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式中:
τ---过滤时间[s];
q---滤液体积[m3/m2];
qe---虚拟滤液体积[m3/m2];
K---恒压过滤常数[m2/s];
该微分式为一直线方程,其斜率为2/K,截距为2qe/K。
实验中△τ/△q代替dτ/dq,通过实验测定一系列的△τ与△q值,用作图的方法,求出直线的斜率、截距,进而求出恒压过滤常数K,虚拟滤液体积qe,将qe代入方程
(2)可求出虚拟过滤时间τe。
四注意事项:
(1)、配料时启动泵,打开回流阀,循环搅拌,使悬浮液均匀.
(2)、往高位槽供料时必须打开排气阀,同时打开搅拌电机.
(3)、高位槽通入压缩空气作为滤浆时加压之用.高位槽的压强可由放气旁路上的阀门加以调节.
(4)、开始过滤前必须将板框压紧
五实验数据记录与处理:
二、精馏实验
一基本原理:
1、在板式蒸馏塔中,混合液的蒸汽逐板上升,回流液逐板下降,气液两相在塔板上接触,实现传质、传热过程而达到分离的目的。
如果在每层塔板上,上升的蒸汽与下降的液体处于平衡状态,则该塔板称之为理论塔板。
然而在实际操做过程中由于接触时间有限,气液两相不可能达到平衡,即实际塔板的分离效果达不到一块理论塔板的作用。
因此,完成一定的分离任务,精馏塔所需的实际塔板数总是比理论塔板数多。
对于双组分混合液的蒸馏,若已知汽液平衡数据,测得塔顶流出液组成Xd、釜残液组成Xw,液料组成Xf及回流比R和进料状态,就可用图解法在y-x图上,或用其他方法求出理论塔板数Nt。
精馏塔的全塔效率Et为理论塔板数与实际塔板数N之比,既:
Et=Nt/N
影响塔板效率的因素很多,大致可归结为:
流体的物理性质(如粘度、密度、相对挥发度和表面张力等)、塔板结构以及塔的操作条件等。
由于影响塔板效率的因素相当复杂,目前塔板效率仍以实验测定给出。
2、精馏塔的单板效率Em可以根据气相(或液相)通过测定塔板的浓度变化进行计算。
若以液相浓度变化计算,则为:
Eml=(Xn-1-Xn)/(Xn-1-Xn*)
若以气相浓度变化计算,则为:
Emv=(Yn-Yn+1)/(Yn*-Yn-1)
式中:
Xn-1-----第n-1块板下降的液体组成,摩尔分率;
Xn-------第n块板下降的液体组成,摩尔分率;
Xn*------第n块板上与升蒸汽Yn相平衡的液相组成,摩尔分率;
Yn+1-----第n+1块板上升蒸汽组成,摩尔分率;
Yn-------第n块板上升蒸汽组成,摩尔分率;
Yn*------第n块板上与下降液体Xn相平衡的气相组成,摩尔分率。
在实验过程中,只要测得相邻两块板的液相(或气相)组成,依据相平衡关系,按上述两式即可求得单板效率Em.
二计算方法、原理、公式:
(1)精馏塔的全塔效率Et为理论塔板数与实际塔板数N之比,既:
Et=Nt/N
(2)精馏塔的单板效率Em可以根据气相(或液相)通过测定塔板的浓度变化进行计算。
若以液相浓度变化计算,则为:
若以气相浓度变化计算,则为:
Xn-1-----第n-1块板下降的液体组成,摩尔分率
Xn-------第n块板下降的液体组成,摩尔分率
Xn*------第n块板上与升蒸汽Yn相平衡的液相组成,摩尔分率
Yn+1-----第n+1块板上升蒸汽组成,摩尔分率
Yn-------第n块板上升蒸汽组成,摩尔分率
Yn*------第n块板上与下降液体Xn相平衡的气相组成,摩尔分率
在实验过程中,只要测得相邻两块板的液相(或气相)组成,依据相平衡关系,按上述两式即可求得单板效率Em。
三注意事项:
(1)简化掉了配液过程,原料液直接装在原料罐内
(2)电源开关由两个简化为一个
(3)加热开始后,回流开始前,应注意塔釜温度和塔顶压力的变化。
当塔顶压力超过一个大气压很多时(例如0.1atm以上),应打开衡压排气阀进行排气降压。
此时应密切注视塔顶压力,当降到一个大气压时,应马上关闭。
注意:
回流开始以后就不能在打开衡压排气阀,否则会影响结果。
(4)对于产品的检验,有些学校使用比重计,有些学校使用折光仪,各不相同,仿真实验为了简化我们直接给出了摩尔分率。
四实验数据记录与处理:
三、传热膜系数测定
一基本原理
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α,当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为:
(4-1)
对于强制湍流而言,Gr准数可以忽略,故
(4-2)
本实验中,可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m、n和系数A。
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。
本实验可简化上式,即取n=0.4(流体被加热)。
这样,上式即变为单变量方程,再两边取对数,即得到直线方程:
(4-3)
在双对数坐标中作图,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,则可得到系数A,即:
(4-4)
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。
应用微机,对多变量方程进行一次回归,就能同时得到A、m、n。
对于方程的关联,首先要有Nu、Re、Pr的数据组。
其准数定义式分别为:
实验中改变冷却水的流量以改变Re准数的值。
根据定性温度(冷却水进、出口温度的算术平均值)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α值。
进而算得Nu准数值。
牛顿冷却定律:
(4-5)
α—传热膜系数,[W/m2·
℃];
Q—传热量,[W];
A—总传热面积,[m2];
△tm—管壁温度与管内流体温度的对数平均温差,[℃]。
传热量Q可由下式求得:
(4-6)
W—质量流量,[kg/h];
Cp—流体定压比热,[J/kg·
t1、t2—流体进、出口温度,[℃];
ρ—定性温度下流体密度,[kg/m3];
V—流体体积流量,[m3/s]。
二计算方法、原理、公式
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α,当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为:
(4-1)
(4-2)
这样,上式即变为单变量方程,再两边取对数,即得到直线议程:
(4-3)
对多变量方程进行一次回归,就能同时得到A、m。
对于方程的关联,首先要有Nu、Re、Pr的数据组。
实验中改变空气的流量以改变Re准数的值。
根据定性温度(水进、出口温度的算术平均值)计算对应的Pr准数值。
牛顿冷却定律:
(4-5)
α—传热膜系数,[W/m2·
W—质量流量,[kg/h];
ρ—定性温度下流体密度,[kg/m3];
三注意事项
(1)、学校的设备大都是需要用电为差计测量电流然后计算温度的,此套设备比较先进,采用了数字显示仪表直接显示温度。
(2)、关于排放不凝气:
如果不打开放气阀,理论上套管内的压力应该不断增大,最后爆炸,实际上由于套管的密封程度不是很好,会漏气,所以压力不会升高很多,基本可以忽略。
另外不凝气的影响在实际是实验中并不是很大,在仿真实验中为了说明做了夸大。
(3)蒸汽发生器:
关于蒸汽发生器的控制和安全问题做了简化。
(4)传热实验有两个流程,另一个管内的介质为空气,原理一样,只是流程稍有不同。
四、离心泵特性曲线测定
(1)离心泵特性曲线的概念。
(2)离心泵性能参数的测定方法。
(3)测量Q的测定。
(4)扬程H的测定。
(5)轴功率N的测定。
(6)效率η。
(7)转速n的测定。
二离心泵特性曲线的概念:
离心泵的主要性能参数有流量Q(也叫送液能力)、扬程H(也叫压头)、轴功率N和效率η。
在一定的转速下,离心泵的扬程H、轴功率N和效率η均随实际流速Q的大小而改变。
通常用水经过实验测出Q-H、Q-N及Q-η之间的关系,并以三条曲线分别表示出来,这三条曲线就称之为离心泵的特性曲线。
离心泵的特性曲线是确定泵适宜的操作条件和选用离心泵的重要依据。
但是,离心泵的特性曲线目前还不能用解析方法进行精确计算,仅能通过实验来测定,而且离心泵的性能全都与转速有关;
在实际应用过程中,大多数离心泵又是在恒定转速下运行,所以我们要学习离心泵恒定转速下特性曲线的测定方法。
三计算方法、原理、公式:
(1)流量用下式计算:
流量(升/秒)=涡轮流量计频率/涡轮流量计流量系数
注意还要进一步转换成立方米/秒
(2)泵的扬程用下式计算:
He=H压力表+H真空表+H0+(u出2-u入2)/2g
H压力表——泵出口处压力
H真空表——泵入口真空度
H0——压力表和真空表测压口之间的垂直距离
u出——泵出口处液体流速
u入——泵入口处液体流速
g——重力加速度
(3)泵的总效率为:
其中,Ne为泵的有效功率:
Ne=ρ*g*Q*He
ρ——液体密度
g——重力加速度常数
Q——泵的流量
(4)电机输入离心泵的功率Na:
Na=K*N电*η电*η转
K——用标准功率表校正功率表的校正系数,一般取1。
N电——电机的输入功率
η电——电机的效率
η转——传动装置效率
(1)当没有完成灌泵时启动泵会发生气缚现象
(2)当关泵完成后在出口阀全开的情况下启动泵可能会发生烧泵事故因为离心泵的安装高度在液面以上,所以在启动离心泵之前必须进行灌泵。
调节灌泵阀的开度为100在压力表上单击鼠标左键,即可放大读数(右键点击复原)。
当读数大于0时,说明泵壳内已经充满水,但由于泵壳上部还留有一部分气体,所以需要放气。
调节开度大于0,即可放出气体,气体排尽后,会有液体涌出。
此时关闭排气阀和灌泵阀,灌泵工作完成。
灌泵工作完成后,点击电源开关的绿色按钮接通电源,就可以启动离心泵,并开始工作。
注意:
在启动离心泵时,主调节阀应关闭,如果主调节阀全开,会导致泵启动时功率过大,从而引发烧泵事故。
(3)启动离心泵后,调节流量调节阀到一定开度,等涡轮流量计的示数稳定后,即可读数。
鼠标左键点击压力表、真空表和功率表,即可放大,以读取数据。
务必要等到流量稳定时再读数,否则会引起数据不准。
(4)鼠标左键点击实验主画面左边菜单中的“数据处理”,可调出数据处理窗口,在原始数页按项目分别填入记录表,也可在用点击“打印数据记录表”键所打印的数据记录表记录数据,两者形式基本相同。
注意单位换算。
如果您使用自动记录功能,则当您点击“自动记录”键时,数据会被自动写入而不需手动填写
调节主调节阀的开度以改变流量,然后重复上述第4——5步,从大到小测10组数据。
记录完毕后进入数据处理。
五数据记录与处理:
五、孔板流量计标定实验
一、基本原理
在管路上装有一块孔板,孔板两侧接测压管,分别与U型压差计相连接。
孔板流量计是利用流体通过锐孔的节流作用,使流速增大,压强减小,造成孔板前后压强差,作为测量的依据。
若管路直径为d1,孔板锐孔直径为d0,流体流经孔板后所形成缩脉的直径为d2,流体密度为ρ。
在界面I,Ⅱ处即孔板前测压导管处和缩脉处的速度,压强分别为u1,u2与p1,p2,根据柏努利方程式,不考虑能量损失可得:
或
由于缩脉的位置随流速的变化而变化,截面积S2又难以知道,而孔口的面积却是知道的,测压口的位置在设备一旦制成后也不改变,因此,用孔板孔径处的u0来代替u2,又考虑到流体因局部阻力而造成的能量损失,并用校正系数C来校正。
则有:
对于不可压缩流体,根据连续性方程式又有:
则经过整理后可得:
令
则又可以简化为:
根据u0和S2即可算出流体的体积流量:
[m3/s]
或
[m3/s]
公式中:
R—U型压差计的读数,[m];
pr—压差计中指示液的密度,[kg/m3];
C0—孔流系数,它由孔板锐孔的形状,测压口的位置,孔径与管径比和雷诺准数共同决定。
具体数值由实验确定。
当d1/d2一定,Re准数超过某个数值后,C0就接近于定值。
一般在工业上定型孔板流量计都规定在C0为常数的流动条件下使用。
二、设备参数:
计量桶面积:
1m2管道内径:
30mm
孔板与管道截面积之比:
A0/A1=0.6
工作温度:
除非特别指示,都取常温25℃
压差计:
正U型压差计中为水银,标尺单位为厘米
三、计算方法、原理、公式:
孔板流量计流量计算公式:
R——U型压差计的读数g——重力加速度常数ρ——液体密度
ρr——压差计中指示液的密度S0——孔板开孔面积
C0——孔流系数,它由孔板锐孔的形状,测压口的位置,孔径与管径比和雷诺准数共同决定。
四、注意事项:
为了更好的表现孔流系数C0在Re比较小时随Re的变化,我们把实验中的流量定得很低,以获得更小的Re。
另外,一般流量计校验实验是测定在孔流系数几乎不变的范围内测定多次取平均值,以得到C0,而不是认识C0随Re的变化关系。
因此,如果用手动记录数据和计算,就会出现很大的误差,用自动计算可以得到比较好的结果。
五、操作步骤:
因为离心泵的安装高度在液面以上,所以在启动离心泵之前必须进行灌泵。
因为本实验的重点在流量计,而不是离心泵,所以对灌泵进行了简化。
只要调节灌泵阀开度大于0,等待10秒以上,然后关闭灌泵阀,系统就会认为已经完成了灌泵操作。
启动离心泵后,调解主调节阀的开度为100,即可建立流动。
用鼠标左键点击标尺,即可调出标尺的读数画面,先记录下液面的初始高度。
鼠标右键点击可关闭标尺画面。
然后用鼠标左键点击活动接头,即可把水流引向计量槽,可以看到液面开始上升,同时计时器会自动开始计时。
当液面上升到一定高度时,鼠标左键点击活动接头,将其转到泄液部分,同时计时器也会自动停止。
此时记录下液面高度和计时器读数。
用鼠标左键点击压差计,用鼠标拖动滚动条,读取压差。
鼠标左键点击实验主画面左边菜单中的“数据处理”,可调出数据处理窗口,点击原始数据页。
如果您使用自动记录功能,则当您点击“自动记录”键时,数据会被自动写入而不需手动填写。
调节主调节阀的开度以改变流量,然后重复上述第4——5步,为了实验精度和回归曲线的需要,至少要测10组数据。
如果您使用“自动记录”功能或已经将数据记录在数据库内,则可以跳过此步如果要使用“自动计算”功能,在相应的计算结果页点击“自动计算”即可。
数据即可自动计算并自动填入数据库。
计算完成后,在如上图所示在曲线页点击“开始绘制“即可根据数据自动绘制出曲线。
六、数据处理:
六、流体阻力实验
一实验原理
流体在管道内流动时,由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。
流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关,它们之间存在如下关系。
(1-1)
(1-2)
(1-3)
d——管径,m;
△Pf——直管阻力引起的压强降,Pa;
u——流速,m/s;
ρ——流体的密度,kg/m3;
μ——流体的粘度,N·
s/m2。
直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间有一定的关系,这个关系一般用曲线来表示。
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△Pf、与流速u(流量V)之间的关系。
根据实验数据和式(1-2)可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ;
用式(1-3)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。
二设备参数
光滑管管径(mm):
20管长(m):
1.5绝对粗糙度(mm):
0.002粗糙管管径(mm):
20.0管长(m):
.2突然扩大管细管径(mm):
20.0粗管径(mm):
40孔板流量计开孔直径(mm):
12.0孔流系数:
0.62
三计算方法、原理、公式
流体在管道内流动时,由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。
流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关,它们之间存在如下关系:
(1-1)
(1-2)
(1-3)
d——管径
△Pf——直管阻力引起的压强降
u——流速
ρ——流体的密度
μ——流体的粘度
对于局部阻力,则有:
ξ称为局部阻力系数,它与流体流过的管件的几何形状以及流体的Re有关,当Re大到一定程度以后,ξ与Re数无关,成为定值。
或者可以近似的认为局部阻力的损失可以相当于某个长度的直管引起的损失:
式中le为管件的当量长度,由实验测得。
四注意事项
(1)倒U型管在使用前必须进行排气。
首先,关紧A,打开B,C,D,E排气;
接着关紧B,C,D,E,打开A,缓缓打开D,E,使管内形成气水柱,液柱约为管高度的一半。
最后依次关紧A,D,E,再双手同时缓缓打开B,C。
如果倒U型管高度差不为零,表明导压管内仍有气泡,重复上述操作,直到高度差为零。
(2)为了接近理想的光滑管,我们选用了玻璃管,实际上在普通实验室中很少采用玻璃管
(3)要更好地回归处理数据,请尽量多地测量数据,并且尽量使数据分布在整个流量范围内。
(4)在层流范围内,用阀门按钮调节很难控制,请自己在阀门开度栏内自己输入开度(阀门开度小于5%)。
(5)对于突然扩大管,我们做了简化,认为阻力系数是定值,不随Re变化。
五实验数据记录与处理
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