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实验二 柏努利实验一、实验目的1、通过实测静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和柏努利方程。2、通过实测流速的变化和与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。二、基本原理 流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以互相转换。在没有摩擦损失且不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过各截面上的机械能总和是相等的。在有摩擦而没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。流体静压能可用测压管中液柱的高度来表示，取流动系统中的任意两测试点，列柏努利方程式：对于水平管，Z1=Z2，则 若u1=u2, 则P2u2 , p1p2；在静止状态下，即u1= u2= 0时，p1=p2。三、实验装置及仪器图22 伯努利实验装置图装置由一个液面高度保持不变的水箱，与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验管路上取有不同的测压点由玻璃管连接。水的流量由出口阀门调节，出口阀关闭时流体静止。四、实验步骤及思考题1、 关闭出口阀7，打开阀门3、5，排出系统中空气；然后关闭阀7、3、5，观察并记录各测压管中的液压高度。思考：所有测压管中的液柱高度是否在同一标高上？应否在同一标高上？为什么？2、 将阀7、3半开，观察并记录各个测压管的高度，并思考：（1）A、E两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？（2）B、D两管中，C、D两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？ 3、 将阀全开，观察并记录各测压管的高度，并思考：各测压管内液位高度是否变化？为什么变化？这一现象说明了什么？五、实验数据记录. 液柱高度 A B C D E 阀门关 闭 半 开全 开第三篇 验证型实验实验一 流体流型的观察与测定一、实验目的1、 观察流体在管内流动的两种不同型态，加强层流和湍流两种流动类型的感性认识；2、掌握雷诺准数Re的测定与计算；3、测定临界雷诺数。二、基本原理雷诺（Reynolds）用实验方法研究流体流动时，发现影响流动类型的因素除流速u外，还有管径（或当量管径）d，流体的密度及粘度，由此四个物理量组成的无因次数群Re的值是判定流体流动类型的一个标准。 （11）Re4000时为湍流，2000Re4000时为过渡区，在此区间流型可能表现为流层，也可能表现为湍流。从雷诺数的定义式来看对同一个仪器d为定值，故u仅为流量的函数。对于流体水来说,、几乎仅为温度的函数。因此确定了水的温度及流量，即可计算雷诺数。注意：进水阀出水阀水箱玻璃试验管颜色水瓶溢流雷诺实验要求减少外界干扰，严格要求时应在有避免震动设施的房间内进行。如果条件不具备，演示实验也可以在一般房间内进行。因为外界干扰及管子粗细不均匀等原因，层流的雷诺数上界达不到2000，只能达到1600左右。层流时红墨水成一直线流下，不与水相混。湍流时红墨水与水混旋，分不出界限。三、实验装置及仪器试验装置如图11所示，液面保持一定高度的水箱与玻璃测试管相连，水箱上放有颜色水瓶，测试管上安有带针头的胶塞，用出口阀调节流量，用转子流量计测定流量。试验时水由高位水箱进入玻璃管，槽内水由进水管供应，槽内设有进水稳流装置及溢流箱用以维持平稳而又稳定的液面，多余之水由溢流管排入水沟。 图11 雷诺实验装置四、实验步骤1、检查针头是否堵塞，颜色水是否沉淀。2、向水箱内注水。3、打开出口阀，排除实验管中的气体。4、开启上水阀，使高位槽充水至产生溢流时关闭（若条件许可，此步骤可在实验前数小时进行，以使高位槽中的水经过静置，消除旋流，提高实验的准确度）。5、开颜色水阀，使颜色水由针头注入玻璃试验管。6、逐步开大排水阀，观察不同雷诺数时的流动状况，并把现象记入表中。7、做两种情况下的对比实验：（1）关闭高位槽的进水阀，保持液面平静，从观察的玻璃管中，测取管中水流从层流转变为湍流时的Re临界值。注意，此时液面虽平静，但液面的高度是在缓慢下降的。（2）开启高位槽的进水阀以保持槽中液面高度不变，但此时液面是不平而有波动的，测取此时的Re临界值，并分析和比较两种情况下的实验结果。8、观察层流时流体质点的速度分布。层流时，由于流体与管壁间的摩擦力及流体内摩擦力的作用，管中心处流体质点速度最大，愈靠近管壁速度愈小。因此，静止时处于同一横截面的流体质点，开始层流流动后，由于速度不同，组成了旋转抛物面（即由抛物线绕其对称轴旋转形成的曲面）。先打开红墨水阀门，使红墨水扩散为团状。再稍稍开启排水阀，使红墨水缓慢随水运动，则可观察到红墨水团前端的界限，形成了旋转抛物面。五、思考题1、 影响流动形态的因素有哪些？2、 如果管子是不透明的，不能直接观察管中的流动形态，你可以用什么办法来判断流体在管中的流动形态？3、 有人说可以只用流速来判断管子中的流动形态，流速低于某一个具体数时是层流，否则是湍流，这种看法对吗？在什么条件下可以只由流速来判断流动形态？4、 研究流动形态有何意义？ 实验二 流体流动阻力的测定一、实验目的1、测定水流过一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力损失pf，确定层流时摩擦阻力系数和雷诺准数Re 之间的关系；2、测定水流过管件、阀门等的局部阻力损失，确定其局部阻力系数；3、熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工程意义；4、学会U形压差计、转子流量计的使用方法，了解涡轮流量计、差压变送器、变频器等的工作原理；5、识别组成管路中的各个管件、阀门并了解其作用。二、实验原理由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的；湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以通过因次分析法再结合实验研究，获得具体的关联式。实验研究发现，影响湍流时直管阻力损失 pf 的因素有：流体性质：密度 和粘度 ；管路特性：管径d、管长 l和 管壁粗糙度；操作条件：流速u；根据因次分析法，pf可以表示成上述诸多影响因素的关系式：pf = f (d, u, , , l , ) (2-1)组合成四个无因次数群： (2-2) 若实验设备已定，(2-2) 式可写为： hf = (2-3) 若实验设备是水平直管，pf = p，即阻力损失表现为压力降，(2-3) 式可写为：hf = (2-4)所以： hf = (2-5)即： (2-6)式中 为直管的摩擦阻力系数。 由 (2-6) 式可知， 与流体流动的雷诺数Re及管壁的相对粗糙度 /d 有关。若流体为层流流动时，直管的摩擦阻力系数为： (2-7)若装置已经确立，物系也已确定，那么只随Re而变，实验操作变量仅有流量，改变阀门的开度可以达到改变流速u的目的，因此在管路中需要安装一个流量计；在直径为d、长度为l的水平直管上，引出二个测压点，并接上一个压差计，可以用压差变送器或液柱压差计测量压差p（注：压差变送器是将压差转换成电信号再用仪表显示，液柱压差计是将压差以液柱高度表示的，若为U形管压差计计算公式为：。若为倒U型管压差计，计算公式请自行推导）；实验体系确定后，、是物性参数，它们只取决于实验温度，所以，在实验装置中需要安装测流体的温度计；再配上水槽、泵、管件等组建成循环管路，实验装置流程见图2-1。局部阻力损失通常有两种表示方法：当量长度法和阻力系数法。由阻力系数法： (2-8)测定通过某局部（弯头、管件、阀门等）的前后压差p（=pf）和通过此局部的平均流速u，由(2-7) 式计算其局部阻力系数。三、实验流程图和实验步骤（1）手动阻力实验装置a、实验流程图（图2-1）41-光滑管，2-粗糙管，3-层流管，4-离心泵管图2-1 流体流动阻力实验流程图实验装置参数见下表装置1名称材质管内径（mm）测量段长度（cm）管路号管内径局部阻力 大小头不锈钢管32.0闸阀镀锌铁管32.0湍流光滑管不锈钢管121.5200粗糙管镀锌铁管220.5200 层流铜管36140装置2名称材质管内径（mm）测量段长度（cm）管路号管内径局部阻力90弯头镀锌铁管32.0闸阀镀锌铁管32.0湍流光滑管不锈钢管121.5200粗糙管镀锌铁管220.5200 层流铜管36140b、实验步骤1、泵的启动：关闭控制阀，关闭光滑管和粗糙管引压阀，引水灌泵，启动泵。2、系统排气（1）总管排气：同时打开光滑管和粗糙管的切换阀，先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的大部分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复三遍。（2）引压管及压差计排气：每次测直管阻力或测局部阻力时，打开相应的引压阀，再打开差压变送器上的平衡阀和相应的引压管放气阀，开、关重复三次。注意：检验排气是否彻底是将控制阀开至最大，再关至为零，看压差变送器计读数，若前后读数相等，则判断系统排气彻底；若前后读数不等，则重复上述2步骤。3、湍流时直管阻力的测定： 由于 Re 在充分湍流区时，Re的关系曲线处在双对数座标的密集区，所以在大流量时少布点，而Re在比较小时，Re的关系是曲线，所以小流量时多布点。先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读数F大，然后关至压差显示值约0.3kPa时，再读取流量显示仪读数F小，在F小 和F大 二个读数之间布1416个点。4、局部阻力和层流阻力的测定：切换引压阀，测定相应局部阻力。关闭总管控制阀，打开转子流量计，排除空气，测定层流阻力。5、停泵：关闭出口阀，停止水泵电机。上机处理数据。c、实验数据记录序号流量L/s（湍流 ）或(L/h)(层流 )光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa层流mmH2O压差压差压差左右压差（2）自动控制阻力实验装置a、实验流程图（图2-2）自动测量阻力实验装置具有在线操作功能。实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管，自上而下分别为用于测定局部阻力系数、光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。测定局部阻力使用不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定使用内壁较粗糙的镀锌管。4442311-局部阻力（闸阀），2-光滑管，3-粗糙管，4-倒U型压差计图2-2 流体流动阻力在线操作界面水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力损失对应的压差采用各自的倒U形压差计测量，或用差压变送器将压差信号传递给差压显示仪。实验装置由两套相同的装置组成，装置参数见下表。名称材质管内径（mm）测量段长度（cm）管路号管内径局部阻力闸阀1A19.7100光滑管不锈钢管1B19.7100粗糙管镀锌铁管1C20.8100b、实验步骤1泵的启动：首先对水泵进行灌水，然后关闭出口阀，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。2倒U型压差计的排气：采用手动方法测量时，应对倒U型压差计进行排气和调零，使压差计两端在带压且零流量时的液位高度相等。由于本流体力学综合装置中，选用的为经典离心泵，扬程较高，故倒U型压差计的量程只能做到一定程度，大流量数据应取差压变送器测得的压差。3流量和压差的测定：实验时可以分别使用自动或手动方法。手动方法时，先缓缓开启调节阀，调节流量，让流量从0.8到5m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.3m3/h左右。每次改变流量，待流动达到稳定后，分别记下压差计左右两管的液位高度，两高度相减的绝对值即为该流量下的差压。使用自动方法时，流量值可以由无纸记录仪的流量通道显示，改变流量时只需改变流量控制通道的设定（通过改变电机的转速而改变流量）即可，同理，差压值可以直接由无纸记录仪的压差显示通道读取。4Re曲线的绘制：装置确定时，根据和u的实验测定值，可计算和，在等温条件下，雷诺数Re = du/ = Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列Re的实验点，从而绘出Re曲线。5停泵：实验结束，关闭出口阀，停止水泵电机，清理装置。c、实验数据记录序号流量(m3/h)光滑管mmH2O粗糙管mmH2O局部阻力mmH2O左右压差左右压差左右压差四、思考题1、在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀?为什么? 2、 压差计上的平衡阀起什么作用？它在什么情况下是开着的，又在什么情况下是关闭的？ 3、如何检测管路中的空气已经被排除干净? 4、以水做介质所测得的Re关系能否适用于其它流体?如何应用? 5、在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的Re数据能否关联在同一条曲线上? 6、如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?7、在直管阻力测量中，压差计显示的压差是否随着流量的增加而成线性增加？分别就层流和湍流进行讨论。实验三 离心泵特性曲线的测定一、实验目的1熟悉离心泵的操作，了解离心泵的结构和特性，掌握实验组织方法。2掌握离心泵特性曲线的测定方法。3掌握离心泵的流量调节方法，了解电动调节阀、变频器、差压变送器等的工作原理。二、基本原理对一定类型的泵来说，泵的特性曲线主要是指在一定转速下，泵的扬程 (H)、轴功率(P) 和效率 ( ) 与流量 ( qv) 之间的关系。由于离心泵的结构和流体本身的非理想性以及流体在流动过程中的种种阻力损失，至今为止，还难以推出扬程的纯理论计算式。因此，一般采用实验的方法测定扬程，即泵的特性曲线由实验测得。对图3-1所示的系统，分别取泵的进出口为1-1截面与2-2截面，建立机械能衡算式： + z1 + + H = + z2 + (3-1) H = H = (3-2)式中： h0 表示泵出口和进口间的位差，m； 流体密度，kg/m3 ；g 重力加速度 m/s2；p1、p2 分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa；u1、u2 分别为泵进、出口的流速，m/s； 从式(3-2)可见，计算出泵进出管路上的压差、位差和速度差，就可计算出泵提供给液体的扬程。按照管路特性曲线和泵特性曲线的交点作为泵工作点的原理，改变管路阻力可以通过调节阀门开度加以实现，使管路特性曲线上的工作点发生移动，再将一系列移动的工作点的轨迹连接起来，就是泵的扬程曲线。泵的有效功率 (Pe) 和效率 ( ) 分别由下面（3-3）和 (3-4) 式计算： (3-3) (3-4) 其中P代表轴功率，即泵轴传递给泵的功率。由式 (3-3) 和 (3-4) 求取的数据同样可以绘出泵的轴功率和效率曲线。泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量qv的变化，多个实验点的转速n将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速n下（可取离心泵的额定转速）的数据。换算关系如下（比例定律）：流量 （3-5）扬程 （3-6）轴功率 （3-7）效率 （3-8）方程式 (3-2) 表明，实验组织方法是：实验装置中在泵的进出口管上分别装有真空表 p1 和压力表p2；由温度计测量流体温度，从而确定流体的密度；由功率表计量电机输入功率，由电机效率即可计算泵的输入功率P；管路中需安装流量计，确定流体的流速u ；欲改变u需阀门控制（手动或自动改变阀门的开度）。三、实验流程图和实验步骤（1）手动离心泵实验装置a、实验流程图图3-1 离心泵特性曲线测定流程示意图实验装置流程见图3-1，由低位水箱、泵进口真空表、泵、泵出口压力表、流量计、调节阀等组成了一个循环回路。装置参数见下表3-1。表3-1手动离心泵实验装置参数离心泵型号P803转速1440r.p.mh00mm进口管径40mm出口管径32mm仪表系数1.000b、实验步骤1、关闭引水阀、排气，启动泵。2、实验布点：实验顺序从大到小，即将阀门开至最大时，作为第一组实验数据，共采集1216组数据。实验布点服从大流量多布点，小流量少布点规则，原因是离心泵效率极值点出现在大流量时。前七组数据按流量显示仪读数每下降约0.2L/s布一个实验点，以后实验数据布点约下降0.4L/s。注意：若发现流量显示仪读数达不到零，可采用将调节阀开至最大，再快速关闭调节阀，流量显示仪读数将为零，可能此读数不久还会上升，上升的数据不采集，以零计。此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。3、停泵：实验结束前，关闭泵出口阀，再关闭泵的电源。4、上机进行数据处理。c、实验数据记录表3-2 离心泵原始数据水温： No.流量L/s真空表读数MPa压力表读数MPa功率表读数w（2）自动离心泵实验装置a、实验流程图离心泵特性曲线测定装置具有在线操作功能，流程见图3-2。装置中泵进出口管径相同均为40cm，泵进出口测压点高度差h0 =0.2m。b、实验步骤 1、灌泵：清洗水箱，并加装实验用水。给离心泵灌水，排出泵内气体。 2、检查电源和信号线是否与控制柜连接正确，检查各阀门开度和仪表自检情况，试开状态下检查电机和离心泵是否正常运转。 3、数据的测定：实验时，逐渐打开调节阀以增大流量，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。（离心泵特性实验部分，主要获取实验参数为：流量qv、泵进口压力p1、泵出口压力p2、电机功率P电、泵转速n，及流体温度t和两测压点间高度差h0。）4、停泵：测取10组左右数据后，可以停泵，同时记录下设备的相关数据（如离心泵型号，额定流量、扬程和功率等）。注意事项： 1、一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。 2、泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。图3-2 实验装置流程示意图c、实验数据记录（表3-3 离心泵原始数据）表3-3 离心泵原始数据装置号： ，离心泵型号 ，额定流量 ，额定扬程 ，额定功率 ，流体温度t 。 实验次数流量qv m3/h泵进口压力p1 kPa泵出口压力p2 kPa电机功率P电 kW泵转速n rpm在实验过程中，将每组实验数据对应的转速校正为泵额定转速n= 2900r/m(转每分钟)对应下的各实验量，并按上述比例定律，可得校正转速后的数据结果。四、思考题1、测定离心泵特性曲线的意义有那些？2、试从所测实验数据分析离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？3、启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？4、为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其他方法调节流量？5、泵启动后，出口阀如果不开，压力表和真空表读数如何变化？为什么？6、正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？7、试分析，用清水泵输送密度为1200Kg/的盐水，在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率是否变化？8、为什么离心泵的有效压头He 随流量qv的增加而缓缓下降？实验四 过滤常数的测定一、实验目的1、 熟悉板框压滤机的结构和操作方法；2、 测定在恒压操作时的过滤常数K，qe，e，测定物料压缩指数s；3、 了解操作条件对过滤速度的影响。二、实验原理1、过滤常数的测定过滤是借助于外界推动力的作用，使悬浮液通过某种多孔性介质，从而实现固液分离的操作。单位时间通过单位过滤面积的滤液量称为过滤速度。过滤速度的大小与压力差、滤饼厚度、悬浮液和滤饼的性质、悬浮液的温度等有关。故过滤速度方程式可表示为： （41） 式中：V滤液量，m3； A过滤面积，m2； 得到滤液V所需的过滤时间，s； K过滤常数，m2/s；q=V/A，即单位过滤面积的滤液量，m； qe=Ve/A，即单位过滤面积的虚拟滤液量,m； Ve虚拟滤液的体积，它是形成相当于过滤介质阻力的一层滤饼时，应得到的滤液量，m3； r滤饼的比阻，m-2;滤液的粘度，Pa.s；v获得单位体积滤液所形成的滤饼，m3/m3。在恒压过滤情况下，滤液量与过滤时间的关系可用下式表示： （42）将过滤方程式微分后得 实验过程中，可用增量比，则有下式 （43）标绘出/q对q (q取各时间间隔内的平均值)的直线,如上图所示,直线斜率为2/K,截距2qe/K，由此可求出K和qe 。图41 /q与q的关系2、滤饼压缩性指数s及比阻滤饼的比阻与压差的关系为，带入过滤常数的定义式可得 两边取对数： （44）因，故K与p的关系在双对数坐标上标绘是一条直线，斜率为（1-s），由此可计算出压缩性指数s，读取pK直线上任一点处的K值，将K、p数据一起代入过滤常数定义式计算物料特性常数k及比阻。三、实验装置 本实验装置由板框压滤机、滤浆桶、搅拌桨、计量筒、螺杆泵等组成。滤浆槽内配有一定浓度的轻质碳酸钙悬浮液，用电动搅拌器进行搅拌（浆液不出现漩涡为好）。滤浆在滤浆槽中经搅拌均匀后，启动螺杆泵，使系统内形成一定的压力。滤浆经板框压滤机，清液进入计量筒，固相被留在板框压滤机上逐渐生成滤饼。定时读取计量筒的液位，并记录。系统压力可由板框压滤机前的进口阀和泵的出口阀、回流阀等进行调节。图4-2 板框压滤机过滤流程示意图四、实验步骤1用轻质碳酸钙配制成510%左右的滤浆（体积浓度），用搅拌机充分搅拌；2用湿透的滤布装在板框压滤机的板与框之间，注意：（1）滤布孔应对准滤机上下部的孔道，绝对不允许没有对准孔道进行安置；（2）按照板框上的编号将它们分别按顺序装好，检查确定正确后，旋紧机头旋钮；3关闭原料桶的底阀与清水槽的出口阀、底阀，打开原料槽的出口阀、螺杆泵的出口阀和回流阀，启动螺杆泵；4打开压滤机的进口阀，逐渐关闭螺杆泵的出口阀至所需的压力，开始记时，记录得相应滤液下的过滤时间，直至框内充满滤饼；压力控制在0.050.15MPa下分别进行实验。5实验结束后打开清水槽的出口阀并关闭原料槽的出口阀，用清水清洗管路及泵内的料液；将滤饼与滤液搅匀后倒回配料桶中待用；关闭螺杆泵，将板、框洗干净后按照顺序放回压滤机中，将滤布洗净晾晒备用。五、实验注意事项1、板框压滤机安装时一定注意其顺序，使板框交替排列。2、启动螺杆泵前，一定要打开原料槽的出口阀和泵的出口阀、回流阀，以免烧坏泵。3、用泵的出口阀调节系统的压力恒定，以保证恒压状态下操作。六、实验数据记录压力差p（Mpa）0.020.060.10序号体积（mL）时间（s）体积（mL）时间（s）体积（mL）时间（s）12345七、思考题1 过滤刚开始时，为什么滤液总是浑浊的？2 如果滤液的粘度比较大，你考虑用什么方法改善过滤速率？3 滤浆的浓度和过滤压差对过滤常数K有何影响？4 当操作压强增加一倍，其值是否也增加一倍？要得到同样的过滤量，其过滤时间是否可缩短一倍？实验五 传热系数的测定一、实验目的1、通过实验掌握总传热系数K和传热膜系数的测定方法；2、通过实验提高对关联式的理解，了解工程上强化传热的措施；3、测定流体在圆形直管内作强制湍流时的传热准数方程式。二、基本原理1.总传热系数的测定根据传热速率方程式： （51）如果实验设备保温良好,系统的热损失可忽略不计, 根据热量衡算式得得热负荷Q （52）则 （53） （54）式中：K传热系数，W/m2.K 流体的密度，m3/kgA换热器的传热面积，m2 qv流体的体积流量, m3/sQ传热量,W CP流体的恒压热容，J/kg.KTs水蒸气的温度，K ti 、to冷流体的进、出口温度，K传热对数平均温度差 2.传热膜系数的测定流体与壁面的对流传热可由牛顿冷却定律表示 Q =A（Twt） （55）A传热面积（内管外表面积），m2Tw传热管的外壁面平均温度，K对流传热系数，W/m2.K 在实验中只要已知管壁的平均温度和流体的平均温度t，即可计算出传热膜系数的值。3.传热准数方程的测定当流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热准数关联式为： Nu = C Rem Prn （56）其中，对于同一物系的实验，当控制换热器冷流体的进出口温度基本保持不变时，Prn也可以视为常数，因此有 （57）这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程： （58）在双对数坐标系中作图，直线斜率即为方程的指数m, 由纵轴上的截距即可求得C。可得出流体在圆形直管内作强制湍流的DittusBoeiter关联式 （59）式中 n = 0.4（流体被加热）n=0.3（流体被冷却） 三、实验装置本实验中的换热器为套管式，内管为242mm的铜管，有效管长1000mm。实验装置如图5.1所示。实验选用空气为冷流体，水蒸汽为热流体。空气来自鼓风机，经转子流量计测量流量、温度计测量温度后，进入换热器管程，换热后在出口处测量其出口温度。水蒸汽来自蒸汽发生器，经蒸汽调节阀调节至一定压力后进入换热器的壳程，并在入口处测量其压力，与冷空气换热后冷凝水经疏水阀排至地沟。四、实验步骤1、 开启空气压缩机，使气体充满压缩空气罐，并用调节阀将气量调节至实验范围内；2、 缓慢开启蒸汽调节阀，用旁路排出蒸汽管道内积存的冷凝水，用放气阀排尽夹套内的空气；3、 缓慢地调节蒸汽阀，使蒸汽压力维持在实验值，稳定一段时间后读取水蒸气压力表读数、气量以及气体的进出口温度；4、 改变空气流量和水蒸气压力，测定45组数据。调节蒸汽阀的过程中，注意仪表的滞后性，待过程稳定后方可记录数据。五、数据处理1、原始数据记录表装置编号序号热流体冷流体壁温Tw/流量Lh温度 / P压力/MPa T温度 /t进t出1234六、思考题1 本实验中冷流体和蒸汽的流向对传热效果有什么影响？2 为什么实验开始时必须首先排尽夹套里的不凝性气体以及积存的冷凝水？3 实验中铜管壁面温度是接近水蒸气温度还是接近空气的温度？为什么？4 在实验中，有哪些因素影响实验的稳定性？5 影响传热系数的因素有哪些？如何强化该传热过程？ 实验六 填料吸收塔流体力学性能的测定一实验目的1. 了解填料吸收塔的结构和基本流程；2. 了解填料吸收塔的操作方法；3. 测定空塔气速、喷淋密度与填料层压降间的关系。二、实验原理填料塔的流体力学性能主要包括气体通过填料层的压降、液泛气速、持液量及气液两种流体的分布等，本实验将测定不同喷淋密度下通过填料层的压降与空塔气速间的关系，并观察填料表面的液流状态及液泛现象。三、实验装置如图6.1所示为本实验的流程，空气由风机供给，旁路阀用以调节空气流量，空气经油水分离器及转子流量计后进入塔底，从塔顶排气管排出。水经调节阀及转子流量计后从塔顶喷洒入塔，经液封管排出。气体通过填料层的压降用U型压差计测量。图6.1 填料塔流程图四、实验步骤1. 打开旁路阀，启动风机，由小到大逐渐调节空气的流量，记录干塔条件下不同空气流量时的填料层压降值。2. 打开进水阀以充分润湿填料，然后再调节水量至适宜值，为了保证填料的润湿，喷淋量不应少于50 L/h，记录不同气速下填料层的压降值，至塔内发生液泛为止，并记录液泛点气速。改变喷淋密度，并观察压降与液泛气速的变化。五 实验数据记录序号水流量L/h空气压力降mmH2O塔内现象流量计示值/m3/h实际流量值m3/h计前表压/mmH2O计前温度/塔顶表压填料层压差1023六、思考题1. 空气流量有转子流量计测定，如何换算成实际流量？2. 液泛点气速与喷淋密度有何关系？为什么？实验八 板式塔精馏实验一、实验目的1、了解筛板式精馏塔的结构与流程；2、熟悉筛板式精馏塔的操作方法；3、测定全回流及部分回流时塔的单板效率、全塔效率。二、基本原理精馏是最常见的分离液体混合物的单元操作。在板式精馏塔中，混合液在塔板上传质、传热，气相逐板上升，液相逐板下降，层层接触，多次部分气化，部分冷凝，在塔顶得到较纯的轻组分，塔釜得到较纯的重组分，从而实现分离，实验物料是乙醇水系统。1维持稳定连续精馏操作过程的条件（1）根据进料量及其组成、分离要求，严格维持塔内的物料平衡总物料平衡 F=D+W （81） 各组分的物料平衡 FxF = DxD + WxW （82）塔顶采出率 （83） 若FD+W，塔釜液面上升，会发生淹塔；相反若FD+W，会引起塔釜液面下降，最终导致破坏精馏塔的正常操作。若塔顶采出率过大，即使精馏塔有足够的分离能力，塔顶也不能获得合格产物。（2）精馏塔的分离能力在塔板数一定的情况下，正常的精馏操作要有足够的回流比，才能保证一定的分离效果，获得合格的产品，所以要严格控制回流量。（3）精馏塔操作时，应有正常的汽液负荷量，避免不正常的操作状况1） 严重的液沫夹带现象2） 严重的漏液现象3） 溢流液泛2灵敏板温度一个正常操作的精馏塔当受到某一外界因素的干扰(如R、xF、F、采出率等发生波动时)，全塔各板上的组成发生变化，全塔的温度分布也发生相应的变化，其中有一些板的温度对外界干扰因素的反应最灵敏，故称它们为灵敏板。灵敏板温度的变化可预示塔内的不正常现象的发生，可及时采取措施进行纠正。3塔效率（1）全塔效率 全塔效率是板式塔分离性能的综合度量，一般由实验测定。 （84）式中NT、N分别表示达到某一分离要求所需的理论板数和实际板数。NT由已知双组分物系的汽液平衡关系，通过实验测得的塔顶产品组成xD、料液组成xF、进料热状态q、残液组成xW、回流比R等，即能用图解法、逐板计算法等求得。由于板式塔内各层塔板上的气液相接触状况并不相同，每层塔板效率不相同，全塔效率简单反映了塔内塔板的平均效率，它反映了塔板结构、物系性质、操作状况对塔分离能力的影响，一般由实验测定。（2）单板效率EM是指气相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化与经过一层理论塔板前后组成变化的比值。气相板效率： 液相板效率： 图81 第n板的组成一、 实验装置图82 精馏实验装置 实验装置为一小型筛板塔，共有15（或16）层筛板，板上开有2毫米筛孔8个，塔径D0=50mm，板间距L=100mm, 堰高h=10mm, 塔体部分上中下各装有一玻璃段，用以观察塔板上气泡接触情况和回流情况。塔底有一加热釜，装有液位计、压力表、加料接管和釜液取样口，塔顶有一蛇管式冷凝器，冷却水走管内，蒸汽在管外冷凝，冷凝液可由塔顶全部回流，也可以由塔顶取样管将冷凝液（馏出液）全部放出。另外，加热釜装有2KW电炉丝，用TDGC1/0.5型调压器控制点加热量，亦即塔内上升蒸汽量。塔顶和釜底的温度用铂电阻温度指示仪记录。四、实验步骤1全回流（1） 配制浓度15%20%(用酒精比重计测)的料液加入釜中，至釜容积的2/3处。（2） 检查各阀门位置，启动仪表电源，再启动电加热管电源，调节加热电压为150V180V，给釜液缓缓升温。若发现塔内液沫夹带过量时，可将加热电压适当调低。 （3） 塔釜加热开始后，打开冷凝器的冷却水阀门，流量调至40l/h左右，使蒸汽全部冷凝实现全回流。（4） 当塔顶温度、回流量和塔釜温度稳定约1530min后，由塔顶取样管和塔底取样口用取样瓶接取适量试样，取样前应先取少量式样冲洗取样瓶一、二次。取样后用塞子将取样瓶塞严，并使其冷却到室温。塔板上液体取样用注射器从所测定的塔板中缓缓抽出，取1ml左右注入事先洗净烘干的针剂瓶中，各个样品尽可能同时取样。2部分回流（1）在储料罐中配制一定浓度的酒精溶液（约1020%）。（2）待塔全回流操作稳定时，打开进料阀，开启进料泵（LMI电磁微量计量泵）电源，调节进料量至适当的流量。（3）启动回流比控制器电源，调节回流比R(R=14)（4）当流量、塔顶及塔内温度读数稳定后即可取样分析。3乙醇浓度的测定（1）比重法。根据液体比重天平测定比重的方法，分别测出塔顶、塔底试样的比重。并由酒精组分比重对照表查得酒精重量百分比浓度。测完的样品分别倒回回收瓶中。（2）气相色谱法。4注意事项： （）塔顶放空阀一定要打开。 （）料液一定要加到设定液位2/3处方可打开加热管电源，否则塔釜液位过低会使电加热丝露出干烧致坏。 （）部分回流时，进料泵电源开启前务必先打开进料阀，否则会损害