热工实验指导书(正文)

PAGEPAGE23实验一二氧化碳P、V、T关系的测定一、实验目的学习在准平衡状态下，测定气体三个基本状态参数关系的方法。观察在临界状态附近汽液两相互变的现象，测定CO2的临界参数。掌握活塞式压力计及恒温器等仪表的使用方法。二、实验原理在准平衡状态下，气体的绝对压力P、比容V和绝对温度T之间存在某种确定关系，即状态方程理想气体的状态方程具有最简单的形式：PV=RT实际气体的状态方程比较复杂，目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来，虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映P、V、T之间关系的实际气体的状态方程。因此，具体测定某种气体的P、V、T关系，并将实测结果描绘在平面的坐标图上形成状态图，乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。因为在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系，所以具体测定时有必要保持某一个状态参数为定值，本实验就是在保持绝对温度T不变的条件下进行的。三、实验设备本实验装置所测定的气体介质是二氧化碳。整套装置由试验台本体、测温仪表、活塞式压力计和恒温器四大部分所组成，其系统示意在图一中。图一试验台系统图试验台本体的结构如图二所示。图二试验台本体其中1—高压容器；2—玻璃杯；3—压力油；4—水银；5—填料压盖；6—密封填料；7—恒温水套；8—承压玻璃管；9—CO2空间；10—温度计。它的工作情况可简述而下：由活塞式压力计送来的压力油首先进入高压容器，然后通过高压容器和玻璃杯之间的空隙，使玻璃杯中水银表面上的压力加大，迫使水银进入预先灌有CO2气体的承压玻璃管，使其中的CO2气体受到压缩。如果忽略中间环节的各种压力损失，可以认为CO2气体所受到的压力即活塞式压力计所输出的压力油的压力，其数值可在活塞式压力计台架上的压力表中读出。至于承压玻璃管中CO2气体的容积，则可由水银柱的高度间接测出（下面还将详细述及）。承压玻璃管外还有一个玻璃套管，其上下各有一个接头，分别用橡皮管与恒温器联接。恒温器中的水温由加热器加热、由电接触式水银温度计控制，可以基本保持不变。恒温器中的电动泵装恒温水抽出，由玻璃套管的下端进入，上端流出，在玻璃套管和恒温器之中进行循环。这样，在稳定情况下，可以认为CO2气体的温度与循环水的温度相等。这就保证了CO2可在等温情况下进行状态的改变。活塞式压力计依靠带有活塞的螺杆的前进或后退，改变压力泵中低粘度压力油的压力，它有一个进油阀和两个控制阀，使用时必须严格遵守活塞式压力计的操作规律，以免发生意外，损坏试验台本体。四、实验步骤熟悉各实验设备，对照图一搞清楚压力传递的路线及恒温器循环的流程。使用恒温器调节温度：准备工作——在恒温器中加入蒸馏水，水面应离盖板3厘米左右。检查并接通电路，启动恒温器电动泵，使循环水对流。调定温度——旋转接触式水银温度计顶部嵌有永久磁铁的胶木帽，到达选定温度后，将胶木帽上的螺钉旋紧。，重复以上（2）、（3）（4）各步骤加热升温——实验时应视工况调节加热器，当恒温器指示灯时明时灭时，说明温度已达到所需温度。判断定温——观察与玻璃套管相连的温度显示仪，当它的值与恒温器上的温度计读数基本相同并且保持不变时，可认为CO2的温度已恒定。（注意，此时而时的温度与接触式水银温度计的读数略有不同，应以前者为准。）改变温度——需要改变温度时，重复以上（2）、（3）、（4）各步骤。3.加压准备（1）先关闭压力表控制阀及进入本体油路的控制阀，开启压力计油杯的进油阀。（2）倒退压力计活塞螺杆，至螺杆全部退出，此时抽油。（3）先关闭油杯进油阀，再开启压力表和油路的两控制阀。（4）向前推进活塞螺杆，向本体注油。如此反复，直至压力表上有读数时止，一般重复两三次即建立油压。特别应注意以下情况，如螺杆已推进到极限位置，而压力尚未达到所需值，必须再一次抽油加压，此时要严格按以下程序操作，先关油路控制阀；再开油杯进油阀，使压力表压力降至0；关压力表控阀，倒退螺杆抽油至极限位置；然后关闭油杯进油阀，开压力表控制阀，推进螺杆逐渐加压直到刚才所建立的油压时才能开油路控制阀（在此以前油路控制阀决不能开！），进一步加压。检查确定油杯进油阀关闭、油路及压力表的两个控制阀开启，温度恒定后，开始实验 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 。实验记录缓慢加压，密切注意CO2在加压过程的状态变化。将实验过程中的原始数据和物理现象记录在 实验报告 化学实验报告单总流体力学实验报告观察种子结构实验报告观察种子结构实验报告单观察种子的结构实验报告单 上。实验数据包括：设备数据：仪器、仪表的名称、型号、规格、精度和量程。常规数据：室温、当时大气压及实验环境条件。技术数据：实验中实测的各种数据，可记录在表一中。五、注意事项1.除t=20℃时，须加压到绝对压力9.80MPa（表压9.70MPa）外，其余各等温线均在5～9MP间测出h值，表压不得超过9.70MPa，温度不应超过50℃。2．一般压力间隔可取0.2～0.5，接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。3．加压过程应足够缓慢以实现准平衡过程，卸压时应逐渐旋转压力泵手柄，决不可直接打开油杯阀卸压！4.实验完毕将仪器设备擦净。将原始记录交给指导教师签字后方可离开实验室。遇到疑难或异常情况应及时询问指导教师，不得擅自违章处理六、实验数据整理1．绝对压力P：大气压力B。2．比容V：实验中测得CO2柱的高度h值应为刻度尺上的读数减去承压玻璃管上部的实心段h0的数值，比容式中CO2的比容，；CO2的重量，;CO2的体积，;承压玻璃管的内孔截面积，;测得的CO2柱高度，;由于重量G和截面积A不易测出，因此用h值计算比容v只能用间接方法确定。已知CO2液柱在20℃,9.80MPa时，比容用h值计算比容，若实测CO2液柱在20℃,9.80MPa时的h1值，则于是在任意状态下，CO2的比容为即可求得。3.将实验结果按下表列示，并将有关数据画在P-v坐标图上，标注出各条等温线的温度值。取其中的一条曲线与CO2的标准状态图进行比较，分析它们之间差异产生的原因。表1t=20℃t=27℃t=31.2℃t=35℃表压p高度h观察现象表压p高度h观察现象表压p高度h观察现象表压P高度h观察现象50505050…………90909090复习思考题1.恒温器上接触式水银温度计上的读数是循环水的真实温度么？为什么？2.讨论活塞式压力计加压过程的 操作规程 操作规程下载怎么下载操作规程眼科护理技术滚筒筛操作规程中医护理技术操作规程 。3.你得的CO2状态图中，在汽液共存区的定温线为什么不是水平的？实验二稳态平板法测定绝热材料导热系数一、实验目的及要求1．实验目的：1）学习在稳定热流的情况下，用平板稳定导热法测定材料的导热系数的方法。2）确定试验材料导热系数与温度的关系。2．实验要求：1）测定试验材料的导热系数。2）—作出λ—t图。3）能说出影响导热系数的几个因素。二、实验原理稳态平板导热是没有内热源的一维稳定导热，其导热微分方程具有最简单的形式：EQ\F(d2t,dx2)=0方程的通解为：t=c1x+c2（1）c1、c2——积分常数，由边界条件确定。由平板导热的边界条件为（第一类边界条件）x=0，t=t1（2）x=δ，t=t2（3）t1，t2为平壁两界面的温度。将（2）、（3）代入（1）得：c1=EQ\F(t2-t1,δ)，c2=t1故平壁的温度分布为：t=t1－EQ\F(t1-t2,δ)x由傅立叶导热定律表达式，有：q=－λEQ\F(dt,dx)=EQ\F(λ,δ)(t1－t2)(W/m2)在第一类边界条件下，平壁的温度分布与材料的导热系数无关，热流密度关系与x无关;各种物质的λ值都是温度的函数.λ=EQ\F(Q·δ,Δt·F)W/(m2·℃)三、实验装置及测量仪表稳态平板法测定绝热材料导热系数的试验装置如图1和图2所示。被试验材料做成二块方形薄壁平板试件，面积为300×300，实际导热计算面积F为200×200，板的厚度为=20，平板试件分别被夹紧在加热器的上下热面和上下水套的冷面之间。加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。利用薄膜式加热片来实现对上、下试件热面的加热，而上下导热面积水套的冷却面是通过循环冷却水（或通过自来水,科研使用最好通过自来水或大的自备水箱）来实现的。在中间200×200部位上安设的加热器为主加热器。为了让主加热器的热量能够全部单向通过上下两个试件，并通过水套的冷水带走，在主加热器四周（即200×200之外的四侧）设有四个辅助加热器，测试时调节其加热功率使得主加热器四周的温度与主加热器中间的温度保持一致，以免热流量向旁侧散失。主加热器的中心温度t1(或t2)和水套冷面的中心温度t3(或t4)用四个A级Pt100（0.1）热电阻埋设在铜板上来测量：辅助加热器1和辅助加热器2的热面也分别设置两个辅助A级Pt100（0.1）热电阻t5和t6（埋设在铜板的相应位置上）。其中辅助热电阻t5(或t6)接到温度巡检仪上，与主加热器中心的主热电阻t2（或t1）的温度相比较，通过跟踪调节使全部辅助加热器都跟踪与主加热器的温度相一致。而在试验进行时，可以通过热电阻t1(或t2)和热电阻t3(或t4)测量出一个试件的两个表面的中心温度。也可以再测量一个辅助热电阻的温度，以便与主热电阻的温度相比较，从而了解主、辅加热器的控制和跟踪情况。温度是利用万能信号输入8路巡检仪测量的，主加热器的电功率可以用直流稳压电源的电压表和电流表来测量。Q=IU（W）图1试验台结构示意图[附]试验台主要参数1.试验材料：2.试件外型尺寸：300×3003.导热计算面积F：200×200（即主加热器的面积）4.试件厚度δ：（实测）5.主加热器电阻值：Ω（实测）6.辅加热器（每个）电阻值：4×Ω（实测）7.热电阻：A级Pt100（分辨率0.1）8.试件最高加热温度：≤809.主加热器电源电压直流0—50V，电流0—5A（可调）10.辅助加热器电源电压直流0—50V，电流0—5A（可调）四、实验方法和步骤1.将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面，试件表面应与铜板严密接触，不应有空隙存在。在试件、加热器和水套等安装入位后，应在上面加压一定的重物，以使它们都能紧密接触。图2试验台面板电路联结图2.联接和仔细检查各接线电路。将主加热器的两根导线接到仪表箱的主加热器电源接线端子上：而两个辅助加热器是经两两并联后再串联组成的串联电路（实验台上已联接好），同样将辅助加热器的两根导线接到仪表箱的辅助加热器电源接线端子上。电压表和电流表（或电功率表）应按要求接入电路。将测温.热电阻t1、t2、t3、t4、t5、t6、的导线接到配电箱对应的接线端子上。关闭主、辅加热电源开关及水泵开关；打开总电源开关。并检查各热电阻信号（温度）是否正常（基本一致）。3.打开水泵开关，检查冷却水水泵及其通路能否正常工作，调节阀门的开度要尽量一致。4.接通主加热器电源，并调节到合适的电压开始加温（建议由低至高间隔5V或10V逐渐分段加热），然后开启辅助加热电源开加温电压与主加热器电压接近，一段时间后，观察辅助加热面的温度是否与主加热面的温度一致，根据两加热面的温度情况适当调整辅助加热器的电压（高降低、低增加）,跟踪调整使主、辅加热温度相一致。在加温过程中，可通过各测温点的测量来控制和了解加热情况。开始时，可先不启动冷水泵，待试件的热面温度达到一定水平后，再启动水泵（或接通自来水），向上下水套通入冷却水。试验经过一段时间后，试件的热面温度和冷面温度开始趋于稳定。在这个过程中可以适当调节主加热器电源、辅助加热器电源的电压，使其更快或更利于达到稳定状态。待温度基本稳定后，就可以进行电压U和电流I的读数记录和温度测量，从而得到稳定的测试结果。5.一个工况试验后，可以将设备调到另一工况，调节主加热器功率后，再按上述方法进行测试得到另一工况的稳定测试结果。每次增加的电功率不宜过大，一般在5～10W为宜。6.根据实验要求，进行多次工况的测试。（工况以从低温到高温为宜）。7.测试结束后，先切断加热器电源，经过10分钟左右再关闭水泵（或停放自来水）。五、实验结果处理实验数据取实验进入稳定状态后的连续三次稳定结果的平均值。导热量（即主加热器的电功率）：Q=W=IU[W]W—主加热器的电功率值[W]I—主加热器的电流值[A]U—主加热器的电压值[V]由于设备为双试件型，导热量向上下两个试件（试件1和试件2）传导，所以[W]试件两面的温差：tR—试件的热面温度（即t1或t2）tL—试件的冷面温度（即t3或t4）平均温度为平均温度为时的导热系数：[]将不同平均温度下测定的材料导热系数在坐标中得出的关系曲线，并求出的关系式。实验三空气沿横圆管表面自然对流平均换热系数的测定一、实验目的及要求1．目的（1）学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法。（2）测定横置圆管的自然对流平均换热系数α。（3）将实验数据整理成准则方程，从而掌握空气沿横置圆管表面自然对流换热的规律。2．要求（1）充分理解实验原理。（2）必须懂得在实验中应记录哪些量。（3）能独立地将测量数据整理成准则方程，从而巩固课堂上学过的知识。二、实验原理影响自然对流的换热系数α的五大因素有：1．由流体冷、热各部分的密度差产生的浮升力；2．流体流动的状态；3．流体的热物性；4．换热壁面的热状态；5．换热壁面的几何因素；依据相似理论，它们之间的关系包含在准则方程Nuf=f(Grf,Prf)之中。由于本实验中介质为空气，其物性随温度的变化较小，空气的Pr值随温度的变化不大，Pr=0.72，故相应的准则方程可简化为：Nuf=f(Grf)对流换热问题的准则函数形式，通常采取指数函数的形式表示：Nuf=C·Grfn式中：Nuf——努谢尔特准则Nuf=EQ\F(αD,λ)Grf——葛拉晓夫准则Nuf=EQ\F(β·g·Δt·D2,ν2)系数C，上标n——均为实验确定的常数。上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为：α——对流换热系数W/（m2·Κ）D——实验单管外径mλ——空气的导热系数W/（m·Κ）β——介质的膨胀系数K-1g——重力加速度m/s2Δt——介质和管壁表面之间的温差Kν——运动粘性系数m2/s下标f——表示各准则以流体介质在物体边界层以外处的温度tf为定性温度。要通过试验确定空气横向掠过单管时Nuf与Grf的关系，就要求葛拉晓夫数Grf有较大范围的变动才能保证求得的准则方程式的准确性。改变葛拉晓夫数Grf可以通过改变温度（Δt）及管子直径（D）来达到。测量的基本量为空气温度tf，管子表面温度tw及管子表面散出的热量Q。三、实验设备实验装置(如图二所示)，有实验管（四种类型），实验管内装有电加热器，两端装有绝热盖，计算中略去轴向热损失。实验管上有热电偶嵌入管壁，使用电位差计或计算机可测量出管壁的热电势，从而计算外表面温度tw；图二、实验管段构造示意图1．加热导线2.接线柱3.绝热盖4.绝缘法兰5.绝热泡沫垫6.绝热体7.实验管8.管腔9.加热管10.热电偶四、测量仪表控制箱内有稳压器可稳定输入电压，使其加到单管上的热量保持一定，并设置电流调节装置以改变加热电流从而改变实验管壁面温度。电压、电流表分别显示电加热器的电压和电流,。见图三：图三、控制箱1.d1=80mm测温琴键开关2.d2=60mm测温琴键开关3.d3=32mm测温琴键开关、4、d4=20mm测温琴键开关5、25、d1=80mm加热接线柱6、24、d1=60mm加热接线柱7、23、d1=32mm加热接线柱8、22、d1=20mm加热接线柱9、16点万能信号输入巡检仪10、输出显示电压表11、高温保护温控仪12、d1=20mm输出显示加热电流表13、d1=32mm输出显示加热电流表14、热电偶接线柱组(32对)15、d1=60mm输出显示加热电流表16d1=80mm输出显示加热电流表17、d1=20mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管18、d1=32mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管19、d1=60mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管20、d1=80mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管21、计算机采集RS232接口。五、实验步骤1．熟悉实验装置，连接电源线路和测量仪表线路，经指导教师检查确认无误后打开加热开关，调整调压旋钮开始加热，并保持电压不变。2．当各测温点温度在10～15分钟不变时，认为管壁温度已稳定，可记录各点温度，并同时记录电流I和电压U的数值以及离实验管1米外室温tf。3．调整调压旋钮将电压调高至某一值不变，待各测点温度稳定后，记录第二个工况的上述各实验数据。4．完成4个工况后，实验结束。六、实验数据的整理1．对流换热系数α对铜管进行电加热，高温铜管对空气的热传递过程，是既有辐射又有对流换热的复杂换热过程。由高温铜管传递给空气的对流换热系流量和辐射换热的热流量公式分别为：Qc=αF(tw－tf)[W]Qr=ε·C0[()4—()4][W]二者传递的总热流量为：Q=Qc+Qr=IU[W]Qc=Q－Qr[W]Qc=IU－εC0[(EQ\F(Tw,100))4－(EQ\F(Tf,100))4]·F[W]因此：α=EQ\F(Qc,(tw-tf)F)式中：Qc——对流换热量tw——单管壁面的平均温度tf——实验单管前后空气的平均温度F——实验单管的对流换热面积2．确定准则方程式以室温tf为定性温度算出各实验点的Nuf及Grf数值，将各实验点的有关数据均描绘在双对数坐标图上，确定它们的代表线（直线），并计算出相应的C和m值。复习思考题1．每根实验管段上都有几对热电偶，它们沿管子圆周均匀分布的，这有什么意义？2．如室内有风，对实验有何影响？3．水平放置和竖直的圆管，它们的特性尺度L有何不同？实验四换热器综合实验换热器性能测试试验，主要对应用较广的间壁式换热器中的三种换热：套管式换热器、板式换热器和列管式换热器进行其性能的测试。其中，对套管式换热器和、板式换热器可以进行顺流和逆流两种流动方式的性能测试，而列管式换热器只能作一种流动方式的性能测试。实验装置如图1：图1实验装置简图1.热水流量调节阀2.热水螺旋板、套管、列管启闭阀门组3.冷水流量计4.换热器进口压力表5.数显温度计(计算机采集使用万能信号输入8电巡检仪)6.电压表7.电流表8.电流表9.开关组10.冷水出口压力计11.冷水螺旋板、套管、列管启闭阀门组12.逆顺流转换阀门组13.冷水流量调节阀14.通讯接口。换热器性能试验的内容主要为测定换热器的总传热系数，对数传热温差和热平衡误差等，并就不同换热器，不同两种流动方式，不同工况的传热情况和性能进行比较和分析。一、实验目的1.熟悉换热器性能的测试方法；2.解套管式换热器，螺旋板式换热器和列管式换热器的结构特点及其性能的差别；3.加深对顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的认识；二、实验装置本实验装置采用冷水可用阀门换向进行顺逆流实验；如工作原理图2所示。换热形式为热水—冷水换热式。图2换热器综合实验台原理图1.冷水泵2.冷水箱3.冷水浮子流量计4.冷水顺逆流换向阀门组5.列管式换热器6.电加热水箱7.热水浮子流量计8.回水箱9.热水泵10.板式换热器11.套管式换热器本实验台的热水加热采用电加热方式，冷—热流体的进出口温度采用数显温度计，手动可以通过琴键开关来切换测点，计算机采集采用巡检仪。实验台参数：1、换热器换热面积{F}：（1）套管式换热器具0.45m2（2）板式换热器0.11m2（3）列管式换热器1.05m22、电加热器总功率：9.0KW。3、冷、热水泵：允许工作温度：〈80℃；额定流量：3m3/h；扬程：12m；电机电压：220V；电机功率：370W。4、转子流量计型号：型号：LZB-15；流量：40-400升/小时；允许温度范围：0-120℃。计算机采集流量采用文丘里流量计，变送器用差压传感器，巡检仪采集信号。三、实验操作1、实验前准备：（1）熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能；（2）打开所要实验的换热器阀门，关闭其它阀门；（3）按顺流（或逆流）方式调整冷水换向阀门的开或关；（4）向冷-热水箱充水，禁止水泵无水运行（热水泵启动，加热才能供电）。2、实验操作：（1）接通电源；启动热水泵（为了提高热水温升速度，可先不启动冷水泵），并尽可能地调小热水流量到合适的程度；（2）将加热器开关分别打开（热水泵开关与加热开关已进行连锁，热水泵启动，加热才能供电）；（3）计算机采集利用巡检仪观测温度。待冷-热流体的温度基本稳定后，既可测读出相应测温点的温度数值，同时测读转子流量计冷-热流体的流量读数；把这些测试结果记录实验数据记录表中；（4）如需要改变流动方向（顺-逆流）的试验，或需要绘制换热器传热性能曲线而要求改变工况[如改变冷水（热水）流速（或流量）]进行试验，或需要重复进行试验时，都要重新安排试验，试验方法与上述实验基本相同，并记录下这些试验的测试数据。（5）实验结束后，首先关闭电加热器开关，5分钟后切断全部电源。四、实验数据处理1、数据计算热流体放热量：Q1=Cp1·m1{T1-T2}[W]冷流体吸热量：Q2=Cp2·m2{t1-t2}[W]平均换热量：[W]热平衡误差：对数传热温差：Δ1={ΔT2-ΔT1}/In·ΔT2/ΔT1={ΔT1-ΔT2}/In·ΔT1/ΔT2[℃]传热系数：K=Q/F·Δ1[W/{m2·℃}]式中：Cp1，Cp2——热，冷流体的定压比热[J/Kg·℃]m1，m2——热，冷流体的质量流量热[Kg/s]T1，T2——热流体的进出口温度[℃]t1，t2——冷流体的进出口温度[℃]ΔT1=T1-t2[℃]ΔT2=T2-t1[℃]F——换热器的换热面积[m2][注]热、冷流体的质量流量m1，m2是根据修正后的流量计体积流量读数V1、V2再换算成的质量流量值。实验五喷管特性实验一、实验目的及要求1、验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，牢固树立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念。2、比较熟练地掌握用常规、计算机数据采集仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法。3、重要概念1的理解：应明确在渐缩喷管中，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。4、重要概念2的理解：应明确在缩放喷管中，其出口处的压力可以低于临界压力，流速可高于音速，而流量不可能大于最大流量。5、应对喷管中气流的实际复杂过程有所了解，能定性解释激波产生的原因。二、实验装置整个实验装置包括实验台、真空泵。实验台由进气管、孔板流量计、喷管、测压探针真空表及其移动机构、调节阀、真空罐等几部分组成，见图1。图1喷管实验台1.进气管2.空气吸气口3.孔板流量计4.U形管压差计5.喷管6.三轮支架7.测压探压针8.可移动真空表9.位移螺杆机构及位移传感器10.背压真空表11.背压用调节阀12.真空罐13.软管接头14、仪表箱15、差压传感器16、被压传感器17、移动压力传感器进气管（1）为ф57×3.5无缝钢管，内径φ50。.空气吸气口（2）进入进气管，流过孔板流量计（3）。孔板孔径φ7，采用角接环室取压。流量的大小可从U形管压差计（4）或微压传感器读出。喷管（5）用有机玻璃制成。配给渐缩喷管和缩放喷管各一只，见图2、3。根据实验的要求，可松开夹持法兰上的固紧螺丝，向左推开进气管的三轮支架（6），更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探压针（7）（外径φ1.2）连至“可移动真空表”（8）测得，它们的移动通过螺杆机构移动，标尺或位移传感器（9）实现。由于喷管是透明的，测压探针上的测压孔（φ0.5）在喷管内的位置可从喷管外部看出，也可从装在“可移动真空表”下方的针在“喷管轴向坐标板”（在图中未画出）上所指的位置来确定。喷管的排气管上还装有“背压真空表”背压用调节阀（11）调节。真空罐（12）直径φ400，体积0.118m3。起稳定压的作用。罐的底部有排污口，供必要时排除积水和污物之用。为减小震动，真空罐与真空泵之间用软管（13）连接。在实验中必须测量四个变量，即测压孔在喷管内的不同截面位置x、气流在该截面上的压力p、背压pb、流量m，这些量可分别用位移指针的位置、可移动真空表、背压真空表以及U形管压差计的读数来显示。本实验台配套的仪器设备选型如下：真空泵：1401型排气量3200升/分用途和特点本实验台主要用于《工程热力学》教学中“喷管临界状态的观察”实验。1．可方便地装上渐缩喷管或缩放喷管，观察气流沿喷管各截面的压力变化。2．可在各种不同工况下（初压不变，改变背压），观察压力曲线的变化和流量的变化，从中着重观察临界压力和最大流量现象。3．除供定性观察外，还可作初步的定量实验。压力测量采用精密真空表，精度0.4级。流量测量采用低雷诺数锥形孔板流量计，适用的流量范围宽，可从流量接近为零到喷管的最大流量，精度优于2级。4．采用真空泵为动力，大气为气源。具有初压初温稳定，操作安全，功耗和噪声较小，试验气流不受压缩机械的污染等优点。喷管用有机玻璃制作，形象直观。5．采用一台真空泵，可同时带两台实验台对配给的渐缩、缩放喷管做全工况观测。因装卸喷管方便，本实验台还可用作其他各种流道喷管和扩压管的实验。三、实验原理1、喷管中气流的基本规律（1）由能量方程：及可得(1)可见，当气体流经喷管速度增加时，压力必然下降。（2）由连续性方程：常数有及过程方程常数有根据马赫数，而得：(2)显然，当来流速度时，喷管应为渐缩型；当来流速度时，喷管应为渐扩型。2、气流动的临界概念喷管气流的特征是，，，三者之间互相制约。当某一截面的流速达到当地音速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（）。临界压力与喷管初压（）之比称为临界压力比，有：经推导可得：(3)对于空气，当渐缩喷管出口处气流速度达到音速，或缩放喷管喉部气流速度达到音速时，通过喷管的气体流量便达到了最大值（），或称为临界流量。可由下式确定：(4)式中：—最小截面积（对于渐缩喷管即为出口处的流道截面积；对于缩放喷管即为喉部处的流道截面积。本实验台的二种最小截面积为：12.56mm2）。3、气体在喷管中的流动图二渐缩喷管（1）渐缩喷管渐缩喷管因受几何条件的限制，由式（2）可知：气体流速只能等于或低于音速（）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（）。根据不同的背压（），渐缩喷管可分为三种工况，如图三所示：图三减缩喷管压力分布曲线及流量曲线A—亚临界工况（），此时m 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 压力（）。缩放喷管随工作背压不同，亦可分为三种情况：A—被压等于设计被压（）时，称为设计工况。此时气流在喷管中能完全膨胀，出口截面的压力与被压相等（），见图五中的曲线A。在喷管喉部，压力达到临界压力，速度达到音速。在扩大段转入超音速流动，流量达到最大流量。图五减缩喷管压力分布曲线及流量曲线B—被压低于设计被压（）时，气流在喷管内仍按曲线A那样膨胀到设计压力。当气流一离开出口截面便与周围介质汇合，其压力立即降至实际被压值，如图五曲线B所示，流量仍为最大流量。C—被压高于设计被压（）时，气流在喷管内膨胀过渡，其压力低于被压，以至于气流在未达到出口截面处便被压缩，导致压力突然升跃（即产生激波），在出口截面处，其压力达到被压。如图五中的曲线C所示。激波产生的位置随着背压的升高而向喷管入口方向移动，激波在未达到喉部之前，其喉部的压力仍保持临界压力，流量仍为最大流量。当背压升高到某一值时，将脱离临界状态，缩放管便与文丘里管的特性相同了，其流量低于最大流量。四、操作步骤（计算机接口及操作见软件使用说明）1、装上所需的喷管，用“坐标校准器”调好“位移坐标板”的基准位置。2、打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。而后启动真空泵。3、测量轴向压力分布：（1）、用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记录下该值。（2）、转动手轮，使测压探针向出口方向移动。每移动一定距离（一般约2-3mm）便停顿下来，记录该点的坐标位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外。把各个点描绘到坐标纸上，便得到一条在这一背压下喷管的压力分布曲线。（3）、若要做若干条压力分布曲线，只要改变其背压值并重复（1）、（2）步骤即可。4、流量曲线的测绘（1）、把测压探针的引压孔移至出口截面之外，打开罐后调节阀，关闭罐前调节阀，启动真空泵。（2）、用罐前调节阀调节背压，每一次改变20—30mmHg柱，稳定后记录背压值和U型管差压计的读数。当背压升高到某一值时，U型管差压计的液柱便不再变化（即流量已达到了最大值）。此后尽管不断提高背压，但U型管差压计的液柱仍保持不变，这时测2—3点。至此，流量测量即可完成。渐缩喷管和缩放喷管的流量曲线参见图2和图3。5、实验结束后的设备操作打开罐前调节阀，关闭罐后调节阀，让真空罐充气；3分钟后停真空泵并立即打开罐后调节阀，让真空泵充气（目的是防止回油）。最后关闭冷却水阀门。五、数据处理1、压力值的确定（1）、本实验装置采用的是负压系统，表上读数均为真空度，为此须换算成绝对压力值（p）：（5）式中：—大气压力（mmbar）；—用真空度表示的压力。（2）、由于喷管前装有孔板流量计，气流有压力损失。本实验装置的压力损失为U型管差压计读数（）的97%。因此，喷管入口压力为：（6）（3）、由式（5）、（6）可得到临界压力，在真空表上的读数（即用真空度表示）为：（7）计算时，式中各项必须用相同的压力单位。（大致判断，约为380mmHg柱）。2、喷管实际流量测定由于管内气流的摩擦而形成边界层，从而减少了流通面积。因此，实际流量必然小于理论值。其实际流量为：（kg/s）式中：—流速膨胀系数；—气态修正系数；—几何修正系数（约等于1.0）；Δp—U型管差压计的读数（mmH2O）；—室温（℃）；—大气压力（mbar）。实验六强迫对流管族管外放热系数实验翅片管束管外放热和阻力实验一、实验目的1．了解热工实验的基本方法和特点；2．学会翅片管束管外放热和阻力的实验研究方法；3．巩固和运用传热学课堂讲授的基本概念和基本知识；4．培养学生独立进行科研实验的能力。二、实验内容1．熟练实验原理和实验装置，学习正确使用测温度、测压差、测流速、测热量等仪表。2．正确安排实验，测取管外放热和阻力的有关实验数据。3．用威尔逊方法整理实验数据，求得管外放热系数的无因次关联式，同时，也将阻力数据整理成无因次关联式的形式。4．对实验设备，实验原理，实验 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和实验结果进行分析和讨论。三、实验原理1．翅片管是换热器中常用的一种传热元件，由于扩展了管外传热面积，故可使光管的传热热阻大大下降，特别适用于气体侧换热的场合。2．空气（气体）横向流过翅片管束时的对流放热系数除了与空气流速及物性有关以外，还与翅片管束的一系列几何因素有关，其无因次函数关系可表示如下：Nu=f(Re、Pr、N)式中：Nu=为Nusselt数；Re==为Renolds数；Pr==为Prandtl数；H、δ、B分别为翅片高度、厚度、和翅片间距；Pt、Pl为翅片管的横向管间距和纵向管间距；N为流动方向的管排数；Do为光管外径，Um、Gm为最窄流通截面处的空气流速（m/s）和质量流速。（kg/m2s）且Gm=Um•ρλ、ρ、μ、γ、α为气体的特性值。此外，放热系数还与管束的排列方式有关，有两种排列方式，顺排和叉排，由于在叉排管束中流体的紊流度较大，故其管外放热系数会高于顺流的情况。对于特定的翅片管束，其几何因素都是固定不变的，这时，式（1）可简化为：Nu=f（Re、Pr）（2）对于空气，Pr数可看作常数，故Nu=f（Re）（3）式（3）可表示成指数方程的形式Nu=CRen（4）式中，C、n为实验关联式的系数和指数。这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束，为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响，需要分别改变几何参数进行实验并对实验数据进行综合整理。3．对于翅片管，管外放热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外表面为基准定义放热系数，也可以以翅片管外表面积为基准定义。为了研究方便，此处采用光管外表面积作为基准，即：（5）式中：Q为总放热量，（W），n为放热管子的根数，πD0L为一支管的光管换热面积（m2）,Ta为空气平均温度（℃），Two为光管外壁温度（℃），此处，α的单位为（w/m2•℃）。4．如何测求翅片管束平均管外放热系数α是实验的关键。如果直接由式（5）来测求α，势必要测量管壁平均温度Two，这是一件很困难的任务。采用一种工程上更通用的方法，即：威尔逊方法测求管外放热系数，这一方法的要点是先测求出传热系数，然后从传热阻中减去已知的各项热阻，即可间接地求出管外放热热阻和放热系数。即（6）式中：K为翅片管的传热系数，可由实验求出（7）其中：Tv代表管内流体的平均温度。αi是管内流体对管内壁的放热系数，可由已知的传热规律计算出来；Rw由管壁的导热公式计算之。应当指出，当管内放热系数αi>>α时，管内热阻将远远地小于管外热阻，这时，αi的某些计算误差将不会明显地影响管外放热系数α的大小。5．为了保证αi有足够大的数值，一般实验管内需采用蒸汽冷凝放热的换热方式。本实验系统中，采用热管作为传热元件，将实验的翅片管，做成热管的冷凝段，即热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝，放出汽化潜热，透过管壁，传出翅片管外，这就保证了翅片管内的冷凝过程。这时，管内放热系数αi可用Nusselt层流膜层凝结原理公式进行计算，即：（8）式中，（9）为单位冷凝宽度上的凝液量（）,其中，r为汽化潜热（J/kg），Di为管子内径，式（8）中第2个括号中的物理量为凝液物性的阻合。圆筒壁的导热热阻为m2l℃/w（10）应当注意，式（6）中的各项热阻都是以光管外表面积基准的。四、实验设备实验的翅片管束安装在一台低速风洞中——实验装置和测试仪表如图1所示。试验由有机玻璃风洞，加热管件、风机支架、测试仪表等六部分组成。有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段，整流丝网、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、扩压段等组成。工作段和前后测量段的内部横截面积为300mm×300mm。工作段的管束及固定管板可自由更换。试验管件由两部分组成；单纯翅片管和带翅片的试验热管，但外形尺寸是一样的采用顺排排列，翅片管束的几何特点如表1所示。4根试验热管组成一个横排，可以放在任何一排的位置上进行实验。一般放在第3排的位置上，因为实验数据表明，自第3排以后，各排的放热系数基本保持不变了。所以，这样测求的放热指数代表第3排及以后各排管的平均放热系数。试验热管的加热段由专门的电加热器进行加热，电加热器的电功率由电流、电压表进行测量。每一支热管的内部插入一支铜鏮铜热电偶用以测量热管内冷凝段的蒸汽温度表1翅片管内径翅片管外径翅片高度翅片厚度翅片间距横向管间距纵向管间距管排数DiDoHδBPtPlNmmmmmmmmmmmmmm2026131475837Tvo，电加热的箱体上，也安装一支热电偶，用以确定箱体的散热损失。热电偶的电动势由UI60型电位量计进行测量。图1实验风洞系统简图1.风机支架2.风机3.风量调节手轮4.过渡管5.测压管6.测速段7.过渡管8.测压管9.实验管段10.测压管11.吸入管12.支架13.加热元件14.控制盘空气流的进出口温度由刻度为0.1℃的玻璃温度计进行测量，入口处安装一支，出口处可安装两支，以考虑出口截面上气流温度的不均匀性。空气流经翅片管束的压力降由倾斜式压力计测量，管束前后的静压侧孔都是12个，均布在前后测量段的壁面上。空气流的速度和流量由安装在收缩段上的毕托管和倾斜式压差计测量。五、实验步骤1．熟悉实验原理，实验设备；2．调试检查测温、测速、测热等各仪表，使其处于良好工作状态；3．接通电加热器电源，将电功率控制在2～3KW之间，预热5～10分钟后，开动引风机，注意到引风机需在空载或很小的开度下启动；4．调整引风机的阀门，来控制实验工况的空气流速，一般，空气风速应从小到大逐渐增加，实验中，根据毕托管压差读值，可改变6～7个风速值，这样，就有6～7个实验工况；5．在每一个实验工况下，待确认设备处于稳定状态后，进行所有物理量的测量和记录，将测量的量整齐地记收预先准备好的数据记录表格中。6．进行实验数据的计算和整理，将结果逐项记入数据整理表格中。在整理数据时，可以用手算程序，也可以用预先安排好的计算机程序。7．对实验结果进行分析和讨论。应注意，当所有工况的测量结束以后，应先切断电加热器电源，待10分钟后，再关停引风机。六、数据整理数据的整理可按下述步骤进行：1、计算风速和风量测量截面积的风速（10）其中：压差Pa（mm水柱或kgf/m2）空气密度ρkg/m3单位换算系数g=9.8故得出速度的单位为m/s风量：Ma=U测F测ρ测其中：测量截面积F测=0.0750.3m2，测量截面处的密度由出口空气温度Ta2确定。2．空气侧吸热量：Ql=MaCpa(Ta2-Ta1)（11）3．电加热器功率Q2=IU4．加热器箱体散热。因箱体温度很低，散热量小，可由自然对流计算Q3=αcFb(Tω-T0)此处，αc为自然对流散热系数，可近似取αc=5w/m2•℃进行计算；F箱为箱体散热面积，Tω箱体温度，T0为环境温度。5．计算热平衡误差（12）6．计算翅片管束最窄流通截面处的流速和质量流速m/skg/m2s7．计算Re数Re=8．计算传热系数　℃（13）9．计算管内凝结液膜放热系数由式（8）进行计算，对于以水为工质的热管，液膜物性值都是管内温度Tv的函数，因此，式（8）可简化为：（14）10．计算管壁热阻，由式（9）计算11．由式（6）计算管外放热系数12．计算13．在双对数坐标纸上标绘关系曲线，并求出其系数和指数。也可由计算机程序求的回归方程。此外，空气流过管束的阻力一般随数的增加而急剧增加，同时，与流动方向上的管排数成正比，一般用下式表示　　　　（15）式中：为摩擦系数，在几何条件固定的条件下，它仅仅是数的函数，即　　　　　　　　　　　　　（16）式（16）中的系数c和指数可由实验数据在双对数坐标上确定。一组实测的实验数据及其整理结果如附录I所示。其实验结果记录以及数据处理按该表格及公式整理。附录I测试记录序号管束规格电流A电压V功率VA管内温度流速压头Δhmm水柱阻力Δpmm水柱入口气温T1℃出口气温T2℃室内温度To℃炉外温度mV5/TWmV1/TV1mV2/TV2mV3/TV3mV4/TV4平均TV+To123456注：最窄流通截面积F窄=0.053m2测试人员：________________________测量截面积F测=0.0225m2____________________________________数据整理序号空气流速U测m/s质量流速Gkg/m2•S质量流量Mkg/S最窄截面质量流速Gkg/m2•S雷诺数Re空气吸热Q1电加热Q2散热损失Q3热平衡误差DQ/Q%传热系数KW/m2•℃管外放热系数αW/m2•℃Nu数摩擦系数备注123456关联公式：Nu=1.689Re0.566f=0.9547Re—0.1333