化工原理实验讲解.docx
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化工原理实验讲解
实验一流体流动阻力的测定
一、实验目的和任务
1.了解流体流过管路系统的阻力损失的测定方法；
2.测定流体流过圆形直管的阻力，确定摩擦系数入与流体Re的关系；
3.测定流体流过管件的阻力，局部阻力系数E;
4.学会压差计和流量计的使用方法；
5.识别管路中各个管件、阀门，并了解其作用；
二、实验原理
流体的流动性，即流体内部质点之间产生相对位移。
真实流体质点的相对运动表现出
剪切力，又称内摩擦力，流体的粘性是流动产生阻力的内在原因。
流体与管壁面的摩擦亦产
生摩擦阻力，统称为沿程阻力。
此外，流体在管内流动时，还要受到管件、阀门等局部阻碍而增加的流动阻力，称为局部阻力。
因此，研究流体流动阻力的大小是十分重要的。
I.直管摩擦系数入测定
流体在管道内流动时，由于流体粘性作用和涡流的影响产生阻力。
阻力表现为流体的能
量损失，其大小与管长、管径、流体流速等有关。
流体流过直管的阻力计算公式，常用以下各种形式表示：
式中hf――以能量损失表示的阻力，J/kg；
Hf——以压头损失表示的阻力，m液柱；
△Pf――以压降表示的阻力，N/m2
L管道长，md管道内径，m;
u――流体平均流速，m/s;
3
P――流体密度，kg/m；入一一摩擦系数，无因次；
2
g重力加速度，g一9.81m/s°.
入为直管摩擦系数，由于流体流动类型不同，产生阻力的原因也不同。
层流时流体流动主要克服流体粘性作用的内摩擦力。
湍流时除流体的粘性作用外，还包括涡流及管壁粗糙度
的影响，因此入的计算式形式各不相同。
层流时，利用计算直管压降的哈根一泊谡叶公式:
64Re
由此式可见，入与管壁粗糙度&无关，仅为雷诺数的函数。
湍流时，由于流体流动的复杂性和管壁粗糙度的影响，入的计算比层流复杂，是利用因
次分析和实验得到计算公式。
将影响阻力的许多因素表示为压降的函数，即
Pf=f（d,L,u,A；）
通过因次分析得到以下准数函数式，
空2=f（匝上,）
:
-udd
也与计算直管阻力的公式（3）相比较，整理得到：
duP&■=f（,-）=f（Re,；/d）
二d
由此式可见，湍流时直管摩擦系数入-是流体流动Re和管壁相对粗糙度&/d的函数。
此函数的具体形式通过实验确定。
许多学者实验研究了上述函数关系，其中较简单的是柏拉修斯（Blasius）公式：
0.25
Re
此式适用于光滑管,原理教材上册摩擦系数本实验是利用水作实验，管阻力，即流体压力降
0.3164（6）
Re在2500〜1x105范围内。
对粗糙管入与Re的关系，可见化工入与雷诺数Re及相对粗糙度&/d的关系图及其他学者的计算公式。
在管长、管径和管壁粗糙度一定的条件下，改变水的流量，测定直
△Pf=P1-P2,然后分别计算入和Re值，考察两者的关系。
2•局部阻力系数E测定
流体在管路中流过管件如阀门、弯头、三通、突然扩大或突然收缩等处时，产生涡流形成
阻力，习惯称为局部阻力。
其计算式表示为
„PU22
R=N/m2（7）2
式中，E称为局部阻力系数，无因次。
它与管件的几何形状与Re有关。
当Re大到一
定时，E与Re无关，成为定值。
管件的局部阻力系数E也都是由实验测定的。
三、实验装置
3
装畫一流体阻力实验装置示意图
1一水槽2—底阀3—离心泵4一真空表5—压力表6-温度计7-涡轮流量计8—排气阀
9一平衡阀10—U型压差计11-闸阀（球阀）12,13—控制阀14一引压阀15—总管排气阀16—出口阀
装且二流体阻力实验装置示戳■
1一出水管2—阀门3—小转子流量计4―大转子流量计
5—水槽6—放水阀7―离心泵8-f'1'J阀9—球阀
10-W径接头11.-I't'l阀12-4^14X2mm13-4>20X2mm
14-M阀15—倒U型压蠟■16-U型浪岸计17—排气旋塞
18—朴:
气施塞19-T-衡旋菲
四、实验要求
1根据实验内容的要求和流程•拟定实验步骤.
2•根据流量范围和流动类型划分，大致确定实验点的分布。
3•经指导教师同意后，可以开始按拟定步骤进行实验操作。
先排气，再测定数据。
4•在获取必要数据后•经指导教师检查同意后可停止操作。
将装置恢复到实验前的状态,做好清洁工作。
五、操作方法
1•熟悉实验装置及流程。
观察U型（倒U型压差计）与实验管道和管件上测压接头的连接及位置。
弄清楚排气及平衡旋塞的作用和使用方法。
2•检查实验的管路上各阀门是否处于正确状况：
U形管压差计上的平衡阀及相应的测
压阀是否打开？
若未打开，则将其打开。
排气旋塞是否关闭和管路出口阀是否关闭？
若未关
闭，则将其关闭。
3．根据离心泵的安装位置判断是否需要灌泵？
若需引水灌泵，则打开引水阀和泵体放气阀，观察到有水从泵体放气阀溢出，表示气体被排尽，关闭放气阀和引水阀。
启动水泵。
（注意在泵出口阀关阀的情况下，泵转动不可过久，以防其发热损坏）。
4．系统排气慢慢打开出口阀，让水流入实验管道和测压导管，排出管道和测压导管中的气体。
排气时可以反复调节泵的出口阀和有关管道上的其他阀门，使积存在系统中的气体全部被流动的水带出。
（1）总管排气：
先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的大部分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复三遍。
（2）引压管排气：
依次分别对每个放气阀，开、关重复三次。
（3）U型压差计排气：
关闭平衡阀，依次分别打开2个放气阀，此时眼睛要注视着U型压差计中的指示剂液面的上升，防止指示剂冲出，开、关重复三次。
（4）检验排气是否彻底是将控制阀开至最大，再关至为零，看U型压差计读数，若左右
读数相等，则判断系统排气彻底；若左右读数不等，则重复上述
（2）（3）步骤。
5．确认系统中的气体被排净后，关闭平衡阀，准备测取数据。
装置二倒U型压差计的处理。
关闭泵的出口阀14,小转子流量计出口阀2和020X2mm实验直管入口阀&然后再慢慢打开小转子流量计阀2,此时可以看到倒U型压差计玻璃管
中的水被排出,液面下降,当液面降到最低位置时,关闭阀2．接着关闭上部的排气旋塞17,以切断与大气的连通,此时如果打开泵的出口阀14．因玻璃管内空气被压缩,其水面会上
升到适当的稳定位置。
如果水面不断上升以致充满整个玻璃管内,说明排气旋塞没有关闭或未关严,排气失败,需要关闭水泵的出口阀,重新排水处理。
6．实验数据测定
用管路出口阀调节流量,注意阀门的开度,在最大流量范围要合理分割流量,进行实验布点。
测量完成后,打开各测压计的平衡阀。
7．改测另一条管路；打开第二条管路上相应的阀门及测压阀,关闭第一条管路上的相应的阀门及测压阀。
8．实验结束后,关闭泵的出口阀,停泵。
请指导教师检查实验数据,通过后停止实验,将装置恢复到实验前的状态,做好清洁工作。
六、注意事项
1、在排气和使用时要特别注意开关顺序,因若操作失误,就可能发生冲走水银的事故。
2、实验开始与结束后,都应关闭泵的出口阀,检查各压差计两管读数是否相等,否则是排气过程气泡没排净或实验过程有气泡进入测量系统。
3、实验时需选择管路实验顺序,并开关相应的阀门。
4、装置一直管测量段管长都为2m;装置二014X2mm直管的测量段管长为1.1m,020X2mm直管的测量段管长为1.5m。
5、数据测定时，层流由于流量范围较小，只要取三组数据；湍流一般应取8〜10组数据。
6、要注意分清各压差计的连接位置和压差计所用的指示液,不能混淆；数据记录时要注意有效数字和单位。
7、注意两直管管路包括引压管都要排气。
8、由于系统的流量采用涡轮流量计计量,其小流量受到结构的限制,因此,从大流量做起,实验数据比较准确。
9、改变流量后须等流量稳定后再测量数据。
10、若发现流量显示仪读数达不到零，可采用将调节阀开至最大，再快速关闭调节阀，流量显示仪读数将为零，可能此读数不久还会上升，仍为正常现象，上升的数据不采集，以零计。
此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。
六、原始实验数据
装置一
管径直管两测压接头间长度水温
涡轮流量系数
序
号
流量计读数
/sec
粗糙管阻力压差计
读数cm
螺旋槽管阻力压差
计读数cm
管件阻力压差计读
数cm
阀门阻力压差计读
数cm
左
右
差值
左
右
差值
左
右
差值
左
右
差值
1
2
•…
装置二
管子内径〔mm〕直管两测压接头间距离〔m〕
水温〔C〕
1、直管阻力
序号
流量计
流速u
〔m/s〕
Redu/?
压差计读数
〔mmH2O〕或〔mmHg〕
△P
〔N/m〕
摩擦系数
入
备
注
〔L/h〕
〔m/h〕
2
左
右
差
1
2
2、阀门局部阻力
球心阀两测压接头间距离〔m〕闸阀门两测压接头间距离〔m〕
序
号
流量
流速
Re
du/?
球心阀阻力压差计
读数〔mmH2O〕
△P
[N/m2]
阻力系
数E
球心阀阻力压差计
读数〔mmH2O〕
△P
[N/m2]
阻力系
数E
[m3/h]
[m/s]
2
左
右
差
左
右
差
1
2
七、实验报告要求
3、作图并讨论实验结果
根据测定的数据，计算Re和入值，在双对数坐标纸上标绘二者的关系，并与教材上的图线相比较。
或按经验式关联．并与层流理论式和湍流柏拉修斯公式比较。
4回答下列思考题、。
（1）U型压差计的平衡旋塞和排气旋塞起什么作用？
怎样使用？
在什么情况下会冲走水银如何防止？
（2）如何检验测试系统内的空气已经排除干净？
（3）U型压差计的零位应如何校正？
（4）倒U型压差计读数与压差之间的换算式与U型压差计有什么不同？
倒U型压差计般适用于什么场合？
实验二、孔板流量计的流量校正
、实验目的
（1）、熟悉孔板流量计的构造、性能及使用方法；
（2）、学会流量计流量校正（或标定）的方法。
（3）、通过孔板流量计孔流系数的测定，了解孔流系数的变化规律。
（4）、学会压差计、流量计的使用方法以及识别管路中各个管件、阀门的作用。
二、基本原理
流量计的种类和型式很多，本实验是研究差压式流量计的校正。
差压式流量计也称速度式流量计，是用测定流体的压差来确定流体的速度，常用的有孔板流量计，文丘利流量计以及毕托管和喷嘴等。
本实验用的孔板流量计如图所示，是在管道法兰间装有一中心开孔的铜板。
我们可用流
体流动规律导出孔板流量计的计算模型。
当流体通过孔板时，因流道缩小使流速增加，降低了势能，流体流过孔板后，由于惯性，实际流道将继续缩小至截面2为止，形成一缩脉（即流动截面最小处），此处流速最大,引起的静压降也最大。
截面I和及截面2可认为是均匀流。
暂时不计阻力损失，在此两截面间列伯努利方程，得
度U0代替上式中的U2，同时，两侧压孔的位置也不在截面1和截面2处，而且实际流体流
过孔口时有阻力损失，实际所测得势能差不会恰巧是（P1—P2）/p,因此引入一校正系数C来
校正上述各因素的影响，则（3）式变为
=C2（P1-P2）
得Ui=mu0
C
式中Co一皿（9）
Co称为孔板的流量系数。
于是，孔板的流量计算式为
流量系数Co的数值只能通过实验求得。
Co主要取决于管道流动的雷诺数Red和面积比m,测压方式、孔口形状、加工光洁度、孔板厚度和管道粗糙度也对流量系数Co有影响。
测压方式、结构尺寸、加工状况等均已规定的标准孔板，流量系数Co可以表示成
（11）
Co=fRed，m
孔板流量计的缺点是阻力损失大，流体流过孔板流量计，由于流体与孔板有摩擦，流道突然收缩和扩大，形成涡流产生阻力，使部分压力损失，因此流体流过流量计后压力不能完全恢复，这种损失称为永久压力损失（局部阻力损失）。
流量计的永久压力损失可以用实
验方法测出。
如下图所示，实验中测定3、4两个截面的压力差，即为永久压力损失。
对孔板流量计，测定孔板前为di的地方和孔板后6di的地方两个截面压差。
1
孔板流量计的局部阻力损失hf可写成
2
“2Rg（R-P）
C0■
（12）
式（12）表明阻力损失正比于压差计读数R,说明读数R是以机械能损失为代价取得的。
缩口愈小，孔口速度u°愈大，读数R愈大，阻力损失也随之增大。
因此选用孔板流量计的中心问题是选择适当的面积比m以期兼顾是以的读数和阻力损失。
工厂生产的流量计大都是按标准规范生产的。
出厂时一般都在标准技术状况下以水或
空气为介质进行标定，给出流量曲线或按规定的流量计算公式给出指定的流量系数，然而在
使用时，往往由于所处温度、压强、介质的性质同标定时不同，因此为了测定准确和使用方
便，应在现场进行流量计的校正。
即使已校正过的流量计，由于在长时间使用中被磨损较大时，也需要再一次校正。
三、实验装置
孔板流量计校核实验装置流程图
1—水槽2—离心泵3—温度计4—U型压差计5—平衡阀6—排气阀7—孔板流量计8—蜗轮流量计9—出口阀
四、实验要求
1根据实验内容的要求和流程•拟定实验步骤.
2•根据流量范囤和流动类型划分，大致确定实验点的分布。
3•经指导教师同意后，可以开始按拟定步骤进行实验操作。
先排气，再测定数据。
4•在获取必要数据后•经指导教师检查同意后可停止操作。
将装置恢复到实验前的状态好清洁工作。
五、实验步骤
1•熟悉实验装置及流程。
观察U型压差计与实验管道和孔板流量计测压接头的连接及位置。
弄清楚排气及平衡旋塞的作用和使用方法。
2•打开U型压差计上的平衡阀及相应的测压阀，关闭排气旋塞和管路出口阀。
3•启动水泵。
（注意在泵出口阀关阀的情况下，泵转动不可过久，以防其发热损坏）。
4.系统排气
慢慢打开出口阀，让水流入实验管道和测压导管，排出管道和测压导管中的气体。
排气时可以反复调节泵的出口阀和有关管道上的其他阀门，使积存在系统中的气体全部被流动
的水带出。
（1）总管排气：
先将控制阀全开然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的大部分气
体被排走。
（2）引压管排气：
依次分别对每个放气阀，开、关重复三次。
（3）U型压差计排气：
关闭平衡阀，依次分别打开2个放气阀，此时眼睛要注视着U型压差计中的指示剂液面的上升，防止指示液冲出，开、关重复三次
（4）检验排气是否彻底是将控制阀开至最大，再关至为零，看U型压差计读数，若左右
读数相等，则判断系统排气彻底；若左右读数不等，则重复上述
（2）（3）步骤。
5．确认系统中的气体被排净后，关闭平衡阀，准备测取数据。
用管路出口阀调节流量，注意阀门的开度，在最大流量范围要合理分割流量，进行实验布点。
测量完成后，打开各测压计的平衡阀。
6．实验结束后，关闭泵的出口阀，停泵。
请指导教师检查实验数据，通过后停止实验，将装置恢复到实验前的状态，做好清洁工作。
六、注意事项
1、在排气和使用时要特别注意开关顺序，因若操作失误，就可能发生冲走水银的事故。
2、实验开始与结束后，都应关闭泵的出口阀，检查各压差计两管读数是否相等，否则是排气过程气泡没排净或实验过程有气泡进入测量系统。
3、实验时需缓慢开、关出口阀，避免因流量剧烈波动，防止压差计中的指示液冲出。
4．改变流量后需等流量稳定后再测量数据。
5．实验布点
由于Co在充分湍流区时，Co〜Red的关系是水平直线，所以在大流量时少布点，而
Red在比较小时，C。
〜Red的关系是曲线，所以小流量时多布点。
先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读数F大，然后关至水银压差计差值约o.1o时，再读取流量显示仪读数F小，在F小和F大二个读数之间布10〜12个点。
6．若发现流量显示仪读数达不到零，可采用将调节阀开至最大，再快速关闭调节阀，流量显示仪读数将为零，可能此读数不久还会上升，仍为正常现象，上升的数据不采集，以零计。
此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。
七、原始数据记录要求
1、记录设备参数；
2、实验原始数据的记录以表格形式。
八、实验报告要求
1、将实验数据和整理结果以数据表格列出，并以其中一组数据计算举例。
2、在双对数坐标系上，标绘流量计的流量Vs与压差△P（压差计读数R）的关系曲线
（即流量标定曲线），并求出斜率，考察Vs〜AP（或R）是否为0.5次方的关系？
3、在半对数坐标纸上作出孔流系数和雷诺数的关系曲线。
4、讨论与思考题
（1）流量计的孔流系数Co与哪些参数有关？
这些参数对孔流系数Co有和影响？
（2）标绘Co〜Red时选择什么样坐标纸？
你从所标绘的曲线中得出什么结论？
（3）局部阻力系数Z与雷诺数Red的关系
（4）试验管路及导压管中如果积存有空气，为什么要排除?
（5）什么情况下的流量计需要标定?
标定方法有几种?
本实验是用哪一种?
（6）U管压差计上装设的平衡阀有何作用？
在什么情况下应开着？
在什么情况下应该关死？
、
实验三、离心泵特性曲线的测定
、实验目的
1、了解离心泵的特性；
2、学习离心泵特性曲线的测定方法；
3、熟悉离心泵操作方法和特性曲线的应用;
4、正确掌握作图法处理实验数据。
二、基本原理
泵是输送液体的设备，在选用泵时，一般总是根据生产要求的扬程和流量，参照泵的性能来决定的。
对一定类型的泵来说，泵的性能主要是指一定转速下，泵的流量、压头（扬程）、轴功率和效率等。
泵的
特性曲线主要是指在一定转速下，泵的扬程、功率和效率与流量之间的关系，即扬程和流量
2——2
1
图2-1泵结构示意图
的关系曲线（He〜Q曲线），轴功率和流量的关系曲线（N轴〜Q曲线），效率和流量的关系曲线（n〜Q曲线）。
由于离心泵的结构和流体本身的非理想性以及流体在流动过程中的种种阻力损失，至
今为止，还没有人能推导出计算扬程的纯理论数学方程式。
因此，本实验采用最基本的直接测定法，对泵的特性曲线用
实验测得。
1、泵的扬程He
见图2-1。
对泵的进出口取1-1截面与2-2截面，建立机械能衡算式：
旦+州+虻+居=业+构+显
居亠—生+為卡+述.—虻
（2）
雄二血一厶也十学C3）
ho—两测压截面的垂直距离，m
P1—泵入口处的压强，Pa；P2—泵岀口处的压强，Pa；
U1、U2—进、出口管中液体的流速，m/s。
2、泵的轴功率N轴的测定
由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率。
本实验不是直接测量泵的轴功率，而
是利用功率表测量电机的输入功，再由下式计算轴功：
N轴=“电机?
n电机?
n传动（4）
N电机…电动机的输入功率，W;本实验是利用功率表测量一相的电机的输入功率，则电机的输入功率N电机：
N电机数X仪表系数X
表头读数
（注：
装置一电机的相数为3，仪表系数为1;装置二电机的相数为1，仪表系数为10）
n电机一电机的效率，由电机效率曲线求得，装置二电机的效率为0.6。
n传动一传动装置的传动效率，由于泵是由电机直接带动，传动效率可视为1。
3、离心泵效率的计算
3=——
%
从方程式
（2）可见，实验的组织方法
图2泵的工作壹原理国
是：
实验装置中在泵的进出口管上分别装有真空表P1和压力表P2；由温度计测量流体
温度，从而确定流体的密度p；由功率表计量电机输入功率Na；管路中需安装流量计，确定流体的流速u;欲改变u需阀门控制。
除以上仪表外，配上管件，水槽等部件组合成循环管路。
实验操作原理是：
按照管路特性曲线和泵特性曲线的交点作为泵的工作点这一原理，改变管路阻力可以通过调节阀门开度来实现，使管路特性曲线上的工作点发
生移动，再将一系列移动的工作点的轨迹连接起来，就是泵的扬程曲线，见图2。
三、实验流程及说明
装置流程如图3、图4所示，离心泵由电机驱动，泵从水槽中吸入水，然后由压出管排至水槽，循环使用。
再吸入管进口处装有滤水器，以免污物进入水泵，滤水器上带
有单向阀，以便在启动前可使泵内灌满水。
在泵的吸入口和压出口处，分别装有真空表
和压力表，以测量泵的进出口的压力。
泵的出口管道上装有蜗轮流量计（装置一）或转
子流量计（装置二），用以计量水的流量，此外还装有阀门，用以调节水的流量。
用单相功率表测量电动机的单相的输入功率。
1—水槽2—M阀3—真空表4—排气阀5—离心泵
功率表了一引水阀8—压强表9—温度计
10—涡轮流量计11一控制阀12—流量调节阀
图4离心泵性能实验装置二流程图
1一离心'泵2—电动机3-X槽4一展阀5—眾水口心一功率表丁一功率表电用绒圈接线松1J-功率表电流压线圈接绒柱8-X空表9一压强表10—小转子潦量计11一大转子流量计12—流豈训节阀13—引水酒泵阀14一泵出口圧番测试点】5—泵入口克空度测试点
16-泵出口导管上的夹干
四、实验要求
1根据实验内容的要求和流程•拟定实验步骤.
2.根据流量范囤，大致确定实验点的分布。
3•经指导教师同意后，可以开始按拟定步骤进行实验操作。
4•获取必要数据后•经指导教师检查同意后可停止操作。
将装置恢复到实验前的状态，
做好清洁工作。
五、实验步骤
1、了解设备，熟悉实验流程及所用仪表。
2、根据离心泵的安装位置判断是否需要灌泵？
3、关闭流量调节阀，启动泵。
4、用出口阀调节流量，在最大流量范围要合理分割流量，进行实验布点。
5、实验结束后，关闭泵的出口阀，停泵。
请指导教师检查实验数据，通过后停止实验，将装置恢复到实验前的状态，做好清洁工作。
六、注意事项
1、启动泵前必须关闭出口阀。
2、调节流量时开关阀门动作要缓慢，避免流量剧烈波动。
3、改变流量后须等系统稳定后再测量数据。
4、装置二功率表的电压线圈和电流线圈分别与面板功率表上对应的电压、电流接线柱相连接，电压选择330V档，电流选择25A档，注意不要接错或接反，以免损坏仪表。
5、装置二在启动泵之前，先接通功率表分流闸即按下绿色开关，夹紧泵出口测压引压
管夹子。
（功率表的使用功率表分流闸
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