化工原理实验指导书.docx

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化工原理实验指导书

化工原理

实验指导书

化学与化学工程系

化学工程教研室

2014.03

实验一雷诺实验

一、实验目的

1．观察流体在管内流动的两种不同流型。

2．测定临界雷诺数。

二、基本原理

流体流动有两种不同型态，即层流（滞流）和湍流（紊流）。

流体作层流流动时，其流体质点作直线运动，且互相干行；湍流时质点紊乱地向各个方向作不规则的运动，但流体的主体向某一方向流动。

雷诺准数是判断流动型态的准数，若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：

式中，Re——雷诺准数，无因次；d——管子内径，mm；

u——流体流速，m／s；ρ——流体密度，kg／m3；

μ——流体粘度；Pa·s。

对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。

本实验通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体流型的变化，一般认为Re<2000时，流动型态为层流；Re>4000时。

流动为湍流；2000

三、实验装置与流程

实验装置如图1-1所示。

主要由玻璃试验导管、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽、缓冲水槽以及流量计等部分组成。

实验前，先将水充满低位贮水槽，然后关闭泵的出口阀和流量计后的调节阀，再将溢流水槽到缓冲水槽的整个系统加满水。

最后，设法排尽系统中的气泡。

实验操作时，先启动循环水泵，然后开启泵的出口阀及流量计后的调节阀。

水由稳压溢流水槽流经试验导管、缓冲槽和流量计，最后流回低位贮水槽。

水流量的大小，可由流量计后调节阀调节。

泵的出口阀控制溢流水槽的溢流量。

示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶．经连接软管和玻璃注射管的细孔喷嘴，注入试验导管。

细孔玻璃注射管（或注射针头）位于试验导管入口的轴线部位。

四、实验操作

1.层流流动类型

图1-1雷诺演示实验装置

1-可移动框架2-循环水泵3-低位贮水槽4-流量调节闸阀5-旁路阀门6-转子流量计7-溢流水槽8-红墨水贮瓶9-红墨水喷针10-玻璃试验导管11-低位贮水槽排污阀

试验时，先少许开启凋节阀，将流速调至所需要的值。

再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并用自由夹作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。

待流动稳定后．记录主体流体的流量。

此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好象一根拉直的红线一样。

2.湍流流动型态

缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大。

玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。

同时，相应地适当凋节泵出口阀的开度，以保持溢流水槽内仍有一定溢流量，以确保试验导管内的流体始终为稳定流动。

可观察到：

玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。

随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。

当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后。

立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。

五、数据记录

年月日水温

NO

流量ml/s

流速m/s

Re×103

现象

1

2

3

4

5

实验二柏努利实验

一、实验目的

1、加深对能量转化概念的理解；

2、观察流体流经扩大管、缩小管段时，各截面上静压变化。

二、实验原理

对于不可压缩流体，在导管内作定常流动，系统与环境又无功的交换时，若以单位质量流体为衡算基准，由于导管截面上的流速不同，而引起相应静压头变化，其关系可由流动过程中能量恒算方程来描述，即：

式中：

——每千克质量流体具有的位能，J/kg；

——表示每千克质量流体具有的动能，J/kg；

——表示每千克质量流体具有的压强能，J/kg

——表示每千克质量流体在流动过程中的摩摖损失，J/kg。

若以单位重量流体为衡算基准时，则又可表达为

）式中：

Z—流体的位压头，m液柱；

P—流体的压强，Pa；

u—流体的平均流速，m·s–1；

ρ－流体的密度，kg·m–3；

－流动系统内因阻力造成的能量损失，J·kg–1；

－流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。

因此，由于导管截面和位置发生变化引起流速变化，致使部分静压头转化成动压头，它的变化可由各玻璃管中水柱高度指示出来。

三、实验装置

如图2-1所示，本实验装置主要由实验导管、稳压溢流水槽和三对测压管所组成。

实验导管为一水平装置的变径圆管，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，分别测量该截面处的静压头和冲压头。

实验装置的流程如图所示。

液体由稳压水槽流入实验导管，途径直径分别为16、25和16mm的管子，最后排除出设备。

流体流量由出口调节阀调节。

流量需直接由计时称量测定之。

实验前，先将水充满低位储水箱，然后关闭泵的出口阀和试管导管出口调节阀，并将水灌满稳压流水水箱，最后，设法排尽系统中的气泡。

实验时，先启动循环水泵，然后依次开启出口阀和调节阀，水由低位储水箱被送入稳压溢流水箱。

流经试验导管后再返回低位储水箱中。

流体流量可由试验管出口调节阀控制。

泵出口阀控制溢流水箱的溢流量，以保持水箱内液面恒定，从而保证流动体系在整个实验过程中维持稳定流动。

四、实验方法

1、非流动体的机械能分布及其转换

演示时，将泵的出口阀和试验导管出口的调节阀全部关闭，系统内的液体处于静止状态。

此时，可观察到：

试验导管上的所有的测压管中的水柱高度都是相同的，且其液面与溢流水箱内的液面平齐。

2、流动体系的机械能分布及其转换

启动循环水泵，将泵出口阀逐渐开启，调节流量至溢流水箱中有足够的溢流水溢出。

缓慢地开启试验导管的出口调节阀，使导管内水开始流动，各测压管中的水柱高度将随之开始发生变化。

可观察到：

各截面上的水柱高度差随着流体流量的增大而增大。

这说明，当流量加大时，流体流过导管各截面上的流速也随之加大。

这就需要更多的静压头转化为动压头，表现为每对测压管的水柱高度差加大。

同时，各对测压管的右侧管中水柱高度则随流体流量增大而下降，这说明流体在流动过程中，能量损失与流体流速成正比。

流速愈大，流体在流动过程中能量损失亦愈大。

五、实验记录

1、非流动体的机械能分布及其转换

流量L/m

hA

mm

hB

mm

hC

mm

hD

mm

hE

mm

hF

mm

0

（表中A、B…分别为实验装置流程图中从左至右的六根测压管，下表同）

2、流动体系的机械能分布及其转换

No

流量

l/h

hA

mm

hB

mm

hC

mm

hD

mm

hE

mm

hF

mm

1

2

3

4

5

六、实验讨论

1、静压头大小的比较（即HA、HC及HE大小比较，并分析原因）

2、能量是否守恒（即HA+HB、HC+HD及HE+HF大小比较，HB可分别用直接读数和u2/2g代替）

3、HA1+HB1、HA2+HB2…HA5+HB5比较,HC1+HD1、HC2+HD2…HC5+HD5比较，并分析原因

4、如果实验导管中变径管直径小于沿程直径，实验结果会有什么变化？

实验三流体流动阻力测定

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．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re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。

5．观察组成管路的各种管件、阀件，并了解其作用。

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

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：

组合成如下的无因次式：

令

则

式中，

——压降Pa

hf——直管阻力损失J/kg，

ρ——流体密度kg/m3

λ——直管摩擦系数，无因次

l——直管长度m

d——直管内径m

u——流体流速，由实验测定m/s

λ——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。

（1）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

，则流体在管路中流动时的总阻力损失

为

（2）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3-1实验装置流程图

1-底阀2-移动框架3-离心泵4-转速传感器5-倒U型压差计6-涡轮流量计7-离心泵流量调节阀18-流量校正阀29-阀310-阀411-阀512-均压环13-光滑管14粗糙管15-局部阻力阀

16-压力表、压力传感器17-阻力流量调节阀618-温度计19-真空表、真空度传感器20-泵灌水口21-排水口（关）22-灌水阀23-放水阀

实验装置如图3-1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，转子流量计等组成。

从上向下第一根为不锈钢管，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。

倒U型压差计由左向右依次分别为：

光滑管压差计、粗糙管压差计及局部阻力压差计。

本实验的介质为水，由离心泵供给，经实验装置后的水通过地下管道流人储水箱内循环使用。

水流量用装在测试装置的转子流量计测量，直管段和管件的阻力分别用各自的倒U形压差计测量。

2．装置结构尺寸

装置结构尺寸如表3-1所示。

表3-1装置参数

名称

材质

管内径（mm）

测试段长度（m）

装置

（1）

装置

（2）

光滑管

不锈钢食品管

1.2

粗糙管

镀锌铁管

1.2

局部阻力

闸阀

1.2

四、实验步骤及注意事项

1．关闭阀1、阀2；

2．打开放水阀与灌水阀，给水泵灌水，灌好水后关闭防水阀与灌水阀。

打开总电源开关，打开仪表电源开关，按下启动按钮启动离心泵

3．缓缓打开阀5，关闭阀6，给倒U型压差计的排气并准备做光滑管阻力测定实验。

4．倒U型压差计的排气方法：

这种压差计，内充空气，以待测液体为指示液，一般用于测量液体小压差的场合。

其结构如图3-2示。

使用的具体步骤是：

●排出系统和导压管内的气泡。

关闭进气阀门3和平衡阀门4。

打开高压侧阀门2、低压侧阀门1和出水活栓5，使高压侧水经过高压侧阀门2、倒U型差压计玻璃管、出水活栓排出。

低压侧阀门直接经出水活栓排出系统。

管路和倒U型差压计中的汽泡排完后，关闭高压侧阀门2和低压侧阀门1。

●打开进气阀门3和平衡阀门4，排出倒U型差压计中的水。

关闭进气阀3和出水活栓5，打开高压侧阀门2和低压侧阀门1，让水进入倒U型差压计中，直到倒U型差压计中的水位高度平衡。

关闭平衡阀门4，查看倒U型差压计中的水位是否平衡，平衡就可以继续进行实验，如不平衡则有漏气现象。

5．当装置确定后，根据

和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节流量调节阀，可得一系列λ~Re的实验点，绘出λ～Re曲线。

6．缓缓打开出水阀门6，调节好一个流量，待水稳定后，正确测取压差和流量等有关参数。

然后再改变不同流量，正确读取不同流量下的测取压差和流量等有关参数。

7．根据本装置特点，流量从1m³/h开始，每次改变0.4m³/h，测量实验数据并记录，测完数据后整理实验数据并输入实验数据处理是软件处理。

8．做完光滑管实验后，关闭阀5。

9．同理，分别打开阀4、阀3，给倒U型压差计排水后分别进行粗糙管及局部阻力实验。

10．实验结束后，应将装置中的水排放干净。

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。

4．对实验结果进行分析讨论。

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?

实验四离心泵特性曲线测定

一、实验目的

1.了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作；

2.掌握离心泵特性曲线测定方法。

二、基本原理

离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵的流量V之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。

由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。

1．扬程H的测定与计算

在泵进、出口取截面列柏努利方程：

式中：

p1,p2——分别为泵进、出口的压强N/m2ρ——流体密度kg/m3

u1,u2——分别为泵进、出口的流量m/sg——重力加速度m/s2

当泵进、出口管径一样，且压力表和真空表安装在同一高度，上式简化为：

由上式可知：

只要直接读出真空表和压力表上的数值，就可以计算出泵的扬程。

2．轴功率N的测量与计算

轴的功率可按下式计算：

式中，N—泵的轴功率，W

w—电机输出功率，W

由上式可知：

测定泵的轴功率，只需测定电机的输出功率，乘上功率转换中的倍率即可。

3．效率η的计算

泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。

有效功率Ne是单位时间内流体自泵得到的功，轴功率N是单位时间内泵从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。

泵的有效功率Ne可用下式计算：

Ne=HVρg

故η=Ne/N=HVρg/N

4．速改变时的换算

泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的一切实验点，其转速都是相同的。

但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量的变化，多个实验点的转速将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为平均转速下的数据。

换算关系如下：

流量

扬程

轴功率

N

效率

三、实验装置与流程

离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图如图4-1：

图4-1离心泵实验装置流程示意图

1-底阀2-移动框架3-离心泵4-转速传感器5-倒U型压差计6-涡轮流量计7-离心泵流量调节阀18-流量校正阀29-阀310-阀411-阀512-均压环13-光滑管14粗参管15-局部阻力阀16-压力表、压力传感器17-阻力流量调节阀618-温度计19-真空表真空度传感器20-泵灌水口21-排水口（关）22-灌水阀23-放水阀

四、实验步骤及注意事项

1．关闭阀1及阀3、阀4、阀5。

2．打开总电源空气开关，打开仪表电源开关，仪表上电。

3．打开离心泵出口阀1，打开离心泵灌水阀及放水阀，对水泵进行灌水。

（注意：

若采用自来水管对泵进行灌水，在打开灌水阀时要慢慢打开，且只打开一定的开度，不要开的太大，否则会损坏压力表的。

）灌好水后关闭泵的放水阀与灌水阀门。

4．当一切准备就绪后，按下离心泵启动按钮，启动离心泵，这时离心泵启动按钮绿灯亮，开始进行离心泵实验。

5．打开泵的出水阀2（全开），这时流量达到最大值。

7．等实验数据稳定后，测定泵的真空度p1、泵后压力p2、水温t、流量v及泵的功率并记录。

8．通过调节泵的出口阀2调节流量，改变流量的大小，每次减小1.5m³/h的流量，测定每次流量下泵的真空度p1、泵后压力p2、水温t、流量v及泵的功率并记录。

9．以同样的方法改变流量并测定实验数据，最少测8次。

同时注意流量不能低于3㎡/h。

10．实验完毕，按下仪表台上的水泵停止按钮，停止水泵的运转。

关闭水泵出口阀。

五、实验报告

1．在同一张坐标纸上描绘一定转速下的H～V、N～V、η～V曲线

2．分析实验结果，判断泵较为适宜的工作范围。

六、思考题

1．试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？

2．启动离心泵之前为什么要引水灌泵？

如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？

3．为什么用泵的出口阀门调节流量？

这种方法有什么优缺点？

十分还有其他方法调节流量？

4．泵启动后，出口阀如果打不开，压力表读数是否会逐渐上升？

为什么？

5．正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？

为什么？

6．试分析，用清水泵输送密度为1200Kg／m3的盐水（忽略密度的影响），在相同流量下你认为泵的压力是否变化？

轴功率是否变化？

实验五对流给热系数测定

一、实验目的

1．观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型；

2．测定空气（或水）在圆直管内强制对流给热系数

；

3．应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。

4．掌握热电阻测温的方法。

二、基本原理

对流传热系数

可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。

因为

<<

所以传热管内的对流传热系数

热冷流体间的总传热系数

（W/m2·℃）

（1）

式中：

—管内流体对流传热系数，W/（m2·℃）；

Qi—管内传热速率，W；

Si—管内换热面积，m2；

—对数平均温差，℃。

对数平均温差由下式确定：

（2）

式中：

ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；

tw—壁面平均温度，℃；

因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw来表示，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。

管内换热面积：

（3）

式中：

di—内管管内径，m；

Li—传热管测量段的实际长度，m。

由热量衡算式：

（4）

其中质量流量由下式求得：

（5）

式中：

Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；

cpi—冷流体的定压比热，kJ/（kg·℃）；

ρi—冷流体的密度，kg/m3。

cpi和ρi可根据定性温度tm查得，

为冷流体进出口平均温度。

ti1，ti2，tw，Vi可采取一定的测量手段得到。

⒉对流传热系数准数关联式的实验确定

流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为

.（6）

其中：

，

，

物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。

经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

（7）

这样通过实验确定不同流量下的Rei与

，然后用线性回归方法确定A和m的值。

三、实验装置与流程

1．实验装置

实验装置如图5-1所示。

图5-1传热系数测定装置流程图

1-空气流量调节闸阀12-空气流量调节旁路阀23-空气均匀分布器4-可移动实验框架5-防振软连接6-风机7-阀48-蒸汽进气管9-阀310-排不宁性气体阀门11-冷空气出口温度12-蒸汽压力表13-蒸汽喷汽管14-换热紫铜管15-空气孔板流量计16-压差变送器17-空气进口温度

来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自风机（水泵）的风（水）进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。

冷空气（水）经孔板（转子）流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

2．仪表箱面板图如5-2所示：

图5-2仪表箱面板图

1-1#液晶记录仪2-风机电源指示3-风机电源开关4-仪表电源开关5-仪表电源指示6-空气开关7-电源指示灯8-2#液晶记录仪

1#液晶记录仪从1~3通道分别为：

空气流量、空气进口温度、空气出口温度；2#液晶记录仪1~2通道分别为：

蒸汽一端温度、蒸汽另一端温度，3通道空余。

2．设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：

直径φ20×1.5mm，长度L=1000mm

（2）外套玻璃管规格：

直径φ100×5mm，长度L=1000mm

（3）压力表规格：

0～0.1MPa

四、实验步骤与注意事项

（一）实验步骤

1．打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。

2．打开电脑，运行“传热系数实验软件.MCG”软件，输入“班级”、“姓名”、“学号”及“装置号”（只有一台装置时为1），单击“确定”按钮，选择“传热系数测定实验”进入实验界面。

3．打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体入口阀门，让套管换热器里充有一定量的空气。

4．打开冷凝水出口阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。

5．在做实验前，应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。

具体排除冷凝水的方法是：

关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，可进行实验。

6．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀门的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。

7．当一切准备好后，打开蒸汽进口阀，蒸汽压力调到0.01Mpa，并保持蒸汽压力不变。

（可通过调节排不宁性气体阀以及蒸汽进口阀来实现。

）

8．可通过调节空