《热工基础实验指导书》.doc

热工基础实验指导书 热工基础实验指导书Thermodynamics andHeat transferBasic ExperimentInstructor(Belong toPyrology StaffRoom)Hefei Universityof Technologyxx. 11、增强热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，了解气体比热容测定的基本原理和构思。 2、学习本实验中所涉及的各种参数的测量方法，掌握由实验数据计算出比热容数值和比热容关系式的方法。 3、学会实验中所用各种仪表的正确使用方法。 由工程热力学所知，气体定压比热容的定义式为hC)(0?pT? （1）在没有对外界作功的气体定压流动过程中，MdQdhp?，此时气体的定压比热容可表示为ppTQMC)(1? （2）当气体在此定压过程中由温度t1被加热至t2时，气体在此温度范围内的平均定压比热容可由下式确定)(1221ttMQCpttpm?（kJ/kg） （3）式中M气体的质量流量，kg/s；Qp气体在定压流动过程中吸收的热量，kJ/s。 大气是含有水蒸汽的湿空气，当湿空气由温度t1被加热至t2时，其中的水蒸汽也要吸收热量，这部分热量要根据湿空气的相对湿度来确定。 如果计算干空气的比热容，必须从加热给湿空气的热量中扣除这部分热量，剩余的才是干空气的吸热量。 在距室温不远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线性的，即可近似的表示为Cp=A+Bt （4）由t1加热到t2的平均定压比热容则为mttpmBtAttBAdtttBtAC?2?21122121 （5）这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度tm=(t1+t2)/2时的定压比热容，因此，可以对某一气体在n个不同的平均温度tmi下测出其定压比热容Cpmi，然后根据最小二乘法原理。 确定A、B?t?mit?n?2mi22mi)(pmimipmimittCtCtA （6）?2mi2)(mipmimimimitntCnCtB （7）从而便可得到比热容的实验关系式。 1、空气（或其它气体）由风机经流量计送入比热容仪本体，经加热、均流、旋流、混流、测温后流出。 气体流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电加热器的电压调节。 2、该比热容仪可测量300以下气体的定压比热容 1、按图1所示接好电源线和测量仪表。 经指导教师认可后接通电源，将选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。 2、小心取下流量计上的温度计。 开动风机，调节流阀，使流量保持在预定值附近，测出流量计出口处的干球温度ta和湿球温度tw。 3、将温度计入回原位，调节流量，使它保持在预定值附近。 调节电压，开始加热（加热功率的大小取决于气体流量和气流进出口温度差，可依据关系式Q=12t/进行估算，式中Q为加热功率，W；t为比热容仪本体进出口温度差，；为每流过10升空气所需要的时间，S）。 4、待出口温度稳定后（出口温度在10分钟内无变化或有微小变化，即可视为稳定），即可采集实验数据，需采集的数据有 （1）每10升气体通过流量计时所需的时间（S）； （2）比热容仪进口温度t1与出口温度t2（）； （3）当时大气压力B（mmHg）和流量计出口处的表压力h（mmH2O）； （4）电加热器的电压U（V）和电流I（A）。 5、改变电压，使出口温度改变并达到新的预定值，重复步骤4，在允许的时间内可多做几次实验。 将上述实验数据填入所列的原始数据表中。 1、根据流量计出口处空气的干球温度ta和湿球温度tw，在干湿球温度计上读出空气的相对湿度，再从湿空气的焓湿图上查出湿空气的含湿量d（g水蒸汽/kg干空气），计算出水蒸汽的容积成分rw622/drw? 2、电加热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算。 3、干空气流量为VPM622/1d?)15.273()6.13/)(1(10645.4/)15.273(287/?01.032.133)6.13/)(1(3?awawagRRthBrskgthBrTR? 4、水蒸汽流量为VPM)15.273()6.13/(10889.2/)15.273(5.461/?01.032.133)6.13/)(1(3?aawathBskgthBrTR? 5、水蒸汽吸热量为2MQww?)(0002443.0)(884.1w/)0004886.0844.1(2122121ttttMskJdtt? 6、干空气吸热量为?wpQQQ? 1、简述实验原理，简介实验装置和测量系统并画出简图。 2、报告中要有实验原始数据记录表，计算过程及计算结果。 3、将实验结果表示在Cpmtm的坐标图上，用 （6）和 （7）式确定A、B，确定平均定压比热容与平均温度的关系式 （5）和定压比热容与温度的关系式 （4）。 4、对实验结果进行分析和讨论。 1、切勿在无气流通过的情况下使加热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热容仪本体。 2、输入加热器的电压不得超过220伏，气体出口最高温度不得超过300。 3、加热和冷却要缓慢进行，防止比热容仪本体和温度计因温度聚升或聚降而损坏。 4、停止实验时，应先切断电加热器，让风机继续工作十五分钟左右。 1、学习测量空气绝热指数的方法。 2、通过实验，培养运用热力学基本理论处理实际问题的能力。 3、通过实验，进一步加深对刚性容器充气、放气现象的认识。 在热力学中，气体的定压比热容Cp和定容比热压Cv，之比被定义为该气体的绝热指数，并以k表示，即k=Cp/Cv。 本实验利用定量气体在绝热膨胀过程和定容加热过程中的变化规律来测定空气绝热指数k。 该实验过程的P-v图，如图1所示。 图中AB为绝热膨胀过程，BC为定容加热过程。 因为AB为绝热过程，所以:B KVBKAAVPVP? （1）BC为定容过程，所以VB=VC。 假设状态A与C所处的温度相同，对于状态A、C可得PAVA=PCVC （2）将 （2）式两边k次方得（PAVA）比较 （1）、 （3）两式，可得k=（PCVC）k （3）kCABABKCAKAPPPPPPPP)(?将上式两边取对数，可得)/()/(CABAPPInPPInk? （4）因此，只要测出A、B、C三个状态下的压力PA、PB、PC，且将其代入 （4）式，即可求得空气的绝热指数k。 A C本实验的实验设备如图2所示。 实验时，通过充气阀对刚性容器进行充气，至状态A，由U形管差压测得状态A的表压hA(mmH2O)，如图3状态A，我们选取容器内一分气体作为研究对象，其体积为VA，压力为PA，温度为TA，假设通过排气阀放气，使其压力与大气压被力相平衡，恰好此时的气体膨胀至整个容器（体积为VB），立即关闭排气阀，膨胀过程结束。 因为PB=Pa（大气压力），由于此过程进行得十分迅速，可忽略过程的热交换，因此可认为此过程为定量气体的绝热膨胀过程，即由状态A（PA、VA、TA）绝热膨胀至状态B（PB、VB、TB），处于状态B的气体，由于其温度低于环境温度，则刚性容器内的气体通过容器壁与环境交换热量，当容器内的气体温度与环境温度相等时，系统处于新的平衡状态C（PC、VC、TC）。 若忽视刚性容器的体积变化，此过程可认为是定容加热过程，此时容器内气体的压力可由U形差压计测得hc(mmH2O)。 至此，被选为研究对象的气体，从A经过绝热膨胀过程至B，又经过定容加热过程至C，且状态A、C所处的温度同为环境温度，实现了图1中所示的过程。 1、实验前，认真阅读实验指导书，了解实验原理。 2、进入实验室后，参考实验指导书，对照实物熟悉实验设备。 3、实验中，由于对装置的气密性要求较高，因此实验开始时，首先应检查装置的气密性。 方法是通过充气阀对刚性容器充气至状态A，使hA=200(mmH2O)左右，过几分钟后观察水柱的变化，若不变化，说明气密性满足要求，若有变化，则说明漏气。 此步骤一定要认真，否则将给实验结果带来较大的误差，同时读出hA的值。 A BC PAVA TAPB VBTB PCVC TC 4、右手转动排气阀，在气流流出的声音“拍”消失的同时关上排气阀（此时，恰到好处，实验操作者在实验正式开始前要多练习几次）。 5、等U型管差压计的读数稳定后，读出hc（大约需5分钟左右的时间）。 6、重复上述步骤，多做几遍，将实验中采集的数据填在实验数据表格中，并求k值。 如果将前述的 （4）式直接用于实验计算的话，那是比较麻烦的。 因此，针对我们的实验条件，现将 （4）式进行适当的简化。 设U型管差压计的封液（水）的重度为r=9.81103（mmH2O）。 因此，状态A的压力可表示为PA=Pa+hA，状态B的压力可表示为PB=pa，状态3（N/m3），实验时大气压力则为Pa10C的压力可表示为pc=pa+hc。 将其代入 （4）式得)1()1(cacAaAcaAaaAahPhhInP?hInhPhPInP?hPInk? （5）实验中由于刚性容器的限制，一般取hA200(mmH2O)，且hc 所以，按照近似的方法， （5）式可简化为cAAcacAaAhhhhPhhPhk?)/()(/ （6）这即为利用本实验装置测定空气绝热指数k的简化（近似）计算公式。 一、实验目的 1、学习圆球法测定粉末或散装材料导热系数的实验方法； 2、测定试验材料(膨胀珍珠岩或空心微珠的粉末)在试验温度下的导热系数； 3、熟悉热电偶测温、直流电位差计测热电势的原理和方法。 二、实验原理实验时将粉末或散装试验材料均匀地填满在圆球导热仪的大球和小球之间。 小球内芯装有电加热器，电加热器放出的热量传给小球，然后通过试验材料传向大球，再由大球传给空气。 实验中可保证大、小球壁的温度均匀一致，因此在经过一段时间加热后，自小球向大球的传热可视为球坐标系（三个坐标方向为半径r方向，球的经度方向及球的纬度方向）中的沿半径方向的一维稳态导热。 导热量可由傅立叶定律算出drdtrdrdtAQ24?(11)移项后为24?rQdrdt?从小球到大球积分（小球半径为r1，直径为d1，壁温为tw1；大球半径为r2，直径为d2，壁温为tw2）有212111)(2?ddtwtwQ?（12）式中d 1、d2单位为m tw 1、tw2单位为Q的单位为w的单位为w/m.由上式得)(2?)11(2121twtwddQ?（13）实验中测出电加热器的功率或测出电加热器的电压V（伏特）和电流1（安培）就可得到传热量Q；大、小球的壁面温度tw 1、tw2可由埋在大、小球壁面上的各三对铜-康铜热电偶测出；大球直径d2=16010-3m，小球直径d1=8010-3m。 测出这些数据后就可根据（13）式算出导热系数值。 把d 1、d2数值代入（13）式后可得的简单算式219952.0twtwQ?（14） 三、实验装置实验装置由圆球导热仪、试验材料、电加热器、热电偶及冰瓶、多点切换开关、电位差计、功率表或电压表与电流表、交流稳压电源、自偶变压器、整流器等组成。 圆球导热仪由大、小两个空心的球壁组成，小球同心地装在大球内，试验材料填满在大小球壁之间。 大球内壁和小球外壁上埋设的三对热电偶的冷端接冰瓶，热端和多点切换开关相连接，以便通过电位差计测出六个热电势（大球壁三个、小球壁三个），然后查热电偶分度表得到大、小球壁面的平均温度。 小球壁内的电加热器由交流稳压电源、自偶变压器、整流器供电，功率由电压表与电流表测出或由功率直接读出。 电加热器的输入功率大小可由自偶变压器调节，以改变大、小球壁的温度。 四、实验步骤 1、熟悉实验装置图，并了解各部分的作用，然后接上测量仪表和全部线路，经指导教师检查后，接通电源，并调整电加热器的输入功率为指定值（该值由指导教师临时告知）。 2、加热若干时间后，当内、外壁温度不再改变时（可由热电偶的热电势不变示出）导热仪中导热已进入稳态，可以正式测量与记录数据。 3、顺序掀按琴键式切换开关，通过电位差计分别读出六个热电势（小球为 1、 2、3，大球为 4、 5、6），在实验报告上记录下这六个热电势值，并记录实验中功率表读数或电流与电压表读数。 4、切断电源，结束实验。 一、实验目的 1、学习测定空气槽掠单管时平均换热系数的方法； 2、测定空气槽掠单管时的准则方程式； 3、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法。 二、实验原理 1、空气槽掠单管的平均对流换热系数的测定根据牛顿冷却公式:)(fwttAQ?)(fwttAQ?(4-1)式中单管沿周平均对流换热系数w/m2。 Q单管与空气间的对流换热量，它等于装在管子上的电加热器的功率，单位为W A单管的外表面积，m2；ADL，D为管子外径（单位为m，可选不同D的管子实验），L为加热部分的管长，L=0.1m wt,管外壁温度，f t,空气温度，实验中只要测出电加热器功率及管外壁温度wt及空气温度ft即可按（41）式算出空气槽掠单管时的平均对流换热系数。 2、空气横掠单管时准则方程式测定根据传热学教科书，强迫对流换热准则方程的一般形式为Pr)(Re,1fNu?(4-2)对本实验来讲，流体为空气，实验中空气温度变化不大，因此（42）中的Pr可视为一个常数，这样（42）式变为(Re)2fNu?(4-3)经验表明（43）式可以写成指数形式，即nuRe?(4-4)实验中只要测出常数C及指数n，就得到了空气槽掠单管的准则方程具体形式。 C、n的测定方法是对（44）式两边取对数，得Relnlnlnnu?(4-5)（45）式在ln Nu-lnRe的坐标图上是一条直线。 该直线的斜率即为n值，截距即为lnC值，从而得以C、n值。 具体做法是实验中改变单管外径D值或改变空气流速u值，每改变一次得到一个雷诺数为常数空气运动黏度vvuD?Re，同时得到一个值（按前述方法测定），可算出一个Nu值?DNu?，空气导热系数值实验中为常数）。 这样每改变一次D值或v值，就得到一组（Re、Nu），把它描在lnNulnRe图上就得到一个点，改变若干次就在图上得到若干点，连接这些点得到一条直线，然后求出这条直线的斜率和截距就得到n、C值。 C、n值的具体计算可有多种方法，本实验要求用最小二乘方法确定。 三、实验装置实验时，在风机的抽吸下，室内空气经进风口（可调节进风口面积以改变空气流速），风机、风箱、有机玻璃风道流向室内，单管试件就安装在有机玻璃风道内，这样就造成了空气槽掠单管的流动。 试件为一薄壁不锈钢圆管。 试件上有电加热器对试件低电压大电流（直流）加热，此热量被横掠试件的空气带走。 加热段ab长度为L=0.1m，试件外径D对每组实验来讲是固定不变的，但空气流速可以通过进风口进风截面大小来调节。 试件的低压大电流由奎直流电源供缎带。 加热功率在不同风速下是相同的。 为确定试件壁温tw，在试件中埋有铜康铜热电偶的测量端（热端），热电偶的冷端就置于空气流中。 由空气流的温度（就等于室温）可从热电偶分度表中查得)0,(f tE值，而由电位差计可测得热电势),(fwttE值，)0,(wtE值按下式算出)0,(),()0,w(ffwtEttEtE?最后根据)0,(wtE值查热电偶分度表得到wt值。 （因为试件很薄，仅0.20.3mm，且内壁绝热，故查出的温度值就是单管外壁温度wt）横掠单管的空气流速由毕托管和倾斜倾压计测出。 对毕托管的全压孔1中驻点（图中2点，参数用下角标“0”表示）和静压孔（图中3点）列伯努利方程（见图42），有gugpZgugpZ2222000?由于0z=Z，0u=0，故有2021uppp?pu?2（式中?为空气密度）p由倾斜微压计读出。 测量中读出的是倾斜微压计的倾斜管液柱长H（mm）。 考虑到斜管的倾斜角以及将液柱密度（倾斜微压计中液体是煤油）折合成水柱密度等因素，读出的H值应当乘以斜压计的倍率。 本实验中斜压计倍率为0.2，故实际压差高度为h?=0.2H。 压差（?为水的密度）。 这样空气流速计算式变为1p L3d（810）d32dp p0毕托静压管?21000/hg?u?取水的密度?=10003/mkg，则上式最后变为?hgu?2(4-6)式中h?,为mmH2O.?为空气密度（由空气温度查表）为了使一台电位差计能测出试件工作电压、工作电流及热电偶热电势，实验装置中设置了转换开关。 四、实验步骤 1、阅读实验指导书，熟悉本实验的实验装置与测试仪表。 2、将单管试件安装在风道中（每实验小组单管直径不变，Re的改变通过改变进风口的流通面积大小实验，实验中进风口面积改变五次，也即可调五个空气流速）。 3、启动风机（即接通电源），将风机进风口面积调节至适当大小，待工况稳定后进行测量。 4、用电位差计（通过转换开关）测出试件的电压降（读数为mV）。 5、用电位差计（通过转换开关）测出试件的工作电流（读数为mV）。 6、用电位差计（通过转换开关）测出试件表面热电偶的热电势单位 7、读出倾斜微压计的斜管液面长度H（mm）。 8、调节进风口进风面积，调好后重复47的操作步骤。 9、实验结束，关闭电源。 五、最小二乘方法求C、n为书写方便起见，令（45）式中bCxyNu?ln,Reln,ln,（45）式变为bnXy?(4-7)实验得到N组（Re、Nu）就有N组（y、x）。 将每一组y、x记为yi,xi(i=1N)设每一次实验得到的yi值与按bnxyi?算出的y值之差为).(?yyiii?bnxyyyiiii?22i)(bnxyii?在0,012i12i?i?ibnNN?时求出的n、b值可使误差最小。 由上面二个偏导数等于零可得到?i?i?i?i?NNiiNiiNiNiiyNbXnYXXbXn111112(4-8)因此只要算出?NiiX12,?NiiX1,?i?NiiYX1,?i?Niy1,四个值，并代入（48）式就可解出n、b值，然后由Cbln?求出C值，这样就求出了准则方程的具体形式。 说明1）由于每个实验小组只测出五组（Re、Nu）数据，实验数据的组数不够，因此必需把本班另一实验小组的五组数据取来，然后由最小二乘方法求出C、n值。 2）C、n值的参考数值为Re=440C=0.821n=0.385Re=404000C=0.615n=0.466Re=400040000C=0.174n=0.618Re=40000250000C=0.0239n=0.805实验三微元表面dA1到有限表面A2的角系数测量实验 一、实验目的 1、加深对角系数物理意义的理解，学习图解法求角系数的原理和方法； 2、掌握角系数测量仪(即机械式积分仪)的原理和使用方法； 3、用角系数测量仪测定微元表面dA1(水平放置)到有限表面A2(A2为矩形、垂直放置)的角系数21A?dAF。 二、图解法求角系数原理角系数21A?dAF是dA1发射的辐射能落到A2上的能量的份额。 设dA1为黑体，则dA1发射的辐射能为dQb=dA1Eb1（Eb1为dA1的辐射力）；若落到A2上的,21,AdAbdQ?则有121211,bAdAbAdAEdAdQF? （1）根据定向辐射强度定义，21,AdAbdQ?可表示为111,121?d?dACosIdQbAdAb? (2)式中Ib1dA1的定向辐射强度，?11bbEI?1?dA2上的微元面积dA2对dA1所张的立体角dA1Cos1?dA2上所看到的发射面积(可见发射面积)1?dA1与dA2的连线与dA1的法线间夹角 (2)式中有关符号的意义见图1。 图解法求角系数的具体方法是以dA1为球心，作一个半径为R的半球面(见图1)，再从dA1中心向dA2的周线上各点引直线，这些直线与球面的交点形成的面积记为dAs，显然dAs对dA1所张的立体角也是1?d，于是1?d，可用球面上的dAs来计算，结果是,21RdAd?s?代入 (2)式得2112111,121RdAdACosERdAdACosEbdQSbSAdAb? （3）图1角系数FdA1-A2图解原理从dA1中心到A2的周线上各点作直线，这些直线在球面上截出的面积记为As，则有dAdACosEdQ2,121?ssAsbdSbAdAbRdA2CosdAER11111? （4） (4)式中Cos1?dAs正好是球面上的面积dAs在水平面上投影面积dAsp，于是 (4)式可改为2121,1121RAdAERdAdAEdQspbAspbAdAbsp? （5）式中Asp为球面上面积As在水平面上投影面积。 把 (5)式代入 (1)式可得221RAFspAdA? （6） (6)式便是图解法求角系数的原理式。 根据 (6)式，图解法求角系数21AdAF?时，只要以dA1为球心作一个半径为R的半球面，再从dA1中心向A2周线上各点引直线，各直线在球面上截出的面积为As，最后将As投影到半球底面上得投影面积Asp，测量出Asp大小，就可按 (6)式求出角系数21A?dAF。 上述推导中曾假定dA1为黑体，实际上在一定的假定条件下 （6）式对灰体也成立。 三、角系数测量仪结构和测角系数21AdAF?的原理及方法角系数测量仪是根据图解法原理测微元表面到有限表面角系数的机械式积分仪。 本实验中用的是SM1型机械式积分仪，它的基本结构见图2。 主要有立柱、滑杆、平行连杆、镜筒、记录笔、平衡块、镜筒上的瞄准镜、底座、方位角旋钮、高变角旋钮等组成。 图2SM-1型角系数测量仪结构图图3为SM-1角系数测量仪示意图。 立杆1垂直于水平面MN于B点。 立杆可绕其轴线旋转，以带动滑杆2旋转。 滑杆2通过两根长度皆为R的平行连杆a、b保持与MN垂直。 连杆a即是测量仪的镜筒，A点为假想的球心(dA1)。 滑杆2的下部为记录笔3。 当镜筒上的C点对准A2周线扫瞄时，滑杆2可以旋转和上、下移动(对A2的