题

1．活塞式压气机工作时，其压缩指数变化范围是多少？什么情况下耗功最省？

2．试由所测示功图分析该压气机工作是否正常？

附：面积仪的使用

面积仪是一种测量平均封闭图形面积的工具，我们根据计算机处理得到的活塞式压气机的封闭示功图，再利用面积仪计算压气机的指示功，平均压缩指数等。

面积仪的结构如附图示。它由描臂1、极臂2和滑架3等部件组成。极臂一端有垂块4，下部有极针5，（用于固定测面仪的位置），另一端用活动铰支点6与滑架连接。描臂的一端有描针7。测量示功图面积时，描针要沿示功图曲线顺时针方向移动。滑架可在描臂上移动，用于调节描臂长度，使其与待测面积的比例尺相适应。滑架上有测轮8，记录轮9和游标10。测轮和记录轮之间用蜗轮蜗杆传动。

当描针沿被测面积的移动一圈后，就可以直接从测轮的计算机构上读出所测面积的数值。

面积仪读数：测轮转一周记录轮转一格。测轮分为10大格，每大格又分10小格。游标上亦有10格，这10格的总长度与测轮的9小格长度相等。利用这套计算机构可读出四位数字。三者的读数关系如下：

游标上一格相当于10mm2

测轮上小格相当于100mm2

测轮上一大格相当于1000mm2

记录轮上一大格相当于10000mm2

面积仪的使用方法：

1．将待测示功图固定在平整的图板上；

2．根据图形的大小，移动骨架调节描臂长度。以选取适当的比例（对示功图通常取1：1，此时描臂长34cm）；

3．把极针固定在适当位置，装好面积仪，先用描针粗略地沿所测面积的边缘移动一周，以检查比例是否合适，测轮转动是否灵活；

4．在所测示功图边缘上，任选一点作为起点，将描针移至起点，将面积仪上的游标、测轮、记录轮都调整至“0”处，再将描针准确地按图形边缘顺时针方向移动一周，

回到起点，此时面积仪上的显示的读数乘上面积常数：（一般取比例1：1时，面积

常数为1）就可得到示功图的面积。为了使读数准确，通常应测2—3次，取平均值。

5．面积仪为较精密的仪器，使用时应轻拿轻放，切不可碰撞。

附图

附：实验步骤

1．按图连接线路。

2．标定。

a．打开动态应变放大器，调节电桥平衡电阻，使放大器的输出为0，（表头指针指向零刻度）。b．打开压气机电源，使压气机工作，调节压气机的截流阀使压气机的表压为三个大气压，调节动态应变器的放大倍数（增益）使其输出电压为2V，并保持不变。

3．计算机采样。

a．打开计算机进入Windows系统，运行BB·EXE文件。

b．选择“采样”项菜单，按下start按钮，开始对压力与位移信号采样。屏幕一显示压气机工作时的展开示功图和脉冲图。如果脉冲信号接反或较小，对话框讲题是“没有采集到位移信号”此时须用示波器检测波形及大小。校正后重复上述过程。在展开图中选择一个较好的波形，按下STOP按钮，可得到展开的P-V图曲线。再按下V按钮，可得到压气机每分钟的转速。

4．参数计算

a．多变指数计算：

当选择Calcalation菜单时，进入EXP（多变指数）对话框，按下OK键可以得到封闭示功图，同时显示功率值P，在压气机压缩过程线终点附近选定一点对应坐标值即为压力、容积值P2,V2再按下P2V2的滚动条。使P2与V2与送定值相同，即提供该工况下的实际参数共计算，按下EXP得到压缩过程的平均多变指数。

b.容积效率的计算：

选择菜单同上，进入V-E （容积效率）对话框，按FOK 键，当封闭示功图出现后，按下V 1,V 2的滚动条（其中V 2为活塞的排量位移，V1为活塞的有效吸气位移）选定V 1,V 2实际测量值，按V-E 键，即得出容积效率值。

c.曲线的存盘与打印：

曲线的文件的扩展名为YGJ ，选择相应的菜单可以对P-V 展开示功图及封闭的示功图存盘打印。

存盘后的文件可供随时调用显示。

实验五 综合实验指导书

一、实验目的

1. 了解蒸汽压缩式制冷装置是如何实现热量从低温向高温传递。

2. 掌握循环中某些参数的变化对系统性能影响的规律。

3. 掌握温度、压力及流量测量的方法和有关热工仪器的正常使用。

二、实验内容

1. 测定循环中蒸发器及冷凝器的进、出口温度和压力，根据冷凝压力和蒸发压力将循

环表示在lgp-h 图上。

2. 在lgp-h 图上确定进出压缩机、冷凝器及蒸发器的状态点，并查处各状态点的焓值。

3. 计算单位质量压缩机的耗功、制冷量和冷凝器的热负荷，并计算系统的COP 值。

4. 通过调节节流阀的开度以改变循环参数，重复以上1，2，3的内容，并比较计算结

果，找出影响循环性能的参数及其影响规律。

三、实验原理

蒸汽压缩式制冷循环由四个部分组成，即压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。根据热力学第一定律，

单位质量的压缩机耗功：w 0=h 2-h 1

单位制冷的蒸发器吸热量：q 2=h 1-h 5

单位质量的冷凝器放热量：q 1=h 2-h 4 制冷系数：20

q w ε==收获消耗 根据卡诺定理，提高蒸发温度或降低冷凝温度可以提高循环的制冷系数。

四、实验设备

实验设备由实验本体、测控系统、数据采集系统组成。

1.实验本体由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、热力膨胀阀、视液镜、蒸发器

以及冷凝器水箱、水泵、低温箱、电加热器等组成。系统原理图见附图1.

2.测控系统压力传感器、温度传感器、流量传感器组成。

3.数据采集系统

五、实验步骤

（一）实验步骤：

1.将电源接好。

2.将蒸发器溶液箱体充满液体（水或乙二醇）。

3.将冷凝器水箱接通循环水。（可直排式或辅助冷却循环方式）。

4.选择节流方式（毛细管或热力膨胀阀）。将所选的节流方式的两端阀门打开，而未

选的阀门关闭。

5.开启电源开关。

6.开启循环水泵。

7.开启压缩机冷却风扇。

8.当冷凝器水泵循环正常后，开启压缩机。

（二）做好实验原始记录

1.设备的数据记录，仪器、仪表的名称、型号、规格、型号、量程、精度等。

2.常规数据记录

3.实验技术数据和观察的想象

六、注意事项

11基本操作

本实验装置具有手动和自动两种基本操作。手动操作通过实验台上的控制面板完成实验设备的开关控制和手动调节，一般在实验调试阶段或实验初期使用。自动操作通过微机系统完成实验体统的信号测量（包括：温度、压力等）、设备的开关控制及参数的连续调节。

12安全操作规程

系统启动顺序：开“水泵”、开“压缩机风机”、开“压缩机”。

系统关闭顺序：关“压缩机”、关“压缩机风机”、关“水泵”。

13报警保护

系统具有“低温槽”温度上下限保护。当低温槽温度高于上限值（或低于下限值）时关闭压缩机。

系统具有“压缩机”超温超压保护。当压缩机出口温度（工质）高于极限温度时关闭压缩机；同样当压缩机出口压力高于极限压力时关闭压缩机。

14其他注意事项

①监测系统吸排气压力，排气压力过高将损害压缩机。

②控制蒸发器最低压力，确保蒸发器不结冻。

③确保系统电力供应稳定。

④确保冷凝水箱有循环水。

七、实验数据记录

（1）设备数据记录

仪器仪表的名称、型号、规格、量程及精度。

（2）常规数据记录

室温、大气压力、实验环境情况等。

（3）原始数据记录（自行设计表格）

八、实验报告内容

1.简述实验原理和过程；

2.各种数据的原始记录；

3.数据整理；

4.对实验中出现的问题进行分析和讨论，并对本实验提出改进意见。

九、思考题

1.影响制冷系数的因素有哪些？

2.实验装置的循环与逆卡诺循环有什么差异？

3.蒸汽压缩制冷循环中对制冷剂有何要求？常用的制冷剂有哪几种？

实验二湿空气的参数测定

一、实验目的：

1.巩固课堂讲授的有关湿空气的基本概念和基本理论；

2.掌握湿空气的各种参数测定的原理、方法及有关仪器的正常使用。

二、实验内容：

1.用于湿球温度计或通讯干湿表测定湿空气的各种状态参数；

2.用露点温度计测定湿空气的各种状态参数；

3.用毛发湿度计和温度计测定湿空气的各种状态参数。

三、实验原理：

在湿空气的H-d图上有许多定值线和等温线、等相对湿度线、等线和湿空气中水蒸气分压力线等只要能准确湿空气的二个状态参数就可以确定其状态点，因此过该点的各特定参数值即为湿空气的各种参数值。

据此，干湿球温度计和通风干湿表是通过实验测定湿空气的干球温度t dry和湿球温度t wet；露点温度计是通过实验测定湿空气的露点和干球温度。

毛发湿度计是通过实验测定湿空气的相对湿度再通过一支温度计测定空气的干球温度。

四、实验步骤：

(一)干湿球温度计和通风干湿表

1.将仪器挂好，并用蒸馏水润湿纱布，冬季30分钟，夏季15分钟，夏季15分钟后湿球温度稳定下来即可开始测量；

2.对湿球温度计可直接读数；对通风干湿表则须上紧发条（或接通电源）通风器转动分钟后再进行读数，并做记录。

(1)常规数据记录：a. 环境状况 b. 试验条件

(2)实验数据记录：见附表

3.敬爱那个仪器取下擦净放回原处

(二)湿度计

1.理解仪器电旋钮位置与作用；

预热——仪器接通电源侧头被预热

空气——电表上显示出湿空气干球温度

湿度——仪表上显示相对湿度

断——电源断开

2.通电钱调好电表的机械零点

3.将从干燥器内取出的露点侧头插入仪器后部的“露点”插壁内；

4.将旋钮放在“预热”位置约15-30分钟再旋至露点位置即可读数；

5.将空气温度测头插入仪器后部的空气插座内将旋钮至“空气干球温度”

6.记录试验数据和实测数据于表F

7.切断电源：将旋钮至“断”的位置

(三)毛发湿度计

1.待调整好的毛发湿度计稳定后，测取湿空气的相对湿度值；

2.测取湿空气的温度；

3.整理好仪器

五、实验报告内容：

1.简述测定湿空气的各种状态参数的原理方法；

2.各种实验仪器的型号规格数据表格；

3.整理实验数据，并对不同的方法测定湿空气的状态参数值进行比较分析

4.表述试验收获及对实验的改进意见

六、思考题：

2.说明Tdry Twet Tdews 的关系及每项的物理意义？

3.为什么说通风干湿表的测量精度比干湿球温度计高？

4.由试验测得的湿空气的干球温度Tdry露点温度Tdews后如何确定湿空气的湿球温度Twet含湿量d水蒸气分压力P CP及湿空气中水蒸气的饱和压力P S和饱和含湿量？

参考资料：

(1)《工程热力学》邱信立等编P158-P168

(2)干湿球温度计使用说明书

(3)通风干湿表使用说明书

(4)毛发湿度计使用说明书

(5)参本院编《工程热力学实验指导书》P16