热工实验.docx
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热工实验
第二章热工综合实验
第一节实验概述
一、工程热力学实验
在本实验中，主要研究热力学的基本现象，通过研究饱和水蒸气的P-T关系、测定空气的定压比热两个实验，掌握常用热工参数的测试方法，了解空气、水等介质的热力学性质。
（实验一～二）
二、传热学实验
在本实验中，主要研究传热学的基本现象，通过研究水蒸气的冷凝效果，了解不同介质、不同表面换热效果的差异，掌握总传热系数测定方法；通过研究各种形式换热器换热效果、顺流逆流换热的差别，掌握不同形式还热器的性能。
（实验三～四）
实验一可视性饱和蒸汽压力和温度关系
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、实验装置
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
7、温度计（0~300℃）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、将电功率调节器指针至电压表零位，然后接通电源。
3、将调压器输出电压调至200~220V，待蒸汽压力升至一定值时，将电压降至20~50V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
压力表
读值P’
大气
压力P0
绝对压力
P=P’+P0
温度计
读值t’
理论
值t
∆t=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。
3、总结经验公式：
图1-2
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：
图1-3
4、误差分析：
通过比较发现测量比标准值低1%左右，引起误差的原因可能布以下几个方面：
（1）读数误差。
（2）测量仪表精度引起的误差。
（3）利用测量管测温所引起的误差。
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。
实验二气体定压比热测定实验
一、实验目的
1、气体定压比热的测定是工程热力学的基本实验之一。
实验中涉及温度、压力、热量（电功）、流量等基本量的测量:
计算中用到比热及混合气体（混空气）方面的知识。
本实验的目的是增加热物性研究方面的感性认识，促使理论联系实际，以利于培养同学分析问题和解决问题的能力。
2、了解气体比热测定装置的基本原理和结构。
3、熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法。
4、掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。
5、分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、实验装置和原理
装置由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节、热电偶测温电路及测量系统等四部分组成（如图2-1所示）。
图2-1实验装置
比热仪主体如（图2-2）所示。
实验时，被测空气（也可以时其它空气）由风机经流量计送入比热仪主体，经加热、均流、旋流、混流后流出。
在此过程中，分别测定:
空气在流量计出口处的干、湿球温度（t0，tw）；气体经比热仪主体的进出口温度（tl，t2）:
气体的体积流量（V）电热器的输入功率（W）以及实验时相应的大气压（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）。
气体的流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电热器的功率来调节。
本比热仪可测300℃以下的定压比热。
三、实验步骤和数据处理
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、摘下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，便流量保持在额定值附近。
测出流量计出口空气的干球温度（to）和湿球温度（tw）。
3、
图二比热仪主体
将温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。
逐渐提高电热器功率，使出口温度升高至预计温度。
[可以根据下式预先估计所需电功率：
图2-2
图二比热仪主体
式中：
W为电热器输入电功率（瓦）；
∆t为进出口温度差（℃）；
τ为每流过10升空气所需的时间（秒）。
）
4、待出口温度稳定后（出口温度在10分钟之内无变化或有微小起伏，即可视为稳定），读出下列数据，每10升空气通过流量计所需时间（τ，秒）:
比热仪进口温度――即流量计的出口温度（t1，℃）和出口温度（t2℃）:
当时相应的大气压力（B，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（∆h，毫米水柱）:
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，查图3－15《相对湿度与干球温度对应关系》得出相对湿度φ，再从附图6《湿空气的焓（温）图》查出含湿量（d，克/千克干空气），并根据下式计算出水蒸气的容积成分：
6、根据电热器消耗的电功率，可算出电热器单位时间放出的热量：
=
7、通入空气的总压力为：
8、通入空气的体积流量为：
9、
干空气流量（质量流量）可由克拉伯龙方程求出，为：
，
其中Rg为干空气的气体常数。
10、水蒸气流量为：
其中Rw为水蒸气的体常数。
11、水蒸气吸收的热量：
，
cp可由书本附表3《常用气体的主要物理参数表》查水蒸气的定压比热容得到。
水蒸气吸收热量也可以通过以下公式计算出。
12、干空气的定压比热为：
13、测出干空气的定压比热容后和书本对照，进行误差评定。
14、比热和温度的变化关系：
15、假设在0℃－300℃之间，空气的真实定压比热与温度之间近似的有线性关系，则由t1到t2的平均比热为：
图2-3
因此，若以
为横坐标，
纵坐标（如图2-3），则可根据不同的温度范围内的平均比热确定截距a和斜率b，从而得出比热随温度变化的计算式。
图三
四、注意事项
1、切勿在无气流通过的情况下使电热器工作，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220V，气体出口最高温度不得超过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降而破裂。
4、停止试验时，应切断电源，让风机继续运行十五分钟左右（温度较低时可以适当缩短）。
实验数据记录表
实验时间：
年月日时周次：
天气：
干湿度温度计读数干球：
℃湿球：
℃
温差：
℃相对湿度：
％当地大气压：
730.6mmHg空气进口压力：
Pa空气进口温度：
℃气体流量：
加热功率（W）
空气出口温度（℃）
数据计算：
实验三综合传热实验
一、实验目的
1、掌握总传热系数k的测定方法；
2、掌握管道外表和空气流动对传热系数的影响。
二、
实验装置：
图3-1
传热综合实验台结构如（图3-1）所示。
三、实验步骤
1、检查设备是否完好。
2、蒸汽发生器装水，通电自动加热，达到实验蒸汽压力（0.2~0.4MPa）和温度。
3、打开配汽管上和玻璃量筒下的所有开关，慢慢供气，预热和排空系统。
4、放汽阀有蒸汽排出一段时间后，关闭所有放水阀。
（实验设备准备完毕）
5、自然对流换热实验（所有换热管）：
（1）关闭所有放水阀，注视各个玻璃量筒的水位慢慢上升，开始计时，记录各个玻璃的刻度。
（2）待冷凝水水位达到一定高度，记录供气时间和冷凝水体积。
6、强迫对流换热实验（翅片管、光管）：
（1）排空玻璃量筒中的冷凝水，开动风机对换热管进行强迫通风。
（2）关闭翅片管和光管的放水阀，并记录一段时间后玻璃量筒中冷凝水的体积。
（3）实验完毕时，关闭电源，打开所有的放水阀、放汽阀，排空管内的冷凝水。
四、总传热系数计算
传热面积：
A=πdL（m2）；冷凝水流量：
（Kg/s）；
热流量：
Ф=qmr（W）传热系数：
（W/m2）
上式中，d—铜管外径，d=0.025m；
L—实验管长度，自然对流时L=0.9m；强迫对流时L=0.5m；
V0—玻璃量筒开始冷凝水体积（m3）；
V—供汽τ时间（s）后，玻璃量筒开始冷凝水体积；
ρ—冷凝水密度，取1000kg/m3；
r—水的汽化潜热（J/kg），由饱和水蒸气的压力或温度查得；
tf2—饱和蒸汽温度（℃），由饱和水蒸汽的压力查得；
tf1—实验装备附近环境温度（℃）；
V0—玻璃量筒开始冷凝水体积；
自然对流时L=0.9m；强迫对流时L=0.5m；
五、实验记录及结果
饱和水蒸汽压力：
_0.18Mpa__；饱和水蒸汽温度：
_116.941℃__：
水汽化潜热：
___2210.9kJ/kg__；设备附近温度：
__19℃___；
空气流动方式
换热管状况
冷凝水液面
时间τ（s）
冷凝水流量（kg/s）
热流量（W）
传热
总传热系数
面积
（W/m2℃）
初始
终止
体积差
（m2）
（mL）
（mL）
（mL）
自然对流
翅片管
160
190
30
600
0.05652
50
110545000
19969740.29
光管
45
67
22
600
0.05652
36.66666667
81066333.33
14644476.21
涂黑管
75
110
35
600
0.05652
58.33333333
128969166.7
23298030.34
镀铬管
153
192
39
600
0.05652
65
143708500
25960662.38
锯末保温管
70
100
30
600
0.05652
50
110545000
19969740.29
硅酸铝保温管
60
87
27
600
0.05652
45
99490500
17972766.26
强迫对流
翅片管
199
235
36
600
0.0314
60
132654000
43134639.03
光管
77
98
21
600
0.0314
35
77381500
25161872.77
一、思考
1.如果换热管的表面有灰尘，对实验结果有什么影响？
2.如果加热器内的水有了杂质，对实验结果有什么影响？
3.对比强制冷却和自然冷却效果，哪种方法换热效果强？
4.比较各个换热管的还热效果强弱，按从大到小的顺序排列。
实验四换热器综合实验
换热器性能测试试验主要对应用较广的间壁式换热器中的三种换热——套管式换热器、螺旋板式换热器和列管式换热器进行其性能的测试。
其中，对套管式换热器和螺旋板式换热器可以进行顺流和逆流两种流动方式的测试，而列管式换热器只能作一种流动方式的性能测试。
试验装置如（图4-1）：
图4-1实验装置简图
1、热水流量调节阀2、热水螺旋板、套管、列管启闭阀门组3、冷水流量计4、换热器进口压力表
5、数显温度计6、琴键转换开关7、电压表8、电流表9、开关组10、冷水出口压力计
11、冷水螺旋板、套管、列管启闭阀门组12、逆顺流转换阀门组13、冷水流量调节阀
一、实验目的
1、了解换热器的性能测试方法；
2、了解套管式换热器、螺旋板式换热器和列管式换热器的结构特点及其性能的差别；
3、加深对顺流和逆流两种流动方式对换热器换热性能差别的认识；
二、实验原理
本试验装置采用冷水可用阀门换向进行顺、逆流试验；工作原理如图2所示。
换热形式为热水－冷水换热。
图4-2换热器综合实验台原理
1、冷水泵2、冷水箱3、冷水浮子流量计4、冷水顺逆流换向阀门组5、列管式换热器
6、电加热水箱7、热水浮子流量计8、回水箱9、热水泵10、螺旋板式换热器11、套管式换热器
本实验的热水加热采用电加热方式，冷－热流体的进出口温度采用数显温度计，可以通过琴键开关来切换测点。
实验台参数：
1、换热器换热面积{F}
（1）套管式换热器0.45
（2）螺旋板式换热器0.65
（3）列管式换热器1.05
2、电加热器总功率（名义）：
9.0KW
3、冷、热水泵：
允许工作温度：
<80
；额定流量：
3
；扬程：
12m；电机电压：
220V；电机功率：
370W。
4、转子流量计型号：
LZB－15，40—400升/小时；允许温度范围：
0－120
。
三、实验步骤：
1、实验前准备：
（1）熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能；
（2）打开所要实验的换热器阀门，关闭其他阀门；
（3）按顺流（或逆流）方式调整冷水换向阀门的开或关；
（4）冷－热水箱充水，禁止水泵无水运行；（热水泵启动，加热才能供电）。
2、实验操作：
（1）接通电源：
启动热水泵（为了提高热水温升速度，可先不启动冷水泵），并调整好合适的流量；；
（2）调整温控仪，使其能使加热水温度控制在80
以下的某一指定温度（温控只控制在热水进琴键开关上）；
（3）将加热器开关分别打开（热水泵启动，加热才能供电）；
（4）利用温度测点选择琴键开关按钮和数显温度计，观测和检查换热器冷－热流体的进出口温度，待冷－热流体的温度基本稳定后，即可读出相应测温点的温度数值，同时测读转子流量计冷、热流体的流量读数；把这些测试结果记录在实验数据记录表中；
（5）如需改变流动方向（顺－逆流）实验，或需要绘制换热器传热性能曲线而要求改变工况（如改变冷水（热水）流速（或流量））进行实验，或需要重复进行实验时，都要重新安排实验，实验方法与上述实验基本相同，并记录下这些实验的测试数据；
（6）实验结束后，首先关闭电加热器开关，5分钟后切断全部电源。
六、实验记录及结果
实验记录表
换热器名称：
环境温度：
顺
逆
流
热流体
进口温度
T1（
）
出口温度
T2（
）
流量计读数
V1（
）
热水压差
（
）
顺
流
逆
流
顺
逆
流
冷流体
进口温度
t1（
）
出口温度
t2（
）
流量计读数
v2（
）
冷水压差
（
）
顺
流
逆
流
七、实验数据处理：
1、绘制传热性能曲线，并作比较：
（1）以传热系数为纵坐标，冷水（热水）流速（或流量）为横坐标绘制传热性能曲线；
（2）对三种不同型式的性能进行比较。
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