化工原理試驗(yàn)講義2016

化工原理實(shí)驗(yàn)講義中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

化工原理實(shí)驗(yàn)室序言一、化工原理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)化工原理實(shí)驗(yàn)屬于工程實(shí)驗(yàn)范疇，它不同于基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)。后者面對(duì)的是基礎(chǔ)科學(xué)，采用的方法是理論的、嚴(yán)密的，處理的對(duì)象通常是簡(jiǎn)單的、基本的甚至是理想的，而工程實(shí)驗(yàn)面對(duì)的是復(fù)雜的實(shí)際問題和工程問題。對(duì)象不同，實(shí)驗(yàn)研究方法也必然不同。工程實(shí)驗(yàn)的困難在于變量多，涉及的物料千變?nèi)f化，設(shè)備大小懸殊，實(shí)驗(yàn)工作量之大之難是可想而知的。因此不能把處理一般物理實(shí)驗(yàn)的方法簡(jiǎn)單地套用于化工原理實(shí)驗(yàn)。數(shù)學(xué)模型方法和因次論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究方法是研究工程問題的兩個(gè)基本方法，因?yàn)檫@兩種方法可以非常成功地使實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果由小見大，由此及被地應(yīng)用于大設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)計(jì)上。例如，在因次論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)，可不需要過程的深入理解，不需要采用真實(shí)的物料、真實(shí)流體或?qū)嶋H的設(shè)備尺寸，只需借助模擬物料(如空氣、水、黃砂等)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小設(shè)備中，經(jīng)一些設(shè)備性的實(shí)驗(yàn)或理性的推斷得出過程的因素，從而加以歸納和概括成經(jīng)驗(yàn)方程。這種因次論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究方法，是確立解決難于作出數(shù)學(xué)描述的復(fù)雜問題的一種有效方法。數(shù)學(xué)模型方法是在對(duì)過程有充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，將過程作高度的概括，得到簡(jiǎn)單而不失真的物理模型，然后給予數(shù)學(xué)上的描述。這種研究方法同樣可以具備以小見大，由此及被的功能(因次論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)模型方法反映了工程實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的主要區(qū)別)?；ぴ韺?shí)驗(yàn)的另一目的是理論聯(lián)系實(shí)際?；び珊芏鄦卧^程和設(shè)備所組成，學(xué)生應(yīng)該運(yùn)用理論去指導(dǎo)并且能夠獨(dú)立進(jìn)行化工單元的操作，應(yīng)能在現(xiàn)有設(shè)備中完成指定的任務(wù)，并預(yù)測(cè)某些參數(shù)的變化對(duì)過程的影響。二、基本要求1、實(shí)驗(yàn)研究方法及數(shù)據(jù)處理(1)掌握處理化學(xué)工程問題的兩種基本實(shí)驗(yàn)研究方法。一種是經(jīng)驗(yàn)的方法，即應(yīng)用因次論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃；另一種是半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法或數(shù)學(xué)模型方法，掌握如何規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，去檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行圆?duì)模型參數(shù)估值。(2)掌握最基本的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和模型參數(shù)的估值方法——最小二乘法。1（3）對(duì)于特定的工程問題，在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，學(xué)會(huì)如何組織實(shí)驗(yàn)以及取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。2、熟悉化工數(shù)據(jù)的基本測(cè)試技術(shù)其中包括操作參數(shù)（例流量、溫度、壓強(qiáng)等）和設(shè)備特性參數(shù)（例阻力參數(shù)、傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)等）、特性曲線的測(cè)試方法。3、熟悉并掌握化工中典型設(shè)備的操作了解有關(guān)影響操作的參數(shù)，能在現(xiàn)在設(shè)備中完成指定的工藝要求。并能預(yù)測(cè)某些參數(shù)的變化對(duì)設(shè)備能力的影響，應(yīng)作何調(diào)整。三、實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法通過實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)應(yīng)讓學(xué)生掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過程，此過程應(yīng)包括：（1）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備；（2）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；（3）正確記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（4）撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。以上四個(gè)方面是實(shí)驗(yàn)課的主要環(huán)節(jié)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課就是單純進(jìn)行實(shí)驗(yàn)“操作”的觀點(diǎn)應(yīng)該改變。為使學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)有嚴(yán)肅的態(tài)度，嚴(yán)格的要求和嚴(yán)密的作風(fēng)，我們推薦典型的實(shí)驗(yàn)程序如下：（1）認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和有關(guān)參考資料，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?；?）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)預(yù)習(xí)。了解實(shí)驗(yàn)裝置，摸清實(shí)驗(yàn)流程、測(cè)試點(diǎn)、操作控制點(diǎn)，此外還需了解所使用的檢測(cè)儀器、儀表。（3）預(yù)先組織好3~4人的實(shí)驗(yàn)小組，實(shí)驗(yàn)小組討論并擬訂實(shí)驗(yàn)方案，預(yù)先作好分工，并寫出實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)報(bào)告，預(yù)習(xí)報(bào)告的內(nèi)容應(yīng)包括：1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容；2）實(shí)驗(yàn)的基本原理及方案；3）實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖；4）實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的布點(diǎn)；5）設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)的記錄表格。預(yù)習(xí)報(bào)告應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前交給實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師審閱，獲準(zhǔn)后學(xué)生方能參加實(shí)驗(yàn)；（4）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，要求認(rèn)真細(xì)致地記錄實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。操作中應(yīng)能進(jìn)行理論聯(lián)系實(shí)際的思考；（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，如果用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，則學(xué)生還須有一組手算的計(jì)算示例；（6）撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，應(yīng)避免單純填寫表格的方式，而應(yīng)由學(xué)生自行撰寫成文，內(nèi)容大致包括：1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮恚?）實(shí)驗(yàn)裝置；3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理；4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論。四、學(xué)生實(shí)驗(yàn)守則1、遵守紀(jì)律不遲到不早退，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)保持安靜，不大聲談笑，遵守實(shí)驗(yàn)室的一切規(guī)章制度，聽從教師指導(dǎo)。2、實(shí)驗(yàn)前要認(rèn)真預(yù)習(xí)，作好預(yù)習(xí)報(bào)告，經(jīng)教師提問通過后，方可準(zhǔn)予參加實(shí)驗(yàn)。3、實(shí)驗(yàn)時(shí)要嚴(yán)格遵守儀器、設(shè)備、電路的操作規(guī)程不得擅自變更，操作前須經(jīng)教師檢查同意后方可接通電路和開車，操作中仔細(xì)觀察，如實(shí)記錄現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。儀器設(shè)備發(fā)生故障嚴(yán)禁擅自處理，應(yīng)立即報(bào)告教師。4、實(shí)驗(yàn)后根據(jù)原始記錄、處理數(shù)據(jù)、分析問題及時(shí)作好實(shí)驗(yàn)報(bào)告。5、愛護(hù)儀器、注意安全、水，電，煤氣，藥品要節(jié)約使用。6、保持實(shí)驗(yàn)室整潔，廢品，廢物丟入垃圾箱內(nèi)。7、實(shí)驗(yàn)完畢記錄數(shù)據(jù)須經(jīng)教師審查簽字，做好清潔工作，恢復(fù)儀器設(shè)備原狀，關(guān)好門窗，和檢查水，電，氣源是否關(guān)好，方可離開實(shí)驗(yàn)室。1實(shí)驗(yàn)方法論圖1流體在圓管內(nèi)流動(dòng)化學(xué)工程問題的研究方法圖1流體在圓管內(nèi)流動(dòng)以流體在圓管內(nèi)流動(dòng)阻力為例，圖1-1。理論推導(dǎo)的數(shù)學(xué)分析法流體作層流流動(dòng)，可由力平衡、牛頓粘性定律，通過邊界條件積分獲得。半經(jīng)驗(yàn)半理論的數(shù)學(xué)模型法流體作湍流流動(dòng)：力平衡不變，牛頓粘性定律不適用湍流脈動(dòng)。但剪應(yīng)力與形變率的關(guān)系仍服從txdu/dr，即tx—(N+N,)du/dr，但湍流粘度「難以確定。因次(量綱)論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究方法(1)列出影響阻力大小的主要因素：△p=f(N,P,u,d,l,e)(2)因次(量綱)分析：組成無(wú)因次(量綱為1)數(shù)群ledupddN(3)實(shí)驗(yàn)，擬合成函數(shù)關(guān)系或曲線edurl=f(-,——)dm直接實(shí)驗(yàn)方法結(jié)果可靠，但有很大的局限性，耗時(shí)費(fèi)力。量綱分析法因次(量綱)、基本因次、導(dǎo)出因次因次：區(qū)別物理量的標(biāo)志（又叫量綱）?；疽虼危夯玖康囊虼危篠I:L,M,T,q導(dǎo)出因次：導(dǎo)出量的因次：F=ma [M?L.T-2-因次（量綱）分析法的基礎(chǔ)（1）因次（量綱）一致法：物理方程中的每一項(xiàng)都有相同的因次（量綱）。（2）「定律：無(wú)因次（量綱為1）數(shù)群N=物理量數(shù)n—基本因次（量綱）數(shù)m因次（量綱）分析法規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的步驟例：直徑為d的圓球在流體中等速下降的阻力r（1）析因分析（實(shí)驗(yàn)）：找出影響r的因素，r=f（d,u,m,r）（2）選擇m個(gè)基本變量：力學(xué)范圍內(nèi)，尺寸：d,運(yùn)動(dòng)：u,與力有關(guān)：p（3）根據(jù)「定律寫出N個(gè)無(wú)因次式：N=5-3=2,n=非基本變量/基本變量P=rr1 ra1ub1dc1p=r/rrra2ub2dc2（4）解無(wú)因次（量綱為1）準(zhǔn)數(shù)式的指數(shù)方法：將各物理量的因次（量綱）代人無(wú)因次（量綱沏）式中，由分子分母因次（量綱）相同解指數(shù)。如冗=MLT-2/ _ ：1 /[MLI[LT-1Jb1[lJc1解得：a1=1b1=2c1=2所以：P=r//1 /ru2d2同理：p=m同22ddur（5）按無(wú)因次關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：%u2d2=f（durm），調(diào)一個(gè)流量，測(cè)一個(gè)壓降。（6）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理或作曲線：一般按J=AXB形式：r=ru2d2（八]，）b1.2.4如何模擬實(shí)驗(yàn)？如何將模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)際設(shè)備？幾何相似——模型和原型相對(duì)應(yīng)的幾何尺寸保持一定比例；運(yùn)動(dòng)相似——在相似系統(tǒng)中各對(duì)應(yīng)上對(duì)應(yīng)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)參數(shù)心、2、3）方向一致，大小

成一■定比例;動(dòng)力相似——模型和原型所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)上都作用相同性質(zhì)的力且各力的比值相同。例：有一空氣管直徑為300mm，管路內(nèi)安裝一孔徑為150mm的孔板，管內(nèi)空氣溫度為200℃,壓強(qiáng)為常壓，最大氣速為10m/s,試估計(jì)孔板的阻力損失為多少？d，解：因次分析得：hf/=f（4uu2 -d，（1）由幾何相似確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備（（1）由幾何相似確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備（d0d）大=（/"）取實(shí)驗(yàn)設(shè)備為30mm的管子，則孔板孔徑d0二30X(d9'd^大二30X15/300二15mm實(shí)驗(yàn)用水代替空氣，水溫20℃,由運(yùn)動(dòng)相似，確定水的umax(duP/、—(duP/\(./小、大(/)查200℃的Air：u=2.6x10-5Pa.S p=0.747kg/m3查20℃的H2O：u=1.005x10-2Pa.S p=998.2kg/m3u=2.87m/s（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果hf（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果hf水=2.67J/kg（4）200℃的Air,在實(shí)際設(shè)備中的（4）200℃的Air,在實(shí)際設(shè)備中的hf動(dòng)力相似：('f/)=('f/)u2大--u2小h=2.671g、X102=32.4J/kgf水 /'(2.87)2 *1.2.5因次（量綱）分析法規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)或局限性優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)工作量大大減少。（2）實(shí)驗(yàn)難度下降：可不需要真實(shí)物料，可用模型設(shè)備代替實(shí)際設(shè)備（由此及被,由小見大）。被,由小見大）。局限性：（1局限性：（1）若變量數(shù)多，工作量仍很大。（例：109.106）（2）建立量綱為（2）建立量綱為1的準(zhǔn)數(shù)有一定任意性。1.3數(shù)學(xué)模型法區(qū)別：因次（量綱）分析法：對(duì)過程內(nèi)在規(guī)律不作任何認(rèn)識(shí)（黑箱）。數(shù)學(xué)模型法：對(duì)過程有深刻認(rèn)識(shí)，得出足夠簡(jiǎn)化而不失真的模型

步驟：(1)預(yù)實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化模型。(2)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)簡(jiǎn)化模型的等效性。(3)通過實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)。例如：流體通過顆粒層流動(dòng)：爬流—虛擬毛細(xì)管h旦=iK?U2

frde2u?/u=euu=—u?/u=euu=—iie, A? ale(1-e)ah= =N—■ ■u2fp8 83A?_),(1-e)a 人, ,pu2L康采尼實(shí)驗(yàn)：床層雷諾數(shù):Re'=￡汨=uP4日 a(1-e)日2實(shí)驗(yàn)誤差分析及數(shù)據(jù)處理誤差分析誤差的基本概念(1)分類系統(tǒng)誤差:在測(cè)量或?qū)嶒?yàn)過程中未發(fā)覺或未確定的因子所引起的誤差。當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件一經(jīng)確定，其大小和符號(hào)固定不變。隨機(jī)誤差:在已經(jīng)消除系統(tǒng)誤差的一切測(cè)量值的觀察中，所測(cè)數(shù)據(jù)仍在末一位或末兩位數(shù)字上有著差別，而且它們的絕對(duì)值和符號(hào)的變化，時(shí)大時(shí)小，時(shí)正時(shí)負(fù)。隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨盡于零。過去誤差：由于實(shí)驗(yàn)人員粗心大意造成與事實(shí)不符的誤差。(2)誤差的表示法A、測(cè)量點(diǎn)的誤差絕對(duì)誤差：e.=x.-xo xi—測(cè)量值 x0—真值

d二xi-x x—最佳值 x=（x1+x2+…+x）/n相對(duì)誤差：ei/x0或di/xB、測(cè)量集合的誤差極限誤差：A=ZlX/-xjj/=Zdn （算術(shù)平均值的誤差）標(biāo)準(zhǔn)誤差：。=二u=：斗（均方根誤差）/n/n有限次測(cè)量：。=、》（實(shí)際）n—1TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"x+x+ + xe+e+ + ex=—t 2 n-=x+—t 2 n-=X+dO<n\o"CurrentDocument"m n o n oO<ne+e+ + e=x—x=-4 2 n-=Om0 n m（xt，x2一是同等精度測(cè)量值，其中Oi=O）n(n—1)±5=xm±om（om—均值標(biāo)準(zhǔn)誤差。即：算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差）。不是一個(gè)具體的誤差，它的大小只說明在一定條件下等精度測(cè)量集合中的每一個(gè)觀測(cè)值對(duì)其算術(shù)平均值的分散程度。C、絕對(duì)誤差3（3）準(zhǔn)確度和精密度準(zhǔn)確度：測(cè)量值和真值之間的符合程度。精密度：所測(cè)量的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性的程度。精密度高，準(zhǔn)確度不一定高；但準(zhǔn)確度高，其精密度一定高。隨機(jī)誤差的正態(tài)分布性質(zhì)在系統(tǒng)誤差忽略條件下，一個(gè)物理量在同一條件下進(jìn)行多次測(cè)量，發(fā)現(xiàn)有一定規(guī)律。如用流量計(jì)測(cè)定一固定流量（30）,其結(jié)果服從正態(tài)分布。其特點(diǎn)：（1）單峰性：絕對(duì)值小的誤差出現(xiàn)的幾率大。（2）對(duì)稱性：絕對(duì)值相同的正、負(fù)誤差的幾率相同。（3）有界性：大的誤差出現(xiàn)幾率小，且不超過一定的限度。

(4)低償性：隨著測(cè)量次數(shù)的增加，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值等于零。誤差分析曲線積分可得，誤差大于3。出現(xiàn)的概率，在370次觀測(cè)中只有一次。3o法則凡是誤差大于3。的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)予以舍棄(實(shí)際測(cè)量次數(shù)一般不超過10次)。間接測(cè)量誤差估計(jì)設(shè)間接測(cè)量y和直接測(cè)量Xj間有如下關(guān)系:令D1、D2、...Dm為各個(gè)直接測(cè)量的絕對(duì)誤差，Ay旦Nx+爻Ax+...+2Ax(泰勒展開)式中f為誤差傳遞系數(shù)Sx 1 d,x 2 d.x m d.x1 2 m極限絕對(duì)誤差:Ay=Em極限絕對(duì)誤差:Ay=Emi=1SfA—AxSx ii實(shí)際上，直接測(cè)量誤差A(yù)x,是互不相關(guān)的隨機(jī)量，根據(jù)概率論，要確定未知量y的隨機(jī)誤差，應(yīng)將各部分誤差平方再相加，然后求其開方值，即:標(biāo)準(zhǔn)誤差：Oym標(biāo)準(zhǔn)誤差：Oym(由于真值未知，常用O代替3)m2.1.5測(cè)量結(jié)果表示方法(1)單次測(cè)量結(jié)果品=量程2.1.5測(cè)量結(jié)果表示方法(1)單次測(cè)量結(jié)果品=量程x儀表精度或高精度儀器:x=x±A、/^3,低精度儀器：x=x±A、/2^3多次測(cè)量結(jié)果單變量：x單變量：x=x±OZ(x-x?

= i^-i—m—nn\n-1)多變量：'二匕±o 。.寸ff[q*i=11J注意：計(jì)算的0mt△儀時(shí)，用0m；否則用△儀。例：圓柱體的半徑r已知為2.1±0.1cm而長(zhǎng)度L為6.4±0.2cm,求圓柱體體積及均值標(biāo)準(zhǔn)誤差。=\：'(2兀rl?o2+Cir2)o2m mr mlV(2x3.14x2.1x6.4x0.1)2+(3.14x2.1x2.1x0.2)2=8.88解： v=兀r2±omV二nX(2.1)2X6.4±5=88.7±8.9=89±9cm3

m2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理列表表示方法（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表（例流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)）設(shè)備編號(hào) 管徑 管長(zhǎng)管件水溫度 儀表常數(shù)序號(hào)數(shù)字電表讀數(shù)N/S直管阻力壓差計(jì)讀數(shù)局部阻力差計(jì)讀數(shù)左（mm）右（mm）左（mm）右(mm)01（2）計(jì)算結(jié)果表序號(hào)流量m3/sUm/sReX104Hf直,mH2O入H，居，mH2O自12實(shí)驗(yàn)曲線表示法⑴坐標(biāo)紙選擇（直角坐標(biāo)紙）線形函數(shù)：y=ax+b（直角坐標(biāo)紙）10

賽函數(shù)： y=axb logy=lga+blgx （雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙）指數(shù)函數(shù)：y=aebx logy=lga+0.4343bx （半對(duì)坐標(biāo)紙）⑵坐標(biāo)的分度：即坐標(biāo)的比例尺。比例尺選擇不當(dāng)，會(huì)使圖形失真。例：某組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：X1.02.03.04.0y8.08.28.38.0上圖的原因是：沒有考慮測(cè)量誤差。若考慮測(cè)量誤差：設(shè)加二±0.05,Ay=±0.2,則（x,y）位于底邊為2Ax,高為2Ay的矩形內(nèi)，兩種比例尺的圖形都是一條曲線，如下圖a、b所示。設(shè)Ax二±0.05,Ay二±0.04則它們都是在x=3時(shí)，y具有最大值，如下圖c、d所只要考慮了測(cè)量誤差，選擇不同的坐標(biāo)比例尺都能得到同樣的函數(shù)關(guān)系。但從上面的圖形看出，比例太小，矩形太扁，而比例太大，矩形太長(zhǎng)，這些矩形都不能作為光滑的曲線的'點(diǎn)'。為了得到理想的圖形，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)谋壤?。選擇比例尺原則：2Dx=2Dy=2mm坐標(biāo)比例尺：Mx=2/2Dx=1Dx（mm物理單位）MJ%》=/Dy（mm物理單位）二25（mm物理單位）按照上述原則描繪Ax=±0.05,Ay=±0.04二25（mm物理單位）M=1Dx=20⑺加物理單位）；對(duì)于y軸：M=1Dy11用數(shù)學(xué)模型（函數(shù)式）表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)學(xué)模型是表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果函數(shù)關(guān)系的一個(gè)重要方法。數(shù)學(xué)模型的確定，一般可分為三個(gè)步驟：確定數(shù)學(xué)模型的函數(shù)類型；確定數(shù)學(xué)模型式中各個(gè)待定系數(shù)；對(duì)數(shù)學(xué)模型的可靠程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。（1）數(shù)學(xué)模型函數(shù)類型的確定y=f（x1x2） 作圖觀察化工常用的函數(shù)形式有：多項(xiàng)式：J=a+ax+ax2+ +axm幕函數(shù)：j=AXAXA2…xAm01 2m（2）模型的線性化和待定系數(shù)的確定指數(shù)函數(shù)：J=%對(duì)模型線性化：Y=B0+B]X1+B2X2+???+BX待定系數(shù)Bi的確定，常用的有分組平均法、圖解法、最小二乘法等A、分組平均法例：已知x3.44.35.46.78.710.6y4.55.86.88.110.512.7若選定的模型為J=￥+b2,則：[4.5=3.4%+b2<5,8[4.5=3.4%+b2<5,8=4.3b+b6.8=5.7b+b1 1 2和|10.5=8.7b]+b2每組三個(gè)方程相加，得:12.7=10.6b+b12I17.1=13.1b+3bn《 1 2131.3:26.0b+3b1212解得：b1=1.10,b2=0.89「.y=1.10%+0.89B、圖解法例：某實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如：x1.002.406.6014.0y1.792.905.408.2求：y-x的數(shù)學(xué)模型式解：此數(shù)據(jù)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪得一直線表明y和%的關(guān)系為：y=axb,即：logy=lga+b1g%當(dāng)log%=0時(shí)，a=1.70b=1gy1-1gy2=33迎=0.589lg%-lg% 5.60cm：.y=1.70%0.589配最小二乘法最小二乘法：各觀測(cè)值與最佳值的殘差的平方之和為最小。對(duì)于：y=B0+B1%1+B2%2+......+Bm%m，求待定系數(shù)Bi時(shí)，使模型式的計(jì)算值y和實(shí)驗(yàn)值y的誤差(或殘差)平方之和為最小。即目標(biāo)函數(shù)為：iF=ZI-f(B,%)-y2=min

Liii-例：用最小二乘法解上述圖解法的例題解：y=a%b,即：logy=lga+blg%為了簡(jiǎn)單起見，設(shè)y=A+BxF=Z(A+B%-y》更=0 Z(A+B%-y)=0d.A ii=—=0 Z%(A+B%-y)=0d.B iii13

yZ乙yx~Z"xi弋1gxiYl=1gyiXiyiXi200.230000.3860.4600.1780.1490.8190.7320.6000.6711.1460.9141.0471.313工2.3512.3361.8252.133iZx2iiZX2i解得：A=0.2312,B=0.602,a=1.703,b=0.602(3)數(shù)學(xué)模型的可靠程度A、標(biāo)準(zhǔn)差oon-實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；m-待定參數(shù)個(gè)數(shù)；y—第i實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的函數(shù)值；iy^-第i實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的函數(shù)計(jì)算值。「越小，該方程精度越高。B、線性相關(guān)系數(shù)Z(x—x)(.—y)R^Xx-x)Zty-y\i i14R=0,說明x與y無(wú)線性關(guān)系|R|越接近1,實(shí)驗(yàn)點(diǎn)密集于擬合方程周圍|R|<0.8,該方程不能描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)R>0,表示y隨x增加而增加R.<0,表示y隨x增加而減小化工流動(dòng)過程綜合實(shí)驗(yàn)含：實(shí)驗(yàn)一，流體流動(dòng)阻力的測(cè)定；實(shí)驗(yàn)二，離心泵性能曲線的測(cè)定；實(shí)驗(yàn)三，流量計(jì)的校核一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1練習(xí)光滑直管、粗糙直管的阻力系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)的測(cè)量方法，并繪制關(guān)系曲線；2學(xué)習(xí)幾種壓差測(cè)量方法，加深對(duì)流體流動(dòng)阻力概念的理解；了解離心泵的結(jié)構(gòu)、操作方法，掌握離心泵特性曲線測(cè)定方法，掌握離心泵管路特性曲線測(cè)定方法，并繪制相應(yīng)曲線，加深對(duì)離心泵性能的理解；了解各種流量計(jì)(節(jié)流式、轉(zhuǎn)子、渦輪)的結(jié)構(gòu)、性能及特點(diǎn)，掌握其使用方法；掌握節(jié)流式流量計(jì)標(biāo)定方法，測(cè)定并繪制文丘里流量計(jì)流量標(biāo)定曲線(流量-壓差關(guān)系)與流量系數(shù)和雷諾數(shù)之間的關(guān)系(C0Re關(guān)系)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：.流體阻力部分：(1)被測(cè)直管段：光滑管：管徑d-0.008(m)管長(zhǎng)L-1.670(m)材料不銹鋼粗糙管：管徑d-0.01(m)管長(zhǎng)L-1.676(m)材料不銹鋼(2)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)測(cè)量范圍精度TOC\o"1-5"\h\zLZB—25 100~1000(L/h) 1.5LZB—10 10~100(L/h) 2.5(3)壓差傳感器：型號(hào)LXWY 測(cè)量范圍200KPa(4)數(shù)顯表：宇電數(shù)顯儀表儀表名稱 儀表名稱 數(shù)量溫度AI-501B 115TOC\o"1-5"\h\z壓差 AI-501BV24 1流量 AI-501BV24 1功率AI-501B 1（5）離心泵：型號(hào)WB70/055.流量計(jì)性能部分：流量測(cè)量：文丘里流量計(jì)，文丘里喉徑0.020m實(shí)驗(yàn)管路管徑：0.043m,.離心泵性能部分；（1）離心泵：型號(hào)WB70/055，電機(jī)效率60%；（2）真空表：用于泵吸入口真空度的測(cè)量，測(cè)量范圍-0.1-0MPa精度1.5級(jí)，真空表測(cè)壓位置管內(nèi)徑d1=0.032m（3）壓力表：用于泵出口壓力的測(cè)量，測(cè)量范圍0-0.25MPa精度1.5級(jí)，壓強(qiáng)表測(cè)壓位置管內(nèi)徑d2=0.042m（4）流量計(jì)：渦輪流量計(jì)精度0.5級(jí)；（5）兩測(cè)壓口之間距離：真空表與壓強(qiáng)表測(cè)壓口之間的垂直距離，h0=0.235m.管路特性部分：變頻器：型號(hào)N2-401-H規(guī)格：（0-50）Hz三、實(shí)驗(yàn)裝置流程簡(jiǎn)介：.實(shí)驗(yàn)裝置流程圖見圖一，實(shí)驗(yàn)儀表面板圖見圖二16

圖一化工流動(dòng)過程綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1-水箱；2-水泵；3-泵入口真空表；4-泵出口壓力表；5、16-緩沖罐；6、14-測(cè)量局部阻力近端閥；7、15-測(cè)量局部阻力遠(yuǎn)端閥；8、17-粗糙管路測(cè)壓閥；9、21-光滑管路測(cè)壓閥；10-局部阻力測(cè)量閥；11-文丘里流量計(jì)(孔板流量計(jì))；12-壓力傳感器；13-渦輪流量計(jì)；32-水流量控制閥；20-粗糙管控制閥；22-小轉(zhuǎn)子流量計(jì)；23-大轉(zhuǎn)子流量計(jì)；24水流量控制閥;圖一化工流動(dòng)過程綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖25-水箱放水閥；26-倒U型管放空閥；27-倒U型管；28、30-倒U型管排水閥；29、31-倒U型管平衡閥.實(shí)驗(yàn)裝置流程簡(jiǎn)介：(1)流體阻力測(cè)量：水泵2將儲(chǔ)水槽1中的水抽出，送入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)22、23測(cè)量流量，然后送入被測(cè)直管段測(cè)量流體流動(dòng)阻力，經(jīng)回流管流回儲(chǔ)水槽1。被測(cè)直管段流體流動(dòng)阻力AP可根據(jù)其數(shù)值大小分別采用變送器12或空氣一水倒置U型管來測(cè)量。(2)流量計(jì)、離心泵性能測(cè)定：水泵2將水槽1內(nèi)的水輸送到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，流體經(jīng)渦輪流量計(jì)13計(jì)量，利用流量調(diào)節(jié)閥32調(diào)節(jié)流量，回到儲(chǔ)水槽。同時(shí)測(cè)量文丘里流量計(jì)兩端的壓差，離心泵進(jìn)出口壓強(qiáng)、離心泵電機(jī)輸入功率等參數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。(3)管路特性測(cè)量：利用流量調(diào)節(jié)閥32調(diào)節(jié)流量到某一定值，改變電機(jī)頻率，測(cè)定渦輪流量計(jì)的頻率、泵入口真空度、泵出口壓強(qiáng)等參數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。四、實(shí)驗(yàn)方法及步驟:171.光滑管流體阻力測(cè)定：(1)向儲(chǔ)水槽內(nèi)注滿水。(最好使用蒸餾水，以保持流體清潔)(2)關(guān)閉粗糙管路控制閥，將光滑管路閥門全開，在流量為零條件下，打開通向倒置U型管的進(jìn)水閥，檢查導(dǎo)壓管內(nèi)是否有氣泡存在。若倒置U型管內(nèi)兩側(cè)液柱高度差不為零，表明導(dǎo)壓管內(nèi)存在氣泡，需要進(jìn)行趕氣泡操作。導(dǎo)壓系統(tǒng)如圖三所示。趕氣泡操作方法如下：(請(qǐng)參照?qǐng)D三操作)加大流量，打開U型管進(jìn)出水閥11,使倒置U型管內(nèi)液體充分流動(dòng)，以趕出管路內(nèi)的氣泡；若認(rèn)為氣泡已趕凈，將流量調(diào)節(jié)閥24關(guān)閉，U型管進(jìn)出水閥11關(guān)閉，慢慢旋開倒置U型管上部的放空閥26后，分別緩慢打開閥3、4閥，使液柱降至中點(diǎn)上下時(shí)馬上關(guān)閉，管內(nèi)形成氣一水柱，此時(shí)管內(nèi)液柱高度差不一定為零。然后關(guān)閉放空閥26,打開U型管進(jìn)出水閥11,此時(shí)U型管兩液柱的高度差應(yīng)為零(1—2mm的高度差可以忽略)，如不為零則表明管路中仍有氣泡存在，需要重復(fù)進(jìn)行趕氣泡操作。圖三導(dǎo)壓系統(tǒng)示意圖3、4-排水閥；11-U型管進(jìn)水閥；12-壓力傳感器；26-U型管放空閥；27-U型管(3)該裝置兩個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)并聯(lián)連接，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)流量大小選擇不同量程流量計(jì)測(cè)量流量。(4)差壓變送器與倒置U型管亦是并聯(lián)連接，用于測(cè)量壓差，小流量時(shí)用置口型管壓差計(jì)測(cè)量，大流量時(shí)用差壓變送器測(cè)量。應(yīng)在最大流量和最小流量之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一般測(cè)取15?20組數(shù)據(jù)。18注：在測(cè)大流量的壓差時(shí)應(yīng)關(guān)閉U型管的進(jìn)出水閥11,防止水利用U型管形成回路影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(5)測(cè)取水箱水溫。待數(shù)據(jù)測(cè)取完畢，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵。.粗糙管流體阻力測(cè)定：關(guān)閉光滑管控制閥，將粗糙管控制閥全開，從小流量開始測(cè)定數(shù)據(jù)，到最大流量，共測(cè)取15~20組數(shù)據(jù)。測(cè)取水箱水溫。待數(shù)據(jù)測(cè)取完畢，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵。.局部阻力測(cè)定：測(cè)定方法參照以上步驟進(jìn)行。.流量計(jì)、離心泵性能測(cè)定(1)向儲(chǔ)水槽內(nèi)注滿水。檢查流量調(diào)節(jié)閥32,壓力表4的開關(guān)及真空表3的開關(guān)是否關(guān)閉(應(yīng)關(guān)閉)。(2)啟動(dòng)離心泵，緩慢打開調(diào)節(jié)閥32至全開。待系統(tǒng)內(nèi)流體流動(dòng)穩(wěn)定，即系統(tǒng)內(nèi)已沒有氣體時(shí)，打開壓力表和真空表的開關(guān)，開始測(cè)取數(shù)據(jù)。(3)利用調(diào)節(jié)閥32調(diào)節(jié)水流量，從流量為零開始測(cè)定，至逐漸增大流量至最大，或流量從最大逐漸減小到零也可，測(cè)取10?15組數(shù)據(jù)。需要同時(shí)記錄渦輪流量計(jì)頻率、文丘里流量計(jì)壓差、離心泵入口真空度、離心泵出口壓強(qiáng)、功率表讀數(shù)并記錄水溫。(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵，切斷電源。5,管路特性的測(cè)量(1)測(cè)量管路特性曲線時(shí)，先置流量調(diào)節(jié)閥32為某一開度，既流量為某一定值，調(diào)節(jié)離心泵電機(jī)頻率(調(diào)節(jié)范圍50—20Hz),測(cè)取8?10組數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄電機(jī)頻率、離心泵入口真空度、離心泵出口壓強(qiáng)、流量計(jì)讀數(shù)并記錄水溫。(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵，切斷電源。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng).直流數(shù)字表操作方法請(qǐng)仔細(xì)閱讀說明書后，方可使用。.啟動(dòng)離心泵之前，以及從光滑管阻力測(cè)量過渡到其它測(cè)量之前，都必須檢查所有流量調(diào)節(jié)閥是否關(guān)閉。.利用壓力傳感器測(cè)量大流量下用時(shí)，應(yīng)切斷空氣一水倒置?型玻璃管的閥門，否則影響測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確。.實(shí)驗(yàn)過程中每調(diào)節(jié)一個(gè)流量之后應(yīng)待流量和直管壓降的數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后方可記錄數(shù)據(jù)。.若較長(zhǎng)時(shí)間未做實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)離心泵之前應(yīng)先盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以免燒壞電機(jī)。.該裝置電路采用五線三相制配電，實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)良好接地。19

.使用變頻調(diào)速器時(shí)一定注意FWD指示燈亮，切忌按FWDREV鍵，REV指示燈亮?xí)r，電機(jī)反轉(zhuǎn)。.啟動(dòng)離心泵前，必須關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉壓力表和真空表的開關(guān)，以免損壞測(cè)量?jī)x表。.水質(zhì)要清潔，以免影響渦輪流量計(jì)運(yùn)行。六、附數(shù)據(jù)處理過程舉例：1.流體阻力測(cè)定（1）直管摩擦系數(shù)九與雷諾數(shù)Re的測(cè)定直管的摩擦阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù)，即入=f（Re,s/d），對(duì)一定的相對(duì)粗糙度而言，九二f（Re）。流體在一定長(zhǎng)度等直徑的水平圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其管路阻力引起的能量損失為:h=占二a

fpp又因?yàn)槟Σ磷枇ο禂?shù)與阻力損失之間有如下關(guān)系（范寧公式）lu2h—^Pf.=九fTd2整理（1）（2）兩式得d-u?pRe― 式中：d一管徑，m；APf一直管阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；l一管長(zhǎng)，m；u一流速，m/s；p一流體的密度，kg/m3；-流體的粘度，N?s/m2。在實(shí)驗(yàn)裝置中，直管段管長(zhǎng)l-和管徑d都已固定。若水溫一定，則水的密度「和粘度U也是定值。所以本實(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是測(cè)定直管段流體阻力引起的壓強(qiáng)降兇^與流速u（流量V）之間的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和式（3）可計(jì)算出不同流速下的直管摩擦系數(shù)入，用式4）計(jì)算對(duì)應(yīng)的Re,從而整理出直管摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系，繪出入與Re的關(guān)系曲線。計(jì)算舉例:20①光滑管、小流量數(shù)據(jù)：Q=60(L/h)h=58(mmHO)2(以表一第17組數(shù)據(jù)為例)實(shí)驗(yàn)水溫t=27.5℃,粘度從=0.85X10-3與2.$),密度p=995.86(kg/m3)Q60/3600/1000管內(nèi)流速u-兀-(兀/4)x0.0082—, (m/s)(―d2) ' )4阻力降A(chǔ)Pf=p?g?h=995.86x9.81x58/1000=567(Pa)「d?u?p0.008x0.33x995.86Re= = =雷諾數(shù) 目 0,85x10-3 3-109X103久—2d AP 2x0.008 567_阻力系數(shù)一p.l*u2~995.86x1.687義0,332-9.7X10-2②粗糙管、大流量數(shù)據(jù)：Q=300(L/h) AP=12.8(kPa)（以表二第13組數(shù)據(jù)為例）實(shí)驗(yàn)水溫t=28.9℃粘度從=0.82X10-3「2.$),密度p=995.48(kg/m3)管內(nèi)流速u=q=300/3600/1000=1.06(m/s)2 (兀/4)x0.012阻力降A(chǔ)Pf=12.8X1000=18200(Pa)雷諾數(shù)Re=d.u.p0.01x1.06x995.4877^— =1.28X1040.82x10-3一九二阻力系數(shù)p.LAP 2x0.01 12800x C= x u2 995.48x1.6971.062=0-27821⑵局部阻力系數(shù)測(cè)定:式中：。-局部阻力系數(shù)，無(wú)因次；APf一局部阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；hf式中：。-局部阻力系數(shù)，無(wú)因次；APf一局部阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；hf一局部阻力引起的能量損失，J/kg。圖四局部阻力測(cè)量取壓口布置圖局部阻力引起的壓強(qiáng)降A(chǔ)Pf可用下面的方法測(cè)量：在一條各處直徑相等的直管段上，安裝待測(cè)局部阻力的閥門，在其上、下游開兩對(duì)測(cè)壓口a-a'和b-b，見圖1-1,使ab=bc;APf,ab=APf,bc在a~a'之間列柏努利方程式：△Pf,a'b=APPa-Pa,=2APf在b~b'之間列柏努利方程式:b+2AP+AP'fP-Pbb=APP-Pbb=APf+APbcf+AP'f為了實(shí)驗(yàn)方便，=APf,+AP

bf+AP'f=2(P-P)—(P-P為了實(shí)驗(yàn)方便，=APf,+AP

bf+AP'f=2(P-P)—(P-Paa(6)稱(P-Pbb)為近點(diǎn)壓差，(Pa-P)為遠(yuǎn)點(diǎn)壓差。用差壓傳感器來測(cè)量。計(jì)算舉例：局部阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：Q=800(L/h)近端壓差=36.7(kPa) 遠(yuǎn)端壓差=37.7(kPa)實(shí)驗(yàn)水溫；27.5℃,粘度從=0.85X10-3「2.$),密度P=995.86(kg/m3)22實(shí)驗(yàn)水溫t=27.5℃,密度p=995.86（kg/m3）（以表三第1組數(shù)據(jù)為例）u_Q_800/3600/1000_126管內(nèi)流速:(.d2)一(兀/4)x0.00152—, (m/s)管內(nèi)流速:%局部阻力： APf=2(Pb-Pb,)-(Pa-Pa,)=(2X36.7-37.7)X1000=35700(Pa)(2)AP'局部阻力系數(shù)_45.1-I--f局部阻力系數(shù)_45.1IpJu22.流量計(jì)性能測(cè)定流體通過節(jié)流式流量計(jì)時(shí)在流量計(jì)上、下游兩取壓口之間產(chǎn)生壓強(qiáng)差，它與流量的關(guān)系為：V_CA:'^P^S0 0\ p式中：匕—被測(cè)流體（水）的體積流量，m3/s;CO-流量系數(shù)，無(wú)因次；A0—流量計(jì)節(jié)流孔截面積，m2；P「-P—流量計(jì)上、下游兩取壓口之間的壓強(qiáng)差，Pa;上下p—被測(cè)流體（水）的密度，kg/m3。用渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)來測(cè)量流量vs。每一個(gè)流量在壓差計(jì)上都有一對(duì)應(yīng)的讀數(shù)，將壓差計(jì)讀數(shù)兇和流量vs繪制成一條曲線，即流量標(biāo)定曲線。同時(shí)用上式整理數(shù)據(jù)可進(jìn)一■步得到C0—Re關(guān)系曲線。計(jì)算舉例（以表四第5組數(shù)據(jù)為例）渦輪流量計(jì)：7.05（m3/h）,流量計(jì)壓差：19kpa,實(shí)驗(yàn)水溫t=25.6℃,粘度從=0.89X10-323

(Pa.s),Q=7.05(m3/h)密度P=996.36(kg/m3)(Pa.s),Q=7.05(m3/h)密度P=996.36(kg/m3)7.05u二3600x冗xx0.0432=1.349(m/s)Re=duP_0.043x1.349x996.361.349x10-3=5.25X104：2x19x1000996.36.離心泵性能的測(cè)定H的測(cè)定:在泵的吸入口和排出口之間列柏努利方程Pu2Z+入+入+H=Z入 Pg 2g 出+u2出--2入2gH=(Z-+u2出--2入2g出入 Pg上式中H入入出是泵的吸入口和排出口之間管路內(nèi)的流體流動(dòng)阻力，與柏努利方程中其它項(xiàng)比較，H 值很小，故可忽略。于是上式變?yōu)?f入-出(yP-Pu2,-u2H=(Z-Z)+-出~~入+ 入出入Pg 2g將測(cè)得的(Z-Z)和P-P的值以及計(jì)算所得的u,u代入上式即可求得H的值。出入出入 入出N的測(cè)定:24

功率表測(cè)得的功率為電動(dòng)機(jī)的輸入功率。由于泵由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)，傳動(dòng)效率可視為1,所以電動(dòng)機(jī)的輸出功率等于泵的軸功率。即：泵的軸功率N=電動(dòng)機(jī)的輸出功率，kw電動(dòng)機(jī)的輸出功率=電動(dòng)機(jī)的輸入功率X電動(dòng)機(jī)的效率。泵的軸功率=功率表讀數(shù)X電動(dòng)機(jī)效率，kw。（3）n的測(cè)定Nen二一NHQpgHQpNe= = 1000 102式中：n一泵的效率；N—泵的軸功率，kw;Ne一泵的有效功率kw;H一泵的揚(yáng)程，m;Q一泵的流量，m3/s,P—水的密度，kg/m3離心泵特性曲線包括：H-Q;N-Q和-Q計(jì)算舉例（以表五第1組數(shù)據(jù)為例）渦輪流量計(jì)讀數(shù)：;泵人口真空表：0.018Mpa;壓力表：0.035Mpa;功率表讀數(shù)：0.72kw。實(shí)驗(yàn)水溫t=25水溫，粘度N=0.89X10-3「2.$),密度實(shí)驗(yàn)水溫t=25水溫，H=(Z-Z)+.一尸入出入pg(r 八二(0.018+0.035)x1000000=5.8(m)H=0.41+ =5.8(m)996.36x9.81N=功率表讀數(shù)x電機(jī)效率=0.72x60%=0.432(kw)=432(W)Nen=——NNe二HQp

102Ne二HQp

1025.8x10.12/3600x1000x996.36102=159.26(W)25159.26432159.26432=36.86%.管路特性的測(cè)定：當(dāng)離心泵安裝在特定的管路系統(tǒng)中工作時(shí)，實(shí)際的工作壓頭和流量不僅與離心泵本身的性能有關(guān)，還與管路特性有關(guān)，也就是說，在液體輸送過程中，泵和管路二者是相互制約的。管路特性曲線是指流體流經(jīng)管路系統(tǒng)的流量與所需壓頭之間的關(guān)系。若將泵的特性曲線與管路特性曲線繪在同一坐標(biāo)圖上，兩曲線交點(diǎn)即為泵在該管路的工作點(diǎn)。因此，如同通過改變閥門開度來改變管路特性曲線，求出泵的特性曲線一樣，可通過改變泵轉(zhuǎn)速來改變泵的特性曲線，從而得出管路特性曲線。泵的壓頭H計(jì)算方法同上。附：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表表一、流體阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（光滑管內(nèi)徑8mm、管長(zhǎng)1.687m）（液體溫度27.5℃液體密度「=995.86卜8為液體粘度u=0.85mPa.S）序號(hào)流量(l/h)直管壓差A(yù)P△P流速uRe入(kPa)(mmH2))(Pa)(m/s)1100071.3713005.53518240.04409290059.4594004.98466420.04534380047.5475004.42414590.04589470038.2382003.87362770.04820560028.5285003.32310940.04895650020.7207002.76259120.05120740013.6136002.21207300.0525683008.484001.66155470.05771102004.040001.11103650.061831310012812500.5551820.07732149010810550.5046640.080541580888600.4441460.0830626

1670757330.3936280.092461760585670.3331090.097321850464490.2825910.111151940302930.2220730.113262030191860.1715550.127522120141370.1110360.2114222107680.065180.42284表二、流體阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（直管內(nèi)徑10mm、管長(zhǎng)1.697m）（液體溫度28.9℃液體密度「=995.48卜8為液體粘度u=0.82mPa.S）序號(hào)流量（l/h）直管壓差A(yù)P△P流速uRe入(kPa)(mmHR)(Pa)(m/s)31000107.91079003.54429580.211490090.1901003.18386620.218580071.7717002.83343670.219670056.5565002.48300710.226760042.1421002.12257750.229850031.1311001.77214790.2431040020.4204001.42171830.2491330012.8128001.06128870.278142006.565000.7185920.3181510024724120.3542960.472169020720210.3238660.488178016816410.2834370.50227

187013513180.2530070.526196010610350.2125770.5632050828010.1821480.6272140605860.1417180.7172230383710.1112890.8072320201950.078590.9551010980.044301.911表三、局部阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表序號(hào)流量Q近端壓差遠(yuǎn)端壓差流速u局部阻力阻力系數(shù)Z(1/h)(kPa)(kPa)(m/s)壓差（kPa）1100058.459.51.575730046.3280036.737.71.263570045.1表四、流量計(jì)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄序號(hào)文丘里流量計(jì)文丘里流量計(jì)流量Q流速uReC(kPa)(Pa)(m3/h)(m/s)139.43940010.121.937754331.009234340009.401.799700671.008329.4294008.621.650642530.994423.9239007.841.500584381.00328

519190007.051.349525501.012614.6146006.191.185461401.013711.3113005.391.032401761.00388.383004.630.886345121.00595.555003.810.729283991.016103.535003.040.582226601.01611110002.180.417162491.364120.88001.410.270105100.986130.11000.730.14054411.444表五、離心泵性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（液體溫度25.6℃液體密度「=996.36kg/m、為3進(jìn)出口高度=0.41米）序號(hào)入口壓力P1出口壓力P2電機(jī)功率流量Q壓頭h泵軸功率Nn(MPa)(MPa)(kw)(m-h)(m)（w）(%)10.0180.0350.7210.125.843237.09620.0150.070.769.389.145650.85830.0120.0850.768.6610.345653.28540.010.090.757.8310.645050.27050.0070.120.737.0413.443858.49160.0040.1350.76.1714.642058.35770.0030.150.675.4016.140258.58580.0020.160.644.6417.038455.720900.170.63.8017.836051.0211000.180.553.0418.833047.0861100.190.52.1819.830039.1611200.1950.461.4120.427628.2412913 0 0.205 0.42 0.73 21.4 252 16.8181400.210.390.0021.92340.000表六、離心泵管路特性曲線電機(jī)頻率入口壓力P1出口壓力P2流量Q壓頭h序號(hào)Hz(MPa)(MPa)(mYh)(m)1500.0180.03710.106.042480.0180.0369.945.933460.0170.0359.745.734440.0160.0349.455.535420.0150.0329.145.226400.0130.038.744.817380.0120.0268.324.308360.010.0257.903.999340.0080.02257.463.5310320.00790.027.023.2611300.0060.0196.582.9712250.0040.0155.472.35132000.0154.331.941415003.170.411510001.970.41（三）、曲線圖10.00000（三）、曲線圖10.000001.00000A0.100000.0100030100.000)

%(n90.00080.00070.00060.00050.00040.00030.00020.00010.0000.0001.002.00 3.00007.00 8.00 9.00 10.000.00Q0(m3/h)31流實(shí)驗(yàn)四傳熱綜合實(shí)驗(yàn)（換熱設(shè)備1）1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過對(duì)空氣一水蒸氣簡(jiǎn)單套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)弓的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解。并應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARenPr0.4中常數(shù)A、m的值。.通過對(duì)管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣一水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BRen中常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化比Nu/Nu0,了解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)2-1,光滑管32

①測(cè)定5~6個(gè)不同流速下簡(jiǎn)單套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)網(wǎng)②%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ArenPro.4中常數(shù)A、m的值。實(shí)驗(yàn)2-2,粗糙管①測(cè)定5~6個(gè)不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)出③出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRen中常數(shù)B、m的值。④一流量下，按實(shí)驗(yàn)一所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式求得Nu0，計(jì)算傳熱強(qiáng)化比Nu/Nu0。3、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)2-1普通套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的測(cè)定1.對(duì)流傳熱系數(shù)阻,的測(cè)定對(duì)流傳熱系數(shù)內(nèi)可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實(shí)驗(yàn)來測(cè)定(4-1)式中：出一管內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2℃)；Q—管內(nèi)傳熱速率，W；‘ i 'S—管內(nèi)換熱面積，m2；&魏3一對(duì)數(shù)平均溫差，?！?。i對(duì)數(shù)平均溫差由下式確定：Qw-a-3-如=1113TG3-%) (4-2)式中：￡1,ti2—冷流體的入口、出口溫度，℃;tw一壁面平均溫度，?！?。因?yàn)閭鳠峁転樽香~管，其導(dǎo)熱系數(shù)很大，而管壁又薄，故認(rèn)為內(nèi)壁溫度、外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用tw來表示。管內(nèi)換熱面積：4=血Ji (4-3)式中：Q—內(nèi)管管內(nèi)徑，m;」一傳熱管測(cè)量段的實(shí)際長(zhǎng)度，m。33

由熱量衡算式:Q=吒%?也2F)由熱量衡算式:Q=吒%?也2F)(4-4)其中質(zhì)量流量由下式求得:(4-5)式中：V—冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m3/h;icpi—冷流體的定壓比熱，kJ/(kg℃)；Pi—冷流體的密度，kg/m3。l-jcpi和Pj可根據(jù)定性溫度tm查得， 上為冷流體進(jìn)出口平均溫度。2.對(duì)流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)確定流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，被加熱狀態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為(4-6)肛其中： 4， 占， %物性數(shù)據(jù)入I、cpi、PI、匕可根據(jù)定性溫度tm查得。經(jīng)過計(jì)算可知，對(duì)于管內(nèi)被加熱的空氣，普蘭特準(zhǔn)數(shù)P1變化不大，可以認(rèn)為是常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡(jiǎn)化為：(4-7)叫=AReJPt■廠(4-7)這樣通過實(shí)驗(yàn)確定不同流量下的Rei與瓶)然后用線性回歸方法確定A和m的值。實(shí)驗(yàn)2-2、強(qiáng)化套管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強(qiáng)化比的測(cè)定強(qiáng)化傳熱能減小初設(shè)計(jì)的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動(dòng)力消耗，更有效地利用能源和資金。強(qiáng)化傳熱的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋線圈的方法來強(qiáng)化傳熱的。3434圖4-1螺旋線圈強(qiáng)化管內(nèi)部結(jié)構(gòu)螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，螺旋線圈由直徑1mm鋼絲按一定節(jié)距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內(nèi)，流體一面由于螺旋線圈的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動(dòng)，因而可以使傳熱強(qiáng)化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細(xì)，流體旋流強(qiáng)度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)省能源。螺旋線圈是以線圈節(jié)距H與管內(nèi)徑d的比值為技術(shù)參數(shù)，且節(jié)距與管內(nèi)徑比是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為麗=BR巳㈱的經(jīng)驗(yàn)公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。在本實(shí)驗(yàn)中，采用實(shí)驗(yàn)2-1中的實(shí)驗(yàn)方法確定不同流量下的Re與因4，用線性回歸' i方法可確定B和m的值。單純研究強(qiáng)化手段的強(qiáng)化效果（不考慮阻力的影響），可以用強(qiáng)化比的概念作為評(píng)判準(zhǔn)則，它的形式是：岫/加口，其中Nu是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，Nu0是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比郎”腦口>1,而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好。需要說明的是，如果評(píng)判強(qiáng)化方式的真正效果和經(jīng)濟(jì)效益，則必須考慮阻力因素，阻力系數(shù)隨著換熱系數(shù)的增加而增加，從而導(dǎo)致?lián)Q熱性能的降低和能耗的增加，只有強(qiáng)化比較高，且阻力系數(shù)較小的強(qiáng)化方式，才是最佳的強(qiáng)化方法。4、實(shí)驗(yàn)裝置.驗(yàn)流程圖及基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：如圖4-2所示，實(shí)驗(yàn)裝置的主體是兩根平行的套管換熱器，內(nèi)管為紫銅材質(zhì)，外管為不銹鋼管，兩端用不銹鋼法蘭固定。實(shí)驗(yàn)的蒸汽發(fā)生釜為電加熱釜，內(nèi)有2根2.5kW螺旋形電加熱器，用200伏電壓加熱（可由固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié)）。空氣由旋渦氣泵吹出，由旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，經(jīng)孔板流量計(jì)，由支路控制閥選擇不同的支路進(jìn)入換熱器。管程蒸汽由加熱釜發(fā)生后自然上升，經(jīng)支路控制閥選擇逆流進(jìn)入換熱器殼程，由另一端蒸汽出口自然噴出，達(dá)到逆流換熱的效果。裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)表4-1所示。35

圖4-2空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖普通套管換熱器；2—內(nèi)插有螺旋線圈的強(qiáng)化套管換熱器；3—蒸汽發(fā)生器；4—旋渦氣泵；5一旁路調(diào)節(jié)閥；6一孔板流量計(jì)；7、8、9—空氣支路控制閥；10、11—蒸汽支路控制閥；12、13—蒸汽放空口；14一傳熱系數(shù)分布實(shí)驗(yàn)套盒(本實(shí)驗(yàn)不用)；15一紫銅管；16—加水口；17一放水口；18—液位計(jì)；19一熱點(diǎn)偶溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)接口(本實(shí)驗(yàn)不用)表4-1實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di(mm)20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do(mm)22.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di(mm)50實(shí)驗(yàn)外管外徑Do(mm)57.0強(qiáng)化管內(nèi)插物(螺絲徑h(mm)1旋線圈)尺寸節(jié)距H(mm)40(紫銅內(nèi)管)測(cè)量段長(zhǎng)度l(m)1.0036

加熱釜操作電壓W2。。伏操作電流W1。安.實(shí)驗(yàn)的測(cè)量手段(1)空氣流量的測(cè)量空氣主管路由孔板與差壓變送器和二次儀表組成空氣流量計(jì)，孔板流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其流量計(jì)算式為：(4-8)(4-9)V0口18.113*(AP)0.6203(4-8)(4-9)式中：、0-2?！嫦碌捏w積流量，m3/h;AP-孔板兩端壓差，Kpap-空氣入口溫度(及流量計(jì)處溫度)下密度，kg/m3。t1由于被測(cè)管段內(nèi)溫度的變化，還需對(duì)體積流量進(jìn)行進(jìn)一步的校正:273+t273+10其中，V-實(shí)驗(yàn)條件(管內(nèi)平均溫度)下的空氣流量，m3/h;t-換熱器管內(nèi)平均溫度，。c；t「?jìng)鳠醿?nèi)管空氣進(jìn)口(即流量計(jì)處)溫度，。℃。(2)溫度的測(cè)量(1)空氣入傳熱管測(cè)量段前的溫度t1(℃)由電阻溫度計(jì)測(cè)量，可由數(shù)字顯示儀表直接讀出。(2)空氣出傳熱管測(cè)量段時(shí)的溫度t2(℃)由電阻溫度計(jì)測(cè)量，可由數(shù)字顯示儀表直接讀出。(3)管外壁面平均溫度tw(℃)由數(shù)字式毫伏計(jì)測(cè)出與其對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)E(mv),熱電偶是由銅一康銅組成)，再由E根據(jù)公式:tw(℃)=1.2705+23.518XE(mv)計(jì)算得到。.電加熱釜37是產(chǎn)生水蒸汽的裝置，使用體積為7升（加水至液位計(jì)的上端紅線），內(nèi)裝有一支2.5kw的螺旋形電熱器，當(dāng)水溫為30℃時(shí)，用200伏電壓加熱，約25分鐘后水便沸騰,為了安全和長(zhǎng)久使用，建議最高加熱（使用）電壓不超過200伏（由固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié)）。.氣源（鼓風(fēng)機(jī)）又稱旋渦氣泵，XGB—2型，由無(wú)錫市儀表二廠生產(chǎn)，電機(jī)功率約0.75KW（使用三相電源）,在本實(shí)驗(yàn)裝置上，產(chǎn)生的最大和最小空氣流量基本滿足要求，使用過程中，輸出空氣的溫度呈上升趨勢(shì)。.穩(wěn)定時(shí)間是指在外管內(nèi)充滿飽和蒸汽，并在不凝氣排出口有適量的汽（氣）排出，空氣流量調(diào)節(jié)好后，過15分鐘，空氣出口的溫度t2（℃）可基本穩(wěn)定。5、實(shí)驗(yàn)方法及步驟.實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備，檢查工作.（1）向電加熱釜加水至液位計(jì)上端紅線處。（2）向冰水保溫瓶中加入適量的冰水,并將冷端補(bǔ)償熱電偶插入其中。（3）檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開。（4）檢查蒸氣管支路各控制閥是否已打開。保證蒸汽和空氣管線的暢通。（5）接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動(dòng)電加熱器開關(guān)，開始加熱。.實(shí)驗(yàn)開始.人工實(shí)驗(yàn)操作⑴合上電源總開關(guān)。⑵打開加熱電源開關(guān)，設(shè)定加熱電壓（不得大于200丫），直至有水蒸氣冒出，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣。實(shí)驗(yàn)裝置面板圖38⑶啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并用放空閥調(diào)節(jié)流量，在一定的流量下穩(wěn)定5—10分鐘后分別測(cè)量空氣的流量，空氣進(jìn)，處口的溫度，由溫度顯示儀和切換開關(guān)（0-光滑管空氣入口溫度；1-光滑管空氣出口溫度；2-粗糙管空氣入口溫度；3-粗糙管空氣出口溫度；4-加熱器內(nèi)溫度），換熱器內(nèi)管壁面的溫度由毫伏顯示儀和切換開關(guān)（0-光滑管壁面熱電勢(shì)；1-粗糙管壁面熱電勢(shì)）測(cè)得。然后，在改變流量穩(wěn)定后分別測(cè)量空氣的流量，空氣進(jìn)，處口的溫度，壁面溫度后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱電源、風(fēng)機(jī)和總電源。一切復(fù)原。6、注意事項(xiàng).由于采用熱電偶測(cè)溫，所以實(shí)驗(yàn)前要檢查冰桶中是否有冰水混合物共存。檢查熱電偶的冷端，是否全部浸沒在冰水混合物中。.檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)給水量。.必須保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽支路控制閥（見圖2-2所示）之一必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開啟和關(guān)閉控制閥必須緩慢，防止管線截?cái)嗷蛘羝麎毫^大突然噴出。.保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，三個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥（見圖4-2所示）必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開啟和關(guān)閉控制閥。.調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定5~10分鐘后讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。.實(shí)驗(yàn)中保持上升蒸汽量的穩(wěn)定，不應(yīng)改變加熱電壓，且保證蒸汽放空口一直有蒸汽放出。.報(bào)告內(nèi)容.光滑管的操作步驟、原始數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)結(jié)果表（換熱量、傳熱系數(shù)、各準(zhǔn)數(shù)以及重要的中間計(jì)算結(jié)果）、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的回歸過程、結(jié)果與具體的回歸方差分析，并以其中一組數(shù)據(jù)的計(jì)算舉例。.粗糙管的操作步驟、原始數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)整理表（換熱量、傳熱系數(shù)、各準(zhǔn)數(shù)、Nu0和強(qiáng)化比，還包括重要的中間計(jì)算結(jié)果）、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的回歸結(jié)果。.在同一雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中繪制光滑管和粗糙管的Nu~Re的關(guān)系圖。.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論。3940(換熱設(shè)備2)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?通過對(duì)空氣一水蒸氣簡(jiǎn)單套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)a.的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解。.通過對(duì)管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣一水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)a.的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解。.學(xué)會(huì)并應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPro.4計(jì)算出Nu、Nu0，求出強(qiáng)化比Nu/Nu。，加深理解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：.測(cè)定5-6組不同流速下簡(jiǎn)單套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)a.測(cè)定5-6組不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)aJ.對(duì)a的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPro.4中常數(shù)A、m的數(shù)值。..通過關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPro.4計(jì)算出Nu、Nu，并確定傳熱強(qiáng)化比Nu/Nu。00三、實(shí)驗(yàn)原理：.普通套管換熱器傳熱系數(shù)測(cè)定及準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的確定：(1)對(duì)流傳熱系數(shù)a.的測(cè)定：對(duì)流傳熱系數(shù)a,可以根據(jù)牛頓冷卻定律，通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。因?yàn)閍.<<ao，所以傳熱管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)a產(chǎn)K,K(W/m2?℃)為熱冷流體間的總傳熱系數(shù)，且K=Q/(Atxs)所以：a?——Q—— (1)mi iAtXS式中：a—管內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2℃)；Q—管內(nèi)傳熱速率，W；i ISj—管內(nèi)換熱面積，m2；Atmj一管內(nèi)平均溫度差，?！?。41平均溫度差由下式確定：At.=t—t(2)式中：t—冷流體的入口、出口平均溫度，匕；t一壁面平均溫度，。C；m w因?yàn)閾Q熱器內(nèi)管為紫銅管，導(dǎo)熱系數(shù)大，且管壁薄，故認(rèn)為內(nèi)壁溫度、外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用tw來表示，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于熱流體的平均溫度。管內(nèi)換熱面積： S.=nd.L. (3)式中：Q—內(nèi)管管內(nèi)徑，m；1一傳熱管測(cè)量段的實(shí)際長(zhǎng)度，m。由熱量衡算式： Q.=Wcpi(t.2-t11) (4)…VP其中質(zhì)量流量由下式求得：W二小- (5)3600式中：V—冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m3/h;ic—冷流體的定壓比熱，kJ/(kg?℃);P—冷流體的密度，kg/m3。pi ic和P可根據(jù)定性溫度t查得，t=ti1+t2,2為冷流體進(jìn)出口平均溫度。pi ? m m 2t”，ti2,tw,Vi可采取一定的測(cè)量手段得到。(2)對(duì)流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)確定：流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，被加熱狀態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為:Nu=ARemPrn.

i ii(6)其中:Nuiudp cRRe=-iii- -Pr=—pi iiR，i九ii物性數(shù)據(jù)入i、,、Pi、Ui可根據(jù)定性溫度tm查得。經(jīng)過計(jì)算可知，對(duì)于管內(nèi)被加熱的空氣，普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pri變化不大，可以認(rèn)為是常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡(jiǎn)化為:Nu=ARemPr0.4

i ii(7)這樣通過實(shí)驗(yàn)確定不同流量下Rei與Nu,,然后用線性回歸方法確定A和m的值。422.強(qiáng)化套管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強(qiáng)化比的測(cè)定:強(qiáng)化傳熱技術(shù)，可以使初設(shè)計(jì)的傳熱面積減小，從而減小換熱器的體積和重量，提高了現(xiàn)有換熱器的換熱能力，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。同時(shí)換熱器能夠在較低溫差下工作，減少了換熱器工作阻力，以減少動(dòng)力消耗，更合理有效地利用能源。強(qiáng)化傳熱的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置采用了多種強(qiáng)化方式，具體見下表。其中螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖一所示，螺旋線圈由直徑3mm以下的銅絲和鋼絲按一■定節(jié)距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內(nèi)，即可構(gòu)成一種強(qiáng)化傳熱管。在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動(dòng)，因而可以使傳熱強(qiáng)化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細(xì)，流體旋流強(qiáng)度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)省能源。螺旋線圈是以線圈節(jié)距H與管內(nèi)徑d的比值以及管壁粗糙度（2d/h）為主要技術(shù)參數(shù)，且長(zhǎng)徑比是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素。實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為NuARem的經(jīng)驗(yàn)公式，其中A和m的值因強(qiáng)化方式不同而不同。在本實(shí)驗(yàn)中，確定不同流量下的Rei與Nu,，用線性回歸方法可確定B和m的值。單純研究強(qiáng)化手段的強(qiáng)化效果（不考慮阻力的影響），可以用強(qiáng)化比的概念作為評(píng)判準(zhǔn)則，它的形式是：Nu/Nu0，其中Nu是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，Nu0是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比Nu/Nu0>1，而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好。需要說明的是，如果評(píng)判強(qiáng)化方式的真正效果和經(jīng)濟(jì)效益，則必須考慮阻力因素，阻力系數(shù)隨著換熱系數(shù)的增加而增加，從而導(dǎo)致?lián)Q熱性能的降低和能耗的增加，只有強(qiáng)化比較高，且阻力系數(shù)較小的強(qiáng)化方式，才是最佳的強(qiáng)化方法。43

四、實(shí)驗(yàn)裝置的基本情況:1.實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖（如圖二所示）:圖二傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1-光滑管空氣進(jìn)口閥；2-光滑管空氣進(jìn)口溫度；3-光滑管蒸汽出口；4-光滑套管換熱器;5-光滑管空氣出口溫度；6-強(qiáng)化管空氣進(jìn)口閥；7-強(qiáng)化管空氣進(jìn)口溫度；8-強(qiáng)化管蒸汽出口；9-內(nèi)插有螺旋線圈的強(qiáng)化套管換熱器；10-光滑套管蒸汽進(jìn)口閥；12-孔板流量計(jì)；13-強(qiáng)化套管蒸汽進(jìn)口閥；14-空氣旁路調(diào)節(jié)閥；15-旋渦氣泵；16-儲(chǔ)水罐17-液位計(jì)；18-蒸汽發(fā)生器；19-排水閥；20-散熱器；其中2，5，7，11，12為測(cè)試點(diǎn)44

.實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)（如表一所示）:表一實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di（mm）20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do（mm）22.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di（mm）50實(shí)驗(yàn)外管外徑Do（mm）57.0測(cè)量段（紫銅內(nèi)管）長(zhǎng)度L（m）1.20強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物絲徑h（mm）1（螺旋線圈）尺寸節(jié)距H（mm）40孔板流量計(jì)孔流系數(shù)及孔徑c0=0.65、d0=0.017m旋渦氣泵XGB—12型加熱釜操作電壓W200伏操作電流W10安.實(shí)驗(yàn)裝置面板圖（如圖三所示）:圖三傳熱過程綜合實(shí)驗(yàn)面板圖45五、實(shí)驗(yàn)操作步驟：1.實(shí)驗(yàn)前的檢查準(zhǔn)備①向水箱16中加水至液位計(jì)上端。②檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥14是否全開（應(yīng)全開）。③檢查蒸氣管支路各控制閥10、13和空氣支路控制閥1、6是否已打開（應(yīng)保證有一路是開啟狀態(tài)），保證蒸汽和空氣管線暢通。④合上電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動(dòng)電加熱器開關(guān)，開始加熱。加熱系統(tǒng)處于完好狀態(tài)。2.開始實(shí)驗(yàn)①合上電源總開關(guān)。打開加熱開關(guān),設(shè)定加熱電壓（不得大于200V）,直至有水蒸氣冒出，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中始終保持換熱器蒸汽放空口3或8處有水蒸氣冒出，經(jīng)過風(fēng)冷散熱器20將水蒸氣冷凝下來，并流回到水箱17中循環(huán)使用。加熱電壓的設(shè)定：按一下加熱電壓控制儀表的④鍵，在儀表的SV顯示窗中右下方出現(xiàn)一閃爍的小點(diǎn)，每按一次?鍵，小點(diǎn)便向左移動(dòng)一位，小點(diǎn)在哪個(gè)位子上就可以利用?、◎鍵調(diào)節(jié)相應(yīng)位子的數(shù)值，調(diào)好后在不按動(dòng)儀表上任何按鍵的情況下30秒后儀表自動(dòng)確認(rèn)，并按所設(shè)定的數(shù)值應(yīng)用。②合上面板上風(fēng)機(jī)開關(guān)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并用旁路調(diào)節(jié)閥14來調(diào)節(jié)空氣的流量，在一定的流量下穩(wěn)定3—5分鐘后分別測(cè)量空氣的流量，空氣進(jìn)、出口的溫度，由溫度巡檢儀測(cè)量（1-光滑管空氣入口溫度；2-光滑管空氣出口溫度；3-粗糙管空氣入口溫度；4-粗糙管空氣出口溫度），換熱器內(nèi)管壁面的溫度由溫度巡檢儀（上-光滑管壁面溫度；下-粗糙管壁面溫度）測(cè)得。然后，在改變流量穩(wěn)定后分別測(cè)量空氣的流量,空氣進(jìn)，出口的溫度，壁面溫度后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。③實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱、風(fēng)機(jī)和總電源。一切復(fù)原。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：.實(shí)驗(yàn)前將加熱器內(nèi)的水要加到指定位置，防止電熱器干燒損壞電器。特別是每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下次實(shí)驗(yàn)之前，一定檢查水位，及時(shí)補(bǔ)充。46

.計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和過程控制實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照計(jì)算機(jī)使用規(guī)程操作計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)和控制過程中要注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。.開始加熱時(shí)，加熱電壓控制在(160V)左右為宜。.加熱約十分鐘后，可提前啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，保證實(shí)驗(yàn)開始時(shí)空氣入口溫度t1(℃)比較穩(wěn)定，可節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。.必須保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽支路控制閥之一必須全開。轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開啟需要的支路閥門，再關(guān)閉另一側(cè)閥門，且開啟和關(guān)閉控制閥門時(shí)動(dòng)作要緩慢，防止管線驟然截?cái)嗍拐羝麎毫^大而突然噴出。.保證空氣管線暢通，即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，兩個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥必須全開。轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源然后再開啟或關(guān)閉控制閥。.注意電源線的相線、零線、地線不能接錯(cuò)。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理過程舉例：1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算過程簡(jiǎn)介(以光滑管第一組數(shù)據(jù)為例)。孔板流量計(jì)壓差A(yù)P=0.9Kpa壁面溫度Tw=99.4℃。進(jìn)口溫度t1=14.4℃出口溫度t2=63.5℃①傳熱管內(nèi)徑d(mm)及流通斷面積F(m2)：di=20.0(mm),=0.0200(m);F=n(d2)/4=3.142X(0.0200)2/4=0.0003142(m2).i傳熱管有效長(zhǎng)度L(m)及傳熱面積si(m2)： L=1.200(m)s=nLdj=3.142X1.200X0.0200=0.075394(m2).②傳熱管測(cè)量段上空氣平均物性常數(shù)的確定.先算出測(cè)量段上空氣的定性溫度t(℃)為簡(jiǎn)化計(jì)算,取t值為空氣進(jìn)口溫度t1(℃)及出口溫度t2(℃)的平均值：_t,_t,+1\―12214.4+63.52=38.95(℃)據(jù)此查得：測(cè)量段上空氣的平均密度p=1.23(Kg/m3)；47

測(cè)量段上空氣的平均比熱Cp=1005(J/Kg-K);測(cè)量段上空氣的平均導(dǎo)熱系數(shù)入=0.0274(W/m-K);測(cè)量段上空氣的平均粘度u=1.91X(Pa-$)；③傳熱管測(cè)量段上空氣的平均普蘭特準(zhǔn)數(shù)的0.4次方為：Pm.4=0.86④空氣流過測(cè)量段上平均體積V(m3/h)的計(jì)算：孔板流量計(jì)體積流量:1孔板流量計(jì)體積流量:110 0■2x■2x0.9x1000

=0.65*3.14*0.0172*3600/4*J =13.97(ma/h)1.23傳熱管內(nèi)平均體積流量V：m273+1x273+1x 273+1=13.97x273+38.95273+14.4=15.16(m3/h)(m/s)℃)(m/s)℃)⑤平均流速u：u=V/(Fx3600)=15.16/(0.0003142x3600)=13.⑥冷熱流體間的平均溫度差A(yù)tm(℃)的計(jì)算：測(cè)得tw=99.4(℃)(tM)At=t—_1 j=99.4—38.95=60.45(小)mw2 (℃)⑦其他項(xiàng)計(jì)算：VxpxCp.xAt)傳熱速率(W)Q= 1t 360015.16x1.14x1005x(63.5-14.4)= 3600 =237(W)a=Q/(AtxS)=237/(60.45x0.07539)=52 (W/m2i mi傳熱準(zhǔn)數(shù)Nu=axd/X=52x0.0200/0.0274=3848測(cè)量段上空氣的平均流速：U=12.98（m/s）雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=dxuxp/^=0.0200x12.98x1.14/0.0000191二15571⑧作圖、回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中的系數(shù)。Nu=0.0185Re0.8022Pr0.4⑨重復(fù)步驟（1）-（8），處理強(qiáng)化管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。作圖回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中的系虬N”0-0309Re07884pr0.4表二、實(shí)驗(yàn)裝置1數(shù)據(jù)記錄及整理表（普通管換熱器）No.1234567流量（Kpa）0.91.52.12.633.354.215.63t(℃) 1 14.415.616.218.520.924.130.3Pt1(Kg/m3)1.231.221.221.211.201.191.17t2(℃)63.562.361.461.66262.865.1Tw(℃)99.499.499.399.299.299.299.2tm(℃)38.9538.9538.8040.0541.4543.4547.70Ptm(kg/m3)1.141.141.141.141.131.131.11入tmX1002.742.742.742.752.76