工程热力学实验指导书
《工程热力学》课内实验指导书及实验报告
《工程热力学》实验
院系、专业 课 程 工 程 热 力 学 成 绩
班 级 学 号 姓 名 同组人 实验地点 工程中心 9-111 指导教师
2014年 月 日
实验一 饱和水蒸汽压力和温度关系的测定
一、实验目的
1、 通过观察小容积的核态沸腾现象及饱和蒸汽压力和温度的变化关系,加深对饱和状态的
理解,从而建立起当液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时,液体便会发生沸腾的基本概念。
2、 通过对实验数据的整理,掌握饱和蒸汽p -t 关系图标的编制方法。 3、 学会温度计、压力表、调压器和大气压力计等仪表的使用方法。
二、实验原理
实验中,通过电子调压模块调节输出电压以实现不同工况,用电接点压力表和温控仪测取不同工况下饱和蒸汽的压力和温度值,根据测得的p 、t 实验数据,即可绘制p -t 关系曲线,并将饱和蒸汽压力和温度的关系整理成实验公式。
三、实验设备
本实验以〈可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验仪〉为主要实验设备。实验装置由加热密封容器(产生饱和蒸汽)、电接点压力表(-0.1~1.5MPa )、电子无级调压模块(0~220V )、电压表、温控仪、测温管(管底注入少量机油,用来传递和均匀温度)和透明玻璃视窗等组成。
图1 可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验仪
四、实验步骤
1、 熟悉实验装置及所使用仪表的工作原理、性能和使用方法。
2、 接通有安全地线的220V 电源,调整电流表旋钮,使其表值接近于零。
3、 设定电接点压力表的下限位针(金属白),使其触点与表压指示针(黑)触合,如果按
下开关后,电压表在调压时仍不显示其变化值,就应检查指针是否与触点触合。可拨动触点靠拢指针,继电器有轻微吸合声,即表示电源导通,此时加热器开始工作。视其实验进程所需时间的长短,适当调节电流的大小可观察压力上升的快慢,通常电流值调至1.0(A )为宜,太大会影响加热器的使用寿命。
4、 设定电接点压力表的上限位针(金属白),可在0~0.8 MPa 范围内任意设定,通常不少
于6个压力值,实验点应尽可能均布。当蒸汽压力上升,使表压指示针接近第一个设定值时,迅速记录当前的P O 和t O 。当表压指针与上限位针触合,加热器会自动断电,然后拨开上限位针至第二测量点,加热器继续工作,表压继续升高。重复以上操作,从低到高完成全部测量,将记录值填入下列表中。 5、 实验完毕后,将电流调节旋钮回零位,并断开电源。 6、 记录实验环境的温度和大气压力。
五、实验数据处理方法:
1、 以压力表示值为标准值,参照水蒸气热力性质表,查出标准温度,计算测量温度的相对误差。
六、数据记录:
1、数据记录和计算:大气压力B= MPa
七、注意事项:
机箱侧阀的用途:
1、密闭容器内的压力值为负压,阀使容器与大气隔绝。
2、当容器内的液体低于测量所需的液位时容器在真空状态下,此阀可向容器内加入实验用
液体。
3、当容器内工作压力较高且需得到一较低值时,可通过此阀在瞬间调节。 4、容器内工作压力不得超过0.8 MPa。
八、实验报告:
1、数据整理:
2 实验结果
3、结果分析:
4、思考与建义:
实验二 喷管流动特性测定实验
一、实验目的:
(1)巩固和验证有关气体在喷管内流动的基本理论,掌握气流在喷管中流速、流量、压力的变化规律,加深临界状态参数、背压、出口压力等基本概念的理解。
(2)测定不同工况(p b >p cr , p b
的变=p cr , p b
max 的计算值和实测值;确定临界压力p cr 。 -p b p s 曲线;分析比较m 化,绘制m
(3)测定不同工况时,气流沿喷管各截面(轴相位置X )的压力变化情况,绘制X 关系曲线,分析比较临界压力的计算值和实测值。
二、实验原理:
1、渐缩喷管
气体在渐缩喷管内绝热流动的最大膨胀程度取决于临界压力比:临界压力比只和气体的等熵指数k 有关,对于空气,k =1.4,如图3-1 所示。
2、缩放形喷管
气体流经缩放形喷管时完全膨胀的程度决定于喷管的出口截面积A 2与喷管中的最小截面积A min 的比值。喷管在不同背压条件下工作时,压力分布如图3-2所示。
图3-1(a )渐缩喷管中气体分布示意图
-
p x
p 1
图3-1(b )渐缩喷管流量曲
3-1)
。式中的p cr 即
为气体在渐缩喷管中膨胀所能达到的最低压力,称为临界压力。气体渐缩喷管中的膨胀情况
图3-2 缩放喷管中气体压力线分布示意图
三、实验仪器:
本实验装置由实验本体、真空泵及测试仪表等组成。其中实验本体由进气管段,喷管实验段(渐缩喷管与渐缩渐扩喷管各一),真空罐及支架等组成,实验装置系统图见图3-3,采用真空泵作为气源设备,装在喷管的排气侧。喷管入口的气体状态用测压计6和温度计7测量。气体流量用风道上的孔板流量计2测量。喷管排气管道中的压力p 2用真空表11测量。转动探针移动机构4的手轮,可以移动探针测压孔的位置,测量的压力值由真空表12读取。
实验中要求喷管的入口压力保持不变。风道上安装的调节阀门3,可根据流量增大或减小时孔板压差的变化适当开大或关小调节阀。应仔细调节,使实验段1前的管道中的压力维持在实验选定的数值。喷管排气管道中的压力p 2由调节阀门3控制,真空罐13起稳定排气管压力的作用。当真空泵运转时,空气由实验本体的吸气口进入并依次通过进气管段,孔板流量计,喷管实验段然后排到室外。
1-管道;2-喷管;3-探针;4-测压孔;5-测量喷管各截面压力的压力表;6-测量喷管入口压力的压力表; 7-测量喷管排气管道压力的压力表
图3-3 探针测压简图
喷管各截面上的压力采用探针测量,如图3.2所示,探针可以沿喷管的轴线移动,具体的压力测量是这样的:用一根直径为1.2mm 的不锈钢制的探针贯通喷管,起右端与真空表相通,左端为自由端(其端部开口用密封胶封死),在接近左端端部处有一个0.5mm 的引压孔。显然真空表上显示的数值应该是引压孔所在截面的压力,若移动探针(实际上是移动引压孔)则可确定喷管内各截面的压力。
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12。
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12,用罐前调节阀10调节背压P b 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。每隔几毫米—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P x /P1—X 曲线。
4、再用罐前调节阀10逐次调节背压P b ,为设定的背压值。在各个背压值下,重复上述摇动手轮9的操作过程,而得到一组在不同背压下的压力曲线P x /P1—X 。
5、摇动手轮9,使测压孔的位置x 位于喷管出口外40mm 处。此时 真空表8上的读数为背压P b 。
6、全开罐后调节阀12,用罐前调节阀10调节背压P b ,使它由全关状态逐渐慢开启。随背压P b 降低(真空度升高),流量q m 逐渐增大,当背压降至某一定值(渐缩喷管为P c ,缩放喷管为P f )时,流量达到最大值q m , max ,以后将不随P b 的降低而改变。
7、用罐前调节阀10重复上述过程,调节背压P b ,每变化0.005MPa 一停,记下背压真空表7上的背压读数和U 形管压力计4上的压差△P (mmH 2O )读数(低真空时,流量变化大,可取0.02MPa ;高真空时,流量变化小,可取0.01MPa 间隔)将读数换算成压力比P b /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10,关闭罐后调节阀12,使罐内充报导。当关闭真空泵后,立即打开罐后调节阀12,使真空泵充气。以防止真空泵回油。最后关闭冷却水阀门。
五、实验数据处理方法:
1) 喷管尺寸见图纸,图3-4。
(a ) 渐缩喷管结构图 (b ) 渐缩渐扩喷管结构图
图3- 4 喷管尺寸
2)喷管入口温度t 1,入口压力p 1。
t 1—喷管入口温度为室温t a ,℃。
p 1—喷管入口压力,p 1=p a -(0. 95∆p ) ⨯10-5, 单位MPa (3-2)
由于在进气管中装有测流量孔板,气流流过孔板将有压力损失。将略低于大气压力p a ,流量越大,低得越多。根据经验公式和实测,可由上式确定入口压力p 1。
式中:△p —U 型管压差计读数为,单位mmH 2O 柱高;
p a —大气压力计读数为,单位MPa 。
3)孔板流量计计算公式:
q m =1. 373⨯10-4∆p kg/s (3-3)
式中:ε—流束膨胀系数,ε=1-2. 873⨯10⨯
-6
∆p
; p a
β
—气态修正系数,β=53. 8
p a
;
t a +273. 15
γ—几何修正系数,此处取1。 其中:t a —室温,℃;
△p —U 型管压差计读数,mmH 2O ;
p a —大气压力计读数,MPa 。
4) 喷管流量的理论计算公式:
在稳定流动中,任何截面上的质量均相等,流量大小可由下式确定:
q m =f 2
2k p 1k -1v 1
⎡p 2p 2k +⎤⎢() -() ⎥ p p 1⎣1⎦
式中:k ——绝热指数;
f 2——出口截面积(应该按直径4mm 圆截面积减去直径1.2mm 测量针的截面积计算) ,
即f 2=
11
π(D 2-d 2) =⨯3. 14⨯(42-1. 22) =11.43mm2 =1.143×10 -5 m 2 44
v 1, v 2——分别表示进、出口截面气体的比体积,m 3/kg;
p 1, p 2——分别表示进、出口截面上气体的压力,Pa 。
对于空气,代入k =1. 4,R =287.1J/kg•℃。
⎡p p 1. 4+⎤
q m =0. 156p 1f 2⎢(2) . 4-(2) . 4⎥/T 1 (3-4)
p 1⎣p 1⎦
当出口截面压力等于临界压力p cr ,即:p 2/p1=0.528时流量达到最大值
q m max =0. 040p 1f 2
1
(3-5) T 1
5)临界压力的理论计算值:p cr =0.528p 1 (3-6)
六、数据记录:
表3.1 流量——压力比数据表格
表 3.2位移——压力比数据表格
(1)超临界工况: P b = MPa
(2)临界工况:P b = MPa
(3)亚临界工况:P b = MPa
七、注意事项:
(1)启动真空泵前,对真空泵传动系统,油路,水路进行检查,检查无误后,打开背压调节阀,用手转动真空泵飞轮一周,去掉汽缸内过量的油气,启动电机,当转速稳定后开始进行实验。
(2)由于测压探针内径较小,测压时滞现象比较严重,为了取得准确的压力值,摇动手轮必须足够的慢。通理,描绘流量曲线时,开关调节阀的速度也不宜过快。
(3)停机前,先关真空罐出口调节阀,让真空罐充气,关真空泵后,立即打开此阀,让真空泵充气。防止真空泵回油,也有利于真空泵下次启动。
八、实验报告:
1、数据整理(计算后制表如下并绘q m — P b /P1图) :
1) 流量——压力
2) 位移——压力
2、实验结果:
A :数据汇总
(1)超临界工况: P b = MPa
(2)临临界工况: P b = MPa
(3)压临界工况: P b = MPa
B :数据图形:
q m
q m — P /P
b
1
P b /P1
11
P x
x -- Px
3、结果分析:
4、思考与建义:
12
x