流体流动阻力测定实验指导书.docx

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流体流动阻力测定实验指导书

化工原理实验辅助讲义

化工原理实验指导书

姜少华编

五邑大学化工与环境基础实验教学中心

2006年9月

实验一流体流动阻力的测定

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ξ。

4．学会无纸记录仪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ξ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：

ξ—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ξ。

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－进口压力表；3－离心泵；4－出口压力表；5－涡轮流量计；6－开启管路球阀；

7－均压环；8－连接均压环和压力变送器球阀；9－局部阻力管上的闸阀；10－压力变送器；

11－出水管路闸阀；12－水箱放水阀；13－宝塔接头

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。

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.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mmH2O

粗糙管mmH2O

局部阻力mmH2O

左

右

压差

左

右

压差

左

右

压差

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?

实验二填料塔吸收传质系数的测定

一、实验目的

1．了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；

2．掌握总体积传质系数的测定方法；

5．了解气相色谱仪和六通阀的使用方法。

二、基本原理

气体吸收是典型的传质过程之一。

由于CO2气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择CO2作为溶质组分。

本实验采用水吸收空气中的CO2组分。

一般CO2在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的CO2气体通入空气中混合以提高空气中的CO2浓度，水中的CO2含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系CO2气体的解吸过程属于液膜控制。

因此，本实验主要测定Kxa和HOL。

i.计算公式

填料层高度Z为



式中：

L液体通过塔截面的摩尔流量，kmol/（m2·s）；

Kxa以△X为推动力的液相总体积传质系数，kmol/（m3·s）；

HOL液相总传质单元高度，m；

NOL液相总传质单元数，无因次。

令：

吸收因数A=L/mG

 

ii.测定方法

（1）空气流量和水流量的测定

本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。

（2）测定填料层高度Z和塔径D；

（3）测定塔顶和塔底气相组成y1和y2；

（4）平衡关系。

本实验的平衡关系可写成

y=mx

式中：

m相平衡常数，m=E/P；

E亨利系数，E＝f（t），Pa，根据液相温度由附录查得；

P总压，Pa，取1atm。

对清水而言，x2=0,由全塔物料衡算

可得x1。

三、实验装置

1〕装置流程

1、2、13－球阀；3－气体流量调节阀；4－液体流量调节阀；5－气体转子流量计；6－液体转子流量计；7－喷淋头；8、11－填料层；9－液体再分布器；10－塔底；11－支撑板；12－压差计；14－二氧化碳转子流量计；15－气体混合罐.

图5-1吸收装置流程图

本实验装置流程：

由自来水源来的水送入填料塔塔顶经喷头喷淋在填料顶层。

由压缩机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入气体中间贮罐，然后再直接进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，进行质量和热量的交换，由塔顶出来的尾气放空，由于本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程看成是等温操作。

2〕主要设备

（1）吸收塔：

高效填料塔，塔径100mm，塔内装有金属丝网波纹规整填料或θ环散装填料，填料层总高度2000mm.。

塔顶有液体初始分布器，塔中部有液体再分布器，塔底部有栅板式填料支承装置。

填料塔底部有液封装置，以避免气体泄漏。

（2）填料规格和特性：

金属丝网波纹规整填料：

型号JWB—700Y，规格φ100×100mm，比表面积700m2/m3。

（3）转子流量计：

测量CO2流量；

（4）C1000仪表：

显示水和空气的流量；

（5）空气风机：

型号：

旋涡式气泵

（6）二氧化碳钢瓶；

（7）气相色谱仪分析。

四、实验步骤与注意事项

1．实验步骤

（1）熟悉实验流程及弄清气相色谱仪及其配套仪器结构、原理、使用方法及其注意事项；

（2）打开混合罐底部排空阀，排放掉空气混合贮罐中的冷凝水；

（3）打开仪表电源开关及空气压缩机电源开关，进行仪表自检；

（4）开启进水阀门，让水进入填料塔润湿填料，仔细调节液体转子流量计，使其流量稳定在某一实验值。

（塔底液封控制：

仔细调节阀门2的开度，使塔底液位缓慢地在一段区间内变化，以免塔底液封过高溢满或过低而泄气）；

（5）启动风机，打开CO2钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀；

（6）仔细调节风机出口阀门的开度（并调节CO2调节转子流量计的流量，使其稳定在某一值；）

（7）待塔中的压力靠近某一实验值时，仔细调节尾气放空阀的开度，直至塔中压力稳定在实验值；

（8）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数及通过温度、压差计、压力表上读取各温度、压力、塔顶塔底压差读数，通过六通阀在线进样，利用气相色谱仪分析出塔顶、塔底气相组成；

（9）实验完毕，关闭CO2钢瓶和转子流量计、水转子流量计、风机出口阀门，再关闭进水阀门，及风机电源开关，（实验完成后我们一般先停止水的流量再停止气体的流量，这样做的目的是为了防止液体从进气口倒压破坏管路及仪器）清理实验仪器和实验场地。

2）注意事项

（1）固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。

（2）在填料塔操作条件改变后，需要有较长的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取有关数据。

五、实验报告

1）将原始数据列表。

2）在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳解吸时体积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。

3）列出实验结果与计算示例。

六、思考题

1．本实验中，为什么塔底要有液封？

液封高度如何计算？

2．测定Kxa有什么工程意义？

3．为什么二氧化碳吸收过程属于液膜控制？

4．当气体温度和液体温度不同时，应用什么温度计算亨利系数？

实验二管道流量分配规律设计性实验

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．设计实验以得到管道流量的分配规律。

3．学会通过压降反算流量的方法。

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ξ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。

（3）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）

（4）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：

ξ—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ξ。

3．管道流体流量的分布规律

管道的流量分配与管道阻力相关，阻力越大流量越小。

三、实验装置与流程

2．实验装置

实验装置如图1所示：

1－水箱；2－进口压力表；3－离心泵；4－出口压力表；5－涡轮流量计；6－开启管路球阀；

7－均压环；8－连接均压环和压力变送器球阀；9－局部阻力管上的闸阀；10－压力变送器；

11－出水管路闸阀；12－水箱放水阀；13－宝塔接头

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。

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（自行设计）

五、实验数据处理（自行设计）

六、实验报告（自行设计）

实验三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，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－进口压力表；3－离心泵；4－出口压力表；5－涡沦流量计；6－开启管路球阀；7－均压环；8－连接均压环和压力变送器球阀；9－局部阻力管上的闸阀；10－压力变送器；11－出水管路闸阀；12－水箱放水阀；13－宝塔接头；14－温度传感器；15－泵的管路阀；16—旁路阀；17—电动调节阀；

图1实验装置流程示意图

四、实验步骤及注意事项

（一）实验步骤：

1.清洗水箱，并加装实验用水。

给离心泵灌水，排出泵内气体。

2.检查电源和信号线是否与控制柜连接正确，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。

3.实验时，逐渐打开调节阀以增大流量，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。

（离心泵特性实验部分，主要获取实验参数为：

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。

）

4.测取10组左右数据后，可以停止泵，同时记录下设备的相关数据（如离心泵型号，额定流量、扬程和功率等）。

（二）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。

五、数据处理

（1）记录实验原始数据如下表1：