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文档简介
1、实验一 二氧化碳临界状态观测及p-v-T关系测定实验指导书一、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。二实验原理在准平衡状态下,气体的绝对压力p、比容v和绝对温度T之间存在某种确定关系,即状态方程: 理想气体的状态方程具有最简单的形式:实际气体的状态方程比较复杂,目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来,虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映p
2、、v、T之间关系的实际气体的状态方程。因此,具体测定某种气体的p、v、T关系,并将实测结果表示在坐标图上形成状态图,乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系,故具体测定时有必要保持某一个状态参数为定值,本实验就是在保持绝对温度T不变的条件下进行的。三、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=35)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CO
3、2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。四、实验设备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(如图一所示)。试验台本体如图二所示。其中1高压容器;2玻璃杯;3压力机;4水银;5密封填料;6填料压盖;7恒温水套;8承压汞容器;9CO2空间;10温度计。、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: 或 (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,由压力台送来的压力由压力油进入高压容器和玻璃杯上半部,迫使
4、水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管,CO2被压缩,其压力和容器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,由装在压力台上的压力表读出(如要提高精度,可由加在活塞转盘上的平衡砝码读出,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二氧化碳柱的高度来测量,而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件来换算得出。 图一 试验台系统图 图二 试验台本体五、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。2恒温器准备及温度调节:(1)把水注入恒温器内,注至离盖3050mm。检查并接通电路,开动电动泵,使
5、水循环对流。(2)在温度控制器AL808E的控制面板上通过上下键设定好实验用的温度。(3)此时控制面板上视水温情况,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)观察玻璃水套上的温度计,若其读数与恒温器上的温度计及电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)当所需要改变实验温度时,重复(2)(4)即可。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
6、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,开启压力台上油杯的进油阀。(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。特别应注意以下情况,如螺杆已推进到极限位置,而压力尚未达到所需值,必须再一次抽油加压,此时要严格按以下程序操作,先关油路控制阀;再开油杯进油阀,使压力表压力降至0;关压力表控阀,倒退螺杆抽油至极限位置;然后关油杯进油阀,开压力表控制阀,推进螺杆逐渐加压直
7、到刚才所建立的油压时才能开油路控制阀(在此以前油路控制阀决不能开!),进一步加压。(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、精度。(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V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时的比容V(20,9.8Mpa)=0.00117M3。b)实际测定实验台在20,
8、9.8Mpa时的CO2液柱高度h0(m)。(注意玻璃管水套上刻度的标记方法)c)V(20,9.8Mpa)= 其中:K即为玻璃管内CO2的质面比常数。所以,任意温度、压力下CO2的比容为: (m3/kg)式中,h=h-h0h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时的定温线。(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,以保证定温条件。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
9、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。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。临界温度指气体能通过加压压缩成液态的最高温度,当温度高于临界温度时,无论加多大的压力也不能使气体液化。理论上CO2的临界温度是31.1,故实验时温度在此附近时,通过不断地加压能看到某一压力(理论上是7.52MPa,实验误差等影响可能是在其附近)看到水银柱上面出现少许白雾(液化)随后加压白雾消失,无论再怎么加压也不会出现液化现象。当实验温度低于31.1
10、时,一直加压会出现少许液体,这是气液共存现象。当温度高于31.1时,无论怎么加压也不会出现液化现象,当然如果此时忽然卸压会出现少许液化,这是因为突然降压,绝热降温造成的。7测定高于临界温度t=35时的定温线。将数据填入原始记录表1。六、注意事项1除t=20时,须加压到绝对压力10MPa(表压9.9MPa)外,其余各等温线均在59MP间测出h值,表压不得超过10MPa,温度不应超过60。2一般压力间隔可取0.20.5MPa,接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。3加压过程应足够缓慢以实现准平衡过程,卸压时应逐渐旋转压力泵手柄,决不可直接打开油杯阀卸压!4实验完毕将仪器设备擦净。将原始记录交
11、指导教师签字后方可离开实验室。5遇到疑难或异常情况应及时询问指导教师,不得擅自违章处理。七、实验结果处理和分析1按表1的数据,如图三在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三所示的标准等温线比较,并分析它们之间的差异及原因。 CO2等温实验原始记录 表1t=20t=31.1(临界)t=35p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/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产生误差的原因。临界比容vcm3/Kg 表2标准值实验值0.00216 图三 标准曲线实验二 中温辐射时的物体黑度的测试指导书一、实验
12、目的用比较法,定性地测量中温辐射时物体黑度。二、原理概述由n个物体组成的辐射换热系统中,利用净辐射法可求物体i的纯换热量Qnet,i (1)式中:Qnet,ii面的净辐射换热量;Qabs,ii面从其他表面的吸热量;Qe,ii面本身的辐射热量;ii面的黑度;Xj,ij面对i面的角系数;Jjj面有效的辐射力;Ebii面的黑体辐射力; i面的吸收率;Aii面的面积。根据本实验的设备情况,可以认为:1、热源1、传导圆筒2为黑体。2、热源、传导圆筒2、待测物体(受体)3表面上的温度均匀(图1)。图1 辐射换热简图1热源 2传导圆筒 3待测物体因此,公式(1)可写成:Qnet,3=3(Eb1 A1X1,3
13、+ Eb2 A2X2,3)3Eb3 A3因为A1= A3;3=3;X3,2=X1,2 又根据角系数的互换性A2X2,3=A3X3,2 ,则待测物体单位面积上的净辐射换热量为:q3=Qnet,3/A3=3(Eb,1X1,3+ Eb,2X1,2)3Eb,3= 3(Eb,1X1,3+ Eb,2X1,2Eb,3) (2)由于受体3与环境主要以自然对流方式换热,则:q3=(t3tf) (3)式中:待测物体表面传热系数;t3待测物体(受体)温度;tf环境温度由(2)、(3)式得: (4)当热源1和传导圆筒2的表面温度一致时,Eb1=Eb2 ,而且热源1、传导圆筒2和待测物体3组成封闭系统,则:X1,3+X
14、1,2=1由此,(4)式可写成: (5)式中b称为斯蒂芬玻尔兹曼常数,其值为5.6710-8w/m2k4。对不同待测物体(受体)a、b的黑度为:;设,则: (6)当b为黑体时,b1,(6)式可写成: (7)三、实验装置实验装置简图如图2所示:图2 实验装置简图3、数显温度计 4、接线柱 5、导轨 6、热源 7、传导体 8、受体 9、导轨支架 10、热源及中间体电压表 11、接线柱 12、调压旋钮13、测温接线柱(红为+)14、电源开关热源腔体具有一个测温电偶,传导腔体有二个热电偶,受体有一个热电偶,它们都可过琴键转换开关来切换。四、实验方法和步骤本实验仪器用比较法定性地测定物体的黑度,具体方法
15、是通过对三组加热器电压的调整(热源一组,传导体二组),使热源和传导体的测量点恒定在同一温度上,然后分别将“待测”(受体为待测物体,具有原来的表面状态)和“黑体”(受体仍为待测物体,但表面薰黑)两种状态的受体在恒温条件下,测出受到辐射后的温度,就可按公式计算出待测物体的黑度。具体步骤如下:1、热源腔体和受体腔体(使用具有原来表面状态的物体作为受体)靠紧传导体。2、接通电源,调整热源、传导左、传导右的调温旋钮,使热源温度在50至150范围内某一温度,受热约40分钟左右,通过测温仪表测试热源、传导体的温度,并根据测得的温度微调相应的电压旋钮,使三点温度尽量一致。3、系统进入恒温后(各测温点基本接近,且在五分钟内各点温度波动小于3),开始测试受体温度,当受体温度五分钟内的变化小于3时,记下一组数据。“待测”受体实验结束。4、取下受体,换为黑体,然后重复以上实验,测得第二组数据。将两组数据代入公式即可得出待测物体的黑度受。五、注意
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