課程：工程熱力學
日期：2013.12.11
一、實驗目的
1. 鞏固課堂教學中講授的工質熱力學工質物理性質及其狀態變化規律。
2. 加深理解熱力學第
一、第二定律等基本理論。
3. 學習供熱系統試驗台的基本原理和使用方法。
二、實驗原理
現以能源裝置鍋爐熱力系統中水受熱、汽化的熱力過程為例，闡述熱力學的基本理論和定律。
由於水的密度比汽水混合物的大，利用這種密度差所產生的水和汽水混合物的迴圈流動，叫做自然迴圈。如圖1所示，水自鍋筒進入不受熱的下降管，然後經下集箱進入布置於爐內的上公升管；在上公升管中受熱後部分水汽化，汽水混合物則由於密度較小向上流動輸回鍋筒，如此形成了水的自然迴圈流動。任何一台蒸汽鍋爐的蒸發受熱面，都是由這樣的若干個自然迴圈迴路所組成。
圖1 能源裝置的蒸發受熱面自然迴圈迴路示意圖
1-鍋筒、2-集箱、3-下降管和4-上公升管
迴路中，由鍋筒進入下降管的水不一定達到飽和溫度，所以上公升管下端區段為加熱水。上公升管內的水在向上流動的過程中，一邊受熱一邊減壓，當到達汽化點q時，水溫等於該點壓力下的飽和溫度，開始沸騰汽化。在q點以後，壓力繼續降低，汽化更劇烈，工質中含汽量隨上公升流動愈來愈多。
因此，q點以後的這段，是上公升管的含汽區段，即汽水混合物區段。經歷這樣的迴圈之後，完成了水受熱、汽化的熱力過程。在這一過程中，工質吸收的熱量全被用來增加系統的熱力學能。
迴圈迴路的總高度h即為加熱水區段和含汽區段之和，即
m1)三、實驗儀器與裝置
供熱系統試驗台。
圖2 供熱系統試驗台的結構簡圖（略）
四、實驗步驟
1. 掌握供熱系統試驗台的基本結構，了解燃料燃燒、煙氣向水傳熱和水受熱、汽化三個熱力過程，重點掌握水受熱、汽化熱力過程。
2. 分別以空氣、煙氣、水蒸汽三種工質為例，對三者在熱力過程中進行的能量與熱量的守恆轉換進行分析，從而更加深刻地掌握熱力學基本定律。
3．水受熱和汽化的熱力過程
即蒸汽的生產過程，主要包括水迴圈和汽水分離過程。經過水處理的鍋爐給水是由水幫浦加壓，先流經省煤器而得到預熱，然後進入汽鍋。鍋爐工作時，汽鍋中的工質是處於飽和狀態下的汽水混合物。
位於煙溫較低區段的對流管束，因受熱較弱，汽水工質的密度較大；而位於煙氣高溫區的水冷壁和對流管束，因受熱強烈，相應地工質的密度較小，從而密度大的工質往下流入下鍋筒，密度小的向上流入上鍋筒，形成了鍋水的自然迴圈。
此外，為了組織水迴圈和進行輸導分配的需要，一般還設有置於爐牆外的不受熱的下降管，藉以將工質引入水冷壁的下集箱，再通過上集箱上的汽水引出管將汽水混合物匯入上鍋筒。
借助上鍋筒內裝設的汽水分離裝置，以及在鍋筒本身空間中的重力分離作用，使汽水混合物得到了分離；蒸汽在上鍋筒頂部引出後進入蒸汽過熱器，分離下來的水仍回落到上鍋筒的下半部水空間。
五、資料處理
在水迴圈穩定流動的狀態下，作用於圖1中集箱a_a截面兩邊的力平衡相等。假設此迴路中沒有裝置汽水分離器；區段加熱水的密度和下降管中的水一樣，都近似等於鍋筒中蒸汽壓力下的飽和水密度，則a-a截面兩邊作用力相等的表示式可寫為
pa (2)
式中 ——鍋筒中蒸汽壓力，pa；
下降管和加熱水區段飽和水的密度，kg／m。；
——上公升管含汽區段中汽水混合物的平均密度，kg／m。；
、——分別為下降管系統和上公升管系統的流動阻力，pa。
六、結果分析
pa3)
上式左邊是下降管和上公升管中工質密度差引起的壓頭差，也就是自然迴圈迴路的推動力，稱為水迴圈的運動壓頭。等式的右邊，恰好是迴圈迴路的流動總阻力。這樣，此式的物理意義十分明確：
當迴路中水迴圈處於穩定流動時，水迴圈的運動壓頭等於整個迴圈迴路的流動阻力。
七、心得
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