热能动力基础实验指导书.docx
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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：
式中：
分别为管内、外侧的传热面积；
分别为高温流体和低温流体的温度；
分别为管内、外径；
为管道的有效传热长度；
为管子材料的导热系数；
分别为内、外壁的对流传热系数。
对管外侧，令
由此可得以管外侧面积为基准的综合传热系数为
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0.02~0.04MPa，最大不超过0.05MPa。
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
传热量为
综合传热系数为
式中：
为铜管外径，
为被试管的长度，自然对流时，
强迫对流时，
为凝结水量，
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。
为玻璃管蓄水器的水位高度（cm）
为蓄水器的凝结水量系数，即每格（cm）的凝结水质量（g/cm）
为试验管的冷凝时间（min）
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。
为试验时的室内温度，可由温度计直接读数。
数据记录表
实验类型
管道
水位高度10mL/格
凝结水量（Kg/s）
供热时间（min）
室温（0C）
饱和温度（0C）
传热量（W）
总传热系数（W/m20C）
自然
对流
实验
d=0.025m
l=0.65m
玻璃丝
109.50C
锯末管
镀鉻管
涂黑管
光管
翅片管
强迫
对流
实验
d=0.025m
l=0.50m
玻璃丝
锯末管
镀鉻管
涂黑管
光管
翅片管
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2-3QCS003B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。
注意变压式节流调速在负载为零时速度始终是最大值，因此调节节流元件开口度时要加一个固定大小的负载，才容易区别不同的开口度。
3、读取数据的时间
液压缸在静止与运动过程中各点压力是不同的，应该测量液压缸运动时的各个数据。
必须注意分工，不要将数据遗漏。
4、系统压力不要调节过大，P1建议最好不要超过2.5Mpa。
五、实验要求：
1、按照给出的液压综合实验台的液压系统原理图（见附录图2-3），自己分别选定三种基本回路，拟订实验方案。
在拟定实验方案时，对不同的实验，例如作节流阀进油路节流调速时，那些阀应处于关闭状态，那些阀应处于全开状态，那些阀是需要调节的，各压力表开关应转换到那个位置。
上机前要写出实验步骤，指导教师检查后方可做实验。
2、认真填写实验记录表（附参考记录表一份，其余自己设计记录表格）；
3、对实验数据进行处理，用坐标纸绘制四种节流调速回路的速度—负载特性曲线和效率—负载特性曲线；
4、认真分析实验结果，比较各种节流调速回路的特点。
六、液压元件参数：
液压泵：
YB1-6，溢流阀：
Y1-10B，节流阀L-10B，调速阀Q-10B，液压缸无杆腔有效面积A1=12.56cm2，液压缸有杆腔有效面积A2=5.5cm2
七、思考题：
1、进油路节流调速时，节流阀开度改变对回路的速度负载特性有何影响？
2、本实验装置中工作缸为单出杆油缸，如果要获得相同工作速度，进、回油路节流调速回路中节流阀开度谁大谁小？
为什么？
元件规格都相同时，哪种回路可获得更低的稳定速度？
如果克服同样大小的外负载，进、回油路节流调速过程中工作缸无杆腔的压力有何不同？
3、采用调速阀的进油路节流调速回路，为什么速度负载特性变硬（速度刚度大）？
而在最后，速度却下降得很快？
4、各种节流调速回路中工作缸最大承载能力各决定于什么参数？
5、分析并观察各种节流调速回路工作时泵出口压力的变化规律，指出那种节流调速回路效率较高？
那种节流调速回路效率较低？
记录数据参考表2-1：
进油路节流阀节流调速回路性能实验数据记录表
实验条件：
液压油牌号实验油温系统压力实验时间
节流阀开度
实验次数
测算内容
P7（MPa）
F（N）
L（mm）
T（S）
Υmm/s
P2（MPa）
P4（MPa）
P5（MPa）
大
1
2
3
4
5
6
7
8
中
1
2
3
4
5
6
7
8
小
1
2
3
4
5
6
7
8
附录：
QCSOO3B教学实验台结构及工作原理
液压传动实验是在液压传动实验室进行，主要采用的设备是秦川机床厂生产的QCS003B型和QCS003型，其中QCS003型是卧式结构，QCS003B型是它的改型产品。
下面主要对QCS003B型液压实验台作一简单介绍。
一、结构介绍
QCS003B型液压实验台共分五部分。
图1为其外形，图2为电器按钮箱的面板图。
1．动力部分：
动力部分主要包括油箱、电动机、油泵和滤油器。
电动机型号为Jo2－22－4，额定功率1.5KW，满载转速1410rpm。
油泵为YB1－6定量叶片泵（件号1，8），额定压力为6.3MPa，排量为6ml/r。
电动机和叶片泵安装在油箱盖板上，油箱底部装有轮子，可以移动，它安放在实验台左后部。
2．控制部分：
控制部分主要包括溢流阀、电磁换向阀、节流阀、调速阀等。
这些阀的额定压力全部为6.3MPa，额定流量为10L/min，全部装在实验台的面板上。
3．执行部分：
工作缸（件号17）和加载缸（件号18）。
缸径Ф＝40mm，活塞杆直径Ф＝30mm，行程L＝250mm。
并排安装在实验台的台面上。
4．电器部分：
包括电器箱和电器按钮操作箱。
电器箱中主要有接触器、热继电器、变压器、熔断器等。
它位于实验台后部的右下角。
电器按钮操作箱主要包括各种控制按钮和旋钮以及红绿信号灯。
它位于实验台的右侧。
5．测量部分：
主要包括压力表、功率表、流量计、温度计，它们安装在实验台面板上。
该实验台功率表（件号19）的型号为44L1－5W，测量范围3KW，精度等级2.5。
用它来测量电动机的输入功率。
将功率表接入电网与电动机定子线圈之间，功率表所指示的数值即为电动机的输入功率。
通过换算可求出电动机的输出功率（即液压泵的输入功率）。
该实验台采用LC－15椭圆齿轮流量计（件号20），它的进口直径为15mm，测量范围为3～30L/min，积累误差±0.5％，工作压力为1.6MPa，压力损失≤0.02MPa，工作温度为-10℃～+120℃。
它的结构主要由壳体、一对椭圆齿轮和计数机构组成。
当椭圆齿轮转动一周时排出一定容积的油液，只要测出椭圆齿轮的转数就可得到累积油液体积值。
该流量计的计数机构是机械式的，它通过齿轮传动，棘爪机构带动指针转动，表盘上标有刻度。
若用秒表测量指针旋转若干周所需的时间，就可求得平均流量。
一、液压系统原理及功能介绍
图3为QCS003B型液压实验台的液压系统原理图。
该系统分为左右两个独立的系统，左系统由于流量控制阀相对于工作缸所处位置不同可组成进油路节流调速回路、回油路节流调速回路和旁油路节流调速回路；右系统可进行泵的性能实验、溢流阀性能实验，在节流调速回路性能实验中可对工作缸进行对顶加载，由电磁换向阀12控制负载缸18活塞杆前进或后退（空载时活塞杆不伸出），负载的大小决定于溢流阀9的调定压力。
图2-1QCS003B型液压实验台的外形图
图2-2QCS003B型液压实验台控制面板图
图2-3QCS003B型液压实验台的液压系统原理图
实验三雷诺实验
实验学时：
2
实验类型：
验证
实验要求：
必修
一、实验目的
1、观察水流的流态：
层流和紊流现象。
2、测定上、下临界雷诺数。
3、了解流态与雷诺数的关系。
二、实验内容
实际液体有两种不同的运动型态，即层流和紊流。
当流速较小时，各流层的液体质点是有条不紊运动，互不混杂，这种型态的流动叫做层流。
当流速较大时，各流层的液体质点形成涡体，在流动过程中，互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。
三、实验原理、方法和手段
水流的型态由其流动时的雷诺数决定，
雷诺数Re=
式中，v—管中平均流速，d—管径，υ—运动粘滞系数。
υ=
（T水温）
据前人实验资料得知，下临界雷诺数比较稳定，Re=2000。
而上临界雷诺数变化很大，约在5000~20000之间。
因此一般认为：
Re<2000为层流
Re>2000为紊流
四、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“采用集中授课形式”。
五、实验条件
实验装置如下图所示，由实验桌、供水系统、实验管道、流量量测系统、流线指示装置和回水系统组成。
六、实验步骤
1.熟悉实验指导书。
2.接通电源，开启水泵给水箱供水。
3.到水箱里的水开始溢流后，轻轻打开尾阀，使管道通过小流量，再打开指示剂开关，使颜色水流入管道。
4.反复缓慢增大（或减小）流量，仔细观察层流和紊流现象。
5.从大到小（或从小到大）缓慢调整流量，在临界流速时（即流态开始转换时），测定其雷诺数。
6.实验完毕后，先关闭指示剂开关，然后关闭水泵，拔掉电源。
实验记录表：
管径d=cm水温T=℃
测量水箱水平面积A=cm2
测次
量测水箱
时间T
（℃）
流量Q
（cm3/s）
流速v
（cm/s）
雷诺数
Re
状态
初高H1（cm）
终高H2（cm）
净高
△H（cm）
体积
（cm3）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
七、思考题
1、为什么调整流量时，一定要慢，且要单方向调整。
2、要提高实验精度，应该注意哪些问题？
八、实验报告
实验预习要求：
认真阅读实验指导书和相关实验章节，作好实验准备
实验纪录要求：
实验数据纪录应准确有力，且应多记录几组数据。
实验报告要求：
1）字迹必须认真工整。
2）必须写清楚实验名称、实验地点、实验时间、指导教师、实验课名称以及实验执行学期。
3）实验报告的内容必须包括：
实验目的、实验仪器、实验原理、实验内容、实验步骤、实验数据处理和最后分析。
九、其它说明
1．调整流量时，一定要慢，且要单方向调整（即从大到小或从小到大），不能忽大忽小。
2．指示剂开关的开度要适当，不要过大或过小。
3．判断临界流速时，一定要准确。
4．不要震动水箱、水管，以免干扰水流。
5．实验时一定要注意用电安全。
实验四文丘里流量计实验
实验学时：
2
实验类型：
验证
实验要求：
必修
一、实验目的
1．通过测定流量系数，掌握文丘里流量计测量管道流量的技术
2．验证能量方程的正确性
二、实验内容
了解文丘里流量计的原理；测定文丘里流量计的流量系数及对能量方程进行验证。
三、实验原理、方法和手段
根据能量方程式和连续方程式，可得到不计阻力作用的文氏管过水能力关系式：
其中：
式中：
为两断面测压管水头差
由于阻力的存在，实际通过的流量
恒小于
，引入无量纲数
（
称为文丘里流量修正系数）
四、实验组织运行要求
根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“采用集中授课形式
五、实验条件
实验装置如下图所示，由实验桌、供水系统、实验管道、流量量测系统、流线指示装置和回水系统组成。
六、实验步骤
1．测量并记下各相关常数。
2．打开水泵，调节进水阀门，全开出水阀门，使压差达到测压计可测量的最大高度。
3．测量并读出压差，同时用体积法测量流量。
4．逐次关小调节阀，改变流量5～6次，注意调节阀门应缓慢。
5．把测量值记录在实验表格内，并计算有关计算。
6．如果测管内液面波动时，应取平均值。
七、思考题
1.为什么会出现管道液面不稳的问题？
2.在测量两只管道的液面高度差时，为什么会出现液柱消失的现象。
八、实验报告
实验预习要求：
认真阅读实验指导书和相关实验章节，作好实验准备
实验纪录要求：
实验数据纪录应准确有力，且应多记录几组数据。
实验报告要求：
1）字迹必须认真工整。
2）必须写清楚实验名称、实验地点、实验时间、指导教师、实验课名称以及实验执行学期。
3）实验报告的内容必须包括：
实验目的、实验仪器、实验原理、实验内容、实验步骤、实验数据处理和最后分析。
九、其它说明
1．调整流量时，一定要慢，且要单方向调整（即从大到小或从小到大），不能忽大忽小。
2.测量数据在处理时，都必须化成以米，秒为最终处理单位
3.指示剂开关的开
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