化工基础实验指导书

《化工基础实验指导书》实验一伯努利方程实验一、实验目的1．通过实验静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和伯努利方程。2．通过实测流速的变化与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。（测定文氏管的孔流系数Cv）3．观察流体流经收缩、扩大管段时，各截面上静压之关系。二、实验原理流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以相互转化。在没有摩擦损失且不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过的各截面上的机械能总和是相等的；在有摩擦没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。机械能可用测压管中液柱的高度来表示。取任意两测试点，列出能量衡算式：fhPugZPugZ2222121122（1-1）式中，Z1，Z2——两测试点距基准面的高度；u1，u2——两点的流速；fh——两点的阻力损失。对于水平测试管，Z1=Z2，则fhPuPu22212122（1-2）（1）有阻力损失情况下，若u1=u2，则P2P1（2）不考虑阻力损失的情况下，即fh=0，若u1u2，则P1P2；静止状态下，即u1=u2=0，则P1=P2。其中，dE=dA=25mm，dB=dD=14mm，dC=7mm。pa-po——截面a与截面o间的压强差，单位为Pa，其值大小由压差计读数R来确定；三、实验装置装置如图：一个液面高度保持不变的水箱，与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验管上取有不同的测试点。水的流量由入口阀和出口阀门调节，出口阀关闭时流体静止。低位槽泵开关ABCDE入口阀出口阀转子流量计图1-1伯努利方程实验装置图四、实验步骤1．向水箱注入清洁的水至2/3左右。2．检查出口阀和入口阀是否关闭。（正确为关闭）3．接通电源，按电源开关启动水泵后，立即打开入口阀到120L/h，让水充满测试管并排尽管内的空气（包括测压管内）。（为什么？）4．缓慢打开出口阀，使各点的测压液柱控制在标尺范围内（约2/3的高度），稳定后，记录各测压管的读数。5．逐步调节入口阀和出口阀，改变管道内的流量，仔细观察不同导管截面处产生的不同静压强变化规律，测取若干点流量下，动能与压能的变化规律并加以计算。6．实验结束，关入口阀后，马上关电源按钮。清理现场，填写实验记录。五、实验数据处理1.实验记录序号流量（L/h）hA（cm）hB（cm）hC（cm）hD（cm）hE（cm）116021203804405202.数据处理序号流量（m3/s）ABfhACfhDEfhCEfhReCv12345将Cv~Re关系标绘在半对数坐标纸上。*根据duRe，求得雷诺数，其中d取对应的d0值。*六、实验注意事项1．严禁泵在无液体状态下运转。2．必须将管中存在的气体排净。七、思考题1．如果C截面变得更小，那么hC会如何变化？2．孔流系数Cv与哪些因素有关？3.关闭入口阀，各测压管内液位是否相同，为什么？实验二传热系数的测定一、实验目的1．掌握列管换热器传热系数的测定。2．通过实验确定流速对传热系数的影响。二、实验原理热流体在列管热交换器的管内流过，而冷流体在管外流过（逆流），通过固体壁面传递热量。穿热过程由热流体对壁面的对流传热、间壁的固体热传导和壁面对冷流体的对流传热。热流体的热量：)(21TTqCqmp（J/S）传热速率：mTKAq（J/S）式中：2121lnttttTm，211tTt，122tTt所以，传热系数mpmTATTCqK)(21（W/m2.K）三、实验装置四、实验步骤1.打开进水阀门，控制水流量在200L/h。2.启动气源气泵后，马上打开进气阀，控制空气流量在25m3/h。3.接上电源，按绿钮开启加热电源，待控温仪上温度（120℃左右）稳定后（约5~10分钟），进行实验测定，记下各流量及温度读数。4.测定传热系数K时，在维持水流量不变的情况下，改变空气流量，测定组数据。5.实验结束，按红钮关闭加热电源，继续通空气和水（5分钟），直至空气出口温度低图6-1传热系数实验装置简图于50℃，关闭水和空气调节阀后，马上关闭空气和电源。切断总电源，排尽管道中的积水，作好清洁工作，填写使用记录。五、实验数据处理1.数据记录序号热流体（空气）冷流体（水）空气流量（m3/h）温度（℃）水流量（L/h）温度（℃）T1T2t1t212345注：内管为不锈钢，管径mm110，测试长度l=1000mm，管数20根，管外测传热总面积0.62m22.数据处理序号q（W）逆mt（℃）K（W/m2.℃）K平均（W/m2.℃）12345六、实验注意事项1.控温仪上的表键严禁触摸！2.气源不可在0流量下工作，应用旁路阀来调节。3.停止实验时，必须先停热电源，待管内热水被冷却后，再停止通冷水。4.加热时以设定120℃为宜，不得大于130℃。5.实验用的加热空气，温度达100℃以上时要注意安全！七、思考题：1.本实验中你是如何判断系统达到稳定状态？2.流体流量对K有影响，问空气与水的流量哪个对K影响较大，为什么？实验三传热膜系数实验一、实验目的1.通过实验掌握传热膜系数的测定方法，并分析影响的因素。2.掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数C和指数m、n的方法。3.通过实验提高对关联式的理解。4.了解影响给热系数的因素和强化传热系数的途径。5．验证并流、逆流换热器的特点。二、实验原理1.对流系数的核心问题是求算传热膜系数，当流体无相变化时对流传热准数关联式一般形式为pnmGrCNuPrRe。对于强制湍流，Gr准数可以忽略，则nmCNuPrRe。本实验中，可用图解法和最小二乘法两种方法计算准数关联式中的指数m、n和系数C。用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。为了便于掌握这类方程的关联方法，可取n=0.4（实验中流体被加热）。这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程：RelglgPrlg4.0mCNu（7-1）在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值代入方程中得到C，即mNuCRePr4.0（7-2）用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性，而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。应用计算机对多变量方程进行一次回归。就能同时得到C、m、n。可以看出对方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。雷诺数duRe，努塞尔准数dNu1，普兰特准数pCPr式中：d——换热器内管内径（m）；1——空气传热膜系数（W/m2℃）；——空气密度（kg/m3）；——空气的导热系数（W/m2℃）；pC——空气定压比热（J/kg℃）。实验中改变空气的流量以改变准数Re之值。根据定性温度计算对应的Pr准数值，同时由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而算得Nu准数值。2．牛顿冷却定律mtAq内1（7-3）式中，2121lntttttm，211WTTt，122WTTt（逆流），A内为内管内表面积。3．总传热速率方程式mtKAmq（7-4）式中，mt为管内外流体的平均温差（℃），2121lntttttm，211tTt，122tTt（逆流）传热量q可由下式求得：3600/)(3600/)(2121TTCqTTCqqPvPw（7-5）式中，wq——空气质量流量（kg/h）；vq——空气体积流量（m3/h）；T1，T2——空气的进出口温度（℃）。实验条件下的的空气流量vq须按下式计算：12732731ttqqvtv（7-6）式中，1vtq——空气入口温度下的体积流量（m3/h）；t——水进出口平均温度（℃）。因为空气传热膜系数1远小于水的传热膜系数2，所以传热管内的对流传热系数近似于冷热流体间的总传热系数K。强化传热被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量，提高现有换热器的换热能力，使换热器能在较低温差西啊工作，并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，能有效的利用能源和资金。强化传热时，moBReNu，其中B，m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。同样可用线性回归方法确定B和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，即强化管的努塞尔特准数oNu与普通管的努塞尔特准数Nu的比。显然，强化比oNu/Nu1，而且它的值越大，强化效果越好。三、实验装置本实验采用套管式换热器，空气走管程，水走壳程。装置简图如下：换热器内管内径d1（mm）15换热器内管内径d0（mm）18换热器内管内径D1（mm）22换热器内管内径D0（mm）25测量段长度l（m）2.00雷诺准数内管65103~103套管54109.0~109.0加热系统功率3KW四、实验步骤图7-1传热膜系数实验装置简图表3-1传热管参数表1.先打开进水阀门，控制流量计读数在200L/h。2.接上气泵电源，启动气泵后，马上打开空气出口阀，维持流量计读数在15m3/h。3.接上电源，按绿纽开启加热电源，对空气加热10分钟后（T1为180℃左右），开始实验，记录冷、热流体流量和进出口温度，管道壁温。4.调节空气流量，稳定后（约10分钟），测另一种数据。5.实验结束后，先按红纽关加热电源，继续通水、气10分钟后，直到空气出口温度低于50℃以下，关闭水和空气调节阀后，马上关闭空气泵的电源。切断总电源，排尽管道中的积水，做好清洁工作，填写实验记录。五、实验处理1.数据记录序号热流体冷流体壁温流量（m3/h）温度（℃）流量（m3/h）温度（℃）温度（℃）T1T2t1t2TW1TW2123452.数据处理序号q（W）mt（℃）K（W/m2K）mt（℃）h（W/m2K）NuPr0.4Re12345作logNu/Pr0.4~logRe曲线，求C和n。六、实验注意事项1.实验装置仪柜上的拉门不得随便打开，以防触电。2.控温仪上的表键严禁触摸！3.气源不可在0流量下工作，应用旁路阀来调节为宜，也必须保证空气管线的畅通，即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。4.停止实验时，必须先停加热电器，待管内热水冷却后，再停止水泵并停止通冷水。5.加热时以设定180℃为宜，不得大于190℃。6.实验用的加热空气，温度达100℃以上时要注意安全！七、思考题1.给热系数受流体流量的影响有多大，空气或水的流量哪个影响较大，为什么？2.为什么数据要整理成Nu-Re的关系，而不是Nu-U的关系？3.本实验中测定的壁面温度接近于哪一侧的温度，为什么？4．本实验中如果冷水与蒸汽的走向发生改变，将对传热效果产生何影响？