(教材)工程熱力學實驗指導書

1、內(nèi)容簡介本書主要是工程熱力學實驗，分2章。第一章介紹具體的工程熱力學實驗，對每個實驗，著重于闡明其實驗原理、實驗裝置、實驗操作方法和實驗數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。每一實驗均附有思考問題，以幫助讀者進一步分析實驗中的問題。第二章是測量誤差與數(shù)據(jù)處理，介紹了誤差分析及數(shù)據(jù)處理方面的知識和方法。本書可供高等院校動力類相關專業(yè)的本科生或研究生使用，亦可供有關教師、實驗技術人員在編寫工程熱力學實驗指導書、安排熱力學實驗時參考。前 言工程熱力學實驗教程是依據(jù)工程熱力學本科生課程的教學大綱編寫的。它可供開設實驗課、編寫實驗指導書的教師參考，亦可作為高等院校本科生、研究生的實驗參考用書，也可供有關工程技術人員參考。本實

2、驗教程以工程熱力學實驗為主，并據(jù)此編寫了測量誤差與數(shù)據(jù)處理。書中每一項實驗的內(nèi)容著重于闡明她的基本原理、實驗裝置結構系統(tǒng)、基本測試方法、數(shù)據(jù)整理以及某些技術問題等。每項實驗都附有思考問題，以期使讀者能進一步分析實驗中的一些問題。本書由朱強編寫。在本書編寫過程中，得到了汪健生教授許多有意義的指導，在此表示衷心的感謝。此外，感謝為本書提供各種資料和幫助的其他專家教授們以及參與修改和校對工作的人員。在編寫過程中，參考了國內(nèi)外一些教材和文獻的內(nèi)容，在此一并致謝！由于受時間和作者水平的限制，書中難免疏漏和錯誤，可能還存在許多不盡如人意的地方，懇請讀者們批評指正！以后將更加努力的學習和工作，以使本書的修訂

3、趨于完善。目 錄第一章 工程熱力學實驗1.1 飽和蒸汽p-T關系曲線測量實驗（1）1.2 CO2臨界現(xiàn)象觀測及p-v-t關系測定實驗（6）1.3 絕熱節(jié)流效應的測定實驗（15）1.4 噴管中氣體流動實驗（22）1.5 壓氣機性能實驗（31）第二章 測量誤差與數(shù)據(jù)處理2.1 誤差 （40）2.2 測量不確定度 （44）2.3 實驗數(shù)據(jù)處理方法 （45）第一章 工程熱力學實驗1.1 飽和蒸汽p-T關系曲線測量實驗一、實驗目的1、通過觀察飽和蒸汽壓力和溫度變化的關系，加深對飽和狀態(tài)的理解，從而樹立液體溫度達到對應于液面壓力的飽和溫度時，沸騰便會發(fā)生的基本概念。2、通過對實驗數(shù)據(jù)的整理，掌握飽和蒸汽壓

4、力與溫度的關系（p-T關系）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。4、學會用Microsoft Excel繪制并擬合各種與p-T關系有關的曲線，總結p-T關系經(jīng)驗公式。5、直接觀察小容積和金屬表面很光滑（汽化核心很?。l件下的泡態(tài)沸騰現(xiàn)象。二、實驗設備1-壓力表（-0.101.5MPa）；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；6-電功率調(diào)節(jié)；7-溫度計（0300）；8-可控數(shù)顯溫度儀；9-電壓表圖1.1.1 可視性飽和蒸汽壓力和溫度關系儀三、實驗方法與步驟1實驗裝置及儀表的工作原理和使用方法 電接點式壓力表的使用方法本實驗關系儀采

5、用的是電接點式壓力表，表面中心設有調(diào)節(jié)旋紐（黑膠木），用兩指旋動旋紐外緣可以撥動紅色指針，紅色指針用于限定蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力上限，一般在使用時先撥至壓力計表面的1MPa刻度處。用一字形螺絲刀旋轉(zhuǎn)中心的旋鈕撥動綠色指針，此指針用于設定某一壓力值，當蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力（黑色指針指示）升至該設定的壓力值時，兩針相撞后進入保溫狀態(tài)，如此多次將綠色指針分別設置各點壓力值，使加熱后蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力（黑色指針）到達設定指針壓力位置，再觀察此時的壓力讀數(shù)所對應溫度計讀數(shù)值。由于實驗時溫度和壓力較高，當黑色指針或綠色指針與紅色指針相撞時，儀器隨即自動斷開加熱電源（處于保溫狀態(tài)），保證安全。 溫度計的使用方法實驗所用

6、溫度計采用0300 的水銀溫度計，使用時，將溫度計插入壓力表前面的銅管中即可。2實驗步驟 將溫度計插入銅管內(nèi)； 將電接點壓力表上紅色指針撥至1MPa； 將電壓調(diào)壓器指針調(diào)至零位，然后接通電源； 將電接點式壓力表上綠色指針設定在某一壓力值（例如開始時為0.1MPa）； 將電壓調(diào)壓器輸出電壓旋至220230V，電加熱器開始加熱蒸餾水，蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力（黑色指針）開始緩慢上升； 待蒸汽壓力升至設定值時，即黑色指針與綠色指針相撞時，將電壓調(diào)壓器降至（2050）V，使加熱器處于保溫或微加熱狀態(tài)，這時蒸汽發(fā)生器內(nèi)壓力（黑色指針）應基本保持不變； 待蒸汽發(fā)生器內(nèi)壁面出現(xiàn)微小氣泡時，即進入飽和水狀態(tài)（溫度與飽

7、和蒸汽狀態(tài)相等），迅速記錄此飽和蒸汽的壓力（p）和溫度（t）。 重復上述步驟實驗，在（01.0）MPa（表壓）范圍內(nèi)實驗不少于6次，且實驗點應盡量分布均勻。3結束工作將調(diào)壓器指針旋回能零位，并斷開電源，整理好實驗儀器。4記錄室溫（）和大氣壓力（MPa）。裝 訂 線課程名稱： 學 院： 專 業(yè)： 年 級： 姓 名： 學 號： 成 績： 四、數(shù)據(jù)記錄與整理 1.記錄與計算表1.1.1 實驗測量參數(shù)原始記錄表實驗次數(shù)飽和壓力kgf/cm2飽和溫度誤差壓力表讀值 P大氣壓力 B絕對壓力 PP+B溫度計讀值 t 理論值t %1234562、繪制p-t關系曲線用Microsoft Excel繪制p-t關系

8、曲線，以p為橫坐標（單位MPa），t為縱坐標（單位），如圖1.1.2所示。 圖1.1.2 飽和水蒸氣p-t 關系實驗曲線3、作雙對數(shù)坐標圖，并作線性擬合裝 訂 線將各組p，t分別取對數(shù)，用Microsoft Excel繪制飽和水蒸氣溫度和壓力的雙對數(shù)曲線，以lnp/4為橫坐標x軸，lnt為縱坐標y軸, 如圖1.1.3所示。圖1.1.3 飽和水蒸氣實驗雙對數(shù)坐標圖作圖同時用Microsoft Excel的曲線擬合功能（選直線擬合，并選公式顯示），將飽和水蒸氣雙對數(shù)坐標圖擬合成直線，圖中會自動顯示擬合的直線方程。將x=lnp/4，y=lnt代入y=k x+a可得形式為 (1.1.1)的經(jīng)驗公式。該

9、經(jīng)驗公式與標準經(jīng)驗公式 (1.1.2)對比，若k值越接近1.0，ea越接近c，則實驗誤差越小。但實際實驗結果與標準經(jīng)驗公式計算結果會差別較大，試分析誤差產(chǎn)生的原因。4、誤差分析通過比較發(fā)現(xiàn)，實驗值與標準實驗值存在一定的誤差，引起誤差的原因可能有以下幾個方面：（1）讀數(shù)誤差；（2）測量儀表精度引起的誤差；（3）利用測量管測溫所導致的誤差；（4）實驗裝置本身的誤差等。5、注意事項（1）實驗裝置通電后必須有專人看管。（2）實驗裝置使用壓力最大為1.0MPa（表壓），切不可超壓操作。一旦超壓，立即關閉實驗裝置的電源開關。（3）操作過程中，不可接觸連接電接點壓力表的緩沖器（金屬管），避免被燙傷。裝 訂

10、線（4）高壓時不允許用排氣閥門排氣，防止燙傷。（5）整個實驗需90min左右。1.2 CO2臨界現(xiàn)象觀測及p-v-t關系測定實驗一、實驗目的1了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增加對臨界狀態(tài)概念的感性認識。2加深對純流體熱力學狀態(tài)：汽化、冷凝、飽和態(tài)和超臨界流體等基本概念的理解。3掌握CO2的p-v-t關系的測定方法，學會用實驗測定實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧，并在p-v圖上繪出CO2等溫線。4學會活塞式壓力計、恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。二、實驗原理純物質(zhì)的臨界點表示氣液二相平衡共存的最高溫度（tc）和最高壓力點（pc）。純物質(zhì)所處的溫度高于tc，無論壓力大小，都不存在液相；壓力高于pc

11、，無論溫度高低，都不存在汽相；同時高于tc 和pc，則為超臨界區(qū)。本實驗測量t > tc，t = tc和t < tc三種溫度條件下等溫線。其中t > tc等溫線，為一光滑曲線；t = tc等溫線，在臨界壓力附近有一水平拐點，并出現(xiàn)氣液不分現(xiàn)象；t < tc等溫線，分為三段，中間一水平段為氣液共存區(qū)。對純流體處于平衡態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)p、v和t存在以下關系：F(p,v,t) = 0 或v = f(p,t)由Gibbs相律，純流體在單相區(qū)自由度為2，當溫度一定時，體積隨壓力的改變而變化；在兩相區(qū)自由度為1，溫度一定時，壓力一定，僅體積發(fā)生變化。本實驗就是利用定溫的方法測定CO

12、2的p和v之間的關系，獲得CO2的p-v-t數(shù)據(jù)。三、實驗裝置流程和試劑實驗裝置由試驗臺本體、壓力臺和恒溫浴組成（如圖1.2.1）。試驗臺本體如圖1.2.2所示。實驗裝置實物圖如圖1.2.3。實驗中由壓力臺送來的壓力油進入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進入預先裝有高純度的CO2氣體的承壓玻璃管(毛細管)，CO2被壓縮，其壓力和容積通過壓力臺上的活塞桿的進退來調(diào)節(jié)。溫度由恒溫水套的水調(diào)節(jié)，水套的恒溫水由恒溫浴供給。CO2的壓力由壓力臺上的精密壓力表讀出（注意：絕對壓力=表壓+大氣壓），溫度由水套內(nèi)精密溫度計讀出。比容由CO2柱的高度除以質(zhì)面比常數(shù)計算得到。試劑：高純度二氧化碳。圖1.2.1 C

13、O2 p-v-t關系實驗裝置 1-高壓容器；2-玻璃杯；3-壓力油；4-水銀；5-密封填料；6-填料壓蓋；7-恒溫水套；8-承壓玻璃管（毛細管）；9-CO2；10-精密溫度計；圖1.2.2試驗臺本體圖1.2.3 CO2 p-v-t實驗裝置實物圖四、實驗操作步驟1按圖1.2.1裝好試驗設備；2 接通恒溫浴電源，調(diào)節(jié)恒溫水到所要求的實驗溫度（以恒溫水套內(nèi)精密溫度計為準）；3加壓前的準備抽油充油操作（1）關閉壓力表下部閥門和進入本體油路的閥門，開啟壓力臺上油杯的進油閥；（2）搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。此時壓力臺上油筒中抽滿了油；（3）先關閉油杯的進油閥，然后開啟壓力表下部閥門和進入本

14、體油路的閥門；（4）搖進活塞桿，使本體充油。直至壓力表上有壓力讀數(shù)顯示，毛細管下部出現(xiàn)水銀為止；（5）如活塞桿已搖進到頭，壓力表上還無壓力讀數(shù)顯示，毛細管下部未出現(xiàn)水銀，則重復（1）（4）步驟；（6）再次檢查油杯的進油閥是否關閉，壓力表及其進入本體油路的二個閥門是否開啟。溫度是否達到所要求的實驗溫度。如條件均已調(diào)定，則可進行實驗測定。4測定承壓玻璃管（毛細管）內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)K值由于承壓玻璃管（毛細管）內(nèi)的CO2質(zhì)量不便測量，承壓玻璃管（毛細管）內(nèi)徑（截面積）不易測準。本實驗用間接方法確定CO2的比容。假定承壓玻璃管（毛細管）內(nèi)徑均勻一致，CO2比容和高度成正比。具體方法如下：（1）已知純

15、CO2液體在25，7.8MPa時，比容V = 0.00124 m3/kg；（2）實驗測定本裝置在25，7.8MPa（表壓大約為7.7 MPa）時，CO2柱高度為。式中，承壓玻璃管(毛細管)內(nèi)徑頂端的刻度（酌情扣除尖部長度），25，7.8MPa下水銀柱上端液面刻度。（注意玻璃水套上刻度的標記方法）（3）25，7.8MPa下比容： （1.2.1）式中：mCO2質(zhì)量（kg），A承壓玻璃管(毛細管)截面積（m）， h測量溫度壓力下水銀柱上端液面刻度（m），K質(zhì)面比常數(shù)（kg/m） 質(zhì)面比常數(shù) （1.2.2）又如為測量溫度壓力下CO2柱高度（m），則此溫度壓力下CO2比容， （1.2.3）5測定低于臨界

16、溫度下的等溫線（T= 25）（1）將恒溫水套溫度調(diào)至T= 25，并保持恒定。（2）逐漸增加壓力，壓力為4.0MPa左右時（毛細管下部出現(xiàn)水銀面）開始讀取相應水銀柱上端液面刻度，記錄第一個數(shù)據(jù)點。讀取數(shù)據(jù)前，一定要有足夠的平衡時間，保證溫度、壓力和水銀柱高度恒定。（3）提高壓力約0.3MPa，達到平衡時，讀取相應水銀柱上端液面刻度，記錄第二個數(shù)據(jù)點。注意加壓時，應足夠緩慢的搖進活塞桿，以保證定溫條件，水銀柱高度應穩(wěn)定在一定數(shù)值，不發(fā)生波動時，再讀數(shù)。（4）按壓力間隔0.3MPa左右，逐次提高壓力，測量第三、第四數(shù)據(jù)點，當出現(xiàn)第一小滴CO2液體時，則適當降低壓力，平衡一段時間，使CO2溫度和壓力恒

17、定，以準確讀出恰好出現(xiàn)第一小液滴CO2時的壓力。（5）注意此階段，壓力改變后CO2狀態(tài)的變化，特別是測準出現(xiàn)第一小滴CO2液體時的壓力和相應水銀柱高度及最后一個CO2小氣泡剛消失時的壓力和相應水銀柱高度。此二點壓力應接近相等，要交替進行升壓和降壓操作，壓力應按出現(xiàn)第一小滴CO2液體和最后一個CO2小氣泡剛消失的具體條件進行調(diào)整。（6）當CO2全部液化后，繼續(xù)按壓力間隔0.3MPa左右升壓，直到壓力達到8.0MPa為止（承壓玻璃管的最大壓力應小于8.0MPa）。6測定臨界等溫線和臨界參數(shù)，觀察臨界現(xiàn)象（1）將恒溫水套溫度調(diào)至t= 31.1，按上述5的方法和步驟測出臨界等溫線，注意在曲線的拐點（p

18、=7.376MPa）附近，應緩慢調(diào)整壓力（調(diào)壓間隔可為0.05MPa），以較準確的確定臨界壓力和臨界比容，較準確的描繪出臨界等溫線上的拐點。（2）觀察臨界現(xiàn)象a臨界乳光現(xiàn)象保持臨界溫度不變，搖進活塞桿使壓力升至pc附近處，然后突然搖退活塞桿(注意勿使試驗臺本體晃動)降壓，在此瞬間玻璃管內(nèi)將出現(xiàn)圓錐型的乳白色的閃光現(xiàn)象，這就是臨界乳光現(xiàn)象。這是由于CO2分子受重力場作用而沿豎直方向分布不均和光的散射所造成的。可以反復幾次觀察這個現(xiàn)象。b整體相變現(xiàn)象臨界點附近時，汽化熱接近于零，飽和蒸汽線與飽和液體線接近合于一點。此時氣液的相互轉(zhuǎn)變不像臨界溫度以下時那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為一個漸變過程

19、；而是當壓力稍有變化時，氣液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。c汽液二相模糊不清現(xiàn)象處于臨界點附近的CO2具有共同的參數(shù)（p,v,t），不能區(qū)別此時CO2是氣態(tài)還是液態(tài)。如果說它是氣體，那么，這氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那么，這液體又是接近氣態(tài)的液體。下面用實驗證明這結論。因為此時是處于臨界溫度附近，如果按等溫過程，使CO2壓縮或膨脹，則管內(nèi)什么也看不到?，F(xiàn)在，按絕熱過程進行，先調(diào)節(jié)壓力處于7.4 MPa（臨界壓力）附近，突然降壓（由于壓力很快下降，毛細管內(nèi)的CO2未能與外界進行充分的熱交換，其溫度下降），CO2狀態(tài)點不是沿等溫線，而是沿絕熱線降到兩相區(qū)，管內(nèi)CO2出現(xiàn)了明顯的液面。這就是說

20、，如果這時管內(nèi)CO2是氣體的話，那么，這種氣體離液相區(qū)很近，是接近液態(tài)的氣體；當膨脹之后，突然壓縮CO2時，這液面又立即消失了。這就告訴我們，這時CO2液體離氣相區(qū)也很近，是接近氣態(tài)的液體。這時CO2既接近氣態(tài)，又接近液態(tài)，所以只能是處于臨界點附近。臨界狀態(tài)流體是一種氣液不分的流體。這就是臨界點附近氣液二相模糊不清現(xiàn)象。7測定高于臨界溫度的等溫線（t = 40）將恒溫水套溫度調(diào)至t = 40，按上述5相同的方法和步驟進行。課程名稱： 裝 訂 線學 院： 專 業(yè)： 年 級： 姓 名： 學 號： 成 績： 五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理將實驗數(shù)據(jù)記錄于表1.2.1。表1.2.1不同溫度下CO2的 p-v數(shù)

21、據(jù)測定結果室溫_ ，大氣壓_ MPa，毛細管內(nèi)部頂端的刻度h0=_ m，25，7.8MPa下CO2柱高度=_ m，質(zhì)面比常數(shù)K =_ kg/m2Nt = 25.0t = 31.1t = 40.0p絕 (MPa)h(m)v=h/K(m3/kg)現(xiàn)象p絕(MPa)h(m)v=h/K(m3/kg)現(xiàn)象p絕 (MPa)h(m)v=h/K(m3/kg)現(xiàn)象123456789101112131415161718等溫實驗時間= min等溫實驗時間= min等溫實驗時間= min六、實驗結果及分析1按表1.2.1的數(shù)據(jù)仿照圖1.2.4標準等溫線在圖1.2.5上繪制三條等溫線。標準等溫線：裝 訂 線圖1.2.4

22、 標準條件下CO2 p-v圖等溫線裝 訂 線圖1.2.5 實驗條件下CO2 p-v圖等溫線2將實驗測得的臨界比容與理論計算值填入表1.2.2。表1.2.2 臨界比容(m3/kg) 標準值實驗值 0.00216七、實驗討論與誤差分析1將實驗測得的等溫線與圖1.2.5所示的標準等溫線比較，并分析實驗誤差和引起誤差的原因。2將實驗測得的臨界比容的實驗值與標準值及理論計算值比較，并分析實驗誤差和引起誤差的原因。裝 訂 線八、思考題1質(zhì)面比常數(shù)K值對實驗結果有何影響？為什么？2為什么測量25下等溫線時，嚴格講，出現(xiàn)第1個小液滴時的壓力和最后一個小氣泡將消失時的壓力應相等？（試用相律分析）九、注意事項1實

23、驗壓力不能超過8.0 MPa，實驗溫度不高于40。2應緩慢搖進活塞螺桿，否則來不及平衡，難以保證恒溫恒壓條件。3一般，按壓力間隔0.3MPa左右升壓。但在將要出現(xiàn)液相，存在氣液二相和氣相將完全消失以及接近臨界點的情況下，升壓間隔要很小，升壓速度要緩慢。嚴格講，溫度一定時，在氣液兩相同時存在的情況下，壓力應保持不變。4準確測出25，7.8MPa時CO2液柱高度。準確測出25下出現(xiàn)第1個小液滴時的壓力和體積（高度）及最后一個小汽泡將消失時的壓力和體積（高度）。5壓力表讀得的數(shù)據(jù)是表壓，數(shù)據(jù)處理時應按絕對壓力（= 表壓+大氣壓）。1.3 絕熱節(jié)流效應的測定實驗一、實驗目的絕熱節(jié)流效應在工程上有很多應

24、用。如利用節(jié)流的冷效應進行制冷。節(jié)流效應也是物性量，在研究物質(zhì)的熱力學性質(zhì)方面有重要作用。如根據(jù)測定的節(jié)流效應數(shù)據(jù)可以推導出較精確的經(jīng)驗狀態(tài)方程式。測定絕熱節(jié)流效應的基本方法是在維持氣體與周圍環(huán)境沒有熱交換的條件下對氣體節(jié)流，測量其節(jié)流前后的壓力和溫度。二、實驗裝置實驗用的設備和儀器儀表有節(jié)流器、恒溫器、標準壓力表、溫度計（測溫電阻和電橋）、大氣壓力計和氣源設備等。實驗裝置系統(tǒng)如圖1.3.1所示。空氣壓縮機4供給的空氣先經(jīng)過一組干燥器3。干燥器內(nèi)填裝氯化鈣、碳酸鈉、硅膠等各種填料，除去空氣中的水分和二氧化碳。進入節(jié)流器1的空氣溫度用恒溫器2控制，恒溫器內(nèi)布置8米長銅管構成的換熱器。節(jié)流前的空氣

25、壓力由閥門5調(diào)節(jié)，并由節(jié)流器進氣管上的壓力表指示。節(jié)流后的空氣壓力用調(diào)壓閥6調(diào)整，并由節(jié)流器排氣管上的壓力表指示。調(diào)壓閥后的排氣管上，還可以裝孔板及壓差計測量流量，作為實驗的參考數(shù)據(jù)。1-節(jié)流器，2-恒溫器，3-干燥器，4-空氣壓縮機設備，5-閥門，6-調(diào)壓閥圖1.3.1絕熱節(jié)流實驗裝置系統(tǒng)裝置中可以采用節(jié)流閥或多孔陶瓷管作為節(jié)流件測定積分節(jié)流效應。圖1.3.2為陶瓷管節(jié)流器的示意圖。節(jié)流器浸沒在恒溫器中。多孔陶瓷管1長約18厘米。隔環(huán)3使透過陶瓷管的氣流分為兩股：隔環(huán)后的一股氣流不沖刷測溫電阻，用以消除外殼法蘭導熱的影響；護環(huán)前的這股氣流受玻璃管2導流，全部由玻璃管的一端進入中心區(qū)沿軸向流動

26、，沖刷測溫電阻。這種構造的節(jié)流器，陶瓷管件可以拆下，改裝上用棉絮或細毛氈制成的節(jié)流件來測定微分節(jié)流效應。1-陶瓷管；2-玻璃管；3-隔環(huán)；4、5-測溫電阻；6-外殼；7-進氣管；-排氣管；圖1.3.2陶瓷管節(jié)流器三、實驗原理絕熱節(jié)流前后的氣體焓值相等，因此可以把絕熱節(jié)流過程當作焓不變的過程。此過程中溫度隨壓力降落的變化率稱為微分節(jié)流效應。微分節(jié)流效應表示為 (1.3.1)氣體因節(jié)流引起溫度變化相對于氣體的溫度值來說是很小的量。如果將上式中的溫度和壓力的微分量用與溫度、壓力本身的數(shù)值相比相當小的有限差值代替，所得結果十分接近實際。于是，微分節(jié)流效應可以根據(jù)下式直接測定： (1.3.2)測定時，通

27、常維持節(jié)流的壓力降為左右。0的空氣絕熱節(jié)流時，壓力每降，溫度約降低0.28。當絕熱節(jié)流的壓力降相當大時，引起的氣體溫度變化值稱為積分節(jié)流效應。積分節(jié)流效應與微分節(jié)流效應的關系如下： (1.3.3)式表示為 (1.3.4)式中，p1，T1為節(jié)流前氣體的壓力和溫度，p2，T2為節(jié)流后氣體的壓力和溫度直接測定積分節(jié)流效應很方便。只要實驗的壓力范圍足夠大，就可以根據(jù)直接測定的不同壓力降落時積分節(jié)流效應數(shù)據(jù)，在圖上畫出一條等焓線，如圖所示。等焓線的斜率即為（1.3.1）式所表示的微分節(jié)流效應。改變節(jié)流前氣體的狀態(tài)（p1，T1）可以得到不同焓值的等焓線，從而求得微分節(jié)流效應與溫度、壓力關系。圖1.3.3T

28、-p圖上的等焓線四、實驗步驟實驗工作是測量節(jié)流件兩側(cè)的空氣壓力和溫度。壓力和溫度的測量要求較高的精度。測定微分節(jié)流效應和積分節(jié)流效應的方法分別如下：1微分節(jié)流效應維持節(jié)流前的空氣壓力為某一值，逐次改變節(jié)流前的空氣溫度，各次均在實驗工況達到穩(wěn)定后測量節(jié)流件兩側(cè)的壓力和溫度。改變節(jié)流前的空氣壓力值，按上述過程進行操作和測量。實驗中，節(jié)流件兩側(cè)的壓力差要維持在左右。根據(jù)實驗測定的節(jié)流件兩側(cè)空氣的壓力和溫度的各組數(shù)據(jù)，由式（1.3.2）計算出微分節(jié)流效應的值，并用如下兩種方式表示出直接測定微分節(jié)流效應的全部結果：（1）列表表示微分節(jié)流效應與節(jié)流前空氣壓力和溫度的關系（2）以為縱坐標，節(jié)流前的空氣溫度為

29、橫坐標，節(jié)流前空氣壓力作為參考量，畫出由實驗數(shù)據(jù)所得的一組表示與節(jié)流前空氣溫度和壓力關系的曲線。2積分節(jié)流效應維持節(jié)流前的空氣壓力和溫度不變，逐次改變節(jié)流后的空氣壓力，各次均在實驗工況達到穩(wěn)定后測量節(jié)流件兩側(cè)的壓力和溫度。改變節(jié)流前的空氣溫度（如升高或降低1020），按上述過程操作和測量。用實驗測定的節(jié)流前后壓力和溫度的各組數(shù)據(jù)，在T-p圖上將節(jié)流前溫度不變的一組數(shù)據(jù)擬合為一條等焓線。根據(jù)式（1.3.1），在等焓線上作不同點的切線，求出空氣在不同狀態(tài)下的一組微分節(jié)流效應值。用前述列表和曲線圖兩種方式，表示出通過測定積分節(jié)流效應確定的微分節(jié)流效應的全部實驗結果。課程名稱： 裝 訂 線學 院： 專

30、 業(yè)： 年 級： 姓 名： 學 號： 成 績： 五、數(shù)據(jù)處理用實驗測定的節(jié)流前后壓力和溫度和各組數(shù)據(jù)，在T-p圖上將節(jié)流前溫度不變的一組數(shù)擬合為一條等焓線。在等焓線上作不同點的切線，求出空氣在不同狀態(tài)下的一組微分節(jié)流效應值。用前面列表和曲線圖兩種方式，表示出通過測定積分節(jié)流效應確定的微分節(jié)流效應的全部實驗結果。六、實驗數(shù)據(jù)流量(m3/h) P1/ MPa P2/ MPa T1 T2 a. 由實驗測得節(jié)流前后的溫度和壓力，根據(jù)公式，運用該公式的差分格式有，將數(shù)據(jù)代入求得微分節(jié)流效應如表格中的數(shù)據(jù)所示。b. 根據(jù)數(shù)據(jù)作出CO2的絕熱節(jié)流過程中的定焓線如下圖所示：裝 訂 線 c. 不同狀態(tài)下的微分節(jié)

31、流效應值如下圖所示： (圖中曲線斜率近似為各狀態(tài)的微分節(jié)流效應值） 七、思考題1. 試分析所用的實驗設備是否維持了絕熱條件，有哪些影響因素？裝 訂 線2. 試比較直接測定微分節(jié)流效應和通過測定積分節(jié)流效應確定微分節(jié)流效應兩種方法的優(yōu)缺點。3. 與標準曲線相比，實驗得到的曲線偏差如何？試分析原因。1.4 噴管中氣體流動實驗一、實驗目的1、鞏固和驗證氣流在噴管中流動的基本理論。2、了解氣流在噴管流動中的壓力、流量的變化規(guī)律及測試方法。3、加深對臨界狀態(tài)基本概念的理解。二、實驗原理1噴管中氣體流動的基本規(guī)律根據(jù)氣體在噴管中作一元穩(wěn)定等熵流動的特點，我們得到氣體在變截面管道中，氣流速度v、密度、壓力p

32、的變化與截面A的變化及馬赫數(shù)M（速度v與音速a之比）的大小有關。它們的變化規(guī)律如表1.4.1所示。表1.4.1氣流速度v、密度、壓力p的變化與截面A的變化及馬赫數(shù)M的關系由此可以得到下面一些結論： 在亞音速（M < 1）等熵流動中，氣體在< 0的管道（漸縮管）里，速度v增加，而密度r、壓力p降低；在> 0的管道（漸擴管）里，速度減少，而密度、壓力增大。 在超音速（M > 1）等熵流動中，情況正好與亞音速流動的特點相反，氣體在漸縮管中速度減少，而壓力、密度增大；在漸擴管中速度增加，密度、壓力降低。 因此要想獲得超音速氣流，就必須使亞音速氣流先在漸縮管中加速。當氣流被加速到

33、M 1，即達到臨界狀態(tài)時，要改用漸擴管，以使氣流繼續(xù)加速到超音速，如圖1.4.1所示。2噴管中的流量m計算根據(jù)氣體一元穩(wěn)定等熵流動的連續(xù)方程、動量方程、能量方程及絕熱氣體狀態(tài)方程、等熵過程方程，得到氣流在噴管中流量m的表達式為：圖1.4.1 漸擴管 （1.4.1） 式中：f2：出口面積m2v2：出口速度m/sp0：出口滯止壓力：出口比容：出口滯止比容p2：出口壓力K：絕熱指數(shù)由式(1)可以看出：當p2=p0時，=0當p2=0時，=00<p2<p0時，流量m將存在一個最大值。令，得 （1.4.2）很顯然，滿足式（2）的p2即為臨界值pco對應于該截面上的氣流速度v2將達到音速a。將K

34、=1.4代入（2）得： （1.4.3）將（2）式代入（1）式得的表達式為： （1.4.4）3噴管中的實際流量前面（1.4.1）、（1.4.4）式給出理想流動的流量m表達式。實際上，由于氣流與管壁的摩擦所產(chǎn)生的邊界層，減少了流動截面積。因此，實際流量是小于理論流量。二者之比稱為流量系數(shù)。本實驗臺是采用錐形入口孔板流量計來測量噴管的實際流量。根據(jù)孔板流量計上所顯示的壓差（在U形管壓差計上讀出）。求得流量m與壓差的關系表達式為： （1.4.5）式中：幾何修正系數(shù)（標定值）：U形管壓差計讀數(shù)（mmH2O）pa：大氣壓ta：室溫流量也可以用圖1.4.7給出的曲線查得。在實際的測試中，由于噴管前裝有孔板流

35、量計，將有壓力損失。對本實驗臺，損失等于壓差計讀數(shù)的97%。這樣，進口壓力p1為： （1.4.6）為了消除進口壓力p1改變的影響，在繪制各種曲線時，采用壓力比作坐標：壓力曲線用x，流量曲線用。由于實驗臺采用的是真空表測壓，因此臨界壓力pc在真空表上的讀數(shù)（真空度）為： （1.4.7）將（1.4.3）式代入（1.4.7）式得： （1.4.8）最后將（1.4.6）式代入（1.4.8）式得：（一般p1p0） （1.4.9） 三、實驗裝置實驗裝置如圖1.4.2所示，主要由真空泵和噴管實驗臺主體組成。由于真空泵的抽吸，空氣由進氣口2進入吸氣管1（57×3.5的無縫鋼管）中，經(jīng)過孔板流量計3（7

36、）進入噴管。流量的大小可由U形管壓差計4上讀出。噴管5用有機玻璃制成，有漸縮噴管與縮放噴管兩種型式，如圖1.4.3、圖1.4.4所示?？筛鶕?jù)實驗要求，松開夾持法蘭上的螺絲向左推開三輪支架6，更換所需要的噴管。噴管各截面上的壓力，可從可移動的真空表8上讀出。真空表8與內(nèi)徑為0.8的測壓探針7相連。探針的頂端封死，在其中段開有徑向測壓小孔。通過搖動手輪螺桿機構9，可使探針7沿噴管軸線左右移動，從而改變測壓孔的位置，進行噴管中不同截面上壓力的測量。測壓孔的位置，可以由位于可移動真空表8下方的指針，在坐標板上所指出的x值來確1.進氣管 2.空氣吸氣口 3.孔板流量計 4.U形管壓差計或壓差傳感器 5.

37、噴管 6 三輪支架7.測壓探壓針 8.可移動真空表 9.位移螺桿機構及位移傳感器 10.背壓真空表11.背壓（罐前）調(diào)節(jié)閥 12.真空罐 13.軟管接頭 14.儀表箱15.差壓傳感器 16.背壓傳感器 17.移動壓力傳感器圖1.4.1實驗臺總圖定。噴管的排氣上還裝有背壓pb真空表10。背壓由調(diào)節(jié)閥11調(diào)節(jié)。真空罐12前的調(diào)節(jié)閥11用于急速調(diào)節(jié)。直徑為400的真空罐12是用于穩(wěn)定背壓pb的作用。為了減少振動，泵與罐之間用軟管13連接。在實驗中需要測量4個變量：測壓探針7上測壓孔的水平位置x；氣流沿噴管軸線x截面上的壓力px；背壓pb；流量m。這4個變量可分別用位移指針的位置x，可移真空表8上的讀

38、數(shù)pa，背壓真空表10上的讀數(shù)pb，及U形管壓差計4上的讀數(shù)測得。圖1.4.3 漸縮噴管 圖1.4.4 縮放噴管四、實驗步驟1、用坐標校準器調(diào)好“位移坐標”的基準位置。然后小心地裝上要求實驗的噴管。（注意：不要碰壞測壓探針）打開調(diào)壓閥11。2、檢查真空泵的油位，打開冷卻水閥門，用手輪轉(zhuǎn)動飛輪12圈，檢查一切正常后，啟動真空泵。3、全開罐后調(diào)節(jié)閥11，用罐前調(diào)節(jié)閥11調(diào)節(jié)背壓pb至一定值。搖動手輪9使測壓孔位置x自噴管進口緩慢向出口移動。每隔5mm停，記下真空表8上的讀數(shù)（真空度）。這樣將測得對應于某一背壓下的一條x曲線。4、再用罐前調(diào)節(jié)閥11逐次調(diào)節(jié)背壓pb為不同的背壓值。在各個背壓值下，重復

39、上述搖動手輪9的操作過程，而得到一組在不同背壓下的壓力曲線x（如圖1.4.5、圖1.4.6所示）。圖1.4.5 漸縮噴管壓力曲線5、搖動手輪8，使測壓孔的位置x位于噴管出口外3040mm。此時真空表8上的讀數(shù)為背壓pb。6、全開罐后調(diào)節(jié)閥11，用罐前調(diào)節(jié)閥11調(diào)節(jié)背壓pb，使它由全關狀態(tài)逐漸緩慢開啟。隨背壓pb的降低（真空度升高），流量m逐漸增大，當背壓降至某一定值（漸縮噴管為pc，縮放管為pf）時，流量達到最大值mmax，以后，將不隨pb的降低而改變。7、用罐前調(diào)節(jié)閥11重復上述過程，調(diào)節(jié)背壓pb，每變化50 mm Hg一停，記下真空表10上的背壓讀數(shù)和U形管壓力計4上的壓差（mm H2O）

40、讀數(shù)（低真空時，流量變化大，可取20mmHg；高真空時，流量變化小，可取10mmHg間隔），將讀數(shù)換算成壓力比和流量m（可用圖1.4.7上給出的曲線求得流量m），在坐標紙上給出流量曲線（如圖1.4.6 縮放噴管壓力曲線圖1.4.8、圖1.4.9所示），進行分析。8、在實驗結束階段真空泵停機前，打開罐前調(diào)節(jié)閥11，關閉罐后調(diào)節(jié)閥11，使罐內(nèi)充氣。當關閉真空泵后，立即打開罐后調(diào)節(jié)閥11，使真空泵充氣，以防止真空泵回油。最后關閉冷卻水閥門。圖1.4.7 孔板流量計曲線kg/s圖1.4.8 漸縮噴管流量曲線（當p1=1bar，ta=20）圖1.4.9 縮放噴管流量曲線（當p1=1bar，ta=20）裝

41、 訂 線課程名稱： 學 院： 專 業(yè)： 年 級： 姓 名： 學 號： 成 績： 五、數(shù)據(jù)記錄與整理實驗中應認真做好原始數(shù)據(jù)記錄（包括：室溫ta，大氣壓pa及實驗日期）。如發(fā)現(xiàn)實驗結果出現(xiàn)較大誤差，應仔細分析查找原因。在整理實驗數(shù)據(jù)時，由于各種實驗曲線都是以壓力比（，）作坐標，因此必須將壓力換算為相同單位進行計算。建議將所有數(shù)據(jù)填入如下兩種形式的表1.4.2和表1.4.3中。表1.4.2 壓力px變化讀數(shù) x(mm)051015202530354045505560 px(mmHg)Pb(mmHg)050100150200250300350400450500550600650700表1.4.3 測

42、流量的壓差計讀數(shù)Pb(mmHg)050100150200250300350（mm H2O）Pb(mmHg)400450500550600650700（mm H2O）裝 訂 線六、思考題1.實驗測定結果和理論計算有什么不同？試分析。1.5 壓氣機性能實驗一、實驗目的1. 了解活塞式壓氣機的工作原理及構造，理解壓氣機的幾個性能參數(shù)的意義。2. 熟悉用微機測定壓氣機工作過程的方法，采集并顯示壓氣機的示功圖。3.了解造成壓氣機實際循環(huán)與理想循環(huán)之間差異的原因。4. 根據(jù)測定結果，確定壓氣機的指示功Wc、指示功率P、多變壓縮指數(shù)n、容積效率v等性能參數(shù)，或用面積儀測出示功圖的有關面積并用直尺量出有關線段

43、的長度，也可得出壓氣機的上述性能參數(shù)。二、實驗設備1.本實驗臺主要由活塞式壓氣機和與其配套的電動機以及測試系統(tǒng)所組成，測試系統(tǒng)包括壓力傳感器、位移傳感器、動態(tài)應變儀、A/D板、微機等，如圖1.5.1所示。1.計算機；2.電機；3.排氣閥；4.壓力表；5.應變式壓力傳感器；6.壓氣機；7.電磁傳感器；8.電源指示燈；9.電源開關；10.電阻應變放大器；11.A/D板；12.增益旋鈕；13.調(diào)零旋鈕；14.指針式電壓表圖1.5.1 計算機數(shù)據(jù)采集壓氣機實驗裝置示意圖 其中： 壓氣機的型號：Z0.036/7B型 氣缸直徑： D=50mm 活塞行程： L=20mm 連桿長度： H=70mm 轉(zhuǎn) 速：

44、n=1400r/min 壓力傳感器的型號：靈敏度：11.5 mV/V工作溫度：-10±60 橋路電阻：350允許過載能力：50%額定值激勵電壓：最大值15V，AC/DC 推薦值10V，AC/DC為獲得反映壓氣機性能的示功圖，在壓氣機氣缸上安裝了一個應變式壓力傳感器,供實驗時輸出氣缸內(nèi)的瞬態(tài)壓力信號, 該信號經(jīng)橋式整流以后送至動態(tài)應變儀放大；對應著活塞上止點的位置，在飛輪外側(cè)粘帖著一塊磁條，從電磁傳感器上取得活塞上止點的脈沖信號，作為控制采集壓力的起止信號，以實現(xiàn)壓力和曲柄轉(zhuǎn)角信號的同步。這兩路信號經(jīng)放大器分別放大后送入A/D板轉(zhuǎn)換為數(shù)值量，然后送到計算機，經(jīng)計算處理便得到了壓氣機工作

45、過程中的有關數(shù)據(jù)及封閉的示功圖（圖1.5.2）和展開的示功圖（圖1.5.3）。圖1.5.2 壓氣機封閉的示功圖 圖1.5.3壓氣機展開的示功圖根據(jù)動力學公式，活塞位移量x與曲柄轉(zhuǎn)角有如下關系：式中： =R/LR曲柄半徑；H連桿長度；曲柄轉(zhuǎn)角。2. 面積儀的使用面積儀是一種測量平面封閉圖形面積的工具，我們根據(jù)經(jīng)過計算機處理得到的活塞式壓氣機的封閉示功圖，再利用面積儀計算壓氣機的指示功，平均壓縮指數(shù)和平均膨脹指數(shù)。極式面積儀的結構如圖1.5.4所示。它由描臂、極臂2和滑架3等部件組成。極臂一端有重塊4，下部有極針5（用于固定測面儀的位置），另一端用活動鉸支點6與滑架連接。描臂的一端有描針7。測量示

46、功圖面積時，描針要沿示功圖曲線順時針方向移動?；芸稍诿璞凵弦苿樱糜谡{(diào)節(jié)描臂長度，使其與待測面積的比例尺相適應。滑架上有測輪8，記錄輪9和游標10。測輪和記錄輪之間用蝸輪蝸桿傳動。1.描臂；2.投臂；3.滑架；4.重塊；5.極針；6.活動鉸支點；7.錨針；8.測輪；9.記錄輪；10.游標；11.示功圖紙；圖1.5.4 面積儀的校正當描針沿被測面積的邊線移動時，測輪隨之滾動的弧長和被測面積的大小成正比。因此，當描針沿被測面積移動一圈后，就可以直接從測輪的計量機構上讀出所測面積的數(shù)值。面積儀讀數(shù)：測輪轉(zhuǎn)一周記錄輪轉(zhuǎn)一格。測輪分為10大格，每大格又分為10小格。游標上亦有10格，這10格的總長度與測輪的9小格長度相等。利用這套計量機構可讀出四位數(shù)字。三者的讀數(shù)關系如下：游標上一格相當于 10mm2測輪上一小格相當于 100mm2測輪上一大格相當于 1000mm2記錄輪上一大格相當于10000mm2面積儀的使用方法（1）將待測示功圖用膠紙固定在平整的繪圖板上。（2）根據(jù)圖形大小，移動滑架調(diào)節(jié)描臂長度，以選取適當?shù)谋壤▽κ竟D通常取1：1，此時描臂長34cm）。（3）把極針固定在適