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工程热力学实验指导书内容
景德镇陶瓷学院试用教材
工程热力学
实验指导书
热工教研室编
景德镇陶瓷学院
2010年9月
目 录
实验一热管换热器实验
一、实验目的
1.了解热管换热器实验台的工作原理;
2.熟悉热管换热器实验台的使用方法;
3.掌握热管换热器换热量Q和传热系数K的测试和计算方法
二、实验台的结构极其工作原理
热管换热器实验台的结构如下图所示。
实验台由翅片热管(整体轧制)1、热段风道2、冷段风道3、冷段和热段风机4、电加热器(Ⅰ—450W,Ⅱ—1000W)5、工况选择开关(Ⅰ和Ⅱ)6、热电偶7、测温切换琴键开关8、热球风速仪(独立仪表)9、冷端热电偶接线柱10、电位差计接线柱11和支架13等组成。
1-翅片热管;2—热段风道;3—冷段风道;4—风机;5—电加热器
6—工况选择开关;7—热电偶;8—测温切换琴键开关
9—热球风速仪(图中未绘出);10—冷端热电偶接线柱
11—电位差计接线柱;12—风速测孔;13—支架
图1-1 热管换热器实验台结构简图
热段中的电加热器使空气加热,热风经热段风道时,通过翅片热管进行换热和传递,从而使冷段风道的空气温度升高。
利用风道中的热电偶对冷、热段的进出口温度进行测量,并用热球风速仪对冷、热段的出口风速进行测量,从而可以计算出换热器的换热量Q和传热系数K。
三、实验台参数
1、冷段出口面积 Fl=0.09²∏/4=0.0064m2
2、热段出口面积 Fr=0.162=0.0256m2
3、冷段传热表面积 fl=0.536m2
4、热段传热表面积 fr=0.496m2
四、实验步骤
1、联接电位差计和冷端热电偶。
(如无冰条件,可不接冷端热电偶,而将冷端热电偶的接线柱短路,然后将测出的温度应加上室温);
2、接通电源;
3、将工况开关按在“工况Ⅰ”位置,此时电加热器和风机开始工作;
4、用热球风速仪在冷、热段出口的测孔中测量风速。
(为使测量工作在风道温度不超过40℃的情况下进行,必须在开机后立即测量)。
风速仪使用方法,请参阅该仪器说明书。
5、待工况稳定(约20分钟)后,按下琴键开关,切换测温点,逐点测量冷、热段进出口温度tl1、tl2、Tr1、Tr2(参看实验台结构图)。
6、将工况开关按在“工况Ⅱ”的位置,重复上述步骤,测量工况Ⅱ的冷、热段进出口温度。
7、实验结束后,切断所有电源。
五、实验数据处理
(一)将实验中测得的数据填入下表中
工
况
序
号
风速v
冷、热段进出口热电势mv
备注
冷段v
热段v
tl1
tl2
tr1
tr2
Ⅰ
1
2
3
平均
Ⅱ
1
2
3
平均
注:
将实验所用仪器名称、规格、编号及实验日期、室温等填入上表的备注中。
(二)计算换热量、传热系数及热平衡误差
1、工况Ⅰ(450W)
冷段换热量Ql=0.24(3600Vl·Fl·pl)(tl2-tl1) [kcal/h]
热段换热量Qr=0.24(3600Vr·Fr·pr)(tr1-tr2) [kcal/h]
热平衡误差
=(Qr-Ql)/Qr %
传热系数K=Ql/fl△t[kcal/m²·h·ºC]
式中:
Vl,Vr—冷、热段出口平均风速,[m/s]
Fl,Fr—冷、热段出口段面积,[m²]
tl1,tr1,tl2,tr2—冷段、热段进出口风温(参见图示),[ºC]
ρl,ρr—冷、热段出口空气密度,[kg/m3]
fl —冷段传热面积,[m²]
,[ºC]
2、工况Ⅱ(1000W)
计算方法同上。
将上面数据整理所求得的两种工况的实验结果填入下表,并进行比较分析。
工况
冷段换热量
Ql(kcal/h)
热段换热量
Qr(kcal/h)
热平衡误差
(%)
传热系数
K(kcal/m²h℃)
Ⅰ
Ⅱ
六、思考题:
根据热力学第一定律写出热管换热器的能量方程。
实验二气体定压热容测量
气体定压比热的测定是工程热力学的基本实验之一,实验中涉及温度、压力、热量(电功)、流量等基本量的测量。
计算中用到混合气体(湿空气)方面的基本知识。
本实验的目的是增加热物性实验研究方面的感性认识,促进理论联系实际,以利于培养分析问题和解决问题的能力。
一、实验目的
1、掌握气体比定压热容的测量原理及其测量装置;
2、掌握本实验中测温、测压、测热、测流量的方法;
3、掌握由基本数据计算比热值和比热公式的方法;
4、分析实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、实验原理
根据气体平均比热定压热容定义,当气体在定压加热过程中温度由t1升到t2时,其平均比定压热容值可以由下式确定:
式中:
—湿空气在定压加热过程中的吸热量,J/s;
qm—湿空气的质量流量,kg/s;
(t1-t2)—湿空气在定压加热前后的温差,℃。
湿空气是干空气和水蒸气的混合物,当湿空气中水蒸气含量较少,分压力较低时,水蒸气可以当作理想气体处理。
显然,当已知湿空气中水蒸气的吸热量Qv时,干空气的比定压热容可由下式确定:
式中:
Qp—湿空气在定压加热过程中的吸热量,J/s;
Qv—水蒸气的吸热量,J/s;
qm,a—干空气的质量流量,kg/s。
提示:
水蒸气的比定压热容可由如下经验公式确定:
式中:
tv-水蒸气的温度℃
三、实验装置
(如图2-1)所示本实验装置由风机、流量计、比热仪主体、调压器和功率表等组成。
实验时,被测空气由风机经流量计送入比热仪主体,经加热、均流、旋流、混流后流出。
比热仪主体构造如图2-2所示。
气体的流量由节流阀调节,比热仪出口温度由电加热器输入功率来控制。
比热仪可测200℃以下气体的比定压热容。
四、实验及实验数据处理步骤
1、接通电源及测量仪表,选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。
2、摘下流量半上的温度计,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燥温度(
)和湿球温度(
)
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,使出口温度升高到预计温度。
可以根据下式预先估计所需电功率:
式中:
W-电功率(W);
-进出口温度差(℃);
-每流过10升空气所需时间(s)。
4、待出口温度稳定后(出口温度在10分钟之内无变化或变化微小起伏,即可视为稳定),读出下列数据:
每10升气体通过泫量计所需时间
(s),比热仪进出口温度(
,℃)和出口温度(
,℃);当时大气压力为(B,mmHg)和流量计出口处的表压(△h,mmH2O);电热器的电功率(W,W)。
5、根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的干湿图查出含湿量(d,g/Kg(a)),并根据下式计算出水蒸汽的成分:
6、电热器消耗得功率可由瓦特表读出,则可得电热器单位时间放出得热量为:
Q=W×10
KW
7、干空气流量为:
kg/s
8、水蒸汽流量为:
kg/s
9、水蒸汽吸收得热量为:
kW
10、干空气得定压比热为:
kJ/(kg·℃)
五、注意事项
1、切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作,以免引起局部过热而损坏比热仪主体。
2、输入电热器的电压不得超过220V,气流出口最高温度不得超过300℃。
3、加热和冷却要缓慢进行,防止温度计和比热仪主体因温度骤升和骤降而破裂。
4、停止实验时,应先切断电热器。
让风机继续运行十五分钟左右(温度较低时可适当缩短)。
六、思考题:
1、试根据热力学第一定律推导出定压比热容的关系式。
2、试述定压比热容与温度的关系?
实验三饱和蒸汽压力和温度变化
一、实验目的
1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系,加深对饱和状态的理解,从而树立液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时,沸腾便会发生的基本概念。
2、通过对实验数据的整理,掌握饱和蒸汽p-t关系图表的编制方法。
3、观察小容积的饱和沸腾现象。
二、实验设备
本实验使用可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验仪(Ⅲ型)。
实验装置主要由加热密封容器(产生饱和蒸汽)、电接点压力表(0.1-0-1.5MPa)、调压器(0~220V)、电压表、水银温度计(0~220℃)、测温管(管底注入少量机油,用来传递和均匀温度)和透明玻璃窗等组成(参见图3-1)。
采用电接点压力表的目的,在于使用中能限制压力的意外升高,起到安全保护作用。
三、实验方法和步骤
1、熟悉实验装置的工作原理、性能和使用方法。
2、将调压器指针置于零位,然后接通电源。
3、将电接点压力表的上限压力指针拔到稍高于最高试验压力(例如0.8MPa)的位置。
4、将调压器输出电压调至200~220V,待蒸汽压力升至接近于第一个设定的压力值时,将电压降至20~50V左右(参考值)。
由于热惯性,压力将会继续上升,待压力达到设定值时,再适当调整电压(提高或降低),使工况稳定(压力和温度基本保持不变)。
此时,立即记录下蒸汽的压力和温度。
重复上述实验,在0~0.8MPa(表压)范围内取不少于6个压力值,顺序分别进行测试。
实验点应尽可能分布均匀。
5、实验完毕后,将调压器指针旋回零位,并断开电源。
6、记录实验环境的温度和大气压力。
四、数据记录和处理
1、记录与计算
实验序数
饱和压力[MPa]
饱和温度[℃]
误差
压力表值P’
大气
压力
B
绝对压力P=B+P’
温度计读值t’
标准值
t
△t=t-t’
[℃]
△t/t*100
[%]
1
2
3
4
5
6
2、绘制P-t关系曲线
将实验结果点在坐标中,清除特殊偏离点,绘制曲线。
3、整理成经验公式
将实验点绘制在双对数坐标中,实验曲线将基本呈一直线,所以饱和水蒸汽压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式:
t=100
五、思考题:
1、试写出水的三相点的参数?
2、试写出水蒸汽的定压过程能量方程?
3、水蒸汽的焓-熵图有哪些用处?
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