化工原理实验讲义.docx
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化工原理实验讲义.docx
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化工原理实验讲义
雷诺实验装置
一.实验装置的特点:
能定性并且直观地观察到层流、过渡流、湍流等各种流型。
清晰地观察到流体在圆管内流动过程的速度分布。
二.装置的主要技术数据及计算方法:
实验管道有效长度:
L=600mm外径:
Do=30mm内径:
Di=24.5mm孔板流量计孔板内径:
do=9.Omm
三.实验装置流程和实验方法
实验装置流程如图一所示:
1.实验前的准备工作
(1)必要时调整红水细管4的位置,使它处于实验管道6的中心线上。
(2)向红水储瓶2中加入适量的用水稀释过的红墨水。
(3)关闭流量调节阀7,打开进水阀3:
使自来水充满水槽,并使其有一定的溢流量。
(4)轻轻打开阀门7,让流体水缓慢流过实验管道。
使红水全部充满细管道中。
2.雷诺实验的过程
(1)同上面的四.1.(3)。
(2)同上面的四.1.(4)。
(3)调节进水阀,维持尽可能小的溢流量。
(4)缓慢地适当打开红水流量调节夹,即可看到当前水流量下实验管内水的流动状况(层流流动如下图二示)。
用孔板流量计可测得流体的流量并计算出雷诺灌数。
(5)因进水和溢流造成的震动,有时会使实验管道中的红水流束偏离管的中心线,或发生不同程度的左右摆动.为此,可突然暂时关闭进水阀3,过一会儿之后即可看到实验管道中出现的与管中心线重合的红色直线。
(6)增大进水阀圣的珏度,在维持尽可能小的溢流量的情况下提高水的流量。
并同时根据实际情况适当调整红水流量,即可观测其他各种流量下实验管内的流动状况。
为部分消除进水和溢流造成的震动的影响,在滞流和过渡流状况的每一种流量下均可采用四.2.(5)中讲的方法,突然暂时关闭进口阀3,然后观察管内水的流动状况(过渡流、湍流流动如图三示)。
3.流体在圆管内作流体速度分布演示实验
(1)首先将进口阀3打开,关闭出口阀门7。
(2)将红水流量调节夹打开,使红水滴落在不流动的实验管路
(3)突然打开出口阀门7,在实验管路中可以清晰地看到红水流动所形成的如图四所示速度分布。
4.实验结束时的操作
(1)关闭红水流量调节央,使红水停止流动。
(2)关闭进水阀3,使自来水停止流入水槽。
(3)待实验管道的红色消失时,关闭阀门7。
(4)若日后较长时间不用,请将装置内各处的存水放净。
五.实验
注意事项:
做滞流时,为了使滞流状况能较快地形成,而且能够保持稳定,第一,水槽的溢流应尽可能的小.因为溢流大时,上水的流量也大,上水和溢流两者造成的震动都比较大,影响实验结果。
第二,应尽量不要人为地使实验架产生任何的震动.为减小震动,若条件允许,可对实验架的底面进行固定。
能量转换演示实验装置
—、实验设备的特点
1.实验装置体积小,重量轻,使用方便,移动方便。
2.实验测试导管、测压管均用玻璃制成便于观测。
3.所有设备采用了耐腐蚀材料制成管中不会生锈。
二、实验装置的基本情况(流程图见图一)
不锈钢离心泵SZ-037型
低位槽490×400×500材料不锈钢
高位槽295×195×380材料有机玻璃
实验测试导管的结构尺寸见图二中标绘
三、实验的操作方法:
1.将低位槽灌有一定数量的蒸馏水,关闭离心泵出口调节阀门及实验测试导管出口调节阀门而后启动离心泵。
2.逐步开大离心泵出口调节阀当高位槽溢流管有液体溢流后,调节导管出口调节阀为全开位置。
3.流体稳定后读取A、B、C、D截面静压头和冲压头并记录数据。
4.关小导管出口调节阀重复步骤。
5.分析讨论流体流过不同位置处的能量转换关系并得出结果。
6.关闭离心泵,实验结束。
四、使用设备时应注意的事项:
1.不要将离心泵出口调节阀开得过大以免使水流冲击到高位槽外面,同时导致高位槽液面不稳定。
2.当导管出口调节阀开大应检查一下高位槽内的水面是否稳定,当水面下降时应适当开大泵出口调节阀。
3.导管出口调节阀须缓慢地关小以免造成流量突然下降测压管中的水溢出管外。
4.注意排除实验导管内的空气泡。
5.离心泵不要空转和出口阀门全关的条件下工作。
五.观察现象及实验结果:
(第一套)
实验导管出口开度位置(mmH2O柱)
A截面
B截面
C截面
D截面
静压头
冲压头
静压头
冲压头
静压头
冲压头
静压头
冲压头
半开标尺读数
225
292
231
238
167
235
105
170
以D截面为0基准面读数
435
502
441
448
377
445
410
475
A截面的直径14mm;B截面的直径28mm;C截面、D截面的直径14mm;以D截面中心线为零基准面(即标尺为-305毫米)ZD=0。
A截面和D截面的距离为95mm。
A、B、C截面ZA=ZB=ZC=95(即标尺为-210毫米)
由以上实验数据可以分析到
1.冲压头的分析,冲压头为静压头与动压头之和。
从实验观测到在A、B截面上的冲压头依次下降,这符合下式所示的从截面1流至截面2的柏努利方程。
2.A、B截面间静压头的分析,由于两截面同处于一水平位置,截面面积比A截面面积大。
这样B处的流速比A处小。
设流体从A流到B的压头损失为Hf,A-B
以A-B面列柏努利方程。
ZA=ZB
即两截面处的静压头之差是由动压头减小和两截面间的压头损失来决定
使得:
在实验导管出口调节阀全开时,A处的静压头为435mmH2O柱,B处的静压头为441mmH2O柱PA 说明B处的动能转化为静压能。 3.C、D截面间静压头的分析: 出口阀全开时,C处和D处的静压头分别为394和477mmH2O柱,从C到D静压头增大了83mmH2O柱。 这是因为,在C、D间列柏努利方程。 由于D、C截面积相等即动能相同。 从C到D的增大值,决定于(ZC-ZD)和Hf,C-D。 当(ZC-ZD)大于和Hf,C-D时,静压头的增值为正,反之,静压头的增值为负。 4.压头损失的计算: 。 以出口阀全开时从C到D的压头损失和Hf,C-D为例。 因为在C、D两截面间列柏努利方程。 所以,压头损失的算法之一是用冲压头来计算: =(445-475)+(95-0)=65(mmH2O柱) 压头损失的算法之二是用静压头来计算: (uC=uD) =(377-410)+(95-0)=62(mmH2O柱) 两种计算方法所得结果基本一致,说明所得实验数据是正确的。 旋风分离实验 一、装置的用途、原理和特点 (一)用途 1.演示含尘气体通过旋风分离器时,含尘气体、固体尘粒和气体的运动路线。 先给学生以直观生动的印象,后引导学生从理论上去进行解释,可达到正确理解和描述旋风分离器的工作原理的目的。 2.定性地观察旋风分离器内,径向上的静压强分个和分离器底部出人口等处出现负压的情况,引导学生认识出灰口和集尘室密封良好的必要性。 3.定性地观察分离器的分离效果和流动阻力随进口气速的变化趋势,引导学生思考适宜气速该如何确定。 4.可利用本装置制备实验用含尘气体的办法,观察固体分离从文丘早管处被吸入的现象,加深学生对流体流动过程中能量转化问题的理解。 (二)原理 1.关于含尘气体、固体尘粒和气体的流动线路: 含尘气体出分离器圆筒部分上的进气管,沿切线方向进入,受气壁的约束而作向下的螺旋形运动。 气体和尘粒同时受到惯性离心力的作用。 因尘粒的密度远大于气体的密度,所以尘粒所受到的惯性离心力远大于气体的。 在远大于气体的惯性离心力的作用下,尘粒在作向下的旋转运动的同时也作向外的径向运动,其结果是尘粒被甩向器壁,与气体分离。 然后在气流摩擦力和重力的作用下,再延器壁表面作向下的螺旋运动,最后落入锥底的排灰口内。 含尘气体在作向下螺旋运动的过程中逐渐净化。 在到达分离器的圆锥部分时,被净化了的气流出以靠近器壁的空间为范围的下行螺旋运动改为以中心轴附近空间为范围的上行螺旋运动,最后出分离器顶部的排气管排出。 下行螺旋在外,上行螺旋在内,但两者的旋转方向是相同的。 下行螺旋流的上部是主要的除尘区。 我们在演示实验中所看到的螺旋状轨迹,是已经被甩到器壁上的粉粒被下行螺旋气流吹扫着器壁表面向下螺旋运动的情况。 2.关于径向静压分布: 器壁附近静压强最高,从器壁到中心,静队强逐渐降低。 这是出于下行和上行螺旋以相同的方向旋转,气体受惯性离心力作用被推向外的结果。 这种静压强分个的二土质量叁在压强差的驱使下,不断的有一部分气体山压强较高的下行旋流,沿径向内窜入压强较低的上行旋流。 因此在器内任何位置上,气体都有三土方向的速度,即切向速度、径向速度和釉向速度。 从器壁到中心,切向速度先增大,至直径等排气管直径的l/2一l/3的圆周上达到最大,再往中心就急剧城小。 在切向速度最大的圆周以内的气流,称为‘玉石”,具有以下几个特点: ①上升的轴向速度颇大。 ②气芯内的静压强可小至排气管出口压强和当地大气压强以下。 ②低压的气芯通常出排气管的下端一直延伸到银底的出灰口。 因此出灰口及其下方的集尘室均应密封良好,否则易漏入空气,把已收集在锥底的尘粒重新吹起,严重降低分离效果。 3、进口气速时分离效果和流动阻力的影响: 气体在分离器内的流速常用进 可以看到,提到分离器的进口气速“/7可以减少临界直径众50,提高分离效率。 但若进口气速过高,则会招致分离器内气体的涡流加剧,破坏固体尘粒在径向上的正常运动,延长尘粒离心沉降的时间,甚至使之末及到达器壁,或者沉降后又被气体涡流重新卷起而带走,造成分离效果下降。 在任何情况下,永远是进口气速Mj愈大,气体通过分离器的流动阻力A尸=乙巫愈大,且由夕么1L=(4,卑).2.M,5口Mj愈大,AP随Mf的变化率些令Z1愈大。 因此旋风分离器的进口气速不易过小或过大,一般从保持Mf=10—25们/‘为且。 /二\馅占.们可以往泣的JL党浩始的丢到阎他的少本肺风,分离器内的运动路 线。 ②可在较大的风量下操作,因此可以非常明显的洲出静比强在侄间上阳并4b情况。 ②设计合理,操作控制非常方便、可靠。 二、装置的基本情况 (一)流程示意图 鼓廖乙机鼓出的空气在管路的分支处,一部分经流量调节阀2放空,一部分流向文丘早管3。 后者的流量随流量调节阀的开度而变。 气体流过文丘早管时,与径向进料管加入的固体粉状物料相混合,形成“含尘气体"。 含尘气体流经旋肛乙分离器8时,气固被分离,固体落入集尘器内,气体从分离器的排气管流出 三、装置的实验操作方法 芝骞萎票蔫銎备等蒿一毳装甓爨警黧器戈望爹商焉嚣羹釜鞋蕊量计U形管读数的变化,了解气体流量的变化趋数河号托 3.将空气流量调节至压降读数为60、-80irml冰控锰右。 y将实验用的固体物料(玉米面)越粉等)倒入进料漏斗 4,一赢辱P专两霄婆陇体及其中的尘粒和气体在刁丽中澜情况。 为了能够在较长的时间内连续的观察到上述情况,可用手轻轻的拍打漏斗,也可用细铁丝插至漏斗下方连接处并上下移动,推动尘粒连续加入。 虽然观察者实际上所看到的是尘粒的运动轨迹,但因尘粒延器壁的向下螺旋运动是由于气流带动所致,故完全可以由此推断出含尘气流和气体的流动,路线。 /若想观察很小流量下的操作情况,可在完全打开流量调节阀之后,再用硬纸板挡住鼓风机进风口的一部分。 4.考察静压强在分离器内的分布情况。 此时可维持压降测量用U形管读数为40—60mm左右,但不必向文丘里管内加入固体物料。 a)在分离器圆筒部分高度的中部,用静压测量探头7考察静压在径向上的分布情况。 b)让静压测量探头7紧贴器壁,从圆筒部分的上部至圆锥部分的下面端面,考察沿器壁表面从上到下静压的分布情况。 c)在分离器的轴线上,从气体出口管的上端面至出狄管的上端面,用静压测量探头7,考察静压强的轴线上的分布情况。 5.结束实验时,宜先将莲蔓适匪垂酮后切堑墼盟机的电源开关L董全,,后一段时间长期丕用,停车后从集尘室内取出固体粉粒。 四、装置使用的注意事项: 开车和停车时,均应先让流量调节阀处于全开状态,后接通或切断鼓肛乙机的电源开关,以免U形管内的水被冲出。 2、分离器的排灰管与集尘室的连接应比较严密,以免因内部负压漏入空气而将已分离下来的尘粒重新吹起被带走。 3、实验时,若气体流量足够小,且固体粉粒比较潮湿,则固体粉粒会沿着向下螺旋运动的轨迹贴附在器壁上。 若想去掉贴附在器壁上的粉粒,可在大流量下,向文丘里管内加入固体粉粒,用从含尘气体中分离出来的高速旋转的新粉粒,将原来贴附在器壁上的粉粒冲刷掉。 洞道干燥实验 一.装置的用途和特点 (一)用途 1.供学生做实验,学习干燥曲线和干燥速率曲线及临界湿含量的实验测定方法,加深对干燥操作过程及其机理的理解。 2.供学生学习干湿球温度湿度计的使用方法,学习被干燥物料与热空气之间对流传热系数的测定方法。 3.供学生通过实物了解干燥操作中废气循环的流程和概念。 4.为学生提供一个由气体流量计读数求指定截面处气体流速的实际例子,以便掌握其计算方法。 5.实验研究恒速干燥速率,临界湿含量,平衡湿含量随其影响因素的变化规律。 (二)特点 1.结构紧凑,占地面积小。 2.干燥介质空气流量的调节范围大。 3.耗能量小。 4.实验操作十分方便。 5.可以很容易地测得常见的典型的干燥曲线,干燥速率曲线和恒速段热空气与被干燥物表面之间的对流传热系数。 二.装置的基本情况 (一)流程示意见图1 (二)一些部件和设备的简单情况 1.洞道干燥器: 空气流通的横截面积见表2 2.鼓风机: 上海兴益电器厂BYF7132型三相低噪声中压风机,最大出口风压为1.7[kPa],电机功率为0.55[kW]。 3.空气预热器: 三个电热器并联,每个电热器的额定功率为450[W],额定电压为220[∨] 4.重量变送器: 量程0-200[g],精度0.1级,输出0-5[V],供电电源12[VDC]。 5.压差变送器: 量程0-10[kPa],精度0.5级,输出4-20[mA],供电电源24[VDC]。 6.显示仪表: a.重量显示: 输入0-5[V],显示0-200[g],供电电源220[VAC]。 b.压差显示: 输入4-20[mA],显示0-4[kPa],供电电源220[VAC]。 c.温度显示: 输入Cu50,显示-50-150[℃],供电电源220[VAC]。 d.温度显示控制仪表: 输入Cu50,显示-50-150[℃],输出0-5[V],供电电源220[VAC]。 (具体使用方法参见仪表使用说明书) 7.被干燥物的试样。 被干燥物料为工业呢,每一套装置所用某种纺织布料的干燥面积、绝干物料量可能稍有差别,具体数值见调试实验的数据表,表2等。 图1实验装置流程图 1.中压风机;2.孔板流量计;3.空气进口温度计;4.重量传感器;5.被干燥物料;6.加热器; 7.干球温度计;8.湿球温度计;9.洞道干燥器;10.废气排出阀;11.废气循环阀; 12.新鲜空气进气阀;13.干球温度显示控制仪表;14.湿球温度显示仪表; 15.进口温度显示仪表;16.流量压差显示仪表;17.重量显示仪表;18.压力变送器。 三.装置的使用方法 (一)实验前的准备工作 1.将被干燥物料试样进行充分的浸泡。 2.向湿球温度湿度计的附加蓄水池内,补充适量的水,使池内水面上升至适当位置。 3.将被干燥物料的空支架安装在洞道内。 4.调节新空气入口阀到全开的位置。 (二)装置的实验操作方法 1.按下电源开关的绿色按键,在按风机开关按钮,开动风机。 2.调节三个蝶阀到适当的位置,将空气流量调至指定读数。 3.在温度显示控制仪表上,按住[set]键2、3秒钟,直至sv窗口显示[SU],此时pv窗口所显示的即为干燥器的干球温度所要达到的指定值,可通过仪表上的上移、左移键改变指定值,指定值设定好后按一下[set]键,改变到下一参数的设定(此后的参数不需改变),然后按一下[A/M]键回到仪表控制状态。 按下加热开关,让电热器通电。 4.干燥器的流量和干球温度恒定达5分钟之后并且数字显示仪显示的数字不在增长,即可开始实验。 此时,读取数字显示仪的读数作为试样支撑架的重量(GD)。 5.将被干燥物料试样从水盆内取出,控去浮挂在其表面上的水份(使用呢子物料时,最好用力挤去所含的水分,以免干燥时间过长。 将支架从干燥器内取出,再将支架插入试样内直至尽头)。 6.将支架连同试样放入洞道内,并安插在其支撑杆上。 注意: 不能用力过大,使传感器受损。 7.立即按下秒表开始计时,并记录显示仪表的显示值。 然后每隔一段时间记录数据一次(记录总重量和时间),直至减少同样时间重量的减少是恒速阶段所用时间的8倍时,即可结束实验。 注意: 最后若发现时间已过去很长,但减少的重量还达不到所要求的克数,则可立即记录数据。 (三)装置使用的注意事项 1.在安装试样时,一定要小心保护传感器,以免用力过大使传感器造成机械性损伤。 2.在设定温度给定值时,不要改动其它仪表参数,以免影响控温效果。 3.为了设备的安全,开车时,一定要先开风机后开空气预热器的电热器。 停车时则反之。 4.突然断电后,在次开启实验时,检查风机开关、加热器开关是否已被按下,如果被按下,请再按一下使其弹起,不再处于导通状态。 四.附录 (一)仪表参数的初始设置 表1仪表参数的初始设置值表 参数 参数值 备注 SU 给定值 一般在55-75之间 AL1 125.6 AL2 125.6 Pb 6.08 ti 200 td 30 tP 4.80 Ct 5.1 CLK 000 当不为0时所有参数都不可改 PASS 任意 加9后进入二级参数的修改 (二)调试实验的结果 1.调试实验的数据见表2,表中符号的意义如下: S─干燥面积,[m2] GC─绝干物料量,[g] R─空气流量计的读数,[kPa] To─干燥器进口空气温度,[℃] t─试样放置处的干球温度,[℃] tw─试样放置处的湿球温度,[℃] GD─试样支撑架的重量,[g] GT─被干燥物料和支撑架的"总重量",[g] G─被干燥物料的重量,[g] T─累计的干燥时间,[S] X─物料的干基含水量,[kg水/kg绝干物料] XAV─两次记录之间的被干燥物料的平均含水量,[kg水/kg绝干物料] U─干燥速率,[kg水/(s·m2)] 2.数据的计算举例 以表2所示的实验的第i和i+1组数据为例 (1)公式: 被干燥物料的重量G: ,[g] (1) ,[g] (2) 被干燥物料的干基含水量X: ,[kg水/kg绝干物料](3) ,[kg水/kg绝干物料](4) 两次记录之间的平均含水量XAV ,[kg水/kg绝干物料](5) 两次记录之间的平均干燥速率 ,[kg水/(s·m2)](6) 干燥曲线X─T曲线,用X、T数据进行标绘,见图2。 干燥速率曲线U─X曲线,用U、XAV数据进行标绘,见图3。 恒速阶段空气至物料表面的对流传热系数 ,[W/(m2℃)](7) 流量计处体积流量∨t[m3/h]用其回归式算出。 由流量公式[1]计算 其中,c0-孔板流量计孔流系数,c0=0.65 A0-孔的面积m2 d0-孔板孔径,d0=0.040m -空气入口温度(及流量计处温度)下的体积流量,m3/h; -孔板两端压差,Kpa -空气入口温度(及流量计处温度)下密度,Kg/m3。 干燥试样放置处的空气流量 ,[m3/h](9) 干燥试样放置处的空气流速 ,[m/s](10) (2)数据: 以表1实验数据为例进行计算(见表2) i=1 i+1=2 GT,i=132.3[g] GT,i+1=131.0[g] GD=70.1[g] 由式 (1) (2)得: Gi=62.2[g],Gi+1=60.9[g] GC=21.1[g] 由式(3)(4)得: Xi=1.9479[kg水/kg绝干物料] Xi+1=1.8863[kg水/kg绝干物料] 由式(5)得: XAV=1.9171[kg水/kg绝干物料] S=2×0.145×0.084=0.0436[m2] Ti=0[s],Ti+1=180[s] 由式(6)得: U=2.965×10-4[kg水/(s·m2)] 填料吸收塔实验装置 一.实验设备的特点: 1.使用方便,安全可靠,直观; 2.数据稳定,实验准确; 3.本装置体积小,重量轻,移动方便. 二.设备主要技术数据及其附件: 1.设备参数: (1)鼓风机: XGB型旋涡气泵,型号2,最大压力1176Kpa,最大流量75m3/h (2)填料塔: 玻璃管,内装10×10×1.5瓷拉西环,填料层高度Z=0.4m,填料塔内径D=0.075m (3)液氨瓶1个、氨气减压阀1个(用户自备) 2.流量测量: (1)空气转子流量计: 型号: LZB-25流量范围: 2.5─25m3/h精度: 2.5% (2)水转子流量计: 型号: LZB-6流量范围: 6─60L/h精度: 2.5% (3)氨转子流量计: 型号: LZB-6流量范围: 0.06─0.6m3/h精度: 2.5% 3.浓度测量: 塔底吸收液浓度分析: 定量化学分析仪一套。 (用户自备); 塔顶尾气浓度分析: 吸收瓶,量气管,水准瓶一套。 4.温度测量: 转换开关0-空气温度、1-氨气温度、2-吸收液温度 三.实验装置的基本情况: 图一、填料吸收塔实验装置流程示意图 1-鼓风机、2-空气流量调节阀、3-空气转子流量计、4-空气温度、5-液封管、 6-吸收液取样口、7-填料吸收塔、8-氨瓶阀门、9-氨转子流量计、10-氨流量调节阀、11-水转子流量计、12-水流量调节阀、13-U型管压差计、14-吸收瓶、15-量气管、16-水准瓶、17-氨气瓶、18-氨气温度、20-吸收液温度、21-空气进入流量计处压力 实验流程示意图见图一,空气由鼓风机1送入空气转子流量计3计量,空气通过流量计处的温度由温度计4测量,空气流量由放空阀2调节,氨气由氨瓶送出,经过氨瓶总阀8进入氨气转子流量计9计量,氨气通过转子流量计处温度由实验时大气温度代替。 其流量由阀10调节5,然后进入空气管道与空气混合后进入吸收塔7的底部,水由自来水管经水转子流量计11,水的流量由阀12调节,然后进入塔顶。 分析塔顶尾气浓度时靠降低水准瓶16的位置,将塔顶尾气吸入吸收瓶14和量气管15。 在吸入塔顶尾气之前,予先在吸收瓶14内放入5mL已知浓度的硫酸作为吸收尾气中氨之用。 吸收液的取样可用塔底6取样口进行。 填料层压降用∪形管压差计13测定。 四.实验方法及步骤: 1.测量干填料层(△P/Z)─u关系曲线: 先全开调节阀2,后启动鼓风机,用阀2调节进塔的空气流量,按空气流量从小到大的顺序读取填料层压降△P,转子流量计读数和流量计处空气温度,然后在对数
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