《化工原理》实验讲义.docx
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《化工原理》实验讲义
化工流动过程综合实验
一、实验装置功能特点介绍：
本实验装置将流体阻力实验、离心泵性能实验、流量计性能实验有机结合在一起，是一套多功能实验装置。
可用于化工教学实验。
通过实验，可以练习光滑直管、粗糙直管的阻力系数与雷诺准数的测量方法，并能绘制关系曲线；学习几种压差测量方法，加深对流体流动阻力概念的理解；同时可以让学生了解离心泵的结构、操作方法，掌握离心泵特性曲线测定方法，掌握离心泵管路特性曲线测定方法，并能绘制相应曲线，加深对离心泵性能的理解；了解各种流量计（节流式、转子、涡轮）的结构、性能及特点，掌握其使用方法；掌握节流式流量计标定方法，会测定并绘制文丘里流量计流量标定曲线（流量-压差关系）与流量系数和雷诺数之间的关系（
关系）。
二、实验设备主要技术参数：
1．流体阻力部分：
（1）被测直管段：
光滑管:
管径d-0.008（m）管长L-1.708（m）材料不锈钢
粗糙管:
管径d-0.01（m）管长L-1.713（m）材料不锈钢
（2）玻璃转子流量计：
型号测量范围精度
LZB—25100~1000（L/h）1.5
LZB—1010~100（L/h）2.5
（3）压差传感器：
型号LXWY测量范围200KPa
（4）数字显示仪表：
宇电数字显示仪表
测量参数名称仪表名称数量
温度AI-501B1
压差AI-501BV241
流量AI-501BV241
功率AI-501B1
（5）离心泵：
型号WB70/055
2.流量计性能部分：
流量测量：
文丘里流量计文丘里喉径0.020m
实验管路管径：
0.043m，
3．离心泵性能部分；
（1）离心泵：
型号WB70/055电机效率60%；
（2）真空表：
用于泵吸入口真空度的测量测量范围0.1-0MPa精度1.5级,真空表测压位置管内径d1=0.028m
（3）压力表：
用于泵出口压力的测量测量范围0-0.25MPa精度1.5级
压强表测压位置管内径d2=0.042m
（4）流量计：
涡轮流量计精度0.5级；
（5）两测压口之间距离：
真空表与压强表测压口之间的垂直距离h0=0.43m
4．管路特性部分：
变频器：
型号N2-401-H规格：
（0-50）Hz
三、实验装置流程图及基本情况简介
1.实验装置流程示意图见图一
图一流动过程综合实验流程示意图
1-水箱；2-水泵；3-入口真空表；4-出口压力表；5、16-缓冲罐；6、14-测局部阻力近端阀；7、15-测局部阻力远端阀；8、17-粗糙管测压阀；9、21-光滑管测压阀；10-局部阻力阀；11-文丘里流量计（孔板流量计）；12-压力传感器；13-涡流流量计；18、32-阀门；20-粗糙管阀；22-小转子流量计；23-大转子流量计；24阀门；25-水箱放水阀；26-倒U型管放空阀；27-倒U型管；28、30-倒U型管排水阀；29、31-倒U型管平衡阀
2.实验装置仪表面板图见图二
（1）流体阻力测量：
水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，经玻璃转子流量计22、23测量流量，然后送入被测直管段测量流体流动阻力，经回流管流回储水槽1。
被测直管段流体流动阻力ΔP可根据其数值大小分别采用变送器12或空气—水倒置Ｕ型管来测量。
（2）流量计、离心泵性能测定：
水泵2将水槽1内的水输送到实验系统，流体经涡轮流量计13计量，用流量调节阀32调节流量，回到储水槽。
同时测量文丘里流量计两端的压差，离心泵进出口压强、离心泵电机输入功率并记录。
（3）管路特性测量：
用流量调节阀32调节流量到某一位置，改变电机频率，测定涡轮流量计的频率、泵入口真空度、泵出口压强并记录。
四、实验方法及步骤：
1．流体阻力测量
（1）向储水槽内注水至水满为止。
（最好使用蒸馏水，以保持流体清洁）
（2）光滑管阻力测定：
a.关闭粗糙管路阀门，将光滑管路阀门全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在。
若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡。
需要进行赶气泡操作。
导压系统如图三所示。
操作方法如下：
加大流量，打开U型管进出水阀门11，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若观察气泡已赶净，将流量调节阀24关闭，U型管进出水阀11关闭，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀26后，分别缓慢打开阀门3、4，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气—水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。
然后关闭放空阀26，打开U型管进出水阀11，此时U型管两液柱的高度差应为零（1—2mm的高度差可以忽略），如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。
图三导压系统示意图
3、4-排水阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；
26-U型管放空阀；27-U型管
b.该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。
c.差压变送器与倒置U型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用∪型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。
应在最大流量和最小流量之间进行实验操作，一般测取15～20组数据。
注：
在测大流量的压差时应关闭U型管的进出水阀11，防止水利用U型管形成回路影响实验数据。
（3）粗糙管阻力测定：
关闭光滑管阀，将粗糙管阀全开，从小流量到最大流量，测取15~20组数据。
（4）测取水箱水温。
待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。
（5）粗糙管、局部阻力测量方法同前。
2．流量计、离心泵性能测定
（1）向储水槽内注入蒸馏水。
检查流量调节阀32，压力表4的开关及真空表3的开关是否关闭（应关闭）。
（2）启动离心泵，缓慢打开调节阀32至全开。
待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。
（3）用阀门32调节流量，从流量为零至最大或流量从最大到零，测取10～15组数据，同时记录涡轮流量计频率、文丘里流量计的压差、泵入口真空度、泵出口压强、功率表读数，并记录水温。
（4）实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。
3．管路特性的测量
（1）测量管路特性曲线测定时，先置流量调节阀32为某一开度，调节离心泵电机频率（调节范围50—20Hz），测取8～10组数据，同时记录电机频率、泵入口真空度、泵出口压强、流量计读数，并记录水温。
（2）实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。
五、实验注意事项
1．直流数字表操作方法请仔细阅读说明书，待熟悉其性能和使用方法后再进行使用操作。
2．启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。
3．利用压力传感器测量大流量下△P时,应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门否则将影响测量数值的准确。
4．在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。
5.若之前较长时间未做实验，启动离心泵时应先盘轴转动，否则易烧坏电机。
6.该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好接地。
7.使用变频调速器时一定注意FWD指示灯亮，切忌按FWDREV键，REV指示灯亮时电机反转。
8.启动离心泵前，必须关闭流量调节阀，关闭压力表和真空表的开关，以免损坏测量仪表。
9.实验水质要清洁，以免影响涡轮流量计运行。
六、附数据处理过程举例：
㈠计算过程
1.流体阻力测量
（1）直管摩擦系数与雷诺数Re的测定
直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即
，对一定的相对粗糙度而言，
。
流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：
（1）
又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）
（2）
整理
（1）
（2）两式得
（3）
（4）
式中：
管径，m；
直管阻力引起的压强降，Pa；
管长，m；
流速，m/s；
流体的密度，kg/m3；
流体的粘度，N·s/m2。
在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。
若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。
所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△Pf与流速u（流量V）之间的关系。
根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（4）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。
计算举例:
1光滑管、小流量数据：
Q＝60（L／h）h＝51（ｍｍH2O）
（以表一第17组数据为例）
实验水温
=27.8℃粘度
＝0.85×10-3（Pa.s）密度
＝995.78（kg／m3）
管内流速
（m/s）
阻力降
=498（Pa）
雷诺数
3.109×103
阻力系数
4.3×10-2
②粗糙管、大流量数据：
Q＝300（L／h）△P＝18.2（kPa）
（以表二第13组数据为例）
实验水温
=29.2℃粘度
＝0.82×10-3（Pa.s），密度
＝995.40（kg／m3）
管内流速
1.06（m/s）
阻力降
18.2×1000=18200（Pa）
雷诺数
1.29×104
阻力系数
=0.190
（2）测定局部阻力系数
a.局部阻力系数
的测定
式中：
局部阻力系数，无因次；
局部阻力引起的压强降，Pa；
局部阻力引起的能量损失，J／kg。
图-4局部阻力测量取压口布置图
局部阻力引起的压强降
可用下面的方法测量：
在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a'和b-b＇，见图1-1，使
ab＝bc；a＇b＇＝b＇c＇
则△Pf，ab＝△Pf，bc；
△Pf，a＇b＇=△Pf，b＇c＇
在a~a＇之间列柏努利方程式：
Pa－Pa＇=2△Pf，ab+2△Pf，a＇b＇+△P＇f（5）
在b~b＇之间列柏努利方程式：
Pb－Pb＇=△Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△P＇f
=△Pf，ab+△Pf，a＇b＇+△P＇f（6）
联立式（5）和（6），则：
＝2（Pb－Pb＇）－（Pa－Pa＇）
为了实验方便，称（Pb－Pb＇）为近点压差，称（Pa－Pa＇）为远点压差。
其数值用差压传感器来测量。
计算举例：
局部阻力实验数据：
Q＝800（L／h）
近端压差＝186（kPa）远端压差＝186.6（kPa）
实验水温
=29.2℃粘度
＝0.82×10-3（Pa.s）密度
＝995.40（kg／m3）
实验水温
=20.8℃密度
＝997.49（kg／m3）（以表三第1组数据为例）
管内流速：
（m/s）
局部阻力：
＝2（Pb－Pb＇）－（Pa－Pa＇）
=（2×186-186.6）×1000=185400（Pa）
局部阻力系数：
3.流量计性能测定
（1）实验原理及计算过程
流体通过节流式流量计时在上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：
式中：
被测流体（水）的体积流量，m3/s；
流量系数，无因次；
流量计节流孔截面积，m2；
流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa；
被测流体（水）的密度，kg／m3。
用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量VS。
，每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数△P和流量Vs绘制成一条曲线，即流量标定曲线。
同时利用上式整理数据可进一步得到C—Re关系曲线。
（2）计算举例（以表四第5组数据为例）
涡轮流量计：
（m3/h）流量计压差：
15.5kpa实验水温
=31.1℃
粘度
＝0.78×10-3（Pa.s）密度
＝994.85（kg／m3）
（m/s）
=4.99×104
=0.965
4.离心泵性能的测定
（1）实验原理及计算过程
A．H的测定：
在泵的吸入口和排出口之间列柏努利方程
上式中
是泵的吸入口和排出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努利方程中其它项比较，
值很小，故可忽略。
于是上式变为：
将测得的
和
的值以及计算所得的
代入上式即可求得H的值。
B．N的测定：
功率表测得的功率为电动机的输入功率。
由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。
即：
泵的轴功率N=电动机的输出功率，kw
电动机的输出功率=电动机的输入功率×电动机的效率。
泵的轴功率=功率表读数×电动机效率，kw。
C．
的测定
式中：
—泵的效率；
N—泵的轴功率，kw；
Ne—泵的有效功率kw；
H—泵的扬程，m；
Q—泵的流量，m3/s
—水的密度，kg/m3
（2）计算举例（以表五第1组数据为例）
涡轮流量计读数：
功率表读数：
0.76kw
压力表：
0.055Mpa；泵入口真空表：
0.024Mpa
实验水温
=31.1℃粘度
＝0.78×10-3（Pa.s）密度
＝994.85（kg／m3）
8.5（m）
5.管路特性的测定：
当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者是相互制约的。
管路特性曲线是指流体流经管路系统的流量与所需压头之间的关系。
若将泵的特性曲线与管路特性曲线绘制在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。
因此，如同通过改变阀门开度来改变管路特性曲线，求出泵的特性曲线一样，可通过改变泵转速来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。
泵的压头H计算方法同上。
附：
实验数据表
表一流体阻力实验数据记录光滑管内径8mm管长1.698m
液体温度=27.8℃液体密度ρ=995.78kg/m液体粘度μ=0.85mPa.S）
序号
流量（l/h）
直管压差ΔP
ΔP
（Pa）
流速u
（m/s）
Re
λ
（kPa）
（mmH2o）
1
1000
76.4
76400
5.53
51818
0.024
2
900
62.5
62500
4.98
46636
0.024
3
800
50.4
50400
4.42
41455
0.024
4
700
40.8
40800
3.87
36273
0.026
5
600
31.0
31000
3.32
31091
0.027
6
500
22.4
22400
2.76
25909
0.028
7
400
15.5
15500
2.21
20727
0.030
8
300
9.4
9400
1.66
15545
0.032
10
200
4.9
4900
1.11
10364
0.038
13
100
2.4
128
1250
0.55
5182
0.039
14
90
105
1026
0.50
4664
0.039
15
80
90
879
0.44
4145
0.043
16
70
70
684
0.39
3627
0.043
17
60
51
498
0.33
3109
0.043
18
50
36
352
0.28
2591
0.044
19
40
23
225
0.22
2073
0.043
20
30
15
147
0.17
1555
0.050
21
20
9
88
0.11
1036
0.068
22
10
4
39
0.06
518
0.121
λ=70.51/Re
表二流体阻力实验数据记录粗糙管内径10mm管长1.705m）
液体温度=29.2℃液体密度ρ=995.40kg/m液体粘度μ=0.82mPa.S
序号
流量（l/h）
直管压差ΔP
ΔP
（Pa）
流速u
（m/s）
Re
λ
（kPa）
（mmH2o）
3
1000
168.9
168900
3.54
42955
0.159
4
900
139.2
139200
3.18
38659
0.162
5
800
110.3
110300
2.83
34364
0.162
6
700
90.0
90000
2.48
30068
0.173
7
600
67.6
67600
2.12
25773
0.177
8
500
47.8
47800
1.77
21477
0.180
10
400
31.5
31500
1.42
17182
0.185
13
300
18.2
18200
1.06
12886
0.190
14
200
8.4
8400
0.71
8591
0.198
15
100
2.7
294
2871
0.35
4295
0.270
16
90
249
2431
0.32
3866
0.283
17
80
206
2012
0.28
3436
0.296
18
70
164
1601
0.25
3007
0.308
19
60
127
1240
0.21
2577
0.324
20
50
91
889
0.18
2148
0.335
21
40
66
644
0.14
1718
0.379
22
30
50
488
0.11
1289
0.511
23
20
24
234
0.07
859
0.551
24
10
8
78
0.04
430
0.735
表三局部阻力实验数据表
序号
流量Q
（l/h）
近端压差
（kPa）
远端压差
（kPa）
流速u
（m/s）
局部阻力
（kPa）
阻力系数ζ
1
800
186
186.6
1.26
185400
235.3
2
600
104.3
105
0.94
103600
233.8
3
400
44.5
45.5
0.63
43500
220.9
表四流量计性能测定实验数据记录
序号
文丘里流量计
（kPa）
文丘里流量计
（Pa）
流量Q
（m3/h）
流速u
（m/s）
Re
Co
1
46.3
46300
10.17
1.946
83260
0.933
2
35
35000
9.13
1.747
74746
0.963
3
28.3
28300
8.14
1.558
66641
0.955
4
22.8
22800
7.12
1.363
58290
0.930
5
15.5
15500
6.09
1.165
49858
0.965
6
10.8
10800
5.05
0.966
41344
0.959
7
7.9
7900
4.12
0.788
33730
0.915
8
5.6
5600
3.13
0.599
25625
0.825
9
3
3000
2.10
0.402
17192
0.756
10
1.4
1400
1.08
0.207
8842
0.569
11
0
0
0.00
0.000
表五离心泵性能测定实验数据记录
（液体温度31.1℃液体密度ρ=994.85kg/m、泵进出口高度=0.437米）
序号
入口压力P1
（MPa）
出口压力P2
（MPa）
电机功率
（kw）
流量Q
（m3/h）
压头
h
（m）
泵轴功率
N
（w）
η
（%）
1
0.024
0.055
0.76
10.17
8.5
456
51.584
2
0.019
0.082
0.76
9.13
10.8
456
58.545
3
0.015
0.105
0.74
8.14
12.7
444
63.283
4
0.012
0.125
0.71
7.12
14.5
426
65.585
5
0.008
0.145
0.68
6.09
16.1
408
65.206
6
0.006
0.161
0.64
5.05
17.5
384
62.564
7
0.004
0.171
0.59
4.12
18.4
354
57.954
8
0.002
0.182
0.54
3.13
19.3
324
50.520
9
0
0.194
0.47
2.10
20.3
282
41.012
10
0
0.205
0.42
1.08
21.4
252
24.912
11
0
0.215
0.38
0.00
22.5
228
0.000
表六离心泵管路特性曲线
（液体温度26.5℃液体密度ρ=996.12kg/m、泵进出口高度=0.437米）
序号
电机频率
Hz
入口压力
P1
（MPa）
出口压力
P2
（MPa）
流量
Q
（m3/h）
压头
h
（m）
1
50
0.023
0.052
10.28
8.11
2
48
0.021
0.05
9.88
7.70
3
46
0.019
0.045
9.49
6.99
4
44
0.018
0.042
9.10
6.58
5
42
0.016
0.04
8.69
6.17
6
40
0.014
0.035
8.30
5.45
7
38
0.012
0.03
7.91
4.74
8
36
0.012
0.03
7.50
4.74
9
34
0.01
0.025
7.10
4.02
10
32
0.008
0.025
6.67
3.81
11
30
0.007
0.02
6.24
3.20
14
20
0.003
0
5.81
0.74
16
10
0
0
4.10
0.44
18
0
0
0
1.87
0.44
（三）、曲线图
恒压（板框）过滤常数测定
一.实验装置基本功能和特点
该实验设备是由
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