化工基础实验讲义2

1合肥学院化学与材料工程系实验五流体流动阻力测定一、实验目的1．掌握流体流经直管和管阀件时阻力损失的测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。2．、测定水流过一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力损失Δpf，确定摩擦阻力系数λ和雷诺准数Re之间的关系。将所得的λ~Re方程与公认经验关系比较。3．测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。4．学会压差计和流量计的使用方法，了解差压变送器、功率传感器的工作原理。熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工程意义。5．观察组成管路的各种管件、阀件，了解其作用。二、基本原理流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。1．沿程阻力流体在水平均匀管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即ppphf21影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数关联式。根据因次分析，影响阻力损失的因素有，(1)流体性质：密度ρ，粘度μ；(2)管路的几何尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度ε；(3)流动条件：流速μ。可表示为：2),,,,,(uldfp组合成如下的无因次式：),,(2ddlduup2),(2udlddup令)(ddu则22udlphf式中，P——压降Pahf——直管阻力损失J/kg，ρ——流体密度kg/m3λ——直管摩擦系数，无因次l——直管长度md——直管内径mu——流体流速，由实验测定m/sλ——称为直管摩擦系数。滞流(层流)时，λ＝64／Re；湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数，须由实验确定.2．局部阻力局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。当量长度法流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时．可将管路中的直骨长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为乙各种局部阻力的当量长度之和为3le，则流体在管路中流动时的总阻力损失fh为22udlelhf阻力系数法流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。即式中，ξ——局部阻力系数，无因次；u——在小截面管中流体的平均流速，m／s。由于管件两侧距测压孔问的直管长度很短．引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。因此hf之值可应用柏努利方程由压差计读数求取。三、实验装置与流程1．实验装置图1-1实验装置流程图实验装置如图1-1所示。主要部分由离心泵，不同管径、材质的管子，各种阀门或管件，22uhf4转子流量计等组成。从上向下第一根为不锈钢光滑管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。第三根为不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)，用于局部阻力的测定。流体温度有热电阻，流体流量由涡轮流量计测量，压差有压差变送器测量。本实验的介质为水，由离心泵供给，经实验装置后的水通过管道流入储水箱内循环使用。2．装置结构尺寸装置结构尺寸如表1-1所示。表1-1装置参数名称材质管内径（mm）测试段长度（m）装置（1m）装置（2c）光滑管不锈钢食品管29.529.01.5粗糙管镀锌铁管29.929.21.5局部阻力闸阀35.8635.86图1-2：控制柜面板1、空气开关2、3、4电源指示灯5、流量控制仪6、6路巡检仪（单位m3／h）：第一通道测量离心泵进口压力（单位：kpa），第二通道测量离心泵出口压力（单位：kpa），第三通道测量5离心泵转速（单位：r／min）第四通道测量流体阻力压差（单位：pa）第五通道测量流体温度（单位：摄氏度），第六通道没用，7、功率表（单位：KW）8、仪表电源指示灯、9、仪表电源开关，10、变频器电源指示灯，11、变频器电源开关，12、离心泵电源指示灯、13、离心泵直接或变频器运行转换开关，14、离心泵启动按钮，15、离心泵停止按钮。四、实验步骤及注意事项1．灌泵储水箱中出水到适当位置（大概三分之二处）关闭阀1、阀2、阀3、阀4、阀5、打开离心泵出口排气阀和进口灌水阀，用水杯从灌水阀灌水，气体从排汽阀排出，直到排水阀有水排出并且没有气泡灌水完毕，关闭排气阀和灌水阀。2．启动水泵打开控制柜上1空气开关，打开9仪表电源开关，仪表指示灯10亮，仪表上电，显示被测数据。把转换开关转到直接位置，指示灯12亮，按一下离心泵启动按钮，离心泵运转，启动按钮指示灯亮，水泵启动完毕。3．光滑管排气先打开光滑管与差压变送器相连的阀门，粗糙管和局部阻力与差压变送器相连的阀门关闭，打开阀3和阀2，排出光滑管中的气体，关上阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，光滑管排气完毕。4．光滑管实验打开流体阻力监控软件数据班级、姓名、学号等信息，进入流体阻力实验，点击光滑管，调节阀2，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。光滑管数据采集完毕后，先关闭阀2和阀3，再关闭光滑管与差压变送器相连的两个阀门。5.粗糙管实验粗糙管排气与光滑管排气类似，先打开粗糙管与差压变送器相连的两个阀门，再打开阀4和阀2，排出粗糙管中的气体，关闭阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，粗糙管排气完毕。点击粗粗管，调节阀2，，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，6但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。粗糙管数据采集完毕后，先关闭阀2和阀4，再关闭粗糙管与差压变送器相连的两个阀门。6.局部阻力实验局部阻力排气与光滑管排气类似，先打开局部阻力与差压变送器相连的两个阀门，再打开阀5和阀2，排出粗糙管中的气体，关闭阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，局部阻力排气完毕。点击局部阻力，调节阀2，，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。局部阻力数据采集完毕后，先关闭阀2和阀5，再关闭局部阻力与差压变送器相连的两个阀门。流体阻力实验完毕。7、数据处理实验数据记录序号流量L/s（湍流）或(L/h)(层流)光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa压差压差压差实验数据采集完毕，打开数据处理软件，打开实验数据，执行相应的软件功能，就可算出流体雷诺系数与摩擦因数的关系，执行绘图功能，就可绘出雷诺系数与摩擦因数的曲线关系，执行打印功能就可打印实验数据和实验处理结果。五、实验报告1．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ~Re曲线，对照化工原理教材上有关图形，即可估出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。2．根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。74．对实验结果进行分析讨论。注：流体阻力控制仪表（AI－519）参数P＝30I＝3D＝1六、思考题1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的流量调节阀?为什么?2．如何检验测试系统内的空气已经被排除干净?3．以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?如何应用?4．在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的λ~Re数据能否关联在同一条曲线上?5．如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?6．在直管阻力测量中，压差计显示的压差是否随着流量的增加而成线性增加？分别就层流和湍流进行讨论。8实验六过滤常数的测定一、实验目的1．熟悉板框压滤机的构造和操作方法；2．通过恒压过滤实验,验证过滤基本原理；3．学会测定过滤常数K、qe、τe，并以实验所得结果验证过滤方程式，增进对过滤理论的理解；4．改变压强差重复上述操作，测定压缩指数s和物料特性常数k；5．了解操作压力对过滤速率的影响。二、基本原理过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液的操作。在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固液分离。过滤操作中，随着过滤过程的进行，固体颗粒层的厚度不断增加，故在恒压过滤操作中，过滤速率不断降低。影响过滤速率的主要因素除压强差、滤饼厚度外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，在低雷诺数范围内，过滤速率计算式为：LpaKu223')1(1(1)u：过滤速度，m/sK’：康采尼常数，层流时，K’＝5.0ε：床层空隙率，m3/m3μ：滤液粘度，Pasa：颗粒的比表面积，m2/m3△p：过滤的压强差，PaL：床层厚度，m由此可以导出过滤基本方程式：)('12VeVvrpAddVs(2)V：过滤体积，m3τ：过滤时间，sA：过滤面积，m2Ve：虚拟滤液体积，m3r：滤饼比阻，1/m2，r=5.0a2(1-ε)2/ε3r’：单位压强下的比阻，1/m2，r=r’△psv：滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次9S：滤饼压缩性指数，无因次，一般S＝0～1，对不可压缩滤饼，S＝0恒压过滤时，令k=1/μr’v，K=2k△p1-s，q=V/A，qe=Ve/A，对(2)式积分得：(q+qe)2=K(τ+τe)(3)K、q、qe三者总称为过滤常数，由实验测定。对（3）式微分得：2(q+qe)dq=KdτeqKqKdqd22(4)用△τ/△q代替dτ/dq，在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔△τi，和对应的滤液体积△Vi，可计算出一系列△τi、△qi、qi，在直角坐标系中绘制△τ/△q～q的函数关系，得一直线，斜率为2/K，截距为2qe/K，可求得K和qe，再根据τe=qe2/K，可得τe。改变过滤压差△p，可测得不同的K值，由K的定义式两边取对数得：lgK=(1-S)lg(△p)+lg(2k)(5)在实验压差范围内，若k为常数，则lgK～lg(△p)的关系在直角坐标上应是一条直线，斜率为(1-S)，可得滤饼压缩性指数S，进而确定物料特性常数k。三、实验装置与流程实验装置如图4-1、4-2所示：图4-1板框压虑机过滤流程图10图4-1板框压滤机过滤流程1-可移动框架2-阀23-止回阀4-压力料罐5-玻璃视镜6-压紧手轮7-压力表8-板框组9-板框进口压力表10-压力定值调节阀12-阀1013-阀914-配料槽15-指示尺16-阀617-阀718-阀819-阀520-阀421-阀322-阀1CaCO3的悬浮液在配料桶内配制一定浓度后，利用压差送入压力料槽中，用压缩空气搅拌，同时利用压缩空气将滤浆送入板框压滤机过滤，滤液流入量筒计量，压缩空气从压力料槽排空管排出。板框压虑机的结构尺寸：框厚度11mm，过滤总面积0.048m2。单个滤框面积＝0.006m2空气压缩机规格型号：V－0.08/8，最大气压0.8Mpa。四、实验步骤与注意事项（一）实验步骤：1、配制含CaCO38％～13％（wt%）的水悬浮液。2、开启空压机，打开阀2、阀3，关闭阀1阀4、阀5，将压缩空气通入配料槽，使CaCO3悬浮液搅拌均匀。113、正确装好滤板、滤框及滤布。滤布使用前用水浸湿。滤布要绷紧，不能起皱（注意：用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧）。4、等配料槽料液搅拌均匀后，关闭阀3，打开阀5及压力料槽上的排气阀，使料浆自动由配料桶流入压力料槽至其