热工实验讲义.docx
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热工实验讲义
第3章热工过程与设备实验
3．1伯努利方程演示实验
一、实验目的
1.观察动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，验证连续性方程和伯努利方程。
2.定量考察流体流经收缩、扩大管径时，流体流速与管径关系。
3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系。
4.定性观察流体流经节流装置、弯头的压头损失情况。
二、基本原理
化工生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此研究流体在管内的流动是化学工程中一个重要课题。
任何运动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研究流体力学性质的基本出发点。
1.连续性方程
对与流体在管内稳定流动时的质量守恒形式表现为如下的连续性方程：
ρ1∫∫vdF=ρ2∫∫vdF
（1）
根据平均流速的定义，有ρ1ω1F1=ρ2ω2F2
（2）
即m1=m2（3）
而对均质、不可压缩流体，ρ1=ρ2=常数，则式
（2）变为
ω1F1=ω2F2（4）
可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；反之，面积越小，流速越大。
对圆管，F=πd2/4，d为直径，于是式（4）可转化为
ω1d12=ω2d22（5）
2.机械能守恒方程（伯努力方程）
运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量守恒定律，对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机械能衡算方程（以单位质量流体为基准）为：
z1+ω12/2g+p1/ρg+he=z2+ω22/2g+p2/ρg+hf（6）
显然，上式中各项均具有高度的量纲，z称为位头，ω2/2g称为动压头（速度头），p/ρg称为静压头（压力头），he称为外加压头，hf称为压头损失。
关于上述机械能衡算方程的讨论：
a）理想流体的伯努利方程
无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说理想流体的hf=0，若此时又无外加功加入，则机械能衡算方程变为：
z1+ω12/2g+p1/ρg=z2+ω22/2g+p2/ρg（7）
式（1-7）为理想流体的伯努利方程。
该式表明，理想流体在流动过程中，总机械能保持不变。
b）若流体静止，则ω=0,he=0,hf=0,于是机械能衡算方程变为
z1+p1/ρg=z2+p2/ρg（8）
式（1-8）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。
3.管内流动分析
按照流体流动时的流速以及其他与流动有关的物理量（例如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分为两类：
稳定流动和不稳定流动。
连续生产过程中的流体流动，多可视为稳定流动，在开工或停工阶段，则属于不稳定流动。
流体流动有两种不同形态，即层流和湍流，这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。
流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。
流体流动形态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个无因次数群，故其数值不会因采用不同的单位制而不同。
但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。
若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：
Re=dωρ/μ（1-9）
式中：
Re-雷诺准数，无因次；
d–管子内经，m；
ω-流体在管内的平均流速，m/s；
ρ-流体密度，kg/m3；
μ-流体粘度，Pa·s。
式（9）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流速有关。
层流变为湍流时的雷诺准数为临界雷诺准数，用Rec表示。
工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流，当Re﹥4000时，圆管内已形成湍流，当Re在2000至4000范围内，流体处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。
三、装置流程
图3-1机械能守恒装置
该装置为有机玻璃材料制作的管路系统，通过泵使流体循环流动。
管路内经为30mm，节流件变截面处管内径为15mm。
单管压力计1和2可用于验证变截面连续性方程，单管压力计1和3可用于比较流体经节流件后的能头损失，单管压力计3和4可用于比较流体经弯头和流量计后的能头损失及位能变化情况，单管压力计4和5可用于验证直管段雷诺数与流体阻力系数关系，单管压力计6与5配合使用，用于测定单管压力计5处的中心点速度。
在本实验装置中设置了两种进料方式：
1、高位槽进料；2、直接泵输送进料，设置这两种方式是为了让学生有对比，当然直接泵进料液体式部稳定的，会产生很多空气，这样实验数据会有波动，所以一般在采集数据的时候建议采用高位槽进料。
四、演示操作
1．先在下水槽中加满清水，保持管路排水阀、出口阀关闭状态，通过循环泵将水打入上水槽中，使整个管路中充满流体，并保持上水槽液位一定高度，可观察流体静止状态时各管段高度。
2．通过出口阀调节管内流量，注意保持上水槽液位高度稳定（即保证整个系统处于稳定流动状态），并尽可能使转子流量计读数在刻度线上。
观察记录各单管压力计读数和流量值。
3．改变流量，观察各单管压力计读数随流量的变化情况。
注意每改变一个流量，需给予系统一定的稳流时间，方可读取数据。
4．结束实验，关闭循环泵，全开口阀排尽系统内流体，之后打开排水阀排空管内沉积段流体。
注意：
（1）若不是长期使用该装置，对下水槽内液体也应作排空处理，防止沉积尘土，否则可能堵塞测速管。
（2）每次实验开始前，也需先清洗管路系统，即先使管内流体流动数分钟，检查阀门、管段有无堵塞或漏水情况。
五、数据分析
1．h1和h2的分析
由转子流量计流量读数及管截面积，可求得流体在1处的平均流速ω1（该平均流速适用于系统内其他等管径处）。
若忽略h1和h2间的沿程阻力，适用伯努利方程即式（1-7），且由于1、2处等高，则有：
p1/ρg+ω12/2g=p2/ρg+ω22/2g（10）
其中，两者静压头差即为单管压力计1和2读数差（mH2O），由此可求得流体在2处的平均流速ω2。
令ω2代入式（5），验证连续性方程。
2．h1和h3的分析
流体在1和3处，经节流件后，虽然恢复到了等管径，但是单管压力计1和3的读数差说明了能头的损失（即经过节流件的阻力损失）。
且流量越大，读数差越明显。
3．h3和h4的分析
流体经3到4处，受弯头和转子流量计及位能的影响，单管压力计3和4的读数差明显，且随流量的增大，读数差也变大，可定性观察流体局部阻力导致的能头损失。
数据记录：
实验次数
1
2
3
流量V（m3/h）
压差hf（mH2O）
4．H4和h5的分析
直管段4和5之间，单管压力计4和5的读数差说明了直管阻力的存在（小流量时，该读数差不明显，具体考察直管阻力系数的测定可使用流体阻力装置），根据hf=λLω2/d2g可推算得阻力系数。
数据记录：
实验次数
1
2
3
流量V（m3/h）
压差hf（mH2O）
5．h5和h6的分析
单管压力计5和6之差指示的是5处管路的中心点速度，即最大速度ωc，有
△h=ωc2/2g
可推算ωc
六、思考题
1．单一流体的伯努力方向与两气体的伯努力方程有何不同？
2．讨论弯管处局部阻力损失与流量的关系？
3．讨论直管的摩擦阻力损失与流量的关系？
3．2流体流动阻力测定
一、实验目的
1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。
2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证一般湍流区内λ与Re的关系曲线。
3．测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数。
二、基本原理
流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。
流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。
流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。
1．直管摩擦阻力系数λ的测定
流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失
（1）
即，
（2）
式中：
λ—直管阻力摩擦系数，无因次；
d—直管内径，m；
—流体流经l米直管的压力降，Pa；
—单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；
ρ—流体密度，kg/m3；
l—直管长度，m；
u—流体在管内流动的平均流速，m/s。
滞流（层流）时，
（3）
（4）
式中：
Re—雷诺准数，无因次；
μ—流体粘度，kg/（m·s）。
湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。
由式
（2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定
、u、ρ、μ等参数。
l、d为装置参数（装置参数表格中给出），ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。
例如本装置采用涡轮流量计测流量，V/m3/h。
（5）
可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。
（1）当采用倒置U型管液柱压差计时
（6）
式中：
R－水柱高度，m。
（2）当采用U型管液柱压差计时
（7）
式中：
R－液柱高度，m；
－指示液密度，kg/m3。
根据实验装置结构参数l、d，指示液密度
，流体温度t0（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式（5）、（6）或（7）、（4）和式
（2）求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
2．局部阻力系数的测定
局部阻力损失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造成的机械能损失看作与某一长度为
的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号
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，则流体在管路中流动时的总机械能损失
为：
（8）
（2）阻力系数法
流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。
即：
（9）
故
（10）
式中：
—局部阻力系数，无因次；
－局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。
）
ρ—流体密度，kg/m3；
g—重力加速度，9.81m/s2；
u—流体在小截面管中的平均流速，m／s。
待测的管件和阀门由现场指定。
本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。
根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度
，流体温度t0（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式（5）、（6）或（7）、（10）求取管件或阀门的局部阻力系数。
三、实验装置与流程
1．实验装置
实验装置如图1所示：
1－水箱；2－管道泵；3－涡轮流量计；4－进口阀；5－均压阀；6－闸阀；
7－引压阀；8－压力变送器；9－出口阀；10－排水阀；11－电气控制箱
图3.2实验装置流程示意图
2.实验流程
实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。
管路部分有三段并联的长直管，分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。
测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件（闸阀）；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。
水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。
3．装置参数
装置参数如表1所示。
由于管材的材质会有不同，因而管内径也会有差别，我们会给出相应的数据，以供实验分析用，表1的数据只是参考。
表1装置参数
装置1
名称
材质
管内径（mm）
测量段长度（cm）
管路号
管内径
局部阻力
闸阀
1A
20.0
95
光滑管
不锈钢管
1B
20.0
100
粗糙管
镀锌铁管
1C
21.0
100
四、实验步骤
1．泵启动：
首先对水箱进行灌水，然后关闭出口阀，打开总电源和仪表开关，启动水泵，待电机转动平稳后，把出口阀缓缓开到最大。
2.实验管路选择：
选择实验管路，把对应的进口阀打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5－10min。
3.排气：
在计算机监控界面点击”引压室排气”按钮,则差压变送器实现排气。
4．引压：
打开对应实验管路的手阀,然后在计算机监控界面点击该对应,则差压变送器检测该管路压差。
5．流量调节：
手控状态,变频器输出选择100,然后开启管路出口阀，调节流量，让流量从1到4m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.5m3/h左右。
每次改变流量，待流动达到稳定后，记下对应的压差值；自控状态，流量控制界面设定流量值或设定变频器输出值，待流量稳定记录相关数据即可。
6．计算：
装置确定时，根据
和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列λ～Re的实验点，从而绘出λ～Re曲线。
7．实验结束：
关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理装置。
五、实验数据处理
根据上述实验测得的数据填写到下表：
实验日期：
实验人员：
学号：
温度：
装置号：
直管基本参数：
光滑管径粗糙管径局部阻力管径
序号
流量（m3/h）
光滑管压差（KPa）
粗糙管压差（KPa）
局部阻力压差（KPa）
六、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曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
2．根据光滑管实验结果，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ξ值。
4．对实验结果进行分析讨论。
七、思考题
1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀?
为什么?
2．如何检测管路中的空气已经被排除干净?
3．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?
4．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?
5．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?
3．3导热系数测定
一、实验目的
1．了解热传导现象的物理过程
2．学习用稳态平板法测量材料的导热系数
3．学习用作图法求冷却速率
二、基本原理
实验装置为YBF-3型导热系数测定仪。
为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。
热传导定律指出：
如果热量是沿着Z方向传导，那么在Z轴上任—位置Z0处取一个垂直截面积dS（如图1）以
表示在z处的温度梯度，以
表示在该处的传热速率（单位时间内通过截面积dS的热量），那么传导定律可表示成：
（1）
式中的负号表示热量从高温区向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。
式中比例系数
即为导热系数，可见热导率的物理意义：
在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内垂直通过单位截面的热量。
利用
（1）式测量材料的导热系数
，需解决的关键问题两个：
一个是在材料内造成一个温度梯度
，并确定其数值；另一个是测量材料内由高温区向低温区的传热速率
。
（图1）（图2）
1．关于温度梯度
为了在样品内造成一个温度的梯度分布，可以把样品加工成平板状，并把它夹在两块良导体——铜板之间（图2）使两块铜板分别保持在恒定温度T1和T2，就可能在垂直于样品表面的方向上形成温度的梯度分布。
样品厚度可做成h
D（样品直径）。
这样，由于样品侧面积比平板面积小得多，由侧面散去的热量可以忽略不计，可以认为热量是沿垂直于样品平面的方向上传导，即只在此方向上有温度梯度。
由于铜是热的良导体，在达到平衡时，可以认为同一铜板各处的温度相同，样品内同一平行平面上各处的温度也相同。
这样只要测出样品的厚度h和两块铜板的温度T1和T2，就可以确定样品内的温度梯度度
。
当然这需要铜板与样品表面的紧密接触（无缝隙），否则中间的空气层将产生热阻，使得温度梯度测量不准确。
为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性，把样品及两块铜板都加工成等大的圆形。
2．关于传热速率
单位时间内通过一截面积的热量
是一个无法直接测定的量，我们设法将这个量转化为较为容易测量的量，为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。
当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡状态，称之为稳态。
此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。
这样，只要测量低温侧铜板在稳态温度T2下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。
但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们已经知道，铜板的散热速率与其冷却速率（温度变化
）有关，其表达式为：
（2）
式中m为铜板的质量，c为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。
因为质量容易直接测量，c为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。
铜板的冷却速率可以这样测量：
在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下金属铜板加热，使其温度高于稳定温度T2（大约高出10℃左右），再让其在环境中自然冷却，直到温度低于T2，测出温度在大于T1到小于T2区间中随时间的变化关系，描绘出T—t曲线，曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。
应该注意的是，这样得出的
是在铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率，其散热面积为
（其中RP和hP分别是下铜板的半径和厚度），然而在实验中稳态传热时，铜板的上表面（面积为
）是样品覆盖的，由于物体的散热速率与它们的面积成正比，所以稳态时，铜板散热速率的表达式应修正为：
（3）
根据前面的分析，这个量就是样品的传热速率。
将上式代入热传导定律表达式，并考虑到ds=
可以得到导热系数：
（4）
式中的R为样品的半径、h为样品的高度、m为下铜板的质量、c为铜块的比热容、
和
分别是下铜板的半径和厚度。
右式中的各项均为常量或直接易测量。
三、实验步骤
1．用自定量具测量样品、下铜板的几何尺寸和质量等必要的物理量，多次测量、然后取平均值。
其中铜板的比热容C=0．385kJ／（K·kg）
2．加热温度的设定：
①按一下温控器面板上设定键（S），此时设定值（SV）后一位数码管开始闪烁。
②根据实验所需温度的大小，再按设定键（S）左右移动到所需设定的位置，然面通过加数键（▲）、减数键（▼）来设定好所需的加热温度。
③设定好加热温度后，等待8秒钟后返回至正常显示状态。
3．圆筒发热盘侧面和散热盘P侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放时此二小孔都应与冰点补偿器在同一侧，以免线路错乱。
热电偶插入小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，保证接触良好，热电偶冷端接到冰点补偿器信号输入端。
根据稳态法的原理，必须得到稳定的温度分布，这就需要较长的时间等待。
手动控温测量导热系数时，控制方式开关打到“手动”。
将手动选择开关打到“高”档，根据目标温度的高低，加热一定时间后再打至“低”档。
根据温度的变化情况要手动去控制“高”档或“低”档加热。
然后，每隔5分钟读一下温度示值（具体时间因被测物和温度而异），如在一段时间内样品上、下表面温度Tl、T2示值都不变，即可认为已达到稳定状态。
自动PID控温测量时，控制方式开关打到“自动”，手动选择开关打到中间一档，PID控温表将会使发热盘的温度自动达到设定值。
每隔5分钟读一下温度示值，如在一段时间内样品上、下表面温度T1、T2示值都不变，即可认为已达到稳定状态。
4．记录稳态时T1、T2值后，移去样品，继续对下铜板加热，当下铜盘温度比T2高出10℃左右时，移去圆筒，让下铜盘所有表面均暴露于空气中，使下铜板自然冷却。
每隔30秒读一次下铜盘的温度示值并记录，直至温度下降到T2以下一定值。
作铜板的T—t冷却速率曲线（选取邻近的T2测量数据来求出冷却速率）。
5．根据（4）计算样品的导热系数
。
．
6．本实验选用铜—康铜热电偶测温度，温差100℃时，其温差电动势约4.0mV，故应配用量程0—20mV，并能读到0．0lmV的数字电压表（数字电压表前端采用自稳零放大器，故无须调零）。
由于热电偶冷端温度为0℃，对一定材料的热电偶而言，当温度变化范围不大时，其温差电动势（mV）与待测温度（0℃）的比值是一个常数。
由此，在用（4）计算时，可以直接以电动势值代表温度值。
四、实验注意事项
1．稳态法测量时，要使温度稳定约要40分钟左右。
手动测量时，为缩短时间，可先将热板电源电压打在高档，一定时间后，毫伏表读数接近目标温度对应的热电偶读数，即可将开关拨至低档，通过调节手动开关的高档、低档及断电档，使上铜盘的热电偶输出的毫伏值在±0.03mV范围内。
同时每隔30秒记下上、下圆盘A和P对应的毫伏读数，待下圆盘的毫伏读数在3分钟内不变即可认为已达到稳定状态，记下此时的
和
值。
2．测金属的导热系数的稳态值时，热电偶应该插到金属样品上的两侧小孔中；测量散热速率时，热电偶应该重新插到散热盘的小孔中。
T1、T2值为稳态时金属样品上下两侧的温度，此时散热盘P的温度为T3，因此测量P盘的冷却速率应为：
测T3值时要在T1、T2达到稳定时，将上面测T1或T2的热电偶移下来插到金属下端的小孔中进行测量。
高度h按金属样品上的小孔的中心距离计算。
3、样品圆盘B和散热盘P的几何尺寸，可用游标卡尺多次测量取平均值。
散热盘的质量m约0.8kg，可用药物天平测量。
4、本实验选用铜—康铜热电偶，温差100℃时，温差电动势约4.27mV，故配用了量程0—20mV的数字电压表，并能侧到0.01mV的电压。
备注：
当出现异常报警时，温控器测量值显示：
HHHH设置值显示：
Err，当故障检查并解决后可按设定键（S）复位和加数键（▲）、减数键（▼）重设温度。
附录1铜—康铜热电偶分度表
热电势（mV）
温度
℃
0
l
2
3
4
5
6
7
8
9
-10
-0．383
-0．421
-0．458
-0．496
-0．534
-0．571
-0．608
-0．646
-0．683
-0．720
-0
0．000
-0．039
-0．077
-0．116
-0．154
-0．193
-0．231
-0．269
-0．307
-0．345
0
0．000
0．039
0．078
0．117
0．156
0．195
0．234
0．273
0．312
0．351
10
0．391
0．430
0．470
0．510
0．549
0．589
0．629
0．669
0．709
0．749
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