《化工原理》实验讲义.doc

1、化工流动过程综合实验一、实验装置功能特点介绍：本实验装置将流体阻力实验、离心泵性能实验、流量计性能实验有机结合在一起，是一套多功能实验装置。可用于化工教学实验。通过实验，可以练习光滑直管、粗糙直管的阻力系数与雷诺准数的测量方法，并能绘制关系曲线；学习几种压差测量方法，加深对流体流动阻力概念的理解；同时可以让学生了解离心泵的结构、操作方法，掌握离心泵特性曲线测定方法，掌握离心泵管路特性曲线测定方法，并能绘制相应曲线，加深对离心泵性能的理解；了解各种流量计（节流式、转子、涡轮）的结构、性能及特点，掌握其使用方法；掌握节流式流量计标定方法，会测定并绘制文丘里流量计流量标定曲线（流量-压差关系）与流量

2、系数和雷诺数之间的关系（关系）。二、实验设备主要技术参数：1流体阻力部分：（1）被测直管段：光滑管: 管径d-0.008 (m) 管长L-1.708 (m) 材料不锈钢 粗糙管: 管径d-0.01 (m) 管长L-1.713(m) 材料不锈钢 （2）玻璃转子流量计：型 号 测量范围 精度LZB25 1001000（L/h） 1.5LZB10 10100（L/h） 2.5（3）压差传感器：型号LXWY 测量范围200 KPa（4）数字显示仪表：宇电数字显示仪表测量参数名称 仪表名称 数量温度 AI-501B 1压差 AI-501BV24 1流量 AI-501BV24 1功率 AI-501B 1（

3、5）离心泵：型号WB70/0552. 流量计性能部分：流量测量：文丘里流量计 文丘里喉径0.020m实验管路管径：0.043m，3离心泵性能部分；（1）离心泵：型号WB70/055 电机效率60%；（2）真空表：用于泵吸入口真空度的测量 测量范围0.1-0MPa 精度1.5级,真空表测压位置管内径d1=0.028m（3）压力表：用于泵出口压力的测量 测量范围0-0.25MPa 精度1.5级压强表测压位置管内径d2=0.042m（4）流量计：涡轮流量计 精度0.5级； （5）两测压口之间距离：真空表与压强表测压口之间的垂直距离h0=0.43m4 管路特性部分： 变频器：型号N2-401-H 规格

4、：（0-50）Hz三、实验装置流程图及基本情况简介1.实验装置流程示意图见图一图一 流动过程综合实验流程示意图1-水箱；2-水泵；3-入口真空表； 4-出口压力表； 5、16-缓冲罐； 6、14-测局部阻力近端阀； 7、15-测局部阻力远端阀； 8、17-粗糙管测压阀； 9、21-光滑管测压阀； 10-局部阻力阀； 11-文丘里流量计（孔板流量计）； 12-压力传感器； 13-涡流流量计； 18、32-阀门； 20-粗糙管阀； 22-小转子流量计；23-大转子流量计； 24阀门； 25-水箱放水阀； 26-倒U型管放空阀； 27- 倒U型管； 28、30-倒U型管排水阀； 29、31-倒U型管

5、平衡阀2.实验装置仪表面板图见图二（1）流体阻力测量：水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，经玻璃转子流量计22、23测量流量，然后送入被测直管段测量流体流动阻力，经回流管流回储水槽1。被测直管段流体流动阻力P 可根据其数值大小分别采用变送器12或空气水倒置型管来测量。（2）流量计、离心泵性能测定：水泵2将水槽1内的水输送到实验系统，流体经涡轮流量计13计量，用流量调节阀32调节流量，回到储水槽。同时测量文丘里流量计两端的压差，离心泵进出口压强、离心泵电机输入功率并记录。（3）管路特性测量：用流量调节阀32调节流量到某一位置，改变电机频率，测定涡轮流量计的频率、泵入口真空度、泵出口压强并记

6、录。四、实验方法及步骤：1流体阻力测量（1）向储水槽内注水至水满为止。(最好使用蒸馏水，以保持流体清洁) （2）光滑管阻力测定：a. 关闭粗糙管路阀门，将光滑管路阀门全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡。需要进行赶气泡操作。导压系统如图三所示。操作方法如下：加大流量，打开U型管进出水阀门11，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若观察气泡已赶净，将流量调节阀24关闭，U型管进出水阀11关闭，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀26后，分别缓慢打开阀门3、4，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内

7、形成气水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。然后关闭放空阀26，打开U型管进出水阀11，此时U型管两液柱的高度差应为零（12mm的高度差可以忽略），如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。图三 导压系统示意图3、4-排水阀； 11- U型管进水阀；12-压力传感器；26- U型管放空阀；27-U型管b. 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。c. 差压变送器与倒置U型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验操作，一般测取1520组数据。注：在测大流量的压差时应关闭U型管

8、的进出水阀11，防止水利用U型管形成回路影响实验数据。(3) 粗糙管阻力测定：关闭光滑管阀，将粗糙管阀全开，从小流量到最大流量，测取1520组数据。(4) 测取水箱水温。待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。(5) 粗糙管、局部阻力测量方法同前。2流量计、离心泵性能测定（1）向储水槽内注入蒸馏水。检查流量调节阀32，压力表4的开关及真空表3的开关是否关闭(应关闭)。（2）启动离心泵，缓慢打开调节阀32至全开。待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。（3）用阀门32调节流量，从流量为零至最大或流量从最大到零，测取 1015组数据，同时记录涡轮流量计频率、文丘

9、里流量计的压差、泵入口真空度、泵出口压强、功率表读数，并记录水温。（4）实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。3管路特性的测量（1）测量管路特性曲线测定时，先置流量调节阀32为某一开度，调节离心泵电机频率（调节范围5020Hz），测取 810组数据，同时记录电机频率、泵入口真空度、泵出口压强、流量计读数，并记录水温。（2）实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。五、实验注意事项1直流数字表操作方法请仔细阅读说明书，待熟悉其性能和使用方法后再进行使用操作。2启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。3利用压力传感器测量大流量下P时,应切断空

10、气水倒置型玻璃管的阀门否则将影响测量数值的准确。 4在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。5. 若之前较长时间未做实验，启动离心泵时应先盘轴转动，否则易烧坏电机。6. 该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好接地。7. 使用变频调速器时一定注意FWD指示灯亮，切忌按FWD REV键，REV指示灯亮时电机反转。8. 启动离心泵前，必须关闭流量调节阀，关闭压力表和真空表的开关，以免损坏测量仪表。9. 实验水质要清洁，以免影响涡轮流量计运行。六、附数据处理过程举例： 计算过程1.流体阻力测量(1) 直管摩擦系数l与雷诺数Re的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和

11、相对粗糙度的函数，即，对一定的相对粗糙度而言，。流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为： （1）又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式） （2）整理（1）（2）两式得 （3） （4）式中： 管径，m ； 直管阻力引起的压强降，Pa；管长，m；流速，m / s；流体的密度，kg / m3； 流体的粘度，Ns / m2。 在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度和粘度也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降Pf与流速u（流量V）之间的关系。 根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数，用式（4）计算对

12、应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出与Re的关系曲线。计算举例: 光滑管、小流量数据：Q60(Lh) h 51(H2O)( 以表一 第17组数据为例) 实验水温=27.8 粘度0.8510-3 (Pa.s) 密度995.78（kgm3） 管内流速 （m/s）阻力降 =498(Pa) 雷诺数 3.109103阻力系数 4.310-2 粗糙管、大流量数据：Q300(Lh) P 18.2 (kPa) ( 以表二 第13组数据为例)实验水温=29.2 粘度0.8210-3 (Pa.s)，密度995.40（kgm3） 管内流速 1.06 （m/s）阻力降 18.21000 = 18200

13、（Pa)雷诺数 1.29104阻力系数 = 0.190(2) 测定局部阻力系数a.局部阻力系数的测定 式中： 局部阻力系数，无因次； 局部阻力引起的压强降，Pa；局部阻力引起的能量损失，Jkg。图-4 局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a和b-b，见图1-1，使 abbc ； abbc则 Pf，a b Pf，bc ； Pf，ab= Pf，bc在aa之间列柏努利方程式： PaPa =2Pf，a b+2Pf，ab+Pf (5)在bb之间列柏努利方程式： PbPb = Pf，bc+Pf，

14、bc+Pf = Pf，a b+Pf，ab+Pf （6） 联立式(5)和(6)，则： 2(PbPb)(PaPa) 为了实验方便，称(PbPb)为近点压差，称(PaPa)为远点压差。其数值用差压传感器来测量。计算举例：局部阻力实验数据：Q800(Lh) 近端压差186 (kPa) 远端压差186.6 (kPa)实验水温=29.2 粘度0.8210-3 (Pa.s) 密度995.40（kgm3）实验水温=20.8 密度997.49（kgm3）( 以表三 第1组数据为例)管内流速： （m/s）局部阻力： 2(PbPb)(PaPa) =（2186-186.6）1000=185400（Pa)局部阻力系数：

15、 3.流量计性能测定(1) 实验原理及计算过程流体通过节流式流量计时在上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为： 式中：被测流体(水)的体积流量，m3/s； 流量系数，无因次； 流量计节流孔截面积，m2； 流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa ； 被测流体(水)的密度，kgm3 。 用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量VS。，每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数P和流量Vs绘制成一条曲线，即流量标定曲线。同时利用上式整理数据可进一步得到CRe关系曲线。(2)计算举例（以表四第5组数据为例）涡轮流量计： (m3/h) 流量计压差：15.5kpa 实验水温=31.1 粘度

16、0.7810-3 (Pa.s) 密度994.85（kgm3）(m/s)=4.99104 =0.9654.离心泵性能的测定(1)实验原理及计算过程AH的测定：在泵的吸入口和排出口之间列柏努利方程上式中是泵的吸入口和排出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努利方程中其它项比较，值很小，故可忽略。于是上式变为：将测得的和的值以及计算所得的代入上式即可求得H的值。BN的测定：功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即：泵的轴功率N = 电动机的输出功率，kw电动机的输出功率 = 电动机的输入功率电动机的效率。泵的轴功率 = 功率表读

17、数电动机效率，kw。C的测定式中： 泵的效率；N泵的轴功率，kw；Ne泵的有效功率kw；H泵的扬程，m；Q泵的流量，m3/s水的密度，kg/m3(2)计算举例（以表五第1组数据为例）涡轮流量计读数： 功率表读数：0.76kw压力表：0.055Mpa； 泵入口真空表：0.024Mpa实验水温=31.1 粘度0.7810-3 (Pa.s) 密度994.85（kgm3）8.5（m） 5.管路特性的测定：当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者是相互制约的。管路特性曲线是指流体流经管路系统的流量与所

18、需压头之间的关系。若将泵的特性曲线与管路特性曲线绘制在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。因此，如同通过改变阀门开度来改变管路特性曲线，求出泵的特性曲线一样，可通过改变泵转速来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。泵的压头H计算方法同上。附：实验数据表表一 流体阻力实验数据记录 光滑管内径8mm 管长1.698m液体温度=27.8 液体密度=995.78kg/m 液体粘度=0.85mPa.S）序号流量(l/h)直管压差PP（Pa）流速u(m/s)Re（kPa）（mmH2o）1100076.4764005.53518180.024290062.5625004.98466360.02

19、4380050.4504004.42414550.024470040.8408003.87362730.026560031.0310003.32310910.027650022.4224002.76259090.028740015.5155002.21207270.03083009.494001.66155450.032102004.949001.11103640.038131002.412812500.5551820.039149010510260.5046640.0391580908790.4441450.0431670706840.3936270.0431760514980.333109

20、0.0431850363520.2825910.0441940232250.2220730.0432030151470.1715550.05021209880.1110360.06822104390.065180.121=70.51/Re表二 流体阻力实验数据记录 粗糙管内径10mm 管长1.705m）液体温度=29.2 液体密度=995.40kg/m 液体粘度=0.82mPa.S序号流量(l/h)直管压差PP（Pa）流速u(m/s)Re（kPa）（mmH2o）31000168.91689003.54429550.1594900139.21392003.18386590.1625800110.

21、31103002.83343640.162670090.0900002.48300680.173760067.6676002.12257730.177850047.8478001.77214770.1801040031.5315001.42171820.1851330018.2182001.06128860.190142008.484000.7185910.198151002.729428710.3542950.270169024924310.3238660.283178020620120.2834360.296187016416010.2530070.308196012712400.2125

22、770.3242050918890.1821480.3352140666440.1417180.3792230504880.1112890.5112320242340.078590.55124108780.044300.735表三 局部阻力实验数据表序号流量Q（l/h）近端压差（kPa）远端压差（kPa）流速u(m/s)局部阻力（kPa）阻力系数1800186186.61.26185400235.32600104.31050.94103600233.8340044.545.50.6343500220.9表四 流量计性能测定实验数据记录 序号文丘里流量计(kPa)文丘里流量计(Pa)流量Q(m3

23、/h)流速u(m/s)ReCo146.34630010.171.946832600.933235350009.131.747747460.963328.3283008.141.558666410.955422.8228007.121.363582900.930515.5155006.091.165498580.965610.8108005.050.966413440.95977.979004.120.788337300.91585.656003.130.599256250.8259330002.100.402171920.756101.414001.080.20788420.56911000.

24、000.000表五 离心泵性能测定实验数据记录 （液体温度31.1 液体密度=994.85kg/m 、泵进出口高度=0.437米）序号入口压力P1(MPa)出口压力P2(MPa)电机功率(kw)流量Q(m3/h)压头h(m)泵轴功率N（w）(%)10.0240.0550.7610.178.545651.58420.0190.0820.769.1310.845658.54530.0150.1050.748.1412.744463.28340.0120.1250.717.1214.542665.58550.0080.1450.686.0916.140865.20660.0060.1610.645.

25、0517.538462.56470.0040.1710.594.1218.435457.95480.0020.1820.543.1319.332450.520900.1940.472.1020.328241.0121000.2050.421.0821.425224.9121100.2150.380.0022.52280.000表六 离心泵管路特性曲线（液体温度26.5 液体密度=996.12kg/m 、泵进出口高度=0.437米）序号电机频率Hz入口压力P1(MPa)出口压力P2(MPa)流量Q(m3/h)压头h(m)1500.0230.05210.288.112480.0210.059.88

26、7.703460.0190.0459.496.994440.0180.0429.106.585420.0160.048.696.176400.0140.0358.305.457380.0120.037.914.748360.0120.037.504.749340.010.0257.104.0210320.0080.0256.673.8111300.0070.026.243.2014200.00305.810.741610004.100.44180001.870.44（三）、曲线图 恒压（板框）过滤常数测定一. 实验装置基本功能和特点 该实验设备是由过滤板、过滤框等组成的小型工业用板框过滤机，可

27、练习板框压滤机规范化操作，测定过滤常数 K、 qe、e、s、及k等参数，实验数据稳定可靠，重现性好，一般过滤压力范围在0.05-0.2MPa之内，安全实用。实验设备整体美观、操作方便。二. 实验设备主要技术数据1.旋涡泵: 型号:？ 2.搅拌器: 型号 KDZ-1；功率 160w；转速 3200转/分；3.过滤板: 规格160*180*11（mm）；4.滤布：型号为工业用，过滤面积0.0475m2；5.计量桶： 长327mm、宽286mm。 三. 实验装置流程简介：实验装置流程见图一 如图一所示，滤浆槽内配有一定浓度的轻质碳酸钙悬浮液（浓度在6-8%左右），用电动搅拌器进行均匀搅拌(以浆液不出

28、现旋涡为好)。启动旋涡泵，调节阀门3使压力表5指示在规定值。滤液量在计量桶内计量。实验装置中过滤、洗涤管路分布如图二所示 四. 实验方法及操作步骤1. 系统接上电源，打开搅拌器电源开关，启动电动搅拌器2，将滤液槽10内的浆液搅拌均匀。 2. 板框过滤机板、框排列顺序为固定头-非洗涤板-框-洗涤板-框-非洗涤板-可动头。用压紧装置压紧后待用。3. 使阀门3处于全开、阀门4、6、11处于全关状态。启动旋涡泵12，调节阀门3使压力达到规定值。4. 待压力表5数值稳定后，打开过滤入口阀门6开始过滤。当计量桶13内见到第一滴液体时开始计时，记录滤液每增加高度10mm时所用的时间。当计量桶13读数为150

29、 mm时停止计时，并立即关闭入口阀门6。 5. 打开阀门3使压力表5指示值下降。开启压紧装置卸下过滤框内的滤饼并放回滤浆槽内，将滤布清洗干净。放出计量桶内的滤液并倒回槽内，保证滤浆浓度恒定。6. 改变压力值，从步骤（2）开始重复上述实验。7. 每组实验结束后，用洗水管路对滤饼进行洗涤，测定洗涤时间和洗水量。 8. 过滤实验结束后，分别将阀门11接上自来水、阀门4接通下水，关闭阀门3，对泵及滤浆进出口管路进行冲洗。五. 操作注意事项 1过滤板与过虑框之间的密封垫注意要放正，过滤板与过滤框上面的滤液进出口要对齐。滤板与虑框安装完毕后要用摇柄把过滤设备压紧，以免漏液。 2计量桶的流液管口应紧贴桶壁，

30、防止液面波动影响读数。 3实验结束时关闭阀门3。用阀门11、4接通自来水的上下水对泵及滤浆进出口管路进行冲洗。清洗中切忌将自来水灌入储料槽中。 4由于电动搅拌器为无级调速，使用时首先接上系统电源，打开调速器开关，调速钮一定由小到大缓慢调节，切勿反方向调节或调节过快以免损坏电机。 5启动搅拌前，用手旋转一下搅拌轴以保证启动顺利。六. 附实验数据计算举例： 1. 实验数据计算方法（实验数据见表一） 根据恒压过滤方程:(qqe)2K(e) (1) 式中: q单位过滤面积获得的滤液体积， m3/m2； qe单位过滤面积的虚拟滤液体积， m3/m2； 实际过滤时间， S； e虚拟过滤时间， S； K过滤

31、常数， m2/S。 将(1)式微分得: (2) 此式为直线方程，于普通坐标系上标绘对的关系，所得直线斜率为，截距为，从而求出K，qe 、e 数值。由下式得: q2eKe (3) 当各数据点的时间间隔不大时，可以用增量之比来代替，即 与 作图。 过滤常数的定义式: K2kp1-s (4)两边取对数: lgK(1-s)lg(p)lg(2k) (5)因 s常数，k常数，故 K 与P的关系，在双对数坐标上标绘是一条直线。直线的斜率 1-S，由此可计算出压缩性指数 S，读取P-K直线上任一点处的K，p数据一起代入(4)式计算物料特性常数 k。(5)式中的内容可根据各学校的教学要求自选决定取舍。2. 过滤

32、常数: K，qe，e 的计算举例（以0.05Mpa下第2组数据为例）已知过滤面积: A0.0475m2 V=SH=0.2860.3270.01=9.35210-4（m3）q=V/A=9.35210-4/0.0475=0.0197（m3/m2） = 49.028-20.34 = 28.68（S）28.68/（0.0597-0.0398）=0.1442103 从 关系图上 1 直线得： 斜率: 21375 K9.3610-5 m3/m2 截距: 245.68 qe0.0115 (m3/m2) e = q2e /K=0.01152/9.3610-5 =1.41按以上方法依次计算 关系图上1，3直线的

33、过滤常数，数据见表二。 20表一：过滤实验原始数据及整理结果序号高度q（m/m）qav（m/m）0.05MPa0.10MPa0.15Mpa时间(s)(s)/q时间(s)(s)/q时间(s)(s)/q1600.01990.0300.0020.341022.770.0010.59532.500.009.58481.722700.03980.05020.3428.681442.1410.5917.00854.829.5812.75641.123800.05970.07049.0233.321675.4527.5919.87999.1422.3314.60734.144900.07950.08982.

34、3442.372130.5247.4623.471180.1636.9317.18863.8751000.09940.109124.7148.312429.2170.9327.561385.8254.1120.071009.1961100.11930.129173.0255.102770.6398.4931.251571.3774.1824.341223.9171200.13920.149228.1267.903414.26129.7437.221871.5698.5225.191266.6581300.15910.169296.0272.913666.19166.9641.882105.88

35、123.7129.721494.4391400.17900.189368.9393.504701.53208.8454.342732.42153.4334.401729.76101500.19890.099462.43263.18187.83表二：过滤常数序号斜率截距压差(Pa)K(m3/m2.s)qe(m3/m2)e(s)121375245.68500000.00009361.15E-021.41212310123.931000000.00016251.01E-020.6237523.4226.521500000.00026583.01E-023.41列管换热器实验一、实验目的：本实验装置是

36、以水蒸气-空气为传热介质，采用列管换热器对流换热，用于教学实验中，通过对列管换热器对流传热系数、总传热系数K的测定，加深了解间壁传热的基本概念和基本理论，了解各种影响因素对传热效率的影响。二、换热器实验简介：1、列管换热器传热系数的测定：管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可采用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的换热器类型。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。总传热系数K通过实验可测定 （1）式中：K列管换热器总传热系数，W/(m2)； Qi管内传热速率，W； SO管外换热面积，m2； 平均温度差，。 由下式确定： （2） （3）式中：t1，t2 冷流体的入口、出口温度，； T1，T2 热流体的入口、出口温度，； tw逆 逆流时平均温度差，；温差校正系数，由于实验用列管换热器采用单管程单壳程所以=1。 管内换热面积： （4）式中：dO内管管外径，m； LO传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式： （5）其中质