化工原理實驗指導(dǎo)書

1、實驗一：流體流動阻力的測定一、實驗?zāi)康?掌握測定流體流經(jīng)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(shù)與雷諾準數(shù)re的關(guān)系，驗證在一般湍流區(qū)內(nèi)與re的關(guān)系曲線，測定流體流經(jīng)閥門時的局部阻力系數(shù)x。 4學會倒u形壓差計的使用方法，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(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定的機械能。流體流經(jīng)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失。 1直管阻力摩擦系數(shù)的測定 流體在水平等徑直管中穩(wěn)

2、定流動時，阻力損失為： （1-1）即， （1-2）式中： 直管阻力摩擦系數(shù)，無因次； d 直管內(nèi)徑，m；流體流經(jīng)l米直管的壓力降，pa；單位質(zhì)量流體流經(jīng)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(nèi)流動的平均流速，m/s。滯流(層流)時， （1-3） （1-4）式中：re 雷諾準數(shù)，無因次； 流體粘度，kg/(ms)。湍流時是雷諾準數(shù)re和相對粗糙度（/d）的函數(shù)，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(shù)。 l、d為裝置參數(shù)（裝置參數(shù)表格中給出）， 、通過測定流體溫度，再查有關(guān)手冊而得， u通過測定流體流量，再由管徑計算得到

3、。例如本裝置采用轉(zhuǎn)子流量計測流量v（m3/h），且已經(jīng)校核，則 (1-5)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 (1-6)式中：r水柱高度，m。 （2）當采用u型管液柱壓差計時 (1-7)式中：r液柱高度，m；指示液密度，kg/m3。根據(jù)實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)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(shù)坐標圖上。2局部阻力系數(shù)x 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(shù)法。

4、 (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(chǎn)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： (1-8) (2) 阻力系數(shù)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(nèi)流動時平均動能的某一倍數(shù)，局部阻力的這種計算方法，稱為阻力系數(shù)法。即： (1-9)故 (1-10) 式中：x 局部阻力系數(shù)，無因次； 局部阻力壓強降，pa；（本裝置中，所測得的壓降應(yīng)扣除兩測壓

5、口間直管段的壓降，直管段的壓降由直管阻力實驗結(jié)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，m/s。 待測的管件和閥門由現(xiàn)場指定。本實驗采用阻力系數(shù)法表示管件或閥門的局部阻力損失。根據(jù)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(shù)r，通過式(1-5)、(1-6)或(1-7)、(1-10)求取管件或閥門的局部阻力系數(shù)x。三、實驗裝置與流程 1 實驗裝置實驗裝置如圖1所示： 圖1 實驗裝置流程示意圖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(zhì)的水管，各種閥門

6、、管件，轉(zhuǎn)子流量計和倒u型壓差計等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長直管，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(nèi)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(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。水的流量使用轉(zhuǎn)子流量計測量，管路和管件的阻力采用各自的倒u形壓差計測量，流體溫度由金屬溫度計測量。3裝置參數(shù)裝置參數(shù)如表1所示。 表1名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力閘閥1a20.9100光滑管不銹鋼管1b20.9100粗糙管鍍鋅鐵管1c21.1100四、實驗步驟1啟動水泵電機，待電機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)后，把泵的出口閥緩緩開到最大。2對倒u型壓差計進行

7、排氣和調(diào)零，使壓差計兩端在帶壓且零流量時的液位高度相等。3實驗時先緩緩開啟調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)流量，讓流量從0.4到4m3/h范圍內(nèi)變化。每次改變流量，待流動達到穩(wěn)定后，分別記下壓差計左右兩管的液位高度，兩高度相減的絕對值即為該流量下的差壓。注意正確讀取不同流量下的壓差和流量等有關(guān)參數(shù)。4裝置確定時，根據(jù)和u的實驗測定值，可計算和，在等溫條件下，雷諾數(shù)re=du/=au，其中a為常數(shù)，因此只要調(diào)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。5實驗結(jié)束，關(guān)閉出口閥，停止水泵電機，清理裝置。五、實驗數(shù)據(jù)處理根據(jù)上述實驗測得的數(shù)據(jù)填寫到下表：實驗日期： 實驗人員： 學號： 溫度： 裝置號： 直管

8、基本參數(shù)： 光滑管徑 粗糙管徑 局部阻力管徑 序號流量(m3/h)光滑管mmh2o粗糙管mmh2o局部阻力mmh2o左右壓差左右壓差左右壓差六、實驗報告 1根據(jù)粗糙管實驗結(jié)果，在雙對數(shù)坐標紙上標繪出re曲線，對照化工原理教材上有關(guān)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(jù)光滑管實驗結(jié)果，對照柏拉修斯方程，計算其誤差。 3根據(jù)局部阻力實驗結(jié)果，求出閘閥全開時的平均值。 4對實驗結(jié)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(guān)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(jīng)被排除干凈? 3以水做介質(zhì)所測得的re關(guān)系能否適用于其它流體?如何應(yīng)用? 4在不同設(shè)

9、備上(包括不同管徑)，不同水溫下測定的re數(shù)據(jù)能否關(guān)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?實驗二：雷諾演示實驗一、實驗?zāi)康挠^察流體在管內(nèi)流動的兩種不同流型。 二、基本原理流體流動有兩種不同型態(tài)，即層流(滯流)和湍流(紊流)。流體作層流流動時，其流體質(zhì)點作直線運動，且互相平行；湍流時質(zhì)點紊亂，流體內(nèi)部存在徑向脈動，但流體的主體向同一方向流動。雷諾準數(shù)是判斷流動型態(tài)的準數(shù)，若流體在圓管內(nèi)流動，則雷諾準數(shù)可用下式表示： （21）式中，re雷諾準數(shù)，無因次； d管子內(nèi)徑，m； u流體流速，ms； 流體密度，kgm3； 流體粘度；pas。 對于一定溫度的流體，

10、在特定的圓管內(nèi)流動，雷諾準數(shù)僅與流體流速有關(guān)。本實驗通過改變流體在管內(nèi)的速度，觀察在不同雷諾準數(shù)下流體流型的變化，一般認為re4000時。流動為湍流；2000re50%原料液溶質(zhì)濃度: 80%原料液溶質(zhì)濃度: 2%（3）維修與保養(yǎng) 1.實驗前請仔細閱讀“實驗指導(dǎo)書”和系統(tǒng)流程，特別要注意各種膜組件的正常工作壓力與溫度。 2.新裝置首次使用前，先用清水進料1020分鐘，洗去膜組件內(nèi)的保護劑（為一些表面活性劑或高分子物質(zhì)，對膜組件孔徑定型用）。 3.實驗原料液必須經(jīng)過5m微孔膜預(yù)過濾（即本實驗裝置中的預(yù)過濾器）,防止硬顆?；烊攵鴦澠颇そM件。 4使用不同料液實驗時，必須對膜組件及相關(guān)管路進行徹底清洗

11、，為保證膜本身吸附顆粒的除去，必要時可進行反清洗。 5.暫時不使用時，須保持膜組件濕潤狀態(tài)（因為膜組件干燥后，又失去了定型的保護劑，孔徑可能發(fā)生變化，從而影響分離性能），可通過膜組件進出口閥門，將一定量清水或消毒液封在膜組件內(nèi)。6.較長時間不用時，要防止系統(tǒng)生菌，可以加入少量防腐劑，例如甲醛、雙氧水等（濃度均不高于0.5）。在下次使用前，則必須將這些保護液沖洗干凈，才能進行料液實驗實驗六：空氣蒸汽對流給熱系數(shù)測定一、實驗?zāi)康?、 了解間壁式傳熱元件,掌握給熱系數(shù)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(xiàn)象。3、 學會給熱系數(shù)測定的實驗數(shù)據(jù)處理方法，了解影響給熱

12、系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。二、基本原理在工業(yè)生產(chǎn)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(61)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(dǎo)和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。 達到傳熱穩(wěn)定時，有 （61）式中：q 傳熱量，j / s；m1 熱流體的質(zhì)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(zhì)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

13、流傳熱系數(shù)，w / (m2 )；a1 熱流體側(cè)的對流傳熱面積，m2； 熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，；a2 冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，w / (m2 )；a2 冷流體側(cè)的對流傳熱面積，m2； 固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差，；k 以傳熱面積a為基準的總給熱系數(shù)，w / (m2 )； 冷熱流體的對數(shù)平均溫差，；熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由式（42）計算， （62）式中：tw1 熱流體進口處熱流體側(cè)的壁面溫度，；tw2 熱流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，。固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由式（43）計算， （63）式中：tw1 冷流體進口處冷流體側(cè)的壁面溫度，；tw2 冷流體出口處冷流

14、體側(cè)的壁面溫度，。熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由式（44）計算， （64）當在套管式間壁換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或水進行對流傳熱系數(shù)測定實驗時，則由式（41）得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對流傳熱系數(shù)， （65）實驗中測定紫銅管的壁溫tw1、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(nèi)徑d2，；和冷流體的質(zhì)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(nèi)壁的溫度，實驗技術(shù)難度大，而且所測得的數(shù)據(jù)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(shù)就成為人們廣泛采用的一種實驗研究手段。由式

15、（41）得， （66）實驗測定、并查取下冷流體對應(yīng)的、換熱面積a，即可由上式計算得總給熱系數(shù)k。下面通過兩種方法來求對流給熱系數(shù)。1 近似法求算對流給熱系數(shù)以管內(nèi)壁面積為基準的總給熱系數(shù)與對流給熱系數(shù)間的關(guān)系為， （67）式中：d1 換熱管外徑，m；d2 換熱管內(nèi)徑，m；dm 換熱管的對數(shù)平均直徑，m；b 換熱管的壁厚，m；l 換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w / (m )； 換熱管外側(cè)的污垢熱阻，； 換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，。用本裝置進行實驗時，管內(nèi)冷流體與管壁間的對流給熱系數(shù)約為幾十到幾百；而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)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(cè)的污垢熱阻

16、也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)為383.8，壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻可忽略。若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻也忽略不計，則由式（67）得， （68） 由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對流傳熱熱阻相比越小，此法所得的準確性就越高。2 傳熱準數(shù)式求算對流給熱系數(shù)對于流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流對流傳熱時，若符合如下范圍內(nèi)：re=1.01041.2105,pr0.7120，管長與管內(nèi)徑之比l/d60,則傳熱準數(shù)經(jīng)驗式為， （69）式中：nu努塞爾數(shù)，無因次；re雷諾數(shù)，無因次；pr普蘭特數(shù)，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

17、數(shù)，w / (m2 )；d 換熱管內(nèi)徑，m；l 流體的導(dǎo)熱系數(shù)，w / (m )；u 流體在管內(nèi)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 )。對于水或空氣在管內(nèi)強制對流被加熱時，可將式（69）改寫為， （610）令， （611） （612） （613） （614）則式（47）可寫為， （615）當測定管內(nèi)不同流量下的對流給熱系數(shù)時，由式（614）計算所得的c值為一常數(shù)。管內(nèi)徑d2一定時，m也為常數(shù)。因此，實驗時測定不同流量所對應(yīng)的，由式（64）、（66）、（612）、（613）求取一系列x、y值，再在xy圖上作圖或?qū)?/p>

18、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(shù)a2可用下式求得， （616）3 冷流體質(zhì)量流量的測定（1）若用轉(zhuǎn)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， （617）式中： v 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(yīng)水或空氣的密度，見冷流體物性與溫度的關(guān)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(zhuǎn)子材料密度，kg / m3。于是 (618)（2）若用孔板流量計測冷流體的流量，則， (6

19、19)式中，v 為冷流體進口處流量計讀數(shù)，為冷流體進口溫度下對應(yīng)的密度。4 冷流體物性與溫度的關(guān)系式在0100之間，冷流體的物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關(guān)系式：（2）空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60以下 j / (kg ), 70以上 j / (kg )。（3）空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式： （4）空氣的黏度與溫度的關(guān)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。圖6-2 水蒸氣空氣換熱流程圖來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進入玻璃套管換熱器環(huán)隙，與來自風機的空氣在套管換熱器內(nèi)進行熱交換，冷凝水經(jīng)疏水器排入地溝。冷空氣經(jīng)孔板流量計或轉(zhuǎn)子流量計進入套管換熱器內(nèi)管（紫銅

20、管），熱交換后排出裝置外。2設(shè)備與儀表規(guī)格（1）紫銅管規(guī)格：直徑212.5mm，長度l=1000mm（2）外套玻璃管規(guī)格：直徑1005mm，長度l=1000mm（4）鉑熱電阻及智能溫度顯示儀（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(guān)，打開儀表電源開關(guān)，使儀表通電預(yù)熱，觀察溫度巡檢儀顯示是否正常。2、 在蒸汽發(fā)生器中灌裝清水至水箱的球體中部，開啟發(fā)生器電源，使水處于加熱狀態(tài)。到達符合條件的蒸汽壓力后，系統(tǒng)會自動處于保溫狀態(tài)。3、 打開控制面板上的風機電源開關(guān)，讓風機工作，同時打開閥4，讓套管換熱器里充有一定量的空氣。4、 打開冷凝水出口

21、閥1，排出上次實驗余留的冷凝水，在整個實驗過程中也保持一定開度。注意開度適中，開度太大會使換熱器中的蒸汽跑掉，開度太小會使換熱玻璃管里的蒸汽壓力過大而導(dǎo)致玻璃管炸裂。5、 在通水蒸汽前，也應(yīng)將蒸汽發(fā)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(guān)閉蒸汽進口閥門3，打開裝置下面的排冷凝水閥門2，讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走，當聽到蒸汽響時關(guān)閉冷凝水排除閥2，方可進行下一步實驗。6、 開始通入蒸汽時，要仔細調(diào)節(jié)閥3的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸充滿系統(tǒng)中，使系統(tǒng)由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，防止玻璃管因突然受熱、受

22、壓而爆裂。7、 上述準備工作結(jié)束，系統(tǒng)也處于“熱態(tài)”后，調(diào)節(jié)蒸汽進口閥3，使蒸汽進口壓力維持在0. 01mpa，可通過調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器出口球閥及閘閥3開度來實現(xiàn)。8、 手動調(diào)節(jié)冷空氣進口流量時，可通過調(diào)節(jié)空氣的進口閥4，改變冷流體的流量到一定值，在每個流量條件下，均須待熱交換過程穩(wěn)定后方可記錄實驗數(shù)值，一般每個流量下至少應(yīng)使熱交換過程保持15分鐘方為視為穩(wěn)定；改變流量，記錄不同流量下的實驗數(shù)值。9、 記錄68組實驗數(shù)據(jù)，可結(jié)束實驗。先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，關(guān)閉蒸汽進口閥3，關(guān)閉儀表電源，待系統(tǒng)逐漸冷卻后關(guān)閉風機電源，待冷凝水流盡，關(guān)閉冷凝水出口閥，關(guān)閉總電源。10、 打開實驗軟件，輸入實驗數(shù)據(jù)，進行后

23、續(xù)處理。 （二）注意事項1、 先打開排冷凝水的閥1，注意只開一定的開度，開的太大會使換熱器里的蒸汽跑掉，開的太小會使換熱玻璃管里的蒸汽壓力增大而使玻璃管炸裂。2、 一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣后，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(jié)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(diào)節(jié)閥3的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，以防止玻璃管因突然受熱、受壓而爆裂。 4、 操作過程中，蒸汽壓力一般控制在0.05mpa（表壓）以下，否則可能造成玻璃管爆裂和填料損壞。5、 確定各參數(shù)時，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，隨時注意蒸汽量的調(diào)節(jié)和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。五、實驗數(shù)據(jù)處理1 雙擊打開數(shù)據(jù)處理軟件“heatexperiment.exe”，在界面左上“設(shè)置”的下拉菜單中輸入裝置參數(shù)管長、管內(nèi)徑以及轉(zhuǎn)子流量計的轉(zhuǎn)子密度。（在本套裝置中，管長為1m，管內(nèi)徑為16mm，轉(zhuǎn)子流量計的轉(zhuǎn)子密度為。）2 在界面右側(cè)選擇冷流