化工原理实验讲义分解.docx
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化工原理实验讲义分解
化工基础实验内容
1、雷诺实验
2、流体流动阻力测定实验
3、离心泵性能测定
4、强制对流下传热膜系数的测定
实验一雷诺实验
一、实验目的
1．观察层流时圆管中流体速度分布曲线形状；
2．观察层流和湍流两种流动型态，建立流动型态的感性认识；
3．确立流动型态与Re之间有一定联系的概念。
二、实验原理
1．实践证明，当流体在圆形直管内作层流流动时，流体速度分布曲线呈抛物线形状。
管中心速度最大，渐近管壁则速度渐小，管壁处速度为零，平均速度为管中心最大速度的一半。
若以清水为介质，有色墨水为示踪剂，在透明的玻璃管中进行实验，便可观察到如上所述的现象。
2．流体在流动过程中有两种截然不同的流动型态，即层流和湍流。
它取决于流体流动时雷诺数Re值的大小。
Re=
（1-1）
式中：
d—管子内径，m
u—流体流速，m/s
ρ—流体密度，kg/m3
μ—流体黏度，Pa·s。
实验证明，流体在圆形直管内流动时，当Re＜2000时属层流；当Re≥4000时属湍流；当Re在两者之间，可能是层流，也可能是湍流，这与外界条件有关，称为不稳定的过渡区。
本实验以一定温度的清水为介质，在固定的导管中流动，故d、ρ、μ均为定值，Re值只与流速u有关。
通过改变水在管中的流速，便可观察到流体的流动型态及其变化，并可计算出雷诺数。
三、实验装置
实验装置如图所示。
自来水进入高位水槽，槽内设有进水缓冲器及溢流装置用以维持槽内平稳而又恒定的液面。
水由高位槽流入实验玻璃管，经流量调节阀、转子流量计后排入地沟。
墨水由墨水瓶流出，沿软胶管经墨水针阀、墨水注入针注入实验玻璃管。
图1-1雷诺实验装置图
四、实验操作步骤
1．开启高位槽进水阀，让水进入高位槽，应注意控制进水量，使其稍大于用水量即可（此时可见溢流管有少量水流下）。
如果进水量太大，液面波动严重，必然影响实验效果。
2．缓慢打开流量调节阀，使水徐徐流过玻璃管，此时管内水的流速低，处于层流状态。
3．稍开墨水针阀，让墨水注入玻璃管，待墨水成一条稳定的直线后，记录转子流量计的读数。
4．逐渐加大水的流速，观察玻璃管内水流状态，并记录墨水线开始波动以及墨水与清水开始全部混合时的流量计读数。
5．再将水量由大变小，重复以上观察，记录各转折点处的流量计读数。
6.先关闭墨水针阀和流量调节阀。
使玻璃管内的水停止流动。
再开墨水针阀往玻璃管内注入少量墨水后关回。
7.慢慢打开流量调节阀，使管内流体作层流流动，便可观察到抛物线状的速度分布曲线。
五、实验记录与数据整理
设备编号，管子内径mm，水温℃，
水的密度kg/m3，水的黏度Pa·s
项目
序号
流量计读数
L/H
流速
m/s
雷诺数
Re
流动型态
实际观察
由Re判断
1
2
3
4
5
6
六、思考题
1.如果管子不是透明的，无法直接观察判断管内的流动型态，则如何来判断？
2.影响流体流动型态的因素有哪些？
实验三离心泵特性曲线测定（数字型）
一、实验目的
1．了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；
2．掌握离心泵特性曲线测定方法；
3．了解电动调节阀的工作原理和使用方法。
二、基本原理
离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵的流量Q之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。
由于泵内部流动情况复杂，不能用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。
1．扬程H的测定与计算
取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能衡算方程：
（1－1）
由于两截面间的管长较短，通常可忽略阻力项
，速度平方差也很小故可忽略，则有
（1－2）
式中：
，表示泵出口和进口间的位差，m；和
ρ——流体密度，kg/m3；
g——重力加速度m/s2；
p1、p2——分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa；
H1、H2——分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m；
u1、u2——分别为泵进、出口的流速，m/s；
z1、z2——分别为真空表、压力表的安装高度，m。
由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度差，就可计算出泵的扬程。
2．轴功率N的测量与计算
（W）（1－3）
其中，N电为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取
。
3．效率η的计算
泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。
有效功率Ne是单位时间内流体经过泵时所获得的实际功，轴功率N是单位时间内泵轴从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。
泵的有效功率Ne可用下式计算：
（1－4）
故泵效率为
（1－5）
4．转速改变时的换算
泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。
但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量Q的变化，多个实验点的转速n将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速n下（可取离心泵的额定转速2900rpm）的数据。
换算关系如下：
流量
（1－6）
扬程
（1－7）
轴功率
（1－8）
效率
（1－9）
三、实验装置与流程
离心泵特性曲线测定装置流程图如下：
1－水箱；2－离心泵；3－温度传感器；4－泵进口压力传感器；5－灌泵口；6－泵出口压力传感器；
7－涡轮流量计；8-转速传感器；9－电动调节阀；10－旁路闸阀；11－管路进水阀；
图1实验装置流程示意图
四、实验步骤及注意事项
1．实验步骤：
（1）清洗水箱，并加装实验用水。
通过灌泵口给离心泵灌水，排出泵内气体。
（2）检查各阀门开度和仪表自检情况，试开状态下检查电机和离心泵是否正常运转。
开启离心泵之前先将管路进水阀11打开，电动调节阀9的开度开到0，当泵达到额定转速后方可逐步调节电动调节阀的开度。
（3）实验时，通过组态软件或者仪表逐渐增加电动调节阀9的开度以增大流量，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。
离心泵特性实验主要获取实验数据为：
流量Q、泵进口压力p1、泵出口压力p2、电机功率N电、泵转速n，及流体温度t和两测压点间高度差H0（H0＝0.1m）。
（4）测取10组左右数据后，可以停泵，同时记录下设备的相关数据（如离心泵型号，额定流量、额定转速、扬程和功率等），停泵前先将出口阀关闭。
（5）旁路闸阀10可以在电动调节阀失灵的时候做“替补”，工业上应用广泛，保证了装置的正常实验。
2．注意事项：
（1）一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，防止离心泵气缚。
同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。
（2）泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。
（3）不要在出口阀关闭状态下（或者电动调节阀开度在0时）长时间使泵运转，一般不超过三分钟，否则泵中液体循环温度升高，易生气泡，使泵抽空。
五、数据处理
（1）记录实验原始数据如下表1：
实验日期：
实验人员：
学号：
装置号：
离心泵型号＝，额定流量＝，额定扬程＝，额定功率＝
泵进出口测压点高度差H0＝，流体温度t＝
序号
流量Q
m3/h
泵进口压力p1kPa
泵出口压力p2kPa
电机功率N电kW
泵转速n
r/min
（2）根据原理部分的公式，按比例定律校合转速后，计算各流量下的泵扬程、轴功率和效率，如表2：
序号
流量Q’
m3/h
扬程H’
m
轴功率N’
kW
泵效率η’
%
六、实验报告
1．分别绘制一定转速下的H～Q、N～Q、η～Q曲线
2．分析实验结果，判断泵最为适宜的工作范围。
七、思考题
1.试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？
2.启动离心泵之前为什么要引水灌泵？
如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？
3.为什么用泵的出口阀门调节流量？
这种方法有什么优缺点？
是否还有其他方法调节流量？
4.泵启动后，出口阀如果不开，压力表读数是否会逐渐上升？
为什么？
5.正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？
为什么？
6.试分析，用清水泵输送密度为1200Kg/ｍ
的盐水，在相同流量下你认为泵的压力是否变化？
轴功率是否变化？
实验二流体流动阻力测定实验（数字型）
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，验证在一般湍流区内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。
4．学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。
5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
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．直管阻力摩擦系数λ的测定
流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：
（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－管路选择球阀阀；5－均压阀；6－局部阻力管上闸阀；
7－连接均压环和压力变送器球阀；8－差压变送器；9－出口阀；10－排水阀；
图1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。
由于管子的材质存在批次的差异，所以可能会产生管径的不同，所以表1中的管内径只能做为参考。
表1
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．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。
4．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。
5．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?
实验四强制对流下传热膜系数的测定
一、实验目的
1．掌握圆形光滑直管（或波纹管）外蒸汽、管内空气在强制对流条件下的对流传热膜系数的测定；
2．根据实验数据整理成特征数关联式。
二、实验原理
1.特征数关联
影响对流传热的因素很多，根据量纲分析得到的对流传热的特征数关联式的一般形式为：
（4-1）
式中C、m、n、l为待定参数。
参加传热的流体、流态及温度等不同，待定参数不同。
目前，只能通过实验来确定特定范围的参数、本实验是测定空气在圆管内做强制对流时的对流传热系数。
因此，可以忽略自然对流对对流传热系数的影响，则Gr为常数。
在温度变化不太大的情况下，空气的Pr可视为常数、所以，准数关联式（4-1）可写成
（4-2）
或
待定参数C和m可通过实验测定蒸汽、空气的有关数据后，根据原理计算、分析求得。
2.传热量计算
努赛尔数Nu和雷诺数Re都无法直接用试验测定，只能测定相关的参数并通过计算求得。
当通过套管环隙的饱和蒸汽与冷凝壁面接触后，蒸汽将放出冷凝潜热，冷凝成水，热量通过间壁传递给套管内的空气，使空气的温度升高，空气从管的末端排除管外，传递的热量由下式计算。
（4-3）
根据传热速率方程：
（4-4）
所以
（4-5）
式中：
Q——换热器的热负荷（或传热速率），kJ/s；
qm——冷流体（空气）的质量流量，kg/s；
t1——空气的进口温度，℃；
t2——空气的出口温度，℃；
qV1——冷流体（空气）的体积流量，m3/s；
ρ1——冷流体（空气）的密度，kg/m3；
K——换热器总传热系数，W/（m2.℃）；
cpc——冷流体（空气）的平均定压比热容，kJ/（kg.K）；
A——传热面积，m2；
Δtm——蒸汽与空气的对数平均温度差，℃。
T——蒸汽温度，K。
空气的体积流量及两种流体的温度等可以通过各种测量仪表测得，由式（4-5）即可算出传热系数K。
3.对流传热系数的计算
当传热面为平壁，或者当管壁很薄时，总传热系数和与各对流传热系数的关系可表示为：
（4-6）
式中：
α1——管内壁对空气的对流传热系数，W/（m2.℃）；
α2——蒸汽冷凝时对管外壁的对流传热系数，W/（m2.℃）；
当管壁热阻可以忽略（内管为黄铜管，黄铜导热系数λ比较大，而且壁厚b较小）时：
（4-7）
由于蒸汽冷凝时的对流传热系数远大于管内壁对空气的对流传热系数，即α2﹥﹥α1，所以K≈α1。
因此，只要在实验中测得冷、热流体的温度及空气的体积流量，即可通过热量衡算求出套管换热器的总传热系数K值，由此求得管内壁对空气的对流传热系数α1。
4.努塞尔数和雷诺数的计算
（4-8）
（4-9）
式中：
λ——空气导热系数；W/（m.℃）；
μ——空气的黏度，Pa.s；
d——套管换热器的内管直径（内径），m；
ρ1——进口温度t1时的空气密度，kg/m3；
由于热阻主要集中在空气一侧，本实验的传热面积A取管子的内表面积较为合理，即：
A=πdl
本装置d=0.0178m，l=1.224m。
5.空气的体积流量和密度的计算
空气的流量由1/4喷嘴流量计测量，合并常数后，空气的体积流量可由下式计算
（4-10）
式中：
qV1——空气的体积流量，m3/s；
△p——喷嘴流量计压差示值，Pa；
空气的密度ρ1可按理想气体计算：
（4-11）
式中：
Pa——当地大气压，mmHg；
t——流量计前空气温度，ºC，可取t=t1；
RP——流量计前空气的表压，mmHg；
三、实验装置
四、操作步骤：
1．将水装入电热蒸汽发生器，液位在液面计2/3高度处为宜，不能低于电加热棒的位置；
2.接通电源，按下加热按钮1和2，加热产生蒸汽，当达到预设温度时，关闭加热按钮1；
3．在旁路阀全开的情况下启动风机，然后关小旁路阀调节风量。
4．打开蒸汽阀，往套管换热器内通入蒸汽，并打开排气阀，排除不凝性气体，待有水蒸汽喷出时即关闭。
实验过程中要间歇排除不凝性气体。
5．用旁路阀调节风量由小到大变化，记录7组数据，注意在每次改变流量后需侍传热稳定后再记录有关数据。
6．实验结束，关闭蒸汽、停运风机，拉下电闸并检查仪表是否完好。
五、实验记录及数据处理
1.传热实验记录表
设备编号；管型；室温℃；
大气压Pa；加热蒸汽压Pa；
序号
流量计前表压RP
（mmHg）
管子压差
ΔP（mmH2O）
流量计压差示值，△P（mmH2O）
温度值
（℃）
α
t1
t2
T
1
2
3
4
5
6
7
2.用双对数坐标纸作出Re―Nu图；
3.计算特征数关联式中的待定参数C、m；
4.列出特征数关联式。
六、思考题
1.在蒸汽冷凝时，若存在不凝性气体，你认为将会有什么影响？
应该采取什么措施？
2.本实验中所测定的壁面温度是接近蒸汽侧的温度，还是接近空气侧的温度？
为什么？
3.有哪些因素影响实验的稳定性？
4.影响对流传热系数的因素有哪些？
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