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化工基础实验讲义云南民族大学化学与生物技术学院2013年11月69实验部分实验一 机械能转换实验一、实验目的1.了解伯努利方程仪的构造和流程。2.观察流体在管道各截面时各种能量和压头的变化规律，加深对伯努利方程的理解。3.在一定流量下，测定各截面内水的平均流速与最大流速的比值。4.测定水从槽面流至各截面时的损失压头。二、基本原理流体作稳定流动时，有四种能量可能发生变化，位能、动能、静压能和内能。位能、动能和静压能又合称为机械能，而内能则是流体内部大量分子运动所具内动能和分子间内位能之和，其随流体的温度和密度改变而改变。本实验只讨论机械能的相互转化，其转化与测点位置高低、管径粗细及流体各截面流速有关，即在不同截面上三种能量是相互转换的，但三者之和恒为一常数，据伯努利方程： （m液柱）三、实验装置流程说明：图1为实验装置图(见下页)。实验装置由透明管、测压管、活动测压头、水槽、循环水泵等组成。活动测压头的小管下端封闭，管身开有小孔，小孔位置与透明管的中心线平齐，小管上部与测压管相通，转动测压头就可测量动、静压头。阀7可用于调节流量。四、实验步驟1.实验前的准备工作(1)检查泵的转动情况：先将阀全开，开动循环水泵，若水泵不动，应立即停电检查。(2)检查摆头是否灵活。(3)调整回流阀使高位槽的溢流口有溢流。将阀全开，开动循环水泵，将阀开到最大，然后逐步关闭阀，使测管最大流量时高位槽的溢流口仍有溢流，保持溢流才能使水位稳定流动。以后阀固定，不必每次调节。(4)检查零流速时，各水位计高度是否一致。关闭阀门，若水位计高度不一致，可能是水位计或活动测头内有气泡，应用吸球吸除。(5)检查完毕，先关闭阀，再关泵。图1 实验装置图1水箱（下）； 2.水泵； 3.回流阀； 4.供水管； 5.回水管； 6.摆头； 7.流量调节阀； 8.活动测头； 9.水位计； 10.标尺； 11.上水管； 12.上部水箱； 13.水泵开关； 14.放水阀；15.水位计； 16.大透明测量管；17.弯管； 18.小透明管； 19.整块透明管组件2.实验内容 (1)开动循环水泵，关闭出口阀7，观测各测压管液面高度h0，转动测压手柄，观测各液面高度，验证静力学原理，作记录。思考下列问题：各测压头旋转时，液柱高度h0有无变化？为什么？各测压管液柱高度h的物理意义是什么？各测压管液柱高度是否在同一标高上？应否在同一高度上？为什么？点6的静压头为什么比点5大？（即p6p5)(2)转动手柄，使各测压头的小孔对准水流方向，然后稍微打开7阀(小流量)，记取各点数据h，并用量筒和秒表来测取流量。思考下列问题：h的物理意义是什么？对同一测点，为什么h0h1？为什么距离水槽越远（h0-h1)的差值越大？这一差值的物理意义是什么？(3)不改变流量，使各测压孔旋转至水流方向垂直，记录各点h2。(4)改变测压孔的位置，使测压孔对准水流方向，继续打开阀7，观察各测压管液柱的高度变化。并记取数据h3。思考下列问题为什么液位发生变化？这一现象说明什么？流速增大，动压头应增大，为什么液位反而下降（即h2h1)？(5)不改变流量，只将测压管液位变至与水流方向垂直。记取各点的h4。思考下列问题：流量不变，为什么各测压液位又下降？下降的液位代表什么压头？1、5两点及3、5两点下降的液位是否相同？这一现象说明什么？为什么h2可能出现大于h4的情况？如何解释？在不改变阀7开度的条件下（h4.1-h4.5)、（h4.3-h4.5)各表示什么？(6)运用伯努利方程确定各测点顶压头，并解释各点压头变化。(7)不改变操作条件，用量筒、秒表测定这时的体积流量，并由此算出各点管子中心水的平均流速度u实。再根据，而remax= 图2 /max 与remax 的关系利用remax/max的关系图（见图2)查出/max值，然后得平均流速。平 = max /max，并与实做比较。 (8)实验完毕，先关阀7，后关泵，将测头手柄恢复原位待用。五、数据记录 水温： 测点序号123456流量ml/s透明管内径(m)透明管中心线高度(cm)h0 (cm)h1 小孔正对流向(cm)h2 小孔垂直流向(cm)h3 小孔正对流向(cm)h4 小孔垂直流向(cm)|六、数据整理列表测点序号123456流量ml/s各点总压头h(cm)各点位压头hz(cm)各点静压头h=h垂-hz各点动压hw=h-h-hzhf (cm)umax (m/s)u/umax (m/s)u平 （m/s)u实 （m/s)思考题：1、试论伯努利方程的意义及其在实验中的具体体现。2、此实验为何不涉及内能的转化。实验二 管路流体阻力的测定一、实验目的研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。流体流动时的能量损耗(压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力，管路中的各种阻力可分为沿程阻力(直管阻力)和局部阻力两大类。本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数和局部阻力系数。二、实验原理当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方程为： j/kg (1)或 m液柱 (2)式中：z流体的位压头，m液柱； p流体的压强，pa；u流体的平均流速，m/s；hf单位质量流体因流体阻力所造成的能量拫失，j/kg；hf单位重量流体因流体阻力所造成的能量拫失，即所谓压头损失，m液柱；符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。假若：(1)水作为实验物系，则水可视为不可压缩流体；(2)实验导管是按水平装置的，则z1=z2；(3)实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2。因此（1）和（2）两式分别可简化为 j/kg (3) m液柱 (4)由此可见，因阻力造成的能量损失(压头拫失），可由管路系统的两截面之间的压力差(压头差)来测定。当流体在圆形直管内流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式： j/kg (5) m液柱 (6)式中：d一圆形直管的管径，m；l一圆形直管的长度，m；摩擦系数，无因次。大量实验研究表明：摩擦系数与流体的密度和粘度，管径d、流速u和管壁粗糙度有关。应用因次分折的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度/d存在函数关系，即 (7)通过实验测得和re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线，当re2000时，摩擦系数与管壁粗糙度无关。当流体在直管中呈湍流时，不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失(压头损失），有如下一般关系式： j/kg或 m液柱式中：u一连接管件等的直管中流体的平均流速，m/s；一局部阻力系数无因次。由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值都需要通过实验直接测定。三、实验装置本实验装置主要是由循环水系统(或高位稳压水槽）、实验管路系统和高位排气水槽串联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。压差由一倒置u形水柱压差汁显示。孔板流量计的读数由另一倒置u形水柱压差计显示。该装置的流程如图1所示。图1 管路流体阻力实验装置流程1.循环水泵; 2.光滑实验管; 3.粗糙实验管; 4.扩大与缩小实验管; 5.孔板流量计； 6.阀门;7.转换阀组; 8.高位排气水槽.实验管路系统由五条玻璃直管平行排列，经u形弯管串联连接而成。每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根实验管测试段长度，即两测压口距离均为0.6m。流程图中标出的符号g和d分别表示上游测压口（高压侧） 和下游测压口（低压侧）。测压口位置的配置保证上游测压口距u形弯管接口的距离，以及下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。作为实验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入实验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力实验管，最后流入高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水返回循环水槽。水在实验管路中的流速通过调节阀调节。流量由实验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。四、实验方法实验前准备工作须按如下步骤进行：(1)先将水灌满循环水槽，然后关闭实验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵运转正常后，先将实验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启实验导管的入口调节阀。当水流满整个实验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关闭调节阀，停泵。(2)检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。(3)逐一检查并排除实验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置u形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。(4)调节倒置u形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临实验前，可由压差计顶部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。(5)在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水温。(6)实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。实验测定时，按如下步骤操作：(1)先检查实验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和实验系统入口调节阀是否全部关闭。检查毕启动循环水泵。(2)待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。(3)待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。这时测压口与倒置u形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。(4)当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如，将g1和d1一组旋塞关闭，打开另一组g2和d2旋塞。这时，压差计与g1和d1测压口断开，而与g2和d2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。(5)改变流量，重复上述操作，测得各实验导管中不同流速下的压强降。(6)当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。(7)每测定一组流量与压强降数据，同时记录水温。实验注意事项：(1)实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。(2)若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。五、实验数据记录及整理(1)实验基本参数实验导管的内径 d= mm 实验导管的测试段长度 l= mm粗糙管的粗糙度 = 粗糙管的相对粗糙度 /d=孔板流量计的孔径 d0= mm 旋塞的孔径 dv= mm(2)流量标定曲线(3)实验数据实验序号数值孔板流量计的压差计读数， r（mmhg） 水的流量， vs（m3/s）水的温度， t（）水的密度， （kg/m3） 水的粘度， （pas）光滑管压头损失， hf1（mmh2o） 粗糙管压头损失， hf2（mmh2o） 旋塞压头损失 (全开）， hf1（mmh2o） 孔板流量计压头损失， h”f1（mmh2o）(4)数据整理实验序号数值水的流速， u（m/s）雷诺准数， re 光滑管摩擦系数， 1 粗糙管摩擦系数， 2 孔板流量计局部阻力系数， ”1旋塞的局部阻力系数(全开)，11 23 45 6列出表中各项计算公式。 (5)标绘re-实验曲线实验三 流量计校核一、 实验目的1、 熟悉节流式流量计的构造及应用；2、 掌握流量计的流量校正方法；3、 通过流量计流量系数的测定，了解流量系数c0与雷诺准数re的关系。二、 实验原理在流量测量中，孔板流量计和文丘里流量计是应用最广泛的节流式流量计，这两种流量计由孔板（或文丘里管）与一套u型管压差计组成。当流体以一定流速通过孔板（或文丘里管）时，由于流道截面缩小，速度增大，而使孔板前后产生一定的压差。根据柏努利方程，可以得流体的体积流量与压差的关系：式中：vs流体的体积流量，m3/s；c0孔流系数，0.855；ao孔口（或文丘里管缩脉）处的截面积，m2；ru型管压差计读数，m；o指示液的密度，kg/m3；流体的密度，kg/m3。孔流系数c0（cv）不仅与a0/a1（孔板与管道截面积的比）有关，而且与孔板的结构形状、加工光洁度、流体在管内的雷诺数、取压方式以及管壁的粗糙度等因素有关。具体数值由实验测定。孔板的a0/a1为一定值，re超过某个数值后，c0（cv）接近于常数。一般工业上定型的流量计，就是规定在c0（cv）为定值的流动条件使用。 c0值范围一般为0.6一0.7。通过实验确定流量系数c0（cv）与雷诺准数re的关系曲线，称为流量计校核。本实验是以水为工作流体，测定在一定范围内的c0re、cvre曲线。三、 实验装置及流程如流量计校核装置图，水经离心泵，经（泵的出口）阀，孔板流量计，流到计量槽。通过计量槽体积及秒表，可求出水的体积流量。同学们可以自己设计流量计校核流程，如将孔板流量计、文丘里流量计并联于管路中，分别校正；亦可采用阻力实验装置，进行流量计校正实验等。四、 实验步骤及注意事项1、 熟悉实验装置，检查应开、关的阀门。2、 实验测量前，必须先进行管道、引压导管和所有u型管压差计的排气工作（祥细操作见阻力实验）。排气时严防压差计中指示液冲出。3、 启动泵时注意灌水排气，防止气缚现象；注意关闭泵的出口阀，防止启动功率过大。4、 用泵出口阀由小（大）到大（小）的顺序调节流量。每对应一个阀门开度，用体积法测定流量，记下计量槽的液位刻度和相应的时间，同时记下压差计读数和水温。记录810组数据。5、 测量流量时应保证每次测量中、测量桶液位差不小于10cm或测量时间不少于40s；6、 实验结束时，关闭泵出口阀，检查压差计指示液面是否水平。若不等，应分析原因，并考虑是否重作。若相等，则停泵，清理现场。五、 实验数据记录及处理1、 实验记录表序号孔板流量计r(cm)计量槽流量正负槽高度时间1232、 数据处理表序号流量vs，m3/s压差计r,mm雷诺数re孔流系数孔板c0cv12345六、 实验报告要求1、 在单对数坐标纸上绘出c0re、cvre曲线；2、 在双对数坐标纸上绘出流量v与压差计读数r之间的关系，并量出其斜率；3、 讨论实验结果。七、 思考题1、 c0、cv分别与哪些因素有关?2、 孔板流量计安装时应注意什么问题?3、 孔板流量计、文氏流量计和转子流量计比较各有何优缺点? 4、 如何检查系统的排气是否完全? 5、 离心泵启动时应注意什么?五实验数据记录及整理1 实验数据记录实验四 雷诺实验一、实验目的研究流体流动的型态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。1883年雷诺(reynolds)首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在层流和湍流两种不同型态，以及两种不同型态的转变过程。本实验的目的，是通过雷诺实验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。二、实验原理经许多研究者实验证明：流体流动存在两种截然不同的型态，主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度，以及设备的几何尺寸(在圆形导管中为导管直径)。将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次数群为雷诺准数(或雷诺数)，即 (1)式中：d导管直径，m；流体密度，kg/m3；流体粘度，pas；u流体流速，m/s。大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流型恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过度区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变的，两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。三、实验装置雷诺实验装置主要由稳压溢流水槽、实验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示。自来水不断注入并充满稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经实验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水也直接排入下水道。水流量由调节阀调节。图1 雷诺实验装置及流程1.示踪剂瓶； 2.稳压溢流水槽； 3.实验导管； 4.转子流量计；v01.示踪剂调节阀；v02.上水调节阀；v03.水流量调节阀；v04.泄水阀； v05.泄水阀；v06.放风阀。四、实验方法实验前准备工作：（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流水槽。将适量示踪剂(红墨水)加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与计头之间管路内的空气。（2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。（3）用温度计测定水温。实验操作步骤：（1）开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证实验时具有稳定的压头。（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与实验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜，精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止。（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过实验导管的流速平稳地增大。直至实验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算下临界雷诺数。（4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。这时，导管内的流体的流型逐步由层流向湍流过渡。当流量增大到某一数值后，示踪剂(红墨水)一进入实验导管，立即被分散呈烟雾状，这时表明流体的流型已进入湍流区域。记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。上述实验操作需反复进行数次(至少5-6次)，以便取得较为准确的实验致据。实验操作注意事项：（1）本实验示踪剂采用红墨水，它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入实验导管。应注意适当调节注射针头的位置，使针头位于管轴线上为佳。红墨水的注射速度应与主体流体流速相近(略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性。实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。五、实验结果整理(1)实验设备基本参数 实验导管内径 d= mm(2)实验数据记录及整理实验序号流量vs温度t粘度密度流速u临界雷诺数re实验现象及流型m3/spaskg/m3m/s123456-列出上表中各项计算式：实验五 离心泵特性曲线的测定实验五 离心泵特性曲线的测定实验（新）一、实验目的：1.熟悉离心泵的操作方法。2.掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定及表示方法、加深对离心泵性能及特点的了解。二、实验内容：1.熟悉离心泵的结构与操作方法。2.测定某型号离心泵在一定转速下的特性曲线。三、实验原理：离心泵是最常见的液体输送设备。在一定的型号和转速下，离心泵的扬程h、轴功率n及效率均随流量q而改变。通常通过实验测出hq、nq及q 关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。泵特性曲线的具体测定方法如下： (1) h 的测定： 在泵的吸入口和排出5之间列伯努利方程 （1） （2）上式中是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努力方程中其它项比较，值很小，故可忽略。于是上式变为： （3）将测得的和的值以及计算所得的代入上式，即可求得h。(2) n 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电动机输出功率=电动机输入功率电动机效率。泵的轴功率=功率表读数电动机效率，kw。 (3) 测定 （4） （5）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。四、实验装置的基本情况： 1.实验装置流程示意图：图-2 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型管平衡阀2实验装置流程简介1）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。2）实验设备主要技术参数：表1 实验设备主要技术参数序号名称规格材料1玻璃转子流量计lzb-25 1001000（l/h）lzb-10 10100（l/h）2压差传感器型lxwy 测量范围0-200 kpa不锈钢3离心泵型号wb70/055不锈钢4文丘里流量计喉径0.020m不锈钢5实验管路管径0.043m不锈钢6真空表测量范围0.1-0mpa 精度1.5级，真空表测压位置管内径d1=0.028m7压力表测量范围0-0.25mpa 精度1.5级压强表测压位置管内径d2=0.042m8涡轮流量计型号lwy-40 测量范围020m3/h9变频器型号n2-401-h 规格：（0-50）hz光滑管：管径d-0.008(m) 管长l-1.655(m) 粗糙管：管径d-0.010(m) 管长l-1.660(m)真空表与压强表测压口之间的垂直距离h0=0.25m3）实验装置面板图： 图3 实验装置仪表面板图五、实验方法及步骤：（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、文丘里流量计的压差、泵入口压强、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。六、数据处理：离心泵性能测定实验数据记录（液体温度 液体密度= kg/m3 、泵进出口高度= 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）(%)12345678910111213实验六 裸管绝热管传热实验实验六 传热实验（新）一、实验目的：1.通过对空气水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数i的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解，并应用线性回归分析方法，确定关联式nu=arempr0.4中常数a、m的值。2.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式nu=brem中常数b、m的值和强化比nu/nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验内容：1.测定56个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数i。用图解法求关联式nu=arempr0.4中常数a、m的值。2.测定56个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数i。用图解法求关联式nu=arempr0.4中常数a、m的值。3.同一流量下，按实验所得准数关联式求得nu0，计算传热强化比nu/ nu0。三、实验原理：1.普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定（1） 对流传热系数的测定对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为 ，所以传热管内的对流传热系数k，k（w/m2）为热冷流体间的总传热系数，且，所以 （1）式中：管内流体对流传热系数，w/(m2)； qi管内传热速率，w； si管内换热面积，m2； 管内平均温度差，。平均温度差计算公式： （2） 式中：冷流体的入口、出口 tw壁面平均温度，；因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw 来表示，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于热流体的平均温度。管内换热面积： （3）式中：di内管管内径，m； li传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式： （4）其中质量流量由下式求得： （5）式中：vi冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h； cpi冷流体的定压比热，kj / (kg)； i冷流体的密度，kg /m3。cpi和i可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2， tw， vi可采取一定的测量手段得到。（2） 对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为： （6） 其中： ， ， 物性数据i、cpi、i、i可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为： （7） 这样通过实验确定不同流量下的rei与，然后用线性回归方法确定a和m的值。（2）强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用了多种强化方式，见表图1 螺旋线圈强化管内部结构其中螺旋线圈的结构图如图2-1所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距h与管内径d的比值以及管壁粗糙度（）为主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。其他强化方式请参见相关文献！科学家通过实验研究总结了形式为的经验公式，其中b和m的值因强化方式不同而不同。在本实验中，采用实验1中的实验方法确定不同流量下的rei与，用线性回归方法可确定b和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：，其中nu是强化管的努塞尔准数，nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比1，而且它的值越大，强化效果越好。需要说明的是，如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必须考虑阻力因素，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。四、实验装置的及泵情况1.实验设备流程示意图见图-2 图-2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1-液位计；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生器；5-强化套管蒸汽进口阀；6-光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；9-光滑套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口；11-光滑套管空气进口阀；12-强化套管空气进口阀；13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵 ；16-蒸汽冷凝器实验装置流程简介如图所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5kw u型电加热器，用200伏电压加热（可由仪表调节）。气源选择xgb-2型旋涡气泵，使用旁路调节阀调节流量。蒸汽空气上升管路，使用三通和球阀分别控制气体进入两个套管换热器。 空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。2.实验设备主要技术参数表1实验内管内径di（mm）20.00实验内管外径do（mm）22.0实验外管内径di（mm）50实验外管外径do（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度l（m）1.20强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h（mm）3节距h（mm）40加热釜操作电压200伏 操作电流10安（1）空气流量计：由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由下式计算。 （1）其中：c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65； a0-孔的面积， m2 a0= d0d0-孔板孔径， d0 =0.0165 m ； -孔板两端压差，kpa； -空气入口温度（即流量计处温度）下密度，kg/m3。 实验条件下的空气流量v (m3/h)需按下式换算： （2）其中，v-实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h； -换热器管内平均温度，； t1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，。（2）温度测量：空气进、出传热管测量段的温度t ( )均由pt100铂电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。管外壁面平均温度tw( )由数字温度计测出，（热电偶为铜康铜）。（3）蒸汽发生器：是产生水蒸汽的装置，使用体积为5升，内装有一支2.5kw的电热器，用165伏电压加热约15分钟后水便沸腾，为了安全和长久使用，建议最高加热电压不超过200伏(由加热电压表调节)。旁边配有方型水箱，为连续向蒸汽发生器给水用，每次实验前先检查水箱中液位，水箱中水不可低于水箱高度的四分之三，否则容易导致加热器干烧。（4）气源(鼓风机)：旋涡气泵xgb12型。（5）稳定时间：是指在外管内充满饱和蒸汽，空气流量调节好后，过3-5分钟，空气进出口的温度可基本稳定。这段时间称为稳定时间。3.实验装置面板图见图-3：图-3 仪表面板示意图五、实验方法及步骤：1.实验前的检查准备(1)向水箱中加水至液位计上端。(2)检查空气流量旁路调节阀14是否全开(应全开)。(3)检查蒸气管支路各控制阀5（6）和空气支路控制阀12（11）是否已打开（应保证有一路是开启状态），保证蒸汽和空气管线畅通。(4)合上总电源开关，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。2. 开始实验 实验操作：打开加热开关，仪器按设定好的加热电压自动控制加热电压，蒸汽发生器内的水经过加热后产生水蒸气，并经过空气冷却器冷凝后冷凝液回到储水槽中。加热电压的设定：按一下加热电压控制仪表的键，在仪表的sv 显示窗中右下方出现一闪烁的小点，每按一次键，小点便向左移动一位，小点在哪个位子上就可以利用、键调节相应位子的数值，调好后在不按动仪表上任何按键的情况下30秒后仪表自动确认，并按所设定的数值应用。换热器壁温上升并稳定后，打开旁路调节阀14后启动风机（一般开到最大），用旁路调节阀14来调节空气的流量并在一定的流量下稳定35分钟后分别测量空气的流量，空气进、出口的温度和管壁温度，由温度巡检仪测量（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-强化管空气入口温度；4-强化管空气出口温度），换热器内管壁面的温度由温度巡检仪（上-光滑管壁面温度；下-强化管壁面温度）测得。然后，在改变流量稳定后分别测量空气的流量，空气进，出口的温度， 壁面温度后继续实验。实验结束后，依次关闭加热、风机和总电源。一切复原。六、数据处理 表2 数据整理结果（普通管换热器）项目实 验 序 号no.1234567流量（kpa)t1(）t1(kg/m3)t2(）tw(）at(）at(kg/m3)at*100cp atat*100000dt(）dat(）vt1(m3/h)v(m3/h)u(m/s)qc(w)（w/m2）renunu/(pr0.4)表3 数据整理表（强化管换热器）项目实 验 序 号no.1234567流量（kp)t1(）t1(kg/m3)t2(）tw(）at(）at(kg/m3)at*100cp atat*100000 dt(）dat(）vt1(m3/h)v(m3/h)u(m/s)qc(w)（w/m2）renunu/(pr0.4)作套管换热器实验准数关联图七实验注意事项：(1)实验前将加热器内的水加到指定位置，防止电热器干烧。特别是每次实验之前一定检查水位，不符合要求及时补充。（2）开始加热时，加热电压控制在(160v)左右为宜。电压过大易导致壁温不稳。(3)加热约十分钟后，可提前启动鼓风机送入空气，以保证实验开始时空气入口温度比较稳定，这样可节省实验时间。（4）必须保证蒸汽上升管线畅通。即在给蒸汽加热釜电压前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。转换支路时，先开启需要的支路阀