13本科实验指导书《材料工程基础实验》要点.docx
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13本科实验指导书《材料工程基础实验》要点
湖南工学院
材料工程基础实验
实验指导书
材料与化学工程学院
2015年10月
湖南工学院
实验课要求
1、按时到达实验室进行实验，无故不得迟到、早退，违者将扣其实验课的平时成绩。
2、必须按照本人课表安排的时间来实验室进行实验，不得私自调换实验时间。
3、每次实验之前必须认真进行预习，并写好实验预习报告，无预习报告的，不得进行实验。
4、实验时，必须认真记录实验数据，不得抄袭别人的实验数据，并在实验结束后，认真撰写实验报告，在规定时间内统一交到办公室进行批改。
5、本实验课共分四次实验，无故缺席一次实验，实验成绩即为不及格，如确有客观原因不能在规定时间内进行实验的，必须及时告知实验老师，并在其安排的其他时间内补做实验。
6、实验课成绩由平时到课表现，预习及实验报告的成绩共同进行评定，实验课结束之后，仍未提交实验报告的，或者实验报告不全的，实验课成绩将记为不及格。
7、实验室的维护是大家共同的工作，所以，每次实验结束后，必须认真打扫后，方可离开，谢谢大家！
实验一流体流动阻力的测定实验
一、实验目的
1、掌握流体流经直管和阀门时的阻力损失和测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。
2、测定直管摩擦系数λ与雷诺数Re的关系。
3、测定流体流经闸阀时的局部阻力系数。
二、实验内容
1、测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数λ。
2、测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间关系曲线和关系式。
3、测定流体流经闸阀时的局部阻力系数。
三、实验原理
1、概述
本实验装置可以测定对比：
DN20粗糙直管、光滑管和阀门等阻力系数。
在实际生产中，许多过程都涉及到流体流动的内部细节，尤其是流体的流动阻力。
流体在流动过程中为克服流动阻力必定要消耗能量。
流体流动阻力产生根本的原因是流体具有粘性，流动时存在着内磨擦，而固定的管壁或其它形状固体壁面，促使流动流体的内部发生相对运动，为流体流动阻力的产生提供了条件，因此液体阻力的大小与流体的物性、流动状况及壁面等因素有关。
流体在流动系统中作定态流动时，流体在各截面上的流速、密度、压强等物理参数仅随位置而改变而不随时间而变。
2、实验原理
1）直管阻力与局部阻力实验
流体阻力产生的根源是流体具有粘性，流动时存在内摩擦。
而壁的形状则促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件，流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。
流动阻力可分为直管阻力和局部阻力。
流体在流动过程中要消耗能量以克服流动阻力。
因此，流动阻力的测定颇为重要。
从流程图可知水从贮槽由泵输出，经流量计计量后，再流经管道后回到水槽，循环利用。
改变流量并测定直管与管件的相应压差，即可测得流体流动阻力。
2）直管阻力磨擦系数λ的测定
直管阻力是流体流经直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力损失hf。
对于等直径水平直管段根据两测压点间的柏努利方程有：
（1-1）
（1-2）
式中：
l—直管长度（m）
d—管内径（m）
ΔP—流体流经直管的压强降（Pa）
u—流体截面平均流速（m/s）
ρ—流体密度（kg/m3）
由式（2-2）可知，欲测定λ，需知道l、d、（P1-P2）、u、ρ等。
①若测得流体温度，则可查得流体的ρ值。
②若测得流量，则由管径可计算流速u。
两测压点间的压降ΔP，可由仪表直接读数。
3）局部阻力系数ζ的测定
局部阻力主要是由于流体流经管路中管件、阀门局部位置时所引起的阻力损失，在局部阻力件左右两侧的测压点间列柏努利方程有：
（1-3）
即：
（1-4）
式中：
ζ—局部阻力系数
ΔP—局部阻力压强降（Pa）
式（2-4）中ρ、u、ΔP等的测定同直管阻力测定方法。
3、实验流程图
1）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，转子流量计和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
图1-1流体阻力实验流程图
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。
水的流量使用转子流量计测量，管路和管件的阻力采用压差传感器测量。
2）装置参数
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
1
20.0
130
光滑管
不锈钢管
2
20.0
130
粗糙管
镀锌铁管
3
20.0
130
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，打开总电源开关，打开仪表电源开关，按下启动按钮启动离心泵。
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：
将实验管路和测压管中的空气排尽。
再进行阻力测定实验。
4、流量调节：
开启管路出口阀，调节流量，让流量从3到6m3/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。
然后用同样方法做其他管路实验。
5、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。
6、实验结束：
关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，将装置中的水排放干净。
五、注意事项
1、在启动离心泵前，要确保电源的正确，确保不缺相，离心泵缺相不会运转，且会烧毁离心泵。
2、在启动离心泵前，要确保离心泵转向的正确，否则长时间反向运转会损坏离心泵。
3、在做流体阻力实验时，要排尽管路里的气泡。
4、在开、关各阀门时，须缓开慢关。
六、实验数据处理
序号
流量（m3/h）
光滑管压差（mmHg）
粗糙管压差（mmHg）
局部管压差（mmHg）
七、实验报告内容
1、将实验数据和数据整理结果列在表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。
2、确定管件或阀门的阻力系数。
八、设备性能及主要技术参数
1、该实验装置主要由：
离心泵、蓄水箱、沿程阻力光滑管、沿程阻力粗糙管、局部阻力管、U型压差计、转子流量计、阀门、实验台架及电控箱等组成。
2、光滑直管段：
管径DN—0.020m、管长L=1.7m、测压段L=1.3m，材质：
不锈钢管。
3、粗糙直管段：
管径DN—0.020m、管长L=1.7m、测压段L=1.3m，材质：
镀锌铁管。
4、局部阻力直管段:
管径DN—0.020m；管长L=1.7m、测压段L=0.5m，材质：
不锈钢管。
5、转子流量计：
型号LZB-50（0.6～6m3／h），精度1.5。
6、水泵参数：
流量：
4m3／h，扬程：
20m，电机功率：
750W。
7、蓄水箱为不锈钢材质，容积约80L。
九、思考题
1、为什么实验数据测定前首先要赶尽设备和测压管中的空气？
怎么赶气？
2、想一想，有什么办法可以检查系统中的气是否排净?
3、以水为工作流体所测得的λ～Re曲线能否应用于空气，如何应用?
4、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?
为什么？
5、如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不正，对静压的测量有何影响?
6、如果要增加实验中雷诺数Re的范围，可采取哪些措施?
实验二离心泵特性曲线的测定
一、实验目的
1、了解离心泵的结构和特性，熟悉离心泵的操作；了解并熟悉离心泵的工作原理；
2、掌握离心泵主要参数的测定方法，测量一定转速下的离心泵特性曲线；
3、了解离心泵的工作点与流量调节；
4、泵串、并联实验（选做）；
5、泵汽蚀实验（选做）。
二、实验内容
1、练习离心泵的操作。
2、测定某型号离心泵在一定转速下，H（扬程）、N（轴功率）、h（效率）与qv（流量）之间的特性曲线。
3、测定离心泵出口阀门开度—定时的管路特性曲线
三、实验原理
1、概述
生产中所处理的原料及产品，大多为流体。
按照生产工艺的要求，制造产品时往往需要把他们依次输送到各设备内进行反应；产品又常需输送到贮罐内贮存。
如果欲达到上述所规定的条件，把流体从一个设备输送到另一个设备，需要输送设备要给流体以一定的速度。
生产中，由于各种因素的制约，如场地、设备费用、工艺要求等等；各设备之间流体流动需要消耗能量，流体以一定速度在管内流动亦需要能量。
这样，就必须给流体提供能量的输送设备。
我们把为液体提供能量的输送设备称为泵，为气体提供能量的输送设备称为风机及压缩机。
泵种类很多，按照工作原理的不同，分为离心泵、往复泵、旋转泵、旋涡泵等几种；风机及压缩机有通风机、鼓风机、压缩机、真空泵等。
其作用均是：
对流体做功，提高流体的压强。
本实验主要介绍离心泵。
（2-1）
或
（2-2）
式中
—体积流量，
；
—孔板孔口的截面积，
；
—孔板流量系数；
—文丘里喉管的截面积，
；
—文丘里流量系数；
R—U型压差计的读数，m；
—U型压差计指示液密度，
；
—被测流体的密度，
；
2）扬程（压头）He的测定
根据泵进出口管上安装的真空表和压力表读数可计算出扬程：
He=h0+
（2-3）
式中：
、
—分别为泵出口压力表和入口真空表测得的读数Pa；
ρ—输送液体密度，kg/
；
h0—两测压口间的垂直距离，m。
3）功率N的测定
由功率表直接测定电机功率N（Kw）；
4）效率η的测定
Ne=HeQρg（2-4）
η泵=Ne/N轴×100%（2-5）
其中：
He—扬程，m；
Ne—离心泵有效功率，Kw。
Q—泵的流量，m3/s；
ρ—流体密度，Kg/m3；
N轴—泵的轴功率。
C、离心泵的工作点与调节
1）管路特性曲线与泵的工作点：
当离心泵安装在特定的管路系统中时，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，即在输送液体的过程中，泵和管路是相互制约的，对一特定的管路系统，可得出：
He=K+BQ2
其中：
操作条件一定时，K为常数。
由上式看出，在固定管路中输送流体时，管路所输送的流体的压头He随被输送流体的流量Q的平方而变（湍流状态），该关系画在相应坐标纸上，即为管路特性曲线，该线的形状取决于系数K、B，即取决于操作条件和管路的几何条件，与泵的性能无关。
将离心泵的特性曲线H~Q与其所在管路的特性曲线绘于同一坐标图上，两线交点M称为泵在该管路上的工作点，该点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求，又为离心泵所能提供。
D、离心泵串并联操作
在实际生产中，当单台离心泵不能满足输送任务要求时，可采用几台离心泵加以组合。
离心泵的组合方式原则上有两种：
串联和并联。
并联操作：
设将两台型号相同的离心泵并联操作，而且各自的吸入管路相同，则两台泵的流量和压头必相同，也就是说具有相同的管路特性曲线和单台泵的特性曲线。
在同一压头下，两台并联泵的流量等于单台泵的两倍，但由于流量增大使管路流动阻力增加，因此两台泵并联后的总流量必低于原单台泵流量的两倍。
由此可见，并联的台数越多，流量增加得越少，所以三台泵以上的泵并联操作，一般无实际意义。
串联操作：
将两台型号相同的泵串联工作时，每台泵的压头和流量也是相同的。
因此，在同一流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍，但实际操作中两台泵串联操作的总压头必低于单台泵压头的两倍。
应当注意，串联操作时，最后一台泵所受的压力最大，如串联泵组台数过多，可能会导致最后一台泵因强度不够而受损坏。
3、实验流程图
图2-1离心泵性能综合实验流程图
四、实验操作步骤与注意事项
1、先将一定量的水输入蓄水箱，加入水量应为水箱的三分之二以上，关闭计量水箱底部排液阀。
2、泵特性曲线实验
①泵启动前，泵壳内应注满被输送的液体（本实验为水），打开所有阀往其内加水排走管道空气，然后关闭阀2、阀4加水直至有水溢流；并且泵的出口阀需关闭，避免泵刚启动时的空载运转。
若出现泵无法输送液体，则说明泵未灌满或者其内有空气，气体排尽后必然可以输送液体。
②关闭阀1，启动泵B，待泵出口有一定的压力后再开启泵出口阀（阀6）但幅度不要太大；记录下泵在一定转速下泵的功率、进出口压力、流量等于原始记录表格中。
流量通过涡轮流量计来测量。
③加大泵出口阀（阀6）的开度，记录下相关实验数据。
④关泵时，应注意泵的出口阀门必须关闭，再停泵；
3、泵并联实验
①开阀2、阀5、阀1，灌泵排气后关阀1。
②同时开启泵A、泵B，稍开阀6和阀3。
③记录下涡轮流量计、泵入口负压传感器读数、泵出口正压传感器读数和功率表读数等数据。
4、泵串联实验
①做完泵并联实验后同时开启阀4、关闭阀3和阀5，泵A和泵B同时运转。
②记录下涡轮流量计、泵入口负压传感器读数、泵出口正压传感器读数和功率表读数等数据。
5、泵汽蚀实验
①关闭阀7，立即开启阀1，使泵入口管路抽空。
②按泵特性曲线实验的操作步骤进行实验，开泵便可听到一声响声。
③注意泵汽蚀实验操作的时间不宜过久，以免缩短泵的使用寿命。
五、实验数据记录表
（一）泵特性曲线实验
序号
涡轮流量计
m3/h
压力表
MPa
真空表
MPa
功率表
W
（二）泵并联实验
序号
涡轮流量计
m3/h
压力表A
MPa
真空表A
MPa
功率表A
W
压力表B
MPa
真空表B
MPa
功率表B
W
（三）泵串联实验
序号
涡轮流量计
m3/h
压力表A
MPa
真空表A
MPa
功率表A
W
压力表B
MPa
真空表B
MPa
功率表B
W
六、实验报告内容
1、将实验数据和计算结果列在数据表格中，并以一组数据进行计算举例。
2、在合适的坐标系上标绘离心泵的特性曲线，并在图上标出离心泵的各种性能（泵的型号和转速、高效率区）。
七、设备性能与主要技术参数
1、本实验装置主要由：
离心泵、压力表、真空表、文丘里流量计、蓄水箱、操作台架等组成。
2、离心泵采用25SG2.5-15G型管道离心泵，额定功率：
0.37KW，转速：
2800r/min，吸程：
8m，效率：
34%，流量：
2.5m3/h，扬程：
15m，必须汽蚀余量：
2.3m。
3、压力表压力传感器量程为（0-0.6MPa）,真空表采用负压传感器量程为（-0.1~0MPa）。
4、流量测量采用涡轮流量计：
0.6~6m3/h。
5、蓄水箱容积约100L，不锈钢材质，当停止供水通过开启灌泵阀时，可使泵运行时出现汽蚀现象。
6、金属操作台架上装有一电控箱，除开关指示灯外，还装有功率表、压力显示仪、流量显示仪。
八、思考题
1、试分析实验数据，看一看，随着泵出口流量调节阀开度的增大，泵入口真空表读数是减少还是增加，泵出口压强表读数是减少还是增加。
为什么?
2、本实验中，为了得到较好的实验结果，实验流量范围下限应小到零，上限应尽量的大。
为什么?
3、离心泵的流量，为什么可以通过出口阀来调节?
往复泵的流量是否也可采用同样的方法来调节。
为什么?
4、什么情况下会出现“汽蚀”现象?
5、管路特性曲线的形状与泵的性能有关吗?
它取决于哪些因素?
改变管路特性曲线的方法有哪些?
6、为什么离心泵启动时要关闭出口阀？
7、正常工作的离心泵，在其进口管上设阀门是否合理？
为什么？
实验三干燥速率曲线的测定
一、实验目的
1、掌握干燥曲线和干燥速率曲线的测定方法。
2、学习物料含水量的测定方法。
3、加深对物料临界含水量Xc的概念及其影响因素的理解。
4、学习恒速干燥阶段物料与空气之间对流传热系数的测定方法。
5、学习用误差分析方法对实验结果进行误差估算。
二、实验内容
1、每组在某固定的空气流量和某固定的空气温度下测量一种物料干燥曲线、干燥速率曲线和临界含水量。
2、测定恒速干燥阶段物料与空气之间对流传热系数。
三、实验原理
当湿物料与干燥介质相接触时，物料表面的水分开始气化，并向周围介质传递。
根据干燥过程中不同期间的特点，干燥过程可分为两个阶段。
第一个阶段为恒速干燥阶段。
在过程开始时，由于整个物料的湿含量较大，其内部的水分能迅速地达到物料表面。
因此，干燥速率为物料表面上水分的气化速率所控制，故此阶段亦称为表面气化控制阶段。
在此阶段，干燥介质传给物料的热量全部用于水分的气化，物料表面的温度维持恒定（等于热空气湿球温度），物料表面处的水蒸汽分压也维持恒定，故干燥速率恒定不变。
第二个阶段为降速干燥阶段，当物料被干燥达到临界湿含量后，便进入降速干燥阶段。
此时，物料中所含水分较少，水分自物料内部向表面传递的速率低于物料表面水分的气化速率，干燥速率为水分在物料内部的传递速率所控制。
故此阶段亦称为内部迁移控制阶段。
随着物料湿含量逐渐减少，物料内部水分的迁移速率也逐渐减少，故干燥速率不断下降。
恒速段的干燥速率和临界含水量的影响因素主要有：
固体物料的种类和性质；固体物料层的厚度或颗粒大小；空气的温度、湿度和流速；空气与固体物料间的相对运动方式。
恒速段的干燥速率和临界含水量是干燥过程研究和干燥器设计的重要数据。
本实验在恒定干燥条件下对帆布物料进行干燥，测定干燥曲线和干燥速率曲线，目的是掌握恒速段干燥速率和临界含水量的测定方法及其影响因素。
1、干燥速率的测定
（3-1）
式中：
—干燥速率，kg/（m2·h）；
—干燥面积，m2，（实验室现场提供）；
—时间间隔，h；
—
时间间隔内干燥气化的水分量，kg。
2、物料干基含水量
（3-2）
式中：
—物料干基含水量，kg水/kg绝干物料；
—固体湿物料的量，kg；
—绝干物料量，kg。
3、恒速干燥阶段，物料表面与空气之间对流传热系数的测定
（3-3）
（3-4）
式中：
—恒速干燥阶段物料表面与空气之间的对流传热系数，W/（m2·℃）；
—恒速干燥阶段的干燥速率，kg/（m2·s）；
—干燥器内空气的湿球温度，℃；
—干燥器内空气的干球温度，℃；
—
℃下水的气化热，J/kg。
4、干燥器内空气实际体积流量的计算
由节流式流量计的流量公式和理想气体的状态方程式可推导出：
（3-5）
式中：
—干燥器内空气实际流量，m3/s；
—流量计处空气的温度，℃；
—常压下t0℃时空气的流量，m3/s；
—干燥器内空气的温度，℃。
（3-6）
（3-7）
式中：
C0—流量计流量系数，C0=0.65
A0—节流孔开孔面积，m2
d0—节流孔开孔直径，d0=0.0400m；
ΔP—节流孔上下游两侧压力差，Pa；
ρ—孔板流量计处
时空气的密度，kg/m3。
干燥曲线X─T曲线，用X、T数据进行标绘；干燥速率曲线U─X曲线，用U、XAV数据进行标绘。
5、实验装置流程图
由图可知，本实验装置主要由风机、电加热器、温度控制器、干燥室、风管等设备所组成。
空气由风机鼓入电加热器，加热升温后经列管换热器再进入干燥室对物料进行干燥，循环风量由干燥室中的热球风速仪测量。
离开干燥室的尾气，经碟阀再返回风机进口循环使用。
循环空气温度可通过温度控制器自动调节，以保持在恒定干燥条件下进行实验。
空气湿度可由干燥室前后的干、湿球温度计间接测定（查表读取）。
加热空气流量可由碟阀开度来调节。
本实验的湿物料采用特制的无胶纤维纸板，所以有较强的吸水性。
操作时将纸板直接放在干燥室内的电子天平托架上进行干燥，电子天平可连续显示湿纸板的重量。
因而通过电子天平可直接读取湿纸板任一时刻干燥后的结果，计算出纸板在一定的时间间隔内的失重，即为纸板在这一段时间内所蒸发的水分量。
四、操作步骤
1、打开电源总开关，检查风速仪是否处于“断开”位置；
2、读取相对湿度表的读数；
3、向湿球温度计套管里加满水；
4、将碟阀打开置于75％左右的开度；
5、启动风机，待稳定后，取出干燥室顶部的风速测量头，打开保护套管后再放入测量孔内，将风速仪面板上按钮拨至“零度”位置以测定风速值，风速仪读取完数据后，应将风速测量头取出关闭保护套管，将风速仪置于“断开”位置）；
6、通过温控显示表设定进风温度值为50～60℃，启动加热按钮，并将手动调节旋钮调至中位；
7、待进风温度升至60℃后，可开始准备纸板：
为纸板加水（采用10×10mm厚纸板）；
用托盘天平初步称量一下湿纸板的重量；
8、打开空气进口阀门和废气出口阀，均置于50％左右的开度；
9、待进风温度基本稳定后，打开电子天平，并置于“0.0”位置，准备好秒表。
打开干燥室的门，将准备好的湿纸板迅速垂直放入干燥室中的托架槽内，迅速关好门（并同时计时，从电子天平上读取湿纸板重量）；
10、读取相应的操作控制温度、干燥室进、出口温度和湿球温度，以及相对湿度等数据；
11、以后操作根据湿纸板的重量进行：
即从电子天平上读取的第一组数据开始，湿纸板每减少1g重量，就必须读取一次数据（包括：
湿纸板重量、间隔时间，相应的操作控制温度、干燥室进、出口温度和湿球温度，以及相对湿度等）；
12、注意湿球温度计的读数应保持相对稳定的温差，如果发现温差值减小较大，应立刻为湿球温度计加水；
13、待最后一次操作的时间间隔超过6min时，即可结束干燥实验；
14、读取干燥实验装置的设备参数与绝干纸板参数，包括：
干燥室面积，室内空气自然温度，绝干纸板质量、纸板的表面积等；
15、实验完毕，关闭加热按钮，将纸板取出，关闭电子天平，待温度降至35℃以下，再关闭风机开关与电源开关（学生实验时必须注意），被免电热管烧坏。
五、实验注意事项
1、实验开始时必须先启动风机，再开加热，以防电热管烧坏！
实验结束后，必须待温度降下后再关闭风机，否则电热管容易烧坏。
再关闭电源开关。
结束实验。
2、干燥循环空气操作温度应控制在75℃左右，温度过高易烧坏电机！
3、任何时候都不允许将碟阀完全关闭，否则将会烧坏电机。
4、风速测量应在升温前完成，以减小测量误差。
测量完毕，应立即将测速探头抽出，以防高温损坏。
5、干燥系统的操作工况已维持基本恒定后，立即将湿纸板放入干燥室内，同时开启秒表分段记取每干燥一定水分量（如1g或2g）所需的时间（可在同一电子秒表上完成），当最后一个等重水分干燥的时间间隔超过6分钟，实验即可结束。
六、实验数据记录与处理
实验计算
实验的第i和i＋1组数据为例。
（公式:
被干燥物料的重量G：
，[g]（3-8）
，[g]（3-9）
被干燥物料的干基含水量X：
，[kg水／
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