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
土木工程学院
2009年5月19日
一、气体定压比热测量实验…………………………………………………………3
二、二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系测定实验………………………………...6
实验一气体定压比热测量实验
一、实验目的和要求
1、了解气体比热测定装置的基本设备与测量原理。
2、熟悉本实验中的温度测量、压力测量、热量测量、流量测量的方法。
3、掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。
4、分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、实验装置和原理
实验装置由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成,如图1所示,比热仪主体如图2所示。
图1实验装置
图2比热仪主体
实验时,被测空气由风机经湿式气体流量计送入比热仪主体,经加热、均流、旋流、混流后流出。
在此过程中,分别测定:
室温;空气在流量计进口处的干、湿球温度(t1,t1w);气体经比热仪主体的出口温度(t2);每流过10L空气所需的时间(τ);电热器的输入功率(W);以及实验时相应的大气压(B)和流量计出口处的表压(Δh)。
有了这些数据,并查用相应的物性参数,即可计算出被测气体的定压比热(cpm)。
气体的流量由调节阀控制,气体出口温度由输入电热器的功率来调节。
本比热仪可测300℃以下的定压比热。
三、实验内容
开启风机,调节流量,使它保持在额定值附近。
调节电热器的输入功率,根据测得的室温;空气在流量计进口处的干、湿球温度(t1,t1w);气体经比热仪主体的出口温度(t2);每流过10L空气所需的时间(τ);电热器的输入功率(W);以及实验时相应的大气压(B)和流量计出口处的表压(Δh)等数据,并查用相应的物性参数,计算出被测气体的定压比热(cpm)。
四、实验步骤和数据处理
1、接通电源及测量仪表,将U型管(测量压力)安装好,将出口温度计插入混流网的凹槽中。
2、开动风机,旋转调节阀,读出每10L空气通过流量计所需时间(τ,秒),使流量保持在额定值附近。
3、调节电热器功率至某值[可以根据下式预先估计所需电功率:
,式中:
W为电热器输入电功率(W);Δt为进出口温度差(℃)——可假设从25℃加热到200℃,取n个间隔,预估出Δt];τ为每流过10L空气所需的时间(s)],连续加热进入设备的空气,记录加热后的出口温度。
4、需要记载的数据:
室温t0;比热仪进口干、湿球温度——即流量计的进口温度(t1,t1w,℃);连续变化的出口温度(t2,℃);当时相应的大气压力(B,mmHg)和流量计出口处的表压(Δh,mmH2O);电热器的输入功率(W,W)。
5、根据流量计进口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的焓湿图查出含湿量(d,g/kg(a)),并根据下式计算出水蒸气的容积成分:
6、根据电热器消耗的电功率,可算出电热器单位时间放出的热量(kcal/s):
7、干空气质量流量(kg/s)为:
8、水蒸气流量(kg/s)为:
9、水蒸气吸收的热量(kcal/s):
10、干空气的定压比热(kcal/(kg·℃))为:
11、计算举例
假定某一稳定工况的实测参数如下:
t0=8℃;
t1=8℃;
t1w=7.5℃;
B=748.0mmHg;
t2=240.3℃;
τ=69.96s/10L;
Δh=16mmH2O;
W=41.84kW;
查干湿图得d=6.3g/kg(a)(
=94%)并计算其他参数如下:
kcal/s
kg/s
kg/s
kcal/s
kcal/(kg·℃)
12、比热随温度的变化关系
假定在0~300℃之间,空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系,则由t1到t2的平均比热为:
因此,若以
为横坐标,
为纵坐标,则可根据不同的温度范围内的平均比热确定截距a和斜率b,从而得出比热随温度变化的计算式,并绘制变化关系图,如图3所示。
图3比热随温度的变化
五、实验注意事项
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。
气体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增、骤降而破裂。
4、停止试验时,应切断电热器,让风机继续运行15分钟左右(温度较低时可适当缩短)。
实验二二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系测定实验
一、实验目的和要求
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,学会用测定实际气体状态变化规律的方法。
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、实验装置和原理
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1所示。
图1试验台系统图图2试验台本体
试验台本体如图2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:
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CO2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CO2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。
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、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=50℃)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、测定CO2在低于临界温度(t=20℃)饱和温度和饱和压力之间的对应关系,并与图4中的ts-ps曲线比较。
3、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较,简述其差异原因。
四、实验步骤和数据处理
1、按图1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)关闭进入本体油路的阀门,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,先关本体油路控制阀;再开油杯进油阀,使压力表压力降至0,倒退螺杆抽油至极限位置;然后关油杯进油阀,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。
(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)由于:
v(20℃,9.8Mpa)=
所以:
其中:
——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:
式中:
——任意温度、压力下水银高度
——承压玻璃管内径顶端高度。
(注意:
此值不能遗忘)
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=50℃时的定温线。
将数据填入原始记录表1。
表1.CO2等温实验原始记录
t=20℃
t=31.1℃(临界)
t=50℃
p
(MPa)
Δh
v=Δh/K
现象
p
(MPa)
Δh
v=Δh/K
现象
p
(MPa)
Δh
v=Δh/K
现象
进行等温线实验所需时间
分钟
分钟
分钟
8、按表1的数据,如图3在p-v坐标系中画出三条等温线。
9、将实验测得的等温线与图3所示的标准等温线比较,并分析它们之间的差异及原因。
10、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图4给出的ts-ps曲线相比较。
(m3/kg)
11、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。
表2临界比容vc
标准值
实验值
vc=RTc/pc
vc=3/8
RT/pc
0.00216
图3标准曲线
图4ts-ps曲线
五、实验注意事项
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0.2~0.50MPa,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。
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