化工原理 (2)

实验一 流体流动阻力的测定 一、实验目的 （1）了解流体流动阻力的测定方法。 （2）测定流体流过直管时的摩擦阻力，并确定摩擦系数与雷诺数Re的关系。 二、 基本原理 流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起压强损耗。这种损耗包括流体经过直管的直管阻力,及因流体运动方向改变或因管子大小形状改变的引起的局部阻力。本实验测定流体流过直管时的摩擦阻力。 流体在水平均匀管道中稳定流动时，由截面1到截面2，阻力损失表现在压强的降低： 影响阻力损失的因素十分复杂，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，扩大实验结果的应用范围，可采用因次分析法，将各变量综合成准数关系式。 影响阻力损失的诸因素有： （1）流体性质：密度，粘度； （2）管路的几何尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度； （3）流动条件：流速。 可表示为： 组合成如下的无因次式： 引入 则上式变为： 。 式中，称为直管摩擦系数，层流时，=64/Re；湍流时与Re；湍流时与Re及管壁相对粗糙度有关，需由实验求得。根据伯努利方程可知，流体通过直管的直管阻力损失，可直接由所测得的液柱压差计的读数R算出： p=R（指 -空）g其中：指压差计中指示剂密度，kg/m3。本实验中用水作指示液，另一流体为空气，由于空水,所以空可忽略。 R倒U型压差计管中水位差，m。 g重力加速度，g=9.81m/s2. 三、 实验装置与流程 1.实验装置和设备的主要技术数据 实验装置如图1-1所示，主要部分由水池、离心泵，转子流量计、阀门、直管阻力测试管、测压系统组合而成。本实验的目的是测定直管阻力系数与雷诺数Re的关系。 （1）测压系统采用两种不同的仪器： 倒U型管：如图1.2。 压差传感器：型号：LXWY 测量范围：200 Kpa。 （2）玻璃转子流量计： 型号 测量范围 精度 LZB-25 100-1000（L/ h） 1.5 LZB-10 10-100（L/ h） 2.5 （3）被测直管段：管径 第一套d=0.0080m 管长 L=1.600 m 材料：不锈钢 （4）数显表：型号：PD139 测量范围：0-200Kpa （5）.离心泵：型号：WB70/055 流量：20-200（L/ h） 扬程：19-13.5 m 电机功率：550W 电流：1.35A 电压：380V 2.实验设备流程： 用水泵7把储水槽16中的水抽出，送入实验系统，经玻璃转子流量计1测量流量，然后送入被测的直管段3，测量流体流动的阻力，水经回流管，返回储水槽16。被测的直管段3内流体流动阻力P，可根据其数值大小分别采用变送器4或空气-水倒置U型管压差计来测量。 四、实验步骤 1.熟悉实验装置，尤其是各阀门的作用以及测压系统。 2.往储水槽内加蒸馏水，直到水满为止。 3.大流量状态下的压差测量系统，应先通电预热1015分钟上，观察数字仪表的初始值并记录后可启动泵做实验。 4.打开测压管的放空阀，赶走测压系统内的空气。倒U型管压差计的结构如图1-2，B1,B2管连接测压点，A为排气管。使用时，当流量为0时，打开阀门B1、B2，如果倒U形管内两液柱的高度差不为0，则说明系统内有气泡存在，必须先排气。排气时，先打开C1,C2，A三根管的考克，将流量调至较大，排净测压管路中的空气，再关上C1,C2管，待U型管中水柱升至0刻度时，再关上A。 5.测数据顺序可从大流量至小流量，反之也可，一般测1520组数，建议当流量读数小于300L/h时，只用空气水倒置U型管测压差。 6.待数据测量完毕，关闭流量调节阀，切断电源。 五、注意事项 1.利用压力传感器测定大流量下P时，应切断空气水倒置U型管B1、B2阀门，否则影响测量数值。 2.在实验过程中每调节一个流量，应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。 3.如果较长时间内不做实验，放掉系统内和储水槽内的水。 4.两根并连管道，共用同一流量计，所以实验中只能逐根测定。注意，当进行管道切换时，一定要先打开待测管道的阀门，再关闭当前测量管道的阀门，否则会造成事故。六、实验报告 （1）设计实验表格，根据实验数据进行计算。 （2）根据实验结果，在双对数坐标纸上描绘=f(Re)曲线，与化工原理教材上-Re曲线对照。 （3）对实验结果进行讨论。 七、思考题 （1）为什么实验数据测定前首先要排掉设备和测压管中的空气？怎样排气？ （2）用什么办法检查系统中的气是否排净？ （3）以水为工作流体所测得的-Re曲线能否应用于空气，如何应用？ （4）不同管径，不同水温下测定的-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正，对静压的测量有何影响？实验二 离心泵特性曲线测定一、实验目的 （1）了解离心泵的构造与操作； （2）测定单级离心泵在一定转速下的特性曲线； 二、基本原理离心泵是应用最广的一种液体输送设备。它的主要特性参数包括流量qv，扬程He，功率Ne和效率。这些参数之间存在着一定的关系。在一定转速下，He、Ne、，都随着输液量qv变化而变化，通过实验测定不同qv，He，Ne，的值，就可以做出泵在该转下的特性曲线。 本实验目的就是要了解和掌握这些曲线的测定方法。 （1）流量qv的测定 转速一定，用泵出口阀调节流量。管路中流过的液体量通过文丘里流量计确定。 式中：Vs被测流体（水）的体积流量，m3/s； C流量系数，无因次；C=1 AO流量计节流孔截面积，m2；d0=0.025m P压-P真流量计上、下游两处测压口之间的压强差，Pa； 被测流体（水）的密度，kg/m3 （2）扬程He的测定 根据泵进出口管上安装的真空表和压力表读数即可算出扬程:式中：Hf入-出泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努力方程中其它项比较，Hf入-出值很小，故可忽略。 （Z出-Z入）即为ho压力表与真空表表心垂直距离，m; P入、P出分别为压力表和真空表测得的读数，Pa; u入，u出分别为泵进、出口管内的流速，m/s。在本实验中，由于进、出管管径相等，因此u入=，u出，将测得的ho和P出-P入的值代入上式，即可求得He的值。 （3）泵的轴功率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，kw电动机的输出功率=电动机的输入功率电动机的效率，kw。泵的轴功率N=功率表的读数电动机效率，kw。 （4）的测定 式中：泵的效率； N泵的轴功率，kw 泵的有效功率kw 泵的扬程，kw 泵的流量，m3/s水的密度，kg/m3三、实验流程与设备主要技术数据1.设备主要技术数据：离心泵铭牌：流量=4m3/h，扬程=8m，轴功率N=168W真空表：测压位置管内径d1=0.025m，表盘直径：100mm 测量范围-0.1- 0MPa 精度1.5级。压强表：测压位置管内径d2=0.025m，表盘直径：100mm 测量范围0-0.25MPa 精度1.5级。真空表与压强表测压口之间的垂直距离h0=0.18m电机效率：60%涡轮流量计：仪表常数k=77.006s/L，精度：0.5级功率表：型号PS-139, 精度 1.0级 2.实验流程本实验装置由被测的水池、离心泵及涡轮流量计、功率表、压力表、真空表及控制阀组成一个循环回路。水泵7将水槽16内的水输送到实验系统，用流量调节阀10调节流量，流体经涡轮流量计17计量，回流储水槽。流程示意图见图1-1。四、实验步骤（1） 熟悉设备、流程及各仪表的操作。（2） 检查流量调节阀10，压力表8和真空表9的开关是否关闭（应关闭）。（3） 打开泵的排气阀及充水阀，向泵体内灌水，直至泵内空气排净，同实验一的步骤4。（4） 打开频率计开关。（5） 启动泵，打开功率表开关，开启各测试仪表，并将频率计调止某一挡，如30Hz。（6） 用泵的出口阀调节流量。流量从大到小取15个点（根据积算频率仪表盘均匀分割）。记录各流量（包括流量为零）时的压力表、真空表及功率表读数和温度。（7） 实验结束后，关闭仪表及泵的开关。五、使用实验设备注意事项 1.该装置应良好地接地。 2.启动离心泵前，关闭压力表和真空表的开关以免损坏压强表。 3. 应掌握变频器的使用方法，变频范围500Hz。六、实验报告 1.设计实验表格，计算实验数据。 2.在同一张坐标纸上作在一定转速下的He-qv，N-qv，-qv曲线。 3.在上述坐标纸上作在某一定阀门开度下的管路特性曲线H-qv，并标出工作点。七、思考题（1）为什么启动离心泵前要灌泵？如果灌水排气后，泵仍启动不起来，你认为可能是什么原因？（2）为什么离心泵启动时要关闭出口阀和功率表开关？（3）什么情况下会出现“汽蚀”现象？（4）为什么调节泵的出口阀门可调节其流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其他的方法调节流量？（5）随着流量变化，泵的出口压力表及入口表读数按什么规律变化？为什么？（6）正常工作的离心泵，在其进口管上安装阀门是否合理？为什么？实验三 对流传热综合实验一、实验目的 1.掌握传热系数K，给热系数的测定方法。 2.运用传热理论，掌握强化传热的措施。 3.掌握热电偶测温方法。二、 实验原理 1.传热系数K和给热系数的测定 本实验装置为套管换热器，管内冷空气与管外水蒸汽进行换热。根据传热基本方程、牛顿冷却定律以及圆筒壁的热传导方程，已知传热设备的结构尺寸，只要能测出传热速率Q，以及各有关的温度，即可得出K，和。 （1）空气流量的测定由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。由流量公式1计算 1式中，co-孔板流量计孔流系数，co=0.65 Ao孔的面积 m2 do孔板孔径，do=0.017m Vt1空气入口温度（及流量计处温度）下的体积流量，m3 /h； p孔板两端压差，k pa t1-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，kg/m3。在实验条件下传热管内的空气流量V（m3/h）则需按2式计算： 2式中，V实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h; at管内平均温度，；at=（t1+ t2）/2 t1、t2分别为传热内管空气进、出口温度，。 （2）温度测量空气入管温度t1()：由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。空气出管温度t2()：由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。管外壁面平均温度Tw（）：由数字式毫伏计测出与其对应的热电势E（mv，热电偶是由铜康铜组成），再由E根据公式：Tw（）=8.5+21.26E(mv)计算得到。 （3）.空气传热速率Q式中：V实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h;在测量段上气体的平均密度/ m3；在测量段上气体的平均比热，J/ （K）； （t2- t1）空气进出口温差， （4）测定汽套管的传热系数K，W/（）； 式中：A传热面积，A=l（di+ do）/2； tm冷、热流体的平均温差，； （5）给热系数i的测定式中，,分别为管壁内、外侧污垢热阻，/W；由于该体系为气汽换热，污垢热阻可不考虑。 为管壁热阻，/W，因传热管采用紫铜管，管壁热阻可不考虑。 分别为管内外流体的对流给热系数，W/（）；由于1，而且它的值越大，强化效果越好。一、 实验装置和设备主要技术数据 1.实验装置本实验装置是以空气和水蒸汽为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。 本实验在强化传热内管中插入螺旋线圈，螺旋线圈的结构如图1，所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。 2.设备主要技术数据 （1）传热管参数： 表1 实验装置结构参数实验内管径内径di(mm)20.00实验内管外径do(mm)22.0实验外管内径Di（mm）50实验外管外径D0（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度l（m）1.00强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h(mm)1节距H（mm）40加热釜操作电压10伏操作电流10安（2）电加热釜是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升（加水至液位计的上端红线），内装有一支2.5kw的螺旋形电热器，当水温为30时，用200伏电压加热，约25分钟后水便沸腾，为了安全和长久使用，建议最高加热（使用）电压不超过200伏（由固态调压器调节）。（3）气源（鼓风机） 又称旋涡气泵，XGB-2型，由无锡市仪表二厂生产，电机功率0.75KW（使用三相电源），在本实验装置上，产生的最大和最小空气流量基本满足要求，使用过程中，输出空气的温度呈上升趋势。实验装置流程图（图2）：四、实验方法及步骤 1.实验前的准备，检查工作。 （1）向电加热釜加水至液位计上端红线处。 （2）向冰水保温瓶中加入适量的冰水，并将冷端补偿热电偶插入其中。 （3）检查空气流量旁路调节阀是否全开，电压调节电位器是否旋至最左端（逆时针方向）。 （4）检查普通管支路各控制阀是否已打开。保证蒸汽和空气管线的畅通。 （5）接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。 2.实验开始 （1）一段时间后水沸腾，水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。 （2）约加热十分钟后，可提前启动鼓风机，保证实验开始时空气入口温度t1()比较稳定。 （3）调节空气流量旁路阀的开度，使压差计的读数为所需的空气流量值（当旁路阀全开时，通过传热管的空气流理为所需的最小值，全关时为最大值）。 （4）稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取t1,t2，E值。注意：第1个数据点必须稳定足够的时间。 （5）重复（3）与（4）共做56个空气流量值。 （6）最小，最大流量值一定要做。 （7）整个实验过程中，加热电压可以保持（调节）不变，也可随空气流量的变化作适当的调节。3.转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热器的实验。测定56组实验数据。4.实验结束 （1）关闭加热器开关。 （2）过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。 （3）切段总电源。 （4）若需几天后再做实验，则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。五、使用本实验设备应注意的事项 1.由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电偶的冷端，是否全部浸没在冰水混合物中。 2.检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。 3.必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。 4.必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。 5.电源线不能接错，实验台铁架一定要接地。. 6.数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号输入端不能“开路”。 六、实验报告 （1）设计实验数据表格，根据实验数据进行查表，计算、Re、NU。 （2）根据实验结果，在双对数坐标纸上描绘普通传热过程和强化传热过程的NU=f(Re)曲线，用线性回归法确定A和b的值。 （3）计算强化比NU/NU0，对实验结果进行讨论。 七、思考题1. 当空气流量加大时，其出口温度如何变化？为什么？2. 采取强化措施时，壁温如何变化？试用传热理论加以说明。3. 强化传热的效果一般采用什么作为评价指标？4. 强化传热要以什么为代价？ 表1 温度显示仪表接线表 作 用 仪表接线端 作 用 计 算 机 24V（+） 1 8仪表显示输入端（+） 24V（-） 2 9仪表显示输入端（-） 1 地 3 10 （转换开关0）普通管冷进 14A/D（1路） 4 11（转换开关1）普通管冷出 2A/D（2路） 220V 5 12（转换开关2）强化管冷进 15A/D（3路） 220V 6 13（转换开关3）强化管冷出 3A/D（4路） 7 14（转换开关4）釜温 16A/D（5路） 表2 热电偶显示仪表接线表作 用 仪表接线端 作 用 计 算 机 1 8仪表显示输入端（+） 2 9 3 10 （转换开关1）强化管壁温输入（+） 4 11（转换开关0）普通管壁温输入（+） 220V 5 12 仪表显示输出端（-） 1 地 220V 6 13 普通管壁温输出（-） 4A/D（6路） 7 14 强化管壁温输出（-） 17A/D（7路）实验四 板式塔流体力学特性实验一、实验目的：1.本套装置同时装有筛板，浮阀，泡罩及舌形塔板等四种塔板，观察各种塔板上气、液流动时的流动特性。2.测量气体通过各块塔板的压力降与空塔气速的关系。3.测定板式塔的雾沫夹带、液漏与空塔气速的关系。二、实验原理板式塔是使用量大，应用范围广的重要传质设备，塔板是板式塔的核心部件，它决定了塔的基本性能。为了有效地实现气、液两相间的物质传递，要求塔板具有以下两个作用：必须保持良好的气、液接触条件，造成较大的接触面积，而且接触表面应不断更新，以增加传质动力；从总体上来看，应保证气、液逆流流动，防止气、液短路。塔是靠自上而下的气体和自下而上的液体流动时进行接触而达到传质的目的。因此在某种意义上说，塔板的传质好坏主要取决于板上的流体力学行为。塔板上气液接触状态主要取决于流体的流动速度、两相混合液的物性、板的结构等等。当液体流量一定时，气体空塔速度有小到大时，可以观察到几种正常的操作状态，即鼓泡接触状态、泡沫接触状态和喷射接触状态。当塔板在很低的气速下操作时，会出现漏液现象；在很高的气速下操作时，又会产生过量的液沫夹带；在气速和液体负荷均过大时，还会产生液泛等不正常的操作状态。本实验装置可以观察到液漏、夹带、阻力降，液泛以及鼓泡接触状态、泡沫接触状态和喷射接触状态，这对于了解各种操作，建立感性认识是很有帮助的。对塔板的要求是传质效果好，通过能力大，压降低，操作弹性大，结构简单。为了适应不同的要求，开发了多种新型塔板，以提高传质效果。塔板的气液正常操作范围可以用塔板的负荷性能图来表示。当塔板和物系确定后，塔板的负荷性能图就确定了。因此，操作的可变因素仅为气体流量和液体流量。塔板的负荷性能图是以气体体积流量作纵坐标，液体体积流量作横坐标制成。负荷性能图是由漏液线，液沫夹带限制线，液相流量下限线，液相流量上限线，和液泛线等五条线组成。 三、实验装置与设备主要技术数据1. 实验装置及流程 实验设备流程示意图（见图一） 如图一所示，空气由旋涡气泵经过孔板流量计计量后输送到板式塔塔底，板式塔由下向上的塔板依次是筛板、浮阀、泡罩、舌形塔板。液体则由离心泵经过孔板流量计计量后由塔顶进入塔内并与空气进行接触，由塔底流回水箱内。2. 设备主要技术数据 板式塔塔高：920mm 塔径：1005.5材料为有机玻璃 板间距：180mm 流量计孔流直径: d0=17mm 空气孔板流量计：孔径 其中：Q流量（m3/S） Co孔板流量计孔流系数（Co=0.67） do流量计孔流直径（m2） P孔板流量计压差（Pa） XGB-2 旋涡气泵 SZ-037 水泵四、实验方法： 1首先向水槽内放一定数量的蒸馏水，将空气流量调节阀放置开的位置，将离心泵流量调节阀关上。 2启动旋涡气泵改变空气流量分别测定四块塔板的干板压降。 3将图示B路打开A路关闭后启动离心泵，分别改变空气，液体流量用观察法测出筛板的操作负荷性能图。 4将A路打开关闭B路分别改变空气流量测定其四块塔板的压降，同时观察实验现象。 5实验结束时先关闭水流量，待塔内液体大部分分流回到塔底时再关闭旋涡气泵。五、实验注意事项： 1为保护有机玻璃塔的透明度，实验用水必须采用蒸馏水。 2开车时先开旋涡气泵后开离心泵，停车反之，这样避免板式塔内的液体灌入风机中。 3实验过程中每改变空气流量或水流量时，必须待其稳定后关察其现象和测取数据。 4若U型管压差计指示液面过高时将导压管取下用吸耳球吸出指示液。 5水箱必须充满水，否则空气压力过大易走短路。六、实验结果及分析 1.干板时每块塔板的压降(以液柱高度表示)。 2.以目测法确定操作负荷性能图，并讨论实验现象。 3讨论气液两相通过四种塔板的不同力学行为。 七、思考题1. 定性分析液泛与哪些因素有关。2. 板间距加大，塔板的负荷性能图将发生什么变化？实验报告样本：实验五 对流传热综合实验一、实验目的 1.掌握传热系数K，给热系数的测定方法。 2.运用传热理论，掌握强化传热的措施。 3.掌握热电偶测温方法。 二、实验原理（略） 三、实验步骤 （略）四、数据处理1. 记录：见附表2. 计算实验数据的计算示例（以第3套装置普通管第一列数据为例）。已知数据及有关常数：（1）传热管内径di（mm）及流通断面积S（m2）。 di=20.00(mm),=0.0200(m); S=(di2)/4=3.1420.02002/4=0.0003142(m2). (2)传热管有效长度L（m）及传热面积A（m2）.L=1.00m A=L di=3.1421.000.0200=0.06284(m2).（3）空气进口温度t1=39.2，查得该温度下空气的平均密度Pt1=1.139Kg/m3。 （4）传热管测量段上空气平均物性常数的确定。 测量段上空气的定性温度为： at=（t1+ t2）/2=（39.2+67.2）/2=53.2 由此查得：测量段上空气的平均密度=1.0983(Kg/m3); 测量段上空气的平均比热Cp=1009(J/Kgk)； 测量段上空气的平均导热系数=0.0284(W/mK)； 测量段上空气的平均粘度=0.00001972(Pas)； 传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为： Pr0.4=0.6960.4=0.865（5）空气流过测量段上平均体积V（m3/h）的计算： = （6）冷热流体间的平均温度差tm（）（7）传热速率 因为，所以传热管内的对流传热系数K（热冷流体间的总传热系数）。 =456/(43.70.06284)=166(W/m2) 传热准数=1660.0200/0.0284=177（8）测量段上空气的平均流速=52.9/(0.0003142 3600)=46.76(m/s)=0.020046.761.098/0.00001972=52071（9）作图、回归得到准数关联式中的系数A和m。 （10）计算强化比 由强化管和普通管的准数关联式，得Re=49155时， =0.0392 Re0.75Pr0.4=112.01 =0.0523 Re0.741 Pr0.4=135.53 =135.53/112.01=1.21五思考题（略）