化工原理实验指导书资料Word下载.docx
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3．实验必须测取的数据
凡是影响实验结果或是数据整理过程中所必须的数据都必须测取。
它包括大气条件、设备有关尺寸、物料性质及操作数据等，但并不是所有数据都要直接测取的。
凡可以根据某一数据导出或从手册中查出的其他数据，就不必直接测定。
例如水的密度、粘度、比热等物理性质，一般只要测出水温后即可查出，因而不必直接测定水的密度、粘度、比热，而只要测定水的温度就可以了。
4．实验数据的读取及记录
（1）实验开始前拟好记录表格，在表格中应记下各次物理量的名称、表示符号及单位。
每位实验者都应有一专用实验记录本，不应随便拿一张纸或实验讲义空白处来记录，要保证数据完整，条理清楚，避免记录错误。
（2）实验时一定要等现象稳定后才开始读取数据，条件改变，要稍等一会才读取数据，这是因为条件的改变破坏了原来和稳定状态，重新建立稳态需要一定时间（有的实验甚至花很长时间才能达到稳定），而仪表通常又有滞后现象的缘故。
（3）每个数据记录后，应该立即复核，以免发生读错或记错数字等事故。
（4）数据的记录必须反映仪表的精确度。
一般要记录到仪表上最小分度以下位数。
例如温度计的最小分度为1℃，如果当时的温度读数为20.5℃，则不能记为20℃；
又如果刚好是20℃，那应该记录为20.0℃。
（5）记录数据要以实验当时的实验读数为准。
（6）实验中如果出现不正常情况，以及数据有明显误差时，应在备注栏中加以说明。
5．实验过程的注意点
有的实验者在做实验时，只读取数据，其它一概不管，这是不对的。
实验过程中除了读取数据外，还应该做好下列诸事：
（1）操作者必须密切注意仪表指示值的变动，随时调节，务使整个操作过程都在规定条件下进行，尽量减少实验操作条件与规定操作条件之间的差距。
操作人员要坚守岗位，不得擅离职守。
（2）读取数据后，应立即和前次数据相比较，也要和其它有关数据相对照，分析相互关系是否合理，数据变化趋势是否合理。
如果发现不合理的情况，应该立即共同研究可能存在的原因，以便及时发现问题、解决问题。
（3）实验过程是还应注意观察过程现象，特别是发现某些不正常现象时更应抓住时机，研究产生不正常现象的原因，排除障碍。
6．实验数据的整理
（1）数据整理时应根据有效数字的运算规则，舍弃一些没有意义的数字。
一个数字的精确度是由测量仪表本身的精确度所决定的，它绝不因为计算时位数增加面提高。
但是不允许任意减少位数，因为这样做就降低了应有的精确度。
（2）数据整理时，如果过程比较复杂，实验数据又多，一般以采用列表整理为宜，同时应将同一项目一次整理。
这种整理方法既简洁明了，又节省时间。
（3）计算示例。
在
（2）所列表的下面要给出计算示例，即任取一列数据进行详细的计算，以便检查。
7．实验报告的编写
一份优秀的实验报告必须写得简洁明了，数据完整，交待清楚，结论正确，有讨论、分析，得出的公式、曲线、图形有明确使用条件。
报告的内容一般包括：
（1）基本项目
实验名称，报告人姓名、班级及同实验小组人员的姓名，实验地点，指导老师，实验日期等。
（2）实验目的
简明扼要说明为什么要进行本实验，实验要解决什么问题。
（3）实验原理
简要说明实验所依据的基本原理，包括实验涉及的主要概念、重要定律公式及据此推算的重要结果，要求准确、充分。
（4）实验装置流程示意图
简单画出实验装置流程示意图（应包括主要设备、仪表的类型及规格）。
（5）实验步骤：
条理清晰，简单明了。
（6）原始数据记录
记录实验过程中从测量仪表所读取的数值。
读数方法要正确，记录数据要准确，要根据仪表的精度决定实验数据的有效数字的位数。
（7）数据处理
数据处理是实验报告的重点内容之一，要求将实验原始数据经过整理、计算、加工成表格或图的形式。
表格要易于显示数据的变化规律及各参数的相关性；
图要能直观地表达变量间的相互关系。
（8）数据处理计算示例
以某一组原始数据为例，列出计算过程，作为计算示例。
（9）实验结果的分析与讨论
从理论上对实验结果进行分析和解释，对结果作出评价，分析误差大小及原因，对实验中发现的问题应作讨论，对实验方法、实验设备有何建议也可写入此栏。
最后，明确提出本次实验的结论。
实验一流体流动阻力的测定
一、实验目的
1．掌握流体流经直管和阀门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Blassius经验公式相比较。
3．测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ζ。
4．学会差压计、流量计的使用方法。
5．观察组成管路的各种管件、阀门，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直管阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。
1．直管阻力
流体在水平等径圆管中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。
即
湍流流体发的流动阻力，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组合成准数关联式。
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hf——直管阻力，J/kg
l——被测管长，m
d——被测管内径，m
u——平均流速，实验测定，m/s
λ——直管摩擦阻力系数
当流体在一定管径d的圆形管中流动时，选取两个截面，测出这两个截面的静压强差，即为流体流过两截面的流动阻力。
根据伯努利方程找出静压强差和摩擦阻力系数的关系式，即可求出摩擦阻力系数。
改变流速可测出不同Re下的摩擦阻力系数，这样就可得出某一相对粗糙度下管子的λ-Re关系。
（1）湍流区的摩擦阻力系数
在湍流区内
，对于光滑管，实验证明，当Re在3×
103~105范围内，λ与Re的关系遵循Blasius关系式，即
对于粗糙管，λ与Re的关系均以图来表示。
（2）层流的摩擦阻力系数
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，可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为l，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
式中，ζ——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间的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。
因此
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1流体阻力实验装置流程图
1-底阀2-移动框架3-离心泵4-转速传感器5-测压差阀门及压力传感器6-涡轮流量计7-离心泵流量调节阀18-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
实验装置如图所示，主要由离心泵，水箱，不同管径、材质的管子，各种阀门和管件、涡轮流量计等组成。
第一根为不锈钢光滑管，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，装有待测闸阀，用于局部阻力的测定。
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入储水箱内循环使用。
水流量采用涡轮流量计测量，直管段和闸阀的阻力分别用各自的压差传感器测量。
2．装置结构尺寸
表1装置结构尺寸
名称
材质
管内径（mm）
测试段长度（m）
光滑管
不锈钢管
29
1.5
粗糙管
镀锌铁管
28
局部阻力
/
四、实验步骤及注意事项
1．实验步骤
（1）关闭阀1、阀2；
（2）打开放水阀与灌水阀，给水泵灌水，灌好水后关闭放水阀与灌水阀。
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、阀6，将测光滑管压差的阀门打开，然后排气。
（4）当装置确定后，根据Δp和u的实验测定值，可计算λ和ζ，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。
（5）缓缓打开出水阀门6，流量调至最大，待水稳定后，正确测取压差和流量等有关参数。
然后依次减小流量，正确读取不同流量下的测取压差和流量等有关参数。
（6）根据本装置特点，流量每次改变0.4m³
/h，直至2m³
/h左右，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。
（7）做完光滑管实验后，关闭阀5。
（8）同理，分别打开阀4、阀3，分别进行粗糙管及局部阻力实验。
（9）实验结束后，应将装置中的水排放干净，以防锈和冬天防冻。
2．注意事项
（1）在启动离心泵前要对水泵进行灌水。
（2）在启动离心泵前，要确保三相电源的正确，确保不缺相，离心泵缺相不会运转，且会烧毁离心泵。
（3）在启动离心泵前，要确保离心泵转向的正确，否则长时间反向运转会损坏离心泵。
（4）在做流体阻力实验时，要排尽管路里的气泡。
（5）开启、关闭管道上的各阀门时，一定要缓慢开关，切忌用力过猛过大，防止测量仪表因突然受压、减压而受损（如玻璃管断裂，阀门滑丝等）。
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，即可确定该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
2．根据光滑管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ-Re曲线，并对照柏拉修斯方程，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ζ值。
4．对实验结果进行分析讨论。
六、实验数据记录、数据处理及计算示例
水温：
℃；
管长L=1.5m；
光滑管管径D=0.029m；
粗糙管管径D=0.028m；
局部阻力管径D=0.029m。
镀锌铁管ε/d=0.007
实验序号
流量（m3/h）
光滑管压差（kPa）
粗糙管压差（kPa）
1
2
3
4
5
6
7
……
计算结果
实验次数
Re光滑管
λ光滑管exp
Re粗糙管
λ粗糙管exp
闸阀（全开）阻力（kPa）
ζ值
七、思考题
1．如何检验测试系统内的空气是否已经被排除干净?
2．在测量前为什么要将设备中的空气排净？
怎样才能迅速地排净？
3．本实验装置的流量调节阀为什么要安装在出口的下端？
4．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?
5．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?
6．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?
7．在进行系统排气时，是否应关闭系统的出口阀门？
为什么？
8．如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？
9．测出的直管摩擦阻力与直管的放置状态有关吗？
请说明原因。
实验二离心泵特性曲线的测定
1．了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作。
2．测定恒定转速条件下离心泵的有效扬程（H）、轴功率（P）、以及总效率（η）与有效流量（Q）之间的曲线关系。
3．掌握离心泵流量调节的方法（阀门）和涡轮流量传感器及智能流量积算仪的工作原理和使用方法。
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扬程H、轴功率N及效率η与流量Q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．流量Q的测定与计算
采用涡轮流量计测量流量，智能流量积算仪显示流量值Qm3/h。
2．扬程H的测定与计算
在泵进、出口取截面列柏努利方程：
：
分别为泵进、出口的压强N/m2ρ：
液体密度kg/m3
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数值，就可以计算出泵的扬程。
3．轴功率P的测量与计算
可由功率传感器测量，功率表显示读取。
4．效率η的计算
泵的效率η为泵的有效功率Pe与轴功率P的比值。
有效功率Pe是流体单位时间内自泵得到的功，轴功率P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Pe可用下式计算：
故
5．转速改变时的换算
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所有实验点，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：
三、实验装置流程图
图2离心泵特性曲线测定装置流程图
1-底阀2-移动框架3-离心泵4-转速传感器5-测压差阀门及压力传感器6-涡轮流量计7-离心泵流量调节阀18-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
四、实验步骤
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。
）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1（全开），这时流量达到最大值。
6．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Q及泵的功率并记录。
7．通过调节泵的出口阀1调节流量，改变流量的大小，每次减小0.5m³
/h的流量，稳定后记录数据。
8．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2m3/h。
9．实验完毕，关闭水泵出口阀，按下仪表台上的水泵停止按钮，停止水泵的运转。
1．在同一张坐标纸上描绘一定转速下的H-Q、P-Q、η-Q曲线。
2．分析实验结果，判断泵较为适宜的工作范围。
原始数据记录装置号：
水温：
℃
流量Q（m3/h）
p真空表KPa
p压力表
KPa
转速n（r.p.m）
功率P（W）
计算结果：
扬程H/（m）
轴功率P/（W）
效率η/%
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．为什么可以用泵的出口阀门调节流量？
这种方法有什么优缺点？
是否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？
5．正常工作的离心泵，采用进口阀门调节流量是否合理？
6．试分析，用清水泵输送密度为1200Kg/m3的盐水（忽略粘度的影响），在相同流量下你认为泵的压力是否变化？
轴功率是否变化？
7．离心泵启动后，如不打开出口阀会有什么结果？
8．水泵启动后不能正常出水的原因有哪些？
实验三恒压过滤常数的测定
1．熟悉板框压滤机的构造和操作方法。
2．通过恒压过滤实验，验证过滤基本原理。
3．学会测定过滤常数K、qe、τe及压缩性指数s的方法。
4．了解操作压力对过滤速率的影响。
过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮乳液的操作。
在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截流下来，从而实现固液分离，因此，过滤操作本质上是流体通过固体颗粒通过床层的流动，所不同的是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，致使阻力增加，但推动力Δp恒定，故在恒压过滤操作中，过滤速率不断降低。
影响过滤速度的主要因素除压强差Δp，滤饼厚度L外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，故以应用流体力学的方法处理。
比较过滤过程与流体经过流动床的流动可知：
过滤速度即为流体通过固定床的表现速度u。
同时，流体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动是低雷诺数范围，因此，可利用流体通过固定床压降的简化模型，寻求滤液量与时间的关系，应用层流时康采尼公式不难推导出过滤速度计算式：
式中u——过滤速度，m/sK’——康采尼常数，层流时，K’=5.0
ε——床层的空隙率，m3/m3a——颗粒的比表面积，m2/m3
Δp——过滤的压强差，Paμ——滤液的粘度，Pa.s
L——床层厚度，m
由此可导出过滤基本方程式为：
式中V——滤液体积，m3τ——过滤时间，s
A——过滤面积，m2Ve——虚拟滤液体积，m3
s——滤饼压缩性指数，无因次。
一般情况下s=0~1，对不可压缩滤饼s=0
r——滤饼比阻，1/m2，
——单位压差下的比阻，1/m2，
v——滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次。
恒压过滤时，令
，
对上式积分可得
式中q——单位过滤面积的滤液体积，m3/m3
qe——单位过滤面积的虚拟滤液体积，m3/m2
τe——虚拟过滤时间，s
K——滤饼常数，由物料特性及过滤压差所决定，m2/s
K，qe，τe三者总称为过滤常数。
利用恒压过滤方程进行计算时，必须首先需要知道K，qe，τe，它们只有通过实验才能确定。
对上式微分可得
该式表明以dτ/dq为纵坐标，以q为横坐标作图可得一直线，直线斜率为2/K，截距为2qe/K。
在实验测定中，为了便于计算，用Δτ/Δq代替dτ/dq，上式改成：
在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔Δτi及对应的滤液体积ΔVi，由此算出一系列Δτi、Δqi、qi值，在直角坐标系中绘制Δτ/Δq~q的函数关系，得一直线。
由直线的斜率和截距便可求出K和qe，再根据
，求出τe。
这样得到的K、qe、τe便是料浆在特定过滤介质及压强差条件下过滤常数。
改变实验所用的过滤压差，可测得不同的K值，由K的定义式两边取对数得
，在实验压差范围内，若k为常数，则K与Δp的关系在对数坐标上应是一条直线，直线的斜率为（1-s），截距为2k，可得滤饼压缩性指数s及物料特性常数k。
图3板框压滤机过滤流程
1-可移动框架2-阀23-止回阀4-压力料罐5-排污阀6－放空阀7－玻璃视镜8－压力表9-压紧手轮10-板框组11-板框进口压力表12-阀1213-阀1314-压力定值调节阀15-阀8及3#电磁阀16-阀7及2#电磁阀17-阀6及1#电磁阀18-配料槽19-出液口20-指示尺21-进水口22-阀923－阀1024－阀1125－阀526－阀427－阀328－阀1
CaCO3的悬浮液在配料桶内配制一定浓度后，利用压差送入压
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