工程熱力學實驗指導書[1]上交稿

1、“熱工學基礎”實驗指導書 天津大學機械工程學院 編著二零一零年十二月前言熱工學基礎實驗包括：“工程熱力學”和“傳熱學”兩部分實驗內(nèi)容，共有9個基礎實驗。實驗教學的目的是驗證鞏固和補充課堂講授的理論知識，通過實驗使學生初步掌握熱能有效利用以及熱能和其他能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的基本知識，以及熱量傳遞的基本規(guī)律。使學生能正確運用熱力學的基本原理進行熱工和熱力循環(huán)的分析；培養(yǎng)學生運用所學的理論解決實際問題的能力以及對實驗結(jié)果進行綜合分析并撰寫實驗報告的能力，通過實驗使學生能辨識熱工設備、學會熱工儀器儀表的使用方法。熱工學基礎實驗指導書是根據(jù)高等教育自學考試課程“熱工學基礎”實踐教學大綱的教學計劃編寫的。在編寫過

2、程中參考了熱工實驗基礎（1986年高等教育出版社）、工程熱力學實驗指導書、傳熱學實驗指導書(1996年工程熱物理教研室、熱工實驗室編著)及教材熱工基礎與應用（機械工業(yè)出版社2009年第二版），并結(jié)合熱工實驗室的實際設備，吸收了多年來實驗室設備的改進和科研工作的成果而編著的。根據(jù)學生在實驗過程中的表現(xiàn)及實驗報告的質(zhì)量對學生進行考核?？己藘?nèi)容包括實驗前預習、實驗過程、實驗方法和步驟以及實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、分析等內(nèi)容，進行綜合考核。本指導書由鄭宗和、劉靖主持編整。目錄實驗1 熱電偶溫度計的刻度與校驗 .(4)實驗2 壓力表校驗 .(8)附錄1 壓力表的常見故障機器發(fā)生原因和排除方法.(11)實驗3

3、二氧化碳氣體P-V-T關系的測定 .(12)實驗4 噴管中氣體流動基本特性試驗 .(16).實驗5 壓氣機性能試驗 .(23).實驗6 蒸汽壓縮制冷（熱泵）裝置性能實驗.(27).實驗7 用球體法測量導熱系數(shù)實驗.(31)實驗8 空氣橫掠單管強迫對流換熱系數(shù)測定實驗.(34)附錄2 空氣橫掠單管強迫對流換熱系數(shù)測定實驗的簡要說明.(39)實驗9 套管式換熱器性能測試試驗.(40)實驗1 熱電偶溫度計的刻度與校驗溫度是熱力學中一個基本狀態(tài)參數(shù)，在各種熱工實驗中都離不開溫度。所以，溫度測量是最重要的熱工測量。熱電偶溫度計廣泛用于科研院校，電力、化工、石油、煉鋼、玻璃、陶瓷、模具熱處理及塑料、橡膠、

4、印染、包裝和食品機械等行業(yè)的溫度測量、溫度控制。熱電偶溫度計由熱電偶和電位計組成。測量范圍寬（272500）、精度高，一般在使用前及使用過程中必須對其進行校驗。有時還要自己制作熱電偶，并進行刻度。所以掌握熱電偶溫度計的制作與刻度（校驗）方法是最基本的熱工試驗之一。一、 實驗目的1. 掌握熱電偶制作技術；2. 掌握熱電偶刻度（校驗）及數(shù)據(jù)整理方法；3. 熟悉電位計、恒溫水浴等儀器的原理、性能及使用方法。 二、實驗原理1. 熱電偶溫度計原理熱電溫度計是由熱電偶、補償導線及測量儀表構(gòu)成的。其中熱電偶是敏感元件, 它由兩種不同的導體A 和B 連接在一起, 構(gòu)成一個閉合回路, 當它的兩個接點1、2的溫度

5、t 和t0 不同時，在通路內(nèi)將產(chǎn)生熱電勢，此電勢的大小與溫差（t - t0）有一定的關系，熱電效應在回路中就會產(chǎn)生零點幾到幾十毫伏的熱電動勢, 記為EAB 。接點1 在測量時被置于測場所, 故稱為測量端或工作端。接點2 則要求恒定在某一溫度下,稱為參考端或自由端, 如圖1-1所示。如冷接點溫度保持不變（放在冰水混合物的保溫瓶中使其保持0），則熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢只和熱接點溫度t 有關，這時就可用電測儀表測出熱電勢值，可得到相應的溫度t 的數(shù)值。 熱電偶電勢與溫度的關系在恒溫器電爐內(nèi)用標準溫度計標定，作出毫伏-溫度曲線，實驗時根據(jù)毫伏數(shù)即可由此曲線查得溫度。 圖 1-1 熱電偶原理及接線法 在標

6、定時應根據(jù)測量的溫度選取恒溫器，在10到100的范圍內(nèi)，標定是在盛水的恒溫器內(nèi)進行（此時：標準溫度計和被刻度的熱電偶都要插在純凈油類的玻璃試管內(nèi)，然后放入恒溫水浴內(nèi)）； 理論上，任何兩種不同的金屬均可組成熱電偶，而實用上為了滿足一些要求：如電勢大便于測量、性質(zhì)穩(wěn)定、能耐高溫等等。因此往往只用某些金屬或合金。常用的熱電偶有如下幾種（、號代表電極）； 鉑銠（）- 鉑（） 測溫范圍： -201300 銅 （）- 康銅（） 測溫范圍： -20350 鎳鉻（）- 鎳硅（） 測溫范圍： -501300若用熱電偶測量物體的壁面溫度，應將熱電偶鑲?cè)氡诿娴男〔壑校⑹顾诓蹆?nèi)沿等溫面引伸一段距離以減少測量誤差。

7、2. 電位計的原理和用法在熱電偶溫度計中與熱電偶連接用來測量電勢的可以是毫伏計，也可以是電位計。但毫伏計讀數(shù)受環(huán)境溫度和線路電阻的影響較大，測量精度不高。因此在實驗室的精度測量中大都采用電位計。下面說明電位計原理和用途。電位計是基于使用電阻器上已知的電壓降與熱電偶的熱電勢相平衡的原理來進行測量的。 圖1-2 電位計原理圖如圖1-2，電位計中由工作電流調(diào)節(jié)電阻R、標準電池補償電阻R 、被測電勢補償電阻R及工作電池E構(gòu)成一回路。其中R用來調(diào)整工作電流I，稱為“電流調(diào)整器”， R為“標準電阻” ，R為“變阻器”，它上面有滑動接頭，當切換開關接通未知點時，檢流計和熱電偶E接通，形成一回路。由于變阻器R

8、上的電壓降與熱電偶電勢不變，則檢流計指針將偏轉(zhuǎn)，若移動R上的滑動接頭直到檢流計指針停止為零，即無電流流過檢流計為止，這時變阻器R上的電壓降將等于所測量的熱電偶電勢E，因此滑動接頭的位置可以反映被測電勢的大小。由于工作電池的電動勢會隨電流消耗逐漸降低，因而通過線路R的電流I要發(fā)生變化。當電流不是標準電流時，原來在變阻器R上根據(jù)電阻所作的電勢刻度就不對了，因此在使用電位計時，必須讓R線路上通過標準電流。校驗是否等于標準電流的方法是采用電勢恒定的標準電池E、檢流計和標準電阻RN構(gòu)成一回路，調(diào)整電流調(diào)整器R的電阻，使工作電流通過RN時的電壓等于標準電池的電動勢EN,由于兩者平衡，檢流計指針應停止在零點

9、，這時通過R線路的電流即為標準電池I。電位計的優(yōu)點是：在沒有電流流過熱電偶的情況下讀取數(shù)據(jù)，測量出來的熱電勢不會因線路電阻而發(fā)生誤差；電位計的指示值與熱電偶和導線的電阻變化及檢流計的溫度系數(shù)無關。但當外電阻大大增加時，平衡作用的精確度就會降低。電位計的滑線變阻器和分段變阻器串聯(lián)構(gòu)成變阻器R。測量時將熱電偶導線兩極分別接于電位計“未知”（+）、（-）極的接線柱上。測量前必須將檢流計指針調(diào)指零點，并檢驗指針是否靈活。調(diào)節(jié)電流調(diào)整器，直到檢流計指零為止?？蛇M行熱電偶的電勢測量。為此將切換開關調(diào)到“未知”，轉(zhuǎn)動分段變阻器及滑線變阻，直到檢流計指零，被測電勢Ex等于分段變阻器上毫伏讀數(shù)之和。在使用電位計

10、時，要求學生嚴格遵守儀表的操作規(guī)程。尤其特別注意保護電位計內(nèi)的標準電池。為此：盡可能縮短使用標準電池的時間和減少使用次數(shù)。移動電位計要小心輕放，避免震動。三、實驗設備1. 恒溫水浴一臺2. 電位計一臺3. 變壓器一臺4. 標準溫度計一套5. 保溫瓶一個（內(nèi)裝冰塊）6. 熱電偶材料A、B各一根（或為被校驗熱電偶）四、實驗步驟 1. 熱電偶制作截取同樣長度（0.81米）的A（銅+）、B（康銅-）熱電偶絲各一段。兩端表面刮凈，將A、B兩線的一端擰緊在一起（成麻花狀），兩線的另一端并在一起接到變壓器輸出端的一個接線柱上。輸出端的另一接線柱則用一根導線和放在變壓器油內(nèi)的金屬錫箔紙相連。接通外電源后，調(diào)節(jié)

11、變壓器輸出電壓到某一值（由實驗確定，一般在3050伏之間）,然后將熱電偶A、B擰緊的一頭慢慢地垂直插入油內(nèi)，當接頭與金屬錫箔間只有一小間隙時，端電壓放電產(chǎn)生火花使A、B兩根熱偶絲端部熔化而焊在一起。用放大鏡檢查焊成的接頭是否呈圓球狀，如果沒有形成圓球狀，要重復上述焊接步驟。2.熱電偶的刻度（校驗）將被刻度的熱電偶與溫度計綁在一起輕輕放入裝有純凈油的試管內(nèi)（試管浸在恒溫水浴中）然后將A、B熱電偶兩端分別和銅導線連接，冷接點放在裝有冰塊的保溫瓶內(nèi)。兩根導線接在電位計的（+）（-）接線柱上，如圖1-3所示圖1-3 熱電偶校驗裝置示意圖 五、 實驗數(shù)據(jù)整理 1. 算出每一實驗點溫度和毫伏數(shù)的平均值，匯

12、編成毫伏溫度數(shù)據(jù)對應表。 2. 繪出毫伏溫度曲線圖。 六、實驗報告 1. 學生要根據(jù)自己所進行的實驗獨立認真地撰寫實驗報告。要求字跡工整、數(shù)據(jù)準確、觀察現(xiàn)象的文字描述層次清晰并應結(jié)合理論教學中的知識對實驗結(jié)果給出分析和評價。 2. 鼓勵學生以教材為基礎，可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)絡查閱相關資料，自編實驗報告內(nèi)容。七、思考題 1. 問：實驗步驟2.中，為什么要將熱電偶與溫度計綁定后放入裝有純凈油的試管內(nèi)？ 2. 非穩(wěn)態(tài)導熱中教授了時間常數(shù)的概念。請說明“熱電偶的時間常數(shù)是說明熱電偶對流體溫度變動影響快慢的指標”的含義？試分析用熱電偶測量高溫氣流溫度時，產(chǎn)生誤差的原因（可參考書p185習題4-7或“熱工基

13、礎”p180例10-4）？ 3. 可上網(wǎng)查閱：同濟大學電子與信息工程學院教學課件“傳感器與檢測技術”主講教師：蘇永清。說明為什么要用冷端補償？表1-1熱電偶實驗數(shù)據(jù)記錄標準溫度電位計毫伏標準溫度電位計毫伏10501555206025653070357540804585 實驗2 壓力表校驗壓力是工質(zhì)熱力狀態(tài)的主要參數(shù)之一。它的物理意義是垂直作用在單位面積上的力的大小。壓力表是熱力設備廣泛使用的儀表，是確保設備安全運行的重要標志。工業(yè)鍋爐上一般多采用彈簧管式壓力表，它的作用是指示鍋爐內(nèi)蒸汽壓力的高低。司爐工人根據(jù)壓力表的指示數(shù)值來調(diào)節(jié)燃燒，以保證用汽部門的要求和鍋爐的安全運行。所以學生有必要了解常

14、用壓力表的型式和適用范圍，并能保證儀表的準確度。一、 實驗目的1. 熟悉彈簧管式壓力表的結(jié)構(gòu)和工作原理。 2. 掌握校驗彈簧管式壓力表的方法。3. 了解儀表精度級別，能合理選用。二、 彈簧管式壓力表的結(jié)構(gòu)和工作原理彈簧管式壓力表具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，精度較高，便于攜帶，安裝使用方便，測壓范圍較寬等特點，應用十分廣乏。彈簧管式壓力表主要由彈簧彎管、連桿、扇形齒輪、小齒輪、中心軸、指針、表盤等構(gòu)件組成，如圖21所示。彈簧彎管是由金屬管(無縫銅管或無縫鋼管)制成的。管子截面呈扁圓形或橢圓形，它的一端固定在支撐座上，并與汽水介質(zhì)相通；另一端是封閉的自由端，與杠桿連接。杠桿的另一端連接扇形齒輪，扇形齒

15、輪又與中心軸上的小齒輪相嚙合，壓力表的指針固定在中心軸上。當彈簧彎管受到介質(zhì)壓力的作用時，它的截面有變成圓形的趨勢，迫使彈簧彎管逐漸伸直，從而使彈簧彎管的自由端向上翹起。壓力越高，自由端向上翹起的幅度越大。這一動作經(jīng)過杠桿、扇形齒輪、小齒輪的傳動，使指針偏轉(zhuǎn)一個角度，在刻度盤上指示出壓力高低。當被測介質(zhì)壓力降低時，彈簧管要恢復原狀，指針退回到相應刻度處。彈簧管式壓力表的精度等級，是以允許誤差占壓力表量程的百分率來表示的，一般分為0.5、1、1.5、2、2.5等級。數(shù)值越小，其精度越高。例如，表盤量程02.5MPa精度2.5級的壓力表，它的指針所示壓力值與被測介質(zhì)的實際壓力值之間的允許誤差，不得

16、超過 2.5MPa2.5=0.0625Mpa ；當壓力表指示壓力為0.8MPa時，實際氣體壓力在0.73750.8625MPa之間。由此可見，壓力表實際誤差的大小，不但與精度有關，而且還與壓力表的量程大小有關。量程相同時，精度越高(即數(shù)字越小)，壓力表的允許誤差越小。精度相同時，量程越大，壓力表的誤差越大。彈簧管式壓力表的測量范圍很大，一般壓力為（-0.11000）Mpa 。1彈簧管 2游絲 3指針 4小齒輪 5扇形齒輪 6自由端 7連接杠桿 8支點 9固定端 圖2-1 彈簧管式壓力表結(jié)構(gòu)圖 考慮到儀表測量的精度與工作的可靠性，這種壓力表選用時應注意以下幾點： 首先根據(jù)實際需要選定壓力表的精度

17、等級，然后根據(jù)待測壓力范圍選擇壓力表的量程。選用量程時，要留有足夠的余地。被測壓力的最大值以不超過滿量程的2/3為宜；為確保測量的精度，被測壓力的最小值應不低于全量程的1/3。 測量蒸汽壓力時，要加裝凝液管以防止高溫蒸汽直接進入測壓元件。 安裝地點應力求避免震動和受高溫影響。并且，引壓管不宜過長。 三、實驗裝置1. 活塞式壓力計一臺2. 標準彈簧式壓力表一只3. 普通彈簧式壓力表一只 四、實驗內(nèi)容 以精度為1.5（2.5）級的普通彈簧管式壓力表作被校表，用“標準表比較法”鑒定它的基本誤差、變差和零位偏差，檢查指針偏轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性（指針轉(zhuǎn)動中不得有停滯或跳動及輕敲表殼位移不超過允許絕對誤差的一般）。

18、標尺內(nèi)校驗點不少于5個。 五、實驗步驟 1. 將壓力表校驗器平放在工作臺上，按圖1安裝連接。 2. 將工作液注入校驗器。打開針閥4，搖動手輪，將手搖泵活塞推到底部。旋開油杯閥，揭開油杯蓋，將工作液注滿油杯2。關閉針閥，反向旋轉(zhuǎn)手輪7，將工作液吸入手搖泵（應使油杯內(nèi)有適量工作液），裝上油杯蓋和油杯閥。 3. 排除傳壓系統(tǒng)內(nèi)的空氣。關閉油杯閥，打開針閥，輕搖手輪7，直到看到兩壓力接頭處有工作液即將溢出時，關閉針閥4，打開油杯閥，反向旋轉(zhuǎn)手輪7，給手搖泵補足工作液，再關閉油杯閥。 圖2-2 彈簧管式壓力表校驗臺 4. 校驗在標準壓力表和被校壓力表裝上后，打開閥4，用手搖泵1加壓即可進行壓力表的比較校

19、驗。校驗時，先檢查壓力偏差，如合格，即可校驗各點（表測量范圍的35、50、75三處）。先做線性刻度校驗，再做刻度上限耐壓檢定3分鐘。每個校驗點應分別在輕敲表殼前后兩次后讀數(shù)，然后記錄被校表輕敲后指示值、標準表指示值、標準表示值和輕敲位移量。以同樣方式作反行程校驗和記錄。 5. 調(diào)整 零位調(diào)整彈簧管壓力表未輸入被測壓力時指針應對準表盤零位刻度線，否則可用特制的取針器將指針取下對準零位，重新固定。對有零位指針擋的壓力表，一般應升壓到第一個數(shù)字刻度線改裝指針，以實現(xiàn)調(diào)零。 量程調(diào)整零位調(diào)準：上限值超差時應進行量程調(diào)整。方法是調(diào)整扇形齒輪與拉桿的連接位置，以改變圖2中OB的長短，從而調(diào)準量程。通常要結(jié)

20、合調(diào)整零位反復數(shù)次才能達到要求。 線形調(diào)整 當校驗中發(fā)現(xiàn)各校驗點誤差相差過大時應進行量程調(diào)整。方法是松開固定機芯的螺絲，適當轉(zhuǎn)動機芯，以改變扇形齒輪與拉桿的夾角，順指針轉(zhuǎn)動，夾角變小，逆時針轉(zhuǎn)動則相反。經(jīng)驗證明，扇形齒輪與拉桿夾角為90時，線性最好。 六、數(shù)據(jù)處理1. 原始記錄參考表2. 計算被校表的相對誤差，畫出壓力表的校正曲線。 七、實驗報告 1. 結(jié)合課堂講授的理論及實驗內(nèi)容，學生要提供自編的實驗報告書。 2. 學生要根據(jù)自己所進行的實驗獨立認真地撰寫實驗報告。要求字跡工整、數(shù)據(jù)準確、觀察現(xiàn)象的文字描述層次清晰并應結(jié)合理論教學中的知識對實驗結(jié)果給出分析和評價。 八、思考題 1. 上網(wǎng)查閱

21、其他類型的壓力表，常用的壓力表有哪幾種？ 2.“彈簧管壓力表的測量范圍很大，一般壓力為（-0.11000）Mpa”。請結(jié)合課堂講授內(nèi)容，說明絕對壓力的概念。上網(wǎng)查閱：說明彈簧管壓力表壓力范圍及名稱。表2-1實驗數(shù)據(jù)記錄表標準表示值 被 校 表 示 值正行程輕敲表殼前輕敲表殼后輕敲位移反行程輕敲表殼前輕敲表殼后輕敲位移附錄1：壓力表的常見故障機器發(fā)生原因和排除方法，見下表。壓力表的常見故障、發(fā)生原因及排除方法常見故障發(fā)生故障的原因排除故障的方法指針不動(1)壓力表和存水彎管之間裝有閥門，閥門關閉(2)三通閥門位置不正確(3)三通閥門或存水彎管堵塞(4)彈簧管與支架的焊口有裂紋滲漏(5)壓力表下列

22、缺陷：指針與中心軸松動；指針卡住；扇形齒輪與小齒輪脫開(1)將閥門拆除，更換為三通閥門(2)將三通閥門打開至正確位置(3)用蒸汽吹洗通道，如不行則拆下清洗(4)取下壓力表修理，更換新表(5)更換新表指針不回零位(1)三通閥門位置不準確(2)存水彎管、三通閥門被堵塞(3)彈簧彎管失去彈性(4)壓力表的游絲失去彈性或脫落(5)指針彎曲或卡住(6)壓力表的調(diào)整螺絲松動(1)調(diào)整至準確位置(2)用蒸汽吹洗，若無效則更換(3)(4)(5)(6)更換壓力表指針跳動(1)游絲損壞或紊亂(2)中心軸兩端彎曲(3)彈簧管與拉桿結(jié)合的鉸軸不活動(4)壓力表內(nèi)齒輪傳動有阻礙(5)有高頻振動影響(6)存水彎管或三通閥

23、門局部被阻塞(1)(2)(3)(4)更換壓力表(5)消除振源(6)吹洗并檢查襯墊位置是否正確表內(nèi)漏(1)彈簧管裂紋滲漏(2)彈簧管與支撐座焊接不良有泄漏(3)表殼與玻璃板密封失效(1)(2)(3)更換壓力表實驗3 二氧化碳氣體P-V-T關系的測定一、實驗目的1. 了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增強對臨界狀態(tài)概念的感性認識。2. 鞏固課堂講授的實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的理論知識，加深對飽和狀態(tài)、臨界狀態(tài)等基本概念的理解。3. 掌握CO2的P-V-T間關系測定方法。觀察二氧化碳氣體的液化過程的狀態(tài)變化，及經(jīng)過臨界狀態(tài)時的氣液突變現(xiàn)象，測定等溫線和臨界狀態(tài)的參數(shù)。二、實驗任務1測定CO2氣體基本狀態(tài)參數(shù)

24、P-V-T之間的關系，在PV圖上繪制出t為20、31.1、40三條等溫曲線。2觀察飽和狀態(tài)，找出t為20時，飽和液體的比容與飽和壓力的對應關系。3觀察臨界狀態(tài)，在臨界點附近出現(xiàn)氣液分界模糊的現(xiàn)象，測定臨界狀態(tài)參數(shù)。4根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，畫出實際氣體P-V-t的關系圖。三、實驗原理1. 理想氣體狀態(tài)方程：PV = RT實際氣體：因為氣體分子體積和分子之間存在相互的作用力，狀態(tài)參數(shù)（壓力、溫度、比容）之間的關系不再遵循理想氣體方程式了?？紤]上述兩方面的影響，1873年范德瓦爾對理想氣體狀態(tài)方程式進行了修正，提出如下修正方程： （3-1）式中: a / v2是分子力的修正項；b是分子體積的修正項。修正

25、方程也可寫成 : （3-2）它是V的三次方程。隨著P和T的不同，V可以有三種解：三個不等的實根；三個相等的實根；一個實根、兩個虛根。1869年安德魯用CO2做試驗說明了這個現(xiàn)象，他在各種溫度下定溫壓縮CO2并測定p與v，得到了PV圖上一些等溫線，如圖21所示。從圖中可見，當t 31.1時，對應每一個p，可有一個v值，相應于（1）方程具有一個實根、兩個虛根；當t =31.1時，而p = pc時，使曲線出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折點C即臨界點，相應于方程解的三個相等的實根；當t 31.1時，實驗測得的等溫線中間有一段是水平線（氣體凝結(jié)過程），這段曲線與按方程式描出的曲線不能完全吻合。這表明范德瓦爾方程不夠完善之處

26、，但是它反映了物質(zhì)汽液兩相的性質(zhì)和兩相轉(zhuǎn)變的連續(xù)性。2簡單可壓縮系統(tǒng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，狀態(tài)參數(shù)壓力、溫度和比容之間有確定的關系，可表示為： F（P，V，T）= 0或 v= f(P,T)可見，保持任意一個參數(shù)恒定，測出其余兩個參數(shù)之間的關系，就可以求出工質(zhì)狀態(tài)變化規(guī)律。如維持溫度不變，測定比容與壓力的對應數(shù)值，就可以得到等溫線的數(shù)據(jù)。 圖3-1 二氧化碳的-t關系 四、實驗設備 實驗設備：由壓縮室本體、恒溫器及活塞式壓力計組成，如圖32所示?；钊綁毫τ嫞河墒州啂踊钊麠U的進退調(diào)節(jié)油壓，提供實驗中所需的壓力。恒溫器：提供恒溫水，用恒溫水再去恒定CO2的溫度。保持實驗中在不同等級的等溫過程中進行

27、。壓縮室本體：壓縮氣體的壓縮室本體由一根玻璃毛細管和水銀室組成，如圖33所示。預先刻度和充氣的玻璃毛細管1插入水銀室2中，再打開玻璃管下口。 圖32 實驗裝置系統(tǒng) 實驗時，由恒溫器提供的恒溫水，從 1壓縮室本體 2活塞式壓力計實驗臺本體玻璃水套下端進口流入，上端 3恒溫器出口流出，反復循環(huán)。玻璃恒溫水套維持了毛細管內(nèi)氣體溫度不變的條件，由于水套上的溫度計誤差太大，用恒溫器上的精密溫度計來代替，可以近似認為玻璃管中所存的CO2溫度與此溫度相同。實驗中要緩緩轉(zhuǎn)動活塞式壓力計的手輪，逐漸增大壓力油室3中的油壓，使毛細管內(nèi)的CO2氣體壓縮。透過玻璃管可以看到氣體的壓縮過程。CO2氣體壓縮時所受壓力是由

28、壓力臺上的壓力表讀出，氣體的體積V由毛細管上的刻度讀出，再經(jīng)過換算得到。 五、實驗步驟1首先恒溫器接通電源，開動電力泵，使系統(tǒng)水進行循環(huán)對流。2. 旋轉(zhuǎn)電接點溫度計的頂端幅形磁鐵，調(diào)整實驗中所規(guī)定的恒定溫度。3開始加熱，觀察恒溫器上精密溫度計，若其溫度計讀數(shù)與電接點溫度計標定的溫度一致時，則可近似認為玻璃管中CO2的溫度處于標定的溫度。4. 開始加壓，應緩緩地前進活塞螺桿加壓，并注意觀察CO2受壓后的各種現(xiàn)象。5. 進行記錄實驗中的各種數(shù)據(jù)、狀態(tài)。6. 當需要改變溫度時，重復上述步驟。 六、注意事項1. 恒溫水的溫度應穩(wěn)定足夠長的時間，使毛細管內(nèi)外的溫度均衡后再開始測量數(shù)據(jù)。2. 增大油壓時，

29、使毛細管內(nèi)水銀面緩緩上升，要保持緩慢壓縮。3. 維持溫度不變，調(diào)整若干次壓力，壓力間隔一般可取5bar左右，在接近飽和狀態(tài)或臨界狀態(tài)時應取0.5bar。4. 除t=20時，須加壓至絕對壓力為102bar（100ata）外，其余各等溫線均在5090間測出h值，絕對不允許表壓超過102bar。5實驗結(jié)束卸壓時，應使壓力逐漸下降， 不得直接打開油杯閥門卸壓。 圖33 壓縮室本體示意圖 6實驗完畢將儀器擦凈，恢復原狀。 1玻璃毛細管 2水銀室3壓力油室 4溫度計 5恒溫水套 七、實驗數(shù)據(jù)整理 1CO2比容的確定實驗中由于CO2的質(zhì)量m不便測定，承受玻璃的內(nèi)徑d也不易測準，因而只能用間接方法確定V值：因

30、為二氧化碳在20，100ata（102bar）時，比容即：Vco2(20，100ata)= 因為 (常數(shù))則任意情況下二氧化碳的比容： 所以，只要在實驗中測得t=20, p=100ata時的h0值，計算出k值后，其它任意狀態(tài)下的比容V值均可求得。2列數(shù)據(jù)表及繪制P-V圖。 實驗數(shù)據(jù)計算整理后，繪制出實際CO2氣體P-V的關系圖。 八、實驗報告的要求1 簡述實驗目的、任務及實驗原理。2 記錄實驗過程的原始數(shù)據(jù)（實驗數(shù)據(jù)記錄表）。3 根據(jù)實驗得出的數(shù)據(jù)結(jié)果，計算整理并畫出二氧化碳P-V-t的關系圖。九 、思考題：1 為什么加壓時，要足夠緩慢地搖動活塞桿而使加壓足夠緩慢進行？若不緩慢加壓，會出現(xiàn)什么

31、問題？2 卸壓時為什么不能直接開啟油杯閥門。表3-1實驗數(shù)據(jù)記錄表 t=20t=31.1 t=40表壓 p高度 h觀察現(xiàn)象表壓 p高度 h觀察現(xiàn)象表壓 p高度 h觀觀察現(xiàn)象 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 99實驗4 噴管中氣體流動基本特性試驗一、實驗目的1.通過實驗觀察并測定空氣流在噴管中的壓力及流量的變化規(guī)律，了解噴管中氣體流動 的基本特性。2.加深氣體在噴管中流動時臨界現(xiàn)象的理解。3.觀察了解氣體在漸縮形和漸縮漸擴形不同形式的噴管中流動的特點。二、實驗原理氣體在噴管的流動過程中，氣體的狀態(tài)參數(shù)P、V，流速C和噴管截面積f之間的基本關系可用下面

32、三個方程表示： （4-1）式中：M為馬赫數(shù)，是表示氣體流動特性的一個重要特性值。M1時，氣體流速大于當?shù)匾羲?，氣體作超音速流動。方程指出：氣體流經(jīng)噴管時，壓力降低，流速增大，噴管的截面積亦隨之變化，而噴管的截面變化情況則取決于值1) 當氣流流速小于音速（即1）時，噴管截面應該是擴放的；3）當流速等于音速時，噴管截面最小，此處正是氣流流速由亞音速過渡到超音速，噴管由收縮形過渡到擴放形的轉(zhuǎn)折點。這點的參數(shù)稱為噴管的臨界參數(shù)，用腳碼C表示，如臨界壓力PC、臨界流速CC等等。1漸縮噴管氣體流經(jīng)噴管的膨脹程度可以用噴管的背壓P2與進口壓力P1之比表示。稱為壓力比。而氣體在漸縮噴管中膨脹所能達到的最低壓力

33、，是使噴管出口的氣流速度達到當?shù)匾羲俚膲毫Γ磁R界壓力PC。所以，氣流在漸縮噴管中流動時最大膨脹程度決定于臨界壓力比C。 （4-2）并且臨界壓力比只和氣體的絕熱指數(shù)K有關。對于空氣等雙原子氣體K=1.4，C=0.528，PC=0.528 P1。不同壓力比的工況下，氣流在噴管中流動時的膨脹情況如圖31所示。圖中繪出三組曲線。 圖41 漸縮噴管中壓力分布 圖4-2漸縮噴管的流量曲線1P2= PC；2，3，4P2 PC5P2C），即背壓大于臨界壓力（P2 PC），氣體在噴管中也可以由P1一直膨脹到P2，但噴管出口的氣流流速未達到當?shù)匾羲俚臄?shù)值。3）曲線5：壓力比小于臨界壓力（C），即背壓低于臨界壓力

34、（P2 PC），氣體在噴管中壓力由P1只能膨脹到PC，噴管內(nèi)壓力變化情況仍如曲線1所示，它不受背壓P2降低的影響，而氣流一離開噴管的出口截面就發(fā)生突然的膨脹，壓力降至P2，并因而使氣流產(chǎn)生了一部分動能損失。此時，噴管的出口氣流流速仍為當?shù)匾羲?。通過漸縮噴管的氣體質(zhì)量流量m與壓力比（P2/ P1）有關，計算公式為： （4-3）式中：K絕熱指數(shù)；f2噴管的出口截面積m2；v1噴管進口截面上氣體的比容m3 /kg；P1，P2噴管進出口截面上氣體壓力和背壓Pa；上式適用于P2 PC的情況。當P2=PC時，上式可根據(jù)式（2）的關系整理成為： （4-4）再將k=1.4代入此式，則可將進一步化簡為： 或 （

35、4-5）（5）式表示，噴管的最大質(zhì)量流量值決定于噴管進口的氣體狀態(tài)，當背壓自臨界壓力繼續(xù)降低時，噴管的流量將保持最大值而不再變化。在進口氣體狀態(tài)不變時，漸縮噴管通過的質(zhì)量流量與壓力比的關系如圖32所示。2 漸縮漸擴噴管（拉伐爾噴管）當壓力比低于臨界壓力比（ P2C），噴管最小截面上的壓力就不再保持臨界壓力，而隨背壓的升高而升高。這時氣體在最小截面之前（即漸縮段）的膨脹情況也受背壓改變的影響，各截面上的壓力值均隨背壓的升高而升高。 漸縮漸擴噴管也有像漸縮噴管一樣圖形的流量曲線，當C時，出現(xiàn)最大流量。此時最大流量值仍可用式（4）計算，只是將式中的f改為fmin。即： （4-6）三、實驗設備 實驗裝

36、置由實驗臺本體、真空泵及電測儀器三部分組成。本體結(jié)構(gòu)如圖44所示。 圖4-4 實驗臺總結(jié)構(gòu)圖實驗段（噴管）5用有機玻璃制成，有漸縮、漸縮漸擴兩種形式，如圖41 、圖43根據(jù)實驗要求進行裝換。圖中繪出了噴管各部分的尺寸?？諝庥晌鼩饪?經(jīng)進氣管1進入噴管，噴管入口的氣體狀態(tài)由大氣壓力計及室溫表測量，氣體流量用進氣管道上的孔板流量計3測量。噴管排氣道中的壓力P2用真空表10測量。噴管各截面上的壓力用探針7測取，轉(zhuǎn)動探針移動機構(gòu)9的手柄，可以移動探針測壓孔的位置，測量的壓力值由真空表8讀取。噴管排氣管道中的壓力P2用調(diào)節(jié)閥11控制。氣罐12起穩(wěn)定噴管背壓的作用。為了減少震動，氣罐與真空泵之間用軟管13

37、連接。電測儀器包括：負壓傳感器、壓差傳感器、位移電位器、直流穩(wěn)壓電源、示波器及函數(shù)記錄儀。 實驗時，通過負壓傳感器和位移電位器，分別將真空表、型管壓差計以及測壓探針測定的壓力或壓差轉(zhuǎn)換成電訊號，再用示波器、函數(shù)記錄儀顯示，繪出實驗曲線。四、實驗內(nèi)容及步驟1實驗內(nèi)容：由實驗中觀察到的現(xiàn)象和觀察中測定的數(shù)據(jù)繪出兩組曲線：(1) 以壓力比為縱坐標，探針測壓孔位置為橫坐標，繪制不同工況時噴管內(nèi)的壓力分布曲線。(2) 以流量為縱坐標，壓力比為橫坐標，繪制流量曲線，確定臨界壓力比，并根據(jù)測定的參數(shù)與公式計算出來的理論曲線進行比較。2實驗步驟：（1） 裝好噴管，對真空泵進行開車檢查，使轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，油路系統(tǒng)及水

38、系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。（2) 將測壓探針傳出的位移信號X輸入示波器或記錄儀的X軸，把負壓傳感器輸出的壓力信號P輸入Y軸。 （3）選定若干個背壓值，使噴管輪分別處于超臨界、臨界、亞臨界的工況，每當實驗裝置調(diào)整穩(wěn)定在某一實驗工況時，搖動手輪，使測壓孔（X）自噴管進口逐步移至出口之外一段距離，并測取每個X所對應的壓力值，這樣就可以得到在不同背壓工況下，壓力沿噴管軸向各截面上的壓力分布圖形。（4）當背壓低于臨界壓力PC后，將探針置于噴管出口截面位置，這時降低背壓，觀察出口截面的壓力值（壓力不變）（5）將傳感器輸出切換開關撥向“流量”一側(cè)，即壓力信號輸入X軸，壓差傳感器輸出的流量信號m輸入Y軸，改變調(diào)節(jié)閥開

39、度，調(diào)節(jié)背壓，使背壓值自入口壓力值開始降低，流量m相應自零開始逐漸增大，當背壓降至臨界壓力PC再繼續(xù)降低時，流量m將保持不變，說明氣流達到最大流量mmax（參照圖42） 圖4-5 漸縮噴管實驗段 圖4-6 漸縮漸擴噴管實驗段五、數(shù)據(jù)整理 實驗中所需壓力、流量等各數(shù)據(jù)，測量方法如下：1壓力：噴管入口的壓力P1根據(jù)大氣壓力計和型管壓差計讀數(shù)確定如下： mmHg （4-7） N/m2 （4-8）式中：B大氣壓力計讀數(shù)mmHg H壓差計讀數(shù)mmHg 另外，P1也可以將探針置于噴管入口位置直接由真空表讀出。2背壓P2和噴管各截面的壓力用排氣管上的真空表與探針相連通的真空表測量，并根據(jù)式（7）的關系確定。

40、此時式中的H為真空表讀數(shù)。（實驗段均處于真空狀態(tài)，噴管臨界狀態(tài)時，背壓的真空度為PC=B-C（BH）。式中H為真空表讀數(shù)）。3噴管截面位置X：根據(jù)探針移動機構(gòu)上的位置指針指示的位置確定。4流量：根據(jù)孔板壓差計讀數(shù)，由所用孔板的流量校驗曲線查取。5實驗中，每測取一次數(shù)據(jù)時，應讀取和記錄噴管入口的壓力和溫度、孔板壓差、背壓、探針測壓孔的位置X和所測得的壓力以及大氣壓力值。6將實驗記錄及整理計算的數(shù)據(jù)列于表4-1和表4-2中。六、實驗報告要求1 簡述實驗目的及實驗原理。2實驗數(shù)據(jù)整理：數(shù)據(jù)的原始記錄、流量隨背壓變化的關系曲線（mP2曲線）、噴管中壓力分布曲線（PX曲線）。3結(jié)果分析：實驗測定的結(jié)果與

41、理論計算值之間、實驗繪制的曲線與示波器顯示的曲線之間的異同點，及產(chǎn)生差異的原因。表4-1噴管實驗記錄噴管形式主要參數(shù)最小截面積 （喉部尺寸）噴管入口壓力P1噴管背壓P2噴灌流量真空度mmmHg絕對壓力mmmHg真空度mmmHg絕對壓力mmmHg孔板壓差PmmH2OmKg/s示波器顯示曲線m Kg/s - P1/ P2臨界壓力 PcPa計算值 mmmHg實測值 mmmHg最大流量mmaxKg/s計算值孔板壓差PmmH2Ommax= Kg/s實測值mmax= Kg/s表4-2噴管實驗記錄噴管形式噴管截面至入口 距離 XmmP2PcP2=PcP2PcP2=P2=P2=真空度mmmHg絕對壓力mmmH

42、g真空度mmmHg絕對壓力mmmHg真空度mmmHg絕對壓力mmmHg入口5101520253035（出口截面）45示波器顯示曲線 Pb (bar) -Xmm實驗情況分析實驗5 壓氣機性能實驗 活塞式壓氣機是通用的機械設備之一，其工作原理是消耗機械能（或電能）而獲得壓縮氣體。壓氣機的壓縮指數(shù)和容積效率等都是衡量其性能先進與否的重要參數(shù)。本實驗是利用微機對壓氣機的有關性能參數(shù)進行實時動態(tài)采集，經(jīng)計算處理、得到展開的和封閉的示功圖。從而獲得壓氣機的平均壓縮指數(shù)、容積效率、指示功、指示功率等性能參數(shù)。一、實驗目的1掌握指示功、壓縮指數(shù)和容積效率的基本測試方法；2對使用微機采集、處理數(shù)據(jù)的全過程和方法

43、有所了解。二、實驗裝置及測量系統(tǒng) 本實驗儀器裝置主要由：壓氣機、電動機及測試系統(tǒng)所組成。測試系統(tǒng)包括：壓力傳感器、動態(tài)應變儀、放大器、計算機及打印機，見圖51。壓氣機型號：Z0.03/7汽缸直徑：D=50mm 活塞行程: L=20mm連桿長度：H=70mm， 轉(zhuǎn)速：n=1400轉(zhuǎn)/分 圖51 壓氣機實驗裝置及測試系統(tǒng)為了獲得反映壓氣機性能的示功圖，在壓氣機的汽缸頭上安裝了一個應變式壓力傳感器，供實驗時汽缸內(nèi)輸出的瞬態(tài)壓力信號。該信號經(jīng)橋式整流后，送至動態(tài)應變儀放大。對應著活塞上止點的位置，在飛輪外側(cè)粘貼著一塊磁條，從電磁傳感器上取得活塞上止點的脈沖信號，作為控制采集壓力的起止信號，以達到壓力和

44、曲柄傳角信號的同步。這二路信號經(jīng)放大器分別放大后，送入A/D板轉(zhuǎn)換為數(shù)值量，然后送至計算機，經(jīng)計算處理便得到了壓氣機工作過程中的有關數(shù)據(jù)及展開的示功圖和封閉的示功圖。見圖52及圖53。 圖 52 封閉的示功圖 圖 53 展開的示功圖根據(jù)動力學公式，活塞位移量x與曲柄轉(zhuǎn)角a有如下關系： （5-1）式中：=R/LR曲柄半徑；H連桿長度；a曲柄轉(zhuǎn)角。三、實驗原理1指示功和指示功率指示功：活塞壓氣機進行一個工作過程，活塞對氣體所作的功，記為Li。顯然功量就是PV圖上工作過程線所包圍的面積。其縱坐標是以線段長度表示的壓力值，而橫坐標則表示活塞的位移量，經(jīng)測面儀測量和計算才能得到功的數(shù)值，即： Li=SK1K210-5 (kgf-m) （5-2）式中：S 由測面儀測定的面積值 （mm2）;K1單位長度代表的容積 (mm3/mm) ； 式中： L活塞行程（mm）；活塞行程的線段長度（mm）；K2單位長度代表的壓力 (at/mm); 式中