工程热力学实验指导书.docx

实验一 CO2临界状态观察及P-T-V关系测定实验1、 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 加深对课堂所讲的工质的热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解；3 掌握CO2的P-T-V关系的测定方法学会用实际气体状态变化规律方法和技巧；4 学会活塞式压力计、恒温器等部分热工仪器的正确方法。2、 实验设备及原理1 整个实验装备由压力台，恒温器和试验本体及其防护罩三大部分组成，如图1-1所示；2 试验台本体如图1-2所示。3 对简单可压热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数p、t之间有：F（p，t）=0或 t = f（p，） (1-1)本试验就是根据(1-1)，采用定温方法来测定CO2 p-之间的关系。从而找出CO2的p-t关系。4 实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2的承压玻璃管。CO2被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞螺杆的进，退调节，温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。5 实验工质二氧化碳的压力由装压力台的压力表读出（如要提高精度可由加在活塞转盘上的砝码读出，并考虑水银柱高度的修正）。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的二氧化碳柱的高度来度量，而后这根据承压玻璃管内径均匀、截面积不变等条件换算得出。3、 实验步骤（1） 使用恒温器调定温度1 将蒸馏水注入恒温器内，注至3050mm为止。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。2 旋转点接点温度计顶端的帽形磁铁调动凸轮示标使凸上端面与所要调定的温度一致，要将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动。3 视水温情况，开、关加热器，当水温未达到调定的温度时，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恒温。4 观察玻璃水套上两支温度计，若其读数相同且与恒温器上的温度计及点接点温度计标定的温度一致时（或基本一致）则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所标定的温度。5 当需要改变试验温度时重复（2）（4）即可。（2） 加压前的准备因为压力台的油缸容量比主容器容量小，需要多次从油缸里抽油，再向主容器内充油，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 压力表及其入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。2 摇退压力台上的活塞螺杆，直至全部退出，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，经本体充油，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，若均已稳定即可进行实验。（3） 实验的原始记录及注意事项1 设备数据记录：仪器、仪表的名称、型号、规格、量程、精度。2 常规数据记录：室温、大气压、实验环境情况等。3 定承压玻璃管内CO2的质面比常数k值。由于充进承压玻璃管内的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，具体如下：1 已知CO2液体在20，9.8MPa时的比容（20，9.8Mpa）=0.00117m/kg2 如前操作实地测出本试验台CO2在20，9.8MPa时的CO2液柱高度 h*（m）（注意玻璃水套上刻度的标记方法）3 可知 （20，9.8MPa）=h*A/m=0.00117 m/kgm/A=h*/0.00117=k（kg/m）那么任意温度，压力下CO2的比容为=h/（m/A）=h/k（m/kg）式中：h = h - h0 h任意温度，压力下水银液柱高度 h0承压玻璃内水银顶端刻度4 试验中应注意以下几点：a. 做各条定温线时，实验压力p9.8MPa 实验温度t50b. 一般取h时压力间隔可取0.1960.490MPa但在接近饱和状态时和临界状态时压力间隔取0.049MPa。c. 实验中取h 时水银柱液面高度的读数要注意，应使视线与水银柱半圆型液面的中间一齐。（4） 测定低于临界温度t=20时的定温线1 使用恒温器调定t=20并要保持恒温。2 压力记录从4.41MPa开始，当玻璃管内水银升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准。3 按照适当的压力间隔取h值至压力p=9.8MPa。4 注意加压后，CO2的变化，特别是注意饱和压力与饱和温度的对应关系，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1-1。（5） 测定临界等温线和临界参数，临界现象观察。1 仿照（五）那样测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力Pc和临界比容c并将数据填入表1-1。2 临界现象观察1 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互相转变不是像临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定时间，表现为一个渐变的过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式互相转化。2 汽、液两相模糊不清现象处于临界点CO2的具有共同参数（p, ,t），因而是不能区别此时CO2是气态还是液态，那么这个液体又是接近气体的液体。下面就来用实验证明这个结论。因为这时是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使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，这就说明，如果这时管内CO2是气体的话，那么这种气体离液区很接近，可以说是接近液体的气体；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体的液体，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，饱和汽液分不清。这就是临界点附近饱和汽液模糊不清现象。（6） 测定高于临界温度t=50时的等温线，要将数据填入表1-1。表1-1 CO2等温实验原始记录P(MPa)h=h/k现象P(MPa)h=h/k现象P(MPa)h=h/k现象4、 绘制等温曲线与比较1 按表1-1的数据仿图1-3绘出p v图上三条等温线；2 将实验测得的等温线与图1-3所示的标准等温线比较；并分析其中的差异及原因；3 将实验测得的饱和温度与饱和压力的对应值与图1-4绘出的tsps曲线相比较；4 将实验测得的临界比容Vc与理论计算值一并填入表1-2，并分析其中差异及原因。表1-2 临界比容(m3/kg)标准值实验值0.002165、 实验报告要求1 简述实验原理及过程；2 各种数据的原始记录；3 实验结果整理后的图表；4 分析比较等温曲线的实验值与标准值之间的差异及其原因，分析比较临近比容的实验值与标准值及理论计算值之间的差异及原因。图1-3 标准曲线图1-4 CO2饱和温度与饱和压力关系曲线实验二 饱和压力与温度关系实验1、 实验目的1 通过观察饱和蒸汽压力与温度变化的关系，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，沸腾便发生的基本概念；2 根据实验测得的数据，绘制PT关系曲线。2、 实验设备图2-1 饱和蒸汽P-T关系仪3、 实验步骤1 先熟悉一下各实验装置及其使用方法；2 检查确认设备完好无误后，将调压器的输出电压缓缓地调至220V，此时本体里的油开始加热，待压力升至某一值时，将电压降至80100V进行保温，当温度计指示值基本稳定（在1分钟之内温度上升或下降不超过0.2）时，记录下此刻的压力和温度值；3 重复上述的步骤，测定下一个工况点，在00.6MPa（表压）范围内所测得的工况点不应少于10次，而且工况点应尽量分布均匀；4 实验结束后，将调压器指针旋到零，并切断该实验台电源。4、 实验数据的记录整理表2-1 实验数据记录与计算表实验次数饱和压力（MPa）饱和温度（）误差压力表读数P大气压B绝对压力PP+B温度计读数t理论值tttt（）（%）12345678910绘制PT关系曲线5、 注意事项1 通电加热时，输出电压不得超过220V；2 本体工作压力不得超过0.6MPa；3 实验过程中，不得开启放气阀；4 实验之前，调压器指针应处于零位置；5 注意电压表、温度计的是量程。实验三 气体定压比热测定实验1、 实验目的1 了解气体比热测定装置的基本原理和构思；2 熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法；3 掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法；4 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。2、 实验内容1 根据所测数据，计算不同温度时的气体比热值2 根据所计算出的气体比热值，绘出气体比热随温度变化而变化的曲线。3、 实验设备图3-1测定空气定压比热容的实验装置系统1-节流阀；2-流量计；3-比热仪本体；4-瓦特表；5-调压变压器；6-稳压器；7-风机实验所用的设备和仪器仪表由风机、流量计，比热仪本体、电功率调节测量系统共四部分组成，实验装置系统如图3-1所示。装置中采用湿式流量计测定气流流量。流量计出口的恒温槽2用以控制测定仪器出口气流的温度。装置可以采用小型单级压缩机或其它设备作为气源设备，并用钟罩型气罐5维持供气压力稳定。气流流量用调节阀3调整。比热容测定仪本体（图3-2）由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、进口温度计1和出口温度计8（铂电阻温度计或精度较高的水银温度计）电加热器3和均流网4，绝缘垫5，旋流片6和混流网7组成。气体自进口管引入，进口温度计4测量其初始温度，离开电加热器的气体经均流网4均流均温，出口温度计8测量加热终了温度后被引出。该比热仪可测300以下气体的定压比热。图3-2 比热容测定仪结构原理图1-进口温度计；2-多层杜瓦瓶；3-电加热器；4-均流网；5-绝缘垫；6-旋流片；7-混流网；8-出口温度计4、 实验原理（1） 实验原理引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有： 和 （3-1）定压时 （3-2）此式直接由的定义导出，故适用于一切工质。在没有对外界作功的气体的等压流动过程中： （3-3）则气体的定压比热容可以表示为： kJ/kg （3-4）式中：气体的质量流量，kg/s；气体在等压流动过程中的吸热量，kJ/s。由于气体的实际定压比热是随温度的升高而增大，它是温度的复杂函数。实验表明，理想气体的比热与温度之间的函数关系甚为复杂，但总可表达为： （3-5）式中、等是与气体性质有关的常数。例如空气的定压比热容的实验关系式：kJ/kgK式中：绝对温度，K。该式适用于250600K，平均偏差为0.03%，最大偏差为0.28%。由于比热随温度的升高而增大，所以在给出比热的数值时，必须同时指明是那个温度下的比热。根据定压比热的定义，气体在时的定压比热等于气体自温度升高到时所需热量除以，即： 当温度间隔为无限小时，即为某一温度时气体的真实比热。如果已得出的函数关系，温度由至的过程中所需要的热量即可按下式求得：用逐项积分来求热量十分繁复。但在离开室温不很远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线形的，即可近似表示为： （3-6）则温度由至的过程中所需要的热量可表示为： （3-7）由加热到的平均定压比热容则可表示为： （3-8）大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度加热到时，其中水蒸气的吸热量可用式（3-7）计算，其中，则水蒸气的吸热量为： = kJ/s （3-9）式中：气流中水蒸气质量，kg/s。则干空气的平均定压比热容由下式确定： （3-10）式中：为湿空气气流的吸热量。仪器中加热气流的热量（例如用电加热器加热），不可避免地因热辐射而有一部分散失于环境。这项散热量的大小决定于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况相同，散热量也相同。因此，在保持气流加热前的温度仍为和加热后温度仍为的条件下，当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时，每次的散热量当是一样的。于是，可在测定结果中消除这项散热量的影响。设两次测定时的气体质量流量分别为和，加热器的加热量分别为和，辐射散热量为，则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系两式相减消去项，得到 kJ/kg （3-11）（2） 实验方法及数据处理实验中需要测定干空气的质量流量、水蒸气的质量流量、电加热器的加热量（即气流吸热量）和气流温度等数据，测定方法如下：1 干空气的质量流量和水蒸气的质量流量 电加热器不投入，摘下流量计出口与恒温槽连接的橡皮管，把气流流量调节到实验流量值附近，测定流量计出口的气流温度（由流量计上的温度计测量）和相对湿度。根据与值由湿空气的焓-湿图确定含湿量g/kg，并计算出水蒸气的容积成分 （3-12）于是，气流中水蒸气的分压力为 N/m2 （3-13）式中：流量计中湿空气的绝对压力（Pa）： （3-14）式中：当地大气压，kPa；由数字式压力计读出。流量计上压力表（U型管）读数，mmH2O柱；接上橡皮管，开始加热。当实验工况稳定后测定流量计每通过（m3）（例如0.01m3）气体所花的时间（s），以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下： kg/s （3-15）式中：水蒸气的气体常数： J/（kgK） （3-16） 绝对温度，K。干空气的质量流量计算如下： kg/s （3-17）干空气的气体常数： J/（kgK） （3-18）2 电加热器的加热量电热器消耗功率可由瓦特表读出：瓦特表读书方法见瓦特表说明书 （kJ/h） （3-19）式中：瓦特表读数，W； 3 气流温度 气流在加热前的温度和加热后的温度由比热容测定仪上的温度计测量。实验时，根据选定的气流初始温度和加热温度的变化范围及变化间隔，用恒温槽调节，由电加热器调节。5、 实验步骤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 取下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测出流量计出口空气的干球温度和湿球温度。3 将温度计插回流量计，重新调节流量，使它保持在额定值附近，逐渐提高电压，使出口温度计读数升高到预计温度。（可根据下式预先估计所需电功率：,式中：为电功率（W），为进出口温差（），为每流过10升空气所需的时间（s）。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：1 10升气体通过流量计所需时间（s）；2 比热仪进口温度（）；出口温度（）；3 大气压力计读数（kPa），流量计中气体表压（mmH2O）；4 电热器的功率（W）。5 根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度确定空气的相对湿度，根据和干球温度从湿空气的焓-湿图（工程热力学附图）中查出含湿量（g/kg干空气）。 6 每小时通过实验装置空气流量： （m3/h） （3-20）式中：每10升空气流过所需时间，s；将各量代入式