工程热力学实验指导书(内容)

-1-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-2-目录实验一：热管换热器实验.............................1实验二：气体定压热容测量...........................4实验三：饱和蒸汽压力和温度的变化...................7-3-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。-4-三、实验台参数1、冷段出口面积Fl＝0.09²∏/4＝0.0064m22、热段出口面积Fr＝0.162＝0.0256m23、冷段传热表面积fl＝0.536m24、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vtl1tl2tr1tr2Ⅰ123平均Ⅱ123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。-5-（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]2tt2tttl1r2l2r1，[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℃）ⅠⅡ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。-6-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℃-7-三、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（0t）和湿球温度（wt）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：tW12式中：Ｗ－电功率（Ｗ）；t－进出口温度差（℃）；－每流过10升空气所需时间（s）。-8-4、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（1t，℃）和出口温度（2t，℃）；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：622/1622/ddrw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×103ＫＷ7、干空气流量为：)15.273(27.2910001056.73510)6.13)(1(040thBrTRVpGwggg)15.273()6.13/)(1(106447.403thBrwkg/s8、水蒸汽流量为：)15.273(06.4710001056.73510)6.13(040thBrTRVpG)15.273()6.13/(108889.203thBrwkg/s9、水蒸汽吸收得热量为：211868.4)0001167.04404.0(dttGQww1868.4)](00005838.0)(4404.0[212212ttttGwkW10、干空气得定压比热为：)()(121221ttGQQttGQCgwggttmpkJ/(kg·℃)-9-五、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？-10-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）。-11-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[％]1234562、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。-12-3、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=1004p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？