化工原理实验讲义.docx
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化工原理实验讲义
化工原理实验讲义
合肥学院化学与材料工程系
化工实验教研室编
实验一流体流动阻力测定
一、实验目的
1．掌握流体流经直管和管阀件时阻力损失的测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。
2．、测定水流过一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力损失Δpf，确定摩擦阻力系数λ和雷诺准数Re之间的关系。
将所得的λ~Re方程与公认经验关系比较。
3．测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。
4．学会压差计和流量计的使用方法，了解差压变送器、功率传感器的工作原理。
熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工程意义。
5．观察组成管路的各种管件、阀件，了解其作用。
二、基本原理
流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。
1．沿程阻力
流体在水平均匀管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。
即
影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。
为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数关联式。
根据因次分析，影响阻力损失的因素有，
（1）流体性质：
密度ρ，粘度μ；
（2）管路的几何尺寸：
管径d，管长l，管壁粗糙度ε；
（3）流动条件：
流速μ。
可表示为：
组合成如下的无因次式：
令
则
式中，
——压降Pa
hf——直管阻力损失J/kg，
ρ——流体密度kg/m3
λ——直管摩擦系数，无因次
l——直管长度m
d——直管内径m
u——流体流速，由实验测定m/s
λ——称为直管摩擦系数。
滞流（层流）时，λ＝64／Re；湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数，须由实验确定.
2．局部阻力
局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
当量长度法
流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le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．可将管路中的直骨长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为乙各种局部阻力的当量长度之和为
，则流体在管路中流动时的总阻力损失
为
阻力系数法
流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。
即
式中，ξ——局部阻力系数，无因次；
u——在小截面管中流体的平均流速，m／s。
由于管件两侧距测压孔问的直管长度很短．引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。
因此hf之值可应用柏努利方程由压差计读数求取。
三、实验装置与流程
1．实验装置
图1-1实验装置流程图
实验装置如图1-1所示。
主要部分由离心泵，不同管径、材质的管子，各种阀门或管件，转子流量计等组成。
从上向下第一根为不锈钢光滑管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。
第三根为不锈钢管，其上装有待测管件（闸阀），用于局部阻力的测定。
流体温度有热电阻，流体流量由涡轮流量计测量，压差有压差变送器测量。
本实验的介质为水，由离心泵供给，经实验装置后的水通过管道流入储水箱内循环使用。
2．装置结构尺寸
装置结构尺寸如表1-1所示。
表1-1装置参数
名称
材质
管内径（mm）
测试段长度（m）
装置（1m）
装置（2c）
光滑管
不锈钢食品管
29.5
29.0
1.5
粗糙管
镀锌铁管
29.9
29.2
1.5
局部阻力
闸阀
35.86
35.86
图1-2：
控制柜面板
1、空气开关2、3、4电源指示灯5、流量控制仪6、6路巡检仪（单位m3／h）：
第一通道测量离心泵进口压力（单位：
kpa），第二通道测量离心泵出口压力（单位：
kpa），第三通道测量离心泵转速（单位：
r／min）第四通道测量流体阻力压差（单位：
pa）第五通道测量流体温度（单位：
摄氏度），第六通道没用，7、功率表（单位：
KW）8、仪表电源指示灯、9、仪表电源开关，10、变频器电源指示灯，11、变频器电源开关，12、离心泵电源指示灯、13、离心泵直接或变频器运行转换开关，14、离心泵启动按钮，15、离心泵停止按钮。
四、实验步骤及注意事项
1．灌泵
储水箱中出水到适当位置（大概三分之二处）关闭阀1、阀2、阀3、阀4、阀5、打开离心泵出口排气阀和进口灌水阀，用水杯从灌水阀灌水，气体从排汽阀排出，直到排水阀有水排出并且没有气泡灌水完毕，关闭排气阀和灌水阀。
2．启动水泵
打开控制柜上1空气开关，打开9仪表电源开关，仪表指示灯10亮，仪表上电，显示被测数据。
把转换开关转到直接位置，指示灯12亮，按一下离心泵启动按钮，离心泵运转，启动按钮指示灯亮，水泵启动完毕。
3．光滑管排气
先打开光滑管与差压变送器相连的阀门，粗糙管和局部阻力与差压变送器相连的阀门关闭，打开阀3和阀2，排出光滑管中的气体，关上阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，光滑管排气完毕。
4．光滑管实验
打开流体阻力监控软件数据班级、姓名、学号等信息，进入流体阻力实验，点击光滑管，调节阀2，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。
光滑管数据采集完毕后，先关闭阀2和阀3，再关闭光滑管与差压变送器相连的两个阀门。
5.粗糙管实验
粗糙管排气与光滑管排气类似，先打开粗糙管与差压变送器相连的两个阀门，再打开阀4和阀2，排出粗糙管中的气体，关闭阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，粗糙管排气完毕。
点击粗粗管，调节阀2，，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。
粗糙管数据采集完毕后，先关闭阀2和阀4，再关闭光滑管与差压变送器相连的两个阀门。
6.局部阻力实验
局部阻力排气与光滑管排气类似，先打开局部阻力与差压变送器相连的两个阀门，再打开阀5和阀2，排出粗糙管中的气体，关闭阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，局部阻力排气完毕。
点击局部阻力，调节阀2，，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。
局部阻力数据采集完毕后，先关闭阀2和阀5，再关闭光滑管与差压变送器相连的两个阀门。
流体阻力实验完毕。
7、数据处理
实验数据记录
序号
流量
L/s（湍流）或（L/h）（层流）
光滑管
kPa
粗糙管
kPa
局部阻力
kPa
层流
kPa
压差
压差
压差
压差
实验数据采集完毕，打开数据处理软件，打开实验数据，执行相应的软件功能，就可算出流体雷诺系数与摩擦因数的关系，执行绘图功能，就可绘出雷诺系数与摩擦因数的曲线关系，执行打印功能就可打印实验数据和实验处理结果。
五、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图形，即可估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。
注：
流体阻力控制仪表（AI－519）参数
P＝30I＝3D＝1
六、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流量调节阀?
为什么?
2．如何检验测试系统内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?
6．在直管阻力测量中，压差计显示的压差是否随着流量的增加而成线性增加？
分别就层流和湍流进行讨论。
实验二离心泵特性曲线测定
一、实验目的
1.了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作；
2.掌握离心泵特性曲线测定方法。
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V之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。
由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。
1．扬程H的测定与计算
在泵进、出口取截面列柏努利方程：
式中：
p1,p2——分别为泵进、出口的压强N/m2ρ——流体密度kg/m3
u1,u2——分别为泵进、出口的流量m/sg——重力加速度m/s2
当泵进、出口管径一样，且压力表和真空表安装在同一高度，上式简化为：
由上式可知：
只要直接读出真空表和压力表上的数值，就可以计算出泵的扬程。
2．轴功率N的测量与计算
轴的功率可按下式计算：
式中，N—泵的轴功率，W
w—电机输出功率，W
由上式可知：
测定泵的轴功率，只需测定电机的输出功率，乘上功率转换中的倍率即可。
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是单位时间内流体自泵得到的功，轴功率N是单位时间内泵从电机得到的功，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：
Ne=HVρg
故
η=Ne/N=HVρg/N
4．速改变时的换算
泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的一切实验点，其转速都是相同的。
但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量的变化，多个实验点的转速将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为平均转速下的数据。
换算关系如下：
流量
扬程
轴功率
N效率
离心泵功率转换系数＝0.89
三、实验装置与流程
离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图如图2-1：
图2-1离心泵实验装置流程示意图
3．仪表控制柜面板如图2-2所示：
图2-2流体力学综合实验装置仪表面板
1、空气开关2、3、4电源指示灯5、流量控制仪6、6路巡检仪（单位m3／h）：
第一通道测量离心泵进口压力（单位：
kpa），第二通道测量离心泵出口压力（单位：
kpa），第三通道测量离心泵转速（单位：
r／min）第四通道测量流体阻力压差（单位：
pa）第五通道测量流体温度（单位：
摄氏度），第六通道没用，7、功率表（单位：
KW）8、仪表电源指示灯、9、仪表电源开关，10、变频器电源指示灯，11、变频器电源开关，12、离心泵电源指示灯、13、离心泵直接或变频器运行转换开关，14、离心泵启动按钮，15、离心泵停止按钮。
四、实验步骤及注意事项
1．灌泵
储水箱中出水到适当位置（大概三分之二处）关闭阀1、阀2、阀3、阀4、阀5、打开离心泵出口排气阀和进口灌水阀，用水杯从灌水阀灌水，气体从排汽阀排出，直到排水阀有水排出并且没有气泡灌水完毕，关闭排气阀和灌水阀。
2．启动水泵
打开控制柜上1空气开关，打开9仪表电源开关，仪表指示灯10亮，仪表上电，显示被测数据。
把转换开关转到直接位置，指示灯12亮，按一下离心泵启动按钮，离心泵运转，启动按钮指示灯亮，水泵启动完毕。
3.打开离心泵监控软件，输入班级、姓名、学号等信息，进入离心泵监控界面，打开阀1到最大，每隔2m3／h采集一组数据（等数据稳定之后再采集），从最大流量做到0。
4.数据采集完毕后，按离心泵停止按钮，泵停止。
5、打开数据处理软件，打开采集的数据，进行数据处理，计算出数据处理结果，绘出离心泵特性曲线。
实验完毕
注意事项：
1、一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。
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。
实验数据记录
离心泵原始数据
水温：
℃
No.
流量L/s
真空表读数MPa
压力表读数MPa
功率表读数w
五、实验报告
1．在同一张坐标纸上描绘一定转速下的H～V、N～V、η～V曲线
2．分析实验结果，判断泵较为适宜的工作范围。
六、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？
十分还有其他方法调节流量？
4．泵启动后，出口阀如果打不开，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／m3的盐水（忽略密度的影响），在相同流量下你认为泵的压力是否变化？
轴功率是否变化？
实验三流量计校核实验
一、实验目的
1．了解孔板流量计、文丘里流量计的构造、原理、性能及使用方法。
2．掌握流量计的标定方法。
3．测定节流式流量计的流量系数C，掌握流量系数C随雷诺数Re的变化规律。
4．学习合理选择坐标系的方法。
5．学习对实验数据进行误差估算的具体方法。
二、实验原理
流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量有如下关系：
采用正U形管压差计测量压差时，流量Vs与压差计读书R之间关系有：
（1）
式中：
Vs被测流体（水或空气）的体积流量，m3/s；
C流量系数（或称孔流系数），无因次；
A0流量计最小开孔截面积，m2，A0=（π/4）d02；
流量计上、下游两取压口之间的压差，Pa；
被测流体（水或空气）的密度，Kg/m3；
U形管压差计内指示液的密度，Kg/m3；
１ 空气的密度，Kg/m3；
RU形管压差计读数，m；
式3-1也可以写成如下形式：
（1a）
若采用倒置U形管测量压差：
（忽略空气对测量的影响）则流量系数C与流量的关系为：
（2）
用体积法测量流体的流量Vs，可由下式计算：
（3）
（4）
式中：
Vs水的体积流量，m3/s；
△t计量桶接受水所用的时间，s；
A计量桶计量系数；
△h计量桶液面计终了时刻与初始时刻的高度差，mm，△h=h2-h1；
V在△t时间内计量桶接受的水量，L。
改变一个流量在压差计上有一对应的读数，将压差计读数R和流量Vs绘制成一条曲线即流量标定曲线。
同时用式（1a）或式
（2）整理数据可进一步得到流量系数C—雷诺数Re的关系曲线。
（5）
式中：
d—实验管直径，m；
u—水在管中的流速，m/s。
三、实验内容
1、以涡轮流量计为基准，对孔板流量计进行校核，并绘制校核曲线。
2、以转子流量计为基准，对孔板流量计进行校核，并绘制校核曲线。
实验四过滤常数的测定
一、实验目的
1．熟悉板框压滤机的构造和操作方法；
2．通过恒压过滤实验,验证过滤基本原理；
3．学会测定过滤常数K、qe、τe，并以实验所得结果验证过滤方程式，增进对过滤理论的
理解；
4．改变压强差重复上述操作，测定压缩指数s和物料特性常数k；
5．了解操作压力对过滤速率的影响。
二、基本原理
过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液的操作。
在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固液分离。
过滤操作中，随着过滤过程的进行，固体颗粒层的厚度不断增加，故在恒压过滤操作中，过滤速率不断降低。
影响过滤速率的主要因素除压强差、滤饼厚度外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，在低雷诺数范围内，过滤速率计算式为：
（1）
u：
过滤速度，m/sK’：
康采尼常数，层流时，K’＝5.0
ε：
床层空隙率，m3/m3μ：
滤液粘度，Pas
a：
颗粒的比表面积，m2/m3△p：
过滤的压强差，Pa
L：
床层厚度，m
由此可以导出过滤基本方程式：
（2）
V：
过滤体积，m3τ：
过滤时间，s
A：
过滤面积，m2Ve：
虚拟滤液体积，m3
r：
滤饼比阻，1/m2，r=5.0a2（1-ε）2/ε3r’：
单位压强下的比阻，1/m2，r=r’△ps
v：
滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次
S：
滤饼压缩性指数，无因次，一般S＝0～1，对不可压缩滤饼，S＝0
恒压过滤时，令k=1/μr’v，K=2k△p1-s，q=V/A，qe=Ve/A，对
（2）式积分得：
（q+qe）2=K（τ+τe）（3）
K、q、qe三者总称为过滤常数，由实验测定。
对（3）式微分得：
2（q+qe）dq=Kdτ
（4）
用△τ/△q代替dτ/dq，在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔△τi，和对应的滤液体积△Vi，可计算出一系列△τi、△qi、qi，在直角坐标系中绘制△τ/△q～q的函数关系，得一直线，斜率为2/K，截距为2qe/K，可求得K和qe，再根据τe=qe2/K，可得τe。
改变过滤压差△p，可测得不同的K值，由K的定义式两边取对数得：
lgK=（1-S）lg（△p）+lg（2k）（5）
在实验压差范围内，若k为常数，则lgK～lg（△p）的关系在直角坐标上应是一条直线，斜率为（1-S），可得滤饼压缩性指数S，进而确定物料特性常数k。
三、实验装置与流程
实验装置如图4-1、4-2所示：
图4-1板框压虑机过滤流程图
图4-1板框压滤机过滤流程
1-可移动框架2-阀23-止回阀4-压力料罐5-玻璃视镜6-压紧手轮7-压力表
8-板框组9-板框进口压力表10-压力定值调节阀12-阀1013-阀914-配料槽
15-指示尺16-阀617-阀718-阀819-阀520-阀421-阀322-阀1_____________________________________________________________________________________________________________________
CaCO3的悬浮液在配料桶内配制一定浓度后，利用压差送入压力料槽中，用压缩空气搅拌，同时利用压缩空气将滤浆送入板框压滤机过滤，滤液流入量筒计量，压缩空气从压力料槽排空管排出。
板框压虑机的结构尺寸：
框厚度11mm，过滤总面积0.048m2。
单个滤框面积＝0.006m2
空气压缩机规格型号：
V－0.08/8，最大气压0.8Mpa。
四、实验步骤与注意事项
（一）实验步骤：
1、配制含CaCO38％～13％（wt%）的水悬浮液。
2、开启空压机，打开阀2、阀3，关闭阀1阀4、阀5，将压缩空气通入配料槽，使CaCO3悬浮液搅拌均匀。
3、正确装好滤板、滤框及滤布。
滤布使用前用水浸湿。
滤布要绷紧，不能起皱（注意：
用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧）。
4、等配料槽料液搅拌均匀后，关闭阀3，打开阀5及压力料槽上的排气阀，使料浆自动由配料桶流入压力料槽至其视镜2/3处，关闭阀5。
5、打开阀4，通压缩空气至压力料槽，使容器内料浆不断搅拌。
压力料槽的排气阀应不断排气，但又不能喷浆。
6、调节压力料槽的压力到需要的值。
主要依靠调节压力料槽出口处的压力定值调节阀来控制出口压力恒定，压力料槽的压力由压力表读出。
压力定值阀已调好，从左到右分别为1#压力：
0.1MPa；2#压力：
0.2MPa；3#压力：
0.3MPa。
考虑各个压力值的分布，从低压过滤开始做实验较好。
7、放置好电子天平，按下电子天平上的“on”开关，打开电子天平，将料液桶放置到电子天平上。
打开并运行电脑上的“恒压过滤测定实验软件”，进入实验界面，做好准备工作，可以开始实验。
8、做0.1MPa压力实验：
并打开阀6、阀9及阀10开始加压过滤。
等流量稳定时，单击实验软件上的“0.1MPa压力实验”按钮，进行0.1MPa压力实验，实验软件自动计算时间间隔内的过滤量并记录数据，存储到数据库中，以供数据处理软件之用。
当实验数据组数做完后，软件自动停止。
9、做0.2MPa压力实验：
打开阀7、阀9及阀10开始加压过滤。
等流量稳定时，单击实验软件上的“0.2MPa压力实验”按钮，进行0.2MPa压力实验。
当实验数据组数做完后，软件自动停止。
10、做0.3MPa压力实验：
并打开阀8、阀9及阀10开始加压过滤。
等流量稳定时，单击实验软件上的“0.3MPa压力实验”按钮，进行0.3MPa压力实验。
当实验数据组数做完后，软件自动停止。
11、实验完成后打开数据处理软件进行数据处理。
12、手动实验时每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次△V取800ml左右，滤液量可以由电子天平处读出。
记录相应的过滤时间△τ及滤液量。
每个压力下，测量8～10个读数即可停止实验。
13、每次滤液及滤饼均收集在小桶内，滤饼弄细后重新倒入料浆桶内，实验结束后要冲洗滤框、滤板及滤布不要折，应用刷子刷。
（二）注意事项：
1．在夹紧滤布时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧。
2．滤饼及滤液循环下次实验可继续使用。
五、实验报告
实验数据列于表4-1中。
计算结果列于表4-2中。
表4-1实验数据
△p＝1.0kg/cm2
△p＝1.5kg/cm2
△p＝2.0kg/cm2
△V（ml）
△τ（s）
△V（ml）
△τ（s）
△V（ml）
△τ（s）
表4-2计算结果
△p＝1.0kg/cm2
△p＝1.5kg/cm2
△p＝2.0kg/cm2
△q
（m3/m2）
△τ/△q
（sm2/m3）
q
（m3/m2）
△q
（m3/m2）
△τ/△q
（sm2/m3）
q
（m3/m2）
△q
（m3/m2）
△τ/△q
（sm2/m3）
q
（m3/m2）
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