化工原理实验讲义

-1-化工原理实验讲义专业:环境工程应用化学教研室2015.3-2-实验一流体机械能转化实验一、实验目的1、了解流体在管内流动情况下，静压能、动能、位能之间相互转化关系，加深对伯努利方程的理解。2、了解流体在管内流动时，流体阻力的表现形式。二、实验原理流动的流体具有位能、动能、静压能、它们可以相互转换。对于实际流体，因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞，而被损失掉。所以对于实际流体任意两截面，根据能量守恒有：2211221222fpvpvzzHgggg上式称为伯努利方程。三、实验装置（dA=14mm，dB=28mm，dC=dD=14mm，ZA-ZD=110mm）实验装置与流程示意图如图1-1所示，实验测试导管的结构见图1-2所示：图1-1能量转换流程示意图-3-图1-2实验导管结构图四、操作步骤1.在低位槽中加入约3/4体积的蒸馏水，关闭离心泵出口上水阀及实验测试导管出口流量调节阀和排气阀、排水阀，打开回水阀后启动离心泵。2.将实验管路的流量调节阀全开，逐步开大离心泵出口上水阀至高位槽溢流管有液体溢流。3.流体稳定后读取并记录各点数据。4.关小流量调节阀重复上述步骤5次。5.关闭离心泵出口流量调节阀后，关闭离心泵，实验结束。五、数据记录和处理表一、转能实验数据表流量（l/h）压强mmH2O压强mmH2O压强mmH2O压强mmH2O压强mmH2O压强mmH2O测试点标号12345678-4-9101112131415五、结果与分析1、观察实验中如何测得某截面上的静压头和总压头，又如何得到某截面上的动压头？2、观察实验，对于不可压缩流体在水平不等径管路中流动，流速与管径的关系如何？3、实验观测到A、B截面的静压头如何变化？为什么？4、实验观测到C、D截面的静压头如何变化？为什么？5、当出口阀全开时，计算从C到D的压头损失？六、注意事项1．不要将离心泵出口上水阀开得过大以免使水流冲击到高位槽外面，同时导致高位槽液面不稳定。2．流量调节阀开大时，应检查一下高位槽内的水面是否稳定，当水面下降时应适当开大泵上水阀。3．流量调节阀须缓慢地关小以免造成流量突然下降测压管中的水溢出管外。4．注意排除实验导管内的空气泡。5．离心泵不要空转和出口阀门全关的条件下工作。-5-实验二流体阻力的测定一、实验目的1.学习直管摩擦系数λ的测定方法2.掌握摩擦系数λ与雷诺数Re之间的关系二、实验原理流体在圆管内流动时，由于本身具有黏性及涡流的影响，会产生摩擦阻力。流体在管内流动阻力的大小与管长、管径和摩擦系数有关，它们之间存在着如下关系：22fLvHdg(1)对于管路的两截面有：2211221222fpvpvzzHgggg(2)如果管路水平并且粗细均匀，有：12zz,12vv则（2）式化简为：12fppHg（3）采用倒U型压差计测量压差，则有：'11pghp；'22pghp（4）其中'p代表压差计上方压强将（4）代入（3）式中，则：12fHhhR（5）综合（1）和（5）式，则有：22dRgLv,Redv；其中vqvA-6-三、实验装置8号管：L=1.2m，d=0.015m；9号管：L=1.49m，d=0.010m；10号管：L=1.49m，d=0.0078m图2-1流体综合实验装置流程图1-水箱；2-离心泵；3-功率表；4-变频器；5-涡轮流量计；6-文丘里流量计；7-局部阻力被测阀门；8-局部阻力测量段；9-直管阻力粗糙测量管；10-直管阻力光滑测量管；11-切换阀；12-流量调节阀；13-转子流量计；14-流量调节阀图2-2倒U型压差计-7-四、实验步骤1.打开电源总开关，启动泵前要检查各阀门的开关，尤其阀门12和阀门14应关闭，以防止转子流量被损坏。2.针对某一测试对象选择对应的流向导通阀，逆时针全开。3.在进行阻力测定之前，应检查导压系统内有无气泡存在。当流量为零时，打开A，A’两阀门，若空气-水倒置U型管内两液柱的高度差不为零，则说明系统内有气泡存在，需赶净气泡方可测试数据。赶气泡的方法：将流量调至较大，打开阀门A，A’和C，C’，打开压力平衡罐的排气阀，使水完全充满管路，排出导压管内的气泡，将流量关为零，关闭A，A’，缓慢打开阀门D，通过打开B，B’让倒置U型管内的水流出再关D，判断倒置U型管内两液柱的高度差是否为零，若不为零，重复上述操作直至排净为止。4.调节阀门14测取数据，顺序可从大流量至小流量，反之也可，由13号转子流量计记录流量，通过倒U管测量h1,h2,管9和10各测量8组数据5.待数据测量完毕，关闭流量调节阀，相关阀门，泵，切断电源。五、数据记录和处理水温：实验序号h1(cm)h2(cm)qv(L•h-1)R(cm)Reλ以其中一组数据为例，写出v、Re、λ的具体计算过程-8-六、思考题1、在圆直管内及导压管内可否存有积存的空气？如有，会有何影响？2、讨论λ与Re的关系（坐标上画出关系图）？七、注意事项1.启动离心泵之前，必须检查所有流量调节阀是否关闭。2.调节流量计阀门要缓慢，调节后应等待流量和直管压降的数据稳定后，方可记录数据。3.在计算时，要统一为国际单位制进行计算。实验2-2文氏流量计校正系数的测定一、实验目的1.了解文氏流量计的构造、工作原理和主要特点2.测定文氏流量计校正系数Co二、实验原理文氏流量计流量计算式为：002()ivgRqca因为12()ipppgR综合可以得到：002vpqca从而得到校正系数002vqcpa其中vfqK式中f代表涡轮流量计的频率Hz，实验时Hz小于120K代表涡轮流量计的仪表常数，77.842（s/l）2004da式中0d代表喉管截面积，0.0195m-9-三．实验装置同上四、操作步骤1.打开电源总开关，仪表预热10分钟，启动泵前检查各阀门的开关，尤其阀门12和阀门14应关闭，以防止转子流量被损坏；2.将管道内的空气排出，打开文氏流量计的测压口阀门；3.调节阀门12测取数据，共测定10组数据，数据包括：Hz，△p；4.待数据测量完毕，关闭流量调节阀，相关阀门，泵，切断电源。五、数据记录和处理实验序号Hz△P（kPa）Q(l·s-1)C0C0平均值以其中一组数据为例，写出qv,Co的具体计算过程-10-实验三离心泵特征曲线测定一、实验目的1.了解离心泵的构造及送液原理。2.掌握离心泵特征曲线的测定方法、表示方法，加深对离心泵性能的了解。二、实验原理离心泵是最常见的液体输送设备。对于一定型号的泵在一定的转速下，离心泵的扬程He，轴功率N，及效率η均随流量qv的改变而改变。通常通过实验测出qv-He，qv-N，qv-η关系，并用曲线表示，称为特征曲线。下面介绍具体的测定方法。（1）He的测定在泵的吸入口和压出口之间列柏努利方程：2211221222fpvpvzHezHgggg(1)由于进出口管路粗细均匀，有：12vv又因为所选的两截面和泵体接近，Hf值可以忽略所以（1）式可以化简为：2121()ppHezzg式中，21()zz为泵进出口测压点间的距离（21pp）为泵进出口测压点间的压强差（2）N轴的测定NN电电轴N电为电动机的输入功率；电为电机效率，60%（3）η的测定-11-NN有效轴，vNHeqg有效（4）qv流量vfqK，f为自动调节阀开度Hz;K为仪表常数，77.902(次/升)电机频率45Hz三、实验装置图3-1实验装置流程示意图四、操作步骤1.打开电源总开关，设备调于计算机采集自控操作；2.将泵的入口调节阀全部打开；3.打开计算机，进入离心泵计算机数据采集和过程控制软件，按照软件提示进行操作；4.点击离心泵特征曲线自动控制后，计算机自动调节流量，并记录原始数据；5.实验完毕后，点击结束当前实验，回到主菜单。-12-五、数据记录和处理1.跟据计算机自动采集数据表，在坐标纸上画出离心泵特征曲线图。序号流量出口压力入口真空功率表扬程轴功率效率m3/hPaPaKwmKw%2.以第四组为例，写出qv,He,N轴，η的具体计算过程六、思考题1.如何选用离心泵？2.随着泵出口流量调节阀开度增大，泵的流量增加时，入口真空度及出口压力如何变化？并分析原因。七、注意事项1.实验前应检查水槽水位、流量调节阀关闭到零位，泵入口调节阀全部打开；2.由于本次实验计算机自动控制与采集，关闭计算机后，所有数据不予保留。-13-实验四传热实验一、实验目的1、通过对空气-水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数αi的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。并应用线形回归分析方法，确定关联式0.4RePrmuNA中常数A、m的值。2、通过对管程内部插有螺旋圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式RemuNB中常数B、m的值，了解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验原理1、对流传热系数αi的测定对流传热系数αi可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定，即iimiiQtS①式中：i-管内流体对流传热系数，[2/()WmC]iQ-管内传热速率，[W]iS-管内换热面积，[m2]mit-管内流体空气与管内壁面的平均温差，[℃]平均温差由下式确定：12()2iimiWtttt②式中：12,iitt-冷流体空气的入口、出口温度，[℃]Wt-壁面平均温度，[℃]管内换热面积iiiSdL③式中id-传热管内径，[m]，d光=20mm，d粗=50mmiL-传热管测量段的实际长度，[m]，L=1m-14-由热量衡算式21()iipiiiQWctt④其中质量流量由下式求得3600iiiVW⑤式中：iV-冷流体在套管内的平均体积流量，[m3/h]pic-冷流体的定压比热，[/()kJkgC]i-冷流体的密度，[kg/m3]pic和i可根据定性温度mt查得，122iimttt为冷流体进出口平均温度。2、对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流时，处于被加热状态，准数关联式的形式为RePrmniiiNuA⑥其中iiiidNu，Reiiiiiud，Prpiiiic物性数据i、pic、i、i可根据定性温度mt查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普朗特准数Pri变化不大，可认为是常数，则关联式的形式简化为0.4RePrmiiiNuA⑦这样通过实验确定不同流量下的Rei与iNu，然后用线性回归方法确定A和m的值。-15-三、实验装置图6-1空气-水蒸气传热综合实验装置1、普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蓄水罐；4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、8、空气支路控制阀：9、10、蒸汽支路控制阀；11、12、蒸汽放空口；13蒸汽上升主管路；14、加水阀：15-加热罐；16-加热器；17-放液阀：五、实验方法及步骤1、实验前的准备,检查工作.(1)向电加热釜内加水，液位计到端线处以上为宜。(2)检查空气流量旁路调节阀是否全开。(3)检查水蒸气管及空气支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通。2、实验开始.(1)启动计算机并按照操作说明进行操作。(2)合上电源总开关,打开加热电源开关（设备），设定加热电压160V(电脑)，直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。(3)计算机数据采集实验(a).蒸汽冒出10min后，启动风机（电脑），用旁路调节阀来调节流量（孔-16-板读数0.44-2Kpa之间），待操作稳定后计算机分别对空气流量，空气进出口温度，水蒸气进出口温度进行采集。测5组流量，每组间隔10min。光滑管测5组、粗糙管测5组。(b).在改变流量稳定后分别测量空气的流量，空气进出口的温度，水蒸气温度，继续进行实验。(c).计算机对所有的实验数据进行计算和整理，得出实验结果。关闭加热（电脑），无蒸汽冒出后关闭风机（电脑）。六、数据处理与分析根据计算机显示的结果，以其中一组数据为例