化工原理实验讲义(2008版本)

化工原理实验 实验讲义 西南科技大学材料科学与工程学院 材料基础中心实验室 二 八年八月 1 目 录 实验一 雷诺实验 1 实验儿 伯努利方程实验 3 实验三 流体力学综合阻力实验 A 8 实验四 固体流态化的流动特性实验 12 2 实验一 雷诺实验 一 实验目意义一 实验目意义 雷诺实验是 1883 年奥斯本 雷诺 Osborne Reynolds 所作的著名的实验 通过本实验 对流体在管内流动的两大状态 层流和紊流加深认识和理解 学习和掌握流体力学实验技 术的基本操作技能 实验目的 1 掌握转子流量计的标定方法 2 掌握临界雷诺数的测定方法 二 实验原理二 实验原理 流体在管内运动 在不同雷诺数下呈现不同的流动状态 层流和紊流 雷诺揭示了重 要的流体流动机理 即根据流速的大小 流体有两种不同的形态 当流体流速较小时 流体质 点只沿流动方向作一维的运动 与其周围的流体间无宏观的混合即分层流动这种流动形态称 层流或滞流 流体流速增大大于某个值后 流体质点除流动方向上的流动外 还向其它方向 作随机的运动 即存在流体质点的不规则的脉动 这种流体形态称湍流 三 实验装置 三 实验装置 图图 1 雷诺实验装置示意图雷诺实验装置示意图 四 实验内容四 实验内容 本实验内容包括 转子流量计的标定 上临界雷诺数的测定 下临界雷诺数的测定 五 实验方法与步骤五 实验方法与步骤 1 转子流量计的标定 1 打开流量控制阀 待流量计的读数稳定 3 2 流量计的读数稳定后 打开量筒的放水阀 放空量筒内的水 3 关闭量筒的放水阀 观察量筒的水位计 并记下量筒的初始读数 同时开始计时 4 待量筒水位计水位到达满水位时 终止计时 并记录量筒水位从初始读数到达终止 满水位的时间 同时记下满水位的读数 5 调节控制阀从小流量到大流量选择均匀分布的 1 7 点 重复上述步骤 然后再从大 流量到小流量选择 5 7 个点 重复上述步骤 6 关闭流量控制阀 2 上临界雷诺数的测定 1 打开流量控制阀 将流量控制在较小流量下 待转子流量计读数稳定 2 逐渐打开红墨水控制阀 并调节红墨水的流量 使针形管红墨水的出流速度与当地 流速一致 一致后喷出的红墨水为粗细均匀的红线 3 稳定后 观察红墨水色线状况 记录下转子流量计读数 在记录纸上描绘出色线形 状 4 以较小的步长 逐渐开大流量 重复上述步骤 直至红墨水色线形状完全消失 流 动从层流转变为紊流 3 下临界雷诺数的测定 1 打开流量控制阀 将流量控制在较大流量下 待转子流量计读数稳定 2 逐渐打开红墨水控制阀 并调节红墨水的流量 使针形管红墨水的出流速度与当地流 速一致 一致后喷出的红墨水为粗细均匀的红线 3 稳定后 观察红墨水色线状况 记录下转子流量计读数 在记录纸上描绘出色线形状 4 以较小的步长 逐渐关小流量 重复上述步骤 直至红墨水色线形状恢复为均匀的直 线 六 实验数据整理六 实验数据整理 1 将转子流量计标定的数据整理成坐标曲线 纵坐标为标定流量 横坐标为转子流量的 读数 2 在观察特定临界雷诺数时 将转子流量计的读数有标定曲线转换为真实流量 3 由真实流量与观察段的横截面积 算出管内流速 查出水的物性算出各个观察点的雷 诺数 4 找出流动状态上行时 下行时 从层流 紊流 向素流 层流 转变时的雷诺数 此 雷诺数即为上临界雷诺数 下临界雷诺数 七 思考题七 思考题 1 什么是雷诺数 说明其物理意义 2 解释什么是层流 紊流以及过渡流 3 简述影响管内流动状态的因素 4 实验二 伯努利方程实验 一 实验目的 一 实验目的 1 验证流体静压原理 2 通过观察流体在管道中的运动规律 加深对伯努利方程的理解 3 验证管道流动中 摩擦损失与流速平方成正比的关系 4 验证毕托管的测速原理 二 实验原理 二 实验原理 1 在流体静止时 等压面是水平面 自由液面也是水平面 在重力势函数的微分 时 有 即等压与等高程同时存在 dWgdz dpgdz 2 对于一个恒定的不可压缩管流 在流动方向上的两个渐变流段 流体的能量关系由 伯努利方程给出 22 11 1222 121 2 22 PvPv zzh gg 3 管道内的摩擦损失与流体流速的关系服从达西公式 2 1 2 2 Lv h dg 4 毕托管能测量出来滞止点 全压 和管侧点 静压 之压力差 于是测点流速可 v h 由下式确定 2 v ugh 式中 毕托管校正系数 近似等于 1 三 实验装置三 实验装置 伯努利方程仪由玻璃管 活动测头 测压管 上水槽和循环水泵等部分组成 活动测头 的小管端部封闭 管身开有小孔 小孔中心位置与玻璃管中心平齐 小管与玻璃测压管相通 用小扳手转动活动测头 就可以测量流体的静动压水头 由于玻璃管前后直径不同 管道直 径经测量标注在管段上 位置也有高低 测点有前有后 可以十分方便地测量出不同流速 下不同管段的位能 压力能和动能的数值 去验证伯努利方程的结论 实验装置图附后 四 实验方法 四 实验方法 1 测点静压水头的测量 开动循环水泵 将出口阀门 A 关闭 这时观察各测压管内自由液面的高度 记录在表格 中 观察在转动活动测头时 自由液面有无变化 如果发现各测点自由液面高度不相等 或 者发现转动活动测头时自由液面发生变化 应试图找出产生误差的原因 并作出记录 各测 点静压水头的数据记录在表 1 中 2 验证摩擦损失与流速平方成正比 达西公式 5 使各测头的小孔对准来流方向 然后打开出口阀门 A 不全开 保持小流量 这时测压 管液位代表各测点的总压力水头 记下各测点总压力水头数值 与此同时 用量筒 大于 1000m1 和秒表来标定管道中流体的流量 记录在表 2 中 继续开大阀门 A 使流量增加 记录下各测点的总压力水头数值 并用同样方法标定在此阀门开度下的流体流量值 记录在 表 2 中 标定流量的方法如下图 转动弯头 计时开始转动弯头 计时开始 计时结束 弯头复原计时结束 弯头复原 3 验证伯努利方程 重复上面的实验步骤 在每一个流量 一样要进行流量标定 工况下 不但测量各个测 点的总压力水头 活动测头小孔向着来流方向 还应测量各个测点的静压水头 活动测头 的小孔垂直与来流方向 与此同时记录各个测点的中心高度 z 记录各个测点的玻璃管内 径 将以上数据记录在表 3 中 根据标定的流量计算各个测点的平均流速 计算各个测点的 机械能总和 验证伯努利方程 4 验证毕托管原理 将以上表 3 中各个测点的动压实验数据代入毕托管速度计算式中 计算各个测点管道中 心线上的线速度 max u 五 数据整理五 数据整理 表表 1 测点编号1234 静止水头 m 表表 2 测点编号 计算项目 1234 标定流量 Q m3 s 损失水头 h mH2O 全压水头 mH2O 平均流速 m s 全压水头 mH2O 平均流速 m s 6 表表 3 测点编号 计算项目 1234 数据组 序号管段内径 m 标定流量 Q m3 s 备注 全压水头 mH2O 静压水头 mH2O 位压水头 mH2O 动压水头 mH2O 毕托管中 心线速度 m s 实测管段 平均流速 m s 机械能头 mH2O 全压水头 mH2O 静压水头 mH2O 位压水头 mH2O 动压水头 mH2O 毕托管中 心线速度 m s 实测管段 平均流速 m s 机械能头 mH2O 七 思考题七 思考题 1 说明伯努利方程中各个物理量的意义 2 试述流体流过管道时各种能量是如何变化的 7 附 附 伯努利方程仪伯努利方程仪 8 实验三 流体力学综合阻力实验 A 实验前介绍 双台综合阻力实验台 图 1 为流体力学综合性多用途教学实验装置 为双台型 可供 两组学生同时进行实验 利用本装置可进行下列实验 1 沿程阻力实验 2 局部 阀门 阻力实验 3 孔板流量计流量系数测定实验 4 文丘里流量计流量系数测定实验 实验装置 实验台的结构简图如图 1 所示 它主要由沿程阻力实验管路 1 局部 阀门 阻力实验 管路 2 孔板流量计实验管路 3 和文丘里流量计实验管路 4 等四路实验管所组成 并有水泵 及其驱动电机 5 塑料储水箱 6 有机玻璃回水水箱及计量水箱 7 实测流量时用 压差显 示板 8 图中未示出 和一些闸门组成的实验水循环系统和压差显示系统等 双台实验装置 安装在一个底架 9 和管道支架 10 上 文丘里实验管路为所有其它实验管路共用的出流通道 图图 1 实验台结构简图实验台结构简图 工业应用 以水泥工业的预热预分解系统为例 对于预热器系统来说 系统的阻力损失直接关系到 能耗问题 因此在设计时就要充分考虑到局部阻力和沿程阻力等 所以了解这两种阻力的性 质 可能出现的情况 以及如何减少这类损失等知识是很有必要的 对于其他生产工艺来说 都是同样的重要 在生产中经常要对系统的稳定运行进行热工标定 即 测定管道内的流体速度 以检测 系统是否正常稳定运行 并依此数据进行调节 这就会用到流量计和毕托管等测定流体速度 9 所以掌握其操作方法对科学研究和指导生产都有着重要的意义 一 沿程阻力实验 一 沿程阻力实验 1 实验目的 实验目的 1 测定流体在等直流管中流动状态下 不同雷诺数时的沿程阻力系数 并确定它Re 们 之间的关系 2 了解流体在管道中流动时能量损失的测量和计算方法 2 实验方法和操作 实验方法和操作 1 实验前的准备 熟悉实验装置中用于沿程阻力实验的具体结构及流程 进行沿程阻力实施管路流体循环系统的试运转 并进行系统的排气处理 关闭局部 阻力实验管路和孔板流量计 及毕托管 实验管路两端进水阀门和出水阀门 开启沿程阻力 实验管路上两端的进水阀门 从水泵出口进水 和出水阀门 使沿程阻力实验管路和文丘里 实验管路及其流体的出口和回水水箱 或计量水箱 形成沿程阻力实验系统的循环回路 然 后启动水泵 用沿程阻力实验管路两端的阀门来调节流量 一般可开大进水阀门 再用出水 阀门来控制和调节实验流量 实验系统形成正常的水循环后 应仔细排除实验管路中 也 包括导压胶管中存留的空气 以提高测试精度 用玻璃温度计测出实验水温 2 进行测试 调节沿程阻力实验管路的出水阀门 先选定较小的流量 使沿程阻力实验系统的相 应两根测压管所显示的压差约 200 mm 水柱左右 以这个压差为起始测试点 并在此工况h 下用计量水箱和秒表测量出相应的水流流量 0 Q 然后逐次适量开大出水阀门的开度 逐次测读相应的阻力压差和流量 建议 i h i Q 实验做 6 10 个试验点 直至阻力压差达到接近最高的允许水柱高度为止 实验数据处理 实验测试数据和计算所得结果可填入建议的表格 1 中 根据达西公式 即可求出沿程阻力系数 2 2gd h Lu 相应的雷诺数 Re Re ud 式中 阻力试验管内径 m 本试验管内径 16mm dd 试验管道测试段长度 m L 重力加速度 m s2 g 10 测试段的沿程水头损失 h1 h2 mH2O h 实验工况下管道中流体的平均流速 m s u 水的运动粘度 m2 s 可查表或从水的粘温曲线上求得 表表 1 流速及流量测压管指示 项 测 目 试 结 果 序号 接水 总量 V m3 接水 时间 t s 体积 流量 Q m3 s 平均 流速 u m s 1 h m 2 h m 沿程 损失 h m 沿程阻 力系数 雷诺数 Re 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 注 d m L m 水温 可根据测算得到的和值 在双对数坐标纸上标绘出两者的关系点和关系曲线 并Re 可与教材上的曲线相比较 作出分折和讨论 二 局部阻力实验 二 局部阻力实验 l 实验目的实验目的 掌握用实验方法测定阀门管件在流体流经管路时的局部阻力系数 2 实验方法和操作实验方法和操作 实验方法和操作与上述沿程阻力实验基本相同 只是换用带有四个测压口的局部阻力实 验管路系统测出阀门 球阀 的局部阻力损失 然后计算出阀门的局部阻力系数 j h 阀门局部阻力试验管路如图 2 所示 测试时 为了消除沿程阻力的影响 先测出 h h h1和 h h h2 两个 E 净 来 再用计算的方法求得只是阀门局部所引起的 阻力损失 j h 21 2 j hhh 11 图图 2 阀门局部阻力试验管路阀门局部阻力试验管路 3 试验数据处理试验数据处理 试验测试数据和计算结果可填入建议的表格 2 中 表表 2 流量及流速 测压管水头 m 局部水 头损失 m 局部 阻力 系数 项 测 目 试 阀 结 门 果 开 度 接水 体积 V m3 接水 时间 t s 体积 流量 Q m3 s 平均 流速 u m s h h h h j h 备注 1 2全开 3 1 230 3 1 245 3 阀门局部的阻力系数可由下式求得 2 2 j ghu 式中 重力加速度 m s2 g 局部水头损失 m j h 管路中流体的平均流速 m s u 在不同的球阀开度 全开 30 45 下 测得相应的局部水头损失 从而可以获得相应 的局部阻力系数 4 4 思考题思考题 1 沿程阻力损失的大小与哪些因素有关 2 分析发生局部阻力损失的主要部位在哪里 工程中怎样减小局部阻力损失 12 实验四 固体流态化的流动特性实验 在化学工业中 经常有流体流经固体颗粒的操作 诸如过滤 吸附 浸取 离子交换以 及气固 液固和气液固反应等 凡涉及这类流固系统的操作 按其中固体颗粒的运动状态 一般将设备分为固定床 移动床和流化床三大类 近年来 流化床设备得到愈来愈广泛的应 用 固体流态化过程又按其特性分为密相流化和稀相流化 密相流化床又分为散式流化床和 聚式流化床 一般情况下 气固系统的密相流化床属于聚式流化床 而液固系统的密相流化 床成于散式流化床 一 实验目的一 实验目的 1 通过实验观察固定床向流化床转变的过程 以及聚式流化床和散式流化床流动特性 的差异 2 实验测定流化曲线和临界流化速度 并实验验证固定床压降和流化床临界流化速度 的计算公式 3 通过本实验希望能初步掌握流化床流动特性的实验研究方法 加深对流体流经固体 颗粒层的流动规律和固体流态化原理的理解 二 实验原理二 实验原理 1 固体流态化现象 固体流态化现象 为便于学习 以气 固系统为例 设有一圆形容器 在容器下部装有一块气体分布板 在 分布板上面堆积一层固体颗粒 即床层 当气体自下而上通过这样一个固体颗粒床层时 随着气体流速的变化会出现不同的现象 如图 1 所示 图图 1 固体流态化现象 不同流速时床层的变化 固体流态化现象 不同流速时床层的变化 图图 2 临界流化速度的实测法临界流化速度的实测法 当流速较低时 固体颗粒静止不动 颗粒之间仍保持接触 床层空隙率及高度都不 变 流体只在颗粒间的缝隙中通过 这种床称为固定床 如图 1 a 继续增大流速 当气体流过固体颗粒产生的摩擦力 即曳力 与固体颗粒的浮力之和等 于颗粒自身重力时 颗粒开始松动 颗粒位置也稍加调整 床层略有膨胀 但颗粒还不能自 由运动 仍处于接触状态 这种床称为切始或临界流化床 图 1 b 当流速高于初始流化的流速时 颗粒全部悬浮在向上流动的气流中 即进入流化状态 13 气体以鼓泡方式通过床层 随着流速的增加 固体颗粒在床层中的运动也愈加激烈 这时气 固系统具有类似于液体的特性 随容器形状而变 宋层高度也增高 但有明显的分界面 图 1c 这时床层称为流化床 当流速高到某一极限值时 流化床分界面消失 颗粒分散悬浮在气流中 被气流所带走 这种状态称为气流输送或稀相输送床 图 1 1 d 2 临界流化速度的实测法 临界流化速度的实测法 临界流化速度是颗粒层由固定床转变为流化床时流体的速度 也是流化操作的最低速度 故也称最小流化速度 确定临界流化速度的最好办法就是实验测定方法 用增加流速法使床 层自固定床缓慢地进入流化床 同时记录相应的流体流速和床层压降 在双对数坐标上标绘 各点 如图 2 然后将固定床区和流化床区的点分别划线 得到两条直线的交点即是临界流 化点 其横坐标的值即为临界流化速度 Umf 图中的 Ubf为起始流化速度 此时床层中已有部 分颗粒开始被流化 Utf为完全流化速度 此时床层中所有颗粒全部进入流化状态 对于颗粒 分布较窄的床层 三者非常接近 很难区分 3 两个参数介绍 两个参数介绍 膨胀比 流化床的床高与静床层的高度之比 称为膨胀比 即 f H 0 H 0f RHH 流化数 流化床实际采用的流化速度与临界流化速度之比称为流化数 即 f u f m u fm f Kuu 三 实验装置三 实验装置 本实验装置采用气 固和液 固系统两套设备并列 设备主体均采用圆柱形的自由床 内部分别填充球粒状硅胶和玻璃微珠 分布器采用筛网和填满玻璃球的圆柱休 柱顶装有过 滤网 以阻止固体颗粒带出设备外 床层上均有测压口与压差计相接 图图 3 液固系统流程图液固系统流程图 图图 4 气固系统流程图气固系统流程图 1 高位稳压水槽 2 水调节阀 3 孔板流量计 1 放空阀 2 空气调节阀 3 孔板流量计 3 倒置 U 形差计 4 U 形压差计 5 滤网 4 孔板流量计的压差计 5 压差计 6 滤 网 14 6 床体 7 固体颗粒层 8 分布器 7 床体 8 固体颗粒层 9 分布器 液固系统的流程如图 3 所示 水自循环水泵或高位稳压水槽 经调节阀和孔板流量计 由设备底部进入 水进入设备后 经过分布器分布均匀 由下而上通过颗粒层 最后经顶部 滤网排入循环水泵 水流量由调节阀调节 并由孔板流量计的压差计显示读数 气固系统的流程如图 4 所示 空气自风机经调节阀和孔板流量计 由设备底部进入 空 气进入设备后 经分布器分布均匀 由下而上通过颗粒层 最后经顶部滤网排空 空气流量 由调节阀和放空阀联合调节 并由孔板流量计的压差计显示读数 四 实验方法四 实验方法 本实验可分两步进行 第一步 观察并比较液固系统流化床和气固系统流化床的流动状 况 第二步 实验测定空气或水通过固体颗粒层的特性曲线 在实验开始前 先按流程图检查各阀门开闭情况 将水调节阀和空气调节阀全部关闭 空气放空阀完全打开 然后 再启动循环水泵和风机 待循环水泵和风机运转正常后 先徐徐开启水调节阀 使水流量缓慢增大 观察床层的 变化过程 然后再徐徐开启空气调节阀和关小放空阀 联合调节改变空气流量 观察床层的 变化过程 完成第一步实验操作后 先关闭水调节阀 再停泵 继续进行第二步实验操作 若测定 不同空气流速下 床层的压力降和床层高度 实验可在流量由小到大 再由大到小反复进行 实验完毕 先打开放空阀 后关闭调节阀 再停机 实验过程中应特别注意下列事项 1 循环水泵和风机的启动和关机必须严格遵守上述操作步骤 无论是开机 停机或 调节流量 必须缓慢地开启或关闭阀门 并同时注视压差计中液柱变化情况 严防压差计中 指示液冲入设备 2 当流量调节至接近临界点时 阀门调节更需精心细微 注意床层的变化 3 实验完毕 必须将设备内的水排放干净 切莫将杂物混入循环水中 以防堵塞分 布器和滤网 五 实验结果整理五 实验结果整理 1 记录实验设备和操作的基本参数 1 设备参数 柱体内径 50 mmd 静床层高度 待测 mm