化工原理实验指导书.docx

1、化工原理实验指导书化工原理实验指导书化工原理教研室2014年编制附件：化工原理实验教学大纲？实验一 流动过程综合实验1 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）识别组成管路的各种管件、阀门的结构、使用方法和性能。（3）学习压差计、流量计的使用方法。（4）学习光滑直管和粗糙直管的摩擦系数与雷诺准数Re的测量方法，并验证流体处于不同流动类型时的与Re二者间的关系。（5）测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数。（6）分别测定文丘里流量计流量标定曲线（流量-压差关系）及流量系数和雷诺数之间的关系曲线（C-Re关系）。（7）了解离心泵的结构、操作方法，掌握离心泵特性

2、曲线测定方法，掌握离心泵管路特性曲线的测定方法，加深对离心泵性能的理解。2 基本原理2.1 直管摩擦系数与雷诺数Re的测定对于不可压缩流体在水平等直径直管内作定态流动，根据伯努利方程有： （1.1）（1.1）式中：hf压头损失，J/kg；L两测压点间直管长度，m；d直管内径，m；摩擦阻力系数；u流体流速，m/s；Pf直管阻力引起的压降，N/m2；流体密度，kg/m3。将（1.1）式经适当变形，可以得到摩擦系数的表达式，即： （1.2）雷诺准数定义式如下： （1.3）（1.2）式中：流体粘度，Pa.s。在管壁粗糙度、管长和管径一定的条件下，本实验将选择水作为流体，通过改变水的流量，并测得不同流量

3、下的Pf值，连同L、d、u和（对一定流体来说，和都是温度的函数，可以根据流体的种类及温度从手册中查出）一同带入式（1.2）和（1.3），将能够分别求出不同流量下的直管摩擦系数和雷诺准数Re，从而整理出与Re的关系并绘制二者关系曲线。2.2 测定局部阻力系数（1）局部阻力系数的测定。局部阻力损失的计算方法有两种，即局部阻力系数法和当量长度法。其中，局部阻力系数法假定局部阻力损失与流体动能成正比，即： （1.4）（1.4）式中：hf局部阻力引起的能量损失，J/kg；Pf局部阻力引起的压强降，Pa；流体密度，kg/m3；局部阻力系数，无因次； u流体流速，m/s。将（1.4）适当整理后，有： （1.

4、5）局部阻力引起的压强降Pf可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a和b-b，见图1-1。图1.1 局部阻力测量取压口布置图对于开口位置，有：； （1.6）那么，对于ab，bc，ab和bc之间的压降关系有：； （1.7）对于区间aa，有： （1.8）对于区间bb，有： （1.9）联立式（1.8）和（1.9），则有： （1.10）为了实验方便，（Pb-Pb）称之为近点压差，（Pa-Pa）称之为远点压差，其具体数值用差压传感器测定。2.3 流量计性能测定流体通过节流式流量计时在上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为： （1.

5、11）（1.11）式中：Vs被测流体（水）的体积流量，m3/s；C流量系数，无因次；A0流量计节流孔截面积，m2；（P上-P下）流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa；被测流体(水)的密度，kg/m3。用涡轮流量计作为标准流量计来测定流量Vs，每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数P和流量Vs绘制成一条曲线，即流量标定曲线，同时利用上式整理数据可进一步得到CRe关系曲线。2.4 离心泵性能的测定2.4.1 H的测定针对泵的吸入口和排出口之间列伯努利方程： （1.12）（1.12）式中：Z位压头，m；u流体速度，m/s；流体密度，kg/m3；P压强；H总压头（扬程），m；Hf入-出

6、泵的吸入口和排出口之间管路内的流体流动阻力。根据（1.12）可以获得离心泵总压头H： （1.13）与伯努利方程中其它项比较，Hf入-出值很小，故可以忽略，于是（1.13）简化为： （1.14）将实验测定的（Z出- Z入）和（P出-P入）的值以及计算所得的u入、u出代入式（1.14）中即可以得到H值。2.4.2 P的测定离心泵由电动机直接带动，若将传动效率视为100%，那么电动机的输出功率等于泵的轴功率，即：泵的轴功率P =电动机的输出功率=电动机的输入功率电动机的效率（1.15）利用功率表测得的功率即为电动机的输入功率，因而有：泵的轴功率P=功率表读数电动机效率 （1.16）2.4.3的测定离

7、心泵总效率指的是有效功率与轴功率的比值，其定义式为： （1.17）（1.17）中：泵的效率；P泵的轴功率，kw；Pe泵的有效功率kw。有效功率Pe定义式如下： （1.18）（1.18）中：H泵的扬程，m；液体密度，kg/m3；Qv体积流量，单位时间内泵输送的液体体积，m3/s。将（1.16）和（1.18）计算得到的P 和Pe代入（1.17），即可以获得离心泵总效率。2.5 离心泵管路特性的测定管路特性曲线是指流体流经管路系统的流量与所需压头之间的关系，若将泵的特性曲线与管路特性曲线绘制在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。因此，如同通过改变阀门开度来改变管路特性曲线，求出泵的特性曲

8、线一样，可通过改变泵转速来改变泵的特性曲线，从而获得管路特性曲线。3 实验装置流体流动过程综合实验装置如图1.2所示。图1.2 流动过程综合实验流程1-水箱；2-水泵；3-入口真空表；4-出口压力表；5、16-缓冲罐； 6、14-测局部阻力近端阀；7、15-测局部阻力远端阀；8、17-粗糙管测压阀；9、21-光滑管测压阀；10-局部阻力阀；11-文丘里流量计（孔板流量计）；12-压力传感器；13-涡流流量计；18、32-阀门；20-粗糙管阀；22-小转子流量计；23-大转子流量计；24阀门；25-水箱放水阀；26-倒U型管放空阀；27- 倒U型管；28、30-倒U型管排水阀；29、31-倒U型

9、管平衡阀4 实验步骤与注意事项4.1 实验步骤4.1.1 流体阻力测量（1）首先向蓄水槽内注入水直至水满为止（最好使用蒸馏水，以保持流体清洁）。（2）光滑管阻力测定（步骤a、b和c）。a. 关闭粗糙管路阀门，将光滑管路阀门全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行驱赶气泡操作。b. 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。c. 差压变送器与倒置U型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用置U型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行

10、实验，一般测取1520组数据。（3）粗糙管阻力测定。关闭光滑管阀，将粗糙管阀全开，从小流量到最大流量，测取1520组数据。（4）测取水箱水温。待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。（5）粗糙管、局部阻力测量方法同前。4.1.2 流量计、离心泵性能测定（1）向蓄水槽内注入蒸馏水。检查流量调节阀32，压力表4的开关及真空表3的开关是否关闭（应关闭）。（2）启动离心泵，缓慢打开调节阀32至全开。待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。（3）用阀32调节流量，从流量为零至最大或流量从最大到零，测取 1015组数据，同时记录涡轮流量计频率、文丘里流量计的压差、泵入口

11、真空度、泵出口压强、功率表读数，并记录水温。（4）实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。4.1.3 管路特性的测量（1）测量管路特性曲线测定时，先置流量调节阀32为某一开度，调节离心泵电机频率（调节范围5020 Hz），测取 810组数据，同时记录电机频率、泵入口真空度、泵出口压强、流量计读数，并记录水温。（2）实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。4.2 注意事项（1）实验前，请仔细阅读说明书中关于直流数字表操作方法部分。（2）启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。（3）利用压力传感器测量大流量下P时，应切断空气水倒置U型玻璃管的

12、阀门，否则将影响测量数值的准确。 （4）在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。（5） 若较长时间未做实验，启动离心泵时应先盘轴转动，否则易烧坏电机。（6）该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好接地。（7）使用变频调速器时一定注意FWD指示灯亮，切忌按FWD REV键，REV指示灯亮时电机反转。（8）启动离心泵前，必须关闭流量调节阀，关闭压力表和真空表的开关，以免损坏测量仪表。（9）实验水质要清洁，以免影响涡轮流量计运行。5 思考题（1）在U型压差计上装设“平衡阀”有何作用？它们在何时开着，何时关闭？（2）离心泵启动前哪些阀应开着，哪些阀门应该关闭？（

13、3）在进行系统排气时，是否应关闭系统的出口阀门？为什么？（4）如何检验测试系统内的空气已经排除干净？（5）U型压差计的零点应如何校正？（6）在一定相对粗糙度（/d）下，lg-lgRe的关系曲线是怎样的？当Re是够大时，曲线情况如何?由此可得何种结论？实验二 过滤实验1 实验目的（1）了解过滤设备的构造和操作方法。（2）掌握过滤问题的简化工程处理方法。（3）测定在恒压操作时的过滤常数K，qe，e，并以实验所得结果验证过滤方程式，强化对过滤理论的理解。（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（选做）。2 基本原理对于不可压缩性滤饼，在恒压过滤情况下，滤液量与过滤时间的关系可用下

14、式表示： （2.1）（2.1）式中：q单位过滤面积获得的滤液体积，m3/m2；qe单位过滤面积的虚拟滤液体积，m3/m2；实际过滤时间，s；e虚拟过滤时间，s； K过滤常数，m2/s。将（2.1）式微分，可以得到： （2.2）当各数据点的时间间隔不大时，d/ dq可以用增量之比/q来代替，即： （2.3）式（2.3）为一直线方程。实验时，在恒压下过滤要测定的悬浮液，测出过滤时间及滤液累积量q的数据，在直角坐标纸上标绘/q对的关系，所得直线斜率为2/K，截距为2qe/K，从而可以分别得到K和qe。式（2.1）中的e可由下式获得： （2.4） 其中，过滤常数K的定义式为： （2.5） 将式（2.5

15、）两边取对数，得到： （2.6）因为s为常数，k1/(r0v)，k也为常数，故在双对数坐标体系中，K与p为线性关系，直线的斜率为1-s，截距为lg(2k)，由此可分别计算出压缩性指数 s和物料的特性常数k。3 实验装置如图2.1所示，滤浆槽内配有一定浓度的轻质碳酸钙悬浮液（浓度在6%8%左右），用电动搅拌器进行均匀搅拌（浆液不出现旋涡为好）。启动旋涡泵，调节阀门3使压力表5指示在规定值。本实验利用计量桶对滤液量进行计量。图2.1 恒压过滤实验流程1调速器；2电动搅拌器；3、4、6、11、14阀门；5、7压力表；8板框压滤机；9压紧装置；10滤浆槽； 11进料阀；12旋涡泵；13计量桶实验装置中

16、过滤、洗涤管路如图2.2所示：图2.2 过滤、洗涤管路示意图4 实验步骤与注意事项4.1 实验步骤过滤实验操作步骤主要包括：（1）系统接上电源，打开搅拌器电源开关，启动电动搅拌器2，将滤液槽10内浆液搅拌均匀。（2）板框过滤机板、框排列顺序为：固定头-非洗涤板-框-洗涤板-框-非洗涤板-可动头；用压紧装置压紧后待用。（3）使阀门3、4、11处于全开、其它阀门处于全关状态，启动旋涡泵12，调节阀门3使压力表5达到规定值。（4）待压力表5稳定后，打开过滤入口阀6，过滤开始。当计量桶13内见到第一滴液体时按表计时。记录滤液每增加高度10 mm所用的时间。当计量桶13读数为150 mm时停止计时，并立

17、即关闭入口阀6。（5）调节阀门3使压力表5指示值下降。开启压紧装置卸下过滤框内的滤饼并放回滤浆槽内，将滤布清洗干净。放出计量桶内的滤液并倒回槽内，以保证滤浆浓度恒定。（6）改变压力或其它条件，从步骤（2）开始重复上述实验。（7）每组实验结束后，用洗水管路对滤饼进行洗涤，测洗涤时间和洗水量。（8）实验结束时，将阀门11接上自来水、阀门4接通下水，关闭阀门3，对泵及滤浆进出口管进行冲洗。4.2 注意事项（1）过滤板与框之间的密封垫片位置应放正，过滤板与框的滤液进出口对齐。用摇柄把过滤设备压紧，以免漏液。（2）计量桶的流液管口应贴桶壁，否则液面波动影响读数。（3）实验结束时关闭阀门3。用阀门11、4

18、接通自来水对泵及滤浆进出口管进行冲洗，切忌将自来水灌入储料槽中。（4）电动搅拌器为无级调速。使用时首先接上系统电源，打开调速器开关，调速钮一定由小到大缓慢调节，切勿反方向调节或调节过快损坏电机。（5）启动搅拌前，用手旋转一下搅拌轴以保证顺利启动搅拌器。5 思考题（1）为什么过滤开始时，滤液常常有一点浑浊，过一段时间才转清？（2）在恒压过滤中，初始阶段为什么不采取恒压操作？（3）如果滤液的粘度比较大，你考虑用什么方法改善过滤速率？（4）当操作压强增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同样的过滤量时，其过滤时间是否缩短一半？实验三 传热实验（水-水蒸汽、空气-水蒸汽给热系数测定和传热综合实验）传热

19、实验一 水-水蒸汽给热系数测定1 实验目的（1）了解间壁式传热元件。（2）观察水蒸气在管外壁上的冷凝现象，学习影响给热系数的因素和强化传热的途径。（3）掌握对流传热系数的测定方法。（4）了解热电阻测温方法、涡轮流量计测流量方法，学会使用变频器。2 基本原理如图3.1所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。 图3.1 间壁式传热过程间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有： （3.1）式（3.1）中：Q传热量，J/s；m1热流体的质量流率，kg/s；cp1热流体的比热，J/(kgOC)；T1热流体的进口温度，OC；T2热流体的出口温度

20、，OC；m2冷流体的质量流率，kg/s；cp2冷流体的比热，J/(kgOC)；t1冷流体的进口温度，OC；t2冷流体的出口温度，OC；1热流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m2OC)；A1热流体侧的对流传热面积，m2；(TTW)m热流体与固体壁面的对数平均温差，OC；2冷流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m2OC)；A2冷流体侧的对流传热面积，m2；(ttW)m 固体壁面与冷流体的对数平均温差，OC。热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（3.2）计算： （3.2）式（3.2）中：TW1热流体进口处热流体侧的壁面温度，OC；TW2热流体出口处热流体侧的壁面温度，OC。固体壁面与冷流体的对数平

21、均温差可由式（3.3）计算： （3.3）式（3.3）中：tW1冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，OC；tW2冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，OC。在本装置的套管换热器中，换热桶内通水蒸汽，内铜管管内通水，水蒸气在铜管表面冷凝放热而加热水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式： （3.4）式（3.4）中：V冷流体体积流量，m3/s；冷流体密度，kg/m3；CP冷流体比热，J/(kgOC)；t1、t2冷流体进、出口温度，OC；2冷流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2OC)；A2内管的内壁传热面积，m2；(twt)m内壁与流体间的对数平均温度差，可由式（3.3）计算得到，OC。当内管材料导热性能很好

22、，即值很大，且管壁厚度很薄时，可认为Tw1tw1，Tw2tw2，即为所测得的该点的壁温，则由式（3.1）可得： （3.5）若能测得被加热流体的V、t1、t2，内管的换热面积A2，壁温tw1、tw2，则可通过式（3.5）算得实测的冷流体在管内的对流给热系数2。对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为： （3.6）式（3.6）中：Nu努塞尔数，Nu=d/，无因次；Re雷诺数，Re =du/，无因次；Pr普兰特数，Pr=Cp/，无因次。其中：流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m2 OC)；d换热管内径，m；流体的导热系数，W/(m OC)；u流体在管内流动的平均速度，m/s；流体

23、的密度，kg/m3；流体的粘度，Pas；Cp流体的比热，J/(kg OC)。上式适用范围为：Re1.01041.2105，Pr0.7120，管长与管内径之比L/d60。当流体被加热时n0.4，流体被冷却时n0.3。可由实验获取的数据点拟合出相关准数后，即可作出曲线，并与经验公式的曲线对比以验证实验效果。3 实验装置水-水蒸汽给热系数测定实验装置如图3.2所示：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与来自水箱的水进行热交换，冷凝水经管道排入地沟。冷水经增压泵和涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），水流量可用阀门调节或变频器自动调节，热交换后进入下水道。装置参数中：紫铜管规格122mm，即内径为

24、8mm，长度为1m；冷流体最大流量为0.45m3/h，涡轮流量计的测量下限为0.2 m3/h。图3.2 水-水蒸气换热实验流程1-水泵；2-冷流体管路；3-冷流体进口调节阀；4-涡轮流量计；5-冷流体进口温度；6-惰性气体排空阀；7-蒸汽温度；8-视镜；9-冷流体进口温度；10-压力表；11-冷凝水排空阀；12-蒸汽进口阀；13-冷凝水排空阀；14-蒸汽进口管路；15-冷流体出口管路；16-冷流体进口管壁温度；17-冷流体出口管壁温度；18-水箱4 实验步骤与注意事项4.1手动操作（1）检查仪表、水泵、蒸汽发生器及测温点是否正常，检查进气系统的蒸气调节阀是否关闭。（2）打开总电源开关、仪表电源

25、开关（由指导老师启动蒸汽发生器和打开蒸气总阀）。（3）启动水泵。（4）调节手动调节阀的开度，阀门全开使水流量达到最大。（5）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水（方法是：关闭进气系统的蒸气调节阀，打开蒸汽管冷凝水排放阀）。（6）排净后，关闭蒸汽管冷凝水排放阀，打开进气系统的蒸气调节阀，使蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（冷凝水排放阀不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷凝水不断地排至地沟。（7）仔细调节进系统蒸气调节阀的开度，使蒸汽压力稳定保持在0.1 MPa左右（可通过微调惰性气体排空阀使压力达到需要的值），以保证在恒压条件下操作，再根据测试要求，由大到小逐渐调节水

26、流量手动调节阀的开度，合理确定6个实验点。待流量和热交换稳定后，分别读取冷流体流量、冷流体进出口温度、冷流体进出口壁温以及蒸汽温度。（8） 实验终了，首先关闭蒸气调节阀，切断设备的蒸汽来路，关闭蒸汽发生器（由教师完成）、仪表电源开关及切断总电源。4.2自动操作（1）前7步准备工作同手动操作。（2）打开对流给热系数测定实验MCGS组态文件，进入“对流给热系数测定实验软件”界面，点击“对流给热系数测定实验”按钮，进入实验界面。（3）当一切准备就绪后单击“开始按钮”开始实验，根据测试要求，由大到小逐渐调节变频器，控制水流量，合理确定6个实验点，待稳定后点击数据自动采集或分别从数显表上读取冷流体流量、

27、冷流体进出口温度、冷流体进出口壁温以及蒸汽温度。（4）当测好所需的实验次数后单击“停止”按钮停止实验。若实验完毕单击“退出实验”。回到“对流给热系数测定实验软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统。（5）实验终了，首先关闭蒸气进口调节阀，切断设备的蒸汽来路，经一段时间后，再关闭变频器，然后关闭蒸汽发生器、仪表电源开关及切断总电源，清洁整理实验室。4.3注意事项（1）一定要在套管换热器内管输以一定量的空气或水，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。（2）开始通入蒸汽时，要缓慢打开蒸汽阀门，使蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“

28、热态”不得少于10 min。（3）操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.2 MPa（表压）以下，因为在此条件下压力比较安全。（4）测定各参数时，必须是在稳定传热状态下，并且随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。一般热稳定时间都至少需保证5分钟以上，以保证数据的可靠性。（5）注意本实验中，冷流体并非循环使用，实验过程中需要给水箱连续通水源。5 思考题（1）实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?（2）在计算冷流体质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算。（3）实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？如果采

29、用不同压强的蒸汽进行实验，对关联式有何影响？传热实验二 空气-水蒸汽给热系数测定1 实验目的（1）了解间壁式传热元件。（2）观察水蒸气在管外壁上的冷凝现象，学习影响给热系数的因素和强化传热的途径。（3）掌握对流传热系数的测定方法。（4）了解热电阻测温方法、涡轮流量计测流量方法，学会使用变频器。2 基本原理详见水-水蒸汽给热系数测定。3 实验装置空气-水蒸汽给热系数测定实验装置如图3.3所示：来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。装置参数中：紫铜管规格21

30、2.5mm，长度为1m。图3.3 空气-水蒸气换热实验流程4 实验步骤与注意事项4.1操作步骤（1）检查仪表、水泵、蒸汽发生器及测温点是否正常，检查蒸气调节阀是否关闭。（2）打开总电源开关、仪表电源开关（由指导老师启动蒸汽发生器和打开蒸气总阀）。（3）先开差压变送器下方的平衡阀，将孔板流量计前后压差置零，再打开风机电源。若风机开关档拨向“直接”，则表示手动档控制，须通过冷流体入口管处的“冷流体阀门”来调节空气流量。（4）打开热交换器进出口的两个“不凝性气体排放阀门”，实验中也保持一定开度。打开“冷凝水阀门”，共有两个阀门，长直管段的和短直管段均要打开，可观察到冷凝水排出。然后，将短直管段的冷凝水阀门关闭，此时方可打开“热流体阀门”，从而使得蒸汽发生器产生的蒸汽通入系统中。此时可观察到系统中的对流交换，以及冷凝水的排出情况。（5）仔细调节进系统蒸气调节阀的开度，使蒸汽压力稳定保持在0.1MPa左右（可通过微调惰性气体排空阀使压力达到需要的值），以保证在恒压条件下操作，再根据测试要求，由大到小逐渐调节空气流量手动调节阀的开度，合理确定6个实验点。待流量和热交换稳定后，分别读取