工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、重慶科技學(xué)院工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書熱能與動(dòng)力工程教學(xué)示范中心二八年九月實(shí)驗(yàn)一氣體定壓比熱容測定實(shí)驗(yàn) 1實(shí)驗(yàn)二二氧化碳p-v-t關(guān)系測定實(shí)驗(yàn) 8實(shí)驗(yàn)三飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn) 15實(shí)驗(yàn)四噴管實(shí)驗(yàn). 18實(shí)驗(yàn)一氣體定壓比熱容測定實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解氣體比熱測定裝置的基本原理和構(gòu)思。2熟悉本實(shí)驗(yàn)中測溫、測壓、測熱、測流量的方 法。3. 掌握由基本數(shù)據(jù)計(jì)算出比熱值和比熱公式的方 法。4. 分析本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因及減小誤差的可能 途徑。、實(shí)驗(yàn)原理引用熱力學(xué)第一定律解析式，對可逆過程有：(1)(2)dq = du pdv 禾廿 dq =dh _vdp定壓時(shí)dp = idq dh vdp 1 ( ch c

2、 p = j i = i = Ip IdT 丿 i dT 丿 &T 丿p此式直接由Cp的定義導(dǎo)出，故適用于一切工質(zhì)。在沒有對外界作功的氣體的等壓流動(dòng)過程中:dh則氣體的定壓比熱容可以表示為:Cpt2t1Qpmt2 _tl kJ/kg ?C式中：m 氣體的質(zhì)量流量，kg/s ；由于氣體的實(shí)際定壓比熱是隨溫度的升高而增大，它是溫度的復(fù)雜函數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，理 想氣體的比熱與溫度之間的函數(shù)關(guān)系甚為復(fù)雜，但總可表達(dá)為:2(5)Cp 二 a bt et式中a、b、e等是與氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。例如空氣的定壓比熱容的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式:Cp =1.02319 -1.76019 10 T 4.02402 10T2 -4.

3、87268 10一1仃3式中：T 絕對溫度，K。該式適用于250600K,平均偏差為0.03%，最大偏差為0.28%。由于比熱隨溫度的升高而增大，所以在給出比熱的數(shù)值時(shí)，必須同時(shí)指明是那個(gè)溫度下的比熱。根據(jù)定壓比熱的定義，氣體在t C時(shí)的定壓比熱等于氣體自溫度t升高到t dt時(shí)所需熱量dq除以dt，即:cpdqdt當(dāng)溫度間隔dt為無限小時(shí),即為某一溫度t時(shí)氣體的真實(shí)比熱。如果已得出C = f t的2Cpdt =2彳 a btdt用逐項(xiàng)積分來求熱量十分繁復(fù)。但在離開室溫不很遠(yuǎn)的溫度范圍內(nèi)，空氣的定壓比熱容與溫度的關(guān)系可近似認(rèn)為是線形的，即可近似表示為:Cp = a bt(6)則溫度由t1至t2的

4、過程中所需要的熱量可表示為:t2q = a bt dtt1(7)由t1加熱到t2的平均定壓比熱容則可表示為:Cpt2t1t2t a bt dtttt1X12a bt2 一 12大氣是含有水蒸氣的濕空氣。當(dāng)濕空氣氣流由溫度 匕加熱到t2時(shí)，其中水蒸氣的吸熱量函數(shù)關(guān)系，溫度由t1至t2的過程中所需要的熱量即可按下式求得:可用式（8）計(jì)算，其中a /.833 , b =0.0003111，則水蒸氣的吸熱量為:t2Qw =mw1.833 0.0003111tdtmw1.833t2 1 )+0.0001556t22 -tj j kj/s式中：mw 氣流中水蒸氣質(zhì)量,kg/s。則干空氣的平均定壓比熱容由下

5、式確定:t2 pm 対Qp(m mw) t2 -鮎(m mw) t? -鮎(10)式中：Qp為濕空氣氣流的吸熱量。儀器中加熱氣流的熱量（例如用電加熱器加熱），不可避免地因熱輻射而有一部分散失于環(huán)境。這項(xiàng)散熱量的大小 決定于儀器的溫度狀況。只要加熱器的溫度狀況相同，散熱量也相同。因此，在保持氣流加熱前的溫度仍為t1和加熱后溫度仍為t2的條件下，當(dāng)采用不同的質(zhì)量流量和加熱量進(jìn)行 重復(fù)測定時(shí)，每次的散熱量當(dāng)是一樣的。于是，可在測定結(jié)果中消除這項(xiàng)散熱量的影響。設(shè)兩次測定時(shí)的氣體質(zhì)量流量分別為 B和口2，加熱器的加熱量分別為 Q1和Q2，輻射散熱量為 Q，則達(dá)到穩(wěn)定狀況后可以得到如下的熱 平衡關(guān)系Q1

6、=Qp1 Qm ：Q =（m1 mwJCpm t?Qw c與理論計(jì)算值一并填入表2，并分析它們之間的差異及其原因。表2臨界比容Vcm3/Kg標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)驗(yàn)值Vc=RTc/PcVc=3/8RT/Pc0.00216實(shí)驗(yàn)三 飽和蒸汽壓力和溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn) 、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1通過觀察飽和蒸汽壓力和溫度變化的關(guān)系， 加深 對飽和狀態(tài)的理解。2 通過對實(shí)驗(yàn)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(xué)會(huì)溫度計(jì)、 壓力表、調(diào)壓器和大氣壓力計(jì)等儀 表的使用方法。4能觀察到小容積和金屬表面很光滑 （汽化核心很 ?。┑娘枒B(tài)沸騰現(xiàn)象。、實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖3-1實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡圖1、排氣閥 2、可視玻璃及蒸汽發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)方法與步驟

7、1. 熟悉實(shí)驗(yàn)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。3. 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值時(shí)，將電流降低 0.6安培左右保溫，待工況穩(wěn)定后迅 速記錄下水蒸氣的壓力和溫度。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，在01.0Ma （表壓）范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)不少于6次，且實(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)盡量分布均勻。4. 實(shí)驗(yàn)完畢后，將調(diào)壓指針旋回零位，并斷開電源。5. 記錄室溫和大氣壓力。四、數(shù)據(jù)記錄和整理1 記錄和計(jì)算實(shí) 驗(yàn) 次 數(shù)飽和壓力Ma飽和溫度C 誤差備注壓力 表讀 值P大氣壓力B絕對壓力P=P +B溫度計(jì)讀值t 理論值tt =t -tC 牛 X 100% %1234562

8、繪制P t關(guān)系曲線如圖3-2，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)在坐標(biāo)上，清除偏離點(diǎn)，繪制曲線。溫七度Cpnn111一160）5：133110Wtl/90/訶口1卩壓力（絕）MaI 1.:,尸:.? c. -n.：.:d s 圖3-2飽和水蒸氣壓力和溫度的關(guān)系曲線3. 總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式將實(shí)驗(yàn)曲線繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，則基本呈一直線，故飽和水蒸氣壓力和溫度的關(guān)系可近似整理成下列經(jīng)驗(yàn)公式：t =1004 P溫 度 CcOi -l.：i -LOO丄宀壓力(絕)Ma1203 CM 35 C.5 C.7 C3C51.C圖3-3飽和水蒸氣壓力和溫度的關(guān)系對數(shù)坐標(biāo)曲線4. 誤差分析通過比較發(fā)現(xiàn)測量比標(biāo)準(zhǔn)值低 1%左右，引起誤差的原因

9、可能有以下幾個(gè)方面:(1) 讀數(shù)誤差。(2) 測量儀表精度引起的誤差。(3) 利用測量管測溫所引起的誤差。五、注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)裝置通電后必須有專人看管。2. 實(shí)驗(yàn)裝置使用壓力為 1.0Ma (表壓)，切不可超壓操作。實(shí)驗(yàn)四噴管實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 驗(yàn)證并進(jìn)一步加深對噴管內(nèi)氣流基本規(guī)律的理解，牢固樹立臨界壓力、臨界流速和 最大流量等噴管臨界參數(shù)的概念。2掌握氣流在噴管中流速、流量、壓力變化的規(guī)律及測試方法。、實(shí)驗(yàn)原理1噴管中氣流的基本規(guī)律(1) 由能量方程可得：-：dp = cdc(1)可見，當(dāng)氣體流經(jīng)噴管速度增加時(shí)，壓力必然下降(2) 由連續(xù)性方程及過程方程得:dAA=(M 2-1)空c顯然，當(dāng)來流

10、速度 M叮時(shí)，噴管應(yīng)為漸縮型(dAZ)；當(dāng)來流速度M1時(shí)，噴管應(yīng)為漸擴(kuò)型(dA 0)(3) 當(dāng)漸縮噴管出口處氣流速度達(dá)到音速，或縮放噴管喉部氣m max流速度達(dá)到音速時(shí)，通過噴管的氣體流量便達(dá)到了最大值( 或稱為臨界流量?？捎上率酱_定：mmax122k2 尸 P1k +1lk+1 丿V1式中：Amin 最小截面積（對于漸縮噴管即為出口處的流道截面積；對于縮放噴管即為喉部處的流道截面積。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的噴管最小截面積為：12.56 mm2）。2氣體在不同類型噴管中的流動(dòng)（1）漸縮噴管漸縮噴管因受幾何條件（dA * ）的限制，由式（2）可知：氣體流速只能等于或低于音 速（C ）；出口截面的壓力只能高于或

11、等于臨界壓力（ P2 - Pc）；通過噴管的流量只 能等于或小于最大流量（ mmax ）。根 據(jù)不同的背壓（Pb ）,漸縮噴管可分為三種工況，如圖4-1所示：圖4-1漸縮噴管壓力分布曲線及流量曲線A亞臨界工況（PbPc ），此時(shí)mmmaxP PbPcB臨界工況（Pb = Pc ），此時(shí)m=mmaxP2 二 Pb 二 PcC超臨界工況（Pb * Pc ），此時(shí)m= m maxP2 二 PcPb（2）縮放噴管縮放管的喉部dA =0，因此氣流可以達(dá)到音速（ C =a）；擴(kuò)大段（dA ），出口截面的流速可超音速（C a）,其壓力可大于臨界壓力（P2 ” Pc ），但因喉部幾何尺寸的限制，其流量的最大值

12、仍為最大流量（ mmax ），氣流在擴(kuò)大段能做完全膨脹，這時(shí)出口截面出的壓力成為設(shè)計(jì)壓力（Pd）o縮放噴管隨工作背壓不同，亦可分為三種情況，見圖4-2 :A被壓等于設(shè)計(jì)被壓（出口截面的壓力與被壓相等（Pb = Pd ）時(shí)，稱為設(shè)計(jì)工況。此時(shí)氣流在噴管中能完全膨脹,P2二Pb = Pd ），見圖五中的曲線Ao在噴管喉部，壓力達(dá)到 臨界壓力，速度達(dá)到音速。在擴(kuò)大段轉(zhuǎn)入超音速流動(dòng)，流量達(dá)到最大流量。B被壓低于設(shè)計(jì)被壓（Pb :：: Pd ）時(shí)，氣流在噴管內(nèi)仍按曲線 A那樣膨脹到設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)氣流一離開出口截面便與周圍介質(zhì)匯合，其壓力立即降至實(shí)際被壓值，如圖五曲線B所示,流量仍為最大流量。C被壓高于設(shè)計(jì)

13、被壓（Pb Pd ）時(shí)，氣流在噴管內(nèi)膨脹過渡，其壓力低于被壓，以至于氣流在未達(dá)到出口截面處便被壓縮，導(dǎo)致壓力突然升躍（即產(chǎn)生激波），在出口截面處，其壓力達(dá)到被壓。如圖五中的曲線C所示。激波產(chǎn)生的位置隨著背壓的升高而向噴管入口方向移動(dòng)，激波在未達(dá)到喉部之前，其喉部的壓力仍保持臨界壓力，流量仍為最大流量。 當(dāng)背壓升高到某一值時(shí)，將脫離臨界狀態(tài)，縮放管便與文丘里管的特性相同了，其流量低于最大流量。三、實(shí)驗(yàn)裝置整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)、真空泵。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由進(jìn)氣管、孔板流量計(jì)、噴管、測壓探針真空表及其移動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、真空罐 等幾部分組成，見圖4 3。11圖4-3噴管實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成簡圖1.進(jìn)氣管2.空氣吸氣口 3

14、.孔板流量計(jì)4. U形管壓差計(jì)5.噴管6.三輪支架7.測壓探壓針8.可移動(dòng)真空表9.手輪螺桿機(jī)構(gòu)10.背壓真空表11.背壓用調(diào)節(jié)閥12.真空罐13.軟管接頭四、操作步驟1 裝上所需的噴管，調(diào)好“位移坐標(biāo)板”的基準(zhǔn)位置。2打開罐前的調(diào)節(jié)閥，將真空泵的飛輪盤車一至二圈。一切正常后，全開罐后調(diào)節(jié)閥， 打開冷卻水閥門。而后啟動(dòng)真空泵。3. 測量軸向壓力分布：(1) 用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)背壓至一定值(見真空表讀數(shù))，并記錄下該值。(2) 啟動(dòng)位移轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)，使測壓探針向出口方向移動(dòng)。每移動(dòng)一定距離(一般約2-3mm)便停頓下來，記錄該點(diǎn)的坐標(biāo)位置及相應(yīng)的壓力值，一直測至噴管出口之外。 把各個(gè)點(diǎn)描繪到坐標(biāo)紙上，

15、便得到一條在這一背壓下噴管的壓力分布曲線。(3) 若要做若干條壓力分布曲線，只要改變其背壓值并重復(fù)(1 )、( 2)步驟即可。4. 流量曲線的測繪(1) 把測壓探針的引壓孔移至出口截面之外，打開罐后調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉罐前調(diào)節(jié)閥，啟 動(dòng)真空泵。(2) 用罐前調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)背壓，每一次改變200Pa 300Pa,穩(wěn)定后記錄背壓值和 U型管差壓計(jì)的讀數(shù)。當(dāng)背壓升高到某一值時(shí)，I型管差壓計(jì)的液柱便不再變化(即流量已達(dá)到了最大值)。此后盡管不斷提高背壓，但I(xiàn)型管差壓計(jì)的液柱仍保持不變，這時(shí)測2 3點(diǎn)。至此，流量測量即可完成。 漸縮噴管和縮放噴管的流量曲線參見圖4-1和圖4-2。5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的設(shè)備操作打開罐前調(diào)

16、節(jié)閥，關(guān)閉罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空罐充氣；3分鐘后停真空泵并立即打開罐后調(diào)節(jié)閥，讓真空泵充氣（目的是防止回油）。最后關(guān)閉冷卻水閥門。五、數(shù)據(jù)處理1壓力值的確定（1）本實(shí)驗(yàn)裝置采用的是負(fù)壓系統(tǒng)，表上讀數(shù)均為真空度，為此須換算成絕對壓力值(P):P = Pa - P(v)(4)式中：Pa 大氣壓力（Pa）P（v）用真空度表示的壓力。（2）由于噴管前裝有孔板流量計(jì)，氣流有壓力損失。本實(shí)驗(yàn)裝置的壓力損失為 U型管差 壓計(jì)讀數(shù)（.：P ）的97%。因此，噴管入口壓力為：(5)口 = Pa -0.97 P（3）由式（5）、（ 6）可得到臨界壓力 Pc二0.58P1，在真空表上的讀數(shù)（即用真空度表示）為:Pc(v)二 0.0472pa 0.51 p(6)計(jì)算時(shí)，式中各項(xiàng)必須用相同的壓力單位。（大致判斷，pc（v）約為3800Pa）。2噴管實(shí)際流量測定由于管內(nèi)氣流的摩擦而形成邊界層