化工原理实验讲义(上)

化工原理实验讲义1实验一流体摩擦阻力系数测定一、实验目的及任务1、学习流体在管道内摩擦阻力fP及摩擦阻力系数λ的测定方法；2、确定摩擦阻力系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度d之间的关系；3、在双对数坐标纸上绘出λ～Re曲线并与莫迪图进行比较；4、测定局部（阀门）阻力系数。二、实验基本原理由于有粘性和涡流的影响，流体流动时会产生流动阻力。其大小与管子的长度、直径、流体流速和管道摩擦阻力系数有关。本实验分为直管摩擦系数和局部（阀门）阻力系数两种情况。1、直管摩擦系数与雷诺数Re的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即)/(Re,df，对一定的相对粗糙度而言，(Re)f。流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：ffPPPh21（1-1）又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）22udlhfPf（1-2）整理（1-1）（1-2）两式得22uPldf（1-3）udRe（1-4）式中：d管径，m；fP直管阻力引起的压强降，Pa；化工原理实验讲义2l管长，m；u流速，m/s；流体的密度，kg/m3；流体的粘度，N·s/m2。在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降fP与流速u（流量V）之间的关系。根据实验数据和式（1-3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（1-4）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。2、局部（阀门）阻力系数的测定22'uPhff（1-5）2'2uPf（1-6）式中：局部阻力系数，无因次；'fP局部阻力引起的压强降，Pa；'fh局部阻力引起的能量损失，J／kg。图1-1局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降'fP可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a’和b-b＇，见图1-1，使ab＝bc；a＇b＇＝b＇c＇则△Pf，ab＝△Pf，bc；△Pf，a＇b＇=△Pf，b＇c＇在a~a＇之间列柏努利方程式：Pa－Pa＇=2△Pf，ab+2△Pf，a＇b＇+△P＇f（1-7）在b~b＇之间列柏努利方程式：Pb－Pb＇=△Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△P＇f=△Pf，ab+△Pf，a＇b＇+△P＇f（1-8）化工原理实验讲义3联立式（1-7）和（1-8），则：'fP＝2（Pb－Pb＇）－（Pa－Pa＇）为了实验方便，称（Pb－Pb＇）为近点压差，称（Pa－Pa＇）为远点压差。用差压传感器来测量。三、实验装置及流程实验流程示意图见图1-2。水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经流量调节阀14、玻璃转子流量计15、16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力；或经阀门10测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。图1-2流动阻力实验流程示意图1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；14-流量调节阀；15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；21-倒置U型管放空阀；22-倒置U型管；23-水箱放水阀；24-管线放水阀；25-压差表；26-温度表；27-泵开关；28-总电源开关本实验共有8套实验设备，其主要技术数据如下:被测光滑直管段：设备编号管径d/m管长L/m材料10.0081491.700Cr18Ni920.0080101.700Cr18Ni930.0081611.700Cr18Ni940.0080161.700Cr18Ni9化工原理实验讲义4设备编号管径d/m管长L/m材料50.0081521.700Cr18Ni960.0081501.700Cr18Ni970.0080501.700Cr18Ni980.0080581.700Cr18Ni92.被测粗糙直管段：管径d—0.010m；管长L—1.70m；材料—不锈钢管3．被测局部阻力直管段：管径d—0.015m；管长L—1.2m；材料—不锈钢管4．压力传感器：型号：LXWY测量范围：200KPa5.直流数字电压表：型号：PZ139测量范围：0～200KPa6．离心泵：型号：WB70/055流量：8m3／h扬程：12m电机功率：550W7.玻璃转子流量计：型号测量范围/L•h-1精度LZB—40100～10001.5LZB—1010～1002.5四、实验步骤及注意事项1、实验步骤向储水槽内注水，直到水满为止。全关出口阀门14，启动离心泵。1)光滑管阻力测定：①关闭局部阻力管阀10、局部阻力近端测压阀6；局部阻力远端测压阀7、15；关闭粗糙管阀18、粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，将光滑管阀17全开。②在流量为零条件下，打开光滑管测压进水阀19和回水阀9，旋开倒置U型管进水阀11，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。导压系统如图1-3所示。赶气泡操作方法如下：开大控制阀门开度，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀21，打开阀3、4，使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差应为零。然后关闭放空阀21。③该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。④差压变送器与倒置U型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置∪型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取10～15组数化工原理实验讲义5据。建议当流量小于100L／h时，只用倒置∪型管来测量压差。2)粗糙管阻力测定①关闭阀17、光滑管测压进水阀19、光滑管测压回水阀9，全开阀18，旋开粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡。②从小流量到最大流量，一般测取15~20组数据。③直管段的压差用差压变送器测量。光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器，当测量光滑管直管阻力时，要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭；同样当测量粗糙管直管阻力时，要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭。图1-3导压系统示意图13-粗糙管测压进水阀；14-直管压力传感器；15-粗糙管测压回水阀；16-光滑管测压回水阀；17-光滑管测压进水阀；18-U型管进水阀；19-排水阀；20-U型管出水阀；21-U型管放空阀3)局部阻力测定关闭阀门17和18，全开或半开阀门10，改变流量，用差压变送器测量远点、近点压差。远点、近点压差的测量使用同一差压变送器。当测量远点压差时，要把通向近点压差的阀门关闭；同样当测量近点压差时，要把通向远点压差的阀门关闭。4)测取水箱内水的温度。5)待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。2、实验注意事项1）直流数字表操作方法请仔细阅读说明书后，方可使用。2）较长时间未做实验，启动离心泵之前应先盘轴转动，否则易烧坏电机。3）启动离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。4）在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。5）利用压力传感器测量大流量下△P时，应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门18、20否则影响测量数值。6）大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟，调好数字表的零点，然后启动泵化工原理实验讲义6进行实验。五、实验数据记录及数据处理1、将实验数据和数据处理结果列在表格中。表1-1实验原始数据记录表实验装置编号：________实验水温：T＝________℃水温：管径：管长：密度：黏度：序号流量直管压降(表示)U形管读数l/hkPaR1/mmR2/mm1234562、写出计算示例，即以某一组数据为例写出计算过程。3、在双对数坐标纸上绘出λ～Re关系曲线并与莫迪图进行比较。4、求本实验条件下层流区光滑管λ～Re关系式，并与理论公式Re64比较。六、思考及讨论1、在测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样才能迅速地排尽？2、以水为介质做出的λ～Re关系曲线，能否适用于其他流体？为什么？3、在不同设备上（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的数据是否能关联在一条曲线上？为什么？化工原理实验讲义7实验二.流量计标定一、实验目的1．了解孔板流量计、文丘里流量计及涡轮流量计的构造、工作原理和主要特点。2．练习并掌握节流式流量计的标定方法，3．练习并掌握节流式流量计流量系数C的确定方法，并能够根据实验结果分析流量系数C随雷诺数Re的变化规律。二、实验内容1．测定并绘制节流式流量计的流量标定曲线，确定节流式流量计流量系数C2．分析实验数据，得出节流式流量计流量系数C随雷诺数Re的变化规律。三、实验原理流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：)(20下上PPCAVs式中：—SV被测流体(水)的体积流量，m3/s；—C流量系数，无因次；—0A流量计节流孔截面积，m2；—下上PP流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa；—被测流体(水)的密度，kg／m3。用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量VS。每个流量在压差计上都有一个对应的读数，测量一组相关数据并作好记录，以压差计读数△P为横坐标，流量Vs为纵坐标，在半对数坐标上绘制成一条曲线，即为流量标定曲线。同时，通过上式整理数据，可进一步得到流量系数C随雷诺数Re的变化关系曲线。四、实验装置基本情况1．实验设备流程图见图一化工原理实验讲义8图一流量计实验流程示意图1-储水箱；2-放水阀；3-离心泵；4-排水阀；5-文丘里、孔板流量计调节阀；6-转子流量计调节阀；7-转子流量计；8-孔板流量计；9，10-孔板测压进出口阀；11-压差传感器；12，13-文丘里测压进出口阀；14-文丘里流量计；15-涡轮流量计：16，17-进水阀；18-温度计化工原理实验讲义9图二实验装置仪表面板图2．实验设备主要技术参数：离心泵：型号WB70/055；贮水槽：550mm×400mm×450mm；试验管路：内径φ48.0mm；涡轮流量计：最大流量6m3/h；文丘里流量计：喉径φ15mm；孔板流量计：喉径φ15mm；转子流量计：LZB-40，量程400-4000L/h；温度计：Pt100数字仪表显示；差压变送器：0-200kPa三、实验方法及步骤1.首先向储水箱内注入蒸馏水至三分之二，关闭流量调节阀5、6，启动离心泵。2.测量文丘里流量计性能，按照流量从小到大顺序进行实验。在阀门6、12、13、16全关的情况下，打开12、13、17阀门，用流量调节阀5调节流量，读取并记录涡轮流量计读数和文丘里流量计压差。3.测量孔板流量计性能，按照流量从小到大顺序进行实验。在阀门6、9、10、17全关的情况下，打开9、10、16阀门，用流量调节阀5调节流量，读取并记录涡轮流量计读数和孔板流量计压差。4.测量转子流量计性能，按照流量从小到大顺序进行实验。在阀门5、9、10、12、13全关，阀门16、17全开的情况下，用流量调节阀6调节流量，读取并记录涡轮流量计读数和转子流量计读数。通过温度计读取并记录温度数据。化工原理实验讲义105.实验结束后，关闭流量调节阀5、6，停泵，一切复原。五、实验注意事项：1.离心泵启动前关闭5、6，避免由于压力过大将转子流量计的玻璃管打碎。2.测量转子流量计性能时，另一支路即孔板和文丘里支路调节阀5必须关闭，同样测量孔板和文丘里流量计性能时，转子流量计支路调节阀6必须关闭。3.实验水质要