二氧化碳p-v-t物性测量及分析综合实验 - 图文

热

学 实

华北电力大学

力 验

二氧化碳p-v-t物性测量及分析综合实验

一、实验目的

1．了解 CO2 临界状态的观测方法 , 增加对临界状态概念的感性认识。

2．加深对课堂所讲的工质的热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。

3．掌握CO2 的 P-v-t 关系的测定方法 , 学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。

4．学会活塞式压力计、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法 .

5．随着我国电力工业的快速发展，超临界火电机组必将越来越多。工质在超临界的物性特征与在亚临界的物性特征相比有很大的区别，而人们对工质的超临界状态缺乏感性认识，影响到对超临界直流锅炉的理解。本实验旨在利用二氧化碳的超临界定压过程模拟直流锅炉中水蒸气的定压过程，观测过程中工质的变化特别是汽液整体相变现象。通过本实验将工程热力学的工质及其热力过程知识与专业课程知识联系起来，增强学生对超临界锅炉内工质的感性认识。

二、实验内容

1． 测定CO2 的 P-v-t 关系。在 P-v-t标图中绘出低于临界温度 (t=20℃)、临界温度(t=31.1 ℃)和高于临界温度（t=40℃）的三条等温曲线。并与标准实验曲线及理论计算值相比较 , 并分析其原因。

2． 观测临界状态

（1）临界状态附近汽液两相模糊的现象。 （2）汽液整体相变现象。

3．在p—v坐标图上绘制超临界压力定压过程线一条。 4．观测过程中汽液整体相变的现象

三、实验设备及原理

1．整个实验装置由压力台 , 恒温器和实验本体及其防护罩三大部分组成 , 如图一所示 。 2．实验台本体如图二所示 , 其中 ：

1 ----高压容器 ；2 ----玻漓杯； 3 ----压力池； 4 ----水银； 5 ----密封填料； 6 ----填料压盖； 7 ----恒温水套； 8 ----承压玻璃管； 9 ---- CO2空间； 10 ----温度计。

3．对简单可压缩热力系统 , 当工质处于平衡状态时 , 其状态参数 P、v、t 之间有：

F(P,v,t)=0

或 t=f（P,v） （1） 本实验就是根据式（1） , 采用定温方法来测定CO2 P-v 之间的关系 , 从而找出CO2 的 P-v-t 的关系。

4．实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了 CO2气体的承压玻璃管，CO2被压缩, 其压力和容积通过压力台上的活塞杆的进退来调节，温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。

5．实验工质CO2 的压力由装在压力台上的压力表读出。温度由插在恒温水套中的温度计读出。

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四、实验步骤

1． 按图一装好实验设备，并开启实验台本体上的日光灯。 2． 使用恒温器调定温度。 （1）将蒸馏水注入恒温器内 , 注至离盖 30-50mm 为止。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。

（2）旋转电接点温度计顶端的帽形磁铁调动凸轮示标使凸上端面与所要调定的温度一致,要将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动。

（3）视水温情况,开、关加热器,当水温未达到要调定的温度时,恒温器指示灯是亮的, 当指示灯时亮时灭闪动时,说明温度已达到所需恒温。

（4）观察玻璃水套上两支温度计，若其读数相同且与恒温器上的温度计及电接点温度计标定的温度一致时（或基本一致），则可（近视）认为承压玻璃管内的CO2 的温度处于所标定的温度。

（5）当需要改变实验温度时,重复（２）～（４）即可 。 3． 加压前的准备

因为压力台的油缸容量比主容器容量小,需要多次从油杯里抽油 , 再向主容器充油,才能在压力表上显示压力读数。压力台抽油、充油的操作过程非常重要,若操作失误，不但加不上压力还会损坏实验设备,所以务必认真掌握,其步骤如下：

（１）关压力表及其入本体油路的两个阀门,开启压力台上油杯的进油阀。

（２）摇退压力台上的活塞螺杆,直至螺杆全部退出,这时压力台油缸中抽满了油。 （３）先关闭油杯阀门,然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。 （４）摇进活塞杆,给本体充油,如此交复,直至压力表上有压力读数为止。

（５）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启，若均已稳定，即可进行实验。

4．实验中用△h 表示比容

Vm 式中：m – CO2 质量 因为

V?A?h A -- 玻璃管截面积

v?由于 C02 质量不变，截面积 A 不变，所以实验中可用高度 h（即△h）的变化来表示比容的变化。

5．实验中应注意以下几点:

（１）做各条定温线时，实验压力 P<9.8MPa, 实验温度 <50 ℃ 。

（２）一般取 h 时压力间隔可取 0.196～0.490MPａ. 但在接近饱和状态时和临界状态时，压力间隔就取为 0.049MPａ。

（３）实验中取 h 时，水银柱液面高度的读数要注意，应使视线与水银柱半园型液面的中间一齐。

6．测定低于临界温度 t=20 ℃时的定温线。

（１）使用恒温器调定 t=20℃ 并要保持恒温。

（２）压力记录从4.41MPａ开始，当玻璃管内水银升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准。

（３）按照适当的压力间隔取h值至压力 P=8.5MPａ 7．测定临界等温线，注意临界现象观察。 临界现象观察：

（１）整体突变现象

由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变的过程，而这时

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当压力稍有变化时，汽液是以突变的形式相互转化。

（２）汽液两相模糊不清现象

处于临界点，CO2的汽相和液相具有共同参数（Ｐ、ｖ、ｔ）因而不能区别此时CO2是气态还是液态。如果说它是气体，那么这个气体是接近了液态的气体，如果说它是液体，那么这个液体又是接近气态的液体。下面就用实验来证明这个结论。因为这时是处于临界温度，如果按等温过程使CO2压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到的。现在我们按绝热过程来进行。首先在压力等于7.64MPa 附近，突然降至CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2 出现了明显的液面，这就说明，如果这时管内的CO2是气体的话，那么这种气体离液区很近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了，这就告诉我们这时CO2液体离气区是非常近的，可以说是接近气态的液体。既然此时的CO2 既接近气态又接近液态，所以能处于临界点附近。可以这样说，临界状态究竟如何， 饱和汽、液分不清， 这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象。

8．测定高于临界温度 t=40 ℃时的等温线，将数据填入表 1。

9．作超临界压力（p=8MPa）定压线一条。保持压力，改变温度，由环境温度加热至50℃。 10．整体相变现象观察

实验压力高于临界压力，由工程热力学知工质在定压过程中没有湿蒸汽的两相共存，汽液转换也不是逐渐积累，不是如亚临界的“汽化”或“液化”，而是全部工质整体共同逐渐转变。工程热力学中临界压力以上汽、液区以临界温度线为界，这只是理论上的界定。实际观察会发现在临界温度左右一定范围内汽、液没有明显区别，即“逐渐”而不是“突然”转变。

五、绘制等温线与比较

按表 1 的数据仿图三绘出 P-v 图上画出三条等温线 。

将实验测得的等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析之间的差异及原因。

六、实验报告

1. 简述实验原理及过程。

2. 各种数据的原始记录。 3. 实验结果整理后的图表。

4. 分析比较等温曲线的实验值与标准值之间的差异及原因。 5. 简述实验收获及实验改造意见。 附： 图一：CO2实验台系统图

图二：实验台本体 图三：标准曲线

表一：CO2等温实验原始记

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图1 CO2实验台系统

1．恒温器 2.实验台本体 3.压力台

图二 实验台本体

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