热工综合实验一、实验目的1. 熟悉工程上常见的热工测试仪器及仪表，如速度、流量、温度等测量仪；掌握这些热工测试仪器及仪表的工作原理与使用方法；2. 认识风机，了解其结构，掌握其工作原理；3. 了解压力、流量、温度测定在硅酸盐工业生产控制中的重要作用；4. 通过实验巩固流体力学与传热学的理论基础，学会用理论基础知识分析在工程测量中的实际应用。二、实验内容1. 气流压力的测量1）了解U型管、斜管微压计、数字微压计、压力传感器的工作原理；2）用U型管测量管道内的静压；3）用斜管微压计测量管道内的静压和动压；4）用数字微压计、压力变送器测量管道内压力。2. 流速流量测量1）了解标准皮托管、文丘里管、热球式风速仪的工作原理；2）用标准皮托管、U型管、斜管微压计、热球式风速仪测量管道内的流速和流量；5）在不同形状的管道中测量管道内的流速和流量。3. 温度测量1）分别用水银温度计和热电偶测量气体的温度，并做比较；2）用热电偶测量气体的温度。4. 管道内压力分布的测定1）测量管道中不同位置处的压力，绘出管道内压力分布图；2）分析管道内气体压力分布；3）求解阀门的局部阻力系数、管道的沿程阻力系数及气体对弯管的冲力。5强迫对流换热系数的测定了解对流换热系数测定的测试系统及测试方法，了解局部换热系数的变化规律，学会实验测定流体流过加热管道时的对流换热系数，确定努谢尔与雷诺数、普朗特数之间关系。三、实验装置实验装置示意图如图1。本实验主要设备有风机和管道，所需主要仪器有皮托管、压力计、测速仪、温度计、热电偶、转速表、卷尺等。图1 实验装置示意图四、实验基本知识 (一) 气体压力测量的基本原理实验室常采用液柱式压力计测量被测点的相对压强，其测量原理以流体静力学基本方程式为依据。常用的液柱式压力计有U型管压力计和倾斜式微压计。U形管测压计的结构是一个装在刻度板上两端开口的U形玻璃管。测量时，管的一端与被测容器相接，另一端与大气相通，一般在工程中，当被测压力较大（但202650Pa）时，多采用U型管压力计，如图2(a)所示。被测压力为： (1)当被测压力较小(100Pa）时，常采用倾斜微压计。倾斜微压计是由一个大截面的杯子接一个可调节倾斜角度的细玻璃管构成，其中盛有密度为的液体，如图2(b)所示。图2测压计显示原理(a) U形管压力计； (b) 倾斜式微压计 (二) 气体流速与流量测量的基本原理流速与流量测定的仪器有很多。一般的在低速流场中，根据伯努利方程式，只要测出了某点的流体全压p0 和静压p，即可求出该点的流速。如3为气体测速管工作原理图，a点是测量全压的管口，它正对来流，流动在此处静止，形成驻点，速度为零；b点为静压管口。沿ab流线列气体元流伯努利方程，则得到： (4)动压： (5) (6)式中 被测流体的密度，kg/m3；图3 测速管工作原理图1实验管道 2测压管 3测压计差压计内流体的密度，kg/m3。图4 液体玻璃温度计1温包 2毛细管3刻度标 4安全包 (三) 温度测量的基本原理常用的测温仪器有接触式仪表(如玻璃液体温度计、压力表式温度计、双金属温度计、热电阻温度计和热电偶高温计等)和非接触式仪表(如辐射式温度计等)本实验采用的主要是液体玻璃温度计和热电偶温度计。液体玻璃温度计是基于液体容积随温度升高而膨胀的原理制成的。最常见的为水银玻璃温度计，其测量范围在-30一300。这种温度计的优点是直观、测量准确、结构简单、造价低廉，使用简便，故广泛应用于工业和实验室的各个领域，但有易碎，热惰性大，不能远传和自动记录，只能在测点处就地读数等缺点。热电偶温度计也是目前应用最广泛的一种测温仪表。它主要由热电偶和指示温度的二次仪表组成。如图5为普通插入式热电偶，其结构主要有三部分：热电偶、保护套管和绝缘子。其中热电偶是温度的传感器，是这种温度计的核心。这种热电偶的测量端（即热端）插入被测对象的内部，常用以测量500以上的高温。热电偶温度计结构简单，制造方便，稳定性好。但热电偶元件易受化学侵蚀，热电偶冷段温度对测量有很大影响，必须加以校正。（参见工程测试仪表教材）图5 插入式热电偶1热电极 2-绝缘套管 3保护管 4接线盒(四) 管道内的压力分布为反映气流沿程的能量变化，更好的解决管道系统的设计和运行管理问题，同时也为管道系统分析奠定基础，很有必要分析气体在管道内流动时，管道内压力和流速的变化规律。根据流体力学的原理，管道内任何一点的全压等于该点的静压与动压之和： (16)O静压线全压线pdps若测出某点的动压和静压就可以求出该点的全压。将管道中所有点的动压值和静压值连起来，就可以得到静压线和全压线，如图所示。图6 管道内的压力分布五、实验步骤1熟悉设备、流程及各种仪表的操作与使用；2确定不同位置的管道直径及管道长度；3检查装置设备及测压、测速、测温仪表均属正常之后，关闭阀门，开启风机，开始实验；4待流动稳定后，确定风机的电流、电压和转速，再用各测量仪表测量不同测点的流速、压力和温度，测定不同位置的静压与动压，将各测量值记录于表格。5逐渐开大阀门，流量由小变大。每改变一次流量，就用各测量仪表测量不同测点的流速、压力、温度，将各测量值记录于表格。6实验结束后，关闭仪表及风机的开关。六、思考题1. 什么是绝对压力、相对压力，它们之间的关系是怎样的？2. 液柱式测压计显示出的压力是什么压力？工程上为什么一般多采用相对压力？3. 什么是点速度、平均速度？怎样由点速度求平均速度？4. 对流体进行测量的理论基础是什么？5. 当被测气流为负压时，怎样将测压管与倾斜式微压计联结才能测出气流的全压、静压和动压？6. 为什么离心风机的启动要在关闭出口节流门的情况下进行？在停机时，为什么也要在关闭出口节流门的情况下切断电源？ 7. 为什么要把风机实验状态和转速下的各参数的数值换算到标准技术状态和额定转速下的数值？5