化工原理及实验(上)实验教材

化工原理及实验（上）实验教材 实验一  流体的流动状态—雷诺实验(演示实验) 一、 演示目的    观察流体在圆形直管中的流动状态，加深对不同流动状态的理解。 二、 演示原理    经过大量的实验观察，1880年雷诺（Reynolds）发现流体在管道中流动时具有不同的流动状态。当流体的流速较低时，流体质点（微团）只沿管轴向流动，互不混合，称为层流（或滞流）；当流体的流速较高时，流体质点不仅沿管轴向流动而且还有径向流动，即流体质点在管轴向流动的同时，还作复杂的不规则运动，相互混合碰撞，称为湍流（或紊流）；界于层流和湍流之间的流动称为过渡流。各种流体流动状态如图4-1所示。 三、 演示装置 演示装置如图4-2所示。流体流动状态演示仪器主要由贮水槽、有色液体贮瓶、水平圆形直管及流量计组成。 水自贮水槽进入水平圆形直管，由管道的出口阀控制流量的大小。红墨水自贮瓶引出注入管道中心轴线处。当调节阀门使管道中的流量从小到大变化时，就会出现红墨水在管道中呈现出如图4-1所示的三种状态。 四、 基本原理 雷诺准数是判断流动形态的准数，若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示： 式中 ：管子内径（m）， ：流速（m/s）， ：流体密度（kg/m3） ， ：流体粘度（NS/m2）。 一般认为：Re<2000时，流动形态为滞流；Re>4000时，流动形态为湍流。Re数在两者之间有时为滞流，有时为湍流，和环境有关。 对于一定温度的流体在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流速有关，本实验是改变水在管内的流速，观察在不同雷诺数下流体流型的变化。 五、 装置 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 1——贮瓶， 2——贮水槽，3——圆形直管（有机玻璃）， 4——转子流量计 六、 实验步骤    1、 水通过进水阀，充满水箱2。开启出水阀，排除管路系统中的空气。 2、 为了保持水位恒定和避免波动水由进口管先流入进水槽后由小孔流入水箱其中多余的水经溢流口排出。 3、 测定水温 4、 将示踪剂（红墨水即可）加入贮瓶1内。 5、 实验操作时，先开启流量计4少许，调节针型阀，控制着示踪剂的注入速度。 6、 逐渐增加调节阀开度，观察着色水流的变化。 七、数据记录                      年      月      日  水温    ℃ NO 流量 ml/h 流速 m/s Re×103 现象 1         2         3         4         5                   实验二  旋风分离器(演示实验) 一、 演示目的 观察旋风分离器分离气、固混合物的现象了解旋风分离器的结构及工作原理。 二、 演示原理 旋风分离器主体上部是圆桶型，下部是圆锥型，含尘气体从旋风分离器的进气管沿切线方向进入分离器内做旋转运动，尘粒受到离心力作用而被甩向器壁，再经圆锥筒落入灰斗。干净的气体则由中心上行自排气管排出，从而达到分离的目的。 三、 演示装置 1——加料斗，2——生气管，3——分离器，4——集尘斗，5——风机 四、实验步骤 1、 在加料斗中加入一些黑煤粉。 2、 合上风机电闸。 3、 慢慢打开处于风机上的风量控制阀，观察在不同风量下分离器内的外旋涡和内旋涡。 实验三 流体机械能的变化(演示实验) 一、演示目的 1、 通过本实验，加深对能量相互转化概念的理解。 2、 观察流体流经收缩、扩大管时，各截面上静压头的变化。 3、 伯努利方程的应用——利用能量转化关系来测定流量（测定文氏管的孔流系数 ） 二、实验原理 不可压缩的流体在导管内做定常流动时，由于导管截面的改变致使各截面上的流速不同而引起的静压头的变化，其关系可由流动过程中能量衡算方程来描述。 对于非理想流体，必须考虑其粘度，那么 因导管截面发生变化引起流速的变化，致使静压头与动压头相互转化，它的变化可由各玻璃管中液柱的高度表现出来。 当导管中的流体流动时，不难看出 当导管处于同一水平面上： 由于A截面到C截面，流道截面逐渐缩小，管内流速W不断增大，流体中部分静压能转化为动能，还有阻力损失 。因此， 。 反之，从C截面到E截面，流道截面逐渐扩大，管内流速W不断减小，流体中部分动能又转化为静压能， 。 流量的变化可由阀 和阀 的调节来实现。在不同流量下，从各玻璃管显示出的压强变化的规律中去理解伯努利方程的意义，开拓对伯努利方程的应用。 三、演示装置及流程 1——溢流槽，2——玻璃管，3——文氏管，4——磁力泵，5——水箱 四、实验步骤 1、将清洁的水充满水箱 2、关闭阀 ，打开阀 ，启动水泵。让水充满测试管并排尽管内（包括测试管）的空气。 3、打开阀 ，调节阀 ，使各点的测压液柱控制在标尺范围内。 4、逐步调节阀 ，改变管道内流量，测取若干点流量下，动能与静压能的变化规律并加以计算。 五、实验记录 NO 流量 1/h (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 1             2             3             4             5                           实验四 流体流动阻力的测定 一、实验目的 1、熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织法及测定摩擦系数的工程意义； 2、学会压差计和流量计的使用方法。 3、识别组成管路中各个管件、阀门，并了解其作用。 二、基本原理 化工管路由直管部分和管件部分组成。流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，因此不可避免地要消耗一定的机械能。 直管部分损失的流体机械能称为直管阻力损失（或称沿程阻力损失）；管件部分部分损失的称为局部阻力损失。工程上必须对这种机械能的损失作出定量计算。 分析流体流动过程可知它是一个多参数过程， 。由因次论的指导，从诸多影响流体流动的因素中组合流体流经管件时的阻力损失为如下的函数关系式： 即寻找出 就可以计算出流体在管道内流动时的能量损失： 及  式中： ：直管摩擦系数， ：直管内径m， ：直管长度m ， ：流体流速m/s， ：管件的阻力系数， ——直管沿程压力降N/m2， ——管件局部压力降 N/m2 ，              由水银压差计读出    N/m2 流速由涡轮流量计及MMD智能流量仪算出： 式中：g——重力加速度m/s2 ， ——流体密度kg/m3，Vs——平均流量 m3/ 三、实验装置及流程 1、实验设备主要参数： 被测管长（m） 管径（公称直径） 被测管件 2 0．021 3/4＂闸阀       2、实验装置及流程： 涡轮流量计：  LW-15  精度0.5级  量程0.4~4.0m3/h 1、水箱 ；2、控制阀；3、放空阀 ；4、直管阻力测量U型压差计 ；5、平衡阀；6、放空阀；7、排液阀；8、温度计；9、泵；10、涡沦流量计；11、直管段取压孔；12、局部阻力测量U型压差计；13、闸阀；14、局部阻力取压孔； 四、实验步骤 1、水箱充满水至80%； 2、仪表调整、MMD智能流量仪及LW-15型按 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 调节（一般情况下，实验室人员已经将仪器调整到最佳状态）； 3、打开压差计上平衡阀，关闭各放气阀； 4、启动循环水泵； 5、排气：1）、管路排气；2）、测压导管排气；3）、关闭平衡阀，缓慢旋动压差计上放气阀排除压差计中的气泡，注意：先排进压管后排低压管（严防压差计中水银冲走），排气完毕。 6、读取压差计零位读数。 7、开启调节阀至最大，确定流量范围，确定实验点，测定直管部分和测定局部阻力（闸阀全开时）。 8、测定读数：改变管道中的流量读出一系列流量Vs    压差： （或 ） 9、数据记录：                        流量系数： 序号 流量L/s 直管阻力 局部阻力 左读数 右读数 左读数 右读数 1           2           3           4           5           6           7           8                       10、实验装置恢复原状，打开压差计上的平衡阀，清理实验场地。 五、思考题 1.如何检验系统内的空气已经被排除干净？（启动离心泵用大流量水循环把残留在系统内的空气带走。关闭出口阀后，打开U形管顶部阀门，利用空气压强使U形管两支管水往下降，当两支管液柱水平，证明系统中空气已被排除干净。） 2. 测压孔的大小和位置，测压导管的粗细和长短对实验有无影响？为什么？ 3. 试解释突然扩大、突然缩小的压差计读数在实验过程中有什么不同现象？ 4.不同管径、不同水温下测定的 ～Re曲线数据能否关联到同一曲线？ 5.在 ～Re曲线中，本实验装置所测Re在一定范围内变化，如何增大或减小Re的变化范围？ 6.本实验以水作为介质，作出 ～Re曲线，对其它流体是否适用？为什么？ （能用，因为雷诺准数是一个无因次数群，它允许d、u、 、变化。） 7.你在本实验中掌握了哪些测试流量、压强的方法？它们各有什么特点？ （测流量用转子流量计、测压强用U形管压差计，差压变送器。转子流量计，随流量的大 小，转子可以上、下浮动。U形管压差计结构简单，使用方便、经济。差压变送器，将压差 转换成直流电流，直流电流由毫安表读得，再由已知的压差~电流回归式算出相应的压差， 可测大流量下的压强差。） 8.作λ－Re图时，依点画线用什么工具？点在线的一侧还是两侧？怎样提高做图的精确度？做图最忌讳什么？（用曲线板或曲线尺画曲线，直尺画直线。点应在线的两侧，以离线的距离最近为原则。最忌讳徒手描。） 9.影响流动型态的因素有哪些？用Re判断流动型态的意义何在？ （影响流动类型的因素有：内因：流动密度 、粘度 ；外因：管径d、流速u,即 。 用它判断流动类型，什么样的流体、什么样的管子，流速等均适用，这样，就把复杂问题简 单化了，规律化了，易学、易用易于推广。） 10.直管摩擦阻力的来源是什么？（来源于流体的粘性 流体在流动时的内摩擦，是流体阻力的内因或依据。其外因或内部条件可表示为：内摩擦力F与两流体层的速度差Δ 成正比；与两层之间的垂直距离Δy成反比；与两层间的接触面积A与成正比。） 11.影响直管阻力的因素是什么？如何影响？（根据 直管助力与管长 、管经d、速度u、磨擦系数 有关系。它与 、 、u2成正比，与d成反比。） 实验五 离心泵特性曲线的测定 一、实验目的 1、熟悉离心泵的操作 2、测出单级离心泵固定转速下的特性曲线 二、实验原理 在一定转速下离心泵的实际压头 、轴功率 、泵的总效率 与泵流量 与测得（计算出）相应的 、 、 数据值标绘于坐标纸上所得的三条曲线即为泵的特性曲线。根据曲线可找出离心泵的最佳操作条件，这是选择离心泵的依据。流量可用流量计测出。压头可用下式计算： 泵的有效功率：          泵的效率：              ，这里用 三、实验装置及流程 1—控制阀，2—涡轮流量计，3—温度计，4—压力表，5—引水阀，6—真空表 四、实验步骤 1、首先关闭控制阀，打开引水阀和放气阀，关闭功率表，然后开机。 2、打开功率表，控制阀从关闭状态开到最大，观察功率表变化范围，合理匀布十个点。 3数据处理，作图注意选择坐标分度。 五、实验数据记录 条件数据： 装置号：            d1=    mm,    d2=    mm    h0=    mm =            功率表系数： 压力表等级：        量程：            最小分度： 真空表等级：        量程：            最小分度： 转速仪等级：                            最小分度： 涡轮流量计等级：    量程： 功率表等级：        量程：            最小分度： 实验数据记录： 序号 Q P P N 1         2         3         4         5         6         7         8         9         10                   六．思考题 1． 为什么启动离心泵前要先灌泵？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． 为什么启动离心泵时要关出口调节阀和功率表开关？启动离心泵后若出口阀不开，出口处压力表的读数是否会一直上升，为什么？ 3． 什么情况下会出现气蚀现象？ 4． 为什么泵的流量改变可通过出口阀的调节来达到？是否还有其它方法来调节流量？ 5． 正常工作的离心泵，在其进口管线上设阀门是否合理？为什么？ 6． 为什么在离心泵吸入管路上安装底阀？ 7． 测定离心泵的特性曲线为什么要保持转速的恒定？ 8． 为什么流量越大，入口真空表读数越大而出口压力表读数越小？ 实验六 过滤 一、实验目的 1、掌握过滤问题的简化工程处理方法及过滤常数测定； 2、了解过滤设备的构造和操作方法。 二、基本原理 过滤是借一种能将固体物截留而让流体通过的多孔介质将固体物从液体或气体中分离出来的过程，因此过滤在本质上是流体通过固体颗粒层的流动，所不同的是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，因此在势能差不变的情况下，单位时间内通过过滤介质的液体量也在不断下降，即过滤速率不断降低。过滤速率V的定义是单位时间、单位过滤面积内通过过滤介质的滤液量，即： 式中：  A——过滤面积 m2， ——过滤时间， V——通过过滤介质的滤液量 m3 影响过滤速度的主要因素除势能差（ ）滤饼厚度外，还有滤饼、悬浮液性质、悬浮体温度、过滤介质的阻力等，故难以用严格的流体力学方法处理。 比较过滤过程与流体经过固体床的流动可知：过滤速度，即为流体经过固体床的表现速度 ，同时，液体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷诺范围。 因此，可以用流体通过固体床压降的简化数学模型，寻求滤液量 与时间 的关系，在低雷诺数下，可用康采尼（Kozney）的计算式，即： 对于不可压缩滤饼，由上式可以导出过滤速率的计算式为： 式中： ——为形成与滤饼介质阻力相等的滤饼层所得的滤液量 m3 r ——滤饼的比阻 m3/kg， ——悬浮液中单位体积净液体中所带固体颗粒量 m3 ——液体粘度 ， ——过滤常数 m2/s 在衡压过滤时，上述微分方程积分后可得： 由上述方程可计算在过滤设备、过滤条件一定时，过滤一定滤液量所需要的时间，或者在过滤时间、过滤条件一定时为了完成一定生产任务，所需要的过滤设备大小。 利用上述方程计算时，需要知道 等常数，而 常数只有通过实验才能确定，在用实验方法测定过滤常数时，需将上述方程变换成如下形式： 因此，实验时只要维持操作压强恒定，记取过滤时间及相应的滤液量以 作图得 直线。读取直线斜率 和截距 ，求取常数 和 ，或者将 和 的数据用最小二乘法求取 和 的值，进而计算 和 的值。 若在衡压过滤的 时间内已通过单位过滤面积的滤液 ，则在 及 范围内将上述微分方程积分态整理后得： 上式表明 和 为线性关系，从而能方便地求出 的值。 三、实验装置与流程 1——供料泵      2——配料桶      3——接板式过滤器 四、实验步骤 1、实验可选用CaCO3粉末配置成滤浆，其量约占料桶的2/3左右，配置浓度在8.0B0左右。 2、料桶内滤浆可用压缩空气和循环泵进行搅拌，桶内压力控制在0.1-0.2MPa。 3、滤布在安装之前要先用水浸湿。 4、实验操作前，应先让供料泵通过循环管路，循环操作一段时间，过滤结束后，应关闭料桶上的出料阀，打开旁路上清水管路清洗供料泵，以防止CaCO3在泵内沉积。 5、实验初始阶段不是衡压操作。因此可采用两只秒表交替计时，计下时间和滤液量，并确定衡压开始时间 和相应的滤液量 。 6、当滤液量很少并且滤渣已充满滤框后，过滤即可结束。 五、实验数据记录 计量筒直径：                        园板过滤器直径： 操作压力：                          浓度：                  温度： 序号 时间S(秒) 计量（1升） 1     2     3     4     5     6     7     8     9     10           六、思考题 1．为什么过滤开始时，滤液常有浑浊，过一定时期才转清？ 2．滤浆浓度和过滤压强对K值有何影响？ 3．有哪些因素影响过滤速率？ 4．Δq取大些好，还是取小一些好?同一次实验，Δq取得不同，所得出k、qe之值会不会不同？做 ~q图时，q值为什么取两时间间隔的平均值? 实验七 列管换热器传热系数的测定 一、实验目的 1、了解换热器的结构，学会换热器的操作方法及换热器传热系数的测定方法； 2、测定列管式换热器的传热系数K 二、基本原理 列管式换热器是一种间壁式换热设备，冷、热流体间的传热过程由热流体对壁面的对流传热、间壁的固体热传导和壁面与冷流体的对流传热3个传热分过程组成。当忽略污垢热阻时，以热流体侧传热面积为基准的总传热系数与三个传热分过程的关系为： 式中 ——以热流体侧传热面积为基准的总传热系数， ——热流体的对流传热系数 ——冷流体的对流传热系数， ——热流体侧的传热面积， ——冷流体侧的传热面积， ——传热壁的平均传热面积； ——传热壁的厚度， ——传热壁的导热系数 对已知的物系和确定的换热器，上式可表示为：  式中  G——流体的质量流量 由此可知，通过分别考察冷热流体对传热系数的影响，从而可达到了解某个对流传热过程的性能。若要了解对流给热过程的定量关系，可由非线性数据处理而得。这种研究方法是过程分解与综合实验研究方法的实例。 传热系数 借助于传热速率方程式和热量衡算方程式求取。 热量衡算方程式，以热空气作衡算：  传热速率方程式：                  式中：          Q——传热量，T——热流体温度，t——冷流体温度， ——传热温度差 ——传热平均温差修正系数，全逆流时 =1，对于单壳程、双管程或二管程以上的 可从文献中查得，本实验中 =1。 三、 实验装置和流程 本实验流程冷流体是水，热流体是空气。冷流体经转子流量计测量其流量，温度计测量其温度后进入换热器壳程，换热后在出口出测量其出口温度。热流体从气体加热器出来后经转子流量计测量流量，温度计测量其温度后进入换热器管程，在出口处测量其出口温度。 1——气体，2——气体加热器，3、7、10、12——控制阀，4、11——流量计 5、6、8、9——温度计，13——水源 四、实验步骤 1、开通冷流体源，由阀5调节其流量 2、开通风源1，打开阀4，由阀3调节空气流量，接通电源，设定温度范围为100℃～120℃。 3、维持冷热流体流量不变，热空气进口温度在一定时间内（约10分钟）基本不变时，可记取有关数据。 4、测定传热系数K时，在维持冷流体（或热空气）流量不变的情况下，根据实验实验要求改变热空气（或冷流体）流量若干次。 5、实验结束，关闭加热电源，待热空气温度降至50℃以下，关闭冷热流体调节阀，并关闭冷热流体源。 五、实验数据记录 编 号 热流体 冷流体 流量 温度 流量 温度 1             2             3             4             5             6             7             8                           六、注意事项 1、加热时以设定120℃为宜，不得大于150℃，以免超出 50铜电阻的测量范围 2、气源不可以在0流量下工作，应用旁路阀来调节为宜。 3、在计算结果时 =1。 七、思考题 1． 影响传热系数K的因素有哪些？ 2． 在实验中哪些因素影响实验的稳定性？ 3． 根据实验结果分析如何强化传热？