1、化學原理實驗教案- 51 -前 言化工原理課程是化工類及食品、生物工程類各專業(yè)一門非常重要的技術基礎課，在基礎課和專業(yè)課之間起著承上啟下的橋梁作用。課程特點是工程性、實踐性強。實驗是教學過程中一個重要的實踐環(huán)節(jié)。通過實驗使學生更深入地理解、掌握化工單元過程的規(guī)律性和基礎理論，較為直觀地樹立起工程思想和觀念，以期達到強化工程意識、培養(yǎng)科學實驗能力的目的。 本實驗講義根據新增實驗設備的情況，進行了編著。內容主要包括三個部分：第一部分，實驗基礎知識；第二部分，實驗部分；第三部分，測量儀表和測量方法。 第一部分：介紹了進行化工原理實驗應樹立的科學態(tài)度、實驗數據測取和處理的常用方法，希望學生在實驗之前認

2、真自學。 第二部分：對具體實驗的方法、實驗原理、實驗裝置、操作說明、數據記錄及數據處理進行了詳盡的介紹，并提出了一定量的思考題。 第三部分：介紹了常用參量的測量方法和原理，以使學生對實驗過程中參數的測量有更全面了解，要求在各實驗之前充分預習。 由于編寫時間倉促，錯誤和不妥之處再所難免，歡迎指正。編 者2010年1月目錄目錄- 2 -實驗一 雷諾演示實驗- 4 -一、實驗目的- 4 -二、基本原理- 4 -三、實驗裝置及流程- 5 -四、演示操作- 6 -實驗二 機械能轉化演示實驗- 7 -一、實驗目的- 7 -二、基本原理- 7 -三、裝置流程- 9 -四、演示操作- 10 -五、數據分析-

3、10 -實驗三 離心泵特性曲線測定- 12 -一、實驗目的- 12 -二、基本原理- 12 -三、實驗裝置與流程- 13 -四、實驗步驟及注意事項- 14 -五、數據處理- 15 -六、實驗報告- 16 -七、思考題- 16 -實驗四 流體流動阻力的測定- 17 -一、實驗目的- 17 -二、基本原理- 17 -三、實驗裝置與流程- 19 -四、實驗步驟- 21 -五、實驗數據處理- 21 -六、實驗報告- 22 -七、思考題- 22 -實驗五 空氣蒸汽給熱系數測定- 23 -一、實驗目的- 23 -二、基本原理- 23 -三、實驗裝置與流程- 28 -四、實驗步驟與注意事項- 29 -五、實

4、驗數據處理- 31 -六、實驗報告- 31 -七、思考題- 31 -實驗六 篩板塔精餾過程實驗- 32 -一、實驗目的- 32 -二、基本原理- 32 -三、實驗裝置和流程- 36 -四、實驗步驟與注意事項- 38 -五、實驗報告- 39 -六、思考題- 39 -實驗七 填料塔吸收傳質系數的測定- 40 -一、實驗目的- 40 -二、基本原理- 40 -三、實驗裝置- 41 -四、實驗步驟與注意事項- 42 -五、實驗報告- 43 -六、思考題- 43 -實驗八 恒壓過濾實驗- 44 -一、實驗目的- 44 -二、基本原理- 44 -三、實驗裝置與流程- 46 -四、實驗步驟- 47 -五、數

5、據處理- 48 -六、實驗報告- 50 -七、思考題- 50 -實驗一 雷諾演示實驗一、實驗目的1、觀察流體在管內流動的兩種不同流型。 2、測定臨界雷諾數re c 。二、基本原理流體流動有兩種不同型態(tài)，即層流（或稱滯流，laminar flow）和湍流（或稱紊流，turbulent flow），這一現象最早是由雷諾（reynolds）于1883年首先發(fā)現的。流體作層流流動時，其流體質點作平行于管軸的直線運動，且在徑向無脈動；流體作湍流流動時，其流體質點除沿管軸方向作向前運動外，還在徑向作脈動，從而在宏觀上顯示出紊亂地向各個方向作不規(guī)則的運動。流體流動型態(tài)可用雷諾準數（re）來判斷，這是一個由各

6、影響變量組合而成的無因次數群，故其值不會因采用不同的單位制而不同。但應當注意，數群中各物理量必須采用同一單位制。若流體在圓管內流動，則雷諾準數可用下式表示： （111）式中：re 雷諾準數，無因次； d 管子內徑，m； u 流體在管內的平均流速，ms； 流體密度，kgm3； 流體粘度；pa·s。 層流轉變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數稱為臨界雷諾數，用re c表示。工程上一般認為，流體在直圓管內流動時，當re2000時為層流；當re>4000時，圓管內已形成湍流；當re在2000至4000范圍內，流動處于一種過渡狀態(tài)，可能是層流，也可能是湍流，或者是二者交替出現，這要視外界干擾而定，一般稱這

7、一re數范圍為過渡區(qū)。式（111）表明，對于一定溫度的流體，在特定的圓管內流動，雷諾準數僅與流體流速有關。本實驗即是通過改變流體在管內的速度，觀察在不同雷諾準數下流體的流動型態(tài)。三、實驗裝置及流程實驗裝置如圖111所示。主要由玻璃試驗導管、流量計、流量調節(jié)閥、低位貯水槽、循環(huán)水泵、穩(wěn)壓溢流水槽等部分組成，演示主管路為mm硬質玻璃。 圖111 流體流型演示實驗1紅墨水儲槽； 2溢流穩(wěn)壓槽； 3實驗管； 4轉子流量計；5循環(huán)泵； 6上水管； 7溢流回水管； 8調節(jié)閥； 9儲水槽實驗前，先將水充滿低位貯水槽，關閉流量計后的調節(jié)閥，然后啟動循環(huán)水泵。待水充滿穩(wěn)壓溢流水槽后，開啟流量計后的調節(jié)閥。水由穩(wěn)

8、壓溢流水槽流經緩沖槽、試驗導管和流量計，最后流回低位貯水槽。水流量的大小，可由流量計和調節(jié)閥調節(jié)。示蹤劑采用紅色墨水，它由紅墨水貯瓶經連接管和細孔噴嘴，注入試驗導管。細孔玻璃注射管(或注射針頭)位于試驗導管人口的軸線部位。注意：實驗用的水應清潔，紅墨水的密度應與水相當，裝置要放置平穩(wěn)，避免震動。 四、演示操作（1）層流流動型態(tài) 試驗時，先少許開啟調節(jié)閥，將流速調至所需要的值。再調節(jié)紅墨水貯瓶的下口旋塞，并作精細調節(jié)，使紅墨水的注人流速與試驗導管中主體流體的流速相適應，一般略低于主體流體的流速為宜。待流動穩(wěn)定后記錄主體流體的流量。此時，在試驗導管的軸線上，就可觀察到一條平直的紅色細流，好像一根拉

9、直的紅線一樣。 （2）湍流流動型態(tài)緩慢地加大調節(jié)閥的開度，使水流量平穩(wěn)地增大，玻璃導管內的流速也隨之平穩(wěn)地增大。此時可觀察到，玻璃導管軸線上呈直線流動的紅色細流，開始發(fā)生波動。隨著流速的增大，紅色細流的波動程度也隨之增大，最后斷裂成一段段的紅色細流。當流速繼續(xù)增大時，紅墨水進入試驗導管后立即呈煙霧狀分散在整個導管內，進而迅速與主體水流混為體，使整個管內流體染為紅色，以致無法辨別紅墨水的流線。實驗二 機械能轉化演示實驗一、實驗目的1.觀測動、靜、位壓頭隨管徑、位置、流量的變化情況，驗證連續(xù)性方程和柏努利方程。2.定量考察流體流經收縮、擴大管段時，流體流速與管徑關系。3.定量考察流體流經直管段時，

10、流體阻力與流量關系。4.定性觀察流體流經節(jié)流件、彎頭的壓損情況。二、基本原理 化工生產中，流體的輸送多在密閉的管道中進行，因此研究流體在管內的流動是化學工程中一個重要課題。任何運動的流體，仍然遵守質量守恒定律和能量守恒定律，這是研究流體力學性質的基本出發(fā)點。1.連續(xù)性方程對于流體在管內穩(wěn)定流動時的質量守恒形式表現為如下的連續(xù)性方程： （11）根據平均流速的定義，有 （12）即 （13）而對均質、不可壓縮流體，則式（12）變?yōu)?（14）可見，對均質、不可壓縮流體，平均流速與流通截面積成反比，即面積越大，流速越小；反之，面積越小，流速越大。對圓管，為直徑，于是式（14）可轉化為 （15）2.機械能

11、衡算方程運動的流體除了遵循質量守恒定律以外，還應滿足能量守恒定律，依此，在工程上可進一步得到十分重要的機械能衡算方程。對于均質、不可壓縮流體，在管路內穩(wěn)定流動時，其機械能衡算方程（以單位質量流體為基準）為： （16）顯然，上式中各項均具有高度的量綱，稱為位頭，稱為動壓頭（速度頭），稱為靜壓頭（壓力頭），稱為外加壓頭，稱為壓頭損失。關于上述機械能衡算方程的討論：（1）理想流體的柏努利方程無黏性的即沒有黏性摩擦損失的流體稱為理想流體，就是說，理想流體的，若此時又無外加功加入，則機械能衡算方程變?yōu)椋?（17）式（17）為理想流體的柏努利方程。該式表明，理想流體在流動過程中，總機械能保持不變。（2）若

12、流體靜止，則，于是機械能衡算方程變?yōu)?（18）式（18）即為流體靜力學方程，可見流體靜止狀態(tài)是流體流動的一種特殊形式。3.管內流動分析按照流體流動時的流速以及其它與流動有關的物理量（例如壓力、密度）是否隨時間而變化，可將流體的流動分成兩類：穩(wěn)定流動和不穩(wěn)定流動。連續(xù)生產過程中的流體流動，多可視為穩(wěn)定流動，在開工或停工階段，則屬于不穩(wěn)定流動。流體流動有兩種不同型態(tài)，即層流和湍流，這一現象最早是由雷諾（reynolds）于1883年首先發(fā)現的。流體作層流流動時，其流體質點作平行于管軸的直線運動，且在徑向無脈動；流體作湍流流動時，其流體質點除沿管軸方向作向前運動外，還在徑向作脈動，從而在宏觀上顯示出

13、紊亂地向各個方向作不規(guī)則的運動。流體流動型態(tài)可用雷諾準數（re）來判斷，這是一個無因次數群，故其值不會因采用不同的單位制而不同。但應當注意，數群中各物理量必須采用同一單位制。若流體在圓管內流動，則雷諾準數可用下式表示： （19）式中：re 雷諾準數，無因次； d 管子內徑，m； u 流體在管內的平均流速，ms； 流體密度，kgm3； 流體粘度；pa·s。 式（19）表明，對于一定溫度的流體，在特定的圓管內流動，雷諾準數僅與流體流速有關。層流轉變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數稱為臨界雷諾數，用re c表示。工程上一般認為，流體在直圓管內流動時，當re2000時為層流；當re>4000時，圓管內

14、已形成湍流；當re在2000至4000范圍內，流動處于一種過渡狀態(tài)，可能是層流，也可能是湍流，或者是二者交替出現，這要視外界干擾而定，一般稱這一re數范圍為過渡區(qū)。三、裝置流程該裝置為有機玻璃材料制作的管路系統(tǒng)，通過泵使流體循環(huán)流動。管路內徑為30mm，節(jié)流件變截面處管內徑為15mm。單管壓力計1和2可用于驗證變截面連續(xù)性方程，單管壓力計1和3可用于比較流體經節(jié)流件后的能頭損失，單管壓力計3和4可用于比較流體經彎頭和流量計后的能頭損失及位能變化情況，單管壓力計4和5可用于驗證直管段雷諾數與流體阻力系數關系 ，單管壓力計6與5配合使用，用于測定單管壓力計5處的中心點速度。在本實驗裝置中設置了兩種

15、進了方式：1、高位槽進料；2、直接泵輸送進料，設置這兩種方式是為了讓學生有對比，當然直接泵進料液體是不穩(wěn)定的，會產生很多空氣，這樣實驗數據會有波動，所以一般在采集數據的時候建議采用高位槽進料。四、演示操作1.先在下水槽中加滿清水，保持管路排水閥、出口閥關閉狀態(tài)，通過循環(huán)泵將水打入上水槽中，使整個管路中充滿流體，并保持上水槽液位一定高度，可觀察流體靜止狀態(tài)時各管段高度。2.通過出口閥調節(jié)管內流量，注意保持上水槽液位高度穩(wěn)定（即保證整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動狀態(tài)），并盡可能使轉子流量計讀數在刻度線上。觀察記錄各單管壓力計讀數和流量值。3.改變流量，觀察各單管壓力計讀數隨流量的變化情況。注意每改變一個流量

16、，需給予系統(tǒng)一定的穩(wěn)流時間，方可讀取數據。4.結束實驗，關閉循環(huán)泵，全開出口閥排盡系統(tǒng)內流體，之后打開排水閥排空管內沉積段流體。注意：（1）若不是長期使用該裝置，對下水槽內液體也應作排空處理，防止沉積塵土，否則可能堵塞測速管。（2）每次實驗開始前，也需先清洗整個管路系統(tǒng)，即先使管內流體流動數分鐘，檢查閥門、管段有無堵塞或漏水情況。五、數據分析1. h1和h2的分析由轉子流量計流量讀數及管截面積，可求得流體在1處的平均流速u1（該平均流速適用于系統(tǒng)內其他等管徑處）。若忽略h1和h2間的沿程阻力，適用柏努利方程即式（17），且由于1、2處等高，則有： （110） 其中，兩者靜壓頭差即為單管壓力計1

17、和2讀數差（mh2o），由此可求得流體在2處的平均流速u2。令u2代入式（15），驗證連續(xù)性方程。2. h1和h3的分析 流體在1和3處，經節(jié)流件后，雖然恢復到了等管徑，但是單管壓力計1和3的讀數差說明了能頭的損失（即經過節(jié)流件的阻力損失）。且流量越大，讀數差越明顯。3. h3和h4的分析 流體經3到4處，受彎頭和轉子流量計及位能的影響，單管壓力計3和4的讀數差明顯，且隨流量的增大，讀數差也變大，可定性觀察流體局部阻力導致的能頭損失。4. h4和h5的分析 直管段4和5之間，單管壓力計4和5的讀數差說明了直管阻力的存在（小流量時，該讀數差不明顯，具體考察直管阻力系數的測定可使用流體阻力裝置），

18、根據 （111）可推算得阻力系數，然后根據雷諾準數，作出兩者關系曲線。5. h5和h6的分析 單管壓力計5和6之差指示的是5處管路的中心點速度，即最大速度uc，有 （112）考察在不同雷諾準數下，與管路平均速度u的關系。 實驗三 離心泵特性曲線測定一、實驗目的1 了解離心泵結構與特性，熟悉離心泵的使用；2 2掌握離心泵特性曲線測定方法；3了解電動調節(jié)閥的工作原理和使用方法。二、基本原理離心泵的特性曲線是選擇和使用離心泵的重要依據之一，其特性曲線是在恒定轉速下泵的揚程h、軸功率n及效率與泵的流量q之間的關系曲線，它是流體在泵內流動規(guī)律的宏觀表現形式。由于泵內部流動情況復雜，不能用理論方法推導出泵

19、的特性關系曲線，只能依靠實驗測定。1揚程h的測定與計算取離心泵進口真空表和出口壓力表處為1、2兩截面，列機械能衡算方程： （11）由于兩截面間的管長較短，通常可忽略阻力項，速度平方差也很小故可忽略，則有 （12）式中： ，表示泵出口和進口間的位差，m；和 流體密度，kg/m3 ；g重力加速度 m/s2；p1、p2分別為泵進、出口的真空度和表壓，pa；h1、h2分別為泵進、出口的真空度和表壓對應的壓頭，m； u1、u2分別為泵進、出口的流速，m/s； z1、z2分別為真空表、壓力表的安裝高度，m。由上式可知，只要直接讀出真空表和壓力表上的數值，及兩表的安裝高度差，就可計算出泵的揚程。2軸功率n的

20、測量與計算 （w） （13）其中，n電為電功率表顯示值，k代表電機傳動效率，可取。3效率的計算泵的效率是泵的有效功率ne與軸功率n的比值。有效功率ne是單位時間內流體經過泵時所獲得的實際功，軸功率n是單位時間內泵軸從電機得到的功，兩者差異反映了水力損失、容積損失和機械損失的大小。泵的有效功率ne可用下式計算： （14） 故泵效率為 （15）4轉速改變時的換算泵的特性曲線是在定轉速下的實驗測定所得。但是，實際上感應電動機在轉矩改變時，其轉速會有變化，這樣隨著流量q的變化，多個實驗點的轉速n將有所差異，因此在繪制特性曲線之前，須將實測數據換算為某一定轉速n¢下（可取離心泵的額定轉速290

21、0rpm）的數據。換算關系如下：流量 （16）揚程 （17）軸功率 （18）效率 （19）三、實驗裝置與流程離心泵特性曲線測定裝置流程圖如下：1水箱；2離心泵；3溫度傳感器；4泵進口壓力傳感器；5灌泵口；6泵出口壓力傳感器；7渦輪流量計；8-轉速傳感器；9電動調節(jié)閥；10旁路閘閥；11管路進水閥；圖1 實驗裝置流程示意圖四、實驗步驟及注意事項1實驗步驟： （1）清洗水箱，并加裝實驗用水。通過灌泵口給離心泵灌水，排出泵內氣體。 （2）檢查各閥門開度和儀表自檢情況，試開狀態(tài)下檢查電機和離心泵是否正常運轉。開啟離心泵之前先將管路進水閥11打開，電動調節(jié)閥9的開度開到0，當泵達到額定轉速后方可逐步調節(jié)

22、電動調節(jié)閥的開度。 （3）實驗時，通過組態(tài)軟件或者儀表逐漸增加電動調節(jié)閥9的開度以增大流量，待各儀表讀數顯示穩(wěn)定后，讀取相應數據。離心泵特性實驗主要獲取實驗數據為：流量q、泵進口壓力p1、泵出口壓力p2、電機功率n電、泵轉速n，及流體溫度t和兩測壓點間高度差h0（h00.1m）。 （4）測取10組左右數據后，可以停泵，同時記錄下設備的相關數據（如離心泵型號，額定流量、額定轉速、揚程和功率等），停泵前先將出口閥關閉。（5）旁路閘閥10可以在電動調節(jié)閥失靈的時候做“替補”，工業(yè)上應用廣泛，保證了裝置的正常實驗。2注意事項： （1）一般每次實驗前，均需對泵進行灌泵操作，防止離心泵氣縛。同時注意定期對

23、泵進行保養(yǎng)，防止葉輪被固體顆粒損壞。 （2）泵運轉過程中，勿觸碰泵主軸部分，因其高速轉動，可能會纏繞并傷害身體接觸部位。（3）不要在出口閥關閉狀態(tài)下（或者電動調節(jié)閥開度在0時）長時間使泵運轉，一般不超過三分鐘，否則泵中液體循環(huán)溫度升高，易生氣泡，使泵抽空。五、數據處理（1）記錄實驗原始數據如下表1：實驗日期： 實驗人員： 學號： 裝置號： 離心泵型號 ，額定流量 ，額定揚程 ，額定功率泵進出口測壓點高度差h0 ，流體溫度 t 序號流量qm3/h泵進口壓力p1 kpa泵出口壓力p2 kpa電機功率n電 kw泵轉速nr/min （2）根據原理部分的公式，按比例定律校合轉速后，計算各流量下的泵揚程、

24、軸功率和效率，如表2：序號流量qm3/h揚程hm軸功率nkw泵效率%六、實驗報告1分別繪制一定轉速下的hq、nq、q曲線2分析實驗結果，判斷泵最為適宜的工作范圍。七、思考題1. 試從所測實驗數據分析，離心泵在啟動時為什么要關閉出口閥門？2. 啟動離心泵之前為什么要引水灌泵？如果灌泵后依然啟動不起來，你認為可能的原因是什么？3. 為什么用泵的出口閥門調節(jié)流量？這種方法有什么優(yōu)缺點？是否還有其他方法調節(jié)流量？4. 泵啟動后，出口閥如果不開，壓力表讀數是否會逐漸上升？為什么？5. 正常工作的離心泵，在其進口管路上安裝閥門是否合理？為什么？6. 試分析，用清水泵輸送密度為1200kg/的鹽水，在相同流

25、量下你認為泵的壓力是否變化？軸功率是否變化？實驗四 流體流動阻力的測定一、實驗目的1掌握測定流體流經直管、管件和閥門時阻力損失的一般實驗方法。 2測定直管摩擦系數與雷諾準數re的關系，驗證在一般湍流區(qū)內與re的關系曲線。 3測定流體流經管件、閥門時的局部阻力系數x。 4學會倒u形壓差計和渦輪流量計的使用方法。5識辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。二、基本原理 流體通過由直管、管件（如三通和彎頭等）和閥門等組成的管路系統(tǒng)時，由于粘性剪應力和渦流應力的存在，要損失一定的機械能。流體流經直管時所造成機械能損失稱為直管阻力損失。流體通過管件、閥門時因流體運動方向和速度大小改變所引起的機械能損失

26、稱為局部阻力損失。 1直管阻力摩擦系數的測定 流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動時，阻力損失為： （1）即， （2）式中： 直管阻力摩擦系數，無因次； d 直管內徑，m；流體流經l米直管的壓力降，pa；單位質量流體流經l米直管的機械能損失，j/kg； 流體密度，kg/m3；l 直管長度，m；u 流體在管內流動的平均流速，m/s。滯流(層流)時， （3） （4）式中：re 雷諾準數，無因次； 流體粘度，kg/(m·s)。湍流時是雷諾準數re和相對粗糙度（/d）的函數，須由實驗確定。由式（2）可知，欲測定，需確定l、d，測定、u、等參數。 l、d為裝置參數（裝置參數表格中給出）， 、通過測定流

27、體溫度，再查有關手冊而得， u通過測定流體流量，再由管徑計算得到。例如本裝置采用渦輪流量計測流量，v，m3/h。 (5)可用u型管、倒置u型管、測壓直管等液柱壓差計測定，或采用差壓變送器和二次儀表顯示。（1）當采用倒置u型管液柱壓差計時 (6)式中：r水柱高度，m。 （2）當采用u型管液柱壓差計時 (7)式中：r液柱高度，m；指示液密度，kg/m3。根據實驗裝置結構參數l、d，指示液密度，流體溫度t0(查流體物性、)，及實驗時測定的流量v、液柱壓差計的讀數r，通過式(5)、(6)或(7)、(4)和式(2)求取re和，再將re和標繪在雙對數坐標圖上。2局部阻力系數x 的測定 局部阻力損失通常有兩

28、種表示方法，即當量長度法和阻力系數法。 (1) 當量長度法 流體流過某管件或閥門時造成的機械能損失看作與某一長度為的同直徑的管道所產生的機械能損失相當，此折合的管道長度稱為當量長度，用符號表示。這樣，就可以用直管阻力的公式來計算局部阻力損失，而且在管路計算時可將管路中的直管長度與管件、閥門的當量長度合并在一起計算，則流體在管路中流動時的總機械能損失 為： (8) (2) 阻力系數法 流體通過某一管件或閥門時的機械能損失表示為流體在小管徑內流動時平均動能的某一倍數，局部阻力的這種計算方法，稱為阻力系數法。即： (9)故 (10) 式中：x 局部阻力系數，無因次； 局部阻力壓強降，pa；（本裝置中

29、，所測得的壓降應扣除兩測壓口間直管段的壓降，直管段的壓降由直管阻力實驗結果求取。） 流體密度，kg/m3； g 重力加速度，9.81m/s2；u 流體在小截面管中的平均流速，ms。 待測的管件和閥門由現場指定。本實驗采用阻力系數法表示管件或閥門的局部阻力損失。根據連接管件或閥門兩端管徑中小管的直徑d，指示液密度，流體溫度t0(查流體物性、)，及實驗時測定的流量v、液柱壓差計的讀數r，通過式(5)、(6)或(7)、(10)求取管件或閥門的局部阻力系數x。三、實驗裝置與流程 1 實驗裝置實驗裝置如圖1所示： 2. 實驗流程實驗對象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質的水管，各種閥門、管件，渦輪流

30、量計和倒u型壓差計等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長直管，分別為用于測定局部阻力系數，光滑管直管阻力系數和粗糙管直管阻力系數。測定局部阻力部分使用不銹鋼管，其上裝有待測管件(閘閥)；光滑管直管阻力的測定同樣使用內壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測定對象為管道內壁較粗糙的鍍鋅管。水的流量使用渦輪流量計測量，管路和管件的阻力采用差壓變送器將差壓信號傳遞給無紙記錄儀。 1水箱； 2管道泵；3渦輪流量計；4進口閥；5均壓閥；6閘閥；7引壓閥；8壓力變送器；9出口閥；10排水閥；11電氣控制箱圖1 實驗裝置流程示意圖3裝置參數裝置參數如表1所示。 由于管材的材質會有不同，因而管內徑也會有差別，我們會

31、給出相應的數據，以供實驗分析用，表1的數據只是參考。表1裝置1名稱材質管內徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內徑局部阻力閘閥1a20.095光滑管不銹鋼管1b20.0100粗糙管鍍鋅鐵管1c21.0100四、實驗步驟1泵啟動：首先對水箱進行灌水，然后關閉出口閥，打開總電源和儀表開關，啟動水泵，待電機轉動平穩(wěn)后，把出口閥緩緩開到最大。2. 實驗管路選擇：選擇實驗管路，把對應的進口閥打開，并在出口閥最大開度下，保持全流量流動510min。3. 排氣：在計算機監(jiān)控界面點擊”引壓室排氣”按鈕,則差壓變送器實現排氣。4引壓：打開對應實驗管路的手閥,然后在計算機監(jiān)控界面點擊該對應,則差壓變送器檢測該管路

32、壓差。5流量調節(jié)：手控狀態(tài),變頻器輸出選擇100,然后開啟管路出口閥，調節(jié)流量，讓流量從1到4m3/h范圍內變化，建議每次實驗變化0.5m3/h左右。每次改變流量，待流動達到穩(wěn)定后，記下對應的壓差值；自控狀態(tài)，流量控制界面設定流量值或設定變頻器輸出值，待流量穩(wěn)定記錄相關數據即可。6計算：裝置確定時，根據和u的實驗測定值，可計算和，在等溫條件下，雷諾數re=du/=au，其中a為常數，因此只要調節(jié)管路流量，即可得到一系列re的實驗點，從而繪出re曲線。7實驗結束：關閉出口閥，關閉水泵和儀表電源，清理裝置。五、實驗數據處理根據上述實驗測得的數據填寫到下表：實驗日期： 實驗人員： 學號： 溫度： 裝

33、置號： 直管基本參數： 光滑管徑 粗糙管徑 局部阻力管徑 序號流量（m3/h）光滑管壓差（kpa）粗糙管壓差（kpa）局部阻力壓差（kpa）六、實驗報告 1根據粗糙管實驗結果，在雙對數坐標紙上標繪出re曲線，對照化工原理教材上有關曲線圖，即可估算出該管的相對粗糙度和絕對粗糙度。 2根據光滑管實驗結果，對照柏拉修斯方程，計算其誤差。 3根據局部阻力實驗結果，求出閘閥全開時的平均值。 4對實驗結果進行分析討論。 七、思考題 1在對裝置做排氣工作時，是否一定要關閉流程尾部的出口閥?為什么? 2如何檢測管路中的空氣已經被排除干凈? 3以水做介質所測得的re關系能否適用于其它流體?如何應用? 4在不同設

34、備上(包括不同管徑)，不同水溫下測定的re數據能否關聯(lián)在同一條曲線上? 5如果測壓口、孔邊緣有毛刺或安裝不垂直，對靜壓的測量有何影響?實驗五 空氣蒸汽給熱系數測定一、實驗目的1、 了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數測定的實驗方法。2、 掌握熱電阻測溫的方法，觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現象。3、 學會給熱系數測定的實驗數據處理方法，了解影響給熱系數的因素和強化傳熱的途徑。二、基本原理在工業(yè)生產過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖(41)所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。達到

35、傳熱穩(wěn)定時，有 （41）式中：q 傳熱量，j / s；m1 熱流體的質量流率，kg / s；cp1 熱流體的比熱，j / (kg )；t1 熱流體的進口溫度，；t2 熱流體的出口溫度，；m2 冷流體的質量流率，kg / s；cp2 冷流體的比熱，j / (kg )；t1 冷流體的進口溫度，；t2 冷流體的出口溫度，；a1 熱流體與固體壁面的對流傳熱系數，w / (m2 )；a1 熱流體側的對流傳熱面積，m2； 熱流體與固體壁面的對數平均溫差，；a2 冷流體與固體壁面的對流傳熱系數，w / (m2 )；a2 冷流體側的對流傳熱面積，m2； 固體壁面與冷流體的對數平均溫差，；k 以傳熱面積a為基準

36、的總給熱系數，w / (m2 )； 冷熱流體的對數平均溫差，；熱流體與固體壁面的對數平均溫差可由式（42）計算， （42）式中：tw1 冷流體進口處熱流體側的壁面溫度，；tw2 冷流體出口處熱流體側的壁面溫度，。固體壁面與冷流體的對數平均溫差可由式（43）計算， （43）式中：tw1 冷流體進口處冷流體側的壁面溫度，；tw2 冷流體出口處冷流體側的壁面溫度，。熱、冷流體間的對數平均溫差可由式（44）計算， （44）當在套管式間壁換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內管管內通以冷空氣或水進行對流傳熱系數測定實驗時，則由式（41）得內管內壁面與冷空氣或水的對流傳熱系數， （45）實驗中測定紫銅管的壁溫tw1

37、、tw2；冷空氣或水的進出口溫度t1、t2；實驗用紫銅管的長度l、內徑d2，；和冷流體的質量流量，即可計算a2。然而，直接測量固體壁面的溫度，尤其管內壁的溫度，實驗技術難度大，而且所測得的數據準確性差，帶來較大的實驗誤差。因此，通過測量相對較易測定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流給熱系數就成為人們廣泛采用的一種實驗研究手段。由式（41）得， （46）實驗測定、并查取下冷流體對應的、換熱面積a，即可由上式計算得總給熱系數k。下面通過兩種方法來求對流給熱系數。1 近似法求算對流給熱系數以管內壁面積為基準的總給熱系數與對流給熱系數間的關系為， （47）式中：d1 換熱管外徑，m；d2

38、換熱管內徑，m；dm 換熱管的對數平均直徑，m；b 換熱管的壁厚，m；l 換熱管材料的導熱系數，w / (m )； 換熱管外側的污垢熱阻，； 換熱管內側的污垢熱阻，。用本裝置進行實驗時，管內冷流體與管壁間的對流給熱系數約為幾十到幾百；而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數可達左右，因此冷凝傳熱熱阻可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側的污垢熱阻也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導熱系數為383.8，壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導熱熱阻可忽略。若換熱管內側的污垢熱阻也忽略不計，則由式（47）得， （48） 由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側對流傳熱熱阻相比越小，此法所得的準確性就越高。

39、2 傳熱準數式求算對流給熱系數對于流體在圓形直管內作強制湍流對流傳熱時，若符合如下范圍內：re=1.0×1041.2×105,pr0.7120，管長與管內徑之比l/d60,則傳熱準數經驗式為， （49）式中：nu努塞爾數，無因次；re雷諾數，無因次；pr普蘭特數，無因次；當流體被加熱時n0.4，流體被冷卻時n0.3；a 流體與固體壁面的對流傳熱系數，w / (m2 )；d 換熱管內徑，m；l 流體的導熱系數，w / (m )；u 流體在管內流動的平均速度，m / s；r 流體的密度，kg / m3；m 流體的粘度，pa s；cp 流體的比熱，j / (kg )。對于水或空氣

40、在管內強制對流被加熱時，可將式（49）改寫為， （410）令， （411） （412） （413） （414）則式（47）可寫為， （415）當測定管內不同流量下的對流給熱系數時，由式（414）計算所得的c值為一常數。管內徑d2一定時，m也為常數。因此，實驗時測定不同流量所對應的，由式（44）、（46）、（412）、（413）求取一系列x、y值，再在xy圖上作圖或將所得的x、y值回歸成一直線，該直線的斜率即為m。任一冷流體流量下的給熱系數a2可用下式求得， （416）3 冷流體質量流量的測定（1）若用轉子流量計測定冷空氣的流量，還須用下式換算得到實際的流量， （417）式中： v '

41、實際被測流體的體積流量，m3 / s；' 實際被測流體的密度，kg / m3；均可取下對應水或空氣的密度，見冷流體物性與溫度的關系式；v 標定用流體的體積流量，m3 / s； 標定用流體的密度，kg / m3；對水 = 1000 kg / m3；對空氣 = 1.205 kg / m3；f 轉子材料密度，kg / m3。于是 (418)（2）若用孔板流量計測冷流體的流量，則， (419)式中，v 為冷流體進口處流量計讀數，為冷流體進口溫度下對應的密度。4 冷流體物性與溫度的關系式在0100之間，冷流體的物性與溫度的關系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關系式：（2）空氣的比熱與溫度

42、的關系式：60以下 j / (kg ), 70以上 j / (kg )。（3）空氣的導熱系數與溫度的關系式： （4）空氣的黏度與溫度的關系式：三、實驗裝置與流程1實驗裝置實驗裝置如圖4-1所示。1風機；2孔板流量計；3冷流體管路；4轉子流量計；5冷流體進口溫度；6惰性氣體排空閥；7蒸汽溫度；8視鏡；9冷流體出口溫度；10壓力表；11冷凝水排空閥；12蒸汽進口閥；13冷凝水排空閥；14蒸汽進口管路；15冷流體出口管路；圖4-1 空氣-水蒸氣換熱流程圖來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙，與來自風機的空氣在套管換熱器內進行熱交換，冷凝水排出裝置外。冷空氣經孔板流量計或轉子流量計進入套管換熱器內管（紫銅管），熱交換后排出裝置外。2設備與儀表規(guī)格（1）紫銅管(內含翅片）規(guī)格：直徑21×2.5mm，長度l=1000mm（2）外套不銹鋼管規(guī)格：直徑100×5mm，長度l=1000mm（4）鉑熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示（5）全自動蒸汽發(fā)生器及蒸汽壓力表四、實驗步驟與注意事項（一）實驗步驟1、 打開控制面板上的總電源開關，打開儀表電