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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。建环实验指导书改-工程热力学实验实验一二氧化碳临界状态观测及p-t关系实验一实验目的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加深对课堂所讲的工质的热力状态、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际气体状态变化规律方法和技巧。4学会活塞式压力计、恒温器等部分热工仪器的正确方法。二实验设备及原理1整个实验装备由压力台，恒温器和试验本体及其防护罩三大部分组成，如图一所示。2试验台本体如图二所示。其中1高压容器；2玻璃杯；3压力油；4水银；5
2、密封填料；6填料压盖；7恒温水套；8承压玻璃管；9CO2空间；10温度计。3对简单可压热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数p、t之间有：F（p，t）=0或t=f（p，）(1)本试验就是根据(1)，采用定温方法来测定CO2p-之间的关系。从而找出CO2的p-t关系。4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的承压玻璃管。CO2被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞螺杆的进，退调节，温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。5实验工质二氧化碳的压力由装压力台的压力表读出（如要提高精度可由加在活塞转盘上的砝码读出，并考虑水银柱高度的修正）。温度由插在恒温水套
3、中的温度计读出。比容首先由承压玻璃管内的二氧化碳柱的高度来度量，而后这根据承压玻璃管内径均匀、截面积不变等条件换算得出。三实验步骤1按图一装好设备，并开启试验本体上的日光灯。2使用恒温器调定温度（1）将蒸馏水注入恒温器内，注至3050mm为止。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。（2）旋转点接点温度计顶端的帽形磁铁调动凸轮示标使凸上端面与所要调定的温度一致，要将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动。（3）视水温情况，开、关加热器，当水温未达到调定的温度时，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恒温。（4）观察玻璃水套上两支温度计，若其读数相同且与恒温器上的温度计及点接
4、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）当需要改变试验温度时重复（2）（4）即可。3加压前的准备因为压力台的油缸容量比主容器容量小，需要多次从油缸里抽油，再向主容器内充油，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）压力表及其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，经本体充油，
5、如此交复，直至压力表上有压力读数为止。（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，若均已稳定即可进行实验。4做好实验的原始记录及注意事项（1）设备数据记录：仪器、仪表的名称、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）定承压玻璃管内CO2的质面比常数k值。由于冲进承压玻璃管内的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的比容与其高度是一种线性关系，具体如下：a)已知CO2液体在20，9.8Mpa时的比容（20，9.8Mpa）=0.00117m/kgb）如前操作实地测出本试验
6、台CO2在20，9.8Mpa时的CO2液柱高度h*（m）（注意玻璃水套上刻度的标记方法）c）由a）可知（20，9.8Mpa）=h*A/m=0.00117m/kgm/A=h*/0.00117=k（kg/m）那么任意温度，压力下CO2的比容为=h/（m/A）=h/k（m/kg）式中h=h-h0h任意温度，压力下水银液柱高度h0承压玻璃内径顶端刻度（4）试验中应注意以下几点：a） 做各条定温线时，实验压力p9.8Mpa实验温度t50b） 一般取h时压力间隔可取0.1960.490Mpa（0.20.5Mpa）但在接近饱和状态时和临界状态时压力间隔取0.049Mpa（0.05Mpa）。c） 实验中取h时
7、水银柱液面高度的读数要注意，应使视线与水银柱半圆型液面的中间一齐。5测定低于临界温度t=20时和t=25时的定温线（1）使用恒温器调定t=20并要保持恒温。（2）压力记录从4.41Mpa开始，当玻璃管内水银升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准。（3）按照适当的压力间隔取h值至压力p=9.8Mpa（4）注意加压后，CO2的变化，特别是注意饱和压力与饱和温度的对应关系，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。（5）测定t=25，t=27其饱和温度与饱和压力的对应关系。6测定临界等温线和临界参数，临界现象观察。（1）仿照5。那样测出临界
8、等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力Pc和临界比容c并将数据填入表1。（2）临界现象观察a)整体相变现象由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点所以这时汽液的互相转变不是像临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定时间，表现为一个渐变的过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式互相转化。b)汽、液两相模糊不清现象处于临界点CO2的具有共同参数（p,t），因而是不能区别此时CO2是气态还是液态，那么这个液体又是接近气体的液体。下面就来用实验证明这个结论。因为这时是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使CO2压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到的。现在我们按绝热过程来进行。首
9、先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面，这就说明，如果这时管内CO2是气体的话，那么这种气体离液区很接近，可以说是接近液体的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时这个液面又立即消失了，这就告诉我们这时CO2液体离气区也是非常接近的可以说是接近气体的液体，既然此时的CO2既接近气态又接近液态所以能处于临界点附近。可以这样说：临界状态究竟如何，饱和汽液分不清。这就是临界点附近饱和汽液模糊不清现象。7测定高于临界温度t=38时和t=45时的等温线，要将数据填入表1。CO2等温实验原始记录表1P(Mpa)h=h/k现象P(Mpa)h=h
10、/k现象P(Mpa)h=h/k现象4.44.99.8P(Mpa)h=h/k现象P(Mpa)h=h/k现象四绘制等温曲线与比较1按表1的数据仿图三绘出pv图上五条等温线。2将实验测得的等温线与图三所示的标准等温线比较；并分析其中的差异及原因。3将实验测得的饱和温度与饱和压力的对应值与图四绘出的tsps曲线相比较。4将实验测得的临界比容与理论计算值一并填入表2，并分析其中差异及原因。临界比容(m3/kg)表2标准值实验值0.00216五实验报告1简述实验原理及过程。2各种数据的原始记录。3实验结果整理后的图表。4分析比较等温曲线的实验值与标准值之间的差异及其原因。分析比较临近比容的实验值与标准值及
11、理论计算值之间的差异及原因。图三标准曲线图四CO2饱和温度与饱和压力关系曲线图四CO2饱和温度与饱和压力关系曲线实验二气体定压比热容测定实验一实验目的1 了解气体比热测定装置的基本原理和构思。2 熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法。3 掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。4 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二实验原理引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有：和定压时此式直接由的定义导出，故适用于一切工质。在没有对外界作功的气体的等压流动过程中：则气体的定压比热容可以表示为：kJ/kg式中：气体的质量流量，kg/s；气体在等压流动过程中的吸热量，kJ/s。由于气体的实
12、际定压比热是随温度的升高而增大，它是温度的复杂函数。实验表明，理想气体的比热与温度之间的函数关系甚为复杂，但总可表达为：式中、等是与气体性质有关的常数。在离开室温不很远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线形的，假定在0-300之间，空气真实定压比热与温度之间进似地有线性关系：则温度由至的过程中所需要的热量可表示为：由加热到的平均定压比热容则可表示为：若以（t1+t2）/2为横坐标，为纵坐标（如右图所示），则可根据不同温度范围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。大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度加热到时，其中水蒸气的吸热量可用式下式计算：式
13、中：气流中水蒸气质量，kg/s。则干空气的平均定压比热容由下式确定：式中：为湿空气气流的吸热量。三.实验设备图二1整个实验装置由风机，流量计，比热仪本体，电功率调节及测量系统共四部分组成，如图一所示。2比热仪本体如图二所示。由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、进口温度计1和出口温度计8（铂电阻温度计或精度较高的水银温度计）电加热器3和均流网4，绝缘垫5，旋流片6和混流网7组成。气体自进口管引入，进口温度计1测量其初始温度，离开电加热器的气体经均流网4均流均温，出口温度计8测量加热终了温度，后被引出。该比热仪可测300以下气体的定压比热。四实验方法及数据处理1接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混
14、流网的凹槽中。2摘下流量计上的温度计，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球温度（t0）和湿球温度（tw）。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，使出口温度升高至预计温度可以根据下式预先估计所需电功率：W12t/。式中W为电功率（瓦）；t为进出口温度差（）；为每流过10升空气所需时间（秒）。4待出口温度稳定后（出口温度在10分钟之内无变化或有微小起伏，即可视为稳定），读出下列数据：每10升气体通过流量计所需时间（，秒）；比热仪进口温度（t1，）和出口温度（t2，）；当时大气压力（B，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（h，毫米水柱）；电
15、热器的电压（V，伏）和电流（I，毫安）。5据流量计出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，克/公斤干空气），并计算出水蒸汽的容积成分。6电热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电表的内耗。如果伏特表和毫安表采用图一所示的接法，则应扣除毫安表的内耗。设毫安表的内阻为RmA欧，则可得电热器单位时间放出的热量为。7水蒸气和干空气质量流量的计算，可按理想气体处理。五注意事项1切勿在无空气流通过的情况下使用电加热器工作，以免引起局部过热而损坏比热仪。2电加热器输入电压不得超过220V，气体出口温度不得超过300。3加热和冷却缓慢进行，以防止温度计和比热仪本体因温度骤升骤降
16、而破损；加热时要先启动风机，再缓慢提高加热器功率，停止试验时应先切断电加热器电源，让风机继续运行10至20分钟。4实验测定时，必须确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。六、实验报告1简述实验原理和仪器构成原理。2列表给出所有原始数据记录。3列表给出实验结果（数据处理，要附有例证）。4与下述经验方程比较其中：T为空气的绝对温度，K。5分析造成实验误差的各种原因，提出改进方案；七、思考题1在本实验中，如何实现绝热？2气体被加热后，要经过均流、旋流和混流后才测量气体的出口温度，为什么？简述均流网、旋流片和混流网的作用？3尽管在本实验装置中采用了良好的绝热措施，但散热是不可避免的。不难理解，在这套
17、装置中散热主要是由于杜瓦瓶与环境的辐射造成的。你能否提供一种实验方法（仍利用现有设备）来消除散热给实验带来的误差？实验三空气在喷管中流动性能测定实验一、实验目的：1、验证和加深理解喷管中气体流动的基本理论。2、观察气流在喷管中各截面的流速，流量，压力变化规律及掌握有关测试方法。3、熟悉不同形式喷管的机理，加深对流动的临界状态基本概念的理解。二、实验原理：1、喷管中气体流动的基本规律气体在喷管中作一元稳定等熵流动中，压力降低，流速增加。气流速度C，密度及压力P的变化与截面A的变化及马赫数Ma（速度与音速之比）的大小有关。它们的变化规律如下表：Ma渐缩管Ma渐扩管001010100（1）在亚音速（
18、Ma1）等熵流动中，气体在渐缩管中，速度C减小，而压力P，密度增大，在渐扩管中，速度C增加，压力P，密度降低。（3）在Ma=1，即达到临界流动状态，此时，压力为临界压力，气流速度为音速。2、喷管中流量的计算（1）理论流量：根据气体一元稳定等熵流动中，任何截面上质量流量都相等，且不随时间变化。流量大小由连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体方程，等熵过程方程，得到气体在喷管中流量的计算式：（kg/s）式中：出口速度m/s出口截面积m2出口压力（MPa）进口压力（MPa）进口比体积（m3/kg）出口比体积（m3/kg）绝热指数若：时，时，即在0P2Pc渐缩喷管的出口压力P2或缩放喷管的喉部压力Pt
19、h降至临界压力时，喷管中的流量达最大值，计算式如下：（kg/s）临界压力Pc为：将=1.4代入Pc=0.528P1（2）实测流量由于气流与管内壁间的摩擦产生的边界层，减少了流动截面，因为实际流量是小于理论流量，本实验台采用孔板流量计来测量喷管的流量。孔板流量计上所示的压差（U型管上读出）。质量流量与压差的关系式为：（kg/s）式中：流量膨账系数，气态修正系数，几何修正系数，（标定值）U型管压差计读数（mm.H2O）大气压760mmHg室温为了消除进口压力改变的影响，在绘制各种曲线时采用压力比做坐标，绘制出压力曲线Px/P1X和流量曲线Pb/P1。由于实验台采用的是真空表测压、因此临界压力Pc在
20、真空表上的读数为由于孔板流量计的压降和空气在喷管进口的气流滞止现象，喷管进口压力为：以汞柱为单位时的孔板流量计压差三、实验装置实验装置总图如图1所示。主要由真空泵和喷管实验台主体组成。各部件作用及测量过程如下：图1实验台总图图2渐缩喷管图3缩放喷管由于真空泵的抽吸，空气由进气2口进入吸气管1（573.5的无缝钢管）中，经过孔板流量计3（7）进入喷管。流量的大小可由U形管压差计4上读出。喷管5用有机玻璃制成。备有渐缩喷管与缩放喷管两种型式，如图2、图3所示。喷管各截面上的压力，可从可移动的真空表8上读出，真空表8与内径为0.8的测压探针7相连。探针的顶端封死，在其中段开有径向测压小孔通过摇动手轮
21、螺杆机构9，可使探针7沿喷管轴线左右移动，从而改变测压孔的位置，进行喷管中不同截面上压力的测量。测压孔的位置，可以由位于可移动真空表8下方的指针，在座标板上所指出的x值来确定。喷管的排气管上还装有背压Pb真空表10。背压由调节阀11调节。真空罐12前的调节阀11用于急速调节。直径为400的真空罐12是用于稳定背压Pb的作用。为了减少振动，泵与罐之间用软管13连接。实验中需测量4个变量：（1）测压探针7上测压孔的水平位置x。（2）气流沿喷管轴线x截面上的压力Px；（3）背压Pb；（4）流量。这4个变量可分别用位移指针的位置x，真空表8上的读数P5。背压真空表10上的读数Pb，及U形管压差计4上的
22、读数P测得。特别需要注意的是P5和Pb是真空度，计算和绘制曲线时要换算成绝对压力。四、实验步骤1、用座标校准器调准“位移座标”的基准位置。然后小心地装上要求实验的喷管。（注意：不要碰坏测压探针）打开调压阀11。2、检查真空泵的油位，打开冷却水阀门，用手轮转动飞轮1-2圈，检查一切正常后，启动真空泵。3、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11调节背压Pb至一定值。摇动手轮9使测压孔位置x自喷管进口缓慢向出移动。每隔5mm停，记下真空表8上的读数（真空度）。这样将测得对应于某一背压下的一条Px/P1X曲线。4、再用罐前调节阀11逐次调节背压Pb为设定的背压值。在各个背压值下，重复上述摇动手轮9的操作
23、过程，而得到一组在不同背压下的压力曲线Px/P1X。5、摇动手轮9，使测压孔的位置x位于喷管出口外30-40mm处。此时真空表8上的读数为背压Pb。6、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀11调节背压Pb，使它由全关状态逐渐开启。随背压Pb降低（真空度升高），流量qm逐渐增大，当背压降至某一定值（渐缩喷管为Pc，缩放喷管为Pf）时，流量达到最大值，以后将不随Pb的降低而改变。7、用罐前调节阀11重复上述过程，调节背压Pb，每变化50mmHg一停，记下真空表10上的背压读数和U形管压力计4上的压差P（mmH2O）读数（低真空时，流量变化大，可取20mmHg；高真空时，流量变化小，可取10mmHg间隔
24、）将读数换算成压力比Pb/P1和流量在座标纸上绘出流量曲线。8、在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐调节阀11，关闭罐后调节阀11，使罐内充报导。当关闭真空泵后，立即打开罐后调节阀11，使真空泵充气。以防止真空泵回油。最后关闭冷却水阀门。五、数据记录与整理实验中应认真做好原始数据记录（包括：室温ts，大气压Pa及实验日期）如发现实验结果出现较大误差，应仔细分析查找原因。在整理时，由于各种实验曲线都是以压力比（PaP1，PbP1）作座标，因此必须将压力换算为相同单位进行计算。建议所有数据如下两种形式的表格中。渐缩喷管流量测量原始记录及数据处理编号：No1m2背压Pb测压孔位置测压孔压力Px压差进口
25、压力压力比真空度绝对压力x真空度绝对压力HP1Px/P1MPaMPammMPaMPammH2OMPa编号：No2背压Pb压差进口压力压力比膨胀系数实测流量理论流量相对误差真空度绝对压力HP1Pb/P1mSmL%MPaMPammH2OMPag/s缩放喷管流量测量原始记录及数据处理编号：No3m2背压Pb测压孔位置测压孔压力Px压差进口压力压力比真空度绝对压力x真空度绝对压力HP1Px/P1MPaMPammMPaMPammH2OMPa编号：No4背压Pb压差进口压力压力比膨胀系数实测流量理论流量相对误差真空度绝对压力HP1Pb/P1mSmL%MPaMPammH2OMPag/s六、曲线整理a)渐缩喷管：（共三条曲线）一）通过喷管的流量随压比的变化曲线，即m=f（b）。二）喷管中心线上压力随轴向位置的变化曲线，分两种情况：1）b=0.7(出口为亚音速)时，p=f（x），mb2）b=0.3(出口为音速)时，p=f（x）。pxb=0.3pxb=0.7b)缩放喷管：（共三条曲线）一） 通过喷管的流量随压比的变化曲线，即m=f（b）。二） 喷管中心线上压力随轴向位置的变化曲线，分两种情况：1）b=0.7(出口为亚音速)时，p=f（x），2）b=0.3(出口为音速)时，p=f（x）。pxb=0.3xpb=0.7P=f(b)mb-