吉林化工学院热能与动力工程专业实验指导书

吉林化工学院热能与动力工程专业实验指导书目录实验一气体在喷管中流动性能的测定 (1)实验二传热综合实验 (7)实验三流动过程综合试验 (11)实验四离心泵性能测试试验 (18)实验五变频空调制冷制热综合实验 (22)实验六工业锅炉演示实验 (24)实验七二氧化碳P-V-T关系实验 (27)实验八准稳态法测定导热系数实验 (33)实验九氧弹式热量计发热量测定实验 (37)实验十风机特性实验 (43)实验十一过程控制实验I (47)实验十二过程控制实验II (49)实验十三压缩机性能实验 (51)实验十四换热器综合性能实验 (54)实验一 气体在喷管中流动性能的测定一、实验目的：1、验证和加深理解喷管中气体流动的基本理论。

2、观察气流在喷管中各截面的流速，流量，压力变化规律及掌握有关测试方法。

3、熟悉不同形式喷管的机理，加深对流动的临界状态基本概念的理解。

二、实验原理：1、喷管中气体流动的基本规律气体在喷管中作一元稳定等熵流动中，压力降低，流速增加。

气流速度C ，密度ρ及压力P 的变化与截面A 的变化及马赫数Ma （速度与音速之比）的大小有关。

它们的变化规律如下表：dxd ρdxd ρ （1）在亚音速（Ma<1）等熵流动中，气体在0<dxdA 的管道（渐缩管）里，速度C 增加，而密度ρ，压力P 降低，在0>dxdA 的管道（渐扩管）里，速度C 减小，而密度ρ，压力P 增大。

（2）在超音速（Ma>1）等熵流动中，气体在渐缩管中，速度C 减小，而压力P ，密度ρ增大，在渐扩管中，速度C 增加，压力P ，密度ρ降低。

（3）在Ma=1，即达到临界流动状态，此时，压力为临界压力，气流速度为音速。

2、喷管中流量的计算 （1）理论流量根据气体一元稳定等熵流动中，任何截面上质量流量都相等，且不随时间变化。

流量大小由连续方程、动量方程、能量方程及绝热气体方程，等熵过程方程，得到气体在喷管中流量的计算式：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⋅-==+00011221211002222)()(12γγγγγP P P P V P A V C A q m （kg/s ）式中：0γ—绝热指数C 2—出口速度m/s A 2—出口截面积m 2 V 2—出口比体积（m 3/kg ） P 2—出口压力（MPa ）P 1—进口压力（MPa ） V 1—进口比体积（m 3/kg ）若：P 1=P 2时 0=m q P 2=0时 0=m q ，即在0＜P 2≤P c 渐缩喷管的出口压力P 2或缩放喷管的喉部压力P th 降至临界压力时，喷管中的流量达最大值，计算式如下：1112000minmax ,)12(12V P A q k m ⋅++=-γγγ临界压力P c 为：11000)12(P P c ⋅+=+γγγ将0γ=1.4代入P c =0.528P 1（2）、实测流量由于气流与管内壁间的摩擦产生的边界层，减少了流动截面，因为实际流量是小于理论流量，本实验台采用孔板流量计来测量喷管的流量。

孔板流量计上所示的压差△P （U 型管上读出）。

质量流量q m 与压差△P 的关系式为：γβε⋅⋅⋅∆⨯=-P q m 410373.1 （kg/s ）式中：ε——流量膨账系数,aP P ∆⋅⨯-=-410373.11ε β——气态修正系数,15.2730538.0+=a at P βγ——几何修正系数,（标定值）△P ——U 型管压差计读数（mm.H 2O ） Pa ——大气压 t a ——室温℃为了消除进口压力P 1改变的影响，在绘制各种曲线时采用压力比做座标，绘制出压力曲线P x /P 1—X 和流量曲线q —P b /P 1由于实验台采用的是真空表测压、因此临界压力Pc 在真空表上的读数c P '为1528.0P P P P P a c a c -=-='由于孔板流量计的压降和空气在喷管进口的气流滞止现象，喷管进口压力为：PP P a ∆-=97.01P∆以汞柱为单位时的孔板流量计压差)(59.132mmHg HP OH ∆=∆三、实验装置实验装置总图如图1所示。

主要由真空泵和喷管实验台主体组成。

各部件作用及测量过程如下：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.支架7.测压探压针8.可移动真空表 9.手轮螺杆机构 10.背压真空表 11.背压用调节阀12.真空罐13.软管接头14.真空罐前截止阀图2 渐缩喷管图3 缩放喷管由于真空泵的抽吸，空气由进气口2进入吸气管1（φ57×3.5的无缝钢管）中，经过孔板流量计3（φ7）进入喷管。

流量的大小可由U形管压差计4上读出。

喷管5用有机玻璃制成。

备有渐缩喷管与缩放喷管两种型式，如图2、图3所示。

可根据实验要求，松开夹持法兰上的螺丝向左推开三轮支架6，更换所需要的喷管。

喷管各截面上的压力，可从可移动的真空表8上读出，真空表8与内径为φ0.8的测压探针7相连。

探针的顶端封死，在其中段开有径向测压小孔通过摇动手轮螺杆机构9，可使探针7沿喷管轴线左右移动，从而改变测压孔的位置，进行喷管中不同截面上压力的测量。

测压孔的位置，可以由位于可移动真空表8下方的指针，在座标板上所指出的x值来确定。

喷管的排气管上还装有背压P b真空表10。

背压由调节阀11调节。

真空罐12前的调节阀14用于急速调节。

直径为φ400的真空罐12是用于稳定背压P b的作用。

为了减少振动，泵与罐之间用软管13连接。

实验中需测量4个变量：（1）测压探针7上测压孔的水平位置x。

（2）气流沿喷管轴线x截面上的压力Px；（3）背压P b；（4）流量q。

这4个变量可分别用位移指针的位置x，m真空表8上的读数P5。

背压真空表10上的读数P b，及U形管压差计4上的读数△P测得。

特别需要注意的是P5和P b是真空度，计算和绘制曲线时要换算成绝对压力。

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11。

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11，用罐前调节阀14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5mm—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14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，（如图4，图6所示）。

图4 渐缩喷管压力曲线5、摇动手轮9，使测压孔的位置x位于喷管出口外30-40mm处。

此时真空表8上的读数为背压P b。

6、全开罐后调节阀11，用罐前调节阀14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14重复上述过程，调节背压P b ，每变化50mmHg 一停，记下真空表10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20mmHg ；高真空时，流量变化小，可取10mmHg 间隔）将读数换算成压力比P b /P 1和流量m q 在座标纸上绘出流量曲线（如图5、图7所示）。

图5 渐缩喷管流量曲线（当20,1.011==t MP p a ℃）图6 缩放喷管压力曲线图7 孔板流量计p m∆-εβγ曲线8、在实验结束阶段真空泵停机前，打开罐调节阀11，关闭罐前调节阀14，使罐内充气。

当关闭真空泵后，立即打开罐前调节阀14，使真空泵充气。

以防止真空泵回油。

最后关闭冷却水阀门。

五、数据记录与整理实验中应认真做好原始数据记录（包括：室温t s ，大气压P a 及实验日期）如发现实验结果出现较大误差，应仔细分析查找原因。

在整理时，由于各种实验曲线都是以压力比（P a <P 1，P b <P 1）作座标，因此必须将压力换算为相同单位进行计算。

实验二 传热综合实验----对流传热表面传热系数的测定一、实验目的1、掌握强制对流传热表面传热系数的测定方法；2、通过实验掌握确定表面传热系数实验关联式中待定系数A 和指数m 、n 的方法；3、通过实验提高对表面传热系数实验关联式的理解，并分析影响表面传热系数的因素，了解工程上强化传热的措施。

二、实验原理由相似原理可知，对流传热的实验数据应当表示成相似准则数之间的函数关系，以管内单相强制对流传热为例，实验关联式的一般形式为：nmA Nu Pr Re ⋅⋅=在本实验中，由于管内空气被加热，可取4.0=n ，则4.0Pr Re ⋅⋅=mA Nu ，式中A和m 为待定系数与指数。

对方程两边同时取对数，则得到直线方程Re lg lg lg4.0m A RNu +=，在直线上任取两点的函数值代入方程中，即可得到系数A 和指数m 的值。

本实验通过调节空气的流量，测得对应的表面传热系数，然后将实验数据整理为Nu 、Re 和Pr 等特征数，通过双对数坐标作图法求得待定系数A 和指数m 的值。

表面传热系数h 的获得： 由牛顿冷却定律得m t hA Q ∆=h ——空气侧表面传热系数，)/(2k m W ⋅；Q ——传热量，W ； A ——传热面积，2m ；m t ∆——管壁与管内空气的对数平均温差，℃。

传热量Q 还可由下式求得：3600/)()(1212t t Vc t t c q Q p p m -=-=ρV ——空气的体积流量，h m /3。

V 由孔板流量计测得：54.08.26R V =，R 是孔板压降（kPa ）；ρ——空气的密度，3/m kg ；p c ——空气的定压比热容，)/(k kg J ⋅； 1t 、2t ——空气进出口温度，℃。

λhdNu =，νud=Re ，ληp c =Pr三、实验装置该装置为套管换热器（见下图），空气走内管，蒸汽走环隙，外管为玻璃管，内管为 25×2mm紫铜管，有效长度为1.25m。

空气进出口温度和壁温分别由铂电阻（Pt100）测量，测壁温的两支铂电阻用导热绝缘胶固定在管外壁，孔板流量计的压差通过压力传感器转换为电信号由表头显示,其单位为kPa。

孔板流量计的孔径d0=20mm。

蒸汽发生器的加热功率为1500w（额定电压220v）。

1、蒸汽发生器2、蒸汽管3、补水口4、补水阀5、排水阀6、套管换热器7、放气阀8、冷凝水回流管9、空气流量调节阀10、压力（压差）传感器 11、孔板流量计 12、空气管 13、风机四、实验步骤1、实验开始前，先熟悉配电箱各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮；2、检查蒸汽发生器中的水位，使液位保持在1/2～2/3；3、打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）；4、实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，接通蒸汽发生器的加热电源；5、待蒸汽产生后，开启风机。