实验部分.docx
《实验部分.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验部分.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
实验部分
第7章化工原理基本实验
7.1流体阻力测定实验
1．实验目的
1）学习直管摩擦阻力压力降、直管摩擦系数的测定方法；
2）掌握不同流量下摩擦系数与雷诺数之间的关系及其变化规律；
3）学习U管压差计、压差传感器测量压差、流量计测量流量的方法；
4）掌握对数坐标系的使用方法；
5）学习局部阻力系数的测定方法。
2．实验内容
1）测定既定管路内流体流动的直管摩擦阻力与直管摩擦系数。
2）测定既定管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数之间的关系曲线和关系式；
3）测定既定管路内阀门的局部阻力系数。
3．实验原理
1）直管阻力
流体在圆形直管内流动时，由于本身具有粘性以及涡流的影响，会产生摩擦阻力。
其大小可用范宁公式计算：
因此
而
式中d—管径，m；
—直管阻力损失，J/kg；
—直管阻力引起的压力降，Pa；
l—管长，m；
u—直管内流体的平均流速，m/s；
—流体的密度，kg/m3；
—流体的粘度，N·s/m2。
在
固定的情况下，通过测定直管段流体阻力引起的压强降
与流速（流量Q）就可以得到
之间的数据关系，绘出
与
的关系曲线。
2）局部阻力
流体在管内流动时，局部摩擦阻力的大小可以用阻力系数法，按照下式进行计算：
所以
式中
—局部阻力损失，J/kg；
—局部阻力引起的压力降，Pa；
在流体密度固定的情况下，可通过测定流体流过阀门时的压降
与流速（流量Q）来求取局部阻力系数。
在本装置中，
可通过下式算出：
4．实验装置
直管材料：
紫铜管，管径d=0.0081m，管长1.6m；K1处管径D=0.015m。
5．实验步骤
1）检查储槽内是否有水，如果没有或水量不足，应先向水槽内注水。
2）接通电源，预热10分钟后调整好直流数字表的零点，关闭K3、K4，启动离心泵。
3）直管阻力测定：
关闭阀门K1、K9、K10；打开阀门K2、K11、K12；开启流量调节阀门K3（K4）；关闭倒U管顶部阀门K13，不断调大流量将管路和导压管内的气泡排净，关闭K2和流量调节阀门K3（K4），缓慢打开K13使倒U管内液柱降至倒U管中间部位时关闭K13，检查两边液柱是否水平，若不平则说明气泡没有赶净，应重复上述排气操作，直到水平为止；再次打开K2并调节K3（K4）到适当流量开始测取数据；测定循环水温度。
a）测取数据时应从小流量到大流量（或从大流量到小流量）顺序测取；
b）由于压差变送器在小流量时误差较大，因此能用倒U管测量时尽量不用压差变送器测量，超过倒U管量程时才可用变送器测量。
c）每次调整流量后，都应等流量和压降数据稳定后方可记录数据。
d）本实验要求记录20组以上有效数据。
为了使这些数据点在双对数坐标上尽可能均匀分布，应在做实验前在双对数坐标上粗略选点（均匀分布），然后换算为压差值，将压差值取整后供做实验时参考，本装置流量的测量范围为10~1000L/h。
4）局部阻力测定：
关闭阀门K2、K3、K4、K11、K12；打开阀门K1、K5、K6、K7、K8、K9、K10；关闭倒U管顶部阀门K13，开启K3（K4）并不断调大流量将管路和导压管内的气泡排净，关闭K1和流量调节阀门K3（K4），缓慢打开K13使倒U管内液柱降至倒U管中间部位时关闭K13，检查两边液柱是否水平，若不平则说明气泡没有赶净，应重复上述排气操作，直到水平为止；调节K1至全开（或半开）位置，调节流量至适当位置，关闭K6、K7测取远端压差，关闭K5、K8，打开K6、K7测取近端压差（本实验要求至少测取4组同一开度不同流量下的数据）。
5）关闭K3、K4，关闭离心泵，切断总电源。
6．报告内容
1）将实验数据和整理结果列在数据表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。
2）绘出直管中
关系曲线。
3）计算不同流量下的局部阻力系数。
4）求出本实验条件下层流区的
关系式，并与理论公式相比较。
7．思考题
1）本实验要求得到哪些实验结果？
为得到这些结果，要知道哪些物理量？
直接测定哪些数据？
用什么仪表？
2）为什么采用压差变送器和倒U管并联测定直管段的压差？
何时用变送器？
何时用倒U管？
操作时要注意什么？
3）本实验直管阻力的测量中要求取得20组以上实验数据，且希望这些数据点在曲线上尽可能均匀分布，为此实验中压力差的读数应怎样选取？
4）简述本实验测定局部阻力的原理。
5）本实验中为什么要测定循环水的温度？
6）启动离心泵前为什么要首先关闭K3、K4？
7）如果在实验过程中没有将导管内的空气排净，会有何影响？
8）本实验是测定等直径水平直管的流动阻力，若将水平管改为流体自下而上流动的垂直管，从测量两取压点间压差的倒置U形管读数R到
的计算过程和公式是否与水平管完全相同，为什么？
8．附录
1）直管阻力测定实验数据记录整理表
表7-1直管阻力测定实验数据记录整理表
实验装置编号：
实验人员：
教师签字：
实验时间：
直管内径：
直管长度：
实验条件：
t=μ=ρ=
序号
Q/（L/h）
△Pf
u/（m/s）
Re
λ
（mmH2O）
（Pa）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
2）局部阻力测定实验数据记录整理表
表7-2局部阻力测定实验数据记录整理表
实验装置编号：
实验人员：
教师签字：
实验时间：
管内径：
实验条件：
t=μ=ρ=
序号
Q/（L/h）
/Pa
/Pa
/Pa
ξ
1
2
3
4
3）实验用双对数坐标纸
7.2离心泵性能测定实验
1．实验目的
1）熟悉离心泵的结构与操作方法，了解常用的测压仪表；
2）掌握离心泵特性曲线的测定方法、表示方法，加深对离心泵性能的了解。
2．实验内容
1）熟悉离心泵的结构与操作；
2）测定某型号离心泵在一定转速下，Q（流量）与H（扬程）、N（轴功率），η（效率）之间的特性曲线。
3．实验原理
离心泵是最常见的液体输送设备。
对于一定型号的泵在一定的转速下，离心泵的扬程、轴功率及效率均随流量的改变而改变。
通过实验测出流量与扬程、流量与轴功率以及流量与效率之间的关系，并用曲线表示，称为特性曲线。
特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。
1）H的测定
在泵的吸入口（测压点）和压出口（测压点）之间列柏努利方程：
所以
上式中，Hf,1-2是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力（不包括泵体内部流动阻力）所引起的压头损失，当所选的两截面很接近泵体时，Hf,1-2可以忽略。
于是上式可简化为：
通过测定
、p1、p2、流量、管径、水温等参数即可求出H的值。
2）N的测定
功率表测得的功率为电动机的输入功率。
由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率，即：
泵的轴功率N＝电动机的输出功率＝电动机的输入功率×电动机的效率
3）η的测定
式中η—离心泵的效率，%；
—离心泵的有效功率，kW；
N—离心泵的轴功率，kW；
H—离心泵的压头，m；
Q—流量，m3/s；
—水的密度，kg/m3。
4．实验装置
电机功率60％，进口管内径0.041m，出口管内径0.027m，两测压口间垂直距离为0.22m。
5．实验步骤
1）检查储槽内是否有水，如果没有或水量不足，应先向水槽内注水。
2）关闭K1、K2、K3、K4、K5、K6，接通电源，启动离心泵；打开流量调节阀K2（或K3），观察离心泵工作是否正常，如果没有流量指示或指示不正常，说明泵内有气，应先关闭离心泵进行灌泵；
3）灌泵方法：
打开阀门K1、K6向泵内灌水，待排气咀K6位置没有气体只有水连续流出时即可关闭K6，关闭灌水阀K1。
4）再次启动离心泵，按照流量从零到最大（或从最大到零）的顺序测取20组以上数据（每组数据包括流量、真空表读数、压力表读数、功率表读数四项内容）。
a）K4是为保护压力表免受冲击而设置的，应在读取数据时打开，读完后关闭。
b）K5是为保护功率表而设置的分流开关，K5闭合时由于分流作用，通过功率表的电流将会减小，可以有效防止离心泵启动时由于电流太大对功率表造成的冲击，K5断开时功率表工作正常。
因此，K5应在离心泵启动时闭合，测取数据时断开。
c）测取数据前应先确定本装置的最大流量（将阀门开到最大），然后在可测范围内尽可能均匀取点。
d）实验中必须测定流量为0时的相关数据。
5）用温度计测取循环水温度。
6）关闭所有阀门，关闭离心泵。
6．报告内容
1）将实验数据和计算结果列在数据表格中，并以其中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（泵的型号和转速等）。
7．思考题
1）本实验要求得到哪些实验结果？
为得到这些结果，要知道哪些物理量？
直接测定哪些数据？
用什么仪表？
2）随着泵出口流量的增加，入口真空度及出口压力将如何变化？
并分析原因。
3）在离心泵的吸入口处为什么要安装底阀？
4）离心泵的流量为什么可以通过出口阀来调节？
5）为什么要进行灌泵，如何操作?
6）离心泵启动前，为什么要将分流开关打开？
起什么作用？
7）在实验中为了得到较好的实验结果，实验流量范围上限应达到最大流量，下限应小到流量为零，并且一定要读取流量为零时的实验数据，为什么？
8）为什么在启动离心泵前要关闭出口阀，待离心泵转速正常后再逐渐打开出口阀？
9）为什么离心泵进口管段的直径一般比出口管段的直径大？
8．附录
1）离心泵实验原始数据记录表
表7-3离心泵实验原始数据记录表
实验装置编号：
实验人员：
实验时间：
水温：
教师签字：
离心泵型号：
转速：
电机效率：
两取压口垂直高度差：
入口管内径：
出口管内径：
序号
流量计读数/（m3/h）
压强表读数/kPa
真空表读数/kPa
功率表读数/W
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
备注：
2）离心泵实验数据计算整理表
表7-4离心泵实验数据计算整理表
序号
流量/（m3/h）
扬程/m
轴功率/W
效率/%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
函数关系，H~Q：
N~Q：
η~Q：
7.3气-汽对流传热实验
1．实验目的
1）通过对空气－水蒸汽简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
并应用线性回归分析方法，确定准数关联式
中的常数A、m的值。
2）通过实验加深对控制热阻概念的理解。
3）掌握孔板流量计测流量的基本原理和气体流量的校正方法。
2．实验内容
1）测定不同空气流速下套管换热器管内局部对流传热系数
；
2）对测得的实验数据进行回归分析，求取关联式
中常数A、m的值；
3．实验原理
1）管内局部对流传热系数的确定
管内局部对流传热系数
可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定，即：
式中
—管内流体局部对流传热系数，w/（m2·℃）；
—管内侧换热面积，m2；
—管内流体与管内壁面的平均温差，℃；
Q—传热速率，w。
平均温差
可由下式确定：
式中
—管内流体的进、出口温度，℃；
—壁面平均温度，℃。
因为传热管为薄壁紫铜管，导热系数很大，且壁面较薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用
来表示。
管内侧换热面积
式中
—传热管内径，m；
l—传热管测量段的实际长度，m。
传热速率可由热量衡算式算出：
式中
—冷流体的体积流量，m3/s；
—冷流体的平均定压比热容，kJ/（kg·℃）；
—冷流体的平均密度，kg/m3；
—冷流体的质量流量，kg/s。
、
可根据冷流体的定性温度
查得，
。
2）对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内作强制湍流，处于被加热状态时，准数关联式的形式为：
其中
物性数据λ、ρ、μ、cpc可根据冷流体的定性温度查得，对于管内被加热的空气，普朗特准数变化不大，可以认为是常数。
这样，通过实验确定不同流量下的Re和Nu，然后用线性回归的方法就可以确定出A和m的值。
4．实验装置
传热管总长：
1.3m，测量段长度：
1.1m，外径：
21.84mm，内径：
19.20mm。
孔板流量计：
，其中
为空气在20℃时的体积流量，m3/h；R为U管压差计读数，m。
5．实验步骤
1）检查锅炉内的水量是否充足，如果不足应打开K1向锅炉内补充适量蒸馏水。
2）接通电源总闸，启动电加热器开关，设定适当的加热电压，开始加热。
3）加热约十分钟后，将旁路阀门K3完全打开，启动气泵。
4）水沸腾后水蒸气进入套管换热器外管，蒸汽排出口有恒量蒸汽排出后，标志着实验可以开始。
5）调节旁路阀门K3到所需的流量值【按照流量从小到大（或从大到小）的顺序取点】，稳定10分钟后，读取空气的进、出口温度和壁温值。
a）本实验需要测定5组以上不同流量下的传热数据，取点时为了使这些数据点在双对数坐标上尽可能均匀分布，应在做实验前在双对数坐标上粗略选点（均匀分布），然后换算为U管压差计读数R后供做实验时参考，本装置Re的测量范围约18000~45000。
b）旁路阀门全开和全关是本实验必须测量的两点。
c）气体的体积流量随温度的变化而变化，讲义所给出的公式
只能计算20℃时空气的体积流量，测量条件下空气的真实体积流量还需要进行校正，校正公式：
d）
是空气进入换热管时的体积流量，由于空气被加热过程中体积还会膨胀，空气流过测量段时的平均体积流量还应在
的基础上进一步进行校正：
6）关闭加热器开关，待蒸汽放空口没有蒸汽逸出后将旁路阀K3全开，关闭漩涡气泵，关闭总电源。
6．报告内容
1）原始数据表、整理数据表（包括换热量、局部对流传热系数、各准数以及重要的中间计算结果）、并以其中一组数据为例进行计算举例。
2）在对数坐标系中作图，并算出A与m的值。
3）对实验结果进行分析讨论。
7．思考题
1）本实验中，空气的流量是通过什么方式调节的？
与离心泵调节流量的方式有何不同？
2）本实验要求得到哪些实验结果？
为得到这些结果，要知道哪些物理量？
直接测定哪些数据？
用什么仪表？
3）套管换热器的外管为什么要放掉一部分蒸汽？
4）在启动风机时，若旁路阀没有打开，将有可能出现什么事故，为什么？
5）叙述控制热阻的概念。
6）简单叙述孔板流量计测流量的基本原理。
8．附录
1）实验数据记录表
表7-8传热实验原始数据记录表
实验装置编号：
实验人员：
实验时间：
室温：
教师签字：
测量段长度：
换热管内径：
换热管外径：
序号
U管读数R/mmH2O
进口温度t1/℃
出口温度t2/℃
热电势E/mV
1
2
3
4
5
6
7
备注：
2）实验数据整理表
表7-9传热实验数据整理记录表
序号
1
2
3
4
5
6
7
V20/（m3/h）
/（m3/h）
/（m3/h）
/℃
/℃
/℃
/（kJ·kg-1·℃-1）
/（kg/m3）
λ/（w·m-1·℃-1）
μ/（Pa·s）
Q/kw
u/（m/s）
/（w·m-2·℃-1）
Nu
Re
Pr
Nu/Pr0.4
准数关联式
3）实验用对数坐标纸
7.4精馏实验
1．实验目的
1）了解板式塔的基本构造，精馏设备流程及各个部分的作用，观察精馏塔工作时塔板上的水力状况。
2）学会识别精馏塔内出现的几种操作状态，并分析这些操作状态对塔性能的影响。
3）学习精馏塔性能参数的测量方法，并掌握其影响因素。
2．实验内容
1）研究开车过程中，精馏塔在全回流条件下，塔顶温度等参数随时间的变化情况。
2）测定精馏塔在全回流条件下，稳定操作后的全塔理论塔板数、总板效率。
3．实验原理
对于二元物系，如已知其汽液平衡数据，在全回流条件下通过测定塔顶馏出液组成、塔底釜液组成，可以求出该塔的理论板数，按照下式可以得到总板效率：
式中
—总板效率，%；
—理论板数；
—实际板数；
4．实验装置
精馏塔主要参数：
塔板直径50mm，板间距100mm，筛孔直径：
1.8mm，塔板数：
7块，降液管：
φ8×1.5mm。
5．实验步骤
1）准备工作：
将阿贝折光仪配套的超级恒温水浴调整运行到所需的温度（30℃）；检查塔釜中是否有足够的乙醇/正丙醇混合液，如果不足可打开加料阀K1补充部分料液，料液量以塔釜总容积的2/3为宜；检查取样器和镜头纸是否准备好。
2）向塔顶冷凝器中通入冷却水，接通电源，设定适当的加热功率进行加热。
当塔釜中液体开始沸腾时，注意观察塔内的汽液接触状况，当塔顶有回流液体后，适当调整加热功率，使塔内维持正常的操作状态。
3）进行全回流操作，至塔顶温度保持恒定5分钟后，记下塔顶温度、加热电压、加热电流等参数，在塔顶和塔釜取样口同时取样，用阿贝折光仪测量样品浓度。
4）适当调整加热功率，重复上步操作，测取第二组数据。
5）检查数据合理后，停止加热，待塔釜温度冷却至室温后关闭冷却水，实验结束。
6．报告内容
1）用作图法求出全回流操作条件下的总板效率。
7．思考题
1）本实验要求得到哪些实验结果？
为得到这些结果，要知道哪些物理量？
直接测定哪些数据？
用什么仪表？
2）计算总板效率时，为什么理论板数要减去1？
3）在全回流条件下总板效率是否等于塔内某块板的单板效率？
4）全回流操作有何特点?
在工程实际中何时采用全回流操作？
5）塔顶馏出液和釜液采用什么方法测定其组成？
简述阿贝折光仪的测量原理。
6）理想情况下精馏塔内的温度是如何分布的？
这种分布是由什么原因造成的？
8．附录
1）乙醇-正丙醇体系的温度-折光指数-乙醇浓度关系
乙醇
质量分率
折光指数
乙醇
质量分率
折光指数
25℃
30℃
35℃
25℃
30℃
35℃
0
1.3827
1.3809
1.3790
0.6445
1.3607
1.3657
1.3634
0.05052
1.3815
1.3796
1.3775
0.7101
1.3658
1.3640
1.3620
0.09985
1.3797
1.3784
1.3762
0.7983
1.3640
1.3620
1.3600
0.1974
1.3770
1.3759
1.3740
0.8442
1.3628
1.3607
1.3590
0.2950
1.3750
1.3755
1.3719
0.9064
1.3618
1.3593
1.3573
0.3977
1.3730
1.3712
1.3692
0.9509
1.3606
1.3584
1.3653
0.4970
1.3705
1.3690
1.3670
1.000
1.3589
1.3574
1.3551
0.5990
1.3680
1.3668
1.3650
注：
30℃下乙醇的质量分率与阿贝折光仪读数（折光指数）之间的关系式：
WA=58.844116-42.61325×nD
其中WA为乙醇的质量分率；nD为折光仪读数。
2）乙醇-正丙醇常压下的相平衡数据
T
97.60
93.85
92.66
91.60
88.32
86.25
84.98
84.13
83.06
80.50
78.38
x
0
0.126
0.188
0.210
0.358
0.451
0.546
0.600
0.663
0.884
1.0
y
0
0.240
0.318
0.349
0.550
0.650
0.711
0.760
0.799
0.914
1.0
注：
x表示液相中乙醇摩尔分率；y表示汽相中乙醇摩尔分率。
3）实验数据记录表
表7-9精馏实验数据记录表
实验装置编号：
实验人员：
实验时间：
教师签字：
实际板数目
：
水浴温度：
序号
加热电
压/V
加热电
流/A
升级会员 