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《热工基础实验指导书》.doc

《热工基础实验指导书》

叚亍曾
2012-01-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《《热工基础实验指导书》doc》,可适用于高等教育领域

热工基础实验指导书ThermodynamicsandHeattransferBasicExperimentInstructor(BelongtoPyrologyStaffRoom)HefeiUniversityofTechnology(工程热力学实验)实验一气体定压比热容测定实验一、实验目的、增强热物性实验研究方面的感性认识促进理论联系实际了解气体比热容测定的基本原理和构思。、学习本实验中所涉及的各种参数的测量方法掌握由实验数据计算出比热容数值和比热容关系式的方法。、学会实验中所用各种仪表的正确使用方法。二、实验原理由工程热力学所知气体定压比热容的定义式为:           ()在没有对外界作功的气体定压流动过程中此时气体的定压比热容可表示为:           ()当气体在此定压过程中由温度t被加热至t时气体在此温度范围内的平均定压比热容可由下式确定: (kJkg℃)          ()式中:M――气体的质量流量kgsQp――气体在定压流动过程中吸收的热量kJs。大气是含有水蒸汽的湿空气当湿空气由温度t被加热至t时其中的水蒸汽也要吸收热量这部分热量要根据湿空气的相对湿度来确定。如果计算干空气的比热容必须从加热给湿空气的热量中扣除这部分热量剩余的才是干空气的吸热量。在距室温不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性的即可近似的表示为:Cp=ABt   ()由t加热到t的平均定压比热容则为:           ()这说明此时气体的平均比热容等于平均温度tm=(tt)时的定压比热容因此可以对某一气体在n个不同的平均温度tmi下测出其定压比热容Cpmi然后根据最小二乘法原理。确定A、B:        ()        ()从而便可得到比热容的实验关系式。三、实验设备、空气(或其它气体)由风机经流量计送入比热容仪本体经加热、均流、旋流、混流、测温后流出。气体流量由节流阀控制气体出口温度由输入电加热器的电压调节。、该比热容仪可测量℃以下气体的定压比热容四、实验步骤、按图所示接好电源线和测量仪表。经指导教师认可后接通电源将选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。、小心取下流量计上的温度计。开动风机调节流阀使流量保持在预定值附近测出流量计出口处的干球温度ta和湿球温度tw。、将温度计入回原位调节流量使它保持在预定值附近。调节电压开始加热(加热功率的大小取决于气体流量和气流进出口温度差可依据关系式Q=Δtτ进行估算式中Q为加热功率WΔt为比热容仪本体进出口温度差℃τ为每流过升空气所需要的时间S)。、待出口温度稳定后(出口温度在分钟内无变化或有微小变化即可视为稳定)即可采集实验数据需采集的数据有:()每升气体通过流量计时所需的时间τ(S)()比热容仪进口温度t与出口温度t(℃)()当时大气压力B(mmHg)和流量计出口处的表压力Δh(mmHO)()电加热器的电压U(V)和电流I(A)。、改变电压使出口温度改变并达到新的预定值重复步骤在允许的时间内可多做几次实验。将上述实验数据填入所列的原始数据表中。五、计算公式、根据流量计出口处空气的干球温度ta和湿球温度tw在干湿球温度计上读出空气的相对湿度Ф再从湿空气的焓湿图上查出湿空气的含湿量d(g水蒸汽kg干空气)计算出水蒸汽的容积成分rw、电加热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算。、干空气流量为:、水蒸汽流量为:、水蒸汽吸热量为:、干空气吸热量为:六、实验报告要求、简述实验原理简介实验装置和测量系统并画出简图。、报告中要有实验原始数据记录表计算过程及计算结果。、将实验结果表示在Cpm――tm的坐标图上用()和()式确定A、B确定平均定压比热容与平均温度的关系式()和定压比热容与温度的关系式()。、对实验结果进行分析和讨论。七、注意事项、切勿在无气流通过的情况下使加热器投入工作以免引起局部过热而损坏比热容仪本体。、输入加热器的电压不得超过伏气体出口最高温度不得超过℃。、加热和冷却要缓慢进行防止比热容仪本体和温度计因温度聚升或聚降而损坏。、停止实验时应先切断电加热器让风机继续工作十五分钟左右。 实验二空气绝热指数的测定一、实验目的、学习测量空气绝热指数的方法。、通过实验培养运用热力学基本理论处理实际问题的能力。、通过实验进一步加深对刚性容器充气、放气现象的认识。二、实验原理在热力学中气体的定压比热容Cp和定容比热压Cv之比被定义为该气体的绝热指数并以k表示即k=CpCv。本实验利用定量气体在绝热膨胀过程和定容加热过程中的变化规律来测定空气绝热指数k。该实验过程的Pv图如图所示。图中AB为绝热膨胀过程BC为定容加热过程。因为AB为绝热过程所以:          ()BC为定容过程所以VB=VC。假设状态A与C所处的温度相同对于状态A、C可得:PAVA=PCVC            ()将()式两边k次方得:(PAVA)k=(PCVC)k   ()比较()、()两式可得:将上式两边取对数可得:          ()因此只要测出A、B、C三个状态下的压力PA、PB、PC且将其代入()式即可求得空气的绝热指数k。三、实验设备本实验的实验设备如图所示。实验时通过充气阀对刚性容器进行充气至状态A由U形管差压测得状态A的表压hA(mmHO)如图状态A我们选取容器内一分气体作为研究对象其体积为VA压力为PA温度为TA假设通过排气阀放气使其压力与大气压被力相平衡恰好此时的气体膨胀至整个容器(体积为VB)立即关闭排气阀膨胀过程结束。因为PB=Pa(大气压力)由于此过程进行得十分迅速可忽略过程的热交换因此可认为此过程为定量气体的绝热膨胀过程即由状态A(PA、VA、TA)绝热膨胀至状态B(PB、VB、TB)处于状态B的气体由于其温度低于环境温度则刚性容器内的气体通过容器壁与环境交换热量当容器内的气体温度与环境温度相等时系统处于新的平衡状态C(PC、VC、TC)。若忽视刚性容器的体积变化此过程可认为是定容加热过程此时容器内气体的压力可由U形差压计测得hc(mmHO)。至此被选为研究对象的气体从A经过绝热膨胀过程至B又经过定容加热过程至C且状态A、C所处的温度同为环境温度实现了图中所示的过程。四、实验步骤、实验前认真阅读实验指导书了解实验原理。、进入实验室后参考实验指导书对照实物熟悉实验设备。、实验中由于对装置的气密性要求较高因此实验开始时首先应检查装置的气密性。方法是:通过充气阀对刚性容器充气至状态A使hA=(mmHO)左右过几分钟后观察水柱的变化若不变化说明气密性满足要求若有变化则说明漏气。此步骤一定要认真否则将给实验结果带来较大的误差同时读出hA的值。、右手转动排气阀在气流流出的声音“拍”消失的同时关上排气阀(此时恰到好处实验操作者在实验正式开始前要多练习几次)。、等U型管差压计的读数稳定后读出hc(大约需分钟左右的时间)。、重复上述步骤多做几遍将实验中采集的数据填在实验数据表格中并求k值。五、计算公式如果将前述的()式直接用于实验计算的话那是比较麻烦的。因此针对我们的实验条件现将()式进行适当的简化。设U型管差压计的封液(水)的重度为r=×(Nm)实验时大气压力则为Pa≈(mmHO)。因此状态A的压力可表示为PA=PahA状态B的压力可表示为PB=pa状态C的压力可表示为pc=pahc。将其代入()式得:       ()实验中由于刚性容器的限制一般取hA≈(mmHO)且hc<hA因此有hcpa≈pahAPa《,(hAhc)(pahA)》。所以按照近似的方法()式可简化为:         ()这即为利用本实验装置测定空气绝热指数k的简化(近似)计算公式。实验一粉末或散装绝热材料导热系数测定实验一、实验目的、学习圆球法测定粉末或散装材料导热系数的实验方法、测定试验材料(膨胀珍珠岩或空心微珠的粉末)在试验温度下的导热系数、熟悉热电偶测温、直流电位差计测热电势的原理和方法。二、实验原理实验时将粉末或散装试验材料均匀地填满在圆球导热仪的大球和小球之间。小球内芯装有电加热器电加热器放出的热量传给小球然后通过试验材料传向大球再由大球传给空气。实验中可保证大、小球壁的温度均匀一致因此在经过一段时间加热后自小球向大球的传热可视为球坐标系(三个坐标方向为:半径r方向球的经度方向及球的纬度方向)中的沿半径方向的一维稳态导热。导热量可由傅立叶定律算出:()移项后为从小球到大球积分(小球半径为r直径为d壁温为tw大球半径为r直径为d壁温为tw)有()式中:d、d单位为mtw、tw单位为℃Q的单位为wλ的单位为wm℃由上式得()实验中测出电加热器的功率或测出电加热器的电压V(伏特)和电流(安培)就可得到传热量Q大、小球的壁面温度tw、tw可由埋在大、小球壁面上的各三对铜康铜热电偶测出大球直径d=×m小球直径d=×m。测出这些数据后就可根据(-)式算出导热系数值。把d、d数值代入(-)式整理后可得λ的简单算式:()三、实验装置实验装置由圆球导热仪、试验材料、电加热器、热电偶及冰瓶、多点切换开关、电位差计、功率表或电压表与电流表、交流稳压电源、自偶变压器、整流器等组成。圆球导热仪由大、小两个空心的球壁组成小球同心地装在大球内试验材料填满在大小球壁之间。大球内壁和小球外壁上埋设的三对热电偶的冷端接冰瓶热端和多点切换开关相连接以便通过电位差计测出六个热电势(大球壁三个、小球壁三个)然后查热电偶分度表得到大、小球壁面的平均温度。小球壁内的电加热器由交流稳压电源、自偶变压器、整流器供电功率由电压表与电流表测出或由功率直接读出。电加热器的输入功率大小可由自偶变压器调节以改变大、小球壁的温度。四、实验步骤、熟悉实验装置图并了解各部分的作用然后接上测量仪表和全部线路经指导教师检查后接通电源并调整电加热器的输入功率为指定值(该值由指导教师临时告知)。、加热若干时间后当内、外壁温度不再改变时(可由热电偶的热电势不变示出)导热仪中导热已进入稳态可以正式测量与记录数据。、顺序掀按琴键式切换开关通过电位差计分别读出六个热电势(小球为、、大球为、、)在实验报告上记录下这六个热电势值并记录实验中功率表读数或电流与电压表读数。、切断电源结束实验。实验二 空气横掠单管时平均对流换热系数及准则方程式测定实验一、实验目的、学习测定空气槽掠单管时平均换热系数的方法、测定空气槽掠单管时的准则方程式、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法。二、实验原理、空气槽掠单管的平均对流换热系数α的测定根据牛顿冷却公式:()式中 α――单管沿周平均对流换热系数wm℃。Q――单管与空气间的对流换热量它等于装在管子上的电加热器的功率单位为WA――单管的外表面积mA=πDLD为管子外径(单位为m可选不同D的管子实验)L为加热部分的管长L=m,――管外壁温度℃,――空气温度℃实验中只要测出电加热器功率及管外壁温度及空气温度即可按(-)式算出空气槽掠单管时的平均对流换热系数α。、空气横掠单管时准则方程式测定根据传热学教科书强迫对流换热准则方程的一般形式为()对本实验来讲流体为空气实验中空气温度变化不大因此(-)中的Pr可视为一个常数这样(-)式变为()经验表明(-)式可以写成指数形式即()实验中只要测出常数C及指数n就得到了空气槽掠单管的准则方程具体形式。C、n的测定方法是:对(-)式两边取对数得()(-)式在ln NulnRe的坐标图上是一条直线。该直线的斜率即为n值截距即为lnC值从而得以C、n值。具体做法是:实验中改变单管外径D值或改变空气流速u值每改变一次得到一个雷诺数同时得到一个α值(α按前述方法测定)可算出一个Nu值空气导热系数λ值实验中为常数)。这样每改变一次D值或v值就得到一组(Re、Nu)把它描在lnNu-lnRe图上就得到一个点改变若干次就在图上得到若干点连接这些点得到一条直线然后求出这条直线的斜率和截距就得到n、C值。C、n值的具体计算可有多种方法本实验要求用最小二乘方法确定。三、实验装置空气横掠单管对流换热实验装置实验时在风机的抽吸下室内空气经进风口(可调节进风口面积以改变空气流速)风机、风箱、有机玻璃风道流向室内单管试件就安装在有机玻璃风道内这样就造成了空气槽掠单管的流动。试件为一薄壁不锈钢圆管。试件上有电加热器对试件低电压大电流(直流)加热此热量被横掠试件的空气带走。加热段ab长度为L=m试件外径D对每组实验来讲是固定不变的但空气流速可以通过进风口进风截面大小来调节。试件的低压大电流由奎直流电源供缎带。加热功率在不同风速下是相同的。为确定试件壁温tw在试件中埋有铜-康铜热电偶的测量端(热端)热电偶的冷端就置于空气流中。由空气流的温度(就等于室温)可从热电偶分度表中查得值而由电位差计可测得热电势值值按下式算出:最后根据值查热电偶分度表得到值。(因为试件很薄仅~mm且内壁绝热故查出的温度值就是单管外壁温度)横掠单管的空气流速由毕托管和倾斜倾压计测出。对毕托管的全压孔中驻点(图中点参数用下角标“”表示)和静压孔(图中点)列伯努利方程(见图-)有由于=Z=故有(式中为空气密度)Δp由倾斜微压计读出。测量中读出的是倾斜微压计的倾斜管液柱长H(mm)。考虑到斜管的倾斜角以及将液柱密度(倾斜微压计中液体是煤油)折合成水柱密度等因素读出的H值应当乘以斜压计的倍率。本实验中斜压计倍率为故实际压差高度为=H。压差(为水的密度)。这样空气流速计算式变为取水的密度= 则上式最后变为()式中,为mmHO 为空气密度(由空气温度查表) 为了使一台电位差计能测出试件工作电压、工作电流及热电偶热电势实验装置中设置了转换开关。四、实验步骤、阅读实验指导书熟悉本实验的实验装置与测试仪表。、将单管试件安装在风道中(每实验小组单管直径不变Re的改变通过改变进风口的流通面积大小实验实验中进风口面积改变五次也即可调五个空气流速)。、启动风机(即接通电源)将风机进风口面积调节至适当大小待工况稳定后进行测量。、用电位差计(通过转换开关)测出试件的电压降(读数为mV)。、用电位差计(通过转换开关)测出试件的工作电流(读数为mV)。、用电位差计(通过转换开关)测出试件表面热电偶的热电势  单位、读出倾斜微压计的斜管液面长度H(mm)。、调节进风口进风面积调好后重复-的操作步骤。、实验结束关闭电源。五、最小二乘方法求C、n为书写方便起见令(-)式中,(-)式变为()实验得到N组(Re、Nu)就有N组(y、x)。将每一组y、x记为yi,xi(i=~N)设每一次实验得到的yi值与按算出的y值之差为在   时求出的n、b值可使误差最小。由上面二个偏导数等于零可得到()因此只要算出,,,,四个值并代入(-)式就可解出n、b值然后由  求出C值这样就求出了准则方程的具体形式。说明:)由于每个实验小组只测出五组(Re、Nu)数据实验数据的组数不够因此必需把本班另一实验小组的五组数据取来然后由最小二乘方法求出C、n值。)C、n值的参考数值为:Re=~C=n=Re=~C=n=Re=~C=n=Re=~C=n=实验三微元表面dA到有限表面A的角系数测量实验一、实验目的、加深对角系数物理意义的理解学习图解法求角系数的原理和方法、掌握角系数测量仪(即机械式积分仪)的原理和使用方法、用角系数测量仪测定微元表面dA(水平放置)到有限表面A(A为矩形、垂直放置)的角系数。二、图解法求角系数原理角系数是dA发射的辐射能落到A上的能量的份额。设dA为黑体则dA发射的辐射能为dQb=dAEb(Eb为dA的辐射力)若落到A上的则有()根据定向辐射强度定义可表示为()式中:IbdA的定向辐射强度A上的微元面积dA对dA所张的立体角dACosdA上所看到的发射面积(可见发射面积)dA与dA的连线与dA的法线间夹角()式中有关符号的意义见图。图解法求角系数的具体方法是:以dA为球心作一个半径为R的半球面(见图)再从dA中心向dA的周线上各点引直线这些直线与球面的交点形成的面积记为dAs显然dAs对dA所张的立体角也是于是可用球面上的dAs来计算结果是代入()式得()图角系数FdAA图解原理从dA中心到A的周线上各点作直线这些直线在球面上截出的面积记为As则有()()式中CosdAs正好是球面上的面积dAs在水平面上投影面积dAsp于是()式可改为()式中:Asp为球面上面积As在水平面上投影面积。把()式代入()式可得()()式便是图解法求角系数的原理式。根据()式图解法求角系数时只要以dA为球心作一个半径为R的半球面再从dA中心向A周线上各点引直线各直线在球面上截出的面积为As最后将As投影到半球底面上得投影面积Asp测量出Asp大小就可按()式求出角系数。上述推导中曾假定dA为黑体实际上在一定的假定条件下()式对灰体也成立。三、角系数测量仪结构和测角系数的原理及方法角系数测量仪是根据图解法原理测微元表面到有限表面角系数的机械式积分仪。本实验中用的是SM型机械式积分仪它的基本结构见图。主要有立柱、滑杆、平行连杆、镜筒、记录笔、平衡块、镜筒上的瞄准镜、底座、方位角旋钮、高变角旋钮等组成。图SM型角系数测量仪结构图图为SM角系数测量仪示意图。立杆垂直于水平面MN于B点。立杆可绕其轴线旋转以带动滑杆旋转。滑杆通过两根长度皆为R的平行连杆a、b保持与MN垂直。连杆a即是测量仪的镜筒A点为假想的球心(dA)。滑杆的下部为记录笔。当镜筒上的C点对准A周线扫瞄时滑杆可以旋转和上、下移动(对A的水平周线部分扫瞄时滑杆转动对A的垂直周线部分扫瞄时滑杆上、下移动这时山立杆、滑杆、连杆a、b组成的四边形发尘变形从而使记录笔沿半径方向移动。)图SM角系数测量仪示意图测量时仪器放置见图。瞄准镜是dAA为垂直放置的a×b的矩形面积。在测量仪底座下放一张大白纸(或方格纸)手握平衡块使镜筒放到水平位置(即将连杆放到最低位置)然后手握平衡块使立柱旋转这时记录笔在白纸上黑出一个半径为R的圆。再手握平衡块通过瞄准镜瞄准A的周线扫瞄一周(瞄准时瞄准镜圆孔中心、十字中心与A周线上的点要连成一线)这时记录笔在白纸上画出的面积就是Asp测量出Asp和圆的面积两者之比就是角系数FdAA(对A周线扫瞄时也可通过调整方位角和高度角进行)。四、实验步骤、将测量仪盖板卸下并水平地放在桌面上放置时要把有定位铜圈的一面朝上。在盖板上贴上白纸注意在盖板的定位铜圈处白纸要开一小孔以使定位铜圈露出。、将测量仪放在盖板上这时要使测量仪底坐上的孔对准盖板上的定位铜圈。、将仪器箱体靠盖板垂直放置(注意盖板上的箭头与箱体上箭头对准)。这时箱体上的a×b的矩形就是A。、将镜筒放到水平位置(即连杆放到最低位置)锁紧连杆放下记录笔旋转立杆(通过平衡块来旋转)使记录笔在白纸上画出半径为R的圆。、将记录笔抬起放松锁紧旋钮调整方位角和高低角瞄准A的周线进行扫瞄操作练习(扫瞄练习也可不通过调整方位角高低角进行而是直接手握平衡块进行)练习到描瞄动作熟练、准确时方可正式测定。、放下记录笔细心地扫描A的周线一圈记录笔这时在白纸上画出的面积即是Asp。、用求积仪测出Asp面积大小并测量白纸上圆的半径R的尺寸然后按系数。注意对同一个A一般要测量若干次以求得平均角系数。、测量A的尺寸a、b及图中的尺寸C按下列理论公式计算出角系数并与测量的角系数值进行比较。五、注意事项、锁紧旋钮通常应处于放松状态当锁紧旋钮处于锁紧状态时不得改变仪器的高度角否则将损坏齿轮。、每次描瞄结束时应立即抬起记录笔以免弄脏记录纸。图实验操作时仪器放置构图ACB研究对象定容加热绝热膨胀P�EMBEDEquation���V�EMBEDEquation���T�EMBEDEquation���P�EMBEDEquation���V�EMBEDEquation���T�EMBEDEquation���P�EMBEDEquation���V�EMBEDEquation���T�EMBEDEquation���状态C状态B状态A()dL≈d毕托静压管p�EMBEDEquation���pδdpunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknown

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