化工实验教程文档格式.docx
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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。
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6-涡轮流量计7-离心泵流量调节阀18-阀216-压力表、压力传感器18-温度计19-真空表、真空度传感器20-泵灌水口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，利用压差送入压力料槽中，用压缩空气搅拌，同时利用压缩空气将滤浆送入板框压滤机过滤，滤液流入量筒计量，压缩空气从压力料槽排空管排出。
板框压虑机的结构尺寸：
过滤板框过滤截面Ø
100mm，三板框组成，框厚度11mm，过滤总面积0.0471m2。
空气压缩机规格型号：
V－0.08/8，最大气压0.8Mpa。
四、实验步骤与注意事项
（1）配制含CaCO38％～13％（wt%）的水悬浮液。
（2）开启空压机，关闭阀1、阀4、阀5，打开阀3、阀2（开度小），将压缩空气通入配料槽，使CaCO3悬浮液搅拌均匀。
（3）正确装好滤板、滤框及滤布。
滤布使用前用水浸湿。
滤布要绷紧，不能起皱（注意：
用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧）。
（4）等配料槽料液搅拌均匀后，关闭阀3，打开阀5及压力料槽上的排气阀，使料浆自动由配料桶流入压力料槽至其视镜2/3处，关闭阀2、阀5。
（5）打开阀4，通压缩空气至压力料槽，使容器内料浆不断搅拌。
压力料槽的排气阀应不断排气，但又不能喷浆。
（6）调节压力料槽的压力到需要的值。
主要依靠调节压力料槽出口处的压力定值调节阀来控制出口压力恒定，压力料槽的压力由压力表读出。
压力定值阀已调好，从左到右分别为1#压力：
0.1MPa；
2#压力：
0.2MPa；
3#压力：
0.3MPa。
考虑各个压力值的分布，从低压过滤开始做实验较好。
（7）放置好电子天平，按下电子天平上的“on”开关，打开电子天平，将料液桶放置到电子天平上。
打开并运行电脑上的“恒压过滤测定实验软件”，进入实验界面，做好准备工作，可以开始实验。
（8）做0.1MPa压力实验：
打开阀6、阀9及阀12、阀13，开始加压过滤。
等流量稳定时，单击实验软件上的“开始实验”按钮，进行0.1MPa压力实验，实验软件自动计算时间间隔内的过滤量并记录数据，存储到数据库中，以供数据处理软件之用。
当实验数据组数做完后，软件自动停止。
（9）做0.2MPa压力实验：
打开阀7、阀10及阀12、阀13，开始加压过滤。
等流量稳定时，单击实验软件上的“开始实验”按钮，进行0.2MPa压力实验，实验软件自动计算时间间隔内的过滤量并记录数据，存储到数据库中，以供数据处理软件之用。
（10）做0.3MPa压力实验：
打开阀8、阀11及阀12、阀13，开始加压过滤。
等流量稳定时，单击实验软件上的“开始实验”按钮，进行0.3MPa压力实验，实验软件自动计算时间间隔内的过滤量并记录数据，存储到数据库中，以供数据处理软件之用。
（11）实验完成后打开数据处理软件进行数据处理。
（12）手动实验时每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次△V取800ml左右，滤液量可以由电子天平处读出。
记录相应的过滤时间△τ及滤液量。
每个压力下，测量8～10个读数即可停止实验。
（13）每次滤液及滤饼均收集在小桶内，滤饼弄细后重新倒入料浆桶内，实验结束后要冲洗滤框、滤板及滤布不要折，应用刷子刷。
（1）在夹紧滤布时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧。
（2）滤饼及滤液循环下次实验可继续使用。
1．以△τ/△q对q作图，求出K、qe、τe，并写出完整的过滤方程式。
2．以lnK对lnΔp作图，求出s及k。
原始数据
△p＝0.1MPa
△p＝0.2MPa
△p＝0.3MPa
△V（ml）
△τ（s）
20
△q
（m3/m2）
△τ/△q
（sm2/m3）
q
△p（MPa）
K（m2/s）
qe
τe
Ln△p
LnK
0.1
0.2
0.3
1．当操作压强增加一倍，其K值是否也增加一倍？
要得到同样的过滤液，其过滤时间是否缩短了一半？
2．影响过滤速率度的主要因素有哪些？
3．滤浆浓度和操作压强对过滤常数K值有何影响？
4．为什么过滤开始时，滤液常常有点浑浊，而过段时间后才变清？
5．为什么过滤常数K只能通过实验测定？
测定K有何意义？
6．为什么q要取平均值
？
作出
与
的关系线？
7．恒压过滤时，随着过滤时间的增加，过滤速率如何变化？
8．Δq
取大些好，还是小些好？
同一次实验，Δq取值不同，所得出K值qe值会不会不同？
作直线求K及qe时，直线为什么要通过矩形顶边的中点？
9．是否Δq
增大，过滤速度肯定加快？
实验四传热实验
1、通过测定换热器冷、热流体的流量，测定换热器的进、出口温度，熟悉换热器性能的测试方法。
2、了解列管式换热器的结构特点及其性能的差别。
3、通过测定参数计算换热器流体的热量；
计算换热器的传热系数及效率；
分析换热器的传热状况，加深对并流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的理解。
本换热器性能测试实训装置，主要对应用较广的列管式换热器进行其性能的测试，并可以进行并流和逆流两种方式的性能测试。
换热器性能实验的内容主要为测定换热器的总传热系数，对数传热温差和热平衡误差等，并就两种流动方式，不同工况的传热情况和性能进行比较和分析。
热流体放出热量：
冷流体吸收热量：
平均换热量：
热平衡误差：
对数传热温差：
传热系数：
式中：
cph
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