化工原理實驗（教案）

1、.化工原理實驗講 稿 二0一一年八月1.伯努利實驗一、實驗?zāi)康牧鲃恿黧w所具有的總能量是由各種形式的能量所組成，并且各種形式的能量之間又可相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)流體在導(dǎo)管內(nèi)作定常流動時，在導(dǎo)管的各截面之間的各種形式機械能的變化規(guī)律，可由機械能衡算基本方程來表達(dá)。這些規(guī)律對于解決流體流動過程的管路計算、流體壓強、流速與流量的測量，以及流體輸送等問題，都有著十分重要的作用。本實驗采用一種稱之為伯努利試驗儀的簡單裝置，實驗觀察不可壓縮流體在導(dǎo)管內(nèi)流動時的各種形式機械能的相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，并驗證機械能衡算方程（伯努利方程）。通過實驗，加深對流體流動過程基礎(chǔ)本原理的理解。二、實驗原理對于不可壓縮流體，在導(dǎo)管內(nèi)作定常流動

2、，系統(tǒng)與環(huán)境又無功的交換時，若以單位質(zhì)量流體為衡算基準(zhǔn)，則對確定的系統(tǒng)即可列出機械能衡算方程：J·kg（1）若以單位重量流體為衡算基準(zhǔn)時，則又可表達(dá)為m液柱（2）式中流體的位壓頭，m液柱；流體的壓強，Pa；流體的平均流速，m·s；流體密度，kg·m；流動系統(tǒng)內(nèi)因阻力造成的能量損失，J·kg；流動系統(tǒng)內(nèi)因阻力造成的壓頭損失，m液柱。下標(biāo)1和2分別為系統(tǒng)的進(jìn)口和出口兩個截面。不可壓縮流體的機械能衡算方程，應(yīng)用于各種具體情況下可作適當(dāng)簡化，例如：（1）當(dāng)流體為理想液體時，于是式（1）和（2）可簡化為J·kg（3）m液柱（4）該式即為伯努利（Berno

3、ulli）方程。（2）當(dāng)液體流經(jīng)的系統(tǒng)為一水平裝置的管道時，則（1）和（2）式又可簡化為J·kg（5）m液柱（6）（3）當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，則（1）和（2）式又可簡化為J·kg（7）m液柱（8）或者將上式可改寫為（9）這就是流體靜力學(xué)基本方程。三、實驗裝置（實驗儀CE103型）本實驗裝置主要由試驗導(dǎo)管、穩(wěn)壓溢流水槽和三對測壓管所組成。試驗導(dǎo)管為一水平裝變徑圓管，沿程分三處設(shè)置測壓管。每處測壓管由一對并列的測壓管組成，分別測量該截面處的靜壓頭和沖壓頭。伯努利實驗裝置包括穩(wěn)壓水槽；試驗導(dǎo)管；出口調(diào)節(jié)閥； 靜壓頭測量管；沖壓頭測量管。實驗裝置的流程如實驗室實驗儀所示。液體由穩(wěn)壓

4、水槽流入試驗導(dǎo)管，途徑不同直徑的管子，最后排出設(shè)備。流體流量由出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。四、實驗方法實驗前，先緩慢開啟進(jìn)水閥，水充滿穩(wěn)壓溢流水槽，并保持有適量溢流水流出，使槽內(nèi)液面平穩(wěn)不變。最后，設(shè)法排盡設(shè)備內(nèi)的空氣泡。實驗可按如下步驟進(jìn)行：（1）關(guān)閉試驗導(dǎo)管出口調(diào)節(jié)閥，觀察和測量液體處于靜止?fàn)顟B(tài)下各測試點的壓強。（2）開啟試驗導(dǎo)管出口調(diào)節(jié)閥，觀察比較液體在流動情況下的各測試點的壓頭變化。（3）緩慢開啟試驗導(dǎo)管的出口調(diào)節(jié)閥，測量流體在不同流量下的各測試點的靜壓頭、動壓頭和損失壓力。實驗過程中必須注意如下幾點：（1）實驗前一定要將試驗導(dǎo)管和測壓管中的空氣泡排除干凈，否則會干擾實驗現(xiàn)象和測量的準(zhǔn)確性。（2）

5、開啟進(jìn)水閥向穩(wěn)壓水槽注水，或開關(guān)試驗導(dǎo)管出口調(diào)節(jié)閥時，一定要緩慢地調(diào)節(jié)開啟程度，并隨時注意設(shè)備內(nèi)的變化。（3）試驗過程中需根據(jù)測壓管量程范圍，確定最小和最大流量。（4）為了便于觀察測壓管的液柱高度，可在臨實驗測定前，向各測壓管滴入幾滴紅墨水。五、實驗結(jié)果1. 測量并記錄實驗基本參數(shù)試驗導(dǎo)管內(nèi)徑：（mm）； （mm）； 實驗導(dǎo)管長度：L=1060 mm ；測試段為800mm。測壓管6根d = 8 mm 。2. 非流體體系的機械能分布及其轉(zhuǎn)換（1）實驗數(shù)據(jù)記錄（2）驗證流體靜力學(xué)方程。3. 流動體系的機械能分布及其轉(zhuǎn)換（1）實驗數(shù)據(jù)記錄（2）驗證流動流體的機械能衡算方程。2.管道阻力實驗一、實驗?zāi)?/p>

6、的研究管路系統(tǒng)中的流體流動和輸送，其中重要的問題之一，是確定流體在流動過程中的能量損耗。流體流動時的能量損耗（壓頭損失），主要由于管路系統(tǒng)中存在著各種阻力。管路中的各種阻力可分為沿程阻力（直管阻力）和局部阻力兩大類。本實驗的目的，是以實驗方法直接測定摩擦系數(shù)和局部阻力系數(shù)。二、實驗原理當(dāng)不可壓縮流體體在圓形導(dǎo)管中流動時，在管路系統(tǒng)內(nèi)任意二個截面之間列出機械能衡算方程為J·kg（1）或m液柱（2）式中流體的位壓頭，m液柱；流體的壓強，Pa；流體的平均流速，m·s；流體密度，kg·m；流動系統(tǒng)內(nèi)因阻力造成的能量損失，J·kg；單位重量流體因流體阻力所造成的能

7、量損失，即所謂壓頭損失，m液柱；符號下標(biāo)1和2分別表示上游和下游截面上的數(shù)值。假設(shè)：（1）水作為試驗物系，則水可視為不可壓縮液體；（2）試驗導(dǎo)管是按水平裝置的，則；（3）試驗導(dǎo)管的上下游截面上的橫截面積相同，則。因此（1）和（2）兩式分別可簡化為J·kg（3） ； m液柱 （4） 。由此可見，因阻力造成的能量損失（壓頭損失），可由管路系統(tǒng)的兩截面之間的壓力差（壓頭差）來測定。當(dāng)流體在圓形直管內(nèi)流動時，流體因摩擦阻力所造成的能量損失（壓頭損失），有如下一般關(guān)系：J·kg（5）或m液柱（6）式中：圓形直管的管徑，m；圓形直管的長度，m；摩擦系數(shù)，無因次。大量實驗研究表明：摩擦系

8、數(shù)與流體的密度和粘度，管徑、流速和管壁粗糙度有關(guān)。應(yīng)用因次分析的方法，可以得出摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)和管壁相對粗糙度存在函數(shù)關(guān)系，即（7）通過實驗測得和數(shù)據(jù)，可以在雙對數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪出實驗曲線。當(dāng)2000時，摩擦系數(shù)與管壁粗糙度無關(guān)。當(dāng)流體在直管中呈湍流時，不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而且與管壁相對粗糙度有關(guān)。當(dāng)流體流過管路系統(tǒng)時，因遇各種管件、閥門和測量儀表等而產(chǎn)生局部阻力，所造成的能量損失（壓頭損失），有如下一般關(guān)系式：（J·kg） ； （m液柱） 。式中：連接管件等的直管中流體的平均流速，m·s；局部阻力系數(shù)無因次。由于造成局部阻力的原因和條件極為復(fù)雜，各種局部阻力系數(shù)的具體數(shù)值，都需

9、要通過實驗直接測定。三、實驗裝置（實驗儀CEAF03型）本實驗裝置主要是由循環(huán)水系統(tǒng)（或高位穩(wěn)壓水槽）、試驗管路系統(tǒng)和高位排氣水槽串聯(lián)組合而成。每條測試管的測壓口通過轉(zhuǎn)換閥組與壓差計連通。壓差由一倒置U形水柱壓差計顯示?？装辶髁坑嫷淖x數(shù)由另一倒置U形水柱壓差計顯示。該裝置的流程如圖1所示。圖1管路流體阻力實驗裝置流程1. 循環(huán)水泵；2. 光滑試驗管；3. 粗糙試驗管；4. 擴(kuò)大與縮小試驗管；5. 孔板流量計；6. 閥門；7. 轉(zhuǎn)換閥組；8. 高位排氣水槽。試驗管路系統(tǒng)是由五條玻璃直管平行排列，經(jīng)U形彎管串聯(lián)連接而成。每條直管上分別配置光滑管、粗糙管、驟然擴(kuò)大與縮小管、閥門和孔板流量計。每根試驗

10、管測試段長度，即兩測壓口距離均為0.6m。流程圖中標(biāo)出符號G和D分別表示上游測壓口（高壓側(cè)）和下游測壓口（低壓側(cè)）。測壓口位置的配置，以保證上游測壓口距U形彎管接口的距離，以及下游測壓口距造成局部阻力處的距離，均大于50倍管徑。作為試驗用水，用循環(huán)水泵或直接用自來水由循環(huán)水槽送入試驗管路系統(tǒng)，由下而上依次流經(jīng)各種流體阻力試驗管，最后充入高位排氣水槽。由高位排氣水槽溢流出來的水，返回循環(huán)水槽。水在試驗管路中的流速，通過調(diào)節(jié)閥加以調(diào)節(jié)。流量由試驗管路中的孔板流量計測量，并由壓差計顯示讀數(shù)。四、實驗方法實驗前準(zhǔn)備工作須按如下步驟順序進(jìn)行操作：（1）先將水灌滿循環(huán)水槽，然后關(guān)閉試驗導(dǎo)管入口的調(diào)節(jié)閥，再

11、啟動循環(huán)水泵。洋運轉(zhuǎn)正常后，先將試驗導(dǎo)管中的旋塞閥全部打開，并關(guān)閉轉(zhuǎn)換閥組中的全部旋塞，然后緩慢開啟試驗導(dǎo)管的入口調(diào)節(jié)閥。當(dāng)水流滿整個試驗導(dǎo)管，并在高位排氣水槽中有溢流水排出時，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，停泵。（2）檢查循環(huán)水槽中的水量，一般需要再補充些水，防止水面低于泵吸入口。（3）逐一檢查并排除試驗導(dǎo)管和聯(lián)接管線中可能存在的空氣泡。排除空氣泡的方法是，先將轉(zhuǎn)換閥組中被栓一組測壓口旋塞打開，然后打開倒置U形水柱壓差計頂部的放空閥，直至排盡空氣泡再關(guān)閉放空閥，必要時可在流體流動狀態(tài)下，按上述方法排除空氣泡。（4）調(diào)節(jié)倒置U形壓差計的水柱高度。先將轉(zhuǎn)換閥組上的旋塞全部關(guān)閉，然后打開壓差計頂部放空閥，再緩慢開啟

12、轉(zhuǎn)換閥組中的放空閥，這時壓差計中液面徐徐下降。當(dāng)壓差計中的水柱高度居于標(biāo)尺中間部位時，關(guān)閉轉(zhuǎn)換閥組中的放空閥。為了便于觀察，在臨實驗前，可由壓差計頂部的放空處，滴入幾滴紅墨水，將壓差計水柱染紅。（5）在高位排水槽中懸掛一支溫度計，用以測量水的溫度。（6）實驗前需對孔板流量計進(jìn)行標(biāo)定，作出流量標(biāo)定曲線。實驗測定時，按如下步驟進(jìn)行操作：（1）先檢查試驗導(dǎo)管中旋塞是否置于全開位置，其余測壓旋塞和試驗系統(tǒng)入口調(diào)節(jié)閥是否全部關(guān)閉。檢查畢啟動循環(huán)水泵。（2）待泵運轉(zhuǎn)正常后，根據(jù)需要緩慢開啟調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，流量大小由孔板流量計的壓差計顯示。（3）待流量穩(wěn)定后，將轉(zhuǎn)換閥組中，與需要測定管路相連的一組旋塞置于全

13、開位置。這時測壓口與倒置U形水柱壓差計接通，即可記錄由壓差計顯示出壓強降。（4）當(dāng)需改換測試部位時，只需將轉(zhuǎn)換閥組由一組旋塞切換為喂組旋塞。例如，將G1和D1一組旋塞關(guān)閉，打開另一組G2和D2旋塞。這時，壓差計與G1和D1測壓口斷開，而與G2和D2測壓口接通，壓差計顯示讀數(shù)即為第二支測試管的壓強降。以此類推。（5）改變流量，重復(fù)上述操作，測得各試驗導(dǎo)管中不同流速下的壓強降。（6）當(dāng)測定旋塞在同一流量不同開度的流體阻力時，由于旋塞開度變小，流量必然會隨之下降，為了保持流量不變，需將入口調(diào)節(jié)閥作相應(yīng)調(diào)節(jié)。（7）每測定一組流量與壓強降數(shù)據(jù)，同時記錄水的溫度。實驗注意事項：（1）實驗前務(wù)必將系統(tǒng)內(nèi)存留

14、的氣泡排除干凈，否則實驗不能達(dá)到預(yù)期效果。（2）若實驗裝置旋轉(zhuǎn)不用時，尤其是冬季，應(yīng)將管路系統(tǒng)和水槽內(nèi)水排放干凈。五、實驗結(jié)果（1）實驗基本參數(shù)試驗導(dǎo)管的內(nèi)徑17 mm試驗導(dǎo)管的測試段長度600 mm粗糙管的粗糙度mm粗糙管的相對粗糙度孔板流量計的孔徑mm旋塞的孔徑mm（2）流量標(biāo)定曲線（3）實驗數(shù)據(jù)列出表中各項計算公式。（5）標(biāo)繪實驗曲線3.離心泵實驗一、實驗?zāi)康脑诨S或?qū)嶒炇抑?，?jīng)常需要各種輸送機械用來輸送流體。根據(jù)不同使用場合和操作要求，選擇各種型式的流體輸送機械。離心泵是其中最為常用的一類流體輸送機械。離心泵的特性由廠家通過實驗直接測定，并提供給用戶在選擇和使用泵時參考。本實驗采用單

15、級單吸離心泵裝置，實驗測定在一定轉(zhuǎn)速下泵的特性曲線。通過實驗了解離心泵的構(gòu)造、安裝流程和正常的操作過程，掌握離心泵各項主要特性及其相互關(guān)系，進(jìn)而加深對離心泵的性能和操作原理的理解。二、實驗原理離心泵主要特性參數(shù)有流量、揚程、功率和效率。這些參數(shù)不僅表征泵的性能，也是選擇和正確使用泵的主要依據(jù)。1. 泵的流量泵的流量即泵的送液能力，是指單位時間內(nèi)泵所排出的液體體積。泵的流量可直接由一定時間內(nèi)排出液體的體積或質(zhì)量來測定。即m3·s（1）或m3·s（2）若泵的輸送系統(tǒng)中安裝有經(jīng)過標(biāo)定的流量計時，泵的流量也可由流量計測定。當(dāng)系統(tǒng)中裝有孔板流量計時，流量大小由壓差計顯示，流量與倒置U

16、形管壓差計讀數(shù)之間存在如下關(guān)系：m3·s（3）式中，孔板流量系數(shù)；孔板的銳孔面積，m2；2. 泵的揚程若以泵的壓出管路中裝有壓力表處為B截面，以及入管路中裝有真空表處為A截面，并在此兩截面之間列機械能衡算式，則可得出泵揚程的計算公式： （4）式中由壓力表測得的表壓強，Pa；由真空表測得的真空度，Pa；A、B兩個截面之間的垂直距離，m；A截面處的液體流速，m·s；B截面處的液體流速，m·s。在單位時間內(nèi)，液體從泵中實際所獲得的功，即為泵的有效功率。若測得泵的流量為 m·s，揚程為，m，被輸送液體的密度為w（5）泵軸所作的實際功率不可能全部為被輸送液體所獲得

17、，其中部分消耗于泵內(nèi)的各種能量損失。電動機所消耗的功率又大于泵軸所作出的實際功率。電機所消耗的功率可直接由輸入電壓和電流測得，即W（6）4. 泵的總效率泵的總效率可由測得的泵有效功率和電機實際消耗功率計算得出，即（7）這時得到的泵的總效率除了泵的效率外，還包括傳動效率和電機的效率。5. 泵的特性曲線上述各項泵的轉(zhuǎn)性參數(shù)并不是孤立的，而是相互制約的。因此，為了準(zhǔn)確全面地表征離心泵的性能，需在一定轉(zhuǎn)速下，將實驗測得的各項參數(shù)即：、與，之間的變化關(guān)系標(biāo)繪成一組曲線。這組關(guān)系曲線稱為離心泵特性曲線，如圖1所示。離心泵特性曲線對離心泵的操作性能得到完整的概念，并由此可確定泵的最適宜操作狀態(tài)。圖1離心泵特

18、性曲線通常，離心泵在恒定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，因此泵的特性曲線是在一定轉(zhuǎn)速下測得的。若改變了轉(zhuǎn)速，泵的特性曲線也將隨之而異。泵的流量、揚程和有效功率與轉(zhuǎn)速之間，大致存在如下比例關(guān)系：；（8）三、實驗裝置（實驗儀CEAF05型）本實驗裝置主體設(shè)備為一臺單級單吸離心水泵。為了便于觀察，泵殼端蓋用透明材料制成。電動機直接連接半敞式葉輪。離心泵與循環(huán)水槽、分水槽和各種測量儀表構(gòu)成一個測試系統(tǒng)。實驗裝置及其流程如圖2所示。圖2離心泵實驗儀流程圖1. 循環(huán)水槽；2. 底閥；3. 離心泵；4. 真空表；5. 注水槽；6. 壓力表；7. 調(diào)節(jié)閥；8. 孔板流量計；9. 分流槽；10. 電流表；11. 調(diào)壓變壓器；12.

19、 電壓表；13. 倒置U形管壓差計。泵將循環(huán)水槽中的水，通過汲入導(dǎo)管汲入泵體的在汲入導(dǎo)管上端裝有真空表，下端裝有底閥（單向閥）。底閥的作用是當(dāng)注水槽向泵體內(nèi)注水時，防止水的漏出。水由泵的出口進(jìn)入壓出導(dǎo)管。壓出導(dǎo)管沿程裝有壓力表、調(diào)節(jié)閥和孔板流量計。由壓出導(dǎo)管流出的水，用轉(zhuǎn)向彎管送入分流槽。分流槽分為二格，其中一格的水可流出用以計量，另一格的水可流回循環(huán)槽。根據(jù)實驗內(nèi)容不同可用轉(zhuǎn)向彎管進(jìn)行切換。四、實驗方法在離心泵性能測定前，按下列步驟進(jìn)行啟動操作：（1）充水。打開注水槽下的閥門，將水灌入泵內(nèi)。在灌水過程中，需打開調(diào)節(jié)閥，將泵內(nèi)空氣排除。當(dāng)從透明端蓋中觀察到泵內(nèi)已灌滿水后，將注水閥門關(guān)閉。（2）

20、啟動。啟動前，先確認(rèn)泵出口調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，變壓器調(diào)回零點，然后合閘接通電源。緩慢調(diào)節(jié)變壓器至額定電壓（220V），泵即隨之啟動。（3）運行。泵啟動后，葉輪旋轉(zhuǎn)無振動和噪聲，電壓表、電流表、壓力表和真空表指示穩(wěn)定，則表明運行已經(jīng)正常，即可投入實驗。實驗時，逐漸分步調(diào)節(jié)出口調(diào)節(jié)閥。每調(diào)定一次閥的開啟度，待狀況穩(wěn)定后，即可進(jìn)行以下測量：（1）將出水轉(zhuǎn)向彎頭由分水槽的回流格撥向排水格同時，用秒表計取時間，用容器取一定水量。用稱量或量取體積的方法測定水的體積流率。（這時要接好循環(huán)水槽的自來水源）。（2）從壓強表和真空表上讀取壓強和真空度的數(shù)值。（3）記取孔板流量計的壓差計讀數(shù)。（4）從電壓表和電流表上讀取電

21、壓和電流值。實驗完畢，應(yīng)先將泵出口調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，再將調(diào)壓變壓器調(diào)回零點，最后再切斷電源。五、實驗結(jié)果1. 基本參數(shù)（1）離心泵流量：楊程：功率：轉(zhuǎn)速：（2）管道吸入導(dǎo)管內(nèi)徑：20.8mm壓出導(dǎo)管內(nèi)徑：20.8mmA、B兩截面間垂直距離：mm（3）孔板流量計銳孔直徑：14mm導(dǎo)管內(nèi)徑：20.8mm（2）將實驗數(shù)據(jù)標(biāo)繪成孔板流量計的流量標(biāo)定曲線，并求取孔板流量計的孔流系數(shù)。（3）將實驗數(shù)據(jù)整理結(jié)果標(biāo)繪成離心泵的特性曲線。4.傳熱實驗一、實驗?zāi)康脑诠I(yè)生產(chǎn)或?qū)嶒炑芯恐校Ｓ龅絻煞N流體進(jìn)行熱量交換，來達(dá)到加熱或冷卻之目的。為了加速熱量仁慈過程，往往需要將流體進(jìn)行強制流動。對于在強制對流下進(jìn)行的液液熱交換

22、過程，曾有不少學(xué)者進(jìn)行過研究，并取得了不少求算傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。這些研究結(jié)果都是在實驗基礎(chǔ)上取得的。對于新的物系或者新的設(shè)備，仍需要通過實驗來取得傳熱系數(shù)的數(shù)據(jù)及其計算式。本實驗的目的，是測定在套管換熱器中進(jìn)行的液液熱交換過程的傳熱總系數(shù)，流體在圓管內(nèi)作強制湍流時的傳熱膜系數(shù)。以及確立求算傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。同時希望通過本實驗，對傳熱過程的實驗研究方法有所了解，在實驗技能上受到一定的訓(xùn)練，并對傳熱過程基本原理加深理解。二、實驗原理冷熱流體通過固體壁所進(jìn)行的熱交換過程，先由熱流體把熱量仁慈給固體壁面，然后由固體壁面的一側(cè)傳向另一側(cè)，最后再由壁面把熱量傳給冷流體。換言之，熱交換過程即為給熱導(dǎo)熱給熱

23、三個串聯(lián)過程組成。若熱流體在套管熱交換器的管內(nèi)流過，而冷流體在管外流過，設(shè)備兩端測試點上的溫度如圖1所示。則在單位時間內(nèi)熱流體向冷流體仁慈的熱量，可由熱流體的熱量衡算方式來表示：圖1套管熱交換器兩端測試點的溫度J·s（1）就整個熱交換而言，由傳熱速率基本方程經(jīng)過數(shù)學(xué)處理，可得計算式為J·s（2）式中：傳熱速率，J·s或W；熱流體的質(zhì)量流率，kg·s；熱流體的平均比熱容，是J·kg·K；熱流體的溫度，K；冷流體的溫度，K；固體壁面溫度，K；傳熱總系數(shù)，W·m·K熱交換面積，m2；兩流體間的平均溫度差，K。（符號下標(biāo)1

24、和2分別表示熱交換器兩端的數(shù)值）若和分別為熱交換器兩端冷熱流體之間的溫度差，即（3）； （4）。則平均溫度差可按下式計算：當(dāng)時，（5）； 當(dāng)時，（6）。由（1）和（2）兩式聯(lián)立求解，可得傳熱總系數(shù)的計算式：（7）就固體壁面兩側(cè)的給熱過程來說，給熱速率基本方程為（8）根據(jù)熱交換兩端的邊界條件，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，同理可得管內(nèi)給熱過程的給熱速率計算式（9）式中：與分別有示固體壁兩側(cè)的傳熱膜系數(shù)，W·m2·K1；與分別表示固體壁兩側(cè)的內(nèi)壁表面積和外壁表面積，m2；與分別表示固體壁兩側(cè)的內(nèi)壁面溫度和外壁面溫度，K；熱流體與內(nèi)壁面之間的平均溫度差；K。熱流體與管內(nèi)壁面之間的平均溫度差可按下式

25、計算： 當(dāng)時（10）當(dāng)時（11）由（1）和（9）式聯(lián)立求解可得管內(nèi)傳熱膜系數(shù)的計算式為W·m2·K1（12）同理也可得到管外給熱過程的傳熱膜系數(shù)的類同公式。流體在圓形直管內(nèi)作強制對流時，傳熱膜系數(shù)與各項影響因素（如：管內(nèi)徑；管內(nèi)流速，m·s；流體密度，kg·m3；流體粘度，Pa·s；定壓比熱溶，J·kg·K和流體導(dǎo)熱系數(shù)，W·m·K）之間的關(guān)系可關(guān)聯(lián)成如下準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式：（13）式中：努塞爾準(zhǔn)數(shù)（Nusselt number）；雷諾準(zhǔn)數(shù)（Reynolds number）；普蘭特準(zhǔn)數(shù)（Prandtl numbe

26、r）。上列關(guān)聯(lián)式中系數(shù)和指數(shù)的具體數(shù)值，通過實驗來測定。實驗測得、數(shù)值后，則傳熱膜系數(shù)即可由該式計算。例如：當(dāng)流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流時，10000 ； 0.7160 ； 。則流體被冷卻時，值可按下列公式求算：（13.a） 或（13.b）流體被加熱時（14.a） 或（14.b）當(dāng)流體在套管環(huán)隙內(nèi)作強制湍流時，上列各式中用當(dāng)量直徑替代即可。各項物性常數(shù)均取流體進(jìn)出口平均溫度下的數(shù)值。三、實驗裝置（CEAH01型實驗儀）本實驗裝置主要由套管熱交換器、恒溫循環(huán)水槽、高位穩(wěn)壓水槽以及一系列測量和控制儀表所組成，裝置流程如圖2所示。圖2套管換熱器液液熱交換實驗裝置流程套管熱交換器由一根12×

27、1.5mm的黃銅管作為內(nèi)管，20×2.0mm的有機玻璃管作為套管所構(gòu)成。套管熱交換器外面再套一根32×2.5mm有機玻璃管作為保溫管。套管熱交換器兩端測溫點之間距離（測試段距離）為1000mm。每個檢測端面上在管內(nèi)、管外和管壁內(nèi)設(shè)置三支銅康銅熱電偶，并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)與數(shù)字電壓表相連接，用以測量管內(nèi)、管外的流體溫度和管內(nèi)壁的溫度。熱水由循環(huán)水泵從恒溫水槽送入管內(nèi)，然后經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計再返回槽內(nèi)。恒溫循環(huán)水柄中用電熱器補充熱水在熱交換器中移去的熱量，并控制恒溫。冷水由自來水管直接送入高位穩(wěn)壓水槽再由穩(wěn)壓水槽流經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計和套管的環(huán)隙空間。高位穩(wěn)壓水槽排出的溢流水和由換熱管排出被加熱后

28、的水，均排入下水道。四、實驗方法實驗前準(zhǔn)備工作（1）向恒溫循環(huán)水槽灌入蒸餾水或軟水，直至溢流管有水溢出為止。（2）開啟并調(diào)節(jié)通往高位穩(wěn)壓水槽的自來水閥門，使槽內(nèi)充滿水，并由溢流管有水流出。（3）將冰碎成細(xì)粒，放入冷阱中并摻入少許蒸餾水，使之呈粥狀。將熱電偶冷接點插入冰水中，蓋嚴(yán)蓋子。（4）將恒溫循環(huán)水槽的溫度自控裝置的溫度定為55。啟動恒溫水槽的電熱器。等恒溫水槽的水達(dá)到預(yù)定溫度后即可開始實驗。（5）實驗前需要準(zhǔn)備好熱水轉(zhuǎn)子流量計的流量標(biāo)定曲線和熱電偶分度表。實驗操作步驟（1）開啟冷水截止球閥，測定冷水流量，實驗過程中保持恒定。（2）啟動循環(huán)水泵，開啟并調(diào)節(jié)熱水調(diào)節(jié)閥。熱水流量在60250L&

29、#183;h范圍內(nèi)選取若干流量值（一般要求不少于56組測試數(shù)據(jù)），進(jìn)行實驗測定。（3）每調(diào)節(jié)一次熱水流量，待流量和溫度都恒定后，再通過琴鍵開關(guān)，依次測定各點溫度。實驗注意事項：（1）開始實驗時，必須先向換熱器通冷水，然后再啟動熱水泵，停止實驗時，必須先停熱電器，待熱交換器管內(nèi)存留熱水被冷卻后，再停水泵并停止通冷水。（2）啟動恒溫水槽的電熱器之前，必須先啟動循環(huán)泵使水流動。（3）在啟動循環(huán)水泵之前，必須先將熱水調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，待泵運行正常后，再徐徐開啟調(diào)節(jié)閥。（4）每改變一次熱水流量，一定要使傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定之后，才能測取數(shù)據(jù)。每測一組數(shù)據(jù)，最好重復(fù)數(shù)次。當(dāng)測得流量和各點溫度數(shù)值恒定后，表明過程已

30、達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。五、實驗結(jié)果1. 記錄實驗設(shè)備基本參數(shù)。（1）實驗設(shè)備型式和裝置方式：水平裝置套管式熱交換器（2）內(nèi)管基本參數(shù)：材質(zhì)：黃銅外徑：12mm 壁厚：1.5mm測試段長度：1000mm（3）套管基本參數(shù)：材質(zhì)：有機玻璃外徑：20mm壁厚：2mm（4）流體流通的橫截面積：內(nèi)管橫截面積：mm環(huán)隙橫截面積：mm（5）熱交換面積：內(nèi)管內(nèi)壁表面積：內(nèi)管外壁表面積：平均熱交換面積：2. 實驗數(shù)據(jù)記錄：實驗測得數(shù)據(jù)可參考如下表格進(jìn)行記錄：（2）由實驗數(shù)據(jù)求取流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流時的傳熱膜系數(shù)。實驗數(shù)據(jù)可參考下表整理：（3）由實驗原始數(shù)據(jù)和測得的值，對水平管內(nèi)傳熱膜系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行參數(shù)估計。然

31、后，按如下方法和步驟估計參數(shù)：水平管內(nèi)傳熱膜系數(shù)的總?cè)藬?shù)關(guān)聯(lián)式：在實驗測定溫度范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)變化不大，可取其均值并將視為定值與項合并。因此，上式可寫為上等式兩邊取對數(shù)，使之線性化，即因此，可將和實驗數(shù)據(jù)，直接在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上進(jìn)行標(biāo)繪，由實驗曲線的斜率和截距估計參數(shù)和，或者用最小二乘法進(jìn)行線性回歸，估計參數(shù)和。取均值為定值，且，由計算得到值。最后，列出參數(shù)估計值： 5.填料塔氣體吸收實驗一、實驗?zāi)康奶盍纤趥髻|(zhì)過程的有關(guān)單元操作中，應(yīng)用十分廣泛。實驗研究傳質(zhì)過程的控制步驟，測定傳質(zhì)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)，尤為重要。本實驗采用水吸收二氧化碳，測定填料塔的液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)、總傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)單元高度，并通過實

32、驗確立液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)與各項操作條件的關(guān)系。通過實驗，學(xué)習(xí)掌握研究物質(zhì)傳遞過程的一種實驗方法，并加深對傳質(zhì)過程原理的理解。二、實驗原理圖1雙膜模型的濃度分布圖圖2填料塔的物料衡算圖根據(jù)雙膜模型的基本假設(shè)，氣側(cè)和液側(cè)的吸收質(zhì)A的傳質(zhì)速度率方程可分別表達(dá)為氣膜（1）液膜（2）式中A組分的傳質(zhì)速率，kmol·s；兩相接觸面積，m2；氣側(cè)A組分的平均分壓，Pa；相界面上A組分的分壓，Pa；液側(cè)A組分的平均濃度，kmol·m；相界面上A組分的濃度，kmol·m；以分壓表達(dá)推動力的氣側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，kmol·m·s·Pa；以物質(zhì)的量濃度表達(dá)推動力的液

33、側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，m·s。以氣相分壓或以液相濃度表示傳質(zhì)過程推動力的相際傳質(zhì)速率方程又可分別表達(dá)為（3）（4）式中為液相中A組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；為氣相中A組分的實際分壓所要求的液相平衡濃度，kmol·m；為以氣相分壓表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，或簡稱為氣相傳質(zhì)總系數(shù)，kmol·m·s·Pa；為以液相濃度表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，或簡稱為液相傳質(zhì)總系數(shù)，m·s。若氣液相平衡關(guān)系遵循享利定律：，則 （5） （6）當(dāng)氣膜阻力遠(yuǎn)大于液膜阻力時，則相際傳質(zhì)過程受氣膜傳質(zhì)速率控制，此時，；反之，當(dāng)液膜阻力遠(yuǎn)大于氣膜阻力時，則相際傳質(zhì)過

34、程受液膜傳質(zhì)速率控制，此時，。如圖2所示，在逆流接觸的填料層內(nèi)，任意截取一微分段，并以此為衡算系統(tǒng)，則由吸收質(zhì)A的物料衡算可得：（a）式中，為液相摩爾流率，kmol·s；為液相摩爾密度，kmol·m。根據(jù)傳質(zhì)速率基本方程，可寫出該微分段的傳質(zhì)速率微分方程：（b）聯(lián)立（a）和（b）兩式得：（c）式中為氣液兩相接觸的比表面積，m2·m；為填料塔的橫截面積，m2。本實驗采用水吸收純二氧化碳，且已知二氧化碳在常溫壓下溶解度較小，故液相摩爾流率和摩爾密度的比值，亦即液相體積流率可視為定值，且設(shè)總傳質(zhì)系數(shù)和兩相接觸比表面積，在整修填料層內(nèi)為一定值，則按下列邊值條件積分（c）式

35、，可得填料層高度的計算公式：（7）令，且稱為液相傳質(zhì)單元高度（NTU）；，且稱為液相傳質(zhì)單元數(shù)（HTU）。因此，填料層高度為傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)之乘積，即（8）若氣液平衡關(guān)系遵循享利定律，即平衡曲線為直線，則（7）式可用解析法解得填料層高度的計算式式，亦即可采用下列平均推動力法計算填料層的高度或液相傳質(zhì)單元高度：（9）（10）式中為液相平均推動力，即（11）因為本實驗采用純二氧化碳，則（12）二氧化碳的溶解度常數(shù)，kmol·m·Pa（13）式中為水的密度，kg·m；為水的摩爾質(zhì)量，kg·kmol；為享利系數(shù)，Pa。因此，（10）式可簡化為（14）又因

36、本實驗采用的物系遵循享利定律，而且氣膜阻力可以不計。在此情況下，整個傳質(zhì)過程阻力都集中于液膜，即屬液膜控制過程，則液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，亦即（15）對于填料塔，液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)與主要影響因素之間的關(guān)系，曾有不少研究者由實驗得出各種關(guān)聯(lián)式，其中，SherwoodHolloway得出如下關(guān)聯(lián)式：（16）式中吸收質(zhì)在水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2·s；液體質(zhì)量流速，kg·m·s；液體粘度，Pa·s或kg·m·s；kg·m。應(yīng)該注意的是SherwoodHolloway關(guān)聯(lián)式中，和兩項沒有特性長度。因此，該式也不是真正無因

37、次準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。該式中，和的具體數(shù)值，需在一定條件下由實驗求取。三、實驗裝置（CEAM03型實驗儀）本實驗裝置由填料吸收塔、二氧化碳鋼瓶、高位穩(wěn)壓水槽和各種測量儀表組成，其流程如圖3所示。圖3填料吸收塔液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)測定實驗裝置流程1. 二氧化碳鋼瓶；2. 減壓閥；3. 二氧化碳流量計；4. 填料塔；5. 采樣計量管；6. 壓差計；7. 水流量計；8. 高位水槽；9. 數(shù)字電壓表。填料吸收塔采用公稱直徑為50mm的玻璃柱。柱內(nèi)裝填5mm球型玻璃填料，填充高度約為300mm。吸收質(zhì)（純二氧化碳?xì)怏w）由鋼瓶經(jīng)二次減壓閥、調(diào)節(jié)閥和轉(zhuǎn)子流量計，進(jìn)入塔底。氣體由下向上經(jīng)過填料層與液相逆流接觸，最后由柱頂放

38、空。吸收劑（水）由高位穩(wěn)壓水槽經(jīng)調(diào)節(jié)閥和流量計進(jìn)入塔頂，再噴灑而下。吸收后溶液由塔底經(jīng)P形管排出。U液柱壓差計用以測量塔底壓強和填料層的壓強降。塔底和塔頂?shù)臍庖合鄿囟扔蔁犭娕紲y量，并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)由數(shù)字電壓表顯示。四、實驗方法實驗前準(zhǔn)備工作：（1）實驗前，首先檢查填料塔的進(jìn)氣閥和進(jìn)水閥，以及二氧化碳二次減壓閥是否均已關(guān)嚴(yán)；然后，打開二氧化碳鋼瓶頂上的針閥，將壓力調(diào)至1MPa；同時，向高位穩(wěn)壓水槽注水，直至溢流管有適量水溢流而出。（2）將水充滿填料層，浸泡填料（相當(dāng)于預(yù)液泛）。實驗操作可按如下步驟進(jìn)行：（1）緩慢開啟進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，水流量可在1050L·h范圍內(nèi)選取。一般在此范圍內(nèi)選取56個

39、數(shù)據(jù)點。調(diào)節(jié)流量時一定要注意保持高位穩(wěn)壓水槽有適量溢流水流出，以保證水壓穩(wěn)定。（2）緩慢開啟進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥。二氧化碳流量建議采用0.1m3·h左右為宜。（3）當(dāng)操作達(dá)到定常狀態(tài)之后，測量塔頂和塔底的水溫和氣溫，同時，測定塔底溶液中二氧化碳的含量。溶液中二氧化碳含量的測定方法：用吸量管吸取0.1MBa(OH)2溶液10mL，放入三角瓶中，并由塔底附設(shè)的計量管滴入塔底溶液20mL，再加入酚酞指示劑數(shù)滴，最后用0.1N鹽酸滴定，直至其脫除紅色的瞬時為止。由空白試驗與溶液滴定用量之差值，按下式計算得出溶液中二氧化碳的濃度：kmol·m式中為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液的當(dāng)量濃度，為實際滴定用量，即空白

40、試驗用量與滴定試樣時用量之差值，mL；為塔底溶液采樣量，mL。實驗注意事項：（1）實驗過程中務(wù)必嚴(yán)密監(jiān)視，并隨時調(diào)整二氧化碳和水的流量。（2）每次流量改變后，均需穩(wěn)定20分鐘以上，以便建立穩(wěn)定過程，才能測取數(shù)據(jù)。（3）預(yù)液泛后，填料層高度需重新測定。采樣計量管容積需準(zhǔn)確標(biāo)定。（4）浸泡填料層（人為預(yù)液泛）時，需緩慢精心操作，以防沖毀填料層和壓差計。五、實驗結(jié)果1. 測量并記錄實驗基本參數(shù)。（1）填料柱：柱體內(nèi)徑60×5mm填料規(guī)格：5mm玻璃球填料層高度300mm（2）大氣壓力：Mpa（3）室溫：（4）試劑：Ba(OH)2溶液濃度用量mL鹽酸濃度4. 根據(jù)實驗結(jié)果，在坐標(biāo)上標(biāo)繪液側(cè)體

41、積傳質(zhì)膜系數(shù)與噴淋密度的關(guān)系曲線。5. 在雙對數(shù)坐標(biāo)上，將對作圖，用圖解法或線性回歸法求取Shewoodholloway關(guān)聯(lián)式的A和m值。0.1N鹽酸：9.4ml HCl + 蒸餾水 定容 1000ml 并標(biāo)定。6.雷諾實驗一、實驗?zāi)康难芯苛黧w流動的型態(tài)，對于化學(xué)工程的理論和工程實踐都具有決定性的意義。1883年雷諾（Reynolds）首先在實驗裝置中觀察到實際流體的流動存在兩種不同型態(tài)層流和湍流，以及兩種不同型態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。本實驗的目的，是通過雷諾試驗裝置，觀察流體流動過程的不同流型及其轉(zhuǎn)變過程，測定流型轉(zhuǎn)變時的臨界雷諾數(shù)。二、實驗原理經(jīng)許多研究者實驗證明：流體流動存在兩種截然不同的型態(tài)，主要決定因素為流體的密度和粘度、流體流動的速度，以及設(shè)備的幾何尺寸（在圓形導(dǎo)管中為導(dǎo)