化学工程实验室化工原理实验讲义.docx
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化学工程实验室化工原理实验讲义
化工原理实验讲义
西北民族大学化工学院
化学工程实验室
实验1雷诺实验
一、实验目的
1.了解管内流体质点的运动方式，认识不同流动形态的特点，掌握判别流行的准则；
2.观察圆直管内流体作层流、过渡流、湍流的流动形态。
二、实验内容
以红墨水为示踪剂，观察圆直玻璃管内水为工作流体时，流体作层流、过渡流、湍流时的各种流动形态。
三、基本原理
流体流动时存在两种不同的型态：
即层流和湍流。
层流时大多数流体服从牛顿粘性定律、傅立叶定律和费克定律。
即动量传递量、热量传递量、质量传递量分别与速度梯度、温度梯度、浓度梯度成线性关系。
而湍流时流体不再服从这些定律，此时流体内会产生大量旋涡，以毫无秩序的方式快速运动，从而使过程变得复杂起来。
流动型态对传递过程有着非常显著的影响。
特别是,湍流流体中质点在径向的脉动，会造成垂直于主流方向上流体的强烈混合；这对减小边界层的厚度，进而降低传热与传质阻力，都是十分必要的。
在雷诺实验中，可以观察到层流和湍流的非常鲜明直观的流动现象。
低流量时着色水成一平稳的细线，在管心沿管轴流动；随着流量的逐渐增大，着色水便成为波浪形细线，并且不规则地波动；流量再增大，细线的波动加剧，进而形成许许多多旋涡向四周散开，致使着色水扩散至全管，从而使管内流体的颜色均匀一致。
实验中还可观察到湍流流体中不断有旋涡产生、移动、扩大、分裂和消失。
根据大量实验结果，发现影响流动状况的因素有：
流体的性质ρ和μ、管内径d及流速u。
雷诺数Re就是由这些影响因素组合成的一个无量纲群，即
（[Re]=m0kg0s0）
式中d——管子内径（m）
u——流体流速（m·s-1）
ρ——流体密度（kg·m-3）
μ——流体粘度（Pa·s）
当流体在圆形直管内流动时，若Re＜2000，流动型态为层流；而Re＞4000时，则为湍流，并且随着雷诺数的增大，反映出湍动强度在加剧；Re在2000～4000之间为过渡流，即可能是层流，也可能是湍流，即便是层流，流动也易受外界因素如噪声、震动等的影响而转变为湍流。
实验中需保持流动始终处于稳态,因而需保持水箱内液位恒定和避免液面波动。
为此在实验装置中，水由进水管先流入进水槽后再由小孔流入水箱，并且超出液位的水经溢流口泄入下水道中，溢流流量要尽可能地小。
四、装置流程及操作步骤
实验室有两种不同类型的雷诺实验装置，其中A型装置流程及操作步骤如下：
（一）A型装置流程
【设备参数】
转子流量计
LZB—10
量程:
16—160L/h
LZB—25
量程:
100—1000L/h
有机玻璃管
规格Φ30×2.5mm
管长L=1200mm
【流程图】
1
2
3
4
7
5
6
8
1.着色水瓶2.针形阀3.透明水箱
4.有机玻璃管5.流量调节阀6、8.转子流量计
7.管子喇叭形入口
图1.雷诺实验装置A流程
（二）A型装置操作步骤
1.打开进水阀（逆时针方向旋转），将水充满水箱；打开溢流管泄水阀，以保持水箱液位恒定；
2.由放空阀排除管路系统空气；若管壁附着大量气泡时，可开启流量调节阀，使水流快速流过以冲走气泡；
3.用玻璃温度计测定水温，并记录；
4.先启开流量调节阀少许；然后调节针形阀，控制着色水的注入速度（尽量小），使着色水为一细线；
5.逐渐增大流量调节阀开度，观察管内着色水流的变化；读出流量计读数,并记录实验现象（先打开量程小的转子流量计，关闭大量程流量计，待流量超出小流量计的量程后，把它关闭，再改用大量程的转子流量计；每调定一个流量，需保持十分钟使得流动稳定）；
6.实验结束，打开水箱下管路上的排水阀，关闭进水阀，关闭流量调节阀和针形阀，实验装置恢复原状。
（三）B型装置流程
【设备参数】
观察管
内径：
Ф24.5mm；材质：
玻璃
流量计
LZB-25
流量范围：
40～400L/h
【流程图】
图2.雷诺实验装置B流程
（四）B型装置操作步骤
1.检查所有阀门处于关闭状态，向墨水瓶内注入墨水（示踪剂）。
2.将高位槽注满水。
3.待溢流管内有水流出时，调节进水龙头开度，使溢流管内有少量溢流。
4.打开“排气阀”，待墨水流出，关闭“排气阀”，打开“示踪剂调节阀”，调节示踪剂流量至墨水呈细线状。
5.稍稍打开“流量调节阀”，待示踪剂呈稳定线状流动后，再缓慢调节流量至所需流量。
6.控制流体在滞流区、过渡区、湍流区各做几组流量，并观察现象。
7.关闭各阀门，停止实验。
五、注意事项
1.实验过程中，注意保持水箱液位恒定；在稳定流动下，易于观察实验现象；
2.若着色水管路堵塞，可将针形阀从管路上拆下清洗；安装针形阀时要注意标明在阀柄上的安装方向；长时间不做实验，应将墨水瓶内的墨水倾倒干净，换上清水，将示踪剂管道清洗干净，以免堵塞。
3.通常打开阀门时按逆时针方向旋转，关闭阀门时按顺时针方向旋转；开关阀门时不能开关过头，用力过猛；
4.溢流管内有少量溢流即可，否则会影响雷诺准数的测定。
六、数据记录
原始数据表
水温:
0C
序号
流量，L/h
现象
1
2
…
七、报告要求
1.计算不同流量对应的雷诺数；
2.与所学理论结合，讨论实验现象，并对于理论有出入部分从实验操作不当的角度来找寻引起实验误差的原因。
八、思考题
1.什么是无量纲群?
2.流动型态对传递过程的意义是什么?
3.若红墨水注入管不设在实验观察管中心，能得到实验预期的结果吗？
4.层流和湍流的本质区别在于流体质点的运动方式不同，试述两者的运动方式。
实验2柏努利方程实验
一、实验目的
1.了解流体在管内流动情况下，静压能、动能、位能之间相互转换的关系，加深对柏努利方程的理解；
2.了解流体在管内流动时，流动阻力的表现形式。
二、实验内容
观察流动过程中，随着实验测试管结构与水平位置的变化及流量的改变，静压能、位能与动能之间的变化情况，并找出其规律，以验证柏努利方程。
三、基本原理
在实验中，观察不可压缩流体在导管内流动时，各种形式机械能的相互转化现象，并验证机械能衡算方程（伯努利方程）。
通过实验，加深对流体流动过程基础本原理的理解。
流体在流动时具有位能、动能、压力能、内能，另还由于流体流动时会产生阻力，因而损耗一部分机械能，当流体在导管内作定常流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由稳定流动总能量基本方程来表达。
当稳定流动总能量方程应用于理想的不可压缩的流体且无外加功时，假设沿实验管路内水流动方向任意取1－1和2－2过水截面，则这两个截面之间的能量方程可简化为：
（1）
该方程式
（1）为柏努利方程（Bernoulli'sequation）。
以单位质量基准：
（1a）
以单位重量基准：
（1b）
以单位体积基准：
（1c）
式（1a）、（1b）和（1c）为柏努利方程的延伸方程。
当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则稳定流动总能量方程可简化为
（2）
当流体处于静止状态时，则稳定流动总能量方程可简化为
（3）该方程为流体静力学基本方程。
以上方程中，Z—流体的位压头；
P—流体的压强，Pa；
u—流体的平均流速，m·s–1；
ρ－流体的密度，kg·m–3；
－流动系统内因阻力造成的能量损失，J·kg–1；
下标1和2分别为系统的进口和出口两个截面。
选好基准面，从已设置的各截面读出相应的数据，就可以得到各截面的测管水头和总水头。
四、装置流程及操作步骤
（一）装置流程
【设备参数】
不锈钢离心泵
功率：
0.25kW；气蚀余量：
2.0m；
最大流量：
4.7m3/h；最大扬程：
12m。
流量计
LZB-25
流量范围：
40～400L/h
管道规格
大管Φ25×2.5mm，小管Φ19×2mm
【流程图】
图3.柏努利方程实验装置流程
（二）操作步骤
1.检查所有阀门处于关闭状态，确定水槽内注满水。
2.启动离心泵向管路输送液体，缓慢调节“流量调节阀”，将管路中的气体排放干净。
3.待流量稳定后，调节“流量调节阀”，记录各测压管内液柱高度。
4.改变流量、阀门开度重复实验。
5.关闭各阀门，停止实验。
五、注意事项
1.实验开始前所有阀门须处于关闭状态。
2.实验开始时水槽内须注满水。
3.禁止在无液体时启动离心泵。
4.流量调节阀须缓慢关小，以免造成流量突然下降，使测压管中的水溢出。
5.必须排除实验的导管中的空气泡。
六、数据记录
原始数据表
水温:
0C；水平管位差：
mm
序号
流量（L/h）
测压管读数（mm）
1管
2管
3管
4管
5管
1
2
…
七、报告要求
1.计算不同流量时，各处的位能、动能、静压能；
2.验证机械能是否守恒，讨论各处机械能不相等的原因。
八、思考题
1.如何将实验导管和测压管中的空气泡排干净？
分析未将空气排净对实验的影响？
2.在开启进水阀和实验导管出口调节阀时,为何一定要缓慢调节阀的开启度？
3.为什么实验要保持在恒水位条件下进行?
实验3流量计标定实验
一、实验目的
1.了解几种常用流量计的构造、工作原理和主要特点。
2.掌握流量计的标定方法。
3.了解节流式流量计流量系数C0随雷诺数Re的变化规律、流量系数C0的确定方法。
4.学习合理选择坐标系的方法。
二、实验内容
1.通过实验室实物和图像，了解孔板流量计、转子流量计、涡轮流量计的构工作原理。
2.测定孔板流量计和转子流量计的流量标定曲线。
3.测定孔板流量计的雷诺数Re和流量系数C0的关系。
三、基本原理
转子流量计和孔板流量计测量的都是体积流量，目前测定体积流量的流量计主要分为：
节流式（压差式）、转子式、涡轮式等。
转子流量计通过改变流通面积的方法测量流量。
转子流量计具有结构简单、价格便宜、刻度均匀、直观、量程比大、使用方便、能量损失少等特点。
孔板流量计是节流式流量计的一种，节流式流量计是利用液体流经节流装置时产生压力差而实现压力测量的。
它通常是由能将被测流量转化成压力信号的节流元件（如孔板、喷嘴等）和测量压力差的压差计组成。
对于标准孔板，流量与流量系数的关系为：
，
式中：
——体积流量，m3/s；
——流量系数也称孔流系数，无因次；
——孔板小孔的面积，m2；
——孔板前后的压差，Pa；
——被测流体密度，kg/m3。
由测定的流量即可计算出流量系数的数值，流量系数与Re准数有关，通过实验可以测定C0～Re关系图。
标定流量计的方法可按校验实验装置的标准器形式分为：
容器式、称量式、标准体积管式和标准流量计式等。
本实验采用的为称量法（称量式）。
该方法，用离心泵将液体贮槽中抽出实验液体，通过被标定流量计进入测量容器，同时用电子秤对流入的液体进行测量。
按照增加一定质量读取所需时间，然后用此重量、时间和被标定流量的示值即可标定该流量计。
式中：
——准确体积流量，m3/h；
——流入液体的质量，kg；
——流过被标定流量计的液体密度，kg/m3；
——空气的密度，kg/m3；
——流入时间，s。
四、装置流程及操作步骤
（一）装置流程
【设备参数】
不锈钢离心泵
型号：
WBD70/037额定功率：
370W
气蚀余量：
2.0m最大扬程：
15.5m
转子流量计
LZB-15
流量范围：
40～400L/h
孔板流量计
孔径：
Φ6.8mm
【流程图】
图4.柏努利方程实验装置流程
（二）操作步骤
1.将水槽加满水，注意清理水槽内杂物，以免损坏离心泵。
2.确认“流量调节阀”处于关闭状态，“回水阀”处于开启状态，启动离心泵。
3.缓慢调节“流量调节阀”，调节流量至最大流量（400L/h），进行排气操作，至系统内无气泡为止，记录水温，
4.开启电子秤，进行预热，将计量桶放在电子秤上。
按“去皮”键，使重量读数为0.000kg。
5.缓慢调节“流量调节阀”至所需流量，待系统稳定（约5分钟），先开启“计量阀”再关闭“回水阀”，记录转子流量计流量、孔板压差。
6.当电子秤显示为1.000kg时开始计时，以后每增加2kg，记录一次时间，当电子秤显示9.000kg时，停止计时。
7.记录结束，打开“回水阀”，再关闭“计量阀”。
将计量桶内的水倒回水槽内，将秒表计时归零，准备进行下一组操作。
8.改变流量，重复步骤5、6、7，最后再记录一次水温。
9.实验结束，关闭电源，一切复原。
五、注意事项
1.开启离心泵电源前，应确认流量调节阀处于基本关闭状态，以免流量突然增大损坏转子流量计。
2.离心泵不能缺水运行，实验前应先检查水槽内水量。
3.开启和关闭“回水阀”和“计量阀”时，注意一定要先开后关，否则压差过大，导致系统内水流入Ｕ型管压差计导管，影响实验结果的准确性。
切忌两阀同时关闭。
4.电子秤的最大称量重量为15kg，测量桶约重2.3kg，因此最大称量量不得超过12.7kg。
5.实验前应认真学习停表和电子秤的使用方法。
六、数据记录
原始数据表
水温:
0C（始）0C（末）
序
号
转子流量计读数
（L/h）
孔板压差
（mmH2O）
电子秤为下列读数时的时间（s）
1.000kg
3.000kg
5.000kg
7.000kg
9.000kg
1
2
…
七、报告要求
1.将实验数据和转子流量计标定结果（包括转子流量计读数、校正流量、标定流量、相对误差等）分别列在数据表格中，并以其中一组数据计算示例；
2.在合适的坐标系上，标绘孔板流量计的流量标定曲线（即流量与压差关系）、流量系数C0与雷诺数Re的关系曲线。
八、思考题
1.实验管路和导压管中如果积存有空气，为什么要排除？
2.什么情况下的流量计需要标定？
标定方法有哪些？
本实验是用哪一种？
3.在所学过的流量计中，哪些属于节流式流量计?
哪些属于变截面流量计？
实验4流体流动阻力的测定
一、实验目的
1.直管摩擦阻力压力降ΔPf、直管摩擦因数λ的测定方法。
2.掌握在不同流量下摩擦因数λ与雷诺数Re之间的关系及其变化规律。
3.学习局部阻力系数ζ的测定。
二、实验内容
1.测定既定管路内流体流动的摩擦阻力和直管摩擦因数λ。
2.测定既定管路内流体流动的直管摩擦因数λ与雷诺数Re之间的关系曲线和关系式。
3.测定既定管路内流体流动的局部阻力系数ζ。
三、基本原理
管路阻力的计算是流体输送的核心问题之一，也是管路设计的重要内容，其计算方法建立在阻力实验测定的基础之上。
流动阻力也与换热器设计、塔器设计等密切相关；例如，对于换热器而言，不仅应考虑传热性能，还应考虑流动阻力引起的机械能损失。
流体通过塔板或塔填料的压力降是评价塔板或塔填料的重要指标，例如，筛板由于结构简单，流动阻力小而得到广泛应用；同理，规整填料的结构整齐规则，也具有较小的压力降，当应用于减压蒸馏时，其压力降小这一特有的价值就突显出来。
显而易见，流动阻力对传递过程及诸单元操作有着十分重要的影响。
流体流过管路的流动阻力包括直管阻力和局部阻力两部分。
应用摩狄摩擦系数图计算直管阻力，以及应用当量长度法或阻力系数法计算局部阻力，这都是大家非常熟悉的。
下面介绍流动阻力的实验测定原理，即摩擦因数λ与阻力系数ζ的实验测定方法。
（一）直管阻力
1.范宁方程
直管阻力是流体流经一定管径的直管时，由于摩擦而产生的阻力；它由范宁方程计算。
范宁方程为：
式中：
hf---损失头，m；
λ---范宁摩擦因数，无量纲；
L/d--管长与管径之比；
u--流体的平均流速，m·s-1。
2.摩擦因数
在范宁方程中，将流动阻力或者流体的机械能损失表示为流体动能的一个倍数。
其中范宁摩擦因数λ是无量纲系数，也称为摩擦系数，其计算方法如下：
层流时，把哈根—泊谡叶公式Δpf=32μLu/d2代入范宁方程得：
λ=64/Re
Re=duρ/μ---雷诺数
湍流时，流动阻力不仅与湍动强度有关，还受到管子内壁面粗糙度的影响。
即:
式中：
Δp/（ρu2）--------欧拉数；
ε/d-------管子壁面的相对粗糙度。
或:
λ=Ф（Re,ε/d）
3.摩狄摩擦因数图
把摩擦系数λ与Re和ε/d之间的关系绘于双对数坐标内，即摩狄摩擦因数图，见图5。
λ
ε/d
Re
图5.摩狄摩擦因数图
4.摩擦因数的实验测定
流体流过直管的损失头（压头损失）hf可由U管压差计测得:
式中：
Δp-----流体流过管长L后的压降，Pa；
ρ-----流体的密度,kg·m-3；
流量由涡轮流量计测定，由此可算出流体的平均流速为：
计算过程中注意单位换算，实验测定时摩擦因数λ的计算式如下:
（二）局部阻力
流体流过管件、阀门、流量计、流道的突然扩大或缩小等局部地方时，会形成大量旋涡，流动阻力显著增大。
此局部阻力可由当量长度法或阻力系数法计算，本实验中测定的是阻力系数。
局部流动阻力也表示为流体动能的一个倍数：
式中hf-----损失头,m；
ζ------局部阻力系数,无量纲数。
所以局部阻力系数ζ由下式计算:
其中Δp与u的测量方法与直管阻力测定时相同。
四、装置流程及操作步骤
（一）装置流程
【设备参数】
直管1
规格：
Φ25×2.5mm；长度：
1.2m
直管2
流量计
LZB-25
流量范围：
40～400L/h
【流程图】
图7.测定流体阻力的实验装置B流程
（二）操作步骤
1.实验前的准备工作
1.1检查装置上的各部件是否齐全、完好。
熟悉装置上各个设备、仪表和部件的作用及使用方法。
1.2向水槽内注水至指定位置，注意水位要略高于挡板溢流孔。
1.3关闭装置上的各个阀门，打开回流阀。
2.实验操作
2.1排气操作
2.1.1管路排气操作
启动离心泵，先缓慢开启“流量调节阀”（“闸阀”），再缓慢打开“球阀”，打开“管路排气阀”，调小“排气截止阀”。
当排气管内无气泡时结束。
2.1.2压差传感器的排气
打开导压管上的“排气阀”，接着依次打开导压管上的各组“测压阀”，至导压管的排气管内无气泡为止；然后再大开压差传感器的“平衡阀”及“排气阀H”“排气阀L”，再打开“导压阀”，至导压管内无气泡为止，关闭两个排气阀，并保持“平衡阀”处于开启状态。
2.2直管1流动阻力的测定
管路排气结束后，关闭直管2转子流量计调节阀，使流体流过直管1，调节“流量调节阀”至所需流量。
待涡轮流量计流量显示稳定后，打开测压管的“排气阀”和直管1L、直管1H进行导压管和压差传感器的排气操作（参见
图9压差传感器流程示意图
排气结束后，关闭其它测压阀，同时打开两个“直管1L”、“直管1H”测压阀，然后关闭测压管的“平衡阀”，待压差传感器的显示值稳定后，记录压差传感器的显示值。
控制流量由小到大（或由大到小）依次测取数据，重复上述操作。
实验完毕后检查所测数据的合理性，如合理进行下一操作，如不合理重复上述操作重新进行测定。
2.3局部阻力的测定
对局部阻力件（涡轮流量计、球阀、闸阀）进行测定，与直管1的操作类似。
实验完毕后检查所测数据的合理性，如合理进行下一操作，如不合理重复上述操作重新进行测定。
2.4结束实验
所有实验操作结束后，停泵，关闭所有阀门，打开回流阀。
五、注意事项
1.涡轮流量计在每次开始使用时，应先缓慢开启流量调节阀使涡轮流量计内缓慢的充满液体，然后再缓慢开启下游阀门，严禁涡轮流量计处于无液体状态时受到高速液体的冲击。
否则涡轮流量计将被损坏！
2.实验操作前要熟悉导压管上各个阀门的位置，避免实验时误开阀门造成压差传感器损坏。
3.实验前注意检查水槽水位，防止离心泵发生气蚀。
4.实验时要记得进行排气操作，否则会影响数据的准确性。
5.关闭平衡阀之前，一定确认所开阀门是否正确。
否则会损坏压差传感器。
六、数据记录
分别对直管1、流量计、闸阀、球阀采用以下数据记录表
水温:
0C
序号
1
2
…
流量m3/h
压差kPa
七、报告要求
1.将实验数据和数据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.在合适的坐标系上标绘出光滑直管和粗糙直管λ—Re关系曲线；
3.根据所标绘的λ—Re关系曲线，求出本实验条件下滞流区的λ—Re关系式，并与理论公式比较。
4.对实验所测局部阻力与经验值比较，进行讨论。
八、思考题
1.在实验装置中，平衡阀起什么作用？
实验结束后，应打开还是关闭平衡阀？
2.为什么在测定数据前必须排出管路和测压导管中的空气?
3.为什么须在对数坐标纸上标绘λ~Re曲线？
4.本实验中在启动离心泵前需要给泵壳里灌水吗？
实验5离心泵特性曲线的测定
一、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认识。
二、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）在特性曲线。
三、基本原理
离心泵是依靠叶轮旋转时产生的离心力来输送液体的。
叶轮内的液体受到叶片的推动与叶片共同旋转；在离心力作用下，液体由叶轮中心向叶轮外周运动，并被甩出至蜗壳形的泵壳流道中；同时在叶轮吸入口形成低压，使吸入池中的液体被源源不断地吸入，从而产生连续的抽送作用。
启动离心泵前，为了避免发生气缚现象，需在泵和吸入管路内灌满液体，为此，在离心泵的吸入管的进液端需安装一个单向阀。
此外，在吸入管的进口端应安装粗滤器,以拦截液体中的固体杂质进入管线。
粗滤器常以金属丝网或多孔板为过滤介质；当过滤介质上的孔眼堵塞时，会产生很大的流动阻力，需拆下清洗或更换。
固体杂质一旦进入管线，会对管路上安装的涡轮流量计的涡轮产生磨损，从而影响流量计的测量精度及使用寿命；纤维类杂质还会缠绕在涡轮上，使涡轮卡住，影响其正常使用。
吸入池中液面距吸入口的垂直距离称为离心泵的实际吸上高度或安装高度，它必须低于允许吸上高度。
池内液面不断下降，或吸入管路的阻力不断增大，都会导致吸入口的真空度不断增大。
离心水泵在常温下运行时，若吸入口的真空度达到约730~750mmHg，即吸入口压力低于操作温度下输送液体的饱和蒸汽压，则会导致吸入口的液体汽化，有大量气泡形成。
当这些气泡被液流夹带到叶轮出口处的高压区时，泡内气体受到压缩并凝结。
在气泡破裂的瞬间，液体以极高的速度冲向气泡占有的空间，这种冲击产生的压力可达数十到数百兆帕。
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