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化工原理实验
第3部分化工原理基本实验
3.1流体流动阻力的测定
3.1.1实验目的
（1）学习管路阻力损失（hf）、管路摩擦系数（λ）、管件（阀件）局部阻力系数（ζ）的测定方法，并通过实验了解它们的变化规律，巩固对流体阻力基本理论的认识；
（2）了解与本实验有关的各种流量测量仪表、压差测量仪表的结构特点和安装方式，掌握其测量原理，学会其使用方法。
3.1.2实验原理
实际流体沿直管壁面流过时因粘性引起剪应力，由此产生的阻力损失称为直管阻力损失
。
流体流过管件、阀门或突然扩大（缩小）时造成边界层分离，由此产生的阻力称为局部阻力。
上述两种阻力的测定原理如下：
（1）直管阻力损失
为了测定流体流过长为l、内径为d的直管的阻力损失，在其两端安装一个U形管压差计。
在压差计的上、下游取压面1-1与2-2间列伯努利方程：
（3-1）
对于水平等径直管，有
，
，所以
（3-2）
流体流过直管的压降由压差计测定，即
（3-3）
于是
（3-4）
因为
，所以在某一流量下摩擦系数可按下式计算：
（3-5）
式中：
、
——分别为直管阻力压差计指示剂及流体的密度；R——U形压差计读数。
根据因次分析，流体在直管内湍流流动时摩擦系数为雷诺准数Re和管子相对粗糙度（ε/d）的函数，即
（3-6）
（2）局部阻力
根据局部阻力系数法，流体流过管件或阀门的阻力损失为
（3-7）
式中：
、
——分别为局部阻力压差计指示剂及流体的密度；
——U形压差计读数。
所以，在某一流量下阀件或者管件的局部阻力系数可按下式计算：
（3-8）
根据式（3-4）~（3-8），实验的组织方法是：
在待测的直管段、管件（如大小头、90o弯头等）或者阀门（如闸阀、球阀等）两端安装U形管压差计，在管路下游安装出口阀，在直管段安装流量计，再配以温度计、管件、水槽等部件组成循环管路。
3.1.3实验装置与流程
本实验装置由离心泵、涡轮流量计、水槽、U形压差计等组成，其流程如图3-1所示。
图3-1流体流动阻力实验装置
1—水槽；2—离心水泵；3—流量计；4—温度计；5—阀件或管件；6—直管；
7—底阀；8—控制阀；9—引水阀；10，11—排气阀；12—平衡阀；13—总管排气阀
3.1.4实验步骤
（1）关闭控制阀，打开2个平衡阀，引水﹑灌泵、放气，关闭功率表，启动泵。
（2）排出管路系统的气体。
a.总管排气：
先将控制阀全开，再关闭，如此反复3次，目的是排走总管中的部分气体；然后打开总管排气阀，开启后再关闭，如此反复3次。
b.引压管排气：
开启控制阀，对每个压差计的2个排气阀，先同时开启再同时关闭，共反复3次。
c.压差计排气：
关闭2个平衡阀，对每个压差计的2个排气阀，先同时开启后同时关闭，共反复3次。
注意：
在开启排气阀时眼睛要注视U型压差计中的指示剂液面，防止指示剂冲出。
（3）检验排气是否彻底。
检验方法：
将控制阀全开，再全关，观察U型压差计读数，若左右读数相等，则可判断系统排气彻底；若左右读数不等，则重复步骤
（2）。
（4）记录数据。
注意：
a.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，所以从大流量做起，实验数据比较准确。
b.由于Re在充分湍流区时，λ～Re的关系是水平线，所以在大流量时宜少布点；而Re比较小时，λ～Re的关系是曲线，所以小流量时应多布点。
（5）关闭出口阀，关闭功率表开关，停泵，打开平衡阀。
3.1.5注意事项
（1）排气一定要彻底；
（2）启动泵前必须关闭引水阀；
（3）引压管和压差计排气时要同时开关排气阀，注意安全，确保指示剂不从压差计内冲出；
（4）合理安排实验点。
3.1.6数据记录
表3-1流体流动阻力测定实验原始数据记录表
直管长度：
m管径：
mm指示剂：
阀门或管件类型：
管径：
mm指示剂：
水温：
℃
序号
显示仪读数
直管阻力压差计
局部阻力压差计
左
右
左
右
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3.1.7实验报告要求
（1）将实验数据整理成λ~Re数据表，在双对数坐标纸上绘制λ~Re曲线。
（2）确定管件或阀门的阻力系数。
3.1.8思考题
（1）如何选择U形压差计的指示液？
（2）流量调节阀为何安装在出口处的下端?
（3）为了确定λ与Re的函数关系要测定那些数据？
宜选用什么仪器、仪表来测定？
（4）为什么要进行排气操作？
如何排气？
为什么操作失误可能将U形压差计中的水银冲走？
（5）不同管径﹑不同水温下测定的λ~Re数据能否关联到一条曲线上，为什么?
（6）以水为工作流体测定的λ~Re曲线能否用于计算空气在直管内的流动阻力，为什么?
（7）两段管线的管长﹑管径﹑相对粗糙度及管内流速均相同，一根水平放置，另一根倾斜放置。
流体流过这两段管线的阻力及管子两端的压差是否相同，为什么?
3.2离心泵特性曲线的测定
3.2.1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）熟悉离心泵的操作方法和特性曲线的应用；
（4）正确掌握用作图法处理实验数据。
3.2.2实验原理
对一定类型的离心泵来说，泵的特性曲线主要是指在一定转速下，泵的扬程（He）﹑轴功率（Pa）和效率（η）与流量（qV）之间的关系。
因为
（3.9）
所以，要测定离心泵的特性曲线，最重要的是测定He~qV关系曲线。
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，迄今为止，还没有人能推导出计算扬程的纯理论数学方程式。
因此，不能通过理论方法直接获得He~qV关系曲线。
泵的工作点为管路特性曲线和泵特性曲线的交点，改变管路阻力（通过调节阀门开度）可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，就得到泵的He~qV关系曲线，见图3-2。
图3-2泵的工作点原理图图3-3泵的结构示意图
在泵的进出口截面（图3-3）间列机械能衡算式：
（3-10）
因
，故
（3-11）
其中
（3-12）
由式（3-9）、（3-11）和（3-12）可见，实验的组织方法是：
在泵的进、出口管上分别安装真空表和压力表，确定p1和p2；安装温度计测量流体温度，从而确定流体的密度ρ；在电机上安装功率表计量电机输入功率Pa；安装流量计，确定流体的流速u；通过阀门控制流量；除以上仪表外，配上管件、水槽等部件组成循环管路。
3.2.3实验装置与流程
本实验装置由水槽、离心泵、控制阀、流量计等组成，其流程如图3-4所示。
图3-4泵特性曲线实验装置
1—水槽；2—离心泵；3—控制阀；4—真空表；5—电功率表；6—压力表；
7—温度计；8—涡轮流量计；9—底阀；10—排气阀；11—引水阀；12—排污阀
3.2.4实验步骤
（1）关闭电功率表开关，关闭控制阀，引水、灌泵，待泵出口压力稳定后，关闭引水阀，反复开﹑关泵体排气阀，气体被排尽后，关闭排气阀。
（2）启动泵，接通电功率表。
（3）采集数据。
实验从大流量做起，在最大流量与最小流量（含最大流量与最小流量）之间采集10组以上数据。
（4）实验结束后，停泵，关闭电功率表开关。
3.2.5注意事项
（1）调节阀门开度后须等待3~5min方能读取数据。
（2）最大流量由管路特性与泵特性共同决定，指控制阀全开时的值。
（3）因离心泵效率极值点会出现在大流量时，所以实验布点应遵循大流量多布点，小流量少布点的规则。
（4）实验中若发现流量显示仪读数达不到零，则可采用先将控制阀全开，再快速关闭控制阀，使流量显示仪读数为零，此读数可能不久还会上升，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改变。
3.2.6数据记录
表3-2离心泵特性曲线的测定实验数据记录表
水温：
℃两测压口间的垂直距离：
mm
泵的吸入口管径：
mm泵的压出口管径：
mm
序号
显示仪读数
真空表/MPa
压力表/MPa
电功率表读数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3.2.7实验报告要求
（1）在直角坐标系中绘制离心泵的特性曲线，注意必须说明实验介质、实验温度、泵的类型与转速。
（2）判断该泵较为适宜的工作范围。
3.2.8思考题
（1）启动离心泵前为什么要先灌水排气？
本实验装置中的离心泵在安装方面有何特点？
（2）启动离心泵前为什么要先关闭出口阀，待启动后再逐渐开大？
停泵时为什么也要先关闭出口阀？
（3）离心泵的特性曲线是否与连接的管路系统有关？
（4）离心泵的流量增大时，压力表与真空表的数值将如何变化?
为什么？
（5）离心泵的流量是否可以通过泵的出口阀调节，为什么？
（6）在什么情况下会出现“汽蚀”现象？
汽蚀现象与气缚现象有什么区别？
（7）离心泵在其进口管上安装调节阀门是否合理？
为什么？
（8）试分析必须汽蚀余量与泵的安装高度的区别。
（9）已知某离心泵的必需汽蚀余量（NPSH）r=3.0m，如果选用密度比水轻的苯作介质，那么必需汽蚀余量如何变化？
为什么？
3.3过滤实验
3.3.1实验目的
（1）了解过滤机的构造﹑流程﹑操作原理，掌握过滤的操作方法；
（2）测定恒压过滤时的过滤常数K；
（3）测定洗涤速率并验证最终速率和洗涤速率的关系。
3.3.2实验原理
恒压过滤方程为：
（3-13）
或
（3-13a）
式中：
A——过滤面积，m2；
K——过滤常数，m2/s；
q——单位过滤面积的滤液体积，q=V/A，m3/m2；
q1——τ1时间所得单位过滤面积的滤液体积，m3/m2；
qe——单位过滤面积的虚拟滤液体积，qe=Ve/A，m3/m2；
V——τ时间内的滤液体积，m3；
Ve——虚拟的滤液体积，它是形成相当于滤布阻力的一层滤饼时应得到的滤液体积，m3；
τ——过滤时间，s；
τ1——恒压过滤前的过滤时间，s。
对式（3-13a）微分可得
（3-14）
上式表明
与q成直线关系，其斜率为
，截距为
。
为了便于实验测定，用
代替
。
于是，式（3-14）可改写为
（3-15）
已知过滤面积，对待测的物料进行恒压过滤，测出一系列时刻（τ）的累积滤液体积（V），并由此算出一系列q（
）的值，从而得出一组对应的Δτ与Δq之值。
与
对应的q值应为qm，而qm应是相邻两次q的平均值，即
（3.16）
然后在直角坐标系中以qm为自变量（横轴），以
为因变量（纵轴）作一直线；直线斜率为
，截距为
。
由此可求出K和qe。
也可将式（3-13a）化为下式进行求解
（3-17）
3.3.3实验装置与流程
（1）板框过滤装置（Ⅰ）
板框过滤装置由过滤器、调料桶、贮浆罐、贮水桶、量筒等组成，其流程如图3-5所示。
图3-5板框过滤实验装置
1—调料桶；2—贮浆罐；3—过滤器；4—滤液计量筒；
5—贮水桶；6—压缩空气进口阀；7—压力表
将料浆在调料桶内调匀后，放入贮浆罐内，由压缩空气将料浆压入过滤器中，滤液排出量用量筒进行计量，洗涤滤饼时用压缩空气将贮水桶中的水压入过滤器进行洗涤。
操作压力由压力定值器控制（在老师的指导下调节）。
（2）卧式圆形过滤装置（Ⅱ）
卧式圆形过滤装置由圆形过滤器、贮浆罐、泵、量筒等组成，其流程如图3-6所示。
图3-6卧式圆形过滤装置
1—贮浆罐；2—循环泵；3—过滤器；4—滤液计量筒；
5—加料口；6—循环阀；7—过滤阀；8—压力表；9—排污阀
将配好的料浆倒入贮浆罐内，由泵将料浆送入过滤器中，滤液排出量用量筒进行计量。
3.3.4实验步骤
（1）装置（I）
a.熟悉过滤实验的装置与流程，检查各阀门的启闭是否正确，然后用碳酸镁和水配制成料浆，其浓度在5%（质量分率）左右。
b.先湿透滤布，再将它装于滤框上。
安装时滤布孔要对准过滤器的孔道，表面要拉平整，不起皱纹，板和框的排列顺序为：
非洗涤板→滤框→洗涤板→滤框→…。
c.将料浆导入贮浆罐，开启搅拌机，使料浆浓度均匀。
d.启动压缩机，待压缩机运行正常后，调节空气减压阀，将压力调至指定的工作压力（减压阀的压力一般控制在0.1MPa）。
e.开启过滤阀开始过滤，用二只秒表交替记时，记下间隔过滤时间和滤液量，共记录6组以上数据。
f.如欲在不同的恒定压力下进行过滤实验，其料浆浓度大体上维持不变，并重复步骤c、d、e。
g.待滤渣充满滤框时即可停止过滤（以滤液量显著减少到一滴一滴地流出为准）。
h.若需测定洗涤速度，则可在过滤终了时通入洗涤水，并记录洗涤水量和时间。
i.实验完毕，拆卸板框过滤器，将板框过滤器内的滤渣放回调料桶，并清洗过滤器。
（2）装置（Ⅱ）
a.用碳酸镁和水配制成料浆，其浓度在5%（质量分率）左右，其体积约占贮浆罐的2/3；
b.按正确的顺序安装过滤器；
c.开启贮浆罐和循环泵的出口阀，开启循环泵，运行约15min；
d.关闭循环阀，开启过滤阀，用二只秒表交替记时，记下间隔过滤时间和滤液量；
e.待滤渣充满滤框时即可停止过滤（以滤液量显著减少到一滴一滴地流出为准）；
f.过滤结束后，将滤饼倒回配料桶，清洗过滤器。
3.3.5注意事项
（1）板框过滤装置
a.应在熟悉阀门、管路系统和板框压滤机的构造后方能进行操作。
b.通过调节减压阀开度保持整个过滤过程的压力稳定。
c.记录数据之前，要根据过滤面积与量筒体积的大小，选定一个合适的ΔV值（一般取200mL）。
（2）圆形过滤装置
a.安装过滤器时必须做到顺序正确，用力均匀。
b.滤布要放平整。
3.3.6数据记录
表3-3过滤实验数据记录表
过滤面积：
m2滤浆MgCO3的质量分率：
%
序号
时间Δτ/s
滤液量V/L
1
2
3
4
5
6
7
8
3.3.7实验报告要求
（1）以累计滤液量q对时间τ作图；
（2）以Δτ/Δq对qm作图求出K、qe，并写出完整的过滤方程式；
（3）求出洗涤速度，并和最终过滤速率比较。
3.3.8思考题
（1）为什么过滤开始时滤液常常有些浑浊，待过滤一段时间后才能澄清？
（2）Δq值取大一点好还是取小一点好？
Δq与哪些因素有关？
（3）滤浆浓度和过滤压力对K值有何影响？
（4）恒压过滤时，欲增加过滤速率，可行的措施有哪些？
（5）当操作压强增加一倍时，其K值是否也增加一倍？
要得到同样的滤液量，其过滤时间是否应缩短一半？
3.4传热实验
3.3.1强制湍流下空气-水对流给热系数的测定
3.4.1.1实验目的
（1）测定套管式换热器的总传热系数K；
（2）测定圆形直管内对流给热系数α，并学会用实验方法将流体在管内强制对流时的实验数据整理成包括α的准数方程式。
3.4.1.2实验原理
（1）测定总传热系数K
根据传热速率方程式，有
（3-18）
实验时，若能测定或确定Q、Δtm和A，则可测定K。
a.传热速率Q
本实验为水与空气间的换热，忽略热损失，根据热量衡算，有
（3-19）
式中：
cpc、cph——分别为水和空气的定压比热容，J/（kg·K）；
qmc、qmh——分别为水和空气的质量流量，kg/s；
T1、T2——分别为空气的进、出口温度，℃；
t1、t2——分别为水的进、出口温度，℃。
传热速率Q按空气的放热速率计算。
空气的质量流量由下式确定：
（3-20）
式中：
qV——空气的体积流量，m3/s；
ρ——空气处于流量计前状态时的密度，kg/m3。
空气的体积流量用转子流量计测量，空气的密度可按理想气体状态方程计算：
（3-21）
式中：
pa——当地大气压，Pa；
t——转子流量计前空气的温度，℃；
R——流量计前空气的表压，Pa。
b.传热平均推动力Δtm
（3-22）
c.传热面积
A=πdL（3-23）
式中：
L——传热管长度，m；
d——传热管外径，m。
（2）测定空气与管壁间的对流给热系数
在空气—水换热系统中，若忽略管壁与污垢的热阻，则总传热系数K与空气、水侧的对流给热系数αh、αc之间的关系为：
（3-24）
由于水侧的对流给热系数远大于空气侧的对流给热系数，即
，故
（3-25）
（3）求α与Re的定量关系式
由因次分析法可知，流体无相变时管内强制湍流给热的准数关联式为
（3-26）
或
（3-26a）
式中：
u——空气的流速，m/s；
λ——定性温度下空气的导热系数，W/（m·K）；
ρ——定性温度下空气的密度，kg/m3；
μ——定性温度下空气的粘度，Pa·s；
A、m、n——待定系数及指数。
本实验中，由于空气被冷却，取n=0.3，所以式（3-26）可化简为
（3-27）
上式两边同时取对数，有
（3-28）
在双对数坐标中以
对Re作图，由直线的斜率与截距之值求取系数A与指数m，进而得到对流给热系数α与Re间的经验公式。
3.4.1.3实验装置与流程
本实验装置由套管换热器、风机、电加热器等组成，其流程见图3-7。
由风机送入风管的空气经电加热器加热后，进入套管换热器的内管，与套管环隙内的大量水换热后排至大气中。
图3-7空气-水套管式换热设备流程图
1—风机；2—空气流量调节阀；3—空气转子流量计；4—电加热器；5—套管换热器；
6—水流量调节阀；7—水转子流量计；8、9—U形压差计；10—温度计
3.4.1.4实验步骤
（1）检查空气流量调节阀是否全关。
（2）打开冷却水流量调节阀，调节水的流量至指定值（水的流量大于100L/h）。
（3）开启风机，打开空气流量调节阀，将流量调至最大；开启两组电加热器，待空气温度升到设定值（一般为80℃）后稳定10min。
（4）保持水的流量不变，从大到小调节空气的流量，测定6~8组实验数据。
（5）数据记录完毕后，先关电加热器，后关空气流量调节阀，停风机，最后关冷却水流量调节阀。
3.4.1.5注意事项
（1）调节空气流量时要做到心中有数，保证空气流动处于湍流状态（空气流量不应低于12m3/h）。
（2）每改变一次空气流量，应等到读数稳定后再测取数据。
（3）合理分布实验点。
3.4.1.6数据记录
表3-4空气-水套管换热实验记录表
内管规格：
㎜管长：
m流量计前压差计所用指示剂：
室温：
℃当地大气压：
Pa
序号
空气流量
/m3.h-1
水流量
/m3.h-1
流量计前压差
计读数/cm
温度/℃
空气
进口
空气
出口
冷水
进口
冷水
出口
进风
温度
1
2
3
4
5
6
3.4.1.7实验报告要求
（1）在双对数坐标系中绘出
的关系图。
（2）整理出空气在圆管中做强制湍流流动时的对流给热系数半经验关联式。
（3）将实验得到的半经验关联式与公认的关联式进行比较。
3.4.1.8思考题
（1）为什么本实验装置的总传热系数近似等于空气侧的对流给热系数？
（2）空气的速度和温度对空气侧的对流给热系数有何影响？
在不同的温度下，是否会得出不同的准数方程？
（3）换热器的压降与空气流量之间的变化关系如何？
（4）水流量的大小会不会影响实验结果？
（5）本实验中壁温是接近水的平均温度，还是接近空气的平均温度？
为什么？
3.4.2 强制湍流下空气-蒸汽对数给热系数的测定
3.4.2.1实验目的
（1）测定套管式换热器的总传热系数K；
（2）比较圆形光滑管和螺纹管的传热效率；
（3）测定圆形直管内对流给热系数α，并学会用实验方法将流体在管内强制对流时的实验数据整理成包括α的准数方程。
3.4.2.2实验原理
（1）测定总传热系数K
根据传热速率方程，有
（3-29）
实验时，若能测定或确定Q、Δtm和A，则可测定K。
a.传热速率Q
本实验为蒸汽与空气之间的换热，忽略热损失，根据热量衡算，有
（3-30）
式中：
cpc——空气的定压比热容，J/（kg·K）；
qmc、qmh——分别为空气和蒸汽的质量流量，kg/s；
t1、t2——分别为空气的进、出口温度，℃。
传热速率Q按空气的吸热速率计算。
空气的质量流量由式（3-31）确定：
（3-31）
式中：
qV——空气的体积流量，m3/s；
ρ——空气处于流量计前状态时的密度，kg/m3。
空气的体积流量用转子流量计测量，空气的密度可按理想气体状态方程计算：
（3-32）
式中：
pa——当地大气压，Pa；
t——转子流量计前空气的温度，℃；
R——流量计前空气的表压，Pa。
b.传热平均推动力Δtm
（3-33）
c.传热面积
A=πdL（3-34）
式中：
L——传热管长度，m；
d——传热管外径，m。
（2）测定空气与管壁之间的对流给热系数
在蒸汽—空气换热系统中，若忽略管壁与污垢的热阻，则总传热系数K与空气、蒸汽侧的对流给热系数αc、αh之间的关系为：
（3-35）
由于水侧的对流给热系数远大于空气侧的对流给热系数，即
，故
（3-36）
（3）求α与Re的定量关系式
由因次分析法可知，流体无相变时管内强制湍流给热的准数关联式为
（3-37）
或
（3-37a）
式中：
u——空气的流速，m/s；
λ——定性温度下空气的导热系数，W/（m·K）；
ρ——定性温度下空气的密度，kg/m3；
μ——定性温度下空气的粘度，kg/（m·s）；
A、m、n——待定系数及指数。
本实验中，空气被加热，取n=0.4，则式（3-37）可化简为
（3-38）
上式两边同时取对数，有
（3-39）
在双对数坐标中以
对Re作图，由直线的斜率与截距之值可求取系数A与指数m，进而得到对流给热系数α与Re的经验公式。
3.4.2.3实验装置与流程
本实验装置由2套套管式换热器组成，其中一套内管是光滑管，另一套内管是螺纹管。
图3-8所示为其中的一套。
图3-8蒸汽-空气套管换热设备流程图
1—离心风机；2—空气流量调节阀；3—空气转子流量计；4、11—压差计；5—温度计；
6—套管式换热器；7—蒸汽流量调节阀；8—压力表；9—放空
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