工程热力学实验指导书内容.docx
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工程热力学实验指导书内容
景德镇陶瓷学院试用教材
工程热力学
实验指导书
热工教研室编
景德镇陶瓷学院
2010年9月
目 录
实验一热管换热器实验
一、实验目的
1．了解热管换热器实验台的工作原理；
2．熟悉热管换热器实验台的使用方法；
3．掌握热管换热器换热量Q和传热系数K的测试和计算方法
二、实验台的结构极其工作原理
热管换热器实验台的结构如下图所示。
实验台由翅片热管（整体轧制）1、热段风道2、冷段风道3、冷段和热段风机4、电加热器（Ⅰ—450W，Ⅱ—1000W）5、工况选择开关（Ⅰ和Ⅱ）6、热电偶7、测温切换琴键开关8、热球风速仪（独立仪表）9、冷端热电偶接线柱10、电位差计接线柱11和支架13等组成。
1－翅片热管；2—热段风道；3—冷段风道；4—风机；5—电加热器
6—工况选择开关；7—热电偶；8—测温切换琴键开关
9—热球风速仪（图中未绘出）；10—冷端热电偶接线柱
11—电位差计接线柱；12—风速测孔；13—支架
图1－1 热管换热器实验台结构简图
热段中的电加热器使空气加热，热风经热段风道时，通过翅片热管进行换热和传递，从而使冷段风道的空气温度升高。
利用风道中的热电偶对冷、热段的进出口温度进行测量，并用热球风速仪对冷、热段的出口风速进行测量，从而可以计算出换热器的换热量Q和传热系数K。
三、实验台参数
1、冷段出口面积 Fl＝0.09²∏/4＝0.0064m2
2、热段出口面积 Fr＝0.162＝0.0256m2
3、冷段传热表面积 fl＝0.536m2
4、热段传热表面积 fr＝0.496m2
四、实验步骤
1、联接电位差计和冷端热电偶。
（如无冰条件，可不接冷端热电偶，而将冷端热电偶的接线柱短路，然后将测出的温度应加上室温）；
2、接通电源；
3、将工况开关按在“工况Ⅰ”位置，此时电加热器和风机开始工作；
4、用热球风速仪在冷、热段出口的测孔中测量风速。
（为使测量工作在风道温度不超过40℃的情况下进行，必须在开机后立即测量）。
风速仪使用方法，请参阅该仪器说明书。
5、待工况稳定（约20分钟）后，按下琴键开关，切换测温点，逐点测量冷、热段进出口温度tl1、tl2、Tr1、Tr2（参看实验台结构图）。
6、将工况开关按在“工况Ⅱ”的位置，重复上述步骤，测量工况Ⅱ的冷、热段进出口温度。
7、实验结束后，切断所有电源。
五、实验数据处理
（一）将实验中测得的数据填入下表中
工
况
序
号
风速v
冷、热段进出口热电势mv
备注
冷段v
热段v
tl1
tl2
tr1
tr2
Ⅰ
1
2
3
平均
Ⅱ
1
2
3
平均
注：
将实验所用仪器名称、规格、编号及实验日期、室温等填入上表的备注中。
（二）计算换热量、传热系数及热平衡误差
1、工况Ⅰ（450W）
冷段换热量Ql=0.24（3600Vl·Fl·pl）（tl2-tl1） [kcal/h]
热段换热量Qr=0.24（3600Vr·Fr·pr）（tr1-tr2） [kcal/h]
热平衡误差
=（Qr-Ql）/Qr %
传热系数K=Ql/fl△t[kcal/m²·h·ºC]
式中：
Vl，Vr—冷、热段出口平均风速，[m/s]
Fl，Fr—冷、热段出口段面积，[m²]
tl1，tr1，tl2，tr2—冷段、热段进出口风温（参见图示），[ºC]
ρl，ρr—冷、热段出口空气密度，[kg/m3]
fl —冷段传热面积，[m²]
，[ºC]
2、工况Ⅱ（1000W）
计算方法同上。
将上面数据整理所求得的两种工况的实验结果填入下表，并进行比较分析。
工况
冷段换热量
Ql（kcal/h）
热段换热量
Qr（kcal/h）
热平衡误差
（%）
传热系数
K（kcal/m²h℃）
Ⅰ
Ⅱ
六、思考题：
根据热力学第一定律写出热管换热器的能量方程。
实验二气体定压热容测量
气体定压比热的测定是工程热力学的基本实验之一，实验中涉及温度、压力、热量（电功）、流量等基本量的测量。
计算中用到混合气体（湿空气）方面的基本知识。
本实验的目的是增加热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，以利于培养分析问题和解决问题的能力。
一、实验目的
1、掌握气体比定压热容的测量原理及其测量装置；
2、掌握本实验中测温、测压、测热、测流量的方法；
3、掌握由基本数据计算比热值和比热公式的方法；
4、分析实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、实验原理
根据气体平均比热定压热容定义，当气体在定压加热过程中温度由t1升到t2时，其平均比定压热容值可以由下式确定：
式中：
—湿空气在定压加热过程中的吸热量，J／s；
qm—湿空气的质量流量，kg／s；
（t1－t2）—湿空气在定压加热前后的温差，℃。
湿空气是干空气和水蒸气的混合物，当湿空气中水蒸气含量较少，分压力较低时，水蒸气可以当作理想气体处理。
显然，当已知湿空气中水蒸气的吸热量Qv时，干空气的比定压热容可由下式确定：
式中：
Qp—湿空气在定压加热过程中的吸热量，J／s；
Qv—水蒸气的吸热量，J／s；
qm，a—干空气的质量流量，kg／s。
提示：
水蒸气的比定压热容可由如下经验公式确定：
式中：
tv－水蒸气的温度℃
三、实验装置
（如图2-1）所示本实验装置由风机、流量计、比热仪主体、调压器和功率表等组成。
实验时，被测空气由风机经流量计送入比热仪主体，经加热、均流、旋流、混流后流出。
比热仪主体构造如图2－2所示。
气体的流量由节流阀调节，比热仪出口温度由电加热器输入功率来控制。
比热仪可测200℃以下气体的比定压热容。
四、实验及实验数据处理步骤
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、摘下流量半上的温度计，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燥温度（
）和湿球温度（
）
3、将温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。
逐渐提高电压，使出口温度升高到预计温度。
可以根据下式预先估计所需电功率：
式中：
Ｗ－电功率（Ｗ）；
－进出口温度差（℃）；
－每流过10升空气所需时间（s）。
4、待出口温度稳定后（出口温度在10分钟之内无变化或变化微小起伏，即可视为稳定），读出下列数据：
每10升气体通过泫量计所需时间
（s），比热仪进出口温度（
，℃）和出口温度（
，℃）；当时大气压力为（B，mmＨg）和流量计出口处的表压（△h，mmＨ2Ｏ）；电热器的电功率（Ｗ，Ｗ）。
5、根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，从湿空气的干湿图查出含湿量（d，g/Kg（a）），并根据下式计算出水蒸汽的成分：
6、电热器消耗得功率可由瓦特表读出，则可得电热器单位时间放出得热量为：
Ｑ＝Ｗ×10
ＫＷ
7、干空气流量为：
kg/s
8、水蒸汽流量为：
kg/s
9、水蒸汽吸收得热量为：
kW
10、干空气得定压比热为：
kJ/（kg·℃）
五、注意事项
1、切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪主体。
2、输入电热器的电压不得超过220V，气流出口最高温度不得超过300℃。
3、加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪主体因温度骤升和骤降而破裂。
4、停止实验时，应先切断电热器。
让风机继续运行十五分钟左右（温度较低时可适当缩短）。
六、思考题：
1、试根据热力学第一定律推导出定压比热容的关系式。
2、试述定压比热容与温度的关系？
实验三饱和蒸汽压力和温度变化
一、实验目的
1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，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，沸腾便会发生的基本概念。
2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽p－t关系图表的编制方法。
3、观察小容积的饱和沸腾现象。
二、实验设备
本实验使用可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验仪（Ⅲ型）。
实验装置主要由加热密封容器（产生饱和蒸汽）、电接点压力表（0.1－0－1.5MPa）、调压器（0～220V）、电压表、水银温度计（0～220℃）、测温管（管底注入少量机油，用来传递和均匀温度）和透明玻璃窗等组成（参见图3－1）。
采用电接点压力表的目的，在于使用中能限制压力的意外升高，起到安全保护作用。
三、实验方法和步骤
1、熟悉实验装置的工作原理、性能和使用方法。
2、将调压器指针置于零位，然后接通电源。
3、将电接点压力表的上限压力指针拔到稍高于最高试验压力（例如0.8MPa）的位置。
4、将调压器输出电压调至200～220V，待蒸汽压力升至接近于第一个设定的压力值时，将电压降至20～50V左右（参考值）。
由于热惯性，压力将会继续上升，待压力达到设定值时，再适当调整电压（提高或降低），使工况稳定（压力和温度基本保持不变）。
此时，立即记录下蒸汽的压力和温度。
重复上述实验，在0～0.8MPa（表压）范围内取不少于6个压力值，顺序分别进行测试。
实验点应尽可能分布均匀。
5、实验完毕后，将调压器指针旋回零位，并断开电源。
6、记录实验环境的温度和大气压力。
四、数据记录和处理
1、记录与计算
实验序数
饱和压力[MPa]
饱和温度[℃]
误差
压力表值P’
大气
压力
B
绝对压力P=B+P’
温度计读值t’
标准值
t
△t=t-t’
[℃]
△t/t*100
[％]
1
2
3
4
5
6
2、绘制P－t关系曲线
将实验结果点在坐标中，清除特殊偏离点，绘制曲线。
3、整理成经验公式
将实验点绘制在双对数坐标中，实验曲线将基本呈一直线，所以饱和水蒸汽压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式：
t=100
五、思考题：
1、试写出水的三相点的参数？
2、试写出水蒸汽的定压过程能量方程？
3、水蒸汽的焓－熵图有哪些用处？
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