工程热力学实验指导书.docx
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工程热力学实验指导书
工程热力学实验指导书
目录
实验课注意事项……………………………………………………3
有关从事实验的基础知识…………………………………………4
实验—二氧化碳p—v—T关系测定实验………………………7
实验二可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验…………………13
实验三喷管实验…………………………………………………16
实验四气体定压比热测定实验…………………………………16
实验注意事项
1、实践的观点是辩证唯物的认识之第一的基本的观点。
所以对待实验课必须严肃认真。
课前先做预习，明确目的要求。
课内亲自动手，留心观察现象，准确测取数据，及时分析问题，实验结束后，根据材料，进行科学的分析及综合，做出有材料，有观点，有分析，有讨论的精简扼要的实验报告。
2、爱护国家财产，珍惜实验设备，动手操作前先弄清仪器设备的使用方法，不要不懂装懂，乱行启动，以致损坏设备，造成损失，影响教学，非本次实验用的仪器设备，一律不准使用。
3、认真执行的原则，在保证实验质量的前题下，努力降低水电等物质的消耗额。
4、遵守下列安全规定，做好安全工作。
（1）进入实验室后，要严肃认真，不得追逐嬉笑。
（2）不要赤足或穿拖鞋进入实验室，以防触电。
有关从事实验的基础知识
一、从事科学实验的基本态度
实验人员首先要具有一种最基本的态度即实事求是的态度。
我们这里所说的“实事求是”就是要把实验中所观测到的现象、数据、规律忠实地记录下来，把它们当作第一手的材料来对待，科学推理以实验观测为依据，
科学理论要用实验观测来检验，因此记录下来的应该是实际观测到的情况，而不能在任何理由下加以编造，修改或歪曲。
例如某个参数根据理论计算其值应该是100，而在实验中测到只是20的值记录下来，然后再去找原因，而不能用任何其他数字来搪塞。
实验中直接观测到的现象和数字，当然也可能不够准确，也可能有错误，但是某次实验数据不可靠也只能用反复多次的实验来核对，不能够“与书本已有的陈述不符”或“与依据某种理论的计算结果不符”就来修改记录或取消某次记录，对待实验观察必须严肃认真，决不能随便记录某个数字。
二、有关从事实验的基础知识
（一）、实验课和重要性
实验课在帮助同学们学好本课程的主要内容方面，在培养同学运用理论和实践相结合的方面及独立地从事科学实验的能力方面有极为重要的意义。
这是因为：
1、它为同学们提供了一定的感性认识，特别是为观察过程现象再现客观规律，熟悉设备结构及性能方面提供了良好的条件。
这就有利于对基本原理和客观规律的学习：
有利于将对同学来说是间接经验的书本知识转变为同学们自己的直接经验。
2、实验本身要求同学熟悉有关仪表的使用，要求同学解决实验方案的拟定，实验数据的测取与整理，实验结果的分析和讨论，实验中故障的排除，矛盾现象的分析，实验报告的提出等一系列任务，这就为同学在实践中学习从事科学实验的基本技能与方法创造了良好条件。
因此，我们必须思想重视，认真对待，发挥教与学两方面的主观能动性，使实验课发挥它应用的作用。
（二）、怎样准备实验
1、阅读实验指导书，弄清本实验的目的与要求。
2、根据本次实验的具体任务。
研究实验的做法及其理论根据，分析应该测取哪些数据并弄清实验数据的变化规律。
3、到现场观看设备流程，主要设备的构造，仪表种类，安装位置，了解它们的启动和使用方法（但勿擅自启动，以免损坏仪表设备或发生其他事故）。
4、根据实验任务及现场设备情况或实验可能提供的其他条件，最后确定应该测取的数据。
5、拟定实验方案，决定先做什么，后做什么，操作条件如何?
设备的启动程序怎样？
如何调整?
实验中数据如何分配等。
（三）、实验应测取哪些数据
1、凡是影响实验结果或者数据整理过程中所必需的数据都必须测取。
还包括大气条件、设备有关尺寸、物料性质以及操作数据等。
2、但并不是所有数据都要直接测取的，凡可以根据某一数据导出或从手册中查出的其他数据，就不必直接测定。
（四）、怎样读取数据，做好记录
1、事先必须拟好记录表格（只负责某一项数据的，也要列出完整的记录表格），不应随便拿一张纸就记录，以保证数据完整，条理清楚而避免张冠李戴的错误，每个学生都应用一个实验记录本。
2、实验时一定要在现象正常后才开始读数据，条件改变后，要稍等待一会才能读取数据。
这是因为稳定需要一定时间，而仪表通常有滞后现象的缘故，不要条件一改变就测取数据，若用这种数据做报告、必将出现奇怪的结论。
3、同一条件下至少要读取两次数据（研究不稳定过程中的现象时除外）而且只有当两次读数相接近时才能继续改变条件。
4、每个数据记录后，应该立即复核仪表读数，以免发生读错标尺或写错数字等事项。
5、每个数据都要写明单位。
6、数据记录必须真实反映仪表的精确度，一般要记录全仪表上最小分度以下一位数。
例如温度计的最小分度为l℃，如果当时温度读数为24.6℃，这时就不能记为25℃，如果刚好是25℃正，则应记为25.0℃，而不能记为25℃，因为这里有一个精度问题，一般记录数据中末位都是估计数字，如果记录25℃，它表示当时温度可能是24℃，也可能是26℃，或者说它的误差是土1℃，而25.0℃则表示当时温度是介于24.9℃～25.1℃之间，它的误差是±0.1℃，但是用上述温度计时也不能记为24.58℃，因为它超出了所用温度计的精密度。
7、记录数据要以当时的实际读数为准，例如规定的水的温度为50℃，而读数时实际水温为50.5℃，就应该记50.5℃，如果数据稳定不变，也应照常记录，不得空下不记，如果漏记了数据，应该留出相应空格。
8、实验中如果出现不正常情况，以及数据有明显误差时，应该在备注中加以注明。
（五）、实验过程要注意什么
有的同学在做实验时，只管到时读取数据，其他一概不管，这是不对的，实验过程中除了读取数据外，还应做好下列各事：
1、操作时，必须密切注意仪表指示值的变动，随时调节，务使整个操作过程都在规定条件下进行，尽量减少实际操作条件和规定操作条件之间的差距，操作人员不要擅离岗位。
2、读取数据后，应立即和前次数据相比较，也要和其他有关数据相对照，分析相互间关系是否合理。
如果发现不合理的情况，应立即同小组同学研究原因，是自己认识错误呢还是测定的数据有误?
以便及时发现问题，解决问题。
3、实验过程中还应注意观察过程现象，特别是发现某些不正常现象的原因。
（六）、怎样整理数据
1、同一条件下，如有几次比较稳定但稍有波动的数据；应先取其平均值，然后加以整理，不必先逐个整理后取平均值以节省时间。
2、数据整理时应根据有效数字的规则，舍弃一些没有意义的数字，一个数据的精确度是由测量仪表本身的精确度所决定的，它绝不因为计算时位数增加而提高，但任意减少位数却是不许可的，因它降低了应有的精确度。
3、数据整理时，如果过程比较复杂，实验数据又多，一般以采用列表整理法为宜，同时应将同一项目一次整理，这种整理方法不仅过程明显，而且节省时间。
4、要求以一次数据为例子，把各项计算过程列出。
5、数据整理时还可以采用常数归纳法，将计算公式中的常数归纳作为一个常数看待，这样就可以大大提高计算速度。
（七）怎样编写实验报告
一份好的实验报告，必须写得简单、明白、一目了然、数据完整、交待清楚，结论明确，有讨论有分析，得出的公式或线图有确定的使用条件，报告的格式虽不必强求一致，但一般该包括下列各项：
1、报告的题目（要简明确切）。
2、写报告人及共同测定人员。
3、实验的理论依据。
4、实验设备说明，应包括流程示意图及主要设备，仪表的类型及规格。
5、实验数据，应包括与实验结果有关的全部数据，报告中的实验数据不是指原始记录，而是经过加工后用于计算的全部数据，至于原始记录则可用作附录附于报告后面。
6、数据整理及计算示例，其中引用的数据要注明来源，简化公式，要写出导出过程，要列出一次数据的计算过程，作为计算示例。
7、实验结果要根据实验任务，明确提出本次实验的结论，用图示法，经验公式或列表法均可，但都要注明实验条件。
8、实验如有误差，应该分析误差原因，并且对实验中发现的问题作讨论，对实验方法、实验设备有何改进建议也可写入此栏。
实验一二氧化碳p-v-t关系测定实验
一、实验目的
1、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。
2、增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。
3、掌握CO2的p-v-t关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。
4、学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。
二、实验内容
1、测定CO2的p-v-t关系。
在p-v坐标系中绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度（t=31.1℃）和高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。
2、测定CO2在低于临界温度（t=20℃、27℃）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-ps曲线比较。
3、观测临界状态
（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。
（2）气液整体相变现象。
（3）测定CO2的pc、vc、tc等临界参数，并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教，简述其差异原因。
三、实验设备及原理
整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图1所示）。
图1实验台系统图
图2实验台本体
试验台本体如图2所示。
由高压容器、玻璃杯、压力机、水银、密封填料、填料压盖、恒温水套、承压玻璃杯、CO2空间和温度计等组成。
对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：
F（p，v，t）=0
或T=f（p，v）
（1）
本实验就是根据式
（1），采用定温方法来测定CO2的p-v-t关系，从而找出CO2的p-v-t关系。
实验中，压力台油缸送来的压力由压力油传入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管容器，CO2被压缩，其压力通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。
温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。
实验工质二氧化碳的压力值，由装在压力台上的压力表读出。
温度由插在恒温水套中的温度计读出。
比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径截面不变等条件来换算得出。
四、实验步骤
1、按图一装好实验设备：
并开启实验本体上的日光灯（目的是易于观察）。
2、恒温器准备及温度调节：
（1）、把水注入恒温器内，至离盖30～50mm。
检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。
（2）、把温度调节仪波段开关拨向调节，调节温度旋扭设置所要调定的温度，再将温度调节仪波段开关拨向显示。
（3）、视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。
（4）、观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于设定的温度。
（5）、当所需要改变实验温度时，重复
（2）～（4）即可。
注：
当初使水温高于实验设定温度时，应加冰进行调节。
3、加压前的准备：
因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在压力表显示压力读数。
压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。
所以，务必认真掌握，其步骤如下：
（1）关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台油杯上的进油阀。
（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。
这时，压力台油缸中抽满了油。
（3）先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。
（4）摇进活塞螺杆，使本体充油。
如此交复，直至压力表上有压力读数为止。
（5）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启。
若均已调定后，即可进行实验。
4、作好实验的原始记录：
（1）设备数据记录：
仪器、仪表名称、型号、规格、量程等。
（2）常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
（3）测定承压玻璃管内CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A）又不易测准，因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容，认为CO2的比容，与其高度是一种线性关系。
具体方法如下：
a）已知CO2液体在20℃，9.8MPa时：
比容v（20℃，9.8MPa）=0.00117m3/kg。
b）实际测定实验台在20℃，9.8MPa时的CO2液柱高度Δh0（m）。
（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
c）因为
m3/kg
所以
kg/m2
其中：
K—玻璃管内CO2的质面比常数。
因此可以求出任意温度和压力下CO2的比容为：
m3/kg
式中，Δh=h-h0
h—任意温度、压力下水银柱高度。
h0—承压玻璃管内径顶端刻度。
5、测定低于临界温度t=20℃时的等温线。
（1）将恒温器调定在t=20℃，并保持恒温。
（2）压力从4.41MPa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件。
否则，将来不及平衡，使读数不准。
（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。
（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。
要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。
（5）测定t=25℃、27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。
6、测定临界参数，并观察临界现象。
（1）按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容vc。
，并将数据填入表1。
（2）观察临界现象。
a）整体相变现象
由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。
b）汽、液两相模糊不清的现象
处于临界点的CO2具有共同参数（p,v,t），因而不能区别此时CO2是气态还是液态。
如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这个液体又是接近气态的液体。
下面就来用实验证明这个结论。
因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使CO2压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。
现在，我们按绝热过程来进行。
首先在压力等于7.64MPa附近，突然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面。
这就是说，如果这时管内的CO2是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了。
这就告诉我们，这时CO2液体离气区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。
既然，此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。
可以这样说：
临界状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。
这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。
7、测定高于临界温度t=50℃时的定温线。
将数据填入原始记录表1。
五、实验结果处理和分析
1、按表1的数据，如图4在p-v坐标系中画出三条等温线。
2、将实验测得的等温线与图4所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。
3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图3给出的ts-ps曲线相比较，并分析它们之间的差异及其原因。
表1CO2等温实验原始记录
t=20℃
t=31.1℃（临界）
t=50℃
p（MPa）
Δh
v=Δh/K
现象
p（MPa）
Δh
v=Δh/K
现象
p（MPa）
Δh
v=Δh/K
现象
4、将实验测定的临界比容vc与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其原因。
表2临界比容vc[m3/kg]
标准值
实验值
vc=RgTc/pc
0.00216
5、实验材料的整理与实验报告的要求
1）将所测得的实验数据，通过计算出K值后，将比容值计算出来并经计算整理后描绘在p-v图上，并与标准曲线进行对比；
2）将所测得的压力和温度对应描绘在ts-ps图上，并与标准进行对比；
3）其余的数据按要求填在相应的表上。
4）进行误差公析，并写实验总结。
图3二氧化碳的ts-ps曲线
图4标准曲线
实验二可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验
一、实验目的
1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而树立液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念。
2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽p-T关系图表的编制方法。
3、学会温度计、压力表、调压器和大气压力计等仪表的使用方法。
4、能观察到小容积和金属表面很光滑（汽化核心很小）的饱态沸腾现象。
二、实验设备见图1
图1实验设备简图
1、压力表（-0.1～0～1.5MPa）2、排气阀3、缓冲器4、可视玻璃及蒸汽发生器
5、电源开关6、电功率调节7、温度计（100～250℃）8、可控数显温度仪9、电流表
三、实验方法与步骤
1、熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能。
2、将电功率调节器调节至电流表零位，然后接通电源。
3、调节电功率调节器，并缓慢逐渐加大电流，待蒸汽压力升至一定值时，将电流降低0.2安培左右保温，待工况稳定后迅速记录下水蒸气的压力和温度。
重复上述实验，在0～1.0MPa（表压）范围内实验不少于6次，且实验点应尽量分布均匀。
4实验完毕后，将调压指针旋回零位，并断开电源。
5、记录室温和大气压力。
四、数据记录和整理
1、记录和计算:
实验次数
饱和压力/MPa
饱和温度/℃
误差
备注
压力表读值p’
大气压力
pb
绝对压力
p=p’+pb
温度计读值
t'
理论值
t
Δt=t-t’℃
1
2
3
4
5
6
2、绘制p-t关系曲线：
将实验结果点在坐标上，清除偏离点，绘制曲线。
图2饱和水蒸气压力和温度的关系曲线
3、总结经验公式：
将实验曲线绘制在双对数坐标纸上，则基本呈一直线。
故饱和水蒸气压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式：
。
同样将测得的数据整理成这样的关系式，比较一下整理而成的经验公式在系数上的异同。
图3饱和水蒸气压力和温度的关系对数坐标曲线
4、误差分析：
通过在同一个图的曲线比较，实测值与标准值之间存在的误差，并分析引起误差的原因。
五、注意事项
1、实验装置通电后必须有专人看管。
2、实验装置使用压力为1.0MPa（表压），切不可超压操作。
六、实验报告的要求
1、将所测得的数据记录在相应的表上；
2、将所测得的数据描绘在P-t图上，并与标准曲线进行比较；
3、将所测得的数据转换成对数表后描绘在蒸气压力和温度双对数座标图上，并拟合成相应的经验公式，并与标准经验公式进行对比。
4、进行误差分析和实验总结。
实验三喷管实验
一、实验装置和设备结构
整个实验装置包括实验台、真空泵。
实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，见图1。
图1喷管实验台
1．进气管2．空气吸气口3．孔板流量计4．U形管压差计5．喷管
6．三轮支架7．测压探压针8。
可移动真空表9．手轮螺杆机构
10．背压真空表11．背压用调节阀12．真空罐13．软管接头
进气管
（1）为由57×3.5无缝钢管，内径φ50。
空气经吸气口
（2）进入进气管，流过孔板流量计（3）。
孔板孔径由7，采用角接环室取压。
流量的大小可从U形管压差计（4）读出。
喷管（5）用有机玻璃制成。
配给渐缩喷管和缩放喷管各一只，见图2、3。
根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架（6），更换所需的喷管。
喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探压针（7）（外径φ1.2）连至“可移动真空表”（8）测得，它们的移动通过手轮～螺杆机构（9）实现。
由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（φ0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，也可从装在“可移动真空表”下方的针在“喷管轴向坐标板”（在图中未画出）上所指的位置来确定。
喷管的排气管上还装有“背压真空表”背压用调节阀（11）调节。
真空罐（12）直径φ400，起稳定压力的作用。
罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。
为减小震动，真空罐与真空泵之间用软管（13）连接。
在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内的不同截面位置x、气流在该截面上的压力p、背压pb、流量m，这些量可分别用位移指针的位置、可移动真空表、背压真空表以及U形管压差计的读数来显示。
本实验台配套的仪器设备选型如下：
真空泵：
1401型排气量3200升/分。
二、实验说明
1．实验的内容和方法。
图2、图3缩放喷管的压力曲线和流量曲线。
虚线表示理想气流，实线表示实际气流。
先介绍理想曲线，然后简要说明实际曲线偏离理想曲线的主要现象和原因。
首先是由于气流有粘性摩擦，在壁面附近形成边界层，随着流程x的延长，边界层厚度加厚，减小了实际流通面积。
所以，实际流量总是小于理论流量，边界层还使压力的分布发生一些变化。
对于渐缩喷管的超。
临界工况（pb对于缩放喷管的几种亚设计工况，偏离更为显著。
对于p2对于pb>p2工况，流量系数明显下降。
在图2上可见，f点下移。
对于pb图2缩放喷管的压力曲线
图3缩放喷管的流量曲线
其次，气流中含有水分，当气流在缩放喷管中具备深度膨胀的条件，由于温度急剧降低，水分将疑结，放出潜热加热气流，使压力曲线形成—个小的突跃。
另外，喷管流道在加工时不可避免地会有一些误差（控制在公差范围内，未标公差的尺寸，按7级精度公差）。
喷管在使用一段时间后会附着一层污垢（可根据情况，定期清洗），由于流道尺寸的变化，势必引起压力分布和流量的变化。
2．在进行定量实验时，必须测量喷管的初压p1和初温t1（因进气管中气流速度很低，在最大流量时其数量级为1m/s，可近似认为pl、t1即是气流的总压和总温）。
这两个参数可通过对大气状态的测量得出。
初温t1等于大气温ta，但初压pl将略低于大气压力pa，流量越大，低得越多一些。
这主要是由于在进气管中装了测量流量的孔板，气体流过孔板将有压力损失。
根据经验公式的计算和实测，气体流过本实验台孔板装置的压力损失（pa-p1）约为角接取压U形压差计读数Δp的97％。
因此，喷管的初压可按下式计算：
p1=pa-0.97Δp
初压也可以通过在测压管口接上U形压差计进行实测。
根据上式，喷管的一个重要特征参数pc=0.52
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