第1章 《工程热力学》实验(第四版)

第一章 《工程热力学》实验

§1-1 二氧化碳临界状态及P-V-T 关系实验

一、实验目的和任务

目的：

1．巩固工质热力学状态及实际气体状态变化规律的理论知识，掌握用实验研究的方法和技巧。

2．熟悉部分热工仪器的正确使用方法（如活塞式压力计、恒温水浴等），加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解，为今后研究新工质的状态变化规律奠定基础。

任务：

1.测定CO 2的t v p --关系，在v p -坐标中绘出几种等温曲线，与标准实验曲线及克拉贝龙方程和范得瓦尔方程的理论计算值相比较并分析差异原因。

2.观察临界状态，测定CO 2的临界参数（c c c t v p 、、），将实验所得的c v 值与理想气体状态方程及范得瓦尔方程的理论计算值作一比较，简述其差异原因。

3.测定CO 2在不同压力下饱和蒸气和饱和液体的比容（或密度）及饱和温度和饱和压力的对应关系。

4.观察凝结和汽化过程及临界状态附近汽液两相模糊的现象。

二、实验原理

1.实际气体在压力不太高、温度不太低时，可以近似地认为理想气体，并遵循理想气体状态方程：

mRT pV = (1)

式中 p ―绝对压力（Pa ）

V ―容积(m 3)

T ―绝对温度(K)

m ―气体质量(kg)

R ―气体常数，

2CO R =8.314/44=0.1889(kJ/kg ·K)

实际气体中分子力和分子体积，在不同温度压力范围内，这两个因素所引起的相反作用按规定是不同的，因而，实际气体与不考虑分子力、分子的体积的理想气体有一定偏差。1873年范得瓦尔针对偏差原因提出了范得瓦尔方程式：

(2) 或 0)(2

3=+++-b av v RT bp pv (3)

式中 a ―比例常数， c c p RT a )

(272

=；

2

/v a ―分子力的修正项；

RT

b v v a p =-+))((2

b ―分子体积修正项，

c c p RT b 8 ； c c T p ,为临界压力和临界温度。 式（3）随p 、T 的不同，v 可有三种解：

①不相等的三个实根 ②相等的三个实根 ③一个实根、两个虚根

本实验将类似地重复1869年安得鲁实验，论证以上三种解的形成和原因，同时论证范得瓦尔方程较理想气体更接近于实际气体的状态变化规律，但仍有一定差距。

2.工质处于平衡状态时，其基本状态参数p 、v 、T 之间是有一定关系的：

F （p 、v 、T ）=0 (4)

或 p = f(v 、T ) ， v = f(p 、T )

T = f(p 、v ) (5)

由（5）式可以看出，三个基本状态参数中，只有两个是独立的，第三个是随其中一个变化而变化的，基于这两种关系，可以令一个参数如T 不变，用实验方法找出其余两个参数（p 、

v ）之间的变化关系，从而求得工质变化规律，完成实验任务。 三、实验设备

台本体参见图

7图1－1 P －V －T 关系实验流程图

图1－2 实验台本体详图

恒温器是提供室温至65 C范围内恒温水的设备，在此我们借助它提供的恒温水间接地恒定CO2的温度，同时也起改变CO2温度的作用。

压力台是借助其活塞杆的进退，使低粘度油传递压力来提供实验所需要的压力。

由恒温器提供的恒温水，从试验台本体玻璃水套下端进口流入，上端出口流出，反复循环，其温度数值由水套上的温度计读出，当水套上的上、下温度计读数相同，且以恒温器上温度计相差不太大时，可以近似认为承压玻璃管中所存的CO2温度与此温度相同。

由压力台出来的压力油，进入高压容器后，从高压容器与玻璃杯间隙处溢向水银表面，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管压缩CO2，其压力和容积通过压力台上活塞杆前进和后退调节，CO2压缩时所受压力，由压力台上的压力表读出，其容积变化则由玻璃管内CO2柱的高度来衡量。

四、实验步骤和数据整理

1.按图1装好试验设备。

2.使用恒温器调定温度

①做好恒温器使用前的准备工作：加蒸馏水，检查并接通电路，开动水泵，使水循环对流。

②电接点温度计顶端幅形磁铁，调至所规定的恒温温度。

③视水温情况开关加热器，当恒温器指示灯达到时亮时灭时，说明温度已达到所需的恒温。

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电接点温度计标定的温度一定时，则可近似认为CO2的温度已处于标定的温度。

⑤当需要改变温度时，重复②、③、④步骤。

3.加压前的准备

①关闭压力表及进入本体油路的两阀门，开启压力台上油杯的进油阀。

②倒退压力台上活塞螺杆，至螺杆全部退出，即抽油。

③先关闭油杯阀门，然后开启压力表和油路两阀门。

④推进活塞螺杆，向本体内注油，如此反复，至压力表上有读数为止。

⑤最后检查油杯阀门是否关好，压力表和油路阀门是否开启妥后即可进行实验。

4.进行实验

①做好实验的原始记录

a.设备数据记录：仪器、仪表的名称，型号、规格、精度、量程。

b.常规数据记录：室温，当时当地大气压力及实验环境情况。

c.将技术数据记录及观察的现象一并记录表1-1：

表1-1

②当压力升到MPa以后，应足够缓慢地推进活塞螺杆加压，并注意观察CO2受压力后的各种现象，进行实验。

5.注意事项：

①除t=20?C时，须加压至绝对压力为10Mpa外，其余各等温线均在5—9Mpa间测出h值，绝对不允许表压超过10Mpa，最高温度不要超过60?C。

②一般取h时压力间隔选取0.5Mpa，但接近饱和状态和临界状态时，取压间隔应小一点为好。

③实验终了卸压时，应使压力逐渐下降，不得直接打开油杯阀门卸压。

④实验完毕，应将设备仪器整理擦净，恢复原状，将原始数据交指导老师签字后方能离开实验室。

6.数据整理：

实验中测得的只是CO2柱的高度h值，而我们需要的是CO2的比容v值，设备中CO2重量（G）不便测量，而承压玻璃管的内径或截面积（A）又不易测准，因而只能用间接方法测定v值。已知CO2液体在20?C、10MPa时，比容v为0.00117 m3/kg。实测出CO2在20?C、10MPa时CO2液柱的高度h(m),则可得：

v CO2（20?C，10MPa）= (h?A)/G =0.00117m3/kg

G/A=(h/0.00117)= K = 常数

则在任意温度和压力下，CO2 的比容为：v=(（h/(G/A)）= h/K

只要在实验中测得t=20?C、P绝= 10MPa时的h值，计算出K值后，其他一切v值均可求得。

原始记录经整理后，根据实验任务要求，将结果列于表1-2：

(注：饱和温度及相应的饱和压力用红笔填写)

五、结果分析

1．计算临界状态参数的误差。

p-图。

2.绘制v

3.对照理论计算值与理论曲线，作分析比较。

§1-2 空气在喷管中流动性能的测定

一、实验目的和任务

目的：

巩固和验证有关喷管理论，熟悉不同形式喷管的机理，掌握气流在喷管中流速、流量、 压力变化的规律及有关测试方法。

任务：

1．分别对渐缩喷管和缩放喷管测定不同工况下（初压P 1不变，改变背压P b ）时气流在喷管中的流量；绘制m-P b 曲线；比较最大流量m max 的计算值和实验值；确定临界压力P c 。

2．测定不同工况时气流沿喷管各截面(轴线位置X)的压力p 的变化；绘制出一组p-X 曲线；分别比较临界压力p c 的计算值与实验值；观察和记录p c 出现在喷管中的位置。

二、实验原理：

稳定流动中，任何截面上质量流量都相等，且不随时间变化，流量大小可由下式决定：

22

2

A C m A υ=

= (1)

式中 k —比热比（绝热指数k=c p /c v ）；

A 2—出口截面积, m 2

； υ—气体比容, m 3/ kg ； p —压力, Ｐa 。

角下标：1指喷管入口参数，2指喷管出口参数。

量达到最大值：

1112

min

max 0)12(12p k k k A m k =++=-υ

临界压力的大小为：

111

2()0.5281

k

k c p p p k -==+ 喷管中的流量m m 保持不变，流量m 随背压P b 的曲线a-b-c 。

时的最低背压P b 不再是P c 三、实验设备及实验步骤

流量的大小由U型管压差计4读出。喷管5用有机玻璃制成，有渐缩和缩放两种形式如图1-5所示，可按实验要求，变换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探针7连至可移动标准真空表8测得，它们的移动通过手轮螺杆机构9实现。在喷管后的排气管上还装有背压真空表10、真空罐12，起稳定背压的作用，罐内的真空度通过背压调节阀11来调节，为减少振动，真空罐与真空泵之间用软管连接。

渐缩喷管和缩放喷管进行如下相同的步骤：

1．装好喷管。

2．对真空泵作开车前检查(检查传动系统、油路、水路)。检查无问题后打开背压调节阀，用手转动真空泵飞轮一周，去掉气缸中过量的油，开启电动机，当达到正常转速后可开始实验。

3. 将测压探针上的测压孔移至喷管出口之外一段距离之后保持不动，此时P2 = P b，改

变调节阀开度，调节背压P b自P1开始逐渐降低，记录在不同P b下的孔板压差ΔP值，以备计算流量及绘制m-P b曲线，实验时注意记下ΔP开始达到最大值的P b，以求得P c及P f值。

4．调节不同的P b，摇动手轮，使X自喷管进口逐步移至出口外一段距离，记录不同X值下的P值，以测定不同工况下的P-X曲线。

5．在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，使罐内充气。当关闭真空泵后，立即打开罐后调节阀，使真空泵充气，以防止真空泵回油。最后关闭冷却水阀门。

6．认真做好原始记录

1）设备数据记录：设备名称、型号和规格等；

2）常规数据记录：当地大气压力、室温、实验环境状况；

3）将技术数据及绘制的图形等记入附表内。

四、实验数据整理：

孔板流量计的流量计算公式如下：

Q?

=ρ2

KA

p

式中 Q—体积流量，m3/s；

K—流量系数,K值是雷诺数Re的函数，可由上图查得；

A0—孔板孔口截面积，m2；

—孔板处的流体密度，kg/m3；

ΔP—测点压差， Pa。

因为Re是随流量Q变化的，所以在流量未知的情况下就无法确定Re，在流量精度要求不高时，K值可取平均值0.67，如精度要求较高时，可用K值平均值0.67先算出流量Q，再算Re 和K值，反复几次则可求得接近的K值。

原始记录经整理后，根据实验任务要求，将结果列于表1-3、表1-4中。

喷管实验记录（一）表1-3 室温t= 当时当地大气压P=

m

喷管实验记录（二）表1-4

五、实验报告

包括以下内容：

1. 简述实验原理与过程。

2. 各种数据的原理记录。

3. 实验结果整理后的数据，包括最大流量mmax 、临界压力Pc，以及m-P b曲线、p-X曲线。分析实验值与计算值。

4. 通过实验的收获体会及对实验改进意见。

六、思考题

1．何谓喷管的临界状态？临界压力如何确定？

2．渐缩喷管和缩放喷管出口截面压力P2与背压P b之间有和关系？

3．渐缩喷管的P2能降到临界压力以下吗？缩放喷管的P2能降到临界以下吗？

4．渐缩喷管和缩放喷管的临界压力P c各出现的位置在何处？各截面的流量相同吗？