材料工程基礎(chǔ)實驗實驗講義（word版本）

1、材料工程基礎(chǔ)實驗講義 目 錄實驗一、煤的工業(yè)分析1實驗二、煤的發(fā)熱量測定5實驗三、材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定10實驗四、雷諾實驗14實驗五、伯努利方程實驗16實驗六、風(fēng)機性能曲線實驗20實驗七、流體力學(xué)綜合阻力實驗A24實驗八、流體力學(xué)綜合阻力實驗B28實驗九、固體流態(tài)化的流動特性實驗30實驗十、流化床干燥器干燥曲線的測定35實驗十一、除塵性能實驗41實驗十二、綜合傳熱性能實驗43實驗十三、煙氣成分分析45實驗十四、熱電偶的焊接與校正實驗4953實驗一、煤的工業(yè)分析一、實驗?zāi)康囊饬x工業(yè)分析是分析化學(xué)的一個分支，是分析化學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。通過工業(yè)分析能夠評定燃料、原料及產(chǎn)品的質(zhì)量。本實驗的目的：1掌

2、握煤的工業(yè)分析方法，即煤的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳的測定方法。 2判斷分析煤樣的種類。 3根據(jù)經(jīng)驗公式計算煤的低位發(fā)熱值。 二、實驗原理作為固體燃料的煤，是由極其復(fù)雜的有機化合物組成的，就其所含元素而言，不外乎有碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)五種元素及部分礦物雜質(zhì)(灰分A)和水分M。煤的成分分析有元素分析和工業(yè)分析兩種方法，其中煤的工業(yè)分析方法是我國工礦企業(yè)中經(jīng)常采用的一種簡易的分析方法，即通過對實驗中風(fēng)干煤樣(空氣干燥基)所含水分M、揮發(fā)分V、灰分A和固定碳Fc的測定，得到煤的工業(yè)分析成分的方法。即： （1）式中 空氣干燥基煤樣中水分的質(zhì)量分數(shù)，；空氣干燥基煤樣中揮發(fā)分的

3、質(zhì)量分數(shù)，；空氣干燥基煤樣中灰分的質(zhì)量分數(shù)，；空氣干燥基煤樣中固定碳的質(zhì)量分數(shù)，。 實驗中所遵循的原理為熱解質(zhì)量法，即根據(jù)煤樣中各組分的不同物理化學(xué)性質(zhì)，控制不同的溫度和時間，使其中的某種組分發(fā)生熱分解或完全燃燒，并以試樣失去的重量占原試樣重量的百分比作為該組分的重量百分含量。所涉及的有關(guān)參數(shù)及測定方法分述如下：1.水分煤樣中的水分采用常規(guī)測定法測定。鑒于空氣干燥基下煤樣中的水分為內(nèi)在水分，即吸附于煤顆粒毛細空隙之間的水分，較難蒸發(fā)，因此需置于105110的鼓風(fēng)干燥箱中干燥1h。取出稱量，若水分<2，不進行檢查性干燥，否則需進行檢查性干燥，步驟是將試樣重新放入干燥箱中烘干，每次30min

4、，再稱量，直至恒重（即質(zhì)量減少小于0.001g或增重）為止。以增重前的一次稱重結(jié)果來計算水分。2.灰分煤的灰分是指煤中所有可燃物質(zhì)完全燃燒，水分完全蒸發(fā)以及煤中礦物雜質(zhì)在一定溫度下產(chǎn)生一系列分解、化合等復(fù)雜反應(yīng)后所剩下的殘渣，是煤中不能燃燒的礦物雜質(zhì)。因此，在實驗中應(yīng)使煤樣完全燃燒。采用快速灰化法來測定煤的灰分，即將煤樣置于815的馬弗爐中灼燒40min，取出稱量，若灰分<15，不進行檢查性灼燒，否則需進行檢查性灼燒，步驟是將煤樣重新放入馬弗爐中灼燒，每次20min，再稱量，直至恒重（即質(zhì)量減少小于0.001g或增重）為止。以增重前的一次稱量結(jié)果來計算灰分。3.揮發(fā)分煤的揮發(fā)分是在特定條

5、件下受熱分解的產(chǎn)物，剩下的不揮發(fā)物稱為焦渣。煤的揮發(fā)分是煤炭分類的重要指標之一，根據(jù)揮發(fā)分含量及焦渣特性可以判斷煤的工業(yè)利用性質(zhì)。揮發(fā)分的測定采取將煤樣放入帶蓋的瓷坩堝中，置于900±10的馬弗爐中，隔絕空氣加熱7min，冷卻后稱重，以失重減去水分即為揮發(fā)分重量。三、實驗儀器設(shè)備本實驗中用到的主要設(shè)備有：馬弗爐、鼓風(fēng)干燥箱、分析天平（0.0001g）、玻璃干燥器及稱量瓶、瓷坩堝等。四、實驗步驟1實驗準備（1）煤樣粒度小于0.2mm，在空氣中風(fēng)干，待用。（2）鼓風(fēng)干燥箱、馬弗爐升到實驗要求溫度。（3） 稱量瓶、瓷坩堝編號、烘干后放入干燥器備用。2水分測定（1）分析天平上稱出稱量瓶(帶蓋

6、)重量，稱量時讀數(shù)精確到小數(shù)點后4位，然后加1g煤樣(±0.1g)。（2）將稱量瓶送入溫度已達105110的鼓風(fēng)干燥箱中，打開瓶蓋，煙煤干燥1小時，無煙煤干燥11.5小時。（3）取出稱量瓶，立即蓋上瓶蓋，在空氣中冷卻23分鐘后，放入玻璃干燥器中，繼續(xù)冷卻到室溫(約20分鐘)，稱量。（4）計算水分的質(zhì)量分數(shù)： （2）3灰分測定（1）分析天平上稱出瓷坩堝空重，稱量時讀數(shù)精確到小數(shù)點后4位，然后加入1g煤樣(±0.1g)。（2）將坩堝放入815±10的馬弗爐中，灼燒40min。直至煤樣完全燒透，灰中無黑色碳粒為止。（3）取出坩堝放在石棉板上，在空氣中冷卻5min后，放入

7、玻璃干燥器中冷卻到室溫(約20分鐘)，稱量。（4）計算灰分的質(zhì)量分數(shù)： （3）4揮發(fā)分測定（1）分析天平上稱量帶蓋坩堝質(zhì)量，然后加1g煤樣(±0.1g)。（2）將坩堝加蓋放入900的馬弗爐中加熱7min。 （3）取出坩堝放在石棉板上，在空氣中冷卻5min后放入玻璃干燥器中冷卻到室溫，稱重。打開坩堝蓋，將剩余的焦渣倒在紙上觀察焦渣特性，判斷該焦渣特性屬于第幾類，焦渣特性分類見下面。（4）計算揮發(fā)分的質(zhì)量分數(shù)： （4）5固定碳的質(zhì)量分數(shù)的計算 (5)上述實驗步驟，因?qū)嶒灂r間的限制，省略了檢查性步驟。在正式的煤工業(yè)分析時，必須按國家標準(GB/T 212-2001)的規(guī)定進行操作。五、數(shù)據(jù)

8、記錄及結(jié)果處理1數(shù)據(jù)記錄測定成分容器名稱容器空重/g加樣總重/g樣品重/g熱處理后總重/g失重/g計算結(jié)果/%水分灰分揮發(fā)分固定碳2判斷煤的種類我國煤的分類是以干燥無灰基揮發(fā)分含量為依據(jù)劃分的，不同種類煤的揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)（%）如下：煤 的 種 類褐 煤煙 煤無 煙 煤>371046<10因此，需將空氣干燥基揮發(fā)分換算為干燥無灰基揮發(fā)分，換算公式： （6）3計算煤的低位發(fā)熱量：根據(jù)工業(yè)分析資料，可按下列公式計算（根據(jù)中國煤炭科學(xué)研究院介紹，75的試樣，計算結(jié)果于實測值的誤差約在400kJ/kg以內(nèi)）。（1）無煙煤 （kJ/kg） （7） 式中 系數(shù)，根據(jù)查表得出。 3.0> 3

9、.05.5> 5.58.0> 8.034300348003520035600表中，和的值與煤的干燥基灰分有關(guān)，如下表所示：/ %30402530202515201015150.800.850.950.800.900.950.100.100.10000（2）煙煤 (kJks) （8）式中 系數(shù)，根據(jù)和焦渣物性查下表得出。> 10%13.5%>13.5%17%>17%20%>20%23%>23%29%>29%32%>32%35%> 35%38%>38%42%>42%3513373353283203203053053053033

10、51349343339328326324320316312353353349345339335330328326320353355351347343339335332330324353355355351349345341339335332353355355351349345341339335332353355355355353351347345343339不出現(xiàn)355355358355353349347345343焦渣特性是指測定揮發(fā)分后，坩堝內(nèi)殘留的焦渣外形特征，分為8類： 粉態(tài)：保持原煤樣的粉末狀； 粘著：稍有粘連，手指輕壓即成粉末； 弱粘法：有粘結(jié)，手指輕壓即成碎塊； 不熔融粘結(jié)：粘結(jié)，

11、手指用力壓才成碎塊； 不膨脹熔融粘結(jié)：焦渣呈扁平狀、煤粒界限不清，表面有銀白色光澤； 微膨脹熔融粘結(jié)：焦渣用手指不能壓碎，表面有銀白色光澤和較小的膨脹泡; 膨脹熔融粘結(jié)：焦渣表面有銀白色光澤，明顯膨脹但高度不超過15mm； 強膨脹熔融粘結(jié)：同，但高度超過15mm。六、思考題1固體燃料的組成有哪幾種基準表示？ 2實驗中怎樣實現(xiàn)煤的水分、灰分和揮發(fā)分的測定？ 3煤的工業(yè)分析在工程實際中有何作用？實驗二、煤的發(fā)熱量測定一、目的意義發(fā)熱量是衡量燃料品質(zhì)的一項重要指標，掌握熱值測定的計量方法，可為各行各業(yè)綜合利用能源、節(jié)約能源提供可靠依據(jù)。 本實驗的目的： 掌握煤發(fā)熱量的實測方法氧彈熱量測定方法； 了解

12、彈筒發(fā)熱量，恒容高位發(fā)熱量和恒容低位發(fā)熱量的概念，以及它們之間的換算； 根據(jù)經(jīng)驗公式計算煤的低位發(fā)熱值。二、基本原理 煤發(fā)熱量的測定原理很簡單，即設(shè)法測定一定量試樣在完全燃燒時放出的熱量。目前常用的是伯斯路特于1881年發(fā)明的氧彈方法，把一定量的試樣放在密閉的充氧彈筒（俗稱氧彈）中完全燃燒。氧彈置于盛水的內(nèi)筒中，并被水完全浸沒。根據(jù)內(nèi)筒水溫的升高，計算出試樣的發(fā)熱量。 由于測定時，試樣完全燃燒放出的熱量不僅被水吸收，亦被彈筒自身、內(nèi)筒、攪拌器和 量熱溫度計等裝置吸收，這些裝置統(tǒng)稱為量熱系統(tǒng)。該量熱系統(tǒng)本身具有熱容量（亦稱為當 量），需用已知標準發(fā)熱量的物質(zhì)（如苯鉀酸）進行標定，求出該系統(tǒng)的儀器

13、常數(shù)。 有關(guān)各種發(fā)熱量的概念簡介如下。（1）彈筒發(fā)熱量：在密閉的氧彈中充以初壓為2.83.0MPa的氧氣，終了時燃燒產(chǎn)物為25，燃燒單位質(zhì)量的試樣所產(chǎn)生的熱量稱為彈筒熱量（J·g1），記作，煤的燃燒產(chǎn)物為：CO2、H2SO4、HNO3、水和固態(tài)的灰分。（2）恒容高位發(fā)熱量：彈筒發(fā)熱量減去 稀硫酸、二氧化硫生成熱、以及稀硝酸生成熱，即為恒容高位發(fā)熱量（J·g1），記作。 煤的燃燒產(chǎn)物：CO2、SO2、游離N、水和固態(tài)灰分。 恒容高位發(fā)熱量比工業(yè)上的恒壓（大氣壓）高位發(fā)熱量低8.37416.748 J·g1，一般可忽略不計。（3）恒容低位發(fā)熱量：恒容高位發(fā)熱量減去水的

14、蒸發(fā)熱，即為恒容低位發(fā)熱量(J·g1)，記作。 煤的燃燒產(chǎn)物：CO2、SO2、游離N、水蒸汽和固態(tài)灰分。三、實驗器材 熱量計： 氧彈量熱計廣泛用來測定固體、液體燃料的熱值。本實驗在GR-3500氧彈式量熱計中進行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 氧彈： 氧彈是恒容燃燒室，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 控制箱。 氧氣瓶及氧氣減壓閥。 壓塊機。 0.1mol濃度的NaOH溶液、甲基紅試劑、滴定臺等。圖1 GR-3500氧彈式熱量計結(jié)構(gòu)1一外筒；2一內(nèi)筒；3攪拌器；4攪拌電機；5絕緣支架：6氧彈；7內(nèi)筒溫度； 8外筒溫度計；9點火栓；l0外筒蓋；11一讀數(shù)放大鏡；12振蕩器圖2 氧彈結(jié)構(gòu)1充氣閥；2放氣閥；3一

15、電極；4坩鍋架；5充氣管；6燃燒擋板 四、測試步驟1稱樣與裝堝 精確稱取分析試樣0.91.1g（煤粉）并放入坩鍋。 在金屬坩鍋底部鋪一石棉紙墊，墊的周邊與坩鍋緊密接觸，以免試樣下漏。然后將預(yù)先制備的煤餅試樣放在石棉墊上。2裝點火絲和充氧 取一段已知重量的點火絲，將兩端分別接于兩個電極上。把盛有試樣的坩堝放在支架上，用鑷子調(diào)節(jié)下垂的點火絲，使之與煤粉接觸（點火絲切勿與坩堝壁接觸，以免引起短路）。彈筒中加入10m1蒸餾水，擰緊彈筒蓋，然后接上氧氣導(dǎo)管緩緩充入氧氣（充氣時間不少于15秒）直至氧彈中壓力達到2.83.0MPa。拆下氧氣導(dǎo)管。3內(nèi)筒加水及氧彈氣密性檢查 在內(nèi)筒加入與標定熱容量時相同的內(nèi)筒

16、水量（一般為3000g），調(diào)整內(nèi)筒初始水溫比外筒水溫低0.51.0以使實驗終期內(nèi)、外筒保持較小的溫度差，減少因溫差而引起的熱量傳遞誤差。 將充好氧氣的氧彈放入內(nèi)筒的水中，使氧彈除充氣閥及電極外其余部分都淹沒在水中。仔細觀察有無漏氣現(xiàn)象，如沒有氣泡逸出，表明氧彈氣密性良好，即可開始以下步驟。4裝置測示儀器 接上點火電極插頭，裝上攪拌器和測量內(nèi)筒溫度的貝克曼溫度計、測量外筒溫度的外筒溫度計。在靠近貝克曼溫度計的露出水銀柱的部位，另懸一支普通溫度計，以測定露出柱的溫度。其中貝克曼溫度計的插入深度應(yīng)與熱容量標定時貝克曼溫度計的插入深度一致，并不得接觸內(nèi)筒和氧彈，蓋上外筒蓋。5初期溫度測定 開動攪拌器，

17、5min后開始計時和讀取內(nèi)筒溫度（t0）并立即點火。隨后記下外筒溫度（tg）和露出柱溫度（te）。內(nèi)筒溫度計借助放大鏡，讀數(shù)精確到0.001，其他溫度計只要讀數(shù)精確到0.1。 觀察內(nèi)筒溫度，如在30s內(nèi)溫度急劇上升，則表明點火成功。點火后140”時讀取一次內(nèi)筒溫度（t140”），讀數(shù)精確到0.01即可。6終期溫度測定 接近終點時（一般熱量計由點火到終期的時間為810min），開始按l min間隔讀取內(nèi)筒溫度，以第一個下降溫度作為終點溫度（tm）。試驗主要階段至此結(jié)束。7收集彈筒洗液 停止攪拌，取出內(nèi)筒和氧彈，開啟放氣閥，用導(dǎo)管把廢氣引入裝有適量氫氧化鈉標準溶液的三角燒瓶中，放氣過程不少于l m

18、in。放氣完畢，打開彈筒蓋，觀察坩堝試樣，如有燃燒不完全則試驗應(yīng)作廢。用蒸餾水沖洗彈筒各部分，把全部洗液都收集在三角燒瓶中。8將上述洗液煮沸12 min，取下稍冷后，以甲基紅為指示劑，用氫氧化鈉溶液（0.1N）滴定到中和點。記下NaOH溶液的總消耗量V（m1）。9稱出殘余點火絲的重量。10倒掉內(nèi)筒的水，清洗氧彈，所有儀器歸位，經(jīng)老師檢查后方可離開實驗室。五、結(jié)果處理1記錄實驗參數(shù)量熱系數(shù)熱容量E J·1試樣質(zhì)量 g點火絲原樣 g殘余點火絲重 g貝克曼溫度計基點溫度所對應(yīng)的標準露出柱溫度 貝克曼溫度計基點溫度下對應(yīng)于的標準露出柱溫度的平均分度值 初期溫度 終期溫度 點火溫度 貝克曼溫度

19、計孔徑校正值 熱量計的冷卻常數(shù) min1消耗的0.1mol·L1NaOH溶液體積 ml熱量計的綜合常數(shù) ·min12彈筒發(fā)熱量計算 （1）式中 貝殼曼溫度計的平均分度值； 量熱系統(tǒng)的熱容量（儀器常數(shù)）； 點火絲產(chǎn)生熱量，J； （點火絲原重殘余點火絲質(zhì)量）×所用點火絲發(fā)熱量各種點火絲的發(fā)熱量如下表所示：絲的種類鐵絲銅絲鉑絲鎳鉻絲棉絲發(fā)熱量/（J/g）67002510427140017500添加物產(chǎn)生熱量，；冷卻校正值，； 由點火到終點的時間；當時，；當時， ；總溫升（）；/140” 點火后140”的溫升（）。初期內(nèi)筒溫度下降速度：終期內(nèi)筒溫度下降速度：3恒容高位發(fā)熱

20、量計算式中 由彈筒洗液測得的煤的含硫量，； C氫氧化鈉溶液的當量濃度，N；V滴定消耗的氫氧化鈉溶液的體積，ml；a硝酸校正系數(shù)， 當時，；當時，；當時，。4恒容低位發(fā)熱量計算 （2）式中 收到基的低位發(fā)熱量，J·g1； 恒容高位發(fā)熱量，J·g1； 收到基全水分，； 空氣干燥基水分，； 空氣干燥的氫含量，。由彈筒發(fā)熱量算出的高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量都屬于恒容狀態(tài)。在實際工業(yè)燃燒中則是恒壓狀態(tài)，嚴格的講，工業(yè)計算中應(yīng)使用恒壓低位發(fā)熱量。恒壓低位發(fā)熱量計算如下： （3）式中 收到基恒壓低位發(fā)熱量，J·g1； 空氣干燥的氫含量，；空氣干燥基氧含量，。六、思考題 1.什么是煤

21、的熱值？測定煤的熱值有何意義？2.通過實驗，歸納一下點火失敗的原因有哪些？3.煤的工業(yè)分析與氧彈法測定煤的發(fā)熱量，熱量值有何區(qū)別？實驗三、材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定(穩(wěn)態(tài)球壁導(dǎo)熱測定法) 在現(xiàn)代建筑物中，為了保護生態(tài)環(huán)境，節(jié)約能源，需要大量具有隔熱、保溫等功能的無機非金屬材料，這些材料具有一系列的熱物理特性。為了合理地使用與選擇有關(guān)的功能材料，需要用其熱物理特性進行熱工計算。所以，了解和測定材料的熱物理特性是十分重要的。材料的熱物理參數(shù)有熱導(dǎo)率、導(dǎo)溫系數(shù)、比熱容等。測定方法有穩(wěn)定熱流法和非穩(wěn)定熱流法兩大類。每大類中又有多種測定方法。本實驗用穩(wěn)定熱流法中的球體法進行測定。一、實驗?zāi)康囊饬x在現(xiàn)代工程中，測

22、定材料熱導(dǎo)率的穩(wěn)定態(tài)熱流方法以其原理簡單、計算方便而被廣泛應(yīng)用。球壁導(dǎo)熱儀即為其中的方法之一。主要用于測定粉狀、顆粒狀、纖維狀干燥材料在不同填充密度下的熱導(dǎo)率。本實驗的目的： 加深對穩(wěn)定導(dǎo)熱過程基本理論的理解，建立維度與坐標選擇的關(guān)系； 掌握用球壁導(dǎo)熱儀測定絕熱材料熱導(dǎo)率的方法和技能圓球法； 確定材料熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系； 學(xué)會根據(jù)材料的熱導(dǎo)率判斷其導(dǎo)熱能力并進行導(dǎo)熱計算。二、基本原理導(dǎo)熱率是表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物性參數(shù)。一般地，不同材料的熱導(dǎo)率相差很大，其中金屬的熱導(dǎo)率在2.3417.6W·m-1·K-1范圍內(nèi)，建筑材料的熱導(dǎo)率在0.162.2W·m-1·

23、K-1之間，液體的熱導(dǎo)率波動于0.0930.7W·m-l·K-1之間，而氣體的熱導(dǎo)率則最小，在0.00580.58W·m-1·K-1范圍內(nèi)。即使是同一種材料，其熱導(dǎo)率還隨溫度、壓強、濕度、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和密度等因素而變化。各種材料的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)均可從有關(guān)資料或手冊中查到，但由于具體條件如溫度、結(jié)構(gòu)、濕度和壓強等條件的不同，這些數(shù)據(jù)往往與實際使用情況有出入，需進行修正。熱導(dǎo)率低于0.22W·m-1·K-1的一些固體材料稱為絕熱材料，由于它們具有多孔結(jié)構(gòu)，傳熱過程是固體和孔隙的復(fù)雜傳熱過程，其機理復(fù)雜。為了工程計算的方便，常常把整個過程當作單純的

24、導(dǎo)熱過程處理。 圓球法測定絕熱材料的熱導(dǎo)率是以同心球壁穩(wěn)定導(dǎo)熱規(guī)律作為基礎(chǔ)。在球坐標中，考慮到溫度僅隨半徑r而變，故是一維穩(wěn)定溫度場導(dǎo)熱。實驗時，在直徑為dl和d2的兩個同心圓球的圓殼之間均勻地填充被測材料(可為粉狀、粒狀或纖維狀)，在內(nèi)球中則裝有球形電爐加熱器。當加熱時間足夠長時，球壁導(dǎo)熱儀將達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)外壁面溫度分別恒為T1和T2 。根據(jù)這種狀態(tài)，可以推導(dǎo)出熱導(dǎo)率的計算公式。根據(jù)傅立葉定理，經(jīng)過物體的熱流量有如下的關(guān)系： （1）式中 Q 單位時間內(nèi)通過球面的熱流量，W ； 絕熱材料在平均溫度tm=(t1 +t2)/2時的熱導(dǎo)率，W·m-1·K； 溫度梯度，K

25、83;m-1； A球面面積，m2。對(1)式進行分離變量，并根據(jù)上述條件取定積分得： （2）其中，r1、r2：分別為內(nèi)球外半徑和外球內(nèi)半徑。積分得 （3）其中，Q為球形電爐提供的熱量。只要測出該熱量，即可計算出所測隔熱材料的熱導(dǎo)率。事實上，由于給出的是隔熱材料在平均溫度時的熱導(dǎo)率。因此，在實驗中只要保持溫度場穩(wěn)定（采用恒溫水?。瑴y出球徑d1和d2，熱量Q以及內(nèi)外球面溫度即可計算出平均溫度tm下隔熱材料的熱導(dǎo)率。改變t1和t2，則可得到熱導(dǎo)率與溫度（-）的關(guān)系曲線。三、實驗裝置圖1 球壁導(dǎo)熱儀實驗裝置1 內(nèi)球殼；2外球殼；3電加熱器；4熱電偶熱端；5轉(zhuǎn)換開關(guān)；6熱電偶冷端；7電位差計；8調(diào)壓器

26、；9電壓表；10電流表；11絕熱材料(1) 球壁導(dǎo)熱儀:實驗裝置如圖1所示。主要部件是兩個銅制同心球殼l、2，球殼之間均勻填充被測隔熱材料，內(nèi)殼中裝有電熱絲繞成的球形電爐加熱器3。(2) 熱電偶測溫系統(tǒng):銅-康銅熱電偶兩支(測外殼壁溫度)，鎳鉻-鎳鋁熱電偶兩支（測內(nèi)殼壁溫度)；均焊接在殼壁上。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)將熱電偶信號傳遞到電位差計，由電位差計檢測出內(nèi)外壁溫度。 (3) 電加熱系統(tǒng):外界電源通過穩(wěn)壓器后輸出穩(wěn)壓電源，經(jīng)調(diào)壓器供給球形電爐加熱器一個恒定的功率。用電流表和電壓表分別測量通過加熱器的電流和電壓。四、測試步驟 將被測絕熱材料放置在烘箱中干燥，然后均勻地裝入球殼的夾層之中。 按圖1安裝儀器

27、儀表并連接導(dǎo)線，注意確保球體嚴格同心。檢查連線無誤后通電，使測試儀溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)（約34h）。 用溫度計測出熱電偶冷端的溫度t0 。 每間隔510min測定一組溫度數(shù)據(jù)。讀數(shù)應(yīng)保證對應(yīng)點的溫度不隨時間變化（實驗中以電位差計顯示變化小于0.02mV為準），溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時再記錄。分別將內(nèi)外球面的測定值取平均值，進行內(nèi)外球面溫度的查表計算，求出熱導(dǎo)率。 測定并繪制絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)和量度之間的關(guān)系。 關(guān)閉電源，結(jié)束實驗。 五、數(shù)據(jù)處理1測定數(shù)據(jù)記錄將有關(guān)原始數(shù)據(jù)和測定結(jié)果記入表1中。表1 測定數(shù)據(jù)記錄被測材料名稱冷端溫度=冷端電勢=功率Q/W= W/mV的平均值/mV/mV溫度/內(nèi)球表面熱電偶

28、的熱電勢E內(nèi)/mV1= 23外球表面熱電偶的熱電勢E外/mV4= 56內(nèi)球半徑= cm外球半徑= cm2絕熱材料熱導(dǎo)率的計算（1）平均溫度的校正根據(jù)冷端溫度t0及測點平均溫度t，可查得冷端電勢E(t0，0)，結(jié)合原始數(shù)據(jù)中各測點的平均電勢E(t，t0)，即可由下式求得E(t，0)：式中 t測點平均溫度，； to冷端溫度，； E熱電勢，mV。 再由E(t，0)值可查得測點溫度t1、t2。（2）電加熱器發(fā)熱量計算： 式中 Q單位時間內(nèi)發(fā)熱量，W； V電加熱器電壓，V； I電加熱器電流，A。（3）絕熱材料的熱導(dǎo)率計算 用(3)式計算材料的熱導(dǎo)率。3確定被測材料熱導(dǎo)率和溫度的關(guān)系，并繪制出t曲線由于此

29、實驗達到熱穩(wěn)定所需時間較長，無法在一個單元時間內(nèi)進行不同溫度下的多組測量，現(xiàn)將實驗室在不同溫度下的實測結(jié)果列于下表，請完成計算，將結(jié)果列入表中，并畫出t曲線。在球壁導(dǎo)熱儀的夾層中均勻地裝人已烘干的玻璃纖維，內(nèi)球外徑d1=105mm，外球內(nèi)徑d2=151mm。實測數(shù)據(jù)如表2。表2 絕熱材料熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)測量序號內(nèi)球壁的平均熱電勢/mV外球壁的平均熱電勢/mV室溫/內(nèi)球壁溫/外球壁溫/電流/A電壓/V平均溫度/熱導(dǎo)率/W·m-1·K-113.991.15824.80.7815.824.231.08223.50.8116.0534.231.08325.00.8216.0544.571

30、.18125.00.8517.155.451.15922.00.9418.566.011.62219.01.0420.276.431.55423.51.1121.587.171.88123.51.1823.097.662.01023.51.2224.1107.762.12223.51.2324.4118.002.22723.51.3025.3128.972.38123.51.3727.5注：內(nèi)球熱電偶鎳鉻鎳鋁熱電偶；外球熱電偶銅康銅熱電偶。六、思考題1.熱量的傳遞過程有哪幾種？并舉例說明。2.材料熱導(dǎo)率的大小與哪些因素有關(guān)？3.在工程中，如何衡量散熱損失的大?。繉嶒炈?、雷諾實驗一、實驗?zāi)恳饬x雷

31、諾實驗是1883年奧斯本雷諾（Osborne Reynolds）所作的著名的實驗。通過本實驗，對流體在管內(nèi)流動的兩大狀態(tài)層流和紊流加深認識和理解，學(xué)習(xí)和掌握流體力學(xué)實驗技術(shù)的基本操作技能。實驗?zāi)康模?. 掌握轉(zhuǎn)子流量計的標定方法；2. 掌握臨界雷諾數(shù)的測定方法。二、實驗原理流體在管內(nèi)運動，在不同雷諾數(shù)下呈現(xiàn)不同的流動狀態(tài)層流和紊流。雷諾揭示了重要的流體流動機理，即根據(jù)流速的大小,流體有兩種不同的形態(tài)。當流體流速較小時，流體質(zhì)點只沿流動方向作一維的運動，與其周圍的流體間無宏觀的混合即分層流動這種流動形態(tài)稱層流或滯流。流體流速增大大于某個值后，流體質(zhì)點除流動方向上的流動外，還向其它方向作隨機的運動

32、，即存在流體質(zhì)點的不規(guī)則的脈動，這種流體形態(tài)稱湍流。三、實驗裝置：圖1 雷諾實驗裝置示意圖四、實驗內(nèi)容本實驗內(nèi)容包括：轉(zhuǎn)子流量計的標定；上臨界雷諾數(shù)的測定；下臨界雷諾數(shù)的測定。五、實驗方法與步驟1轉(zhuǎn)子流量計的標定：1) 打開流量控制閥，待流量計的讀數(shù)穩(wěn)定。2) 流量計的讀數(shù)穩(wěn)定后，打開量筒的放水閥，放空量筒內(nèi)的水。3) 關(guān)閉量筒的放水閥，觀察量筒的水位計，并記下量筒的初始讀數(shù)，同時開始計時。4) 待量筒水位計水位到達滿水位時，終止計時，并記錄量筒水位從初始讀數(shù)到達終止?jié)M水位的時間，同時記下滿水位的讀數(shù)。5) 調(diào)節(jié)控制閥從小流量到大流量選擇均勻分布的17點，重復(fù)上述步驟，然后再從大流量到小流量選

33、擇57個點，重復(fù)上述步驟。6) 關(guān)閉流量控制閥。2上臨界雷諾數(shù)的測定：1) 打開流量控制閥，將流量控制在較小流量下，待轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)穩(wěn)定。2) 逐漸打開紅墨水控制閥，并調(diào)節(jié)紅墨水的流量，使針形管紅墨水的出流速度與當?shù)亓魉僖恢拢ㄒ恢潞髧姵龅募t墨水為粗細均勻的紅線）。3) 穩(wěn)定后，觀察紅墨水色線狀況，記錄下轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)，在記錄紙上描繪出色線形狀。4) 以較小的步長，逐漸開大流量，重復(fù)上述步驟，直至紅墨水色線形狀完全消失，流動從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌?下臨界雷諾數(shù)的測定： 1) 打開流量控制閥，將流量控制在較大流量下，待轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)穩(wěn)定。 2) 逐漸打開紅墨水控制閥，并調(diào)節(jié)紅墨水的流量，使針形管紅墨水

34、的出流速度與當?shù)亓魉僖恢?一致后噴出的紅墨水為粗細均勻的紅線)3) 穩(wěn)定后，觀察紅墨水色線狀況，記錄下轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)，在記錄紙上描繪出色線形狀4) 以較小的步長，逐漸關(guān)小流量，重復(fù)上述步驟，直至紅墨水色線形狀恢復(fù)為均勻的直線。六、實驗數(shù)據(jù)整理1) 將轉(zhuǎn)子流量計標定的數(shù)據(jù)整理成坐標曲線，縱坐標為標定流量，橫坐標為轉(zhuǎn)子流量的讀數(shù)；2) 在觀察特定臨界雷諾數(shù)時，將轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)有標定曲線轉(zhuǎn)換為真實流量；3) 由真實流量與觀察段的橫截面積。算出管內(nèi)流速，查出水的物性算出各個觀察點的雷諾數(shù)；4) 找出流動狀態(tài)上行時（下行時）從層流（紊流）向素流（層流）轉(zhuǎn)變時的雷諾數(shù)，此雷諾數(shù)即為上臨界雷諾數(shù)（下臨界雷

35、諾數(shù)）。七、思考題1什么是雷諾數(shù)？說明其物理意義？2解釋什么是層流、紊流以及過渡流？3簡述影響管內(nèi)流動狀態(tài)的因素? 實驗五、伯努利方程實驗一、實驗?zāi)康模?1驗證流體靜壓原理； 2通過觀察流體在管道中的運動規(guī)律，加深對伯努利方程的理解； 3驗證管道流動中，摩擦損失與流速平方成正比的關(guān)系； 4驗證畢托管的測速原理。二、實驗原理：1在流體靜止時，等壓面是水平面，自由液面也是水平面。在重力勢函數(shù)的微分時，有，即等壓與等高程同時存在。2對于一個恒定的不可壓縮管流，在流動方向上的兩個漸變流段，流體的能量關(guān)系由伯努利方程給出：3管道內(nèi)的摩擦損失與流體流速的關(guān)系服從達西公式：4畢托管能測量出來滯止點（全壓）和

36、管側(cè)點（靜壓）之壓力差，于是測點流速可由下式確定： 式中，畢托管校正系數(shù)，近似等于1。三、實驗裝置 伯努利方程儀由玻璃管、活動測頭、測壓管、上水槽和循環(huán)水泵等部分組成?；顒訙y頭的小管端部封閉，管身開有小孔。小孔中心位置與玻璃管中心平齊，小管與玻璃測壓管相通，用小扳手轉(zhuǎn)動活動測頭，就可以測量流體的靜動壓水頭。由于玻璃管前后直徑不同（管道直徑經(jīng)測量標注在管段上），位置也有高低，測點有前有后，可以十分方便地測量出不同流速下不同管段的位能、壓力能和動能的數(shù)值，去驗證伯努利方程的結(jié)論。實驗裝置圖附后。四、實驗方法：1測點靜壓水頭的測量： 開動循環(huán)水泵，將出口閥門A關(guān)閉，這時觀察各測壓管內(nèi)自由液面的高度，

37、記錄在表格中。觀察在轉(zhuǎn)動活動測頭時，自由液面有無變化。如果發(fā)現(xiàn)各測點自由液面高度不相等，或者發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動活動測頭時自由液面發(fā)生變化，應(yīng)試圖找出產(chǎn)生誤差的原因，并作出記錄。各測點靜壓水頭的數(shù)據(jù)記錄在表1中。2驗證摩擦損失與流速平方成正比（達西公式）： 使各測頭的小孔對準來流方向，然后打開出口閥門A（不全開，保持小流量）。這時測壓管液位代表各測點的總壓力水頭，記下各測點總壓力水頭數(shù)值；與此同時，用量筒（大于1000m1）和秒表來標定管道中流體的流量，記錄在表2中。繼續(xù)開大閥門A，使流量增加，記錄下各測點的總壓力水頭數(shù)值；并用同樣方法標定在此閥門開度下的流體流量值，記錄在表2中。 標定流量的方法如下圖：

38、轉(zhuǎn)動彎頭，計時開始 計時結(jié)束，彎頭復(fù)原3驗證伯努利方程：重復(fù)上面的實驗步驟，在每一個流量（一樣要進行流量標定）工況下，不但測量各個測點的總壓力水頭（活動測頭小孔向著來流方向），還應(yīng)測量各個測點的靜壓水頭（活動測頭的小孔垂直與來流方向），與此同時記錄各個測點的中心高度z ，記錄各個測點的玻璃管內(nèi)徑。將以上數(shù)據(jù)記錄在表3中。根據(jù)標定的流量計算各個測點的平均流速，計算各個測點的機械能總和，驗證伯努利方程。4驗證畢托管原理： 將以上表3中各個測點的動壓實驗數(shù)據(jù)代入畢托管速度計算式中，計算各個測點管道中心線上的線速度。五、數(shù)據(jù)整理表 1測點編號1234靜止水頭（m）表 2測點編號計算項目1234標定流量

39、Q（m3/s）損失水頭h（mH2O）全壓水頭（mH2O）平均流速（m/s）全壓水頭（mH2O）平均流速（m/s） 表 3 數(shù)據(jù)組序號測點編號計算項目1234標定流量Q（m3/s）備注管段內(nèi)徑（m）全壓水頭（mH2O）靜壓水頭（mH2O）位壓水頭（mH2O）動壓水頭（mH2O）畢托管中心線速度（m/s）實測管段平均流速(m/s)機械能頭（mH2O）全壓水頭（mH2O）靜壓水頭（mH2O）位壓水頭（mH2O）動壓水頭（mH2O）畢托管中心線速度（m/s）實測管段平均流速(m/s)機械能頭（mH2O）七、思考題1.說明伯努利方程中各個物理量的意義。2.試述流體流過管道時各種能量是如何變化的？附：伯努

40、利方程儀實驗六、風(fēng)機性能曲線實驗一、實驗?zāi)康囊饬x1. 熟悉風(fēng)機結(jié)構(gòu)及其性能測定原理2. 掌握風(fēng)機性能曲線的測定方法3. 通過實驗測得風(fēng)機的氣動性能曲線二、實驗儀器圖1為風(fēng)機氣動性能曲線實驗臺示意圖，主要由四部分組成。1集流器；2節(jié)流網(wǎng)；3測壓孔；4整流柵；5風(fēng)管；6接頭；7被測風(fēng)機；8聯(lián)接軸；9測功電機；10測矩力臂；11斜管測壓板；12聯(lián)通管；13支架圖1 風(fēng)機氣動性能曲線實驗臺1. 試驗風(fēng)管風(fēng)管進風(fēng)口為錐形集流器，在集流器的一個斷面上，設(shè)有四個測壓孔（互成90º），用四根橡膠管接到一聯(lián)通管，再用一根橡膠管由聯(lián)通管接到U型測壓板的一個測壓管上，用以測算出進入風(fēng)機的空氣流量。風(fēng)管內(nèi)裝

41、有節(jié)流網(wǎng)和整流柵。節(jié)流網(wǎng)可以用來調(diào)節(jié)空氣流量（可用小硬紙片吸附在網(wǎng)上以減小通風(fēng)面積），而整流柵可起到使流入風(fēng)機氣流均勻的作用。在距風(fēng)管進口遠處的風(fēng)管斷面上也設(shè)有四個測壓孔（互成90º），同樣用四根橡膠管接到另一個聯(lián)通管，再用一根橡膠管由聯(lián)通管接到U型測壓板的另一個測壓管上，用以測量進口風(fēng)管壓力。2. 被測風(fēng)機包括進風(fēng)口、葉輪和渦殼。風(fēng)機的進風(fēng)口用法蘭與試驗風(fēng)管的接頭相聯(lián)接。3. 測功電機測功電機，實質(zhì)上也就是風(fēng)機的驅(qū)動電機。為了測試要求，其轉(zhuǎn)子軸通過聯(lián)軸節(jié)與風(fēng)機葉輪的軸相聯(lián)接，而電機的定子（聯(lián)同其外殼）是懸浮的，并在定子外殼上設(shè)置測距（測電機的轉(zhuǎn)動扭矩）力臂，當電機運轉(zhuǎn)時，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)

42、動，力臂保持平衡，通過傳感器可測算出風(fēng)機的輸入軸功率。4. 實驗臺支架支架由兩部分組成。利用鐵箍式支座將一段風(fēng)管水平地固定在一節(jié)支架上；另一段風(fēng)管和風(fēng)機及測功電機固定在另一個支架上，兩節(jié)支架用螺栓固接在儀器。實驗臺采用進氣實驗方法。實驗臺在一定工況下（利用在節(jié)流網(wǎng)上加紙片來調(diào)節(jié)流量）運行時，空氣流經(jīng)風(fēng)管，進入風(fēng)機，被葉輪抽出風(fēng)機出口。在此過程中，在集流器上測出集流器負壓；在離風(fēng)機進口遠處測定進口風(fēng)管壓力；同時，在測功電機上測定測矩力臂的平衡扭矩T和電機轉(zhuǎn)速。測得了上述、T和等四個實驗數(shù)據(jù)以后，再利用已知的實驗臺原始參數(shù)和測試環(huán)境參數(shù)，通過它們之間的關(guān)系式，就可以計算出該工況下的其它所需要的風(fēng)機

43、參量。三、實驗步驟1. 準備工作 1）U型測壓板的聯(lián)接與調(diào)整 將測集流器負壓的連通管測壓口用橡膠管與U型測壓板上的測壓玻璃管的測壓口相聯(lián)接，用醫(yī)用注射器緩慢地將蒸餾水注入U型測壓板內(nèi)，然后，捏緊、放開并抖動通向測壓管的橡皮管，使管路里的空氣排出，這樣重復(fù)多次，直至玻璃管中的液面穩(wěn)定不變?yōu)橹埂?將測進口風(fēng)管壓力的聯(lián)通測壓口用橡皮管與U型測壓板上的測壓玻璃管的測壓口相聯(lián)接，用上述方法將蒸餾水注入相應(yīng)的U型測壓板內(nèi)，并將測壓玻璃管內(nèi)的液面調(diào)整到穩(wěn)定不變?yōu)橹?。測試時，量測壓管的讀數(shù)。2）準備好用來調(diào)節(jié)流量的圓紙片（要求較厚的紙片），其直徑以2025mm為宜，數(shù)量應(yīng)能滿足全部封閉節(jié)流網(wǎng)。3）啟動電機，使

44、實驗臺予運轉(zhuǎn)，使力臂基本平衡。運轉(zhuǎn)10分鐘左右，待其基本穩(wěn)定后，即可進行測試。 2. 進行測試 1）在上述予運行后，即可進行第一工況（即全開工況）下的測試。記下U型測壓板兩個測壓管上的讀數(shù)和；同時，測定電機轉(zhuǎn)速和記下測距力臂上的平衡扭矩T。并記下測試環(huán)境的大氣壓力和溫度。 2）進行其它幾個工況的測試。在節(jié)流網(wǎng)上均勻?qū)ΨQ地加上一定量的小圓紙片來調(diào)節(jié)進風(fēng)量，以改變風(fēng)機工況。應(yīng)注意！在大流量時，加紙片要快，以免當手伸進風(fēng)管時，引起突然大面積堵塞，致使測壓板測壓管中的蒸餾水吸出玻璃管而進入橡膠管內(nèi)。每調(diào)節(jié)一次風(fēng)量，即改變一次工況（一般取10個工況，包括全開與全閉），每一工況下，全面進行一次測試，即測量

45、、T和，以及大氣壓力和現(xiàn)場溫度。最后一個工況（即全閉工況）測試時，用紙片或大張紙將節(jié)流網(wǎng)全部堵死，使0。 3）測定了不同工況下的上述實驗數(shù)據(jù)以后，利用已知的實驗臺原始參數(shù)和試驗環(huán)境參數(shù)，通過它們之間的關(guān)系式，就可計算出各個工況下的風(fēng)機工作參量：流量、全壓、風(fēng)機靜壓、功率、全壓內(nèi)效率和靜壓內(nèi)效率，進而，就可以繪出風(fēng)機氣動特性曲線數(shù)。四、實驗數(shù)據(jù)記錄與整理1. 實驗數(shù)據(jù)記錄表1 實驗臺的原始參數(shù)記錄風(fēng)管直徑DIP0.28m集流器直徑dn=0.2m 集流器流量系數(shù)n=0.96風(fēng)管常數(shù)l =3 DIP風(fēng)機進口直徑D1=0.28m風(fēng)機出口面積A2 = a × b = m2 所載平衡扭矩T= N

46、·m大氣壓力Pa = MPa大氣溫度t = 表2 風(fēng)機性能測定實驗記錄序號名 稱符號單 位計算公式或來源測 試 工 況 (10組)12101進口風(fēng)管壓力Pa測 得2集流器負壓Pa測 得3平衡扭矩TN·m測 得4轉(zhuǎn) 速rpm測 得5大氣密度kg/m36進氣壓力Pa7進氣密度kg/m38流 量Qm3/min9進口動壓Pa10進口靜壓Pa11出口動壓Pa12風(fēng)機動壓Pa13風(fēng)機靜壓Pa14風(fēng)機全壓Pa15輸入軸功率KW16全壓內(nèi)效率17靜壓內(nèi)效率2. 實驗數(shù)據(jù)整理計算及繪圖將實驗測定數(shù)據(jù)填入表2 中，計算各工況下的其他參數(shù)值并填入其中。然后繪制風(fēng)機氣動性能曲線。風(fēng)機氣動特性曲線五

47、、思考題1. 測定某一斷面上的壓力時，為什么要采用四個互成90º的測壓孔來進行？2. 為什么在大流量時，實驗過程中加紙片的速度要快？若慢了會有什么結(jié)果？3. 若離心風(fēng)機的進風(fēng)口被堵住，其功耗變大還是變小？實驗七、流體力學(xué)綜合阻力實驗A實驗前介紹 雙臺綜合阻力實驗臺（圖1）為流體力學(xué)綜合性多用途教學(xué)實驗裝置。為雙臺型，可供兩組學(xué)生同時進行實驗。利用本裝置可進行下列實驗： 1沿程阻力實驗 2局部（閥門）阻力實驗 3孔板流量計流量系數(shù)測定實驗 4文丘里流量計流量系數(shù)測定實驗 實驗裝置實驗臺的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。它主要由沿程阻力實驗管路1、局部（閥門）阻力實驗管路2、孔板流量計實驗管路3和文丘里流量計實驗管路4等四路實驗管所組成，并有水泵及其驅(qū)動電機5，塑料儲水箱6，有機玻璃回水水箱及計量水箱7（實測流量時用）、壓差顯示板8（圖中未示出）和一些閘門組成的實