環(huán)境工程原理試驗

實驗一柏努利實驗一、實驗?zāi)康?、通過實測靜止和流動的流體中各項壓頭及其相互轉(zhuǎn)換，驗證流體靜力學(xué)原理和柏努利方程。2、通過實測流速的變化和與之相應(yīng)的壓頭損失的變化，確定兩者之間的關(guān)系。二、基本原理流動的流體具有三種機械能：位能、動能和靜壓能，這三種能量可以互相轉(zhuǎn)換。在沒有摩擦損失且不輸入外功的情況下，流體在穩(wěn)定流動中流過各截面上的機械能總和是相等的。在有摩擦而沒有外功輸入時，任意兩截面間機械能的差即為摩擦損失。流體靜壓能可用測壓管中液柱的高度來表示，取流動系統(tǒng)中的任意兩測試點，列柏努利方程式：Zg+4+P=Zg+紇+4+zh2P26 2pf對于水平管，z『Z2,則 <+p=紇+p+zhp2pf若u1=u2,則P2<Pj在不考慮阻力損失的情況下，即2hf=0時，若u1=u2,則P2=P1。若u1>u2,p1Vp2；在靜止?fàn)顟B(tài)下，即u1=u2=0時，P]=p2。三、實驗裝置及儀器裝置由一個液面高度保持不變的水箱，與管徑不均勻的玻璃實驗管連接，實驗管路上取有不同的測壓點由玻璃管連接。水的流量由出口閥門調(diào)節(jié)，出口閥關(guān)閉時流體靜止。四、實驗步驟及思考題關(guān)閉出口閥7,打開閥門3、5,排出系統(tǒng)中空氣；然后關(guān)閉閥7、3、5,觀察并記錄各測壓管中的液壓高度。思考：所有測壓管中的液柱高度是否在同一標(biāo)高上？應(yīng)否在同一標(biāo)高上？為什么？將閥7、3半開，觀察并記錄各個測壓管的高度，并思考：（1）A、E兩管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？（2）B、D兩管中，C、D兩管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？將閥全開，觀察并記錄各測壓管的高度，并思考：各測壓管內(nèi)液位高度是否變化？為什么變化？這一現(xiàn)象說明了什么？五、實驗數(shù)據(jù)記錄實驗二流體流型的觀察與測定一、實驗?zāi)康?、觀察流體在管內(nèi)流動的兩種不同型態(tài)，加強層流和湍流兩種流動類型的感性認(rèn)識;2、掌握雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的測定與計算；3、測定臨界雷諾數(shù)。二、基本原理雷諾（Reynolds）用實驗方法研究流體流動時，發(fā)現(xiàn)影響流動類型的因素除流速u外，還有管徑（或當(dāng)量管徑）d，流體的密度p及粘度p，由此四個物理量組成的無因次數(shù)群Re的值是判定流體流動類型的一個標(biāo)準(zhǔn)。Re=誓 （1-1）Re<2000?2300時為層流，Re>4000時為湍流，2000<Re<4000時為過渡區(qū)，在此區(qū)間流型可能表現(xiàn)為流層，也可能表現(xiàn)為湍流。從雷諾數(shù)的定義式來看對同一個儀器d為定值，故u僅為流量的函數(shù)。對于流體水來說,p、p幾乎僅為溫度的函數(shù)。因此確定了水的溫度及流量，即可計算雷諾數(shù)。注意：雷諾實驗要求減少外界干擾，嚴(yán)格要求時應(yīng)在有避免震動設(shè)施的房間內(nèi)進行。如果條件不具備，演示實驗也可以在一般房間內(nèi)進行。因為外界干擾及管子粗細(xì)不均勻等原因，層流的雷諾數(shù)上界達不到2000,只能達到1600左右。層流時紅墨水成一線流下，不與水相混。湍流時紅墨水與水混旋，分不出界限。三、實驗裝置及儀器玻璃

試驗管出水閥試驗裝置如圖1-1所示，液面保持一定高度的水箱與玻璃測試管相連，水箱上放有顏色水瓶，測試管上安有帶針頭的膠塞，用出口閥調(diào)節(jié)流量，用轉(zhuǎn)子流量計測定流 進水玻璃

試驗管出水閥量。試驗時水由高位水箱進入玻璃管，槽內(nèi)水由進水管供應(yīng)，槽內(nèi)設(shè)有進水穩(wěn)流裝置及溢流箱用以維持平穩(wěn)而又穩(wěn)定的液面，多余之水由溢流管排入水溝。圖1-1雷諾實驗裝置四、實驗步驟1、檢查針頭是否堵塞，顏色水是否沉淀。2、向水箱內(nèi)注水。3、打開出口閥，排除實驗管中的氣體。4、開啟上水閥，使高位槽充水至產(chǎn)生溢流時關(guān)閉（若條件許可，此步驟可在實驗前數(shù)小時進行，以使高位槽中的水經(jīng)過靜置，消除旋流，提高實驗的準(zhǔn)確度）。5、開顏色水閥，使顏色水由針頭注入玻璃試驗管。6、逐步開大排水閥，觀察不同雷諾數(shù)時的流動狀況，并把現(xiàn)象記入表中。7、做兩種情況下的對比實驗：（1）關(guān)閉高位槽的進水閥，保持液面平靜，從觀察的玻璃管中，測取管中水流從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的Re臨界值。注意，此時液面雖平靜，但液面的高度是在緩慢下降的。（2）開啟高位槽的進水閥以保持槽中液面高度不變，但此時液面是不平而有波動的，測取此時的Re臨界值，并分析和比較兩種情況下的實驗結(jié)果。8、觀察層流時流體質(zhì)點的速度分布。層流時，由于流體與管壁間的摩擦力及流體內(nèi)摩擦力的作用，管中心處流體質(zhì)點速度最大，愈靠近管壁速度愈小。因此，靜止時處于同一橫截面的流體質(zhì)點，開始層流流動后，由于速度不同，組成了旋轉(zhuǎn)拋物面（即由拋物線繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)形成的曲面）。先打開紅墨水閥門，使紅墨水?dāng)U散為團狀。再稍稍開啟排水閥，使紅墨水緩慢隨水運動，則可觀察到紅墨水團前端的界限，形成了旋轉(zhuǎn)拋物面。五、思考題1、影響流動形態(tài)的因素有哪些？2、如果管子是不透明的，不能直接觀察管中的流動形態(tài)，你可以用什么辦法來判斷流體在管中的流動形態(tài)？3、有人說可以只用流速來判斷管子中的流動形態(tài)，流速低于某一個具體數(shù)時是層流，否則是湍流，這種看法對嗎？在什么條件下可以只由流速來判斷流動形態(tài)？4、研究流動形態(tài)有何意義？實驗三流體流動阻力的測定一、實驗?zāi)康?、測定水流過一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力損失Apf，確定層流時摩擦阻力系數(shù)丸和雷諾準(zhǔn)數(shù)Re之間的關(guān)系；2、測定水流過管件、閥門等的局部阻力損失，確定其局部阻力系數(shù)。；3、熟悉測定流體流經(jīng)直管和管件時的阻力損失的實驗組織方法及測定摩擦系數(shù)的工程意義；4、學(xué)會U形壓差計、轉(zhuǎn)子流量計的使用方法，了解渦輪流量計、差壓變送器、變頻器等的工作原理；5、識別組成管路中的各個管件、閥門并了解其作用。二、實驗原理由于流體粘性的存在，流體在流動的過程中會發(fā)生流體間的摩擦，從而導(dǎo)致阻力損失。層流時阻力損失的計算式是由理論推導(dǎo)得到的;湍流時由于情況復(fù)雜得多，未能得出理論式，但可以通過因次分析法再結(jié)合實驗研究，獲得具體的關(guān)聯(lián)式。實驗研究發(fā)現(xiàn)，影響湍流時直管阻力損失Apf的因素有：流體性質(zhì)：密度p和粘度〃；管路特性：管徑d、管長l和管壁粗糙度￡；操作條件：流速u；根據(jù)因次分析法，Apf可以表示成上述諸多影響因素的關(guān)系式：組合成四個無因次數(shù)群:若實驗設(shè)備已定，（2-2）式可寫為:組合成四個無因次數(shù)群:若實驗設(shè)備已定，（2-2）式可寫為:7Np ￡、lu2h=/-=9(Re,-)-T--7

fp dd2(2-1)(2-2)(2-3)若實驗設(shè)備是水平直管，Apf=/p，即阻力損失表現(xiàn)為壓力降，（2-3）式可寫為:(2-4)所以:hf即：所以:hf即：(2-5)(2-6)式中力為直管的摩擦阻力系數(shù)。由（2-6）式可知，丸與流體流動的雷諾數(shù)Re及管壁的相對粗糙度￡/d有關(guān)。若流體為

層流流動時，直管的摩擦阻力系數(shù)為:「64(2-7)人(2-7)Re若裝置已經(jīng)確立，物系也已確定，那么么只隨Re而變，實驗操作變量僅有流量，改變閥門的開度可以達到改變流速u的目的，因此在管路中需要安裝一個流量計；在直徑為d、長度為l的水平直管上，引出二個測壓點，并接上一個壓差計，可以用壓差變送器或液柱壓差計測量壓差A(yù)p（注：壓差變送器是將壓差轉(zhuǎn)換成電信號再用儀表顯示，液柱壓差計是將壓差以液柱高度表示的，若為U形管壓差計計算公式為：Ap——（p指示-p液體）gR。若為倒U型管壓差計，計算公式請自行推導(dǎo)）；實驗體系確定后，p、〃是物性參數(shù)，它們只取決于實驗溫度，所以，在實驗裝置中需要安裝測流體的溫度計；再配上水槽、泵、管件等組建成循環(huán)管路，實驗裝置流程見圖2-1。局部阻力損失通常有兩種表示方法：當(dāng)量長度法和阻力系數(shù)法。由阻力系數(shù)法：(2-8)Auu2Papp-(2-8)測定通過某局部（彎頭、管件、閥門等）的前后壓差A(yù)p（=Apf）和通過此局部的平均流速u，由（2-7）式計算其局部阻力系數(shù)Z。三、實驗流程圖和實驗步驟（1）手動阻力實驗裝置a、實驗流程圖（圖2-1）

1-光滑管，2-粗糙管，3-層流管，4-離心泵管

圖2-1流體流動阻力實驗流程圖實驗裝置參數(shù)見下表裝置1名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力大小頭不銹鋼管32.0閘閥鍍鋅鐵管32.0湍流光滑管不銹鋼管121.5200粗糙管鍍鋅鐵管220.5200層流銅管36140裝置2名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力90°彎頭鍍鋅鐵管32.0閘閥鍍鋅鐵管32.0湍流光滑管不銹鋼管121.5200粗糙管鍍鋅鐵管220.5200層流銅管36140b、實驗步驟1、泵的啟動：關(guān)閉控制閥，關(guān)閉光滑管和粗糙管引壓閥，引水灌泵，啟動泵。2、系統(tǒng)排氣（1）總管排氣：同時打開光滑管和粗糙管的切換閥，先將控制閥開足然后再關(guān)閉，重復(fù)三次，目的為了使總管中的大部分氣體被排走，然后打開總管排氣閥，開足后再關(guān)閉，重復(fù)二遍。（2）引壓管及壓差計排氣：每次測直管阻力或測局部阻力時，打開相應(yīng)的引壓閥，再打開差壓變送器上的平衡閥和相應(yīng)的引壓管放氣閥，開、關(guān)重復(fù)三次。注意：檢驗排氣是否徹底是將控制閥開至最大，再關(guān)至為零，看壓差變送器計讀數(shù)，若前后讀數(shù)相等，則判斷系統(tǒng)排氣徹底；若前后讀數(shù)不等，則重復(fù)上述2步驟。3、湍流時直管阻力的測定：由于Re在充分湍流區(qū)時，入?Re的關(guān)系曲線處在雙對數(shù)座標(biāo)的密集區(qū)，所以在大流量時少布點;而Re在比較小時，入?Re的關(guān)系是曲線，所以小流量時多布點。先將控制閥開至最大，讀取流量顯示儀讀數(shù)F大，然后關(guān)至壓差顯示值約0.3kPa時，再讀取流量顯示儀讀數(shù)F小在F小和F大二個讀數(shù)之間布14?16個點。4、八局部阻力和層流阻力的測定：切換引壓閥，測定相應(yīng)局部阻力。關(guān)閉總管控制閥，打開轉(zhuǎn)子流量計，排除空氣，測定層流阻力。5、停泵：關(guān)閉出口閥，停止水泵電機。上機處理數(shù)據(jù)。

c、實驗數(shù)據(jù)記錄*流量L/s（湍流）或（L/h）（層流）光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa層流mmH夕壓差壓差壓差*右壓差（2）自動控制阻力實驗裝置a、實驗流程圖（圖2-2）自動測量阻力實驗裝置具有在線操作功能。實驗對象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)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，自上而下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使用內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。

實驗四傳熱系數(shù)的測定一、實驗?zāi)康?、通過實驗掌握總傳熱系數(shù)K和傳熱膜系數(shù)a的測定方法；2、通過實驗提高對a關(guān)聯(lián)式的理解，了解工程上強化傳熱的措施；3、測定流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流時的傳熱準(zhǔn)數(shù)方程式。二、基本原理.總傳熱系數(shù)的測定根據(jù)傳熱速率方程式：Q=KAAtm (5—1)(5—2)如果實驗設(shè)備保溫良好，(5—2)Q(5(5—3)K二(5—4)(5—4)lnmln-流體的密度，m-流體的密度，m3/kg流體的體積流量,m3/s-流體的恒壓熱容，J/kg.K——冷流體的進、出口溫度，KK——傳熱系數(shù)，W/m2.KQv——

CP--Qv——

CP--t.、tQ——傳熱量,WTs——水蒸氣的溫度，KAt——傳熱對數(shù)平均溫度差m.傳熱膜系數(shù)的測定流體與壁面的對流傳熱可由牛頓冷卻定律表示Q=aA(Tw—t) (5—5)A——傳熱面積(內(nèi)管外表面積)，m2Tw——傳熱管的外壁面平均溫度，Ka——對流傳熱系數(shù)，W/m2.K在實驗中只要已知管壁的平均溫度和流體的平均溫度t,即可計算出傳熱膜系數(shù)a的值。.傳熱準(zhǔn)數(shù)方程的測定當(dāng)流體在圓形直管內(nèi)強制湍流時的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式為：

(5—6)(5—6)其中al對于同一物系的實驗，當(dāng)控制換熱器冷流體的進出口溫度基本保持不變時，Prn也可以視為常數(shù)，因此有Nu/'d=CRm （5—7）/Pn er這樣就簡化成單變量方程。兩邊取對數(shù)，得到直線方程：lg生^=lgC+mlgRe （5—8）Prn在雙對數(shù)坐標(biāo)系中作圖，直線斜率即為方程的指數(shù)m,由縱軸上的截距即可求得C。可得出流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流的Dittus—Boeiter關(guān)聯(lián)式N=0.02R0.8Pn （5—9）u er式中n=0.4（流體被加熱）n=0.3（流體被冷卻）三、實驗裝置本實驗中的換熱器為套管式，內(nèi)管為024X2mm的銅管，有效管長1000mm。實驗裝置如圖5.1所示。實驗選用空氣為冷流體，水蒸汽為熱流體。空氣來自鼓風(fēng)機，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計測量流量、溫度計測量溫度后，進入換熱器管程，換熱后在出口處測量其出口溫度。水蒸汽來自蒸汽發(fā)生器，經(jīng)蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至一定壓力后進入換熱器的殼程，并在入口處測量其壓力，與冷空氣換熱后冷凝水經(jīng)疏水閥排至地溝。圖5.1傳熱系數(shù)測定裝置1、電加熱鍋爐，2、氣泵，3、氣體緩沖罐，4轉(zhuǎn)子流量計，5、套管

換熱器，6、壓力表、7、溫度計，8、疏水閥四、實驗步驟1、開啟空氣壓縮機，使氣體充滿壓縮空氣罐，并用調(diào)節(jié)閥將氣量調(diào)節(jié)至實驗范圍內(nèi)；2、緩慢開啟蒸汽調(diào)節(jié)閥，用旁路排出蒸汽管道內(nèi)積存的冷凝水，用放氣閥排盡夾套內(nèi)的空氣；3、緩慢地調(diào)節(jié)蒸汽閥，使蒸汽壓力維持在實驗值，穩(wěn)定一段時間后讀取水蒸氣壓力表讀數(shù)、氣量以及氣體的進出口溫度；4、改變空氣流量和水蒸氣壓力，測定4?5組數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)蒸汽閥的過程中，注意儀表的滯后性，待過程穩(wěn)定后方可記錄數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)處理1、原始數(shù)據(jù)記錄表裝置編號序號熱流體冷流體壁溫Tw/℃溫度/℃P壓力/MPaT溫度/℃流L量L/h，進1出1234六、思考題.本實驗中冷流體和蒸汽的流向?qū)鳠嵝Ч惺裁从绊懀?為什么實驗開始時必須首先排盡夾套里的不凝性氣體以及積存的冷凝水?.實驗中銅管壁面溫度是接近水蒸氣溫度還是接近空氣的溫度？為什么？.在實驗中，有哪些因數(shù)影響實驗的穩(wěn)定性？.影響傳熱系數(shù)K的因數(shù)有哪些？如何強化該傳熱過程？.在傳熱中，有哪些工程因數(shù)可以調(diào)動？你在操作中主要調(diào)動哪些因數(shù)？實驗五填料吸收塔流體力學(xué)性能的測定一.實驗?zāi)康牧私馓盍衔账慕Y(jié)構(gòu)和基本流程；了解填料吸收塔的操作方法；測定空塔氣速、噴淋密度與操作壓降間的關(guān)系。二、實驗原理填料塔的流體力學(xué)性能主要包括氣體通過填料層的壓降、液泛氣速、持液量及氣液兩種流體的分布等，本實驗將測定不同噴淋密度下通過填料層的壓降與空塔氣速間的關(guān)系，并觀察填料表面的液流狀態(tài)及液泛現(xiàn)象。三、實驗裝置如圖6.1所示為本實驗的流程，空氣由風(fēng)機供給，旁路閥用以調(diào)節(jié)空氣流量，空氣經(jīng)油水分離器及轉(zhuǎn)子流量計后進入塔底，從塔頂排氣管排出。水經(jīng)調(diào)節(jié)閥及轉(zhuǎn)子流量計后從塔頂噴灑入塔，經(jīng)液封管排出。氣體通過填料層的壓降用U型壓差計測量。穩(wěn)壓耀風(fēng)機圖6.1填料塔流程圖四、實驗步驟.打開旁路閥，啟動風(fēng)機，由小到大逐漸調(diào)節(jié)空氣的流量，記錄干塔條件下不同空氣流量時的填料層壓降值，測量點。.打開進水閥以充分潤濕填料，然后再調(diào)節(jié)水量至適宜值，為了保證填料的潤濕，噴淋量不應(yīng)少于50L/h，記錄不同氣速下填料層的壓降值，至塔內(nèi)發(fā)生液泛為止，并記錄液泛點氣速。改變噴淋密度，并觀察壓降與液泛氣速的變化。

五實驗數(shù)據(jù)記錄序號水的流量空氣流量壓力降mmH2O塔內(nèi)L/h流量計實際計前表壓計前溫度塔淀表壓層壓現(xiàn)象33六、思考題.空氣流量有轉(zhuǎn)子流量計測定，如何換算成實際流量?.液泛點氣速與噴淋密度有何關(guān)系？為什么？實驗六填料吸收塔體積傳質(zhì)系數(shù)的測定一、實驗?zāi)康牧私馓盍衔账慕Y(jié)構(gòu)和流程；了解吸收劑進口條件的變化對吸收操作結(jié)果的影響；掌握填料吸收塔總傳質(zhì)系數(shù)的測定方法。二、基本原理.氣相總傳質(zhì)系數(shù)本實驗是用水逆流吸收空氣-氨混合氣體中的氨，因?qū)嶒炛兴没旌蠚怏w中氨的濃度很低，吸收所得的溶液濃度也不高，氣液兩相的平衡關(guān)系近似認(rèn)為服從亨利定律，故可用對數(shù)平均濃度差法進行計算。根據(jù)吸收速率方程，填料層高度的計算式為7GY—Yh二一B-?T——2 (7—1)KYaAYKa=GB(Y-Y2)/(hAY( (7—2)式中KYa——以AY為推動力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(h.m2)；h——填料層高度，m；GB——進塔空氣的摩爾流率，kmol/h.m3；Y]、Y2——進出塔氣體濃度，kmolNH3/kmol空氣；△Ym——氣相平均推動力AY=(A{-AY2)/(ln(AY]-AY2)) (7—3).空氣流量計算實驗用的轉(zhuǎn)子流量計刻度是按照空氣在規(guī)定條件(20℃,1atm)下標(biāo)定的，因此在實際操作條件下，要根據(jù)不同的介質(zhì)和實驗環(huán)境對流量計的讀數(shù)予以校正，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的流量Vo由下式計算：(7—4)%=V*T。/P0:'P?P2/T]?T2(7—4)式中V*——實驗時轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)，m3/h；T。、P0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的溫度、壓強，即T0=273K,P0=1013kPa;T1、P1——標(biāo)定狀態(tài)下空氣的溫度、壓強，即T1=293K,P1=1013kPa;T2、P2——實驗條件下空氣的溫度、壓強，K,kPa空氣的摩爾流量：(7—5)GB=V0/(22.4(7—5)式中A——塔的截面積，m2.氨氣流量的計算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氨氣的流量v0NH3可用下式計算:V0,NHV0,NH3'*T/PNH30 0P?P/T?T12 12(7—6)式中VNH*——實驗時氨轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)，m3/h；p——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的密度，即p=1.293kg/m3；pNH3——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氨氣的密度，即pNH3=0.771kg/m3.進氣濃度計算Y1=V0,NH3/V0 D.尾氣濃度計算