化工原理实验讲义学生版教材.docx
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化工原理实验讲义学生版教材
化工原理实验
实验一 流体力学综合实验
一、实验目的
1、了解管路粗糙度及管件对流动阻力的影响。
2、测定水在管道内流动时的直管阻力损失，作出与Re的关系曲线。
3、测定水在管道内流动时的局部阻力损失，测量和计算不同开度下截止阀的局部阻力系数
或当量长度le。
4、测定一定转速下，离心泵的特性曲线。
二、实验原理
1.摩擦阻力系数～Re
流体在管道内流动时，由于内摩擦力的存在，必然有能量损耗，此损耗能量为直管阻力损失。
根据柏努利方程，对等直径的1、2两截面间的直管阻力损失为：
图1直管阻力测量原理示意图
（1）
由因次分析法得
（2）
（2）
（3）
（4）
式中：
hf直管阻力损失（J/kg）；
摩擦阻力系数；
l、d、直管的长度、管内径和绝对粗糙度（m）；
p流体流经直管的压降（Pa）；
、分别是流体的密度（kg/m3）和粘度（Pas）；
u流体在管内的平均流速（m/s）。
由公式
（2）可以看出，流体流动时的摩擦阻力损失与管道的长度成正比，与管道的直径成反比。
流体的平均速度越高，阻力损失越大。
利用公式
（2）计算直管阻力损失时，需要知道不同雷诺数下摩擦阻力系数的值。
穆迪图给出了~Re的关系曲线。
本实验装置可以利用上面的公式来验证直管阻力损失计算，测定~Re的关系曲线。
流体在长度和直径一定的管道内流动时，利用U型管压差计实验测出一定流量下流体流经该长度管段所产生的压降，即可算得hf，利用公式
（2）可得到，根据流速和物性数据可按公式（5）计算出对应的雷诺数Re，从而关联出与Re的关系曲线。
改变实验管可得出不同粗糙度（不同材质直管）的与Re的关系曲线。
2.当量长度le和局部阻力系数
流体在流经阀门、管件时，由于流道方向或大小的改变，造成流体的剧烈湍动，造成的能量损失称为局部阻力损失。
（1）当量长度法
流体通过管件、阀门等的局部阻力损失，若与流体流过一定长度的相同管径的直管阻力相当，则称这一直管长度为管件或阀门的当量长度，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。
在管路计算时，可将管路中的直管长度与管件阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中的总阻力损失为
（5）
（6）
式中：
局部阻力损失（J/kg）；
le当量长度（m）；
（2）局部阻力系数法
流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法，即
（7）
式中：
局部阻力系数；
图2局部阻力测量原理示意图
测出一定流速时流体通过阀门或管件的压降hf，就可利用公式（6）、（7）计算出对应的当量长度或局部阻力系数。
3.离心泵的特性曲线
离心泵的特性，可用该泵在一定转速下，流量与扬程，流量与功率以及流量与效率三种曲线表示，即
，
，
曲线。
若将H、N和对Q间的关系分别标绘在同一直角坐标上所得的三条曲线，即为离心泵的特性曲线。
经离心泵输送的流量Q由涡轮流量计测定。
如果水箱液面和离心泵入口高度相同，在水箱液面和离心泵出口压力表之间列出柏努利方程式，可确定水经离心泵所增加的能量（mH2O），此能量称为扬程H，其计算式为：
其中H—离心泵扬程（mH2O）；
p表—离心泵出口表压（Pa）；
p真—离心泵入口真空度（Pa）；
u—离心泵出口管内流速（m/s）；
流体密度（kg/m3）；
离心泵的轴功率N（kW）是指泵轴所消耗的电功率，实验采用功率表测定后，以下式进行计算。
式中：
N—离心泵轴功率（kW）；
电—电动机效率，近似取为0.75；
传—机械传动效率，近似取为0.95；
N电—电动机的输入功率，由功率表测定。
离心泵的效率是理论功率与轴功率的比值。
即
而理论功率Nt是离心泵对水所作的有效功，即
（kW）
三、实验流程和主要设备
1．综合流体力学实验流程
综合流体力学实验流程见图1。
2.主要设备及仪表
（1）供水系统：
循环水箱、离心泵IS50-32-125、电机2200W；
（2）测压系统：
差压变送器、测压环、连接管路、小球阀；
（3）流量系统：
涡轮流量计LWGW40、变送器；
（4）控制柜：
智能数显仪、功率表SWP-W-C80、转速表、变频器；
（5）管路系统：
由不锈钢管、碳钢管构成循环体系。
图1综合流体力学实验流程
1－离心泵2－电机3－水箱4－涡轮流量计及变送器5－差压变送器
6,7－DN40闸阀8,9,10－球阀11～18－小球阀19－DN25闸阀20－压力表21－真空表
22－小球阀23－转速传感器
a－252.5不锈钢管b－252.5碳钢管c－252.5不锈钢管
四．实验操作步骤
摩擦阻力系数～Re及截止阀的局部阻力系数测定
1.根据现场实验装置，按照实验指导书上的实验设备示意图理清流程，检查设备的完好性，熟悉各仪表的使用。
未经指导教师同意，不能随意开机。
2.检查水箱内是否有足够的水。
接通总电源，检查三相指示灯是否正常。
打开仪表电源，检查各仪表显示是否正常。
3.打开球阀22，用清水灌泵，待水灌满后关闭球阀22。
4.关闭闸阀6、7，打开小球阀11～18，球阀8、9、10和截止阀19，打开水泵电源，水泵开始工作，检查转速表、电机功率表读数。
检查泵进口真空表21、出口压力表20是否有读数。
如果压力表有读数，说明水泵工作正常。
打开闸阀6、7，水开始循环。
5.观察小球阀17、18出口胶管中排气的情况，等管路中的空气全部排尽后，才能关闭小球阀17、18。
6.关闭闸阀6、7，进行摩擦阻力系数及截止阀的局部阻力系数测定。
7.关闭小球阀11～14，球阀8、9，保持小球阀15、16和球阀10打开。
测量实验管a的直管阻力损失。
8.缓慢打开闸阀7，同时读取差压计的读数，直到可测量的最大量程（10000Pa），记录压差和流量读数。
逐步关小闸阀7，测定不同流量时的阻力损失（压差），直到最小流量时，结束实验管a的测定。
关闭闸阀7，球阀10和小球阀15、16。
9.打开小球阀13、14和球阀9，按步骤10测量实验管b的直管阻力损失。
完成后关闭闸阀7，球阀9和小球阀13、14。
10.打开小球阀11、12和球阀8，按步骤10测量实验管c上截止阀19的局部阻力损失。
完成后关闭闸阀7，球阀8和小球阀11、12。
离心泵的特性曲线
全开闸阀6，分别读取流量、进口真空度、出口压力和电机功率读数。
将最大流量读数10等分，逐步关小闸阀6，每减小一次流量，重复读取以上数据。
直到测定流量为零的数据后，结束实验。
利用变频器调节转速，按上面的步骤可测定不同转速下的离心泵特性曲线。
依次关闭水泵电源、仪表电源和总电源。
所有参数测定完后，关闭所有阀门，经指导教师同意后，方能离开。
五.实验数据记录及整理
实验数据记录必需可靠、如实、不能任意改动数据，数据一律记在预习实验时所拟表格中。
直管阻力和局部阻力测定：
数据记录表
实验管号：
管长：
m内径：
m
水温：
oC
1
2
3
4
5
6
7
8
流量（m3/h）
压差（Pa）
数据整理
实验管号：
管长：
m内径：
m
水温：
oC密度：
kg/m3黏度：
Pa.s
1
2
3
4
5
6
7
8
流量（m3/h）
压差（Pa）
Re
实验管号：
管长：
m内径：
m
水温：
oC密度：
kg/m3黏度：
Pa.s
1
2
3
4
5
6
7
8
流量（m3/h）
压差（Pa）
Re
le（m）
离心泵的特性曲线
离心泵型号：
水温oC
序号
转速
rpm
流量读数m3/h
压力表读数/（MPa）
真空表读数/（MPa）
功率表读数/（W）
备注
1
2
：
：
数据整理
序号
流量Q/（m3/h）
扬程H/（m）
轴功率N/（W）
效率
备注
1
2
：
：
六.实验思考与讨论问题
1.直管阻力产生的原因是什么？
如何测定及计算？
2.影响本实验测量准确度的原因有哪些？
怎样测准数据？
3.根据实验测定数据，如何确定离心泵的工作点？
4.水平或垂直管中，对相同直径、相同实验条件下所测出的阻力损失是否相同？
5.流量变大，入口真空表和出口压力表读数如何变化？
实验二 对流传热实验
一、实验目的
1.测定空气－水换热过程的总传热系数K；
2.测定不同空气流量时，Nu与Re之间的关系曲线，拟合准数方程式；
3.测定污垢对总传热系数K的影响。
二、实验原理
1．总传热系数K的计算
空气－水逆流换热系统的传热速率方程为
（1）
其中，逆流传热对数平均温差为
（2）
传热面积为
（3）
在计算换热面积时，应该注意内、外径的区别。
热负荷为
（4）
式中：
Q—单位时间内的传热量（W）；
A—传热面积（m2）；
tm—传热对数平均温差（C或K）；
K—总传热系数（W/m2·C）；
d1、d2—换热管的内、外径（m）；
l—换热管长度（m）；
V—空气流量（m3/s）；
、Cp—分别是热空气平均密度（kg/m3）和比热（J/kg）；
T1、T2—分别是热空气进、出换热器的温度（C）；
t1、t2—分别是水进、出换热器的温度（C）。
通过实验测量V、T1、T2、t1、t2，即可按公式
（1）～（4）计算K。
2．空气在管内强制对流给热系数
的计算
空气与水的传热过程是由水在管外的对流传热、间壁的固体热传导热和壁面对空气的对流传热串联组成，其总热阻（以管内径d1为基准）为
（5）
式中：
1、
2—分别为空气的对流给热系数和水的对流给热系数（W/m2C）；
d1、dm、d2—分别为换热管的内径、平均直径和外径（m）；
b—换热管的壁厚（m）；
—换热管的导热系数（W/mC），对钢管一般可取45。
对公式（5）中各阻力项进行分析后可以发现，因水的给热系数
2较大，对水平单管，可以达到2000（W/m2C）左右，所以
之值较小；对金属间壁，较大，b很小，所以
之值也较小，与
项相比均可忽略，故有
。
通过实验测量V、T1、T2、t1、t2，即可按公式
（1）～（4）计算不同流速（雷诺数）时的K1（即h1），查出定性温度下空气的物性，则可根据定义计算出不同雷诺数时的努塞尔数。
式中：
Nu努塞尔准数；
热空气密度（kg/m3）；
u热空气在管内的流速（m/s）；
1—空气的导热系数（W/mC）；
Re—雷诺准数。
t
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