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基础化学实验（Ⅱ）3.化工原理实验3.1流体力学实验3.1.1流体流动之机械能转换测定3.1.2流体流动阻力测定3.1.3离心泵性能的测定3.1.4雷诺实验3.1.5转子流量计校准3.2传热实验3.2.1换热器传热系数的测定3.2.2冷水-热水传热实验3.2.2沸腾传热及无相变传热中对流传热系数的测定3.3传导实验3.3.1填料吸收塔吸收系数的测定3.3.2精馏塔的操作与塔效率的测定3.3.3板式塔流动特性实验3.3.4干燥曲线和干燥速率曲线的测定3.3.5液—液萃取塔操作3.4反应工程实验3.4.1脉冲响应法测定非均相反应器的停留时间分布3.4.2脉冲法测定连续搅拌釜式反应器停留时间分布3.4.3固体流态化的流动特性实验3.4.4串联连续搅拌釜式反应器转化率的测定3.5化工单元仿真实验3.5.1传热仿真实验3.5.2吸收-解析仿真实验3.5.3精馏仿真实验3.5.4流化床干燥仿真实验3.5.5萃取仿真实验3.1流体力学实验实验3.1.1流动流体之机械能转换测定一、实验目的1．学习、掌握流动流体各种形式机械能相转换的测定方法；2．以实验证实不可压缩流体的伯努利方程。二、实验任务测定不可压缩流体在静止及不同流速条件下各种形式机械能的相互转换。三、实验原理不可压缩流体在管道或明渠中作稳定流动时，单位质量流体在与流动方向垂直的不同截面间的总能量是由各种形式的能量所组成的，且不同形式的能量可相互转换，其转换规律可用机械能衡算基本方程表达。机械能衡算基本方程可表示如下：∑+++=++fhguρgpZguρgpZ2222222111(m液柱)(3.1－1)此式即为著名的伯努利方程。式中：Z——流体位压头gpρ——流体静压头gu22——流体动压头∑hf——流体在流动系统内因阻力造成的压头损失下标1与2为和流体流动方向垂直的两个截面。应当注意，式中Z、gpρ、gu22与∑hf是有区别的，前三项是在某截面上流体本身所有的能量，而∑hf则是指流体在两截面之间流动时由于流体内摩擦及流体与管壁相互摩擦所损耗的能量。如果两截面间流体处于静止状态，则u=0；因此，自然没有阻力，即∑hf=0，于是式(3.1-1)变成Z1+ρgp1=Z2+ρgp2(3.1－2)上式与流体静力学基本方程无异。由此可见，伯努利方程式除表示流体流动的规律外，还表示了流体静止状态的规律，亦即流体静止状态只不过是流动状态的一种特殊形式。当流体在管内流动时，若管内某一局部有障碍物(如测压管)存在，流体以流速u向测压管口流动，当流体到达测压管口时，因管内已充满了静止不动的流体，故管口处流体流速可取为零，即流体的动压头转变为静压头了，所以在测压管口处测得的压头为流体的动压头与静压头之和，称为冲压头，hr，亦即hr=ρgp+gu22。本实验每处测压管所测定的即为该截面处流体的冲压头。四、实验装置及流程本实验之装置如图3.1—1所示，主要是由实验导管、稳压溢流水槽和三对测压管所组成。实验导管为一水平的变径圆管，沿程分三处设置测压管，每处测压管由一对并列的测压管组成，分别测量该截面处流体的静压头和冲压头。流体由稳压水槽流入实验导管，途经内径分别为16、25及16毫米的管子，昀后排出设备。流体流量由出口阀调节。流体流量需直接测定单位时间内流过的流体体积来确定。图3.1—1流动流体之机械能转换测实验装置流程图1．稳压水槽2．试验导管3．出口调节阀4．静压头测量管5．冲压头测量管五、实验方法1．实验前缓慢打开进水阀，使水充满稳压溢流水槽1，并保持有适量溢流水流出，令槽内液位保持不变；2．打开实验导管出口调节阀3，排除实验系统内空气泡；3．关闭实验导管出口调节阀3，观察并测量流体处于静止状态下各测压点(A、B和C点)的压头，即测压管内静压头与冲压头的水位高度；4．缓慢开启实验导管的出口调节阀，定性地观察比较流体在流动情况下各测压点的压头变化；5．缓慢开启实验导管出口调节阀，测定流体在不同流量下各测压点的静压头和冲压头。实验过程中须注意几点：(1)实验前一定要将实验导管和测压管中的空气排除干净，否则会干扰实验结果和测量准确性；(2)开启进口阀向稳压水槽注水，或开关实验导管出口调节阀时，一定要缓慢地调节开启程度，并随时注意设备内变化情况；ABC2345450mm溢流口进水口1(3)实验过程中需根据测压管量程范围确定昀小和昀大流量。六、实验记录及数据处理1．非流动体系机械能分布及转换⑴实验数据记录水温密度各测压点的静压头T/℃ρ/kgm-3ρgpA/mmH2OρgpB/mmH2OρgpC/mmH2O(2)验证流体静力学方程2．流动体系机械能分布及其转换(1)实验数据记录A流量a测定值L/sb圆整值m3/hB压头压头(mmH2O)测压点静压头冲压头ABC(2)数据处理A压头损失的计算根据伯努利方程：Z1+ρgp1+gu221=Z2+gu222+ρgp2+∑hf∵测压点处于水平位置，∴Z1=Z2，上式则变成ρgp1+gu221=ρgp2+gu222+∑hf由此得∑hf=(ρgp1+gu221)－(ρgp2+gu222)＝hr1－hr2∵稳压溢流水槽液位高度即为总压头，亦即流速为零时各测压管液位高度，据此可得诸段压头损失各为a．hf(1～A)：点1～点A压头损失=u为零时点A处测压管液柱高度一某测定流量下测压管A的冲压头液柱高度b．hf(1～B)：点1～点B压头损失=u为零时点B处测压管液柱高度一某测定流量下测压管B的冲压头液柱高度c．hf(1～C)：点1～点C压头损失=u为零时点C处测压管液柱高度一某测定流量下测压管C的冲压头液柱高度B．动压头实验值的计算根据hr=ρgp+gu22求出各测压点动压头的实验值。C．动压头计算值的求算根据u2／2g，求出各测压点动压头的计算值D．动压头实验值与计算值的偏差用下式计算实验值与计算值的偏差偏差﹪=(实验值计算值实验值−)﹪七、思考题1．实验中产生误差的主要原因是什么？如何使误差昀小？2.本实验中验证伯努利方程守恒的方法是什么？3.本实验中有时会出现冲压头小于静压头的情况，原因是什么？实验3.1.2流体流动阻力的测定一、实验目的：1．学习掌握流体流动阻力、管子摩擦系数，管件阻力系数的测定方法，了解它们的变化规律，巩固对流体流动阻力基本理论的认识。2．掌握有关压差计、流量计的使用方法。二、实验任务：1．测定流体流经直管时的摩擦系数与雷诺准数的关系；2．测定90°标准弯头的阻力系数；3．测定截止阀及闸阀全开时的阻力系数。三、实验装置(图3.1－2)图3.1－2阻力实验装置流程1．离心泵2．闸阀3．测压口4．90°弯头5．截止阀(dg32)6．闸阀(dg32)7．扩大管(dg80)8．压差计9．转子流量计10．水槽本实验由循环水泵、阀门、弯头及直径为36mm的直管组成，备有压差计、转子流量计、水槽等测量设备。其中，所测直管段阻力的直管长为3m，直径为36mm，闸阀9，截止阀10，90°弯头等，直径均为36mm。四、实验原理流体在管内层流时，由于流体具有粘性，在流动时必须克服内摩擦力；当流体处于湍流状态时，流体内部充满了大小涡流，流体质点运动速度和方向都发生改变，质点之间不断相互碰撞引起质点之间动量交换，使之产生湍动阻力。因此流体在流动过程中不可避免地都要消耗一定的机械能。直管造成的流体机械能的损失称为直管阻力损失(或称沿程阻力损失)；管件造成的机械能损失称为局部阻力损失。由伯努利方程可知，不可压缩流体流动阻力造成的能量损失(压头损失)，可由管路系统11023456789两截面的压力差(压头差)来测定。对同直径的水平直管，伯努利方程可简化为：hf=ρ21pp−(J／kg)(3.1－3)或Hf＝gppρ21−(m液柱)(3.1－4)式中：hf——单位质量流体因流动阻力所造成的能量损失。J／kg；Hf——单位重量流体因流动阻力所造成的能量损失(压头损失)，m液柱；p——流体的压强，Pa或N／m2；ρ——流体密度，kg／m3；g——重力加速度，9.81m／s2。在流体沿着直管流动的情况下，流体因摩擦力所造成的能量损失或压头损失一般有如下的关系式：hf=ρ21pp−＝λ·d1·22u(J／kg)(3.1－5)或Hf＝gppρ21−＝λ·d1·gu22(m液柱)(3.1－6)式中：d——直管的管内径，m；l——直管的长度，m；λ——摩擦系数，(无因次)。实验证究证明，摩擦系数λ与流体的密度ρ、粘度μ、管径d、流速u和管壁的粗糙度ε有关。应用因次分析的方法可以导出摩擦系数λ是雷诺数Re和相对粗糙度ε／d的函数，即：λ＝f(Re·dε)(3.1－7)在滞流区，不论是光滑管还是粗糙管，λ仅与Re有关，与dε无关，即，λ＝25.03164.0eR(3.1－8)当Re准数为3×103～l×l05时，对光滑管或新钢管，可按Blasius公式计算，即λ＝25.03164.0eR(3.1－9)当Re为3×103～1×105时也可按柯纳柯夫公式计算，即：λ＝(1.81lgRe－1.5)-2(3.1－10)在完全湍流区(Re＞105)时，λ与Re无关，仅是ε／d的函数。对同直径同类型的管子，λ接近为一常数，其值可按下式计算：λ＝(2lgε+1.74)-2(3.1－11)因管路上装有各种管件、阀门和测量仪表等产生的局部阻力，其能量损失(或压头损失)的计算可以两种方法表示，即当量长度法和局部阻力系数法。若用当量长度法，仍用式(3.1—6)求管件、阀体的摩擦系数λ，不过此时要把式中的直管长度l换成当量长度le；若用阻力系数法，则可用下式，即：h′f＝ξ·22u(J／kg)(3.1－12)或H′f＝ξ·gu22(m液柱)(3.1－13)式中：u——连接管件等的直管中流体的平均流速，m／s；ξ——局部阻力系数(无因次)。ξ值一般由实验测定，它与Re准数、管件阀体的种类几何形状、结构尺寸有关，当Re准数大到一定值以后，即与Re次数无关。五、实验步骤直管阻力和弯头局部阻力的测定：1.熟悉流程，检查各有关阀门(包括测压口阀门)是否符合直管阻力和弯头局部阻力测定的要求，是否符合安全操作的要求；2.进行盘车操作；关闭离心泵出口阀；3.启动离心泵电源；4.缓慢开启泵出口阀，调节水流量，控制水流量在1～2m3/h之间；5.排除管路中的空气；依次打开压差计排气阀，排除各管件压差计导压管中的空气，之后关闭排气阀。6.关闭泵出口阀，观察各个压差计指示液的液位是否平行，如不平行，则说明该压差计中空气未排尽，重复排气操作，直至排尽为止；7.打开泵出口阀，调节流量至1m3/h，读取压差计读数并记录；8.调节泵出口阀，使流量分别为2、3、4、5、6m3/h，依次读数并记录；9.调节泵出口阀，使流量分别为6、5、4、3、2、1m3/h，依次读数并记录；10.先关闭泵出口阀，然后切断电源，实验结束。操作注意事项在测试过程中，发现压差计指示值不能正确反映流体流动规律时，检查压差计中是否存在空气，并告诉实验指导教师。六、实验记录(供参考)室温___________________℃设备编号___________________测量内容________________________年_________月_________日压差计压差()测量管件名称水温(℃)管长(m)管径(m)左右ΔR流量(m3/h)流速(m/s)Reλ七、数据处理1．以下式计算流体流经直管及管件、阀件等所产生的压力降ΔpΔp=gHfΔρ(Pa)(3.1－14)式中：Hf——u形管压差计中指示液柱的高度(m指示液柱)；Δρ——指示液与被测流体水的密度差(kg／m3)。2．以式(3.1－6)分别计算直管及管件，阀件的摩擦系数λ。八、补充数据1．直管内径di＝0.036m2．OH2ρ＝1000(kg／m3)，4CClρ＝1595(kg／m3)Hgρ=13600(kg／m3)3．管件及阀件的当量长度名称di(m)le(m)截止阀0.03614.5闸阀0.0360.8直角弯头0.0361.8突然扩大0.0361.3九、思考题1．如何选择使用U型和倒U型压差计？2．在什么情况下，U