工程热力学与传热学实验指导书

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:0T,v,pF理想气体的状态方程具有最简单的形式：RTpv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、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CO2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；9—CO2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：0T,v,pF或v,pfT（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。2co2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30～50mm。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。（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。3（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℃，9.8Mpa时的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）c）∵V（20℃，9.8Mpa）=kgmmAh/00117.030∴)/(00117.020mkgKhAm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：KhAmhV/（m3/kg）式中，Δh=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℃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41．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5~9MP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0.2～0.5MPa，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=20℃t=31.1℃（临界）t=35℃p(Mpa)Δhv=Δh/K现象p(Mpa)Δhv=Δh/K现象p(Mpa)Δhv=Δh/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vc[m3/Kg]表2标准值实验值cccRTvP38cccRTvP0.002165图三标准曲线6实验二中温辐射时的物体黑度的测试指导书一、实验目的用比较法，定性地测量中温辐射时物体黑度ε。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,,,,1jnnetiabsieiijjijibiiAjQQQJXdAEA(1)式中：Qnet,i——i面的净辐射换热量；Qabs,i——i面从其他表面的吸热量；Qe,i——i面本身的辐射热量；εi——i面的黑度；Xj,i——j面对i面的角系数；Jj——j面有效的辐射力；Ebi——i面的黑体辐射力；i——i面的吸收率；Ai——i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）。23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(Eb1A1X1,3+Eb2A2X2,3)－ε3Eb3A3因为A1=A3；3=ε3；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=ε3(Eb,1X1,3+Eb,2X1,2)－ε3Eb,3=ε3(Eb,1X1,3+Eb,2X1,2－Eb,3)（2）由于受体3与环境主要以自然对流方式换热，则：q3=h(t3－tf)（3）式中：h——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：3311,321,23()fbbbhttEXEXE（4）7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+X1,2=1由此，（4）式可写成：3f3f344b1b313(tt)(tt)εEE(TT)hh（5）式中σb称为斯蒂芬——玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8w/m2k4。对不同待测物体（受体）a、b的黑度ε为：)(T)(Tε4341af3aaaaTTh；)(T)(Tε4341bf3bbbbTTh设bahh，则：44a3af13443b13TTbbbfaaTTTTTT（6）当b为黑体时，εb≈1，（6）式可写成：434143413bf3aaTTaabbfTTTTTT（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。8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