氣體定壓比熱容測量實驗教學系統(tǒng)開發(fā)

辛 喆，何志祝，李淑艷，魏 青，江秋博，劉志穎，王東澤，李 輝

氣體定壓比熱容測量實驗教學系統(tǒng)開發(fā)

辛 喆1，何志祝1，李淑艷1，魏 青1，江秋博1，劉志穎2，王東澤2，李 輝2

（1. 中國農業(yè)大學 工學院，北京 100083；2. 清華大學 動力工程及工程熱物理國家級實驗教學示范中心，北京 100084）

為了滿足大學工程熱力學課程的實驗教學要求，針對傳統(tǒng)實驗裝置因加熱溫差范圍過大而導致實驗結果不準確的問題，設計開發(fā)了一套新型氣體定壓比熱容測定實驗系統(tǒng)。設計的新型氣體定壓比熱容測定實驗系統(tǒng)通過結合預熱段、保溫、兩次測量算法改進等方式，使實驗結果更加準確可靠，真實地反映了實驗原理，具有較高的精度，完全滿足本科研究性實驗教學要求。

氣體定壓比熱容；實驗系統(tǒng)；實驗教學

在大學工程熱力學課程的實驗教學中，氣體比熱測量一般采用穩(wěn)定流動法，原理是在實驗段中用電加熱絲加熱流動的氣體，測量氣體進出口的溫升，進而求得氣體在平均溫度下的比熱容[1-9]。比熱容的測量誤差主要來源于進出口溫度測量誤差、加熱器功率測量誤差、氣體流量測量誤差、濕空氣中水蒸氣吸熱引起的誤差和實驗段向環(huán)境散熱引起的誤差。目前常見的實驗教學裝置均缺乏合理的保溫措施，實驗段向環(huán)境散熱引起的誤差十分明顯，且隨著溫度升高而明顯增大，可達20%~30%[10-14]。然而，空氣的氣體比熱容隨溫度的變化十分微弱，從0 ℃到300 ℃僅增大了3.9%，遠遠小于散熱引起的實驗誤差，常見的實驗教學裝置無法合理地表現(xiàn)出不同溫度下的空氣比熱容變化規(guī)律，其實驗結果可能使得學生產(chǎn)生誤解。為此，本文提出了改進措施以降低散熱引起的實驗誤差，盡可能反映出真實合理的實驗規(guī)律。

1 實驗裝置

氣體比熱容測量的實驗裝置由風機、流量計、濕度傳感器、壓力變送器、溫度傳感器、預熱段、實驗段，及控制采集系統(tǒng)組成，實驗裝置如圖1所示。裝置中采用直流離心風機作為氣源設備，高精度質量流量計測定氣流流量，壓力變送器測定進氣壓力，濕度傳感器測定空氣濕度，各項數(shù)據(jù)均可通過采集系統(tǒng)實時采集到上位機。實驗段（圖2）由內壁鍍銀的4層杜瓦瓶、加熱器、旋流片、混流網(wǎng)及進出口溫度傳感器（PT100）組成。氣體自進口管引入，進口溫度傳感器測量其初始溫度，氣體首先通過預熱器被加熱到指定溫度，然后再通過實驗段的電加熱器，測量實驗段的進出口溫度，加熱器的加熱功率，氣體質量流量，可計算出氣體的定壓比熱容。預熱器的設計使得實驗段的進口溫度可控，加熱器始終只將氣體溫度升高5~10 ℃，解決了傳統(tǒng)實驗裝置加熱溫差范圍較大的問題。該比熱儀可測300 ℃以下氣體的定壓比熱容。

圖1 實驗裝置

圖2 實驗段結構

溫度測量采用Pt100溫度傳感器，測量誤差為±0.1 ℃，進出口溫差如果為10 ℃，由溫度引起的誤差不超過1%；加熱功率由直流穩(wěn)壓電源測量，電壓和電流的測量精度優(yōu)于0.1%，所以加熱功率的測量誤差小于0.1%，可忽略不計；氣體質量流量計測量誤差約2%。綜上，由進出口溫度、加熱功率和流量引起的測量誤差約為3%。

實驗過程中，實驗段內的熱空氣與環(huán)境間存在散熱，導致氣體出口溫度比理想狀態(tài)下要低，氣體的實驗比熱容比理想比熱容數(shù)值高；而且隨著氣體被加熱的溫度越高，氣體的實驗比熱容與理想比熱容的偏差越大。此外，多層真空杜瓦瓶的內壁也有一定的熱容量，在整個實驗段達到穩(wěn)態(tài)前一直會吸收實驗段中氣體的熱量，增加了平衡時間，有可能高于1 h。

為了提升杜瓦瓶的絕熱效果，在杜瓦瓶外側均勻纏繞加熱絲，并在加熱絲外側纏繞耐高溫保溫材料，在加熱絲層安裝溫度傳感器進行溫度控制，確保杜瓦瓶的溫度與氣體進口溫度相同（圖2）。進入杜瓦瓶的氣體先通過預熱器提升到實驗要求的溫度，同時杜瓦瓶的表面溫度也提升到實驗要求溫度，氣體的進口溫度與杜瓦瓶的溫度相同，就大幅降低了氣體向杜瓦瓶及環(huán)境的散熱。

2 實驗原理

2.1 算法改進前

假定在0~300 ℃之間，空氣定壓比熱容與溫度之間進似地有線性關系：

圖3 定壓比熱容隨溫度變化曲線

2.2 算法改進后

盡管本實驗裝置已經(jīng)做了充分的保溫措施，但仍然不可避免地存在微小的對環(huán)境的散熱，為了使實驗裝置能夠準確分辨出0 ℃~300 ℃的空氣定壓比熱容變化，這部分微小散熱不能直接忽略不計。為此，通過不開實驗段加熱器和開實驗段加熱器，前后兩次測量進出口溫差相對比，以消除給定溫度下的實驗裝置對外的散熱量影響。

通過上述的兩次測量，可以最大程度地消除實驗裝置各種對外散熱量的影響，此時定壓比熱容的測量誤差主要來源于溫度和流量的測量誤差，由前文可知約為3%，與空氣定壓比熱容從0 ℃~300 ℃的變化幅度（即3.9%）相當。通過標定溫度、流量傳感器和多次重復測量取平均值，可以進一步降低上述測量誤差。

3 實驗結果

分別采用改進前后的算法，即改進前對散熱量不進行修正，改進后對散熱量進行修正，計算氣體定壓比熱容?？諝赓|量流量為4.31×10–4kg/s。實驗結果見表2、表3和圖4，改進算法前實驗-不修正散熱量時，氣體定壓比熱容隨著溫度的升高而增大，高溫時可達30%，明顯偏離了理論值；改進算法后實驗-修正散熱量時，測量值在2%以內隨機波動，整體上可以反映出實際的變化趨勢，受溫度和流量測量精度的限制，測量精度已經(jīng)難以進一步提高。

表2 空氣定壓比熱容測量結果（改進算法前）

表3 空氣定壓比熱容測量結果（改進算法后）

圖4 空氣定壓比熱容測量結果比較

4 結語

本文設計的新型氣體定壓比容測定實驗系統(tǒng)通過結合預熱段、保溫、2次測量等方式，有效解決了傳統(tǒng)實驗裝置的弊端，使實驗結果更加準確可靠，真實地反映了實驗原理，符合當前大學本科實驗教學的要求。本文設計的新型氣體定壓比容測定實驗系統(tǒng)對大學研究型實驗教學具有一定指導作用，同時也有較大的實際意義和應用價值。

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Development of experimental teaching system for measuring specific heat capacity of gas at constant pressure

XIN Zhe1, HE Zhizhu1, LI Shuyan1, WEI Qing1, JIANG Qiubo1, LIU Zhiying2, WANG Dongze2, LI Hui2

(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Power Engineering and Engineering Thermophysics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In order to meet the experimental teaching requirements of the Engineering Thermodynamics course in the university, a new experimental system for measuring specific heat capacity of gas at constant pressure is designed and developed to solve the problem of inaccurate experimental results caused by the large range of heating temperature difference in traditional experimental devices. The new experimental system for measuring specific heat capacity of gas at constant pressure is designed by combining preheating section, heat preservation and two measurement algorithm improvements, which makes the experimental results more accurate and reliable. It truly reflects the experimental principle and has high accuracy, and fully meets the requirements of undergraduate research experiment teaching.

gas specific heat capacity at constant pressure; experimental system; experimental teaching

0551.3-45

A

1002-4956(2019)10-0089-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.021

2019-03-01

辛喆（1964—），女，北京，博士，教授，博士生導師，研究方向為熱能與動力工程。E-mail: xinzhe@cau.edu.cn