化工原理實驗

1、第三章 實驗部分實驗一 空氣蒸汽對流給熱系數(shù)測定一、實驗目的1、了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數(shù)測定的實驗方法。2、掌握熱電阻測溫的方法，觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象。3、學會給熱系數(shù)測定的實驗數(shù)據(jù)處理方法，了解影響給熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。二、基本原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖(1)所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。 達到傳熱穩(wěn)定時，有 （1）式中：Q 傳熱量，J / s；m1 熱流體的質量流率，kg / s；cp1 熱流體的比熱，J /

2、(kg )；T1 熱流體的進口溫度，；T2 熱流體的出口溫度，；m2 冷流體的質量流率，kg / s；cp2 冷流體的比熱，J / (kg )；t1 冷流體的進口溫度，；t2 冷流體的出口溫度，；a1 熱流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W / (m2 )；A1 熱流體側的對流傳熱面積，m2； 熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，；a2 冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W / (m2 )；A2 冷流體側的對流傳熱面積，m2； 固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差，；K 以傳熱面積A為基準的總給熱系數(shù)，W / (m2 )； 冷熱流體的對數(shù)平均溫差，；熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由式（2）計算， （2）式中

3、：TW1 熱流體進口處熱流體側的壁面溫度，；TW2 熱流體出口處熱流體側的壁面溫度，。固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由式（3）計算， （3）式中：tW1 冷流體進口處冷流體側的壁面溫度，；tW2 冷流體出口處冷流體側的壁面溫度，。熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由式（4）計算， （4）當在套管式間壁換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或水進行對流傳熱系數(shù)測定實驗時，則由式（1）得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對流傳熱系數(shù)， （5）實驗中測定紫銅管的壁溫tw1、tw2；冷空氣或水的進出口溫度t1、t2；實驗用紫銅管的長度l、內(nèi)徑d2，；和冷流體的質量流量，即可計算a2。然而，直接測量固體壁面的溫

4、度，尤其管內(nèi)壁的溫度，實驗技術難度大，而且所測得的數(shù)據(jù)準確性差，帶來較大的實驗誤差。因此，通過測量相對較易測定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流給熱系數(shù)就成為人們廣泛采用的一種實驗研究手段。由式（1）得， （6）實驗測定、并查取下冷流體對應的、換熱面積A，即可由上式計算得總給熱系數(shù)K。下面通過兩種方法來求對流給熱系數(shù)。1. 近似法求算對流給熱系數(shù)以管內(nèi)壁面積為基準的總給熱系數(shù)與對流給熱系數(shù)間的關系為， （7）式中：d1 換熱管外徑，m；d2 換熱管內(nèi)徑，m；dm 換熱管的對數(shù)平均直徑，m；b 換熱管的壁厚，m；l 換熱管材料的導熱系數(shù)，W / (m )； 換熱管外側的污垢熱阻，；

5、換熱管內(nèi)側的污垢熱阻，。用本裝置進行實驗時，管內(nèi)冷流體與管壁間的對流給熱系數(shù)約為幾十到幾百；而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)可達左右，因此冷凝傳熱熱阻可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側的污垢熱阻也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導熱系數(shù)為383.8，壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導熱熱阻可忽略。若換熱管內(nèi)側的污垢熱阻也忽略不計，則由式（7）得， （8）由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側對流傳熱熱阻相比越小，此法所得的準確性就越高。2. 傳熱準數(shù)式求算對流給熱系數(shù)對于流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流對流傳熱時，若符合如下范圍內(nèi)：Re=1.0×1041.2×105，

6、Pr0.7120，管長與管內(nèi)徑之比l/d60,則傳熱準數(shù)經(jīng)驗式為， （9）式中：Nu努塞爾數(shù)，無因次；Re雷諾數(shù)，無因次；Pr普蘭特數(shù)，無因次；當流體被加熱時n0.4，流體被冷卻時n0.3；a 流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W / (m2 )；d 換熱管內(nèi)徑，m；l 流體的導熱系數(shù)，W / (m )；u 流體在管內(nèi)流動的平均速度，m / s；r 流體的密度，kg / m3；m 流體的粘度，Pa s；cp 流體的比熱，J / (kg )。對于水或空氣在管內(nèi)強制對流被加熱時，可將式（9）改寫為， （10）令， （11） （12） （13） （14）則式（7）可寫為， （15）當測定管內(nèi)不同流量下的

7、對流給熱系數(shù)時，由式（14）計算所得的C值為一常數(shù)。管內(nèi)徑d2一定時，m也為常數(shù)。因此，實驗時測定不同流量所對應的，由式（4）、（6）、（12）、（13）求取一系列X、Y值，再在XY圖上作圖或將所得的X、Y值回歸成一直線，該直線的斜率即為m。任一冷流體流量下的給熱系數(shù)a2可用下式求得， （16）3. 冷流體質量流量的測定（1）若用轉子流量計測定冷空氣的流量，還須用下式換算得到實際的流量， （17）式中： V ' 實際被測流體的體積流量，m3 / s；' 實際被測流體的密度，kg / m3；均可取下對應水或空氣的密度，見冷流體物性與溫度的關系式；V 標定用流體的體積流量，m3 /

8、 s； 標定用流體的密度，kg / m3；對水 = 1000 kg / m3；對空氣 = 1.205 kg / m3；f 轉子材料密度，kg / m3。于是 (18)（2）若用孔板流量計測冷流體的流量，則， (19)式中，V 為冷流體進口處流量計讀數(shù)，為冷流體進口溫度下對應的密度。4. 冷流體物性與溫度的關系式在0100之間，冷流體的物性與溫度的關系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關系式：（2）空氣的比熱與溫度的關系式：60以下 J / (kg ), 70以上 J / (kg )。（3）空氣的導熱系數(shù)與溫度的關系式： （4）空氣的黏度與溫度的關系式：三、實驗裝置與流程1實驗裝置1風機；

9、 2冷流體管路； 3冷流體進口調(diào)節(jié)閥； 4轉子流量計； 5冷流體進口溫度；6不凝性氣體排空閥； 7蒸汽溫度； 8視鏡； 9冷流體出口溫度； 10壓力表； 11水汽排空閥；12蒸汽進口閥；13冷凝水排空閥；14蒸汽進口管路；15冷流體出口管路；圖4-1 空氣-水蒸氣換熱流程圖來自蒸汽發(fā)生器的水蒸汽進入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙，與來自風機的空氣在套管換熱器內(nèi)進行熱交換，冷凝水經(jīng)閥門排入地溝。冷空氣經(jīng)孔板流量計或轉子流量計進入套管換熱器內(nèi)管（紫銅管），熱交換后排出裝置外。2設備與儀表規(guī)格（1）紫銅管規(guī)格：直徑21×2.5mm，長度L=1000mm（2）外套不銹鋼管規(guī)格：直徑100×5

10、mm，長度L=1000mm（3）鉑熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示（4）全自動蒸汽發(fā)生器及蒸汽壓力表四、實驗步驟與注意事項1實驗步驟（1）打開控制面板上的總電源開關，打開儀表電源開關，使儀表通電預熱，觀察儀表顯示是否正常。（2）關閉蒸汽發(fā)生器的排水閥，在蒸汽發(fā)生器中灌裝清水，開啟蒸汽發(fā)生器排空閥，開啟發(fā)生器電源，水泵會自動將水送入鍋爐，灌滿后會自動轉入加熱狀態(tài)，此時蒸汽發(fā)生器的液位計中水位處于中間位置。隨后關閉蒸汽發(fā)生器的排空閥，到達符合條件的蒸汽壓力后，系統(tǒng)會自動處于保溫狀態(tài)。（加熱燈會熄滅，爐子蒸汽壓力設定為0.5MPa，安全閥為0.55MPa）（3）打開控制面板上的風機電源開關，讓風機工作，同

11、時打開冷流體進口閥，讓套管換熱器里充有一定量的空氣。（4）打開冷凝水出口閥，排出上次實驗余留的冷凝水，在整個實驗過程中也保持一定開度。注意開度適中，開度太大會使換熱器中的蒸汽跑掉，開度太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力過大而導致不銹鋼管炸裂。（5）在通水蒸汽前，也應將蒸汽發(fā)生器到實驗裝置之間管道中的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水的蒸汽會損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是：關閉蒸汽進口閥門，打開裝置下面的排冷凝水閥門，讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走，當聽到蒸汽響時關閉冷凝水排除閥，方可進行下一步實驗。（6）開始通入蒸汽時，要仔細調(diào)節(jié)蒸汽閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸充滿系統(tǒng)中，使系

12、統(tǒng)由“冷態(tài)”轉變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，防止不銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。（7）上述準備工作結束，系統(tǒng)也處于“熱態(tài)”后，調(diào)節(jié)蒸汽進口閥，使熱交換器上的蒸汽進口壓力維持在0.01MPa，可通過調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器出口閥及蒸汽進口閥開度來實現(xiàn)。（8）通過調(diào)節(jié)冷空氣進口閥來改變冷空氣流量，在每個流量條件下，均須待熱交換過程穩(wěn)定后方可記錄實驗數(shù)值，一般每個流量下至少應使熱交換過程保持5分鐘方為視為穩(wěn)定；改變流量，記錄不同流量下的實驗數(shù)值。（9）記錄68組實驗數(shù)據(jù)，可結束實驗。先關閉蒸汽發(fā)生器，關閉蒸汽進口閥，放空系統(tǒng)內(nèi)蒸汽及冷凝水待系統(tǒng)內(nèi)溫度達到50以下時，關閉儀表電源，待系統(tǒng)逐漸冷卻后關閉風

13、機電源，待冷凝水流盡，關閉冷凝水出口閥，關閉總電源。（10）待蒸汽發(fā)生器為常壓后，將鍋爐中的水排盡。 2注意事項（1）先打開水汽排空閥，注意只開一定的開度，開的太大會使換熱器里的蒸汽跑掉，開的太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力增大而使不銹鋼管炸裂。（2）一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣后，方可開啟蒸汽閥門，且必須在排除蒸汽管線上原先積存的凝結水后，方可把蒸汽通入套管換熱器中。（3）剛開始通入蒸汽時，要仔細調(diào)節(jié)蒸汽進口閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，由“冷態(tài)”轉變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，以防止不銹鋼管因突然受熱、受壓而爆裂。 （4）操作過程中，蒸汽壓力一般控制在0.02MP

14、a（表壓）以下，否則可能造成不銹鋼管爆裂。（5）確定各參數(shù)時，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，隨時注意蒸汽量的調(diào)節(jié)和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。五、實驗報告1. 計算冷流體給熱系數(shù)的實驗值2. 冷流體給熱系數(shù)的準數(shù)式：，由實驗數(shù)據(jù)作圖擬合曲線方程，確定式中常數(shù)A及m。3. 以為縱坐標，為橫坐標，將處理實驗數(shù)據(jù)的結果標繪在圖上，并與教材中的經(jīng)驗式比較。 實驗數(shù)據(jù)記錄：蒸汽壓力0.01MPa條件下序號空氣流量/m3/h空氣進口溫度/空氣出口溫度/蒸汽進口溫度/蒸汽出口溫度/1234567風機最大風量為18m3/h六、思考題1、實驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響?2、在計算空氣質量流量時所用到的密度值與求雷

15、諾數(shù)時的密度值是否一致？它們分別表示什么位置的密度，應在什么條件下進行計算。3、實驗過程中，冷凝水不及時排走，會產(chǎn)生什么影響？如何及時排走冷凝水？如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗，對關聯(lián)式有何影響？實驗二 流量計校核實驗一、實驗目的1. 熟悉孔板流量計、文丘里流量計的構造、性能及安裝方法。2. 掌握流量計的標定方法之一容量法。3. 測定孔板流量計、文丘里流量計的孔流系數(shù)與雷諾準數(shù)的關系。二、基本原理對非標準化的各種流量儀表在出廠前都必須進行流量標定，建立流量刻度標尺（如轉子流量計）、給出孔流系數(shù)（如渦輪流量計）、給出校正曲線（如孔板流量計）。使用者在使用時，如工作介質、溫度、壓強等操作條件與原來

16、標定時的條件不同，就需要根據(jù)現(xiàn)場情況，對流量計進行標定?？装濉⑽那鹄锪髁坑嫷氖湛s口面積都是固定的，而流體通過收縮口的壓力降則隨流量大小而變，據(jù)此來測量流量，因此，稱其為變壓頭流量計。而另一類流量計中，當流體通過時，壓力降不變，但收縮口面積卻隨流量而改變，故稱這類流量計為變截面流量計，此類的典型代表是轉子流量計。1. 孔板流量計的校核孔板流量計是應用最廣泛的節(jié)流式流量計之一，本實驗采用自制的孔板流量計測定液體流量，用容量法進行標定，同時測定孔流系數(shù)與雷諾準數(shù)的關系。 孔板流量計是根據(jù)流體的動能和勢能相互轉化原理而設計的，流體通過銳孔時流速增加，造成孔板前后產(chǎn)生壓強差，可以通過引壓管在壓差計或差壓

17、變送器上顯示。其基本構造如圖1所示。若管路直徑為d1，孔板銳孔直徑為d0，流體流經(jīng)孔板前后所形成的縮脈直徑為d2，流體的密度為，則根據(jù)柏努利方程，在界面1、2處有： 圖1 孔板流量計 （1）或 （2）由于縮脈處位置隨流速而變化，截面積又難以指導，而孔板孔徑的面積是已知的，因此，用孔板孔徑處流速來替代上式中的，又考慮這種替代帶來的誤差以及實際流體局部阻力造成的能量損失，故需用系數(shù)C加以校正。式（2）改寫為 （3）對于不可壓縮流體，根據(jù)連續(xù)性方程可知，代入式（3）并整理可得 （4） 令 （5）則式（4）簡化為 （6）根據(jù)和即可計算出流體的體積流量： （7）或 （8）式中：流體的體積流量， m3/s

18、； U形壓差計的讀數(shù)，m； 壓差計中指示液密度，kg/m3； 孔流系數(shù)，無因次；由孔板銳口的形狀、測壓口位置、孔徑與管徑之比和雷諾數(shù)Re所決定，具體數(shù)值由實驗測定。當孔徑與管徑之比為一定值時，Re超過某個數(shù)值后，接近于常數(shù)。一般工業(yè)上定型的流量計，就是規(guī)定在為定值的流動條件下使用。值范圍一般為0.6-0.7。孔板流量計安裝時應在其上、下游各有一段直管段作為穩(wěn)定段，上游長度至少應為10d1，下游為5d2?？装辶髁坑嫎嬙旌唵?，制造和安裝都很方便，其主要缺點是機械能損失大。由于機械能損失，使下游速度復原后，壓力不能恢復到孔板前的值，稱之為永久損失。d0/d1的值越小，永久損失越大。2. 文丘里流量計

19、的校核 孔板流量計的主要缺點時機械能損失很大，為了克服這一缺點，可采用一漸縮漸括管，如圖32所示，當流體流過這樣的錐管時，不會出現(xiàn)邊界層分離及漩渦，從而大大降低了機械能損失。這種管稱為文丘里管。文丘里管收縮錐角通常取15°-25°，擴大段錐角要取得小些，一般為5°-7°，使流速改變平緩，因為機械能損失主要發(fā)生在突然擴大處。 圖2文丘里流量計文丘里流量計測量原理與孔板完全相同，只不過永久損失要小很多。流速、流量計算仍可用式（6）、（7），式中仍代表最小截面處（稱為文氏喉）的流速。文丘里管的孔流系數(shù)約為0.98-0.99。機械能損失約為 （9）文丘里流量計的

20、缺點是加工比孔板復雜，因而造價高，且安裝時需占去一定管長位置，但其永久損失小，故尤其適用于低壓氣體的輸送。三、實驗裝置與流程實驗裝置 如圖3所示。主要部分由循環(huán)水泵、流量計、U型壓差計、溫度計和水槽等組成，實驗主管路為1寸不銹鋼管（內(nèi)徑25mm）。 圖3流量計校核實驗示意圖四.實驗步驟與注意事項1. 熟悉實驗裝置，了解各閥門的位置及作用。2. 對裝置中有關管道、導壓管、壓差計進行排氣，使倒U形壓差計處于工作狀態(tài)。排氣方法：先關閉出口閥，關閉閥門3、5、4。打開1、2閥，啟動離心泵，慢慢開啟閥門3進行排氣，使水充滿測量系統(tǒng)管路，排空氣泡后，關閉閥門1、2，再停泵后，打開閥門4、5、3，平衡U型液

21、位高在50cm左右，關閉4、5、3，再打開1和2，啟動離心泵，測定流量與壓差。圖4 倒U型管壓差計1高壓側閥門；2低壓側閥門；3進氣閥門；4平衡閥門；5出水閥門3. 對應每一個閥門開度，用容積法測量流量，同時記下壓差計的讀數(shù)，按由小到大的順序在小流量時測量89個點，大流量時測量56個點。為保證標定精度，最好再從大流量到小流量重復一次，然后取其平均值。4. 測量流量時應保證每次測量中，計量桶液位差不小于100mm或測量時間不少于40s。實驗結束后，關閉閥門1、2，再停泵，打開3、4、5閥，排水后，再關閉3、4、5閥，實驗結束。5. 主要計算過程如下：（1）根據(jù)體積法（秒表配合計量筒）算得流量V（

22、m3/h）；（2）根據(jù)，孔板取喉徑d015.347mm，文丘里取喉徑d12.462mm；（3）讀取流量V（由閘閥開度調(diào)節(jié)）對應下的壓差計高度差R，根據(jù)和，求得C0值。（4）根據(jù)，求得雷諾數(shù)，其中d取對應的d0值。（5）在坐標紙上分別繪出孔板流量計和文丘里流量計的Re圖。五、實驗報告1. 將所有原始數(shù)據(jù)及計算結果列成表格，并附上計算示例。2. 在單對數(shù)坐標紙上分別繪出孔板流量計和文丘里流量計的Re圖。3. 討論實驗結果。實驗數(shù)據(jù)記錄：序號高度/cm時間/s流量m3/h壓差 cm H2O1左右h2345678六、思考題 1. 孔流系數(shù)與哪些因素有關？ 2. 孔板、文丘里流量計安裝時各應注意什么問題

23、？ 3. 如何檢查系統(tǒng)排氣是否完全？ 4. 從實驗中，可以直接得到RV的校正曲線，經(jīng)整理后也可以得到Re的曲線，這兩種表示方法各有什么優(yōu)點？實驗三 流體流動阻力的測定一、實驗目的1掌握測定流體流經(jīng)直管、管件和閥門時阻力損失的一般實驗方法。 2測定直管摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)Re的關系，驗證在一般湍流區(qū)內(nèi)與Re的關系曲線。 3測定流體流經(jīng)管件、閥門時的局部阻力系數(shù)x。 4學會倒U形壓差計和渦輪流量計的使用方法。5識辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。二、基本原理 流體通過由直管、管件（如三通和彎頭等）和閥門等組成的管路系統(tǒng)時，由于粘性剪應力和渦流應力的存在，要損失一定的機械能。流體流經(jīng)直管時所造

24、成機械能損失稱為直管阻力損失。流體通過管件、閥門時因流體運動方向和速度大小改變所引起的機械能損失稱為局部阻力損失。 1直管阻力摩擦系數(shù)的測定 流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動時，阻力損失為： （1）即， （2）式中： 直管阻力摩擦系數(shù)，無因次； d 直管內(nèi)徑，m；流體流經(jīng)l米直管的壓力降，Pa；單位質量流體流經(jīng)l米直管的機械能損失，J/kg； 流體密度，kg/m3；l 直管長度，m；u 流體在管內(nèi)流動的平均流速，m/s。滯流(層流)時， （3） （4）式中：Re 雷諾準數(shù)，無因次； 流體粘度，kg/(m·s)。湍流時是雷諾準數(shù)Re和相對粗糙度（/d）的函數(shù)，須由實驗確定。由式（2）可知，

25、欲測定，需確定l、d，測定、u、等參數(shù)。 l、d為裝置參數(shù)（裝置參數(shù)表格中給出）， 、通過測定流體溫度，再查有關手冊而得， u通過測定流體流量，再由管徑計算得到。例如本裝置采用渦輪流量計測流量，V，m3/h。 （5）可用U型管、倒置U型管、測壓直管等液柱壓差計測定，或采用差壓變送器和二次儀表顯示。（1）當采用倒置U型管液柱壓差計時 （6）式中：R水柱高度，m。（2）當采用U型管液柱壓差計時 （7）式中：R液柱高度，m；指示液密度，kg/m3。根據(jù)實驗裝置結構參數(shù)l、d，指示液密度，流體溫度t0(查流體物性、)，及實驗時測定的流量V、液柱壓差計的讀數(shù)R，通過式(5)、(6)或(7)、(4)和式(

26、2)求取Re和，再將Re和標繪在雙對數(shù)坐標圖上。2局部阻力系數(shù)x 的測定 局部阻力損失通常有兩種表示方法，即當量長度法和阻力系數(shù)法。 （1）當量長度法 流體流過某管件或閥門時造成的機械能損失看作與某一長度為的同直徑的管道所產(chǎn)生的機械能損失相當，此折合的管道長度稱為當量長度，用符號表示。這樣，就可以用直管阻力的公式來計算局部阻力損失，而且在管路計算時可將管路中的直管長度與管件、閥門的當量長度合并在一起計算，則流體在管路中流動時的總機械能損失 為： （8）（2）阻力系數(shù)法 流體通過某一管件或閥門時的機械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動時平均動能的某一倍數(shù)，局部阻力的這種計算方法，稱為阻力系數(shù)法。即：

27、 （9）故 （10） 式中：x 局部阻力系數(shù)，無因次； 局部阻力壓強降，Pa；（本裝置中，所測得的壓降應扣除兩測壓口間直管段的壓降，直管段的壓降由直管阻力實驗結果求取。） 流體密度，kg/m3；g 重力加速度，9.81m/s2；u 流體在小截面管中的平均流速，ms。 待測的管件和閥門由現(xiàn)場指定。本實驗采用阻力系數(shù)法表示管件或閥門的局部阻力損失。根據(jù)連接管件或閥門兩端管徑中小管的直徑d，指示液密度，流體溫度t0(查流體物性、)，及實驗時測定的流量V、液柱壓差計的讀數(shù)R，通過式(5)、(6)或(7)、(10)求取管件或閥門的局部阻力系數(shù)x。三、實驗裝置與流程 1. 實驗裝置實驗裝置如圖1所示： 1

28、水箱；2管路泵；3轉子流量計；4球閥；5倒U型差壓計；6均壓環(huán)；7球閥；8局部阻力管上的閘閥；9出水管路閘閥；10水箱放水閥； 圖1 實驗裝置流程示意圖2. 實驗流程實驗對象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質的水管，各種閥門、管件，渦輪流量計和倒U型壓差計等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長直管，分別為用于測定局部阻力系數(shù)，光滑管直管阻力系數(shù)和粗糙管直管阻力系數(shù)。測定局部阻力部分使用不銹鋼管，其上裝有待測管件(閘閥)；光滑管直管阻力的測定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測定對象為管道內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。流量使用渦輪流量計測量，將渦輪流量計的信號傳給相應的顯示儀表顯示出轉速，管路

29、和管件的阻力采用倒U型差壓計直接讀出讀數(shù)。3裝置參數(shù)裝置參數(shù)如表1所示。 由于管子的材質存在批次的差異，所以可能會產(chǎn)生管徑的不同，所以表1中的管內(nèi)徑只能做為參考。表1 裝置參數(shù)裝置1名稱材質管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力閘閥1A20.095光滑管不銹鋼管1B20.0100粗糙管鍍鋅鐵管1C21.0100四、實驗步驟1. 實驗準備：1低壓側閥門；2高壓側閥門；3進氣閥門； 4平衡閥門；5出水閥門圖2 倒U型管壓差計（1）清洗水箱，清除底部雜物，防止損壞泵的葉輪和渦輪流量計。關閉箱底側排污閥，灌清水至離水箱上緣約15cm高度，既可提供足夠的實驗用水又可防止出口管處水花飛濺。（

30、2）接通控制柜電源，打開總開關電源及儀表電源，進行儀表自檢。打開水箱與泵連接管路間的球閥，關閉泵的回流閥，全開轉子流量計下的閘閥。如上步驟操作后，若泵吸不上水，可能是葉輪反轉，首先檢查有無缺相,一般可從指示燈判斷三相電是否正常。其次檢查有無反相,需檢查管道離心泵電機部分電源相序，調(diào)整三根火線中的任意兩線插口即可。2. 實驗管路選擇：選擇實驗管路，把對應的進口閥打開，并在出口閥最大開度下，保持全流量流動510min。3. 排氣：先進行管路的引壓操作。需打開實驗管路均壓環(huán)上的引壓閥，對倒U型管進行操作如下，其結構如圖2所示。（a） 排出系統(tǒng)和導壓管內(nèi)的氣泡。關閉管路總出口閥9，使系統(tǒng)處于零流量、高

31、揚程狀態(tài)。關閉進氣閥門(3)和出水活栓(5)以及平衡閥門(4)。打開高壓側閥門(2)和低壓側閥門(1)使實驗系統(tǒng)的水經(jīng)過系統(tǒng)管路、導壓管、高壓側閥門(1)、倒U形管、低壓側閥門(2)排出系統(tǒng)。（b） 玻璃管吸入空氣。排凈氣泡后，關閉(1)和(2)兩個閥門，打開平衡閥(4)和出水活栓(5)進氣閥(3)，使玻璃管內(nèi)的水排凈并吸入空氣。（c） 平衡水位。關閉閥(4)、(5)、(3)，然后打開(1)和(2)兩個閥門，讓水進入玻璃管至平衡水位（此時系統(tǒng)中的出水閥門始終是關閉的，管路中的水在零流量時，U形管內(nèi)水位是平衡的，壓差計即處于待用狀態(tài)，在進行下一根管測定時，先將被測管的進水閥和引壓閥依次打開，然后

32、再關閉已測管的進水閥門。（d） 被測對象在不同流量下對應的差壓，就反應為倒U型管壓差計的左右水柱之差。 4流量調(diào)節(jié)：進行不同流量下的管路壓差測定實驗。讓流量從0.8到4m3/h范圍內(nèi)變化，建議每次實驗變化0.5m3/h左右。由小到大或由大到小調(diào)節(jié)管路總出口閥，每次改變流量，待流動達到穩(wěn)定后，讀取各項數(shù)據(jù)，共作810組實驗點。主要獲取實驗參數(shù)為：流量Q、測量段壓差P，及流體溫度t。 5實驗結束：實驗完畢，關閉管路總出口閥，然后關閉泵開關和控制柜電源，將該管路的進口球閥和對應均壓環(huán)上的引壓閥關閉，清理裝置（若長期不用，則管路殘留水可從排空閥進行排空，水箱的水也通過排水閥排空）。五、實驗數(shù)據(jù)處理根據(jù)

33、上述實驗測得的數(shù)據(jù)填寫到下表：實驗日期： 實驗人員： 學號： 溫度： 裝置號： 直管基本參數(shù)： 光滑管徑 粗糙管徑 局部阻力管徑 序號流量(m3/h)光滑管mmH2O粗糙管mmH2O局部阻力mmH2O左右壓差左右壓差左右壓差123456六、實驗報告 1根據(jù)粗糙管實驗結果，在雙對數(shù)坐標紙上標繪出Re曲線，對照化工原理教材上有關曲線圖，即可估算出該管的相對粗糙度和絕對粗糙度。 2根據(jù)光滑管實驗結果，在雙對數(shù)坐標紙上標繪出Re曲線，對照柏拉修斯方程，計算其誤差。3根據(jù)局部阻力實驗結果，求出閘閥全開時的平均值。 4對以上的實驗結果進行分析討論。 數(shù)據(jù)處理及計算結果表序號流量m3/h光滑管粗糙管局部阻力

34、流速m/sRep/Pa流速m/sRep/Pa流速m/sp/Pa12345678910七、思考題1在對裝置做排氣工作時，是否一定要關閉流程尾部的出口閥?為什么? 2如何檢測管路中的空氣已經(jīng)被排除干凈? 3以水做介質所測得的Re關系能否適用于其它流體?如何應用? 4在不同設備上(包括不同管徑)，不同水溫下測定的Re數(shù)據(jù)能否關聯(lián)在同一條曲線上? 5如果測壓口、孔邊緣有毛刺或安裝不垂直，對靜壓的測量有何影響?實驗四 氣氣列管換熱實驗一、實驗目的1測定列管式換熱器的總傳熱系數(shù)。2考察流體流速對總傳熱系數(shù)的影響。3比較并流流動傳熱和逆流流動傳熱的特點。二、基本原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系

35、通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖1所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。達到傳熱穩(wěn)定時，有 （1）式中：Q 傳熱量，J / s；m1 熱流體的質量流率，kg / s；cp1 熱流體的比熱，J / (kg )；T1 熱流體的進口溫度，；T2 熱流體的出口溫度，；m2 冷流體的質量流率，kg / s；cp2 冷流體的比熱，J / (kg )；t1 冷流體的進口溫度，；t2 冷流體的出口溫度，；K 以傳熱面積A為基準的總給熱系數(shù)，W / (m2 )； 冷熱流體的對數(shù)平均溫差，；熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由式（

36、2）計算， （2）列管換熱器的換熱面積可由式（3）算得， （3）其中，d為列管直徑（因本實驗為冷熱氣體強制對流換熱，故各列管本身的導熱忽略，所以d取列管內(nèi)徑），L為列管長度，n為列管根數(shù)，以上參數(shù)取決于列管的設計，詳見下文附表。由此可得換熱器的總給熱系數(shù)， （4）在本實驗裝置中，為了盡可能提高換熱效率，采用熱流體走管內(nèi)、冷流體走管間形式，但是熱流體熱量仍會有部分損失，所以Q應以冷流體實際獲得的熱能測算，即 （5）則冷流體質量流量m2已經(jīng)轉換為密度和體積等可測算的量，其中為冷流體的進口體積流量，所以也應取冷流體的進口密度，即可有冷流體的進口溫度（而非定性溫度）查表確定。除查表外，對于在0100之

37、間，空氣的各物性與溫度的關系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關系式：（2）空氣的比熱與溫度的關系式：60以下 J / (kg ), 70以上 J / (kg )。三、實驗裝置與流程名稱符號單位備注冷流體進口溫度t1熱流體走管內(nèi)，冷流體走管間。列管規(guī)格，即內(nèi)徑21mm，共7根列管，長1m，則換熱面積共0.462m2。逆流出口溫度t2并流出口溫度t2熱流體進口溫度T1熱流體出口溫度T2熱風流量V1m3/h冷風流量V2m3/h圖2 實驗裝置流程示意圖及符號說明本裝置采用冷空氣與熱空氣體系進行對流換熱。熱流體由風機1吸入經(jīng)流量計V1計量后，進入加熱管預熱，溫度測定后進入列管換熱器管內(nèi)，出口也經(jīng)

38、溫度測定后直接排出。冷流體由風機2吸入經(jīng)流量計V2計量后，由溫度計測定其進口溫度，并由閘閥選擇逆流或并流傳熱形式。即：上圖冷風左側進口閥打開即為逆著熱風的流向，相應的也應打開對角處的逆流出口閥，這就是逆流換熱的流程；類似的，將冷風右側進口閥打開即為并著熱風的流向，打開對角的冷流體并流出口閥，這就是并流換熱的流程。冷熱流體的流量可由各自風機的旁路閥調(diào)節(jié)。四、操作步驟1. 打開總電源開關、儀表開關，待各儀表溫度自檢顯示正常后進行下步操作。2. 打開熱流體風機的出口旁路，啟動熱流體風機，再調(diào)節(jié)旁路閥門到適合的實驗流量。（一般取熱流體流量6080 m3/h，整個實驗過程中保持恒定。）3. 開啟加熱開關

39、，調(diào)節(jié)旋鈕，使加熱電壓到一恒定值。（例如在室溫20左右，熱流體風量70 m3/h ，一般調(diào)加熱電壓150V，經(jīng)約30min后，熱流體進口溫度可恒定在82左右。）4. 待熱流體在恒定流量下的進口溫度相對不變后，可先打開冷流體風機的出口旁路，啟動冷流體風機。5. 若選擇逆流換熱過程，則將控制面板上溫度切換顯示開關調(diào)至逆流狀態(tài)，打開冷流體進出管路上對應逆流流程的兩個閥門。6. 然后以冷流體流量作為實驗的主變量，調(diào)節(jié)風機旁路，從2080 m3/h流量范圍內(nèi)，選取5到6個點作為工作點進行實驗數(shù)據(jù)的測定。7. 待某一流量下的熱流體和逆流的冷流體換熱的四個溫度相對恒定后，可認為換熱過程基本平衡了，抄錄冷熱流

40、體的流量和溫度，即完成逆流換熱下一組數(shù)據(jù)的測定。之后，改變一個冷流體的風量，再待換熱平衡抄錄又一組實驗數(shù)據(jù)。8. 同理，可進行冷熱流體的并流換熱實驗。注意：熱流體流量在整個實驗過程中最好保持不變，冷流體每次的進口溫度會隨風機發(fā)熱情況不同，但在一次換熱過程中，必須待熱流體進出口溫度相對恒定后方可認為換熱過程平衡。9. 實驗結束，應先關閉加熱器，待各溫度顯示至室溫左右，再關閉風機和其他電源。五、實驗報告1. 逆流換熱流程下，固定熱流體流量，求取總換熱系數(shù)K（逆）。2. 并流換熱流程下，固定熱流體流量，求取總換熱系數(shù)K（并）。3. 實驗數(shù)據(jù)記錄表及計算結果換熱方式熱流體冷流體q/kJ·h-

41、1tmK/w·(m2·)-1流量m3/h進口溫度 出口溫度 流量m3/h進口溫度 出口溫度 逆流并流實驗五 篩板精餾塔實驗一、實驗目的1. 了解篩板精餾塔及其附屬設備的基本結構，掌握精餾過程的基本操作方法。2. 學會判斷系統(tǒng)達到穩(wěn)定的方法，掌握測定塔頂、塔釜溶液濃度的實驗方法。3. 學習測定精餾塔全塔效率和單板效率的實驗方法，研究回流比對精餾塔分離效率的影響。二、基本原理1全塔效率全塔效率又稱總板效率，是指達到指定分離效果所需理論板數(shù)與實際板數(shù)的比值，即 （1） 式中，完成一定分離任務所需的理論塔板數(shù)，包括蒸餾釜；完成一定分離任務所需的實際塔板數(shù)，本裝置10。 全塔效率簡單地反映了整個塔內(nèi)塔板的平均效率，說明了塔板結構、物性系數(shù)、操作狀況對塔分離能力的影響。對于塔內(nèi)所需理論塔板數(shù)，可由已知的雙組分物系平衡關系，以及實驗中測得的塔頂、塔釜出液的組成，回流比R和熱狀況q等，用圖解法求得。2單板效率 單板效率又稱莫弗里板效率，如圖1所示，是指氣相或液相經(jīng)過一層實際塔板前后的組成變化值與經(jīng)過一層理論塔板前后的組成變化值之比。 圖1 塔板氣液流向示意按氣相組成變化表示的單板效率為 （2）按液相組成變化表示的單板效率為 （3）式中，、離開第n、n+1塊塔板的氣相組成，摩爾分數(shù)；、離開第n-1、n塊塔板的液相組成，摩爾分數(shù)； 與成平衡的