1、第2章 化工原理實驗實驗2.1 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。4、學會倒U 形壓差計和轉子流量計的使用方法。5、辨識組成管路的各種管件、閥門,并了解其作用。 二、實驗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稱為局部阻力損

2、失。1、直管阻力摩擦系數的測定流體在水平等徑直管中穩定流動時,阻力損失為:22u d l p h ff = (2-1 即, 22lu p d f= (2-2式中:直管阻力摩擦系數,無因次;p f 流體流經l 米直管的壓力降,Pa ;h f 單位質量流體流經l 米直管的機械能損失,J/kg ; l 直管長度,m ;u 流體在管內流動的平均流速,m/s ; d 直管內徑,m ;流體密度,kg/m 3。滯流(層流時,Re 64= (2-3 du =Re (2-4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-

3、2可知,欲測定,需確定l 、d ,測定f p 、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。例如本裝置采用轉子流量計測流量,V ,m 3/h 。25109dVu =(2-5 f p 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gR p f = (2-6 式中:R 水柱高度,m 。(2當采用U 型管液柱壓差計時(gR p f -=0 (2-7式中:R 液柱高度,m ;0指示液密度,kg/m 3。根據實驗裝置結構參數l 、d ,指示液

4、密度0,流體溫度t 0(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(2-5、(2-6或(2-7、(2-4和式(2-2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 的測定局部阻力損失通常有兩種表示方法,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l e 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l e 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fh為:2

5、2u d l l h e f += (2-82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:'2'2ff p u h = (2-9 故 2'2up f= (2-10式中:局部阻力系數,無因次;'f p 局部阻力壓強降,Pa ;(本裝置中,所測得的壓降可/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/m 3;u 流體在小截面管中的平均流速,m/s 。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

6、閥門兩端管徑中小管的直徑d ,指示液密度0,流體溫度t 0(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(2-5、(2-6或(2-7、(2-10求取管件或閥門的局部阻力系數。三、實驗裝置1、實驗裝置實驗裝置如圖2-1所示。V1V2f1f2f3131*5713151432141-水箱 2-離心泵 3-進口壓力表 4-雙金屬溫度計 5-出口壓力表 6-玻璃轉子流量計 7-局部阻力管 8-電氣控制柜 9-光滑管 10-均壓環 11-倒U 型差壓計 12-粗糙管 13-管路選擇球閥f1、f2、f314-局部管上的閘閥V1 15-引壓管 16-出口流量調節閘閥V2圖2-1 實驗裝置

7、示意圖2、實驗流程實驗裝置由貯水箱,離心泵,不同管徑、材質的水管,各種閥門、管件,玻璃轉子流量計和倒U 型差壓計等所組成的。管路部分有三段并聯的長直管,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。水的流量使用玻璃轉子流量計測量,管路和管件的阻力采用均壓環和引壓管將壓力傳遞給倒U 型差壓計直接顯示壓差。3、裝置參數裝置參數如表2-1所示。由于管子的材質存在批次的差異,可能會產生管徑的不同,所以表2-1中的管內徑只能作參考

8、。表2-1裝置參數名稱材質管內徑(mm測量段長度(cm管路號管內徑局部阻力閘閥1A 20.0 95光滑管不銹鋼管1B 20.0 100粗糙管鍍鋅鐵管1C 21.0 100四、實驗步驟1、泵啟動清理水箱中的雜質,然后對水箱進行注水。通過灌泵漏斗給離心泵灌水,直到排出泵內氣體。然后關閉出口閥V2,關閉灌泵系統的兩個閥門(一個在灌泵漏斗處,另一個在雙金屬溫度計處,打開總電源,啟動水泵,打開儀表開關,待電機轉動平穩后,把出口閥V2緩緩開到最大。2、實驗管路選擇先后選擇實驗管路,把對應的進口閥f1、f2、f3打開(f1是粗糙管路的閥門,f2是光滑管路的閥門,f3是局部阻力管路的閥門,在出口閥最大開度下,

9、保持全流量流動3-5min。3、流量調節調節出口流量調節閘閥V2,然后分別開啟相應管路的選擇閥f1、f2、f3,調節流量,讓流量從1000 L/h -4000 L/h范圍內變化,建議每次實驗變化500 L/h左右。每次改變流量,待流動達到穩定后,記下對應流量下的的壓差值。4、計算裝置確定時,根據P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,因此只要調節管路流量,即可得到一系列Re的實驗點,從而繪出Re曲線。5、實驗結束停泵前先將出口閥關閉,關閉儀表開關,關閉水泵,最后關閉電源,清理裝置。五、實驗數據記錄與處理實驗日期:實驗人員:學號:溫度:裝置號:直管基本

10、參數:光滑管徑粗糙管徑局部阻力管徑表2-2 實驗記錄表格序號流量(L/h光滑管壓差(cm流量(L/h粗糙管壓差(cm流量(L/h局部阻力壓差(cm左右左右左右123六、實驗報告中實驗結果部分的要求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

11、能否適用于其它流體?如何應用?4、在不同設備上(包括不同管徑,不同水溫下測定的Re數據能否關聯在同一條曲線上?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2.2 離心泵特性曲線的測定一、實驗目的測定離心泵的特性曲線,掌握離心泵的工作原理。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

12、機械能衡算方程:f h gug p z H g u g p z +=+2222222111 (2-11由于兩截面間的管長較短,通常可忽略阻力項f h ,速度平方差也很小故可忽略,則有(=H gp p z z 1212-+- 210(H H H +=表值 (2-12式中: 120z z H -=,表示泵出口和進口間的位差,m ;流體密度,kg/m 3;g 重力加速度 m/s 2;p 1、p 2分別為泵進、出口的真空度和表壓,Pa ;H 1、H 2分別為泵進、出口的真空度和表壓對應的壓頭,m ; u 1、u 2分別為泵進、出口的流速,m/s ; z 1、z 2分別為真空表、壓力表的安裝高度,m 。

13、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 的測量與計算k N N =電 (W (2-13式中:N 電電功率表顯示值;k 電機傳動效率;可取95.0=k 。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率,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:g HQ Ne = (2-14故泵效率: %100=NgHQ (2-154、轉速改變時的換算泵的特性曲線是在恒定轉速下的實驗測定所得。但是,實際

14、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恒定轉速n '下(可取離心泵的額定轉速2900rpm 的數據。換算關系如下:流量 nn QQ '=' (2-16 揚程 2(nn H H '=' (2-17 軸功率 3(nn N N '=' (2-18 效率 =''='NgQH N g H Q ' (2-19三、實驗裝置離心泵特性曲線測定裝置及流程如圖2-1所示。四、實驗步驟1、清理水箱中的雜質,然后加注實驗用水。

15、通過灌泵漏斗給離心泵灌水,直到排出泵內氣體。2、之前先將出口流量調節閘閥V2關閉,當泵達到額定轉速后方可逐步打開此出口閥。3、實驗時,通過調節閘閥V2以改變流量,在最大-最小流量范圍內調節流量,注意實驗布點待各儀表讀數顯示穩定后,讀取相應數據。離心泵特性實驗獲取的主要實驗數據: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(H0=0.1m。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,先關閉出口閥,關閉儀表,最后關閉電源。五、注意事項1、一般每次實驗前,均需對泵進行灌泵操

16、作,以防止離心泵氣縛。同時注意定期對泵進行保養,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下長時間使泵運轉,一般不超過3min,否則泵中液體循環溫度升高,易生氣泡,使泵抽空。六、實驗數據記錄與處理1、記錄實驗原始數據實驗日期: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=,泵轉速n= r/m。表2-3 原始數據記錄表格實驗次數流量Q(L/h泵進口壓力p1(MPa泵出口壓力p2(MPa電機功率N電(kW1 .232、參數計算根據原理部分的公式

17、,按比例定律校合轉速后,計算各流量下的泵揚程、軸功率和效率,如表2-4。表2-4 數據記錄表格實驗次數流量Q (L/h揚程H (m軸功率N (kW泵效率(% 123七、實驗報告中實驗結果部分的要求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。八、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流量?這種方法有什么優缺點?是否還有其他方法調節流量?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

18、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/m3的鹽水,在相同流量下你認為泵的壓力是否變化?軸功率是否變化?實驗2.3 恒壓過濾常數測定實驗一、實驗目的1、熟悉板框壓濾機的構造和操作方法。2、通過恒壓過濾實驗,驗證過濾基本理論。3、學會測定過濾常數K 、qe 、e 及壓縮性指數s 的方法。4、了解過濾壓力對過濾速率的影響。二、基本原理過濾是以某種多孔物質為介質來處理懸浮液以達到固、液分離的一種操作過程,即在外力的作用下,懸浮液中的液體通過固體顆粒層(即濾渣層及多孔介質的孔道而固體顆粒被截留下來形成濾渣層,從而實現固、液分離。因此,過濾操作本質上

19、是流體通過固體顆粒層的流動,而這個固體顆粒層(濾渣層的厚度隨著過濾的進行而不斷增加,故在恒壓過濾操作中,過濾速度不斷降低。過濾速度u 定義為單位時間單位過濾面積內通過過濾介質的濾液量。影響過濾速度的主要因素除過濾推動力(壓強差p ,濾餅厚度L 外,還有濾餅和懸浮液的性質,懸浮液溫度,過濾介質的阻力等。過濾時濾液流過濾渣和過濾介質的流動過程基本上處在層流流動范圍內,因此,可利用流體通過固定床壓降的簡化模型,尋求濾液量與時間的關系,可得過濾速度計算式:(e s V V C r p A d dq Ad dV u +=-1 (2-20式中:u 過濾速度,m/s ;V 通過過濾介質的濾液量,m 3; A

20、 過濾面積,m 2; 過濾時間,s ;q 通過單位面積過濾介質的濾液量,m 3/m 2; p 過濾壓力(表壓Pa ; S 濾渣壓縮性系數; 濾液的粘度,Pa.s ; r 濾渣比阻,1/m 2;C 單位濾液體積的濾渣體積,m 3/m 3; Ve 過濾介質的當量濾液體積,m 3。對于一定的懸浮液,在恒溫和恒壓下過濾時,、r 、C 和p 都恒定,為此令:(Cr p K s =-12 (2-21于是式(2-20可改寫為:(22Ve V KA d dV += (2-22 式中:K 過濾常數,由物料特性及過濾壓差所決定,s m /2。將式(2-22分離變量積分,整理得:(=+0221d KA V V d

21、V V eeV V V e e (2-23即 222KA VV V e =+ (2-24將式(2-23的積分極限改為從0到V e 和從0到e 積分,則:e e KA V 22= (2-25將式(2-24和式(2-25相加,可得:(e e KA V V +=+22 (2-26式中:e 虛擬過濾時間,相當于濾出濾液量V e 所需時間,s 。再將式(2-26微分,得:(d KA dV V V e 22=+ (2-27將式(2-27寫成差分形式,則22e q q q K K=+ (2-28 式中:q 每次測定的單位過濾面積濾液體積(在實驗中一般等量分配,m 3/ m 2;每次測定的濾液體積q 所對應的

22、時間,s ;q 相鄰二個q 值的平均值,m 3/ m 2。以q 為縱坐標,q 為橫坐標將式(2-28標繪成一直線,可得該直線的斜率和截距,斜率: 2S K =截距: 2e I q K = 則, 22,K m s S=3,2e KI Iq m S= 222,e e q I s K KS =改變過濾壓差p ,可測得不同的K 值,由K 的定義式(2-21兩邊取對數得:(B p lg s 1lgK +-= (2-29在實驗壓差范圍內,若B 為常數,則lgK lg(p的關系在直角坐標上應是一條直線,斜率為(1-s,可得濾餅壓縮性指數s 。三、實驗裝置與流程本實驗裝置由空壓機、配料槽、壓力料槽、板框過濾機

23、等組成,其流程示意如圖2-2。 圖2-2 板框壓濾機過濾流程圖CaCO 3的懸浮液在配料桶內配制一定濃度后,利用壓差送入壓力料槽中,用壓縮空氣加以攪拌使CaCO 3不致沉降,同時利用壓縮空氣的壓力將濾漿送入板框壓濾機過濾,濾液流入量筒計量,壓縮空氣從壓力料槽上排空管中排出。板框壓慮機的結構尺寸:框厚度20mm ,每個框過濾面積 0.038m 2,框數2個。 空氣壓縮機規格型號:風量0.06m 3/min ,最大氣壓0.8MPa 。四、實驗步驟1、實驗準備(1配料。在配料罐內配制含CaCO 310%30%(wt%的水懸浮液,碳酸鈣事先由天平稱重,水位高度按標尺示意,筒身直徑35mm 。配置時,應

24、將配料罐底部閥門關閉。(2攪拌。開啟空壓機,將壓縮空氣通入配料罐(空壓機的出口小球閥保持半開,進入配料罐的兩個閥門保持適當開度,使CaCO 3懸浮液攪拌均勻。攪拌時,應將配料罐的頂蓋合上。(4裝板框。正確裝好濾板、濾框及濾布。濾布使用前用水浸濕,濾布要繃緊,不能起皺。濾布緊貼濾板,密封墊貼緊濾布。(注意:用螺旋壓緊時,千萬不要把手指壓傷,先慢慢轉動手輪使板框合上,然后再壓緊。(5灌清水。向清水罐通入自來水,液面達視鏡2/3高度左右。灌清水時,應將安全閥處的泄壓閥打開。(6灌料。在壓力罐泄壓閥打開的情況下,打開配料罐和壓力罐間的進料閥門,使料漿自動由配料桶流入壓力罐至其視鏡1/21/3處,關閉進

25、料閥門。2、過濾過程(1鼓泡。通壓縮空氣至壓力罐,使容器內料漿不斷攪拌。壓力料槽的排氣閥應不斷排氣,但又不能噴漿。(2過濾。將中間雙面板下通孔切換閥開到通孔通路狀態。打開進板框前料液進口的兩個閥門,打開出板框后清液出口球閥。此時,壓力表指示過濾壓力,清液出口流出濾液。(3對于基本型,每次實驗應在濾液從匯集管剛流出的時候作為開始時刻,每次V取800mL左右。記錄相應的過濾時間。每個壓力下,測量810個讀數即可停止實驗。若欲得到干而厚的濾餅,則應每個壓力下做到沒有清液流出為止。(4量筒交換接濾液時不要流失濾液。等量筒內濾液靜止后讀出V值。(注意:V約800mL時替換量筒,這時量筒內濾液量并非正好8

26、00mL。要事先熟悉量筒刻度,不要打碎量筒,此外,要熟練雙秒表輪流讀數的方法;對于數字型,由于透過液已基本澄清,故可視作密度等同于水,則可以帶通訊的電子天平讀取對應計算機計時器下的瞬時重量的方法來確定過濾速度。(5每次濾液及濾餅均收集在小桶內,濾餅弄細后重新倒入料漿桶內攪拌配料,進入下一個壓力實驗。注意若清水罐水不足,可補充一定水源,補水時仍應打開該罐的泄壓閥。3、清洗過程(1關閉板框過濾的進出閥門。將中間雙面板下通孔切換閥開到通孔關閉狀態。(2打開清洗液進入板框的進出閥門(板框前兩個進口閥,板框后一個出口閥。此時,壓力表指示清洗壓力,清液出口流出清洗液。清洗液速度比同壓力下過濾速度小很多。(

27、3清洗液流動約1min,可觀察混濁變化判斷結束。一般物料可不進行清洗過程。結束清洗過程,也是關閉清洗液進出板框的閥門,關閉定值調節閥后進氣閥門。4、實驗結束(1先關閉空壓機出口球閥,關閉空壓機電源。(2打開安全閥處泄壓閥,使壓力罐和清水罐泄壓。(3沖洗濾框、濾板,濾布不要折,應當用刷子刷洗。(4將壓力罐內物料反壓到配料罐內備下次實驗使用,或將該二罐物料直接排空后用清水沖洗。五、原始數據記錄P= MPa 過濾面積A=0.0254m2;表2-5 原始實驗數據序號過濾體積V(mL 過濾時間(s12345678910六、實驗報告要求1、由恒壓過濾實驗數據求過濾常數K、q e、e。2、比較幾種壓差下的K

28、、q e、e值,討論壓差變化對以上參數數值的影響。3、在直角坐標紙上繪制lgKlgp關系曲線,求出s。4、實驗結果分析與討論。七、思考題1、板框過濾機的優缺點是什么?適用于什么場合?2、板框壓濾機的操作分哪幾個階段?3、為什么過濾開始時,濾液常常有點渾濁,而過段時間后才變清?4、影響過濾速率的主要因素有哪些?當你在某一恒壓下所測得的K、q e、e值后,若將過濾壓強提高一倍,問上述三個值將有何變化?實驗2.4 換熱器操作和傳熱系數的測定一、實驗目的1、觀察水蒸汽在水平管外壁上的冷凝現象。2、測定空氣-水蒸汽在套管換熱器中的總傳熱系數。3、測定空氣在圓形直管內強制對流時的傳熱膜系數及其與雷諾數Re

29、 的關系。二、實驗原理在工業生產中,間壁式換熱器是經常使用的換熱設備。熱流體借助于傳熱壁面,將熱量傳遞給冷流體,以滿足生產工藝的要求。影響換熱器傳熱速率的參數有傳熱面積、平均溫度差和傳熱系數三要素。為了合理選用或設計換熱器,應對其性能有充分的了解。除了查閱文獻外,換熱器性能實測是重要的途徑之一。傳熱系數是衡量換熱器性能的重要指標。為了提高能量的利用率,提高換熱器的傳熱系數以強化傳熱過程,在生產實踐中是經常遇到的問題。套管式換熱器是一種間壁式的傳熱裝置。冷熱流體間的傳熱過程是由熱流體對壁面的對流傳熱、間壁的熱傳導、以及壁面對冷流體的對流傳熱這三個傳熱子過程組成。如圖2-3所示。tt wT wT圖

30、2-3冷熱流體間的傳熱過程示意圖本實驗中,套管環隙通以水蒸汽,內管通以空氣,水蒸汽冷凝放熱以加熱空氣,在傳熱過程達到穩定后,有如下熱量衡算關系式(忽略熱損失: (2-30式中: Q 傳熱速率,W ;V 空氣體積流量(以進口狀態計,m 3/s ;(mW i i m i i p t t S t S K t t C V Q -=-=12 空氣密度(以進口狀態計,kg/m 3;C P 空氣平均比熱,J/(kg·K i 以內管內表面積計的總傳熱系數,W/(m 2·i 空氣對內管內壁的對流傳熱系數,W/(m 2·t 1、t 2 空氣進、出口溫度,; S i 內管內壁傳熱面積,

31、m 2;t m 水蒸氣與空氣間的對數平均溫度差,。2121ln(t T t T t T t T t m -= (2-31式中: T 蒸汽溫度(取進、出口溫度相同,;(t w -t m 空氣與內管內壁間的對數平均溫度差,。22112211ln (t t t t t t t t t t w w w w m w -=- (2-32式中: t w1、t w2 內管內壁上進、出口溫度,。由式(2-30得,總傳熱系數(2-33實驗測定T t t V 、21,并查取(2121t t t +=平均下冷流體對應的p c 、換熱面積S i ,即可由(2-33式計算得總傳熱系數K i 。空氣在管內的對流傳熱系數(傳

32、熱膜系數mw i P i t t S t t C V (12-= (2-34實驗中測定紫銅管的壁溫t w1、t w2;冷空氣的進出口溫度t 1、t 2;實驗用紫銅管的長度l 、內徑d i ,l d S i i =;和冷流體的質量流量,即可計算i 。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。下面通過估算法進行測定。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:mi P i t S t t C V K -=(12oo i o i So m i Si i i d d d d R d bd R K +=11(2-35用本裝置

33、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K m W 2;而管外為蒸汽冷凝,冷凝給熱系數o 可達K m W 2410左右,因此冷凝傳熱熱阻oo id d 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oiSod d R 也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅,導熱系數為383.8K m W ,壁厚為2.5mm ,因此換熱管壁的導熱熱阻mid bd 可忽略。若換熱管內側的污垢熱阻SiR 也忽略不計,則由式(2-35得,i i K (2-36當流體無相變時對流傳熱準數關聯式的一般形式為:Re Pr m n pNu A Gr = (2-37式中:d Nu =;Re du =;

34、Pr p C =。用圖解法對多變量方程進行關聯時,要對不同變量Re 和Pr 分別回歸。本實驗可簡化(2-37式,即取n =0.4(流體被加熱強制湍流時,Gr 準數可以忽略。這樣,(2-37式即變為單變量方程m A NuRe Pr4.0=,在兩邊取對數,即得到直線方程: Re ln ln lnPr4.0m A Nu+= (2-38實驗中改變空氣的流量以改變 Re 準數的值。根據定性溫度(空氣進、出口溫度的算術平均值計算對應的 Pr 準數值。同時,由(12t t C tP miV S Q -=,求出不同流速下的傳熱膜系數i值進而算得 Nu 準數值。在0-100之間,空氣的物性與溫度的關系有如下擬合

35、公式。1、空氣的密度與溫度的關系式:52310 4.510 1.2916t t -=-+ (2-39 2、空氣的比熱與溫度的關系式:60以下p C =1005 70以上p C =10093、空氣的導熱系數與溫度的關系式: 8252108100.0244t t -=-+ (2-404、空氣的黏度與溫度的關系式:6235(210510 1.716910t t -=-+ (2-41三、實驗裝置實驗裝置及流程如圖2-4所示。1597865432114131210111-風機 2-空氣管路 3-空氣進口調節閥 4-轉子流量計 5-空氣進口溫度 6-不凝性氣體排空閥 7-蒸汽溫度 8-視鏡 9-空氣出口溫

36、度 10-壓力表 11-套管內冷凝水排出閥 12-蒸汽進口閥 13-蒸汽管內冷凝水排出閥 14-蒸汽進口管路 15-空氣出口管路圖2-4 空氣-水蒸氣換熱流程圖四、實驗步驟1、打開控制面板上的總電源開關,打開儀表電源開關,使儀表通電預熱,觀察儀表顯示是否正常。2、在蒸汽發生器中灌裝清水,開啟發生器電源,水泵會自動將水送入鍋爐,灌滿后會轉入加熱狀態。到達符合條件的蒸汽壓力后,系統會自動處于保溫狀態。3、打開控制面板上的風機電源開關,讓風機工作,同時打開冷流體閥3,讓套管換熱器里的空氣流動。4、打開冷凝水出口閥11,排出上次實驗殘留的冷凝水,在整個實驗過程中也保持一定開度。注意開度適中,開度太大會

37、使換熱器中的蒸汽跑掉,開度太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力過大而導致不銹鋼管炸裂。5、在通水蒸汽前,也應將蒸汽發生器到實驗裝置之間管道中的冷凝水排除,否則夾帶冷凝水的蒸汽會損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是:關閉蒸汽進口閥門12,打開裝置下面的排冷凝水閥門13,讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走,當聽到蒸汽響時關閉冷凝水排除閥13,方可進行下一步實驗。6、開始通入蒸汽時,要仔細調節蒸汽閥的開度,讓蒸汽徐徐流入換熱器中,逐漸充滿系統中,使系統由“冷態”轉變為“熱態”,不得少于10min ,防止不銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。開啟不凝性氣體排空閥6,約10s ,隨后關閉。7、上述準備

38、工作結束,系統也處于“熱態”后,調節蒸汽進口閥,使蒸汽進口壓力維持在0.02MPa 以下,可通過調節蒸汽發生器出口閥及蒸汽進口閥開度來實現。8、通過調節冷空氣進口閥3來改變冷空氣流量,在每個流量條件下,均須待熱交換過程穩定后方可記錄實驗數值,一般每個流量下至少應使熱交換過程保持5min方可視為穩定;改變流量,記錄不同流量下的實驗數值。9、記錄6組實驗數據,可結束實驗。先關閉蒸汽發生器,關閉蒸汽進口閥,關閉儀表電源,待系統逐漸冷卻后關閉風機電源,待冷凝水流盡,關閉冷凝水出口閥,關閉總電源。10、待蒸汽發生器為常壓后,將鍋爐中的水排盡。五、注意事項1、先打開水汽排空閥,注意只開一定的開度,開得太大

39、會使換熱器里的蒸汽跑掉,開得太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力增大而使不銹鋼管炸裂。2、一定要在套管換熱器內管鼓入一定量的空氣后,方可開啟蒸汽閥門,且必須在排除蒸汽管線上原先積存的凝結水后,方可把蒸汽通入套管換熱器中。3、剛開始通入蒸汽時,要仔細調節蒸汽進口閥的開度,讓蒸汽徐徐流入換熱器中,逐漸加熱,由“冷態”轉變為“熱態”,不得少于10min,以防止不銹鋼管因突然受熱、受壓而爆裂。4、操作過程中,蒸汽壓力一般控制在0.02MPa(表壓以下,否則可能造成不銹鋼管爆裂。5、確定各參數時,必須是在穩定傳熱狀態下,隨時注意蒸汽量的調節和壓力表讀數的調整。六、實驗數據記錄實驗日期:裝置號:同組實驗人員:

40、表2-6 實驗數據記錄表序號蒸汽壓力(kPa空氣流量V(m3/h空氣入t1(空氣出t2(蒸汽溫度T1 (蒸汽溫度T2(蒸汽平均溫度T(123紫銅內管:直徑21× 2.5mm,長度L= 1000mm;不銹鋼套管規格:直徑100×5mm,長度L=1000mm七、實驗報告中實驗結果部分的要求1、計算冷流體給熱系數的實驗值。2、冷流體給熱系數的準數式:m 0.4Re A Nu/Pr =,由實驗數據作圖擬合曲線方程,確定式中常數A 及m 。3、以(八、思考題1、實驗中空氣和蒸汽的流向,對傳熱效果有何影響?2、在計算空氣質量流量時所用到的密度值與求雷諾數時的密度值是否一致?它們分別表示

41、什么位置的密度,應在什么條件下進行計算?3、實驗過程中,冷凝水不及時排走,會產生什么影響?如何及時排走冷凝水?如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗,對關聯式有何影響?實驗2.5 篩板精餾塔的操作與塔效率的測定一、實驗目的1、熟悉篩板精餾塔的結構及流程,掌握精餾塔的操作。2、學會精餾全塔效率和單板效率的測定方法:全回流操作,并測定全塔效率;部分回流操作,測定單板效率,研究回流比對精餾塔分離效率的影響。3、學會判斷系統達到穩定的方法,掌握測定塔頂、塔釜溶液濃度的實驗方法。二、實驗原理1、維持穩定的連續精餾操作的條件1根據進料量及組成、產品的分離要求,嚴格維持物料平衡 (1總物料平衡:F D W =+當F

42、 D W >+,會引起淹塔;當F D W <+,會引起塔釜干料。 (2各組分物料平衡:Fi Di W i Fx Dx Wx =+ (i 輕組份 已知:Fi Di Wi F x x x 、;Fi WiDi Wix x D F x x -=-; 1W D F F =- 若Fi WiDi Wix x D F x x ->-,即使塔有足夠的分離能力,D i x 仍達不到要求。 2精餾塔應有足夠的分離能力T N Const =,R 足夠大,便能獲得合格的產品。3精餾操作應防止幾種不正常的操作現象。 (1過量液沫夾帶。 (2嚴重漏液。 (3溢流液泛。2、產品不合格的原因及調節方法1由于物

43、料不平衡而引起的不正常現象及調節方法i. 在Di Fi Wi x x x D F W >-下操作隨著過程的進行,塔內輕組分大量流失,而重組分則逐步積累,過程日趨惡化。 外觀表現:W t 合格,D t ,D i x 不合格。 造成原因:Fi WiDi Wix x D F x x ->-; 輕組分Fi x 處理方法:加熱蒸汽壓不變,D F W 使過程在Di Fi Wi x x x D F W <-下操作一段時間,以補充塔內輕組分,待D t 正常時,再調節參數在過程Di Fi Wi x x x D F W =-下操作。若Fi x 變化不大,按調節,若Fi x 變化大,改變進料位置。

44、ii.在Fi Wi Dixx x D F W <-下操作隨著過程的進行,塔內重組分流失而輕組分逐漸累積,過程日趨惡化。 外觀表現:D t 合格,W t ,Wi x 不合格。 造成原因:Fi WiDi Wix x D F x x -<-,Fi x 處理方法:,R Const D V =使用過程在Di Fi Wi x x x D F W >-下操作,待釜溫W t 正常時,按Di Fi Wi x x x D F W =-操作。若Fi x 變化不大,按調節,若Fi x 變化大,改變進料位置。2分離能力不夠引起產品不合格的現象及調節方法 分離能力不夠引起,D W Di Wi t t x

45、 x 不合要求。采取措施:V R (增加塔底加熱速度及塔頂冷凝量3、全回流操作的目的1建立塔正常操作條件,如加熱條件(電流、電壓,流體力學狀況(塔內壓降、鼓泡狀況等; 2建立塔正常操作條件下的溫度分布、濃度分布。 3了解塔的處理能力及分離能力。 總之,為部分回流出產品做準備。4、部分回流操作在全回流操作塔頂組成達到一定要求后,即可開始。其方法是:減少回流量,引出產品,并向塔內進料和適當地提高加熱電壓,保持塔頂蒸汽量(1V V q F =+-(注意,塔釜壓力,以防汽液量增加造成液泛;視塔釜內液位高低及濃度排出釜液,以保持物料平衡。,F D W F D W Fx Dx Wx =+=+(此式是在定態

46、下成立,部分回流操作開始,不可能定態。為保證產品質量(可由靈敏板溫度判斷及數量,要有適當的回流比,防止不正常操作現象發生。影響回流比R 改變的因素是:塔釜加熱量、塔頂冷凝量等。5、全塔效率全塔效率又稱總板效率,是指達到指定分離效果所需理論板數與實際板數的比值,即1100%T T PN E N -= (2-52 式中:T N 完成一定分離任務所需的理論塔板數,包括蒸餾釜;P N -完成一定分離任務所需的實際塔板數,本裝置P N =10。全塔效率簡單地反映了整個塔內塔板的平均效率,說明了塔板結構、物性系數、操作狀況對塔分離能力的影響,一般可由全回流操作時來測定。對于塔內所需理論塔板數T N ,可由

47、已知的雙組分物系平衡關系,以及實驗中測得的塔頂、塔釜出液的組成,回流比R 和熱狀況q 等,用圖解法求得。 6、單板效率E M 單板效率又稱莫弗里板效率,如圖2-5所示,是指氣相或液相 經過一層實際塔板前后的組成變化值與經過一層理論塔板前后的組成 變化值之比。 圖2-5 塔板氣液流向示意圖按氣相組成變化表示的單板效率為1*1n n MV n n y y E y y +-=- (2-52 按液相組成變化表示的單板效率為1*1n nML n nx x E x x -=- (2-53 式中:n y 、1n y +離開第n 、n+1塊塔板的氣相組成,摩爾分數;1n x -、n x 離開第n-1、n 塊塔

48、板的液相組成,摩爾分數;*ny 與n x 成平衡的氣相組成,摩爾分數; *nx 與n y 成平衡的液相組成,摩爾分數。7、圖解法求理論塔板數N T圖解法又稱麥卡勃-蒂列(McCabe -Thiele 法,簡稱M -T 法,其原理與逐板計算法完全相同,只是將逐板計算過程在y -x 圖上直觀地表示出來。精餾段的操作線方程為:111D n n x Ry x R R +=+ (2-54 式中:1n y +精餾段第n+1塊塔板上升的蒸汽組成,摩爾分數;n x 精餾段第n 塊塔板下流的液體組成,摩爾分數;D x 塔頂溜出液的液體組成,摩爾分數; R 泡點回流下的回流比。 提餾段的操作線方程為:'1

49、''W m m Wx L y x L W L W+=- (2-55式中:1m y +提餾段第m+1塊塔板上升的蒸汽組成,摩爾分數;m x 提餾段第m 塊塔板下流的液體組成,摩爾分數;W x 塔底釜液的液體組成,摩爾分數;'L 提餾段內下流的液體量,kmol/s ;W 釜液流量,kmol/s 。加料線(q 線方程可表示為:11F x qy x q q =- (2-56 其中, (1pF S F Fc t t q r -=+(2-57式中:q 進料熱狀況參數;F r 進料液組成下的汽化潛熱,kJ/kmol ; S t 進料液的泡點溫度,;F t 進料液溫度,;pF c -進

50、料液在平均溫度(S F t t -/2下的比熱容,kJ/(kmol ;26F x 進料液組成,摩爾分數。回流比R 的確定:LR D=(2-58 式中:L 回流液量,kmol/s ;D 餾出液量,kmol/s 。式(2-58只適用于泡點下回流時的情況,而實際操作時為了保證上升氣流能完全冷凝,冷卻水量一般都比較大,回流液溫度往往低于泡點溫度,即冷液回流。如圖2-6所示,從全凝器出來的溫度為R t 、流量為L 的液體回流進入塔頂第一塊板,由于回流溫度低于第一塊塔板上的液相溫度,離開第一塊塔板的一部分上升蒸汽將被冷凝成液體,這樣,塔內的實際流量將大于塔外回流量。 圖2-6 塔頂回流向示意圖對第一塊板作

51、物料、熱量衡算:112V L V L +=+ (2-59 111122V L V L V I L I V I LI +=+ (2-60 對式(2-59、式(2-60整理、化簡后,近似可得:11(1p L R c t t L L r-+ (2-61即實際回流比:11L R D =(2-62 1(1p L R c t t L r D-+= (2-63 式中:1V 、2V 離開第1、2塊板的氣相摩爾流量,kmol/s ;1L 塔內實際液流量,kmol/s ;271V I 、2V I 、1L I 、L I 對應1V 、2V 、1L 、L 下的焓值,kJ/kmol ;r 回流液組成下的汽化潛熱,kJ/k

52、mol ;p c 回流液在1L t 與R t 平均溫度下的平均比熱容,kJ/(kmol 。 (1全回流操作 圖2-7 全回流時理論板數的確定 圖2-8 部分回流時理論板數的確定(2部分回流操作 三、實驗裝置本實驗裝置的主體設備是篩板精餾塔,配套的有加料系統、回流系統、產品出料管路、殘液出料管路、進料泵和一些測量、控制儀表。篩板塔主要結構參數:塔內徑D =68mm ,厚度=2mm ,塔節764,塔板數N =10塊,精餾段塔板數6塊,提餾段塔板數4塊,板間距H T =100mm 。加料位置由下向上起數第3塊和第5塊。降液管采用弓形,齒形堰,堰長56mm ,堰高7.3mm ,齒深4.6mm ,齒數9

53、個。降液管底隙4.5mm 。篩孔直徑d 0=1.5mm ,正三角形排列,孔間距t =5mm ,開孔數為74個。塔釜為內電加熱式,加熱功率2.5kW ,有效容積為10L 。塔頂冷凝器、塔釜換熱器均為盤管式。單板取樣為自下而上第1塊和第10塊,斜向上為液相取樣口,水平管為氣相取樣口。本實驗料液為乙醇水溶液,釜內液體由電加熱器產生蒸汽逐板上升,經與各板上的液體傳質后,進入盤管式換熱器殼程,冷凝成液體后再從集液器流出,一部分作為回流液從塔頂流入塔內,另一部分作為產品餾出,進入產品貯罐;殘液經釜液轉子流量計流入釜液貯罐。精餾過程如圖2-9所示。惰性氣體出口冷卻水進冷卻水出109118t 127 136

54、14x D5 15t164t 17183 x W192 22 20211 x F1-塔釜排液口 2-電加熱器 3-塔釜 4-塔釜液位計 5-塔板 6-溫度計(其余均以t表示 7-窺視節 8-冷卻水流量計9-盤管冷凝器 10-塔頂平衡管 11-回流液流量計 12-塔頂出料流量計 13-產品取樣口 14-進料管路15-塔釜平衡管 16-盤管換熱器 17-塔釜出料流量計 18-進料流量計 19-進料泵20-產品、殘液儲槽 21-料槽液位計;22-料液取樣口圖2-9 篩板塔精餾過程示意圖四、實驗步驟1、全回流(1配制濃度10%20%(V%的料液加入貯罐中,打開進料管路上的閥門,由進料泵將料液打入塔釜,至釜容積的2/3處(由塔釜液位計可觀察。(2關閉塔身進料管路上