化工原理实验.docx
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化工原理实验
实验一 雷诺实验
一、实验目的
研究流体流动的型态，对于化学和食品工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。
1883年雷诺（Reynolds）首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在两种不同型态一层流和湍流，以及两种不同型态的转变过程。
本实验的目的，是通过雷诺实验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。
二、实验原理
经许多研究者实验证明：
流体流动存在两种截然不同的型态主要决定因素为流体的密度、粘度、流动的速度以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径）。
将这些因素整理归纳为一个量纲一的特征数，称该特征数为雷诺数，即
Re=dρu/μ
式中d～导管直径，m；
ρ～流体密度，kg·m-1；
μ～流体粘度，Pa·S；
u～流体速度，m·S-1；
大量实验测得：
当雷诺数小于某一下临界值时，流体流动形态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时流体流型恒为湍流。
在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。
对于圆形导管下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。
一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。
应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变在一定程度上受一些不毯定的其他因素的影响。
三、实验装置
雷诺实验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成，如图1-1所示。
自来水不断注入并充满稳压溢流水槽。
稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。
稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。
水流量由调节阀调节。
图1雷诺实验装置及流程
1、示踪迹瓶；2、稳压溢流水槽；3、试验导管；
4、转子流量计；V01；示踪迹调节阀；V02上水调节阀
V03水流量调节阀；V04，V05—泄水阀；V06—放风阀。
四、实验方法
实验前准备工作：
（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流水槽。
将适量示踪剂（红墨水）加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与针头之间管路内的空气。
（2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。
（3）用温度计测定水温。
实验操作步骤：
（1）开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证试验时具有稳定的压头。
（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观
察稳定的层流流型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与试验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜。
精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止。
（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过试验导管的流速平稳地增大。
直至试验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算下临界雷诺数据
（4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。
这时，导管内的流体的流型逐步由层流向湍流过渡。
当流量增大到某一数据值后，示踪剂（红墨水）一进入试验导管，立即被分散呈烟雾状，这时标明流体的流型已进入湍流区域。
记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。
这样实验操作需反复进行数次（至少5—6次），以便取得较为准确的实验数据，
实验操作注意事项：
（1）本实验示踪剂采用红墨水它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入试验导管。
应注意适当调
节注射针头的位置，使针头位于管轴线上为佳。
红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。
（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。
（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性。
实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。
五、实验结果整理
（1）实验设备基本参数
试验导管内径
（2）实验数据记录及整理
实验序号
流量
q
温度
T
粘度
μ
密度
ρ
流速
u
临界雷诺数Re
实验现象及流型
m3·s-1
℃
Pa·s
kg·m3
m·s-1
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
列出上表中各项计算公式：
实验二伯努利实验
一、 实验目的
流动流体所具有的总能量是由各种形式的能量所组成，并且各种形式的能量之间又可相互转换。
当流体在导管内作稳态流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由机械能衡算基本方程来表达。
这些规律对于解决流体流动过程的管路计算、流体压强、流速与流量的测量，以及流体输送等问题，都有着十分重要的作用。
本实验采用一种称之为伯努利实验仪的简单装置，实验观察不可压缩流体在导管内流动时的各种形式机械能的相互转化现象，并验证机械能衡算方程（伯努利方程）。
通过实验，加深对流体流动过程基本原理的理解。
二、实验原理
对干不可压缩流体，在导管内作稳态流动，系统与环境又无功的交换时，若以单位质量流体为衡算基准，则对确定的系统即可列出机械能衡算方程：
（1）
若以单位重量流体为横算基准时，则又可表达为
（2）
式中：
Z—流体的单位压头，m；
p—流体的压强，Pa；
u—流体的平均流速，m·s-1；
ρ—流体的密度，kg·m-1；
Σhf—流动系数内因阻力造成的能量损失，J·kg-1；
ΣHf—流动系数内因阻力造成的压头损失，m。
下标1和2分别为系统的进口和出口两个截面。
不可压缩流体的机械能衡算方程，应用于各种具体情况下可作适当简化，例如：
（1） 当流体为理想液体时，于是式
（2）和（3）可简化为
（3）
（4）
该式即为伯努利（Bernoulli）方程。
（2）当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则
（2）和（3）式又可简化为
（5）
（6）
（3）当流体处于静止状态时，则
（2）和（3）式又可简化为
（7）
（8）
或者将上改写为
（9）
三、实验装置
本实验装置主要由试验导管、稳压溢流水槽和三对测压管所组成。
试验导管为一水平装置的变径圆管，沿程分三处设置测压管。
每处测压管由一对并列的测压管组成分，别测量该截面处的静压头和冲压头。
实验装置的流程如图2-1所示。
液体由稳压水槽流入试验导管，途经直径分别为20、30和20mm的管子，最后排出设备。
流体流量由出口调节阀调节。
流量需直接由计时称量测定之。
图2-1伯努利实验装置流程
1、稳压水槽；2、试验导管；3、出口调节阀；4、静压测量管；5、冲压测量管。
四、实验方法
实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量溢流水流出，使槽内液面平稳不变。
最后，设法排尽设各内的空气泡。
实验可按如下步骤进行：
（1）关闭试验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下各测试点（A、B和C三点）的压强。
（2）开启试验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下的各测试点的压头变化。
（3）缓慢开启试验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下的各侧试点的静压头、动压头和损失压头。
实验过程中必须注意如下几点：
（1）实验前一定要将试验导管和测压管中的空气泡排除干净否则会干扰实验现象和测量的准确性.
（2）开启进水阀向稳压水槽注水或开关试验导管出口调节阀时一定要缓慢地调节开启程度，并随时注意设备内的变化。
（3）试验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。
（4）为了便于观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。
五、实验结果
1、测量并记录实验基本参数
流体种类：
试验导管内径：
dA=
dB=
dC=
实验系统的总压头：
H=
2、非流动系统的机械能分布及其转换
（1）实验数据记录
水温
密度
各测试点的静压头
各测试点的静压强
T/℃
ρ/kg·m3
pA/ρg
mm
pB/ρg
mm
pC/ρg
mm
pA/pa
pB/pa
pC/pa
（2）验证流体静力学方程
3、流动体系的机械能分布及其转换
（1）实验数据记录
实验序号
温度，T/℃
密度，ρ/kg·m3
静压头
pA/ρg
mm
pB/ρg
mm
pC/ρg
mm
压强
pA/pa
pB/pa
pC/pa
动压头
u2A/2g mm
u2B/2g mm
u2C/2g mm
流速
uA/m·s-1
uB/m·s-1
uC/m·s-1
损失
压头
Hf（1-A）/mm
Hf（1-B）/mm
Hf（1-C）/mm
（2）验证流动流体的机械能衡算方程
实验三 管路流体阻力的测定
一、实验目的
研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。
流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力。
管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。
本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ。
二、实验原理
当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方程为
（1）
或
（2）
式中：
Z—流体的位压头，m液柱；
p—流体的压强，Pa；
u一流体的平均流速，m·s-1
hf一单位质量流体因流体阻力所造成的能量损失，J·kg-1
Hf一单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m；
符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。
假若：
（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩流体；
（2）试验导管是按水平装置的，则Z1=Z2；
（3）试验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2.
因此（11）和（12）两式分别可简化为
（3）
或
（4）
由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两截面之间的压力差（压头差）来测定。
当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：
（5）
或
（6）
式中；d一圆形直管的管径，m；
l一圆形直管的长度，m；
λ一摩擦因数，量纲为1。
大量实验研究表明：
摩擦系数λ又与流体的密度ρ和粘度μ，管径d、流速u和管壁粗糙度ε有关。
应用量纲分析的方法，可以得出摩擦因数与雷诺数和管壁相对粗糙度ε／d存在函数关系，即
（7）
通过实验测得λ和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。
当Re＜2000时，摩擦系数λ与管壁粗糙度ε无关。
当流体在直管中呈湍流时，λ不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。
当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：
（8）
或
（9）
式中：
u一连接管件等的直管中流体的平均流速，m·s-1；
ζ一局部阻力因数量纲为1。
由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力因数的具体数值，都需要通过实验直接测定。
三、实验装置
本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统和高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。
压差由一倒置U形水柱压差计显示。
孔板流量计的读数申另一倒置U形水柱压差计显示。
该装置的流程如图3-1所示。
图3-1 管路流体阻力实验装置流程
1循环水泵；2．光滑试验管3．粗糙试验管4．扩大与缩小试验管；5．孔板流量计；
6．阀门；7.转换阀组；8.高位排气水槽．
试验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成。
分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。
每根试验管测试段长度，即两测压口距离均为0.6m。
流程图中标出符号G和D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口（低压侧）。
测压口位置的配置，以保证上游测压口距U形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。
作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后流入高位排气水槽。
由高位排气水槽溢流出来的水，返回循环水槽。
水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。
流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。
四、实验方法
实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：
（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。
待泵运转正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启试验导管的入口调节阀。
当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关闭调节阀，停泵。
（2）检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。
（3）逐一检查并排除试验导管和联接管线中可能存在的空气泡。
排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀。
必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。
（4）调节倒置U形压差计的水柱高度。
先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。
当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。
为了便于观察，在临实验前，可由压差计项部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。
（5）在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。
（6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。
实验测定时，按如下步骤进行操作：
（1）先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。
检查完毕启动循环水泵。
（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。
（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置，这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压力降。
（4）当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。
例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2旋塞。
这时，压差计与G1和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压力降。
以此类推。
（5）改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压力降。
（6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。
（7）每测定一组流量与压力降数据，同时记录水的温度。
实验注意事项：
（1）实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。
（2）若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。
五、实验数据记录及整理
（1）实验基本参数
试验导管的内径d＝ mm 试验导管的测试段长度l＝ mm
粗糙管的粗糙度ε粗糙管的相对粗糙度ε/d== mm
孔板流量计的孔径d0= mm 旋塞的孔径 dv= mm
（2）流量标定曲线
（3）实验数据
实验序号
孔板流量计的压差计读数R/mmHg
水的流量 qv/m3s-1
水的温度 T/℃
水的密度 ρ/kg•m-3
水的粘度 μ/Pa•s
光滑管压头损失 Hf1/mm
粗糙管压头损失 Hf2/mm
旋塞压头损失（全开）Hf3/mmH2O
孔板流量计压头损失 Hf4/mmH2O
（4）数据整理
实验序号
水的流速 u/ms-1
[1]
雷诺准数 Re
[2]
光滑管摩擦系数 λ1
[3]
粗糙管摩擦系数 λ2/-
[4]
旋塞的局部阻力系数（全开）,ζ3
[5]
孔板流量计局部阻力因数 ζ4
[6]
列出表中各项计算公式。
（5）标绘Re－λ实验曲线
实验四 离心泵特性曲线的测定
一、实验目的
在食品厂或实验室中，经常需要各种输送机械用来输送流体。
根据不同使用场合和操作要求，选择各种型式的流体输送机械。
离心泵是其中最为常用的一类液体输送机械。
离心泵的特性由厂家通过实验直接测定，并提供给用户在选择和使用泵时参考。
本实验采用单级单吸离心泵装置，实验测定在一定转速下泵的特性曲线。
通过实验了解离心系的构造、安装流程和正常的操作过程，掌握离心泵各项主要特性及其相互关系，进而加深对离心泵的性能和操作原理的理解。
二、实验原理
离心泵主要特性参数有流量、扬程、功率和效率。
这些参数不仅表征泵的性能，也是选择和正确使用泵的主要依据。
1．泵的流量
泵的流量即泵的送液能力，是指单位时间内泵所排出的液体体积。
泵的流量可直接由一定时间t内排出液体的体积V或质量m来测定。
即
（1）
或
（2）
若泵的输送系统中安装有经过标定的流量计时，泵的流量也可由流量计测定。
当系统中装有孔板流量计时，流量大小由压差计显示，流量与倒置U形管压差计读数R之间存在如下关系：
（3）
式中C0——孔板流量因数；
A0——孔板的锐孔面积，m2；
2．泵的扬程
泵的扬程即总压头，表示单位重是液体从泵中所获得的机械能。
若以泵的压出管路中装有压力表处为B截面，以吸入管路中装有真空表处为A截面，并在此两截面之间列机械能衡算式，则可得出泵扬程H的计算公式：
（4）
式中pB—由压力表测得的表压，Pa；pA—由真空表测得的真空度，Pa；
H0—A、B两个截面之间的垂直距离，m；
uA—A截面处的液体流速，m·s-1； uB—B截面处的液体流速，m·s-1。
3．泵的功率
在单位时间内，液体从泵中实际所获得的功，即为泵的有效功率。
若测得泵的流量为qVs，m3/s，扬程为He，m，被输送液体的密度为ρ，kg·m-3，则泵的有效功率可按下式计算：
（5）
泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送液体所获得，其中部分消耗于泵内的各能量损失。
电动机所消耗的功率又大于泵轴所作出的实际功率。
电机所消耗的功率可直接由输入电压U和电流I测得，即
（6）
4．泵的总效率
泵的总效率可由测得的泵有效功率和电机实际消耗功率计算得出，即
（7）
这时得到的泵的总效率除了泵的效率外，还包括传动效率和电机的效率。
图4-1离心泵特性曲线
5．泵的特性曲线
上述各项泵的特性参数并不是孤立的，而是相互制约的。
因此，为了准确全面地表征离心泵的性能，需在一定转速下，将实验测得的各项参数即：
H、P、η与之间的变化关系标绘成一组曲线。
这组关系曲线称为离心泵特性曲线，如图4-1所示。
离心泵特性曲线使离心泵的操作性能得到完整的概念，并由此可确定泵的最适宜操作状况。
通常，离心泵在恒定转速下运转，因此泵的特性曲线是在一定转速下测得的。
若改变了转速，泵的特性曲线也将随之而异。
泵的流量、扬程H和有效功率Pe与转速n之间，大致存在如下比例关系：
（8）
三、实验装置
本实验装置主体设备为一台单级单吸离心水泵。
为了便于观察，泵亮端盖用透明材料制成。
电动机直接连接半敞式叶轮。
离心泵与循环水槽、分水槽和各种测量仪表构成一个测试系统。
实验装置及其流程如图4-2所示。
图4-2离心泵实验仪流程图
1．循环水槽；2．底阀；3．离心泵；4．真空表；5．注水槽；6.压力表；7.调节阀；8．孔板流量计9．分流槽；10．电流表；11．调压变压器；12．电压表；13．倒置U形管压差计．
泵将循环水槽中的水，通过汲入导管汲入泵体。
在汲入导管上端装有真空表，下端装有底
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