热能动力基础实验指导书

热能动力基础实验实验指导书能源与动力工程教研室编写适用专业热能与动力工程陕西理工学院机械工程学院2010年10月前言工程流体力学是力学的基本原理在液体和气体中实际应用的一门科学。

本课程融合国内外最新教材的特点，侧重于基础性和工程应用性。

主要介绍了流体静力学中流体静止或相对静止时流体内压力分布、压力测量、作用在平面和曲面上的静压力；流体运动学中流场、流线、速度分析、有旋与无旋流动、流函数、热函数和流网；流体动力学中不可压缩流体与可压缩流体的质量、能量和动量守恒定律，以及这些定律在管道内部和物体外部流动中的实际应用。

本课程可作为能源动力工程、建筑环境与设备工程、环境工程、机械工程、石油和化学工程、航空航天工程以及生物工程等专业和学生学习的专业基础课，还可以作为人事与流体流动相关的研究和应用的工程技术人员的参考资料。

在工程流体力学课程中，为了培养学生的动手能力、观察能力、分析问题能力和解决问题的能力，特此设置了两个专项实验，一是雷诺实验（常规实验），另一个是伯努力能量方程实验（综合实验）。

在雷诺实验中，主要让学生观察水流的流态，即层流和紊流现象，然后测定上、下临界雷诺数，最终使学生了解流态与雷诺数的关系。

在伯努力能量方程实验中，主要是观察流体流经能量实验管时的情况，并对实验中出现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解，并最终掌握测量流体流速的原理。

目录目录 (3)实验一综合传热性能实验 (4)实验二节流调速回路性能实验 (9)实验三雷诺实验 (16)实验四文丘里流量计实验 (19)实验五CO2临界状态观测及P-V-T关系测定实验 (22)实验六气体定压比热测定实验 (28)实验七液压泵性能实验 (34)实验一 综合传热性能实验实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的通过测定不同表面状态及气流条件下管道的综合传热系数，观察和分析影响传热的各种因素。

对传热过程有一个直观的了解。

二、实验设备仪器综合传热试验台、温度计、秒表。

三、实验原理传热过程是指高温流体通过固体壁面将热量传给低温流体的过程。

常见的传热过程是管道中的高温流体通过管壁将热量传给外界环境（空气作为低温流体）。

传热过程可以分为三个阶段，在第一阶段，热量由高温流体传给管内壁，包括辐射和对流（一般通过加大对流换热系数将辐射折算在对流中）；第二阶段，热量以导热方式从管内壁传给管外壁；第三阶段，热量由管外壁传给周围环境，包括辐射和对流。

在稳定传热情况下，可得到热流量为：(W) 121112112212112122121121ld d d In l l d t t A d d In l A t t Q παπλπααπλα++-=++-= 式中：21A A 、分别为管内、外侧的传热面积；21t t 、分别为高温流体和低温流体的温度；21d d 、分别为管内、外径；l 为管道的有效传热长度；λ为管子材料的导热系数；21αα、分别为内、外壁的对流传热系数。

对管外侧，令)()(212212t t l d K t t KA Q -=-=π由此可得以管外侧面积为基准的综合传热系数为)( 12122122112C).W/(m d d In d d d K ︒++=αλα将干饱和蒸汽通过一组试验铜管，管子在空气中散热而使蒸汽冷凝为水，由于铜管的外表状态及空气的流动情况不同，管子的凝水量也不同，通过单位时间内凝水量的多少，可计算每根管子的总传热系数K 。

试验装置由电热蒸汽发生器、一组表面状态不同的六根铜管（岩棉管、锯末管、镀铬管、光管、涂黑管、翅片管）、配汽管、可计量的冷凝水蓄水器及支架等组成。

电热蒸汽发生器的加热开关有六个，分别控制六个加热器。

蒸汽发生器带有弹簧微启式安全阀，以防蒸汽压力和温度过高而发生危险，另外蒸汽发生器还配有电接点压力表，也可以限制实验压力。

试验台可进行自然对流和强迫对流的传热实验。

强制通风时，配有一组可移动的风机，用它对管子吹风。

通过试验，可对各种影响传热的因素进行分析，从而建立起影响传热因素的初步认识和概念。

四、试验台参数试验铜管外径： d=0.025m铜管计算长度：自然对流时 l=0.65m强迫对流时 l=0.5m最大蒸汽压力（表压力）： 0.04MPa五、实验方法与步骤1.打开电热蒸汽发生器上的供气阀，然后从底部的给水阀门（兼排污）往蒸汽发生器的锅炉中加水，当水面达到水位计的三分之二高处时，关闭给水阀门。

2.按需要用螺丝扳手调定电接点压力表的限压范围，以控制饱和蒸汽的饱和压力，一般表压力小于0.05MPa 。

3.打开蒸汽发生器上的电加热器开关（手动、自动），指示灯亮，表明内部的电锅炉加热。

待电接点压力表达到调定压力时，电接点压力表动作，通过继电器使自动加热器断电。

此时，将手动电热器关闭，由电接点压力表控制继电器，使加热器在一定压力范围内进行加热，以保证实验所需的蒸汽量和饱和压力。

4.打开配汽管上所有阀门（或按试验需要打开其中几个阀门）和玻璃管蓄水器下方的放水阀。

然后打开供汽阀缓慢向被试管内送汽（送汽压力略高于试验压力），预热整个试验系统，并将系统内的空气排净。

5.待蓄水器下部的放水阀向外排出蒸汽一段时间后关闭全部放水阀，以排除在胶管内和配汽管中的凝水，直到全部冒出蒸汽时再关闭，保证进入试管中的为干饱和蒸汽，以确保试验精度。

6.按需要调节送汽压力，即开始试验。

为防止玻璃管蓄水器破坏，试验时的表压力一般取0.02~0.04 MPa ，最大不超过0.05 MPa 。

7.进行自然对流试验时，将蓄水器下部的放水阀全部关闭，注视蓄水器内水位变化，待水位上升至玻璃管蓄水器的“0”位时开始计时（若水位已超过“0”位，可打开蓄水器下部的放水阀放水，使水位刚好对准“0”位时开始计时），实验正式开始，等玻璃蓄水器中凝水位达到一定高度时，记下对应的冷凝时间和凝水量。

一般让各实验管冷凝相同高度的水量，而得到各试验管对应的冷凝时间。

注意：在试验过程中要观察水蒸气压力表的读数，使其压力基本保持在试验所需压力，若压力降低可打开手动加热器开关，增加水蒸气量，压力回升后及时关闭。

另外，要定时打开配气管底部的放水阀，排放在胶管内和配汽管中的凝水，保证进入试验管中的为干饱和蒸汽，以确保实验精度。

8.如果进行强迫对流实验，放掉积存在蓄水器及管路中的水，开动风机对被试验管进行强迫通风。

试验方法同上。

9.实验完毕，关闭电源，打开所有的放水阀、放汽阀，待蒸汽和水排净后再将所有阀门关闭，切断电源和水源。

六、实验数据的处理和综合传热系数的计算所有被试管均以基管（铜管）表面为准，则有传热面积为 )( 2m dl A π=传热量为 )(W Gr Q = 综合传热系数为 ))./(( 2C m W tA Q K ︒∆= 式中： d 为铜管外径，0.025m =dl 为被试管的长度，自然对流时，0.65l m =强迫对流时，m l 5.0=G 为凝结水量，)/( 601000s kg hg G s ⨯=τ r 为汽化潜热，根据试验表压力求得水蒸气的饱和压力，再查饱和蒸汽表，即可得到此压力所对应的汽化潜热值。

h 为玻璃管蓄水器的水位高度 （cm ）s g 为蓄水器的凝结水量系数，即每格（cm ）的凝结水质量 （g/ cm ）τ为试验管的冷凝时间 （min ）f s t t t -=∆s t 为试验压力（水蒸气饱和压力）所对应的饱和温度，同样可查饱和蒸汽表。

f t 为试验时的室内温度，可由温度计直接读数。

数据记录表七、思考题1.影响综合传热的因素有哪些？2.实验过程中产生的误差是由于什么原因造成的？如何避免？3. 对六根铜管的传热性能进行比较。

实验二节流调速回路性能实验实验学时：4实验类型：（综合）实验要求：（必修）一、实验目的节流调速回路是由定量泵、流量控制阀、压力控制阀和执行元件（液压缸）等组成，它通过改变流量控制阀阀口的开度，即通流截面积来调节和控制流入或流出执行元件的流量，以达到调节其工作速度。

节流调速回路按照其流量控制阀安装位置的不同，分为进油路节流调速、回油路节流调速和旁油路节流调速三种。

其中进油路节流调速、回油路节流调速称为定压式节流调速，旁油路节流调速为变压式节流调速。

每种回路中流量控制阀采用节流阀或调速阀时，其回路性能各有自己的特点。

通过本实验要求达到如下目的：1、通过对采用节流阀的三种节流调速（进、回、旁）回路的实验，得出它们的调速回路特性（速度—负载特性和效率—负载特性）曲线，并分析比较它们的调速性能；2、通过对采用节流阀和调速阀节流调速回路的对比实验，并分析比较它们的调速性能（速度—负载特性和效率—负载特性）；3、了解每种回路中流量控制阀通流截面积变化对回路调速性能影响的因素。

二、实验内容：1、测试节流阀进油路节流调速回路的调速性能2、测试节流阀回油路节流调速回路的调速性能3、测试节流阀旁油路节流调速回路的调速性能4、测试调速阀进油路节流调速回路的调速性能三、实验原理(参看图2-3 QCS003B 型液压实验台的液压系统原理图)由课堂教学已知，在节流阀进油路节流调速回路中，通过节流阀5的流量，全部进入液压缸17的无杆腔。

当节流阀5的节流口面积调定后，活塞运动速度是活塞杆上施加负载的函数。

负载越大，活塞杆运动越慢；在调速阀进油路节流调速回路中，通过调速阀4的流量，全部进入液压缸17的无杆腔，当调速阀4的节流口面积调定后，由调速阀的工作原理可知，负载对活塞运动速度影响很小。

负载变化，活塞杆运动速度几乎不变；在节流阀回油路节流调速回路中，液压缸17有杆腔排出的流量（注意有杆腔排出的流量比无杆腔进入的流量小），全部进入节流阀6，当节流阀6的节流口面积调定后，活塞运动速度是活塞杆上施加负载的函数。

负载越大，活塞杆运动越慢；在节流阀旁油路节流调速回路中，通过节流阀7的流量，直接回到油箱，其余的流量才进入液压缸17，因此，通过节流阀的流量越大，则液压缸的运动速度越慢。

当节流阀7的节流口面积调定后，活塞运动速度是活塞杆上施加负载的函数。

负载越大，活塞杆运动越慢。

本实验就是对不同的调速回路，将节流元件的节流口分别调定到不同开度，对不同的开度，改变施加到液压缸17上的负载，得出该调速回路的速度－负载特性。

并根据实验数据，画出速度－负载特性曲线和效率－负载特性曲线。

四、实验中的几个注意事项1、加载方法本次实验，采用液压缸对顶的方法给工作缸加载。

载荷大小是由加载系统中溢流阀9调节决定的。

2、开口大小的调节节流口大小的调节是该实验的一个重要环节，如果调节的不合适，调速系统就达不到调速的目的。

工作缸在无负载时，全部伸出需要的时间大约为2秒，要使系统工作在调速状态，在定压调速回路中，必须使溢流阀分流，以减少进入工作缸的流量。

因此可以通过不断的调节节流元件的开口度，然后测量工作缸无负载时的伸出时间，要保证该时间大于2秒，不同的开口度时间应明显不同；在变压式节流调速中，节流元件是分流元件，只有当节流元件的开口打开，才能够实现调速的目的。