工程热力学实验指导书.docx
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工程热力学实验指导书
《工程热力学》
实验指导书
朱永甫编
闽南理工学院土木与建筑工程系
2012年11月
前言
一、实验的内容
《工程热力学》建筑环境与设备专业的专业基础课之一。
工程热力学实验教学属于专业基础课实验教学，是与《工程热力学》课程相互补充的实践教学环节。
工程热力学实验教学是培养学生观察和运用所学知识去分析解决实际问题的一个重要教学过程，它与课堂教学相辅相成，是理论教学的补充。
通过本实验教学，培养学生分析测试系统和从事科学试验的初步能力。
本课程安排2个实验，各两学时：
1二氧化碳气体P-V-T关系的测定；2喷管中气体流动基本特性试验。
学生必须掌握二氧化碳气体P-V-T关系以及实验测定的方法；理解喷管中气体流动基本特性及其测量原理、观察气体在不同流管中的流动特性。
掌握设计实验的思路，现场分析产生误差的物理原因及降低误差的手段。
实验结束后要总结整理结果，写出实验报告。
报告末尾必须有学生新建议和新想法的内容，以反映学生主动参与的态度和教师及时归纳年轻人的新思想的工作作风。
实验内容具体包括以下三个方面：
1、二氧化碳气体P-V-T关系的测定
⏹了解CO2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识。
⏹巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解。
⏹掌握CO2的P-V-T间关系测定方法。
观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的气液突变现象，测定等温线和临界状态的参数。
2、喷管中气体流动基本特性试验
⏹通过实验观察并测定空气流在喷管中的压力及流量的变化规律，了解喷管中气体流动的基本特性。
⏹加深气体在喷管中流动时临界现象的理解。
⏹观察了解气体在渐缩形和渐缩渐扩形不同形式的喷管中流动的特点。
工程热力学是常将实际问题抽象为理想模型，再由科学假设推导出一般性结论和公式的一门综合学科。
但是这些假设和结论是否正确，理论公式能否应用于实际之中，必须通过实验来验证。
二、实验要求
通过实验，使学生学会测试方法，实验设备和仪器的使用，实验数据的测取与处理，验证状态参数之间的关系机理，并把理论与实验结果进行对比，根据理论判断实验得到的规律是否正确。
实验过程中，要求学生自己动手操作，记录好数据，注意观察实验中的一些现象，对引起误差的因素进行分析，注意培养学生严谨的科学态度。
工程热力学实验教学属于专业基础课实验教学，是与《工程热力学》课程相互补充的实践教学环节。
工程热力学实验教学是培养学生综合运用所学知识去分析解决实际问题的一个重要教学过程，它与课堂教学相辅相成，是课堂教学的继续、深化和检验，同时也是学生所受到的工程师综合训练的一个重要组成部分。
通过本实验教学，为学生解决工程实际问题和培养研究开发能力奠定良好的基础。
通过工程热力学实验训练，达到如下目的：
1、掌握本实验课的安全规则，遵守实验室纪律；
2、认真完成实验、独立完成实验数据的处理、回答指导教师提出的相关问题、认真写出实验报告；
3、了解实验装置的结构、掌握基本工作原理、并能独立的具体布置实验装置；
4、对实验结果进行分析、并能学会从实验的各个环节分析和研究引起实验测试数据过大或失真的各种影响因素，找到改进实验的方法，并提出个人见解。
具体要求如下：
⏹实验前的准备工作
实验课前，每位学生都必须进行充分的预习和实验准备，明确本次实验目的、原理和实验步骤，了解所使用的试验机、仪器等的基本构造原理，熟悉实验规则和仪器设备的操作规程，拟定好加载方案，并应写出预习报告。
实验小组成员应明确分工，以便在实验中分别进行受力、变形等参数的记录。
⏹进行实验
实验过程中应精心操作，细心观察，测量和记录各种实验现象和数据。
若出现异常现象应及时报告实验指导老师，并作好原始记录。
⏹撰写实验报告
在实验结束时要及时编写实验报告。
实验报告包括：
实验名称、实验日期、实验者及同级组人员、实验目的及装置、使用的仪器设备、实验原理及方法、实验数据及其处理、计算和实验结果分析。
实验一二氧化碳气体P-V-T关系的测定
一、实验目的
1.了解CO2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识。
2.巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解。
3.掌握CO2的P-V-T间关系测定方法。
观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的气液突变现象，测定等温线和临界状态的参数。
二、实验任务
1．测定CO2气体基本状态参数P-V-T之间的关系，在P—V图上绘制出t为20℃、31.1
℃、40℃三条等温曲线。
2．观察饱和状态，找出t为20℃时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。
3．观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数。
4．根据实验数据结果，画出实际气体P-V-t的关系图。
三、实验原理
1.理想气体状态方程：
PV=RT
实际气体：
因为气体分子体积和分子之间存在相互的作用力，状态参数（压力、温度、比容）之间的关系不再遵循理想气体方程式了。
考虑上述两方面的影响，1873年范德瓦尔对理想气体状态方程式进行了修正，提出如下修正方程：
（1）
式中:
a/v2是分子力的修正项；
b是分子体积的修正项。
修正方程也可写成:
（2）
它是V的三次方程。
随着P和T的不同，V可以有三种解：
三个不等的实根；三个相等的实根；一个实根、两个虚根。
1869年安德鲁用CO2做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩CO2并测定p与v，得到了P—V图上一些等温线，如图1所示。
从图中可见，当t>31.1℃时，对应每一个p，可有一个v值，相应于
（1）方程具有一个实根、两个虚根；当t=31.1℃时，而p=pc时，使曲线出现一个转折点C即临界点，相应于方程解的三个相等的实根；当t<31.1℃时，实验测得的等温线中间有一段是水平线（气体凝结过程），这段曲线与按方程式描出的曲线不能完全吻合。
这表明范德瓦尔方程不够完善之处，但是它反映了物质汽液两相的性质和两相转变的连续性。
2．简单可压缩系统工质处于平衡状态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定的关系，可表示为：
F（P，V，T）=0
或
v=f（P,T）
可见，保持任意一个参数恒定，测出其余两个参数之间的关系，就可以求出工质状态变化规律。
如维持温度不变，测定比容与压力的对应数值，就可以得到等温线的数据。
图1二氧化碳的Ｐ-Ｖ-t关系
四、实验设备
实验设备：
由压缩室本体、恒温器及活塞式压力计组成，如图2所示。
活塞式压力计：
由手轮带动活塞杆的进退调节油压，提供实验中所需的压力。
恒温器：
提供恒温水，用恒温水再去恒定CO2的温度。
保持实验中在不同等级的等温过程中进行。
图2实验装置系统
压缩室本体：
压缩气体的压缩室本体由一根玻璃毛细管和水银室组成，如图3所示。
预先刻度和充气的玻璃毛细管1插入水银室2中，再打开玻璃管下口。
实验时，由恒温器提供的恒温水，从 1－压缩室本体2—活塞式压力计
实验台本体玻璃水套下端进口流入，上端 3－恒温器
出口流出，反复循环。
玻璃恒温水套维持了毛细管内气体温度不变的条件，由于水套上的温度计误差太大，用恒温器上的精密温度计来代替，可以近似认为玻璃管中所存的CO2温度与此温度相同。
实验中要缓缓转动活塞式压力计的手轮，逐渐增大压力油室3中的油压，使毛
细管内的CO2气体压缩。
透过玻璃管可以看到气体的压缩过程。
CO2气体压缩时所受压力是由压力台上的压力表读出，气体的体积V由毛细管上的刻度读出，再经过换算得到。
五、实验步骤
1．首先恒温器接通电源，开动电力泵，使系统水进行循环对流。
2.旋转电接点温度计的顶端幅形磁铁，调整实验中所规定的恒定温度。
3．开始加热，观察恒温器上精密温度计，若其温度计读数与电接点温度计标定的温度一致时，则可近似认为玻璃管中CO2的温度处于标定的温度。
4.开始加压，应缓缓地前进活塞螺杆加压，并注意观察CO2受压后的各种现象。
5.进行记录实验中的各种数据、状态。
6.当需要改变温度时，重复上述步骤。
六、注意事项
1.恒温水的温度应稳定足够长的时间，使毛细管内外的温度均衡后再开始测量数据。
2.增大油压时，使毛细管内水银面缓缓上升，要保持缓慢压缩。
3.维持温度不变，调整若干次压力，压力间隔一般可取5bar左右，在接近饱和状态或临界状态时应取0.5bar。
4.除t=20℃时，须加压至绝对压力为102bar（100ata）外，其余各等温线均在50～90间测出h值，绝对不允许表压超过102bar。
5．实验结束卸压时，应使压力逐渐下降，
不得直接打开油杯阀门卸压。
图3压缩室本体示意图
1—玻璃毛细管2—水银室 3—压力油室
4—温度计 5—恒温水套6．实验完毕将仪器擦净，恢复原状。
七、实验数据整理
1．CO2比容的确定
实验中由于CO2的质量m不便测定，承受玻璃的内径d也不易测准，因而只能用间接方法确定V值：
因为二氧化碳在20℃，100ata（102bar）时，比容
即：
Vco2（20℃，100ata）=
因为
（常数）
则任意情况下二氧化碳的比容：
所以，只要在实验中测得t=20℃,p=100ata时的h0值，计算出k值后，其它任意状态下的比容V值均可求得。
2．列数据表及绘制P-V图。
实验数据计算整理后，绘制出实际CO2气体P-V的关系图。
八、实验报告的要求
1．简述实验目的、任务及实验原理。
2．记录实验过程的原始数据（实验数据记录表）。
3．根据实验得出的数据结果，计算整理并画出二氧化碳P-V-t的关系图。
九、思考题：
1．为什么加压时，要足够缓慢地摇动活塞杆而使加压足够缓慢进行？
若不缓慢加压，
会出现什么问题？
2．卸压时为什么不能直接开启油杯阀门。
表1实验数据记录表
t=20℃
t=31.1℃
t=40℃
表压
p
高度
h
观察现象
表压
p
高度
h
观察现象
表压
p
高度
h
观观察现象
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
99
实验二喷管中气体流动基本特性试验
一、实验目的
1.通过实验观察并测定空气流在喷管中的压力及流量的变化规律，了解喷管中气体流动的基本特性。
2.加深气体在喷管中流动时临界现象的理解。
3.观察了解气体在渐缩形和渐缩渐扩形不同形式的喷管中流动的特点。
二、实验原理
气体在喷管的流动过程中，气体的状态参数P、V，流速C和喷管截面积f之间的基本关系可用下面三个方程表示：
（1）
式中：
M为马赫数，是表示气体流动特性的一个重要特性值。
M<1时，表明气体流速小于当地音速，M>1时，气体流速大于当地音速，气体作超音速流动。
方程指出：
气体流经喷管时，压力降低，流速增大，喷管的截面积亦随之变化，而喷管的截面变化情况则取决于Ｍ值．
1）当气流流速小于音速（即Ｍ<1）时，欲使流速增大，喷管截面应该是收缩的；
2）当气流流速大于音速（即Ｍ>1）时，喷管截面应该是扩放的；
3）当流速等于音速时，喷管截面最小，此处正是气流流速由亚音速过渡到超音速，喷管由收缩形过渡到扩放形的转折点。
这点的参数称为喷管的临界参数，用脚码C表示，如临界压力PC、临界流速CC等等。
1．渐缩喷管
气体流经喷管的膨胀程度可以用喷管的背压P2与进口压力P1之比β表示。
称为压力比。
而气体在渐缩喷管中膨胀所能达到的最低压力，是使喷管出口的气流速度达到当地音速的压力，即临界压力PC。
所以，气流在渐缩喷管中流动时最大膨胀程度决定于临界压力比βC。
（2）
并且临界压力比只和气体的绝热指数K有关。
对于空气等双原子气体K=1.4，βC=0.528，
PC=0.528P1。
不同压力比的工况下，气流在喷管中流动时的膨胀情况如图1所示。
图中绘出三组曲线。
图1渐缩喷管中压力分布图-2渐缩喷管的流量曲线
1—P2=PC；2，3，4—P2>PC
5—P21）曲线1：
压力比等于临界压力比（β=βC），即背压等于临界压力（P2=PC），气体在喷管中可以由入口压力P1一直膨胀到出口背压PC，即进行了最充分的完全膨胀。
这时，喷管出口的气流流速达到当地音速的数值。
2）曲线2、3、4：
压力比大于临界压力比（β>βC），即背压大于临界压力（P2>PC），气体在喷管中也可以由P1一直膨胀到P2，但喷管出口的气流流速未达到当地音速的数值。
3）曲线5：
压力比小于临界压力（β<βC），即背压低于临界压力（P2此时，喷管的出口气流流速仍为当地音速。
通过渐缩喷管的气体质量流量m与压力比β（P2/P1）有关，计算公式为：
（3）
式中：
K—绝热指数；
f2－喷管的出口截面积[m2]；
v1—喷管进口截面上气体的比容[m3/kg]；
P1，P2—喷管进出口截面上气体压力和背压[Pa]；
上式适用于P2≥PC的情况。
当P2=PC时，上式可根据式
（2）的关系整理成为：
（4）
再将k=1.4代入此式，则可将进一步化简为：
或
（5）
（5）式表示，喷管的最大质量流量值决定于喷管进口的气体状态，当背压自临界压力继续降低时，喷管的流量将保持最大值而不再变化。
在进口气体状态不变时，渐缩喷管通过的质量流量与压力比的关系如图2所示。
2渐缩渐扩喷管（拉伐尔喷管）
当压力比低于临界压力比（β<βC）时，应采用渐缩渐扩喷管，以获得超音速气流。
气体在渐缩渐扩喷管中流动时的膨胀情况可由图3所示的三组压力分布曲线表明。
曲线1：
喷管在设计条件下工作，气流在喷管中由入口压力膨胀至背压，即气流得到完全膨胀。
在最小截面上，压力为临界压力、气流达到临界流速。
在渐扩段转入超音速流动。
曲线7：
喷管在非设计条件下工作。
此时，喷管的实际背压低于设计值，气流发生膨胀不足，在喷管内气流仍可如设计条件一样（如曲线1），由入口压力膨胀至设计背压值，当气流一离开出口截面就发生突然膨胀，压力降低到实际背压值。
这部分管外突然膨胀使气流损失了一部分动能图3渐缩渐扩喷管中的压力分布
曲线2、3、4：
喷管在背压高于设计背压的 １－在设计条件下工作的压力分布图；
非设计条件下工作。
此时气流膨胀过度，气流在 ２，3，4，5，6—膨胀过度时压力分布图喷管中膨胀到比外界（实际）背压低的压力，而7—膨胀不足时喷管出口出现的突然膨胀。
后由该截面至出口截面气流发生压缩过程，使出
口截面压力提高到外界背压而排出。
喷管中开始发生压缩的（截面）位置随背压的提高而向最小截面方面移动。
当背压提高到某一数值P2c时，喷管中开始出现压缩过程的位置发生在最小截面，如曲线4。
曲线5、6：
如果再继续提高背压（P2>P2C），喷管最小截面上的压力就不再保持临界压力，而随背压的升高而升高。
这时气体在最小截面之前（即渐缩段）的膨胀情况也受背压改变的影响，各截面上的压力值均随背压的升高而升高。
渐缩渐扩喷管也有像渐缩喷管一样图形的流量曲线，当β≤βC时，出现最大流量。
此时最大流量值仍可用式（4）计算，只是将式中的f改为fmin。
即：
（6）
三、实验设备
实验装置由实验台本体、真空泵及电测仪器三部分组成。
本体结构如图4所示。
图4实验台总结构图
实验段（喷管）5用有机玻璃制成，有渐缩、渐缩渐扩两种形式，如图1、图3根据实验要求进行装换。
图中绘出了喷管各部分的尺寸。
空气由吸气口2经进气管1进入喷管，喷管入口的气体状态由大气压力计及室温表测量，气体流量用进气管道上的孔板流量计3测量。
喷管排气道中的压力P2用真空表10测量。
喷管各截面上的压力用探针7测取，转动探针移动机构9的手柄，可以移动探针测压孔的位置，测量的压力值由真空表8读取。
喷管排气管道中的压力P2用调节阀11控制。
气罐12起稳定喷管背压的作用。
为了减少震动，气罐与真空泵之间用软管13连接。
电测仪器包括：
负压传感器、压差传感器、位移电位器、直流稳压电源、示波器及函数记录仪。
实验时，通过负压传感器和位移电位器，分别将真空表、∪型管压差计以及测压探针测定的压力或压差转换成电讯号，再用示波器、函数记录仪显示，绘出实验曲线。
四、实验内容及步骤
1．实验内容：
由实验中观察到的现象和观察中测定的数据绘出两组曲线：
（1）以压力比为纵坐标，探针测压孔位置为横坐标，绘制不同工况时喷管内的压力分布曲线。
（2）以流量为纵坐标，压力比为横坐标，绘制流量曲线，确定临界压力比，并根据测定的参数与公式计算出来的理论曲线进行比较。
2．实验步骤：
（1）装好喷管，对真空泵进行开车检查，使转动系统，油路系统及水系统处于正常状态。
（2）将测压探针传出的位移信号X输入示波器或记录仪的X轴，把负压传感器输出的压力信号P输入Y轴。
（3）选定若干个背压值，使喷管轮分别处于超临界、临界、亚临界的工况，每当实验装置调整稳定在某一实验工况时，摇动手轮，使测压孔（X）自喷管进口逐步移至出口之外一段距离，并测取每个X所对应的压力值，这样就可以得到在不同背压工况下，压力沿喷管轴向各截面上的压力分布图形。
（4）当背压低于临界压力PC后，将探针置于喷管出口截面位置，这时降低背压，观察出口截面的压力值（压力不变）
（5）将传感器输出切换开关拨向“流量”一侧，即压力信号输入X轴，压差传感器输出的流量信号m输入Y轴，改变调节阀开度，调节背压，使背压值自入口压力值开始降低，流量m相应自零开始逐渐增大，当背压降至临界压力PC再继续降低时，流量m将保持不变，说明气流达到最大流量mmax（参照图2）
图5渐缩喷管实验段图6渐缩渐扩喷管实验段
五、数据整理
实验中所需压力、流量等各数据，测量方法如下：
1．压力：
喷管入口的压力P1根据大气压力计和∪型管压差计读数确定如下：
mmHg（7）
N/m2（8）
式中：
B—大气压力计读数[mmHg]
H—压差计读数[mmHg]
另外，P1也可以将探针置于喷管入口位置直接由真空表读出。
2．背压P2和喷管各截面的压力用排气管上的真空表与探针相连通的真空表测量，并根据式（7）的关系确定。
此时式中的H为真空表读数。
（实验段均处于真空状态，喷管临界状态时，背压的真空度为PC=B-βC（B—H）。
式中H为真空表读数）。
3．喷管截面位置X：
根据探针移动机构上的位置指针指示的位置确定。
4．流量：
根据孔板压差计读数，由所用孔板的流量校验曲线查取。
5．实验中，每测取一次数据时，应读取和记录喷管入口的压力和温度、孔板压差、背压、探针测压孔的位置X和所测得的压力以及大气压力值。
6．将实验记录及整理计算的数据列于表1和表2中。
六、实验报告要求
1．简述实验目的及实验原理。
2．实验数据整理：
数据的原始记录、流量随背压变化的关系曲线（m—P2曲线）、喷管中压力分布曲线（P—X曲线）。
3．结果分析：
实验测定的结果与理论计算值之间、实验绘制的曲线与示波器显示的曲线之间的异同点，及产生差异的原因。
表1喷管实验记录
喷管形式
主要参数
最小截面积
（喉部尺寸）
喷管入口压力P1
喷管背压P2
喷灌流量
真空度
〔mmmHg〕
绝对压力
〔mmmHg〕
真空度
〔mmmHg〕
绝对压力
〔mmmHg〕
孔板压差△P
〔mmH2O〕
m〔Kg/s〕
示
波
器
显
示
曲
线
m↑
〔Kg/s〕
∟
--→P1/P2
临界压力Pc
〔Pa〕
计算值
〔mmmHg〕
实测值
〔mmmHg〕
最大流量
mmax
〔Kg/s〕
计算值
孔板压差△P〔mmH2O〕
mmax=〔Kg/s〕
实测值
mmax=〔Kg/s〕
表2喷管实验记录
喷管形式
喷管截面至入口
距离
X〔mm〕
P2＜Pc
P2=Pc
P2＞Pc
P2=
P2=
P2=
真空度
〔mmmHg〕
绝对压力
〔mmmHg〕
真空度
〔mmmHg〕
绝对压力
〔mmmHg〕
真空度
〔mmmHg〕
绝对压力
〔mmmHg〕
入口
5
10
15
20
25
30
35（出口截面）
45
示
波
器
显
示
曲
线
Pb↑
（bar）
∟---------------------→X〔mm〕
实
验
情
况
分
析
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