化工原理实验教案.docx

化工原理实验教案.docx

《化工原理实验教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理实验教案.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

化工原理实验教案

《化工原理实验》教案

课程名称：

化工原理实验

学生专业及年级：

化工2004本科，专升本，专科

教师姓名：

李永新、魏新庭

所用教材：

《化工原理实验讲义》聊城大学化学系主编

选读参考书：

化工原理实验雷良恒主编清华大学出版社

课程性质：

基础实验课

化学化工学院

聊城大学

实验一液体流量的测定与流量计的校正

教学目标及基本要求：

1、了解孔板式流量计、文式流量计的构造、安装和使用方法；

2、了解孔板式流量计、文式流量计的工作原理；

3、掌握流量计流量系数的标定方法。

教学内容及学时分配：

（4学时）

1、讲解实验原理，掌握孔板流量计和文丘里流量计的工作原理。

2、讲解实验仪器的结构，掌握流量计的操作。

3、了解仪器的数据记录。

4、掌握实验数据的处理及分析。

教学内容的重点和难点：

1、实验仪器的结构，掌握流量计的操作。

2、实验数据的处理及分析。

教学内容的深化和拓宽：

其他流量计的工作原理简介。

教学方式及应注意的问题

拓展知识结构，展开讨论，增加学生学习兴趣。

讲课提纲、多媒体教学（课件）

文氏流量计和孔板流量计是化工生产中常用的流量计，其原理基于机械能中的势能、动能和静压能的相互转换，利用文氏管的喉颈和节流孔前后的压力的变化测定流量。

它们都是节流式流量计。

常用的流量计大都按标准规范制造，一般在标准状态下标定．在生产中由于流体流动和生产条件发生了变化，其流量计计量基准也发生了变化，因此必须对流量计进行标定。

一、实验原理：

孔板流量计的工作原理

孔板流量计的构造原理如图1－1所示。

管内流速与孔板前后压力的变化关系，用机械能衡算导出伯努力方程：

（理想流体）（1-1）

（式中

－小截面压力，

－大截面压力，

－小截面流速，

－大截面流速，

－流体密度）

连续性方程：

（1-2）

（式中

－大截面面积，

－小截面面积）

（1-2）式代入（1-1）式整理后得：

（1－3）

（1－4）

考虑压力损失，计入排除系数

，于是得：

（1－5）

（设：

）

（Co由孔板锐孔的形状、测压口位置、孔径与管径之比d／J。

和雷诺数Re所决定。

具体数值由实验测定。

孔板的JD／Jl为一定值，Re超过某个数值后，Co接近于常数。

一般工业上定型的流量计，就是规定在Co为定值的流动条件使用。

）

则：

（1-6）

于是系统体积流量：

（1-7）

（式中

－体积流量）

图1－1孔板流量计的构造原理

2．文丘里流量计（工作原理同上）

孔板流量计装置简单，但其主要缺点是阻力损失大。

文丘里流量计采用渐缩与渐扩结构，以减少涡流损失，其构造如图1—2所示。

图1－2文丘里流量计构造原理

二、实验装置图

实验装置示意图如图1－3所示。

有关实验参数为：

两种流量计中，小孔直径为d0=18mm，D0＝35mm。

图1－3实验装置图

1、有机计量水箱2、文丘里管3、孔板流量计4、压力显示板5、实验管道

6、浮子流量计7、水泵8、塑料水箱9、实验台支架10、实验台面

三、实验操作步骤

1、上、下游阀门，启动水泵，缓慢打开流量阀门；

1、检查并驱赶系统和压差计中气泡（密度不同而影响误差）；

2、找出Re=5000时流量所对应的孔板流量计压差示数（此时流量为实验最小流量，使孔板流量计压差示数达最大量程的流量为最大流量）；

3、调整流量使孔板流量计压差示数在最大和最小示数范围内均匀取5个点，读取并记录各压力表相应的数据，同时测量各流量水温用于计算密度。

5、先关闭上游阀门，再关闭下游阀门，停泵。

四、实验注意事项

1、开启泵合电闸时要迅速，严禁电机缺相运转；

2、测试系统应保持稳定的流动状态；

3、测流量与压差计读数尽量同步进行；

4、测压管中不得有气泡；

5、读数时不得用手动压差计玻璃管，以防止断裂；

6、实验完毕应关闭两阀，使测试系统管中水封；

五、实验数据处理

1、将所有原始数据、实验数据及计算结果列成表格（见表1-1），并取其中一组列出计算过程；

2、分别绘制孔板式流量计和文氏管式流量计的C0—V,CV—V曲线；

3、讨论试验结果。

六、思考题

1、C0,CV分别与哪些因素有关?

2、孔板流量计和文氏流量计安装时应注意什么问题?

3、孔板流量汁和文氏流量计比较各有何优缺点?

表1－1流量计流量的测定

N0.

1

2

3

4

5

6

7

8

标准流量（m3/h）

孔板

上游压差（mm水柱）

下游压差（mm水柱）

流量系数

标准流量（m3/h）

文氏

上游压差（mm水柱）

下游压差（mm水柱）

流量系数

实验二离心泵特性曲线与串并联总特性曲线的测定

教学目标及基本要求：

1．熟悉离心泵操作，了解离心泵的结构和特性；

2．学习离心泵特性曲线的测定方法；

3．增进对离心泵并、串联运行工况及其特点的感性认识；

4．绘制泵并、串工作的并、串联总特性曲线；

教学内容及学时分配：

（4学时）

1、讲解实验原理，掌握离心泵及双泵并联、串联的工作原理。

2、讲解实验仪器的结构，掌握流量计的操作。

3、了解仪器的数据记录。

4、掌握实验数据的处理及分析。

教学内容的重点和难点：

1、离心泵及双泵并联、串联的工作原理。

2、实验数据的处理及分析。

教学内容的深化和拓宽：

双泵连续工作原理简介。

教学方式及应注意的问题

拓展知识结构，展开讨论，增加学生学习兴趣。

讲课提纲、多媒体教学（课件）

离心泵是一种常用的液体输送提供能量的机械设备。

只有了解离心泵的基本结构、工作原理，测定泵的性能参数，掌握泵的操作方法，才能合理选择离心泵和正确使用离心泵。

离心泵的串、并联操作可以增加泵输送系统的流量和压头，串、并联操作的泵的特性曲线也要发生变化。

串、并联操作方式和选择取决于生产中流量和压头要求、单泵的特性及管路的特性。

测定离心泵特性曲线对离心泵的选择和管路组合具有重要意义。

一、实验基本原理

1．离心泵单泵特性曲线的测定

离心泵的特性曲线是离心泵选用和操作的重要依据。

离心泵的性能参数取决于泵的内部结构、叶轮形式及转速。

其中理论压头与流量的关系，可通过对泵内液体质点运功的理论分析得到，如图2—1中的曲线。

由于流体流经泵时，不可避免地会遇到种种阻力，产生能量损失，诸如摩擦损失、环流损失等，因此，实际压头比理论比头小．且难以通过计算求得，因此通常采用实验方法，直接测定各参数间的关系，离心泵的性能参数有流量Q，压头

，有用功Ne、总功率

电和效率

。

在一定转速下，Q、

和

e均随实际流量Q的变化而变化。

通常将

～Q、

～Q和

～Q三条曲线称为离心泵的特性曲线。

通过实验测定不同Q，流量、功率、效率的值．就可以做出泵在该转速下的特性曲线。

各种泵的特性曲线均已列入泵的样本中，供选泵时参考。

本实验目的之一就是要了解和

图2－1离心泵的理论压头与实际压头

掌握这些曲线的测定方法。

（1）扬程He－Q图

（2-1）

（式中h0－两测压截面之间的垂直距离，360mm；He－扬程,m;P1－出口压力，MPa

P2－出口压力，MPa；ρ－液体密度，kg/m3，且由连续性知,u1=u2）

（2）有用功Ne－Q图

（2-2）

（式中M－质量流量）

（3）总效率

（2-3）

（4）电机与泵的总功耗为N电，可由功率表直接测出

（5）流量Q可用体积法（用秒表计时，用装置中的水箱记录体积）测定

2．离心泵串联和并联操作特性曲线的测定

（1）泵的并联工作

当用单泵不能满足工作需要的流量时，可采用两台泵（或两台以上）的并联工作方式，如图2-2所示。

舒I1泵和泵II并联后，在同一扬程（压头）下，其流量Q，即两台泵的流量之和，Q并＝QI十QII，。

并联后的系统持性曲线，就是在各相同扬程下，将两台泵特性曲线（Q—HI，和（Q—H）II上对应的流量相加，得到并联后的各相应合成流量Q并，，最后绘出（Q—H）并，曲线，如图2-3所示。

图中虚线为两台泵各自的特性曲线（Q—H）I，和（Q—H）II：

；实线为并联后的总TE特性曲线（Q—H）并，根据以上所述，在（Q—H）并曲线上任一点M，其相应的流量QMSHI是对应具有相同扬程的两台泵相应流量QA和QB之和，即QM＝QA十QB。

图2－2泵的并联工作

上面所述的是两台性能不同的泵的并联。

在工程实际中，普遍的情况是用同型号、同性能泵的并联，如图3所示（Q－H）I和（Q—H）II特性曲线相同，在图上彼此重合，并联后的总特性曲线为（Q—H）。

本试验台就是两台相同性能的泵的并联。

实验时，可分别测出单台泵I和泵II工作时的特性曲线（Q—H）I和（Q—H）II，把它们合成为两台泵并联的总性能曲线（Q—H）并，。

再将两台泵并联运行，测出并联工况下的某些实际工作点与总性能曲线上相应点相比较。

图2－3两台性能相同泵的并联

（2）泵的串联工作

当单台泵工作不能提供所需要的压头（扬程）时．可用两台泵（或两台以上）的串联方式工作。

离心泵串联后，通过每台泵的流量Q是相同的，而合成压头是两台泵的压头之和。

串联后的系统总特性曲线，是在同一流量下把两台单泵对应扬程叠加起来，就可得出泵串联的相应合成压头，从而可绘制出串联系统的总持性曲线（Q—H）串，如图2-4所示。

串联特性曲线（Q—H）串上的任—点M的压头HM，为对应于相同流量QM的两台单泵I和泵II的压头HA和HB之和，即HM＝HA十HB。

图2－4两台性能相同泵的串联

实验时，可以分别测绘出单台泵泵I和泵II的特性曲线（Q—H）I和（Q—H）II，并将它们合成为两台泵串联的总性能曲线（Q—H）串，再将两台泵串联运行，测出串联工况下的某些实际工作点与总性能曲线的相应点相比较。

3．观察离心泵气蚀现象

离心泵的安装高度反应小于最大允许安装高度，以确保泵正常工作，不发生气蚀。

离心泵在产生气蚀时将发出嗓音，泵体振动，流量不能再增大，压头和效率都明显下降，以至无法继续工作。

本实验通过关小泵进口阀，增大泵吸入管阻力，使泵发生气蚀。

二、实验装置

实验所用试验台是—种多功能试验装置，其装置示意图如图2-5所示。

图2－5离心泵特性测定装置图

1—泵I2—泵I3—底阀4—泵I上水阀5—蓄水箱6—计量水箱

7—孔扳流量计8—真空表9—真空压力表10—串联阀11—泵I出水阀

12，13—压力表14—泵II出水阀16—回水阀17—计量水箱支架

18—蓄水箱排气阀19—蓄水箱放水阀20—实验台基架21—计量水箱放水阀

三、实验操作步骤

（一）、离心泵单泵特性曲线的测定

1、记录下试验台的一些参数，Z＝360mm。

2、将蓄水箱充满水。

3、关闭阀门10，14，打开阀门4，11，16

4、开动泵I，使泵I系统运转,此时关闭阀11，为空载状态，测读压力表12读数M，真空压力表9读数V。

5、略开阀门11，水泵开始出水；再测读M、V、孔板流量计压差值h（或利用计量水箱和秒表测出在此工况下的流量Q）和电功率表读数N。

。

6、逐次调节阀门11，增加出水开度，重复上述步骤测读各相应工况的M、V、h和N。

。

试验数据可记录在表1中。

7、结束试验。

（二）、两台泵的并联试验

1、单台泵I特性曲线（Q—H）I的测试。

（参看离心泵待特曲线测定试验的步骤）

2、单台泵II特性曲线（Q—H）II的测试。

（与上相同，只是所用阀门、压力表不尽相同）

3、两台泵并联工况下某些工作点的测定

①开启阀门4，ll，14、关闭阀门10。

②接通电源，起动泵I和泵II。

’

③调节阀门11和14，使压力表12和13都指示在某一相同的扬程HI＝HII＝H并，由此测得—个工况下的H并，和Q并。

④按上述③的方法，再测试出几个不同并联工况下的H并，和Q并，即改变H并，测出相应的Q并。

⑤实验结束，关闭电源。

表2－1离心泵特性曲线实验记录表

N0.

P1

（MPa）

P2

（MPa）

He,

（m）

Ne

（W）

电

（W）

Q

（m3/s）

备注

1

2

3

4

5

6

7

8

（三）、两台泵的串联试验

1、单泵1和泵II特性曲线（Q—H）I和[Q—H]II的测试（与上面相同）

2、两台泵串联工况下某些工作点的测定；

①开启阀门10，关闭阀11，4，14；

②接通电源，首先启动泵II，持其运行正常后，打开串联阀门10，再启动泵1，待泵I又运行正常后、最后打开泵I的出口阀门11；

表2-2离心泵串并联特性曲线实验记录表

次序

1

2

3

4

5

6

7

8

泵

一

H（MPa）

Q（m3/h）

泵

二

H（MPa）

Q（m3/h）

并

联

H（MPa）

Q（m3/h）

串

联

H（Mpa）

Q（m3/h）

③调节阀门11到一定开度，即调到某一扬程H串和流量Q串的工况，在此工况下，测读压力表12和13的扬程值，并测得孔板流量计的压值h．计算出Q串*

④按上述③的方祛，再测试出几个不同串联工况下的H串和Q串。

将实验今所测得的数据H、Q记入记录表2中，并以Q为横座标，H为纵座标，由实验数据在坐标系中绘出一系列实验点，再将这些点光滑地分别连成单泵I和II的（Q—H）I和（Q—H）II特性曲线，再分别合成为并联和串联的总特性曲线（Q—H）并和（Q—H）串．如图2-6所示。

最后。

再把并联和串联工况下实际测出的一些工作点在合成的总特性曲线周围标出，以示比较。

图2－6试验结果的Q-H图

（四）、汽蚀现象演示实验

1、将水箱5注满水直至排汽阀18溢水与止；

2、关闭阀门4、10、11、16，打开阀门14、2l。

3、启动泵II。

4、调节阀门14到—定的流量Q；“

5、在此流量下将阀门21由开启向关闭方向逐步调节，使水箱内的真空度逐渐增大，同时观察流量，真空压力表8，和压力表13读数。

继续调节阀门21，直至观察到压力表13的指专拨生颤动或急剧下降为止，此时流量也急剧减小，甚至直到流量为零，即发生了汽蚀。

四、数据处理

1、画出离心泵的特性曲线

2、画出离心泵的串、并时的Q-H特性曲线，并与单泵特性曲线相比较。

3、分析试验结果，并进行误差分析。

五、思考题

1、为什么要在启动离心泵前关闭引水阀?

2、当改变流量调节阀开度时，压力表和真空表的读数按什么规律变化，

3、试分析气缚现象与气蚀现象的区别。

4、根据什么条件来选样离心泵?

5、试分析允许汽蚀余量与泵的安装高度的区别。

实验三液－液套管换热器传热系数的测定

教学目标及基本要求：

1．熟悉换热器性能的测试方法：

2．了解套管式换热器、熟悉有关热工测量仪表的使用方法。

3．加深对顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的认识。

教学内容及学时分配：

（4学时）

教学内容的重点和难点：

1、套管式换热器结构、有关热工测量仪表的使用方法。

2、实验数据的处理及分析。

教学内容的深化和拓宽：

套管换热器的结构设计。

教学方式及应注意的问题

拓展知识结构，展开讨论，增加学生学习兴趣。

讲课提纲、多媒体教学（课件）

套管换热器是化工生产中常用的换热设备，反映套管换热器性能的重要参数是传热系数、他取决于流体性质、流体流动状态、和换热方式，本实验是对套管换热器传热系数的进行测定。

一、实验原理

根据传热基本方程、牛顿冷却定律以及圆筒壁的热传导方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速率Q以及各有关温度，即可算出换热系数K。

1、对于液液不变相换热系统，由热量衡算知：

（3－1）

（3－2）

（3－3）

2、换热器的换热量：

（考虑误差后的数值）

（3－4）

3、传热速率方程：

（3－5）

（3－6）

（3－7）

（3－8）

4、本次实验即用实验法测量换热器的传热系数K

（3－9）

根据热负荷计算式得：

（3－10）

（以上公式中

－热流体的放热量；

－冷流体的吸热量；

－换热损耗量；

－热流体流量；

－热流体比热；

－热流体进口温度；

－热流体出口温度；

－冷流体进口温度；

－冷流体出口温度；

－传热系数；

－换热器换热面积；

－平均温度差）

二、实验装置

试验装置的结构及流程参见下图3-1

试验台参数：

1、换热器换热面积（F）：

F=0.45m2

2．电加热器总功率（名义）：

7.5kw

3．热水泵:

允许工作水温<80oC

图3－1实验装置的结构

三、实验操作步骤

1、熟悉实验装置及使用仪表的工作原理利性能。

2、安装好需要测试的换热器。

3、按顺流（或逆流）方式调整冷热换向阀门组各闭门的开或闭。

4、热水箱充水，调整控温仪，使其能使加热水温控制在80°C以下的某一指定温度。

5、接通冷水，并调节好合适的流量。

6、接通电源，启动热水泵（为了提高热水温升速度，可先不启动冷水泵），并调节好合适的流量。

7、利用温度测点选择琴键开和数字显示仪，测出换热器冷热流体的进出口温度变化。

8、待冷、热流体的温度基本稳定后，即可测出这些测温点的温度值，同时在流量计上测出冷、热流体的流量读数。

9、如需要改变流动方向（顺、逆流）的进行试验，试验方法与上述基本相同。

记录下这些试验的测试数据（表3－1）。

10、实验结束后，首先关闭电加热器，5分钟后切断全部电源．

四、实验数据处理

1、根据实验数据记录表，求出各组数据的传热系数。

2、以传热系数为纵坐标，温度变化对数平均值为横座标绘制传热性能曲线。

3、讨论试验结果。

五、注意事项

1、热流体在热水器中加热温度不得超过80oC。

2、实验台使用前应加接地线，以确保安全。

在实验中注意观察电子元件的联接情况，避免虚接。

3、实验中冷流体供应由自来水系统完成，为避免较大水压破坏实验台上的管路，事先要把实验台上的冷水阀调至最大。

4、实验中测点的分布

使换热效果明显，并为减少系统误差，实验中将热流体流量控制在较高的定值（140l/h），冷流体流量取较低值（20、40、60l/h）。

蓄水箱水温控制在50～60oC。

4、实验中耐心等待冷、热流体的温度基本稳定后，方可记录数据，以保证试验数据的准确性。

（约12～15分钟）

六、思考题

1、为什么先接通冷水，再接通热水？

2、为什么热水流量大，而冷水流量小？

3、顺流与逆流的换热效果有何不同？

表3－1液－液套管换热器传热系数的测定

流向

热流体

冷流体

换热器温度分布图

进口温度Ti（0C）

出口温度T0（0C）

流量计

读数（l/h）

进口温度Ti（0C）

出口温度T0（0C）

流量计读数（l/h）

逆流

顺流

实验四列管换热器的操作和传热系数的测定

教学目标及基本要求：

1、了解换热器的结构；

2、学会换热器的操作方法；

3、掌握换热器主要性能指标的标定方法。

教学内容及学时分配：

（4学时）

教学内容的重点和难点：

1、套管式换热器结构、有关热工测量仪表的使用方法。

2、实验数据的处理及分析。

教学内容的深化和拓宽：

管壳式换热器工作原理及换热器的结构设计。

教学方式及应注意的问题

拓展知识结构，展开讨论，增加学生学习兴趣。

讲课提纲、多媒体教学（课件）

列管换热器是化工生产中常用的换热设备之一，通过冷热流体的热交换达到加热或冷却的目的。

由于传热元件的结构不同，换热器的性能差异颇大。

为了合理选用或设计换热器．对它们的性能应该有充分的了解，实验测定换热器的性能是重要途径之一。

一．实验目的：

1、了解换热器的结构；

2、学会换热器的操作方法；

3、掌握换热器主要性能指标的标定方法；

二．实验原理：

换热器是一种节能设备，它既能回收热能，又需消耗机械能，因此，度量一个换热器性能好坏的标准是换热器的传热系数K和流体通过换热器的阻力损失

，前者反映了回收热量的能力．后者是消耗机械能的标志。

传热系数K可由传热速率方程和热量平衡算式求取。

1、对于液液不变相换热系统，由热量衡算知：

（4－1）

（4－2）

（4－3）

2、换热器的换热量：

（考虑误差后的数值）

（4－4）

3、传热速率方程：

（4－5）

（4－6）

4、本次实验即用实验法测量换热器的传热系数K

（4－7）

（以上公式中

－热流体的放热量；

－冷流体的吸热量；

－换热损耗量；

－热流体流量；

－热流体比热；

－热流体进口温度；

－热流体出口温度；

－冷流体进口温度；

－冷流体出口温度；

－传热系数；

－换热器换热面积；

－平均温度差）

三、实验装置图：

1、流程及装置图；

本实验物系为水（冷流体）—空气（热流体），传热设备为列管式换热器。

水由水源来，经转子流量计测量流量、温度计测出进口温度后，进入换热器壳程，换热后在出口测出其出口温度；空气自风源来，经转子流量计测量流量后，进入加热器到90℃一l00℃，流入换热器的管程，并在其进、出口处测量相应温度；空气走程，水走壳管程，如装置图4-2。

图4-1换热器传热系数的测定实验装置

1、风机；2、热空气调节阀；3、转子流量计；4、加热器；5、空气进口温度计；6、空气出口温度计；7、水进口温度计；8、水出口温度计；9、转子流量计

l0、水流量调节阀；11、列管式换热器

2、辅助仪器

列管换热器（换热面积A＝0.45m2）；转子流量计（转子的最大截面为示数基准）；缓冲罐（作用为吸收震动，储存气体）

四、实验操作步骤

注意：

打开顺序：

水——空气——电热；关闭顺序：

电热—空气（

<60℃）—水

1．开供水阀，将水流量按顺序调节至20、40、60L/h；

2．打开流量计放空阀，启动旋涡泵；

3．将空气流量顺序调节至12、14、16m3/h，打开电加热器电源开关，调节电压加热（120—150V），使温度Tin=85～100℃，然后电压降至50