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1、“热工学基础”实验指导书 天津大学机械工程学院 编著二零一零年十二月前言热工学基础实验包括：“工程热力学”和“传热学”两部分实验内容，共有9个基础实验。实验教学的目的是验证巩固和补充课堂讲授的理论知识，通过实验使学生初步掌握热能有效利用以及热能和其他能量转换规律的基本知识，以及热量传递的基本规律。使学生能正确运用热力学的基本原理进行热工和热力循环的分析；培养学生运用所学的理论解决实际问题的能力以及对实验结果进行综合分析并撰写实验报告的能力，通过实验使学生能辨识热工设备、学会热工仪器仪表的使用方法。热工学基础实验指导书是根据高等教育自学考试课程“热工学基础”实践教学大纲的教学计划编写的。在编写过
2、程中参考了热工实验基础（1986年高等教育出版社）、工程热力学实验指导书、传热学实验指导书(1996年工程热物理教研室、热工实验室编著)及教材热工基础与应用（机械工业出版社2009年第二版），并结合热工实验室的实际设备，吸收了多年来实验室设备的改进和科研工作的成果而编著的。根据学生在实验过程中的表现及实验报告的质量对学生进行考核。考核内容包括实验前预习、实验过程、实验方法和步骤以及实验结果的数据处理、分析等内容，进行综合考核。本指导书由郑宗和、刘靖主持编整。目录实验1 热电偶温度计的刻度与校验 .(4)实验2 压力表校验 .(8)附录1 压力表的常见故障机器发生原因和排除方法.(11)实验3
3、二氧化碳气体P-V-T关系的测定 .(12)实验4 喷管中气体流动基本特性试验 .(16).实验5 压气机性能试验 .(23).实验6 蒸汽压缩制冷（热泵）装置性能实验.(27).实验7 用球体法测量导热系数实验.(31)实验8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验.(34)附录2 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验的简要说明.(39)实验9 套管式换热器性能测试试验.(40)实验1 热电偶温度计的刻度与校验温度是热力学中一个基本状态参数，在各种热工实验中都离不开温度。所以，温度测量是最重要的热工测量。热电偶温度计广泛用于科研院校，电力、化工、石油、炼钢、玻璃、陶瓷、模具热处理及塑料、橡胶、
4、印染、包装和食品机械等行业的温度测量、温度控制。热电偶温度计由热电偶和电位计组成。测量范围宽（272500）、精度高，一般在使用前及使用过程中必须对其进行校验。有时还要自己制作热电偶，并进行刻度。所以掌握热电偶温度计的制作与刻度（校验）方法是最基本的热工试验之一。一、 实验目的1. 掌握热电偶制作技术；2. 掌握热电偶刻度（校验）及数据整理方法；3. 熟悉电位计、恒温水浴等仪器的原理、性能及使用方法。 二、实验原理1. 热电偶温度计原理热电温度计是由热电偶、补偿导线及测量仪表构成的。其中热电偶是敏感元件, 它由两种不同的导体A 和B 连接在一起, 构成一个闭合回路, 当它的两个接点1、2的温度
5、t 和t0 不同时，在通路内将产生热电势，此电势的大小与温差（t - t0）有一定的关系，热电效应在回路中就会产生零点几到几十毫伏的热电动势, 记为EAB 。接点1 在测量时被置于测场所, 故称为测量端或工作端。接点2 则要求恒定在某一温度下,称为参考端或自由端, 如图1-1所示。如冷接点温度保持不变（放在冰水混合物的保温瓶中使其保持0），则热电偶所产生的热电势只和热接点温度t 有关，这时就可用电测仪表测出热电势值，可得到相应的温度t 的数值。 热电偶电势与温度的关系在恒温器电炉内用标准温度计标定，作出毫伏-温度曲线，实验时根据毫伏数即可由此曲线查得温度。 图 1-1 热电偶原理及接线法 在标
6、定时应根据测量的温度选取恒温器，在10到100的范围内，标定是在盛水的恒温器内进行（此时：标准温度计和被刻度的热电偶都要插在纯净油类的玻璃试管内，然后放入恒温水浴内）； 理论上，任何两种不同的金属均可组成热电偶，而实用上为了满足一些要求：如电势大便于测量、性质稳定、能耐高温等等。因此往往只用某些金属或合金。常用的热电偶有如下几种（、号代表电极）； 铂銠（）- 铂（） 测温范围： -201300 铜 （）- 康铜（） 测温范围： -20350 镍铬（）- 镍硅（） 测温范围： -501300若用热电偶测量物体的壁面温度，应将热电偶镶入壁面的小槽中，并使它在槽内沿等温面引伸一段距离以减少测量误差。
7、2. 电位计的原理和用法在热电偶温度计中与热电偶连接用来测量电势的可以是毫伏计，也可以是电位计。但毫伏计读数受环境温度和线路电阻的影响较大，测量精度不高。因此在实验室的精度测量中大都采用电位计。下面说明电位计原理和用途。电位计是基于使用电阻器上已知的电压降与热电偶的热电势相平衡的原理来进行测量的。 图1-2 电位计原理图如图1-2，电位计中由工作电流调节电阻R、标准电池补偿电阻R 、被测电势补偿电阻R及工作电池E构成一回路。其中R用来调整工作电流I，称为“电流调整器”， R为“标准电阻” ，R为“变阻器”，它上面有滑动接头，当切换开关接通未知点时，检流计和热电偶E接通，形成一回路。由于变阻器R
8、上的电压降与热电偶电势不变，则检流计指针将偏转，若移动R上的滑动接头直到检流计指针停止为零，即无电流流过检流计为止，这时变阻器R上的电压降将等于所测量的热电偶电势E，因此滑动接头的位置可以反映被测电势的大小。由于工作电池的电动势会随电流消耗逐渐降低，因而通过线路R的电流I要发生变化。当电流不是标准电流时，原来在变阻器R上根据电阻所作的电势刻度就不对了，因此在使用电位计时，必须让R线路上通过标准电流。校验是否等于标准电流的方法是采用电势恒定的标准电池E、检流计和标准电阻RN构成一回路，调整电流调整器R的电阻，使工作电流通过RN时的电压等于标准电池的电动势EN,由于两者平衡，检流计指针应停止在零点
9、，这时通过R线路的电流即为标准电池I。电位计的优点是：在没有电流流过热电偶的情况下读取数据，测量出来的热电势不会因线路电阻而发生误差；电位计的指示值与热电偶和导线的电阻变化及检流计的温度系数无关。但当外电阻大大增加时，平衡作用的精确度就会降低。电位计的滑线变阻器和分段变阻器串联构成变阻器R。测量时将热电偶导线两极分别接于电位计“未知”（+）、（-）极的接线柱上。测量前必须将检流计指针调指零点，并检验指针是否灵活。调节电流调整器，直到检流计指零为止。可进行热电偶的电势测量。为此将切换开关调到“未知”，转动分段变阻器及滑线变阻，直到检流计指零，被测电势Ex等于分段变阻器上毫伏读数之和。在使用电位计
10、时，要求学生严格遵守仪表的操作规程。尤其特别注意保护电位计内的标准电池。为此：尽可能缩短使用标准电池的时间和减少使用次数。移动电位计要小心轻放，避免震动。三、实验设备1. 恒温水浴一台2. 电位计一台3. 变压器一台4. 标准温度计一套5. 保温瓶一个（内装冰块）6. 热电偶材料A、B各一根（或为被校验热电偶）四、实验步骤 1. 热电偶制作截取同样长度（0.81米）的A（铜+）、B（康铜-）热电偶丝各一段。两端表面刮净，将A、B两线的一端拧紧在一起（成麻花状），两线的另一端并在一起接到变压器输出端的一个接线柱上。输出端的另一接线柱则用一根导线和放在变压器油内的金属锡箔纸相连。接通外电源后，调节
11、变压器输出电压到某一值（由实验确定，一般在3050伏之间）,然后将热电偶A、B拧紧的一头慢慢地垂直插入油内，当接头与金属锡箔间只有一小间隙时，端电压放电产生火花使A、B两根热偶丝端部熔化而焊在一起。用放大镜检查焊成的接头是否呈圆球状，如果没有形成圆球状，要重复上述焊接步骤。2.热电偶的刻度（校验）将被刻度的热电偶与温度计绑在一起轻轻放入装有纯净油的试管内（试管浸在恒温水浴中）然后将A、B热电偶两端分别和铜导线连接，冷接点放在装有冰块的保温瓶内。两根导线接在电位计的（+）（-）接线柱上，如图1-3所示图1-3 热电偶校验装置示意图 五、 实验数据整理 1. 算出每一实验点温度和毫伏数的平均值，汇
12、编成毫伏温度数据对应表。 2. 绘出毫伏温度曲线图。 六、实验报告 1. 学生要根据自己所进行的实验独立认真地撰写实验报告。要求字迹工整、数据准确、观察现象的文字描述层次清晰并应结合理论教学中的知识对实验结果给出分析和评价。 2. 鼓励学生以教材为基础，可以充分利用互联网络查阅相关资料，自编实验报告内容。七、思考题 1. 问：实验步骤2.中，为什么要将热电偶与温度计绑定后放入装有纯净油的试管内？ 2. 非稳态导热中教授了时间常数的概念。请说明“热电偶的时间常数是说明热电偶对流体温度变动影响快慢的指标”的含义？试分析用热电偶测量高温气流温度时，产生误差的原因（可参考书p185习题4-7或“热工基
13、础”p180例10-4）？ 3. 可上网查阅：同济大学电子与信息工程学院教学课件“传感器与检测技术”主讲教师：苏永清。说明为什么要用冷端补偿？表1-1热电偶实验数据记录标准温度电位计毫伏标准温度电位计毫伏10501555206025653070357540804585 实验2 压力表校验压力是工质热力状态的主要参数之一。它的物理意义是垂直作用在单位面积上的力的大小。压力表是热力设备广泛使用的仪表，是确保设备安全运行的重要标志。工业锅炉上一般多采用弹簧管式压力表，它的作用是指示锅炉内蒸汽压力的高低。司炉工人根据压力表的指示数值来调节燃烧，以保证用汽部门的要求和锅炉的安全运行。所以学生有必要了解常用压力表的型式和适用范围，并能保证仪表的准确度。一、 实验目的1. 熟悉弹簧管式压力表的结构和工作原理。 2. 掌握校验弹簧管式压力表的方法。3. 了解仪表精度级别，能合理选用。二、 弹簧管式压力表的结构和工作原理弹簧管式压力表具有结构简单，造价低廉，精度较高，便于携带，安装使用方便，测压范围较宽等特点，应用十分广乏。弹簧管式压力表主要由弹簧弯管、连杆、扇形齿轮、小齿轮、中心轴、指针、表盘等构件组成，如图21所示。弹簧弯管是由金属管(无缝铜管或无缝钢管)制成的。管子截面呈扁圆形或椭圆形，它的一端固定在支撑
