化工原理实验讲义

化工原理实验讲义化工原理实验讲义 化工与环境学院化学工程与控制系化工原理实验室 编写说明编写说明 近几年来 本实验室的实验装置中的大部分都进行了更新或改造 过去编写的实验讲义已 经不能适应目前的状况 兄弟院校的相关实验教程也由于装置 内容 重点等方面的差异而有 一定的局限 所以有必要重新编写一本适用的实验讲义 这有助于提高实验教学质量 改善教 学效果 本实验讲义的大部分内容 曾经以补充讲义电子版的形式提供给 2003 和 2004 级两个年级 的本科生 700 多名同学试用 取得了比较满意的效果 此次正式交付印刷 又增补了一些必要 的基础知识 各个实验项目的思考题 以及选修实验项目的内容 第一 第二章由毋俊生执笔 其余章节由邓文生 康惠宝执笔 全书由刘文芳排版编辑 本次又根据 2011 年更换的设备 对 流体阻力测定 干燥实验 雷诺实验部分进行了修订 并对其它部分的一些笔误进行了更正 虽然编者都具有较长期指导本实验课程的经历 但受知识结构 理解深度 认识水平等方面的 局限 不当之处在所难免 期望使用本讲义的老师和同学提出您的意见 建议和指正 2007 年 7 月 编 2012 年 4 月修订 目目 录录 第 1 章化工基础实验技术 2 1 1温度的测量 2 1 2压力的测量 3 1 3流量的测量 5 第 2 章实验数据分布及基本数据处理 9 2 1实验数据的分布 9 2 2实验数据的基本处理 9 2 3实验报告的基本要求 10 第 3 章化工原理基本实验 12 3 1流体流动阻力的测定 12 3 2离心泵特性曲线的测定 16 3 3对流传热系数的测定 20 3 4填料塔压降曲线和吸收系数的测定 23 3 5精馏塔效率的测定 28 3 6干燥速率曲线的测定 32 3 7扩散系数的测定 35 3 8液 液萃取塔的操作 39 第 4 章演示实验 42 4 1雷诺实验 42 4 2机械能守恒与转换 45 4 3边界层形成与分离 47 第 5 章化工流动过程综合实验 48 第第 1 章章 化工基础实验技术化工基础实验技术 1 1 温度的测量温度的测量 1 常用的温度计形式常用的温度计形式 1 膨胀式温度计膨胀式温度计 实用的膨胀式温度计有玻璃管液体温度计 双金属片温度计和压力表式温度计 2 玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计 玻璃管液体温度计利用液体的体积与温度之间的关系 用毛细管内液体上升的高度来指示被测温度 一般测量范围在 100 600 这种温度计结构简单 使用方便 测量精度较高 0 1 2 5 级 工作液 体多使用汞和酒精 封装时充入惰性气体 以防止液柱断开 3 双金属片温度计双金属片温度计 双金属片温度计制作成表盘指针形式 双金属片结合成一体 一端固定 另一端自由 由于不同金 属的热膨胀系数的差异而产生弯曲变形 带动指针的位移 一般测量范围在 80 600 这种温度计 结构简单 使用方便 但测量精度不高 1 2 5 级 4 压力表式温度计压力表式温度计 压力表式温度计的工作原理与机械式压力表相同 被封装在测温元件内的液体或气体 在定容条件 下当温度变化时压力随着变化 带动与弹性元件相联接的指针的位移 一般测量范围在 0 300 这 种温度计结构也比较简单 但测量精度不高 1 2 5 级 5 热电偶温度计热电偶温度计 电偶是由两种不同的导体在两端相联接组成的回路 两种导体之间的接触电势随温度的变化而变化 同一种导体的两端温度不同时也会产生温差电势 当组成电偶的两种导体一定时 回路中的电势由电偶 两联接点的温度差决定 在电势与温度差之间建立起确定的关系 用来测定温度差的电偶称作热电偶 在热电偶回路中接入测量电势的仪表就组成热电偶温度计 多数热电偶的电势与温度差之间成近似线性 关系 这种温度计一般测量范围在 200 1800 精度较高 0 5 1 0 级 低温时也可使用 但精度 较差 使用时稍微麻烦一点 需要提供一个冷端参考温度 恒温低温热源 以及测量电势的外加电路 这类温度计有的直接输出电压值 有的经过仪表换算 模数转换 输出摄氏温度值 也可以把电压信号 输出到其它模数转换接口 如微机接口 进行处理或显示 6 热电阻温度计热电阻温度计 利用导体或半导体的电阻值与温度之间的确定关系制作的温度计 它也需要外加电路来测量电阻 比如用标准电压源测电流或用标准电流源测电压 但是不需要提供参考温度 这种温度计一般测量范围 在 200 650 精度较高 0 5 3 0 级 低温测量精度高于热电偶温度计 与热电偶相比 测温元件 体积较大 响应较慢 抗冲击性较差 这类温度计一般经过仪表换算 模数转换 输出摄氏温度值 也 可以把电压信号输出到其它模数转换接口 如微机接口 进行处理或显示 7 非接触式温度计非接触式温度计 非接触式温度计采用检测热辐射强度的方法 用来测量高温对象 又可区分为检测单色辐射或全辐 射 由于在被测对象和检测元件之间的介质对辐射的吸收和反射的影响 会产生相应的测量误差 测量 精度的分级 1 0 1 5 级 并不是很确切 通常用来测量 600 以上的高温 2 温度计读数的校正温度计读数的校正 由温度计本身的特点所决定 需要对读数进行校正的主要是玻璃管液体温度计和热电偶温度计 1 玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计 玻璃管液体温度计的刻度虽然有半浸入 全浸入和整体浸入三种标定方式 但最常见的是全浸入标 定 即温度计浸入被测介质的深度正好与毛细管内的液位对齐 这样的条件在测量过程中往往难以满足 所以在对温度测量精度要求较高时 需要对温度计读数进行修正 按照温度计测量原理 V V0K t t0 1 1 式中 V 液体在温度为 t 时的体积 V0 温度为 t0时的体积 K 工作液体相对于玻璃的体积热膨胀系数 液体与玻璃的体积热膨胀系数之差 若环境温度为 t1 则温度计示值以下 被测介质 界面以上暴露在环境中的那一段 H1 图中标注为 N 是处于环境温度 t1 因为毛细管的直径是一定的 所 以对于露出的这一部分 体积比也等于高度比 这时 在温度计上读出的高度就包含了一个差值 H 计算公 式如下 H H1K t1 t H1 1 2 用 H 对温度计读数进行修正 即从温度计读数 减去这个值 H1由温度计的刻度读取 校正后的温度 t t H 1 3 为了提高精度 以上步骤可重复几次 2 热电偶温度计热电偶温度计 热电偶温度计需要提供低温端标准参考温度 一 般都是取水的冰点 水和冰的混合物 0 这个条 件满足时 不需要进行校正 对于不便于提供标准参 考温度的场合 低温端温度即环境温度 或其他方便 的设定温度 出厂时以标准温度标定的分度就需要 进行校正 从道理上讲 如果所用热电偶的电势与温 度差之间是严格的线性关系 则只需要把指示温度 或由所测电势计算得到的温度 加上冷端温度与 低温端标准参考温度 0 之差 就能得到正确的测 量温度 但是一般热电偶的电势与温差之间都不是严格的线性关系 因此就需要先查得所使用的热电偶 冷端温度与 0 之差所对应的电势 把它加在测得的电势之上 然后再用这个电势的和查得所对应的温度 这样的校正工作当然是必须知道所用热电偶的电势温差特性曲线 用公式来表示 E t 0 E t0 0 E t t0 1 4 即摄氏温度 t 0 所对应的电势等于 t0 0 所对应的电势与 t t0 所对应的电势之和 3 温度测量需要注意的若干问题温度测量需要注意的若干问题 笼统地说 首先要选择符合测量范围和测量精度的温度计 其次应保证温度计的热敏元件与被测介 质有良好的接触 若使用接触式温度计测量固体壁面的温度则需要设置适当的结构 选择导热系数大 热稳定性好的液体作为媒介 在被测固体与测温包之间建立起热平衡 玻璃温度计如果加了护套 则在 被测介质与温度计之间达到热平衡就需要较长的时间 要持续观察一段时间 确信指示值已不再变化 使用配备标准冷端的热电偶温度计时 确保电极浸泡在冰水混合物中 在使用玻璃水银温度计时应多加 小心 万一破碎了要立即进行处理 用硫粉覆盖洒出的水银 并轻轻翻动以促进其反应 将反应后的硫 化汞及剩余的硫粉回收 交废药废液回收站处理 以免污染环境 损害健康 1 2 压力的测量压力的测量 我们通常所说的压力是指压强 与英文中的 pressure 相对应 在化工领域一般都是指流体的压力 1 常见的压力测量方法常见的压力测量方法 客观条件决定了我们在测量流体的压力时 一般都是测出实际的绝对压力与大气压力的差值 称之 为表压 大气的压力并不是一个定值 随着海拔高度 所处的纬度以及温度的改变而改变 标准大气压 是纬度 45 度海平面上摄氏 0 度时大气的压力 对于测量表压来说标准大气压并没有什么帮助 不过 在 需要时 我们可以用水银气压计方便地测出所在地大气的压力 然后得到准确的绝对压力 1 液柱测压方法液柱测压方法 像托里斥利实验那样的装置基本上可以认为是垂直单管测压装置 现在使用的气压计仍然是这种结 构 单管测压装置也可以把直管倾斜放置 以提高测量精度 最常用的还是 U 形管压差计 包括正 U 形 管和倒 U 形管 U 形管也可以通过串联以扩大量程 根据流体静力学原理 由管内液柱的高度差计算得 到管两端的压力差 是最原始也是最可靠的方法 只是由于在要求大的测量范围时 工作介质要用水银 对环境和健康有害 所以除非必要 一般应避免使用水银 2 弹性元件测压方法弹性元件测压方法 实际应用中最常见的压力表就属于弹性元件测压方法 弹性元件中最常用的是单圈和多圈弹簧管 可以用于测量低压 中压 高压和真空度 单圈弹簧管测量范围可以从 0 0 1kPa 直到 0 105 kPa 但是 由于压力表在测量下限和上限附近的测量精度都不高 所以推荐的使用范围是在测量上限的 1 3 到 2 3 之 间 即使用范围只是压力表量程的 1 3 压力表的精度等级范围很大 从 0 01 直到 2 5 对于特定的介质 必须要使用规定的专用压力表 如氧气压力表 氨气压力表 耐腐蚀压力表等 压力表的指示值是表压 与环境大气压的差值 3 电信号测量方法电信号测量方法 电信号测压仪表由压力传感器和显示器组成 在化工上常用的是差压变送器 它的测量对象是压力 差 它是一种电感式差压传感器 变送器有两个测压接口 一个接高压 一个接低压 两个测压室之间 是一个挠性膜片 随着压差的变化而移动 膜片上方的金属片起衔铁的作用 它与马蹄形铁芯之间的空 隙随压差的变化而变化 空隙大时磁阻增大 空隙小时磁阻减小 铁芯上线圈的电感随磁阻的增大而减 小 若把线圈的电阻看作定值 则线圈的阻抗随电感的增大而增大 对于简单的电感式压差传感器 对 线圈电路施加一个标准电流源 则电压随阻抗线性变化 经过标定之后 可以用电压表显示压差 也可 以输出到其它接口 对于较为复杂的差动式压差传感器 工作原理是相同的 只是由两个开口相对的对 称铁芯组成 衔铁位于两个铁芯之间 发生偏移时 距一个铁芯的空隙增大 而距另一个铁芯的空隙减 小 两个电感电路与两个电阻电路组成电桥 为电感电路施加一个电压源 桥路上的输出电压随衔铁与 两个铁芯之间的空隙的变化而变化 在输出电压与被测压差之间建立对应关系 测量精度高于单电感传 感器 这类传感器的输出电压与压差之间成近似线性关系 测量范围较小时 线性关系较好 2 压力测量需要注意的若干问题压力测量需要注意的若干问题 弹性元件和电信号测压方法都是属于间接的测量方法 因此它们都需要标定 压力表是标准化的 在出厂时都经过标定 若有疑问 可用标准压力核对 差压变送器在出厂时也经过标定 但是它的工作 稳定性比不上压力表 一般在安装以后需要进行再标定 它本身提供零点调节和比例调节 使用一段时 间之后可能产生新的偏差 因此需要经常进行核对 对于同时配置 U 形管压差计 测量小压差 和压差 变送器 测量大压差 的场合 可用 U 形管压差计的读数来校正压差变送器的显示读数 细心地观察就 会发现 在小压差范围 传感器的精度非常差 所以建议用 U 形管压差计的最大量程校正传感器测量值 的偏移 对于有腐蚀性的被测介质 应选用隔离型结构的变送器 测压室充入工作液体 由隔膜与被测介质 隔开 无论使用何种形式的测压仪表 在被测的最大压力与仪表的最大量程之间必须留有充分的余地 一 般不应超过最大量程的 2 3 用水作工作介质的 U 形管压差计要求可以适当放宽 在需要测量准确的绝对压力时 可以用气压计测出准确的当地大气压力 与测得的表压相加 1 3 流量的测量流量的测量 流体的流量计量总体上可分为累积量和瞬时量 在商业活动中 一般都是累积量 像水表 燃气表 加油站的汽油 柴油 表等 累积量的测量都是采用容积式的测量方法 生产过程中使用的多为瞬时量 即我们通常所说的气体流量计和液体流量计 我们这里介绍的是瞬时量的测量 在体积流量和质量流量 之间只差简单的密度因子 因此这里只讨论体积流量 即单位时间内通过某一流动截面的体积量 1 常见的流量测量方法常见的流量测量方法 现在实验室常用的有节流式流量计 也称变压头流量计 变截面流量计 涡轮式流量计 叶轮式流 量计的一种 和用于小流量气体流量测量的皂膜流量计 1 变压头流量计变压头流量计 孔板式流量计和文丘里管流量计是基本的变压头流量计 在生产过程中大量使用 目前实验室仍在 使用 这种流量计结构简单 造价低廉 适用范围广 工作可靠 但是需要有一个压差计测量两个已知 流动截面之间的压差 再经过计算得到体积流量 工作原理是机械能守恒 在不考虑机械能损失时计算 得到的体积流量称为理论流量 稳定流动过程的连续性方程 质量守恒 1 5 222111 uA uA 和机械能守恒 不包括重力位能 的微分方程 1 6 0 dP udu 对该式进行积分时 对于不可压缩流体和可压缩流体得到不同的结果 不可压缩流体 若流体的密度不随压力变化 所有液体都看作是不可压缩的 得到不含位能的柏 努利方程 节流部件水平安装时没有位能改变 垂直安装时忽略位能改变 1 7 0 2 1 12 2 1 2 2 PP uu 代入连续性方程 得到 2 1 12 A A uu 1 8 21 2 2 1 2 1 2 1 PP A A u 理论体积流量 1 9 2 1 2 21 222 2 2 1 21 111 1 2 1 2 A A PP AuA A A PP AuAQ 记 并用管道直径比代替面积比 记 不可压缩流体的理论体积流PPP 21 2 1 2 D d A A D d 量可表示为 1 10 4 2T 1 2 P AQ 实际流量可表示为流量系数 C 乘以理论流量 1 11 T CQQ 可压缩流体 对于可压缩流体 采用理想气体在绝热可逆过程中压力与密度之间的函数关系 把 流体微元看作移动的封闭体系 0 PdVduQ PdVdu dV V RT dTC v V dV R T dT C v 1 2 1 2 v lnln V V R T T C R V V VP VP T T 1 2 C 11 22 C 1 2 vv kk VPVP 1122 k 1 1 k 2 2 PP 称为绝热指数 对机械能守恒的微分方程进行积分 得到如下方程 v p C C k 1 12 0 1 2 1 1 1 2 2 2 1 2 2 PP k k uu 代入连续性方程 经过整理得到 k P P A A u A A uu 1 2 1 2 1 1 22 11 12 1 13 k k k P PP k k P P u 1 1 2 1 1 2 1 2 4 2 1 1 2 1 1 理论体积流量 1 14 k 2 1 2 4 1 1 2 1 1 222T 1 1 1 2 P P P PP k k AuAQ k k 实际流量按公式 1 11 计算 传统上 液体流量计都采用水银作为压差计的工作液体 用现在的标准来衡量 环保性能不佳 可 以采用其它的测压方法 如压差传感器 孔板和文丘里管都已经标准化 安装之后可以不经过标定直接 使用 虽然流量计内部的机械能损失可以关联为随雷诺数变化的曲线 即所谓的流量系数 C 其实使用 起来并不方便 更常见的是通过标定 拟合出选定条件下流量 体积或质量 与压差之间的代数方程 但在非标定条件下使用时就比较麻烦 密度校正容易做 粘度校正就很难 粘度在理论流量计算公式中 并不出现 而存在于流量系数 C 中 2 变截面流量计变截面流量计 转子流量计是基本的变截面流量计 比节流式流量计使用起来要方便得多 基本工作原理是浮子在 锥形筒中处于静力平衡时 浮子下方的流体流速始终保持定值 流量较大时 浮子处于锥形筒中过流截 面较大的位置 流量较小时 浮子处于锥形筒中过流截面较小的位置 设浮子的体积为 Vf 横截面积为 S 浮子的密度为 f 流体在标定条件下的密度为 0 可以写出浮子的静力平衡条件 1 15 0 2 1 g 2 00ff SuV 即流体流过浮子时的局部压降 方向是向上的 流速 2 0 2 1 u P 1 16 0 0ff g 2 S V u 体积流量可表示为流速乘以环隙面积 1 17 0 0ff 00 g 2 S V AuAQ 其中 转子的结构参数以及重力加速度 g 都是常数 流体的密度随温度和压力变化 局部阻力系数 可与雷诺数关联 转子流量计在出厂时已经用标准介质在标准条件下标定出体积流量刻度 缺点是通常 的玻璃筒转子流量计耐压性能受到限制 高压时不使用玻璃筒 增加浮子位置变换机构 结构复杂 尽 管如此 在中 低压和温度不是很高时 仍不失为一种比较理想的测量方法 气体流量计的标定介质是 空气 液体流量计的标定介质是清水 标定条件都是 20 和标准大气压 所以在标定条件下用于非标定 介质的测量时 需要对密度进行校正 在非标定条件下测量标定介质时 需要对温度和压力的影响进行 校正 在非标定条件下测量非标定介质时 则需要进行双重的校正 好在连续生产过程中 温度和压力 都是相对恒定的 在实验室 情况会比较复杂一些 3 涡轮式流量计涡轮式流量计 涡轮式流量计的结构相对复杂 是一个整体的组件 包括涡轮和两端的轴承 以及涡轮转速的测速 装置 有流体流经涡轮时 受到四个力矩的共同作用 即流动的流体施加到涡轮叶片上的主动力矩 流 体的粘滞作用阻止涡轮转动的阻力矩 轴承的机械摩擦产生的阻力矩 以及 由于测速机构电磁组件的 存在 涡轮转动时感生的涡流与测速组件之间的电磁阻力矩 其动力学方程为 1 18 321 TTTT dt d J 式中 J 涡轮的转动惯量 角速度 T 主动力矩 T1 T2 T3 相应的阻力矩 主动力矩与阻力矩都随着流量的增大而增大 当合力矩为零时 角加速度为零 涡轮作等速转动 涡轮的角速度与流体体积流量之间的关系可由下式表示 1 19 2v 2 v1 1 v a a a1 a qq q 式中 qv 体积流量 与组件的结构 流体的特性 流动状态都有关 一般称为涡轮流量计的转换系数 a1 a2 分别与电磁阻力矩 机械摩擦阻力矩以及组件结构和流体特性有关 当体积流量大到一定程度时 上述公式可近似为 1 20 a a v1v qq 同时也可以看出 在 a1时涡轮并不转动 流量计组件出厂时 根据标定介质 操作条件和测量 v q 范围得到 的平均值 给出体积流量和涡轮转动频率之间的标定关系式 1 21 C f V 频率 f 与角速度 之间的关系是 1 22 2 f 因此 C 2 1 23 在总体上 涡轮流量计的测量精度较高 但在流量很小时精度不高 2 流量测量需要注意的若干问题流量测量需要注意的若干问题 在非标定条件下使用流量计时 一般需要进行校正 另外玻璃筒转子流量计常因使用不当 受撞击 而损坏 应特别注意 下面分别叙述 1 变压头流量计变压头流量计 同一种介质 操作条件下的体积流量 Q 与标定条件下的体积流量 Q0的关系 在忽略粘度影响时 可 简化为 1 24 0 0 QQ 其中 下标 0 表示标定条件下的参数 下同 改变测量介质时 流量计应重新标定 使用使用 U 形管压差计时 注意在流量控制阀处于最小开度时启形管压差计时 注意在流量控制阀处于最小开度时启 动泵或者风机 以免动泵或者风机 以免 U 形管中的指示液在启动时被冲出 影响实验 形管中的指示液在启动时被冲出 影响实验 2 转子流量计转子流量计 操作条件下的体积流量 Q 与标定条件下的体积流量 Q0的关系 在忽略粘度影响时 对于气体 可简 化为 1 24 式 对同一种介质 近似为理想气体 1 25 PT TP 0 00 对于不同的介质 还需要对分子量进行较正 密度的单位是质量密度而非摩尔密度 1 26 PTM MTP 00 00 式中 M 被测气体的分子量 M0 标定气体的分子量 对于液体 可简化为 1 27 1 1 0f f 0 QQ 在使用玻璃筒转子流量计时 必须在流量计控制阀关闭或最小开度时 如气体流量的分路调节 启在使用玻璃筒转子流量计时 必须在流量计控制阀关闭或最小开度时 如气体流量的分路调节 启 动泵或者风机 玻璃筒受金属转子撞击时 破碎的几率很高 所以一定要牢记 以免造成财产损失和人动泵或者风机 玻璃筒受金属转子撞击时 破碎的几率很高 所以一定要牢记 以免造成财产损失和人 身伤害 身伤害 3 涡轮式流量计涡轮式流量计 对于同一种介质 操作条件偏离标定条件不远时 可以不必校正 事实上 因为机理复杂 很难校 正 改变测量介质时 流量计需要重新标定 第第 2 章章 实验数据分布及基本数据处理实验数据分布及基本数据处理 2 1 实验数据的分布实验数据的分布 在进行实验时 可以在一定范围内任意改变的变量称为实验控制变量 比如温度 压力 流量等 在以流量或者雷诺数作为实验数据拟合的自变量 横坐标 的实验中 流量是主要的控制变量 一般情 况下 都希望实验数据能够均匀分布 在可调节范围一定时 应该取多少组数据是另外一个问题 按照 对实验数据进行回归处理的要求 实验数据应不少于回归模型中回归系数的个数的 5 倍到 10 倍 在实验 时还应留有一定的余地 可能会剔除异常数据 比如 若用二次曲线拟合离心泵的扬程与流量之间的对 应关系 则回归模型中有三个待定参数 回归系数 有效实验数据应不少于 15 组 先获得离心泵的最 大流量 调节阀全开 取流量间隔进行调节得到 N 1 组数据 在此例中 N 应取 16 N QQ Q minmax 或 17 在拟合时需要先取对数的场合 最好是对直接控制变量的对数进行平均分割 比如强制对流传热 的准数关系式或直管中的摩擦因子与雷诺数之间的关系 雷诺数中除流速外 其他参数相对恒定 或变 化不大 如密度 粘度 取流量间隔进行调节比较适宜 N lnQlnQ lnQ minmax 2 2 实验数据的基本处理实验数据的基本处理 数据处理的主要内容包括 回归模型的合理选择 实验数据的辨识和判断 回归计算及简单的误差 分析 列表及绘图等 1 回归模型的合理选择回归模型的合理选择 对于验证性的实验内容 回归模型的选择通常已经是很明确的 但是在实验教学的实践当中 同学还 是会经常犯一些低级的错误 主要原因是缺少独立和认真的思考 没有养成在理解的基础上再进行理性 处理的好习惯 比如 气体吸收实验中 填料塔的流体力学性能测定 在喷淋量恒定时 逐步加大气体流量 直到产生 液泛 已经知道液泛前后的填料压降与空塔气速之间的关系遵循不同的规律 因此在对数据进行处理时 应该以液泛点为界分两段处理 再比如液体在直管内流动时 摩擦因子与雷诺数之间的关系 在层流区 域和湍流区域也是遵从不同的规律 应该在雷诺数小于 2000 的范围内适合于层流的拟合模型 对于雷诺 数大于 2000 包括过渡流阶段 的部分采用适合湍流的拟合模型 干燥实验中 实验结果比较明确地显 示出等速干燥阶段和降速干燥阶段 数据处理理应分段进行拟合 但是多数人都把干燥速率随干基含水 率的变化拟合成为一条像抛物线模样的曲线 再比如 相当多的同学在传热实验中用套管进出口空气的 平均密度计算质量流量 而流量计测定的明明是进口处的体积流量 诸如此类的问题 只要经过认真思 考 都是可以避免的 2 实验数据的辨识和判断实验数据的辨识和判断 通常先把实验数据标在坐标纸上或者制作简单的屏幕图形 习惯上把它叫做散点图 在散点图上对实 验数据进行初步观察 如有异常数据 一般都是显而易见的 对于异常数据 一是应该认真分析出现异 常的原因 并且在实验报告中进行说明 二是在进行数据拟合时把它剔除 否则就会严重影响整个数据 拟合的质量 无法反映实验变量之间的真实的规律性 比如 可能是由于称重使用的电子秤或者鼓风机 的周期性波动 干燥速率曲线在数据比较密集时 表现出一种基本上是恒定振幅的周期性震荡 就像矩 形脉冲波 很明显是不真实的 2 3 实验报告的基本要求实验报告的基本要求 针对近几年同学在提交实验报告时出现的一些不好的现象 在此郑重多说一句 互相切磋是一种美 德 互相抄袭是一种应该受到谴责的恶习 于学习无益 于情操有损 实验报告是一份反映实验工作的完整的文件 撰写实验报告也是从事实验研究工作的一项基本训练 它分为两个部分 1 实验预习实验预习 第一部分是实验预习的内容 在实验操作以前完成 主要包括以下内容 实验目的和内容 以简洁的文字和必要的公式说明本次实验的目的和内容 不要大段大段地抄实 验讲义 用自己的语言 说清楚就好 千万不要认为写的越多 水平就越高 写得过多说明理解 得不好 或者没有掌握重点 实验装置简图 用什么工具作图并不重要 重要的是它所反映的一定是做实验所使用的真实的装 置 切忌东抄西抄 实验报告中时常会看到早已被淘汰的几十年前曾经使用过的实验装置 一种 可能是报告人心不在焉 糊弄过去 应付差事 没有好心情对待学习的事 另一种可能是 别人 写好报告后复制一份或者复印一份 想都不想 如果把学习当作是一件认真的事 画实验装置图 最基本的要求是实事求是 不造假 重要性排序 真 善 美 实验原理 实验原理特别强调逻辑的严密和概念的准确 文字要简洁 不能以多取胜 写得过多 说明理解得不好 或者没有掌握重点 比如强制对流传热系数准数关联式关联参数的验证 或称 对流传热系数的测定 基本原理只有几条 可能的表述方式之一 肯定不是最好的表述 不值得 效法 根据热量守恒计算传热速率 由牛顿冷却定律 TT mCQ 12p 计算出 对应的雷诺数和普兰特准数 TT AQ w d Nu ud Re 流速由体积流量和过流面积求得 其他参数取定性温度下的值 由 p C Pr 回归计算出 a b 并与前人得到的结果进行比较 nbPr aReNu 主要的实验操作步骤 所有的操作过程细节不大可能事先描述的十分完整 但是 基本的实验工 作顺序和主要的操作步骤必须事先心中有数 不能到了现场才琢磨 包括 设备启动之前需要检 查哪些项目 变量调节的范围 调节方法和顺序 数据分布方案 特别需要注意的问题 尤其是 安全问题 测量的项目及时机 需要记录的项目等 2 实验结果记录及后处理实验结果记录及后处理 实验结束后所做的工作构成实验报告的第二部分 主要包括以下内容 验数据的整理 实验过程中记录的数据一般都不够规范 所以实验结束后需要重新进行整理 一 般是列成表格 既简洁又整齐 对于过多的原始数据 如干燥实验 采样频率低可能会丧失观察 升温阶段或开始减速阶段的机会 采样较密 又会在等速阶段积累过多的重复数据 也可以先 经过预处理 合理地压缩数据量 数据处理及结果的整理 在进行数据处理时 首先要交待清楚处理的方法 依据以及所用到的计 算公式 并选取一组数据作为示例 阐述完整的计算过程 然后把全部计算结果以表格的形式列 出 画出散点图进行观察 辨别和剔除异常数据 完成最后的回归计算 绘制相应的拟合曲线图 实验数据点必须在图上作出标记 实验总结及评价 对实验的全过程进行必要的总结 对由实验得到的结果与前人的结论进行比较 作出实事求是的评价 这是实验报告中非常重要的一部分 每一个人在工作中或多或少都会有失 误 甚至会做错 但是不应该重复同样的错误 通过认真总结 期望每一次实验之后都会有所提 高 对于结果中不完善的地方 要进行理性的分析 找出造成失误的原因 作出合理的解释 第第 3 章章 化工原理基本实验化工原理基本实验 3 1 流体流动阻力的测定流体流动阻力的测定 1 实验目的实验目的 掌握测定流体流经直管 管件和阀门时阻力损失的一般实验方法 测定直管摩擦系数 与雷诺准数 Re 的关系 验证在一般湍流区内 与 Re 的关系曲线 测定流体流经管件 阀门时的局部阻力系数 学会流量计和压差计的使用方法 识辨组成管路的各种管件 阀门 并了解其作用 2 实验原理实验原理 流体通过由直管 管件 如三通和弯头等 和阀门等组成的管路系统时 由于粘性剪应力和涡流应 力的存在 要损失一定的机械能 流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失 流体通过管件 阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失 1 直管阻力摩擦系数 的测定 流体在水平等径直管中稳定流动时 阻力损失为 3 1 2 2 21 u d lpp p h f f 即 3 2 2 2 lu pd f 式中 直管阻力摩擦系数 无因次 d 直管内径 m 流体流经 l 米直管的压力降 Pa f p 单位质量流体流经 l 米直管的机械能损失 J kg f h 流体密度 kg m3 l 直管长度 m u 流体在管内流动的平均流速 m s 层流时 3 3 Re 64 湍流时 是雷诺准数 Re 和相对粗糙度 d 的函数 须由实验确定 由式 3 2 可知 欲测定 需确定 l d 测定 u 等参数 l d 为装置参数 装置参 f p 数表格中给出 通过测定流体温度 再查有关手册而得 u 通过测定流体流量 再由管径计算得 到 可用 U 型管 倒置 U 型管 测压直管等液柱压差计测定 或采用差压变送器和二次仪表显示 f p 求取 Re 和 后 再将 Re 和 标绘在双对数坐标图上 2 局部阻力系数 的测定 局部阻力损失通常有两种表示方法 即当量长度法和阻力系数法 本实验采用阻力系数法 流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数 局部 阻力的这种计算方法 称为阻力系数法 即 3 4 2 2 f f p u h 故 3 5 2 2 f p u 式中 局部阻力系数 无因次 局部阻力压强降 Pa 本装置中 所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降 直 f p 管段的压降由直管阻力实验结果求取 流体密度 kg m3 g 重力加速度 9 81m s2 u 流体在小截面管中的平均流速 m s 根据连接阀门两端管径 d 流体密度 流体温度 t0 查流体物性 及实验时测定的流量 V 0 压差计读数 通过式 5 求取阀门的局部阻力系数 3 实验内容实验内容 根据粗糙管实验结果 在双对数坐标纸上标绘出 Re 曲线 对照化工原理教材上有关曲线图 即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度 根据光滑管实验结果 对照柏拉修斯方程 计算其误差 测定闸阀在不同开度时的阻力系数 对实验结果进行分析讨论 4 实验装置与流程实验装置与流程 1 实验装置流程图实验装置流程图 图图 3 1 流体流动阻力测定实验装置流程示意图流体流动阻力测定实验装置流程示意图 1 水箱 2 管道泵 3 涡轮流量计 4 进口阀 5 均压阀 6 闸阀 7 引压阀 8 压力变送器 9 出口阀 10 排水阀 11 电气控制箱 2 流程简介流程简介 如图 3 1 所示 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 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 测定局部阻力部分使用不锈钢管 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对象为管道内壁较粗糙 的镀锌管 水的流量使用涡轮流量计测量 管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪 3 设备的主要技术数据设备的主要技术数据 测光滑直管段 管径 d 0 020 m 测压点间距离 L 1 00 m 材料为不锈钢 被测粗糙直管段 管径 d 0 021 m 测压点间距离 L 1 00 m 材料为镀锌铁 被测局部阻力直管段 管径 d 0 020 m 长度 0 95 m 压差传感器 型号为 3351DP4E22B3 测量范围为 0 15 kPa 离心泵 型号为 MS60 37SS 流量为 3 6 m3 h 扬程为 14 6 m 电机功率为 370W 转速 2850rpm 涡轮流量计 型号为 LWGY 20 5 实验方法及步骤实验方法及步骤 检查储水槽内水位是否正常 若缺水须加水至满 实验中注意保持水体清洁 检查所有阀门并将阀门关紧 打开总电源和仪表开关 启动水泵至自动档 待电机转动平稳后 把出口阀开到最大 排气 选择实验管路 把对应的进口阀 引压阀和差压变送器 8 的两个阀门打开 并在出口阀最 大开度下 保持全流量流动 5min 左右 直至连接差压变送器的透明管路内气泡为止 关闭差压变送器 8 的两个阀门 在计算机监控界面点击该对应管路 则差压变送器开始检测该管 路压差 流量调节 手动状态 调节流量 让流量从 1 5m3 h 范围内变化 建议每次实验变化 0 25 0 3 m3 h 每次改变流量 待流动达到稳定后 记下对应的压差值 温度 流量 依次选择光滑管 粗糙管以及局部阻力管路进行测量 数据测量完毕 关闭所有阀门 关闭水泵 和仪表电源 6 思考题思考题 以水为工作流体所测得的关系能否适用于其他种类的牛顿型流体 请说明原因 Re 如果要增加雷诺数的范围 可采取哪些措施 测出的直管摩擦阻力与直管的放置状态有关吗 请说明原因 离心泵启动前 出口阀处于什么状态 为什么 关闭离心泵时 出口阀处于什么状态 为什么 3 2 离心泵特性曲线的测定离心泵特性曲线的测定 1 实验目的实验目的 掌握离心泵特性曲线的测定方法 了解离心泵的构造 安装 使用与操作 2 实验原理实验原理 离心泵的特性受泵的结构 叶轮形式与转速的影响 特性参数包括流量 扬程H 功率N 效率 对确定的泵 在一定的转速下 H N 都随流量 的改变而变化 以曲线形式表示这些参数之间的 关系就是离心泵的特性曲线 离心泵的特性曲线能清楚的反映离心泵的操作性能 是选用离心泵和确定 泵的适宜操作条件的主要依据 对任意一台离心泵的特性曲线不能用解析法进行计算 只能通过实验来 测定 1 流量 的测定流量 的测定 通过离心泵的流量采用涡流流量计测量 本实验系统中流量计读数与实际流量间的关系式为 3 1 k f Q 式中 流量 Qsm3 涡轮转数 fHz 流量计校正系数 k升次 2 扬程扬程 H 的测定的测定 在泵的吸入口和排出口之间列柏努利方程 3 2 出入 出出 出 入入 入 f H g u g p ZH g u g p Z 22 22 3 3 出入 出入入出 入出 f H g uu g pp ZZH 2 22 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 与柏努利方程式中其它项比较 出出入入 f H 值很小 可以忽略 上式变为 出出入入 f H 3 4 g uu g pp ZZH 2 22 入出入出 入出 式中 离心泵的扬程 Hm 出口 入口处压强 入出 P PPa 出口 入口处流速 入出 u usm 出口 入口测压点高度 入出 Z Zm 流体密度 3 mkg 重力加速度 g 2 sm 将测得的和的值以及计算所得的代入上式即可求得 H 的数值 入出 ZZ 入出 PP 出入 u u 3 功率功率 N 的测定的测定 功率表测得的功率为电动机的输入功率 泵由电动机直接带动 传动效率可视为 1 电 kW 电入 N 动机的输出功率等于泵的轴功率 即 kW 电出 N kWN 3 5 电出轴 NN 3 6 电电入电出 NN 所以 3 7 电电入 NN 式中 电动机效率 无因次 电 4 泵效率泵效率 的测定的测定 3 8 N Ne 3 9 1021000 HQgHQ Ne 式中 泵的效率 泵的有效功率 e NkW 5 转速 的测定转速 的测定 3 实验内容实验内容 测定单级离心泵在不同转速下的特性参数 绘制离心泵特性曲线 图图 3 2 离心泵性能测定实验装置流程图离心泵性能测定实验装置流程图 1 离心泵 2 真空表 3 压力表 4 变频器 5 功率表 6 流量调节阀 7 实验管路 8 温度计 9 涡轮流量计 10 实验水箱 11 放水阀 12 频率计 4 实验装置与流程实验装置与流程 1 实验装置流程图 见图实验装置流程图 见图 3 2 2 流程简介流程简介 如图 3 2 所示 水泵 1 将水槽 10 内的水输送到实验系统 用流量调节阀 6 调节流量 流体经涡 轮流量计 9 计量后 流回储水槽 3 设备的主要技术数据设备的主要技术数据 离心泵 流量 扬程 轴功率 minL12020 Q m19513 H KW550 N 真空表测压位置管内径 m0250 1 d 压强表测压位置管内径 m0250 1 d 真空表与压强表测压口之间的垂直距离 m180 0 h 实验管路内径 m0400 d 电机效率为 60 涡轮流量计仪表常数 第 1 套 77 910 次 升 第 2 套 77 920 次 升 功率表型号为 PS 139 精度 1 0 级 泵吸入口真空表 测量范围 0 1 0MPa 精度 1 5 级 泵出口压力表 测量范围 0 0 25MPa 精度 1 5 级 5 实验方法及步骤实验方法及步骤 向储水槽 10 内注入清水 检查流量调节阀 6 压力表 3 及真空表 2 的开关是否关闭 应关闭 启动实验装置总电源 用变频调速器上 及 键设定频率后 按 run 键启动离心泵 缓慢打开 调节阀 6 至全开 待系统内流体稳定 打开压力表和真空表的开关 方可测取数据 测取数据的顺序可从最大流量至 0 或反之 一般测 10 20 组数据 每次在稳定的条件下同时记录流量 压力表 真空表 功率表的读数及流体温度 实验结束 关闭流量调节阀 停泵 切断电源 6 实验注意事项实验注意事项 该装置电路采用五线三相制配电 实验设备应良好地接地 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 电机会反转 启动离心泵前 关闭压力表和真空表的开关 以免损坏压力表 7 思考题思考题 测定离心泵的特性曲线并绘出曲线图时为什么要注明转速数值 随着离心泵流量的增大 进口真空表和出口压力表指示的数值怎么变化 功率表读数如何变化 离心泵怎样启动 为什么 离心泵启动后 如不打开出口阀会有什么结果 为什么离心泵可用出口阀来调节流量 3 3 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 1 1 实验目的实验目的 掌握对流传热系数的测定方法 测定空气在圆形直管内的强制对流传热系数 验证准数关联式 了解套管换热器的结构及操作 掌握强化传热的途径 学习热电偶测量温度的方法 2 实验原理实验原理 冷热流体在间壁两侧换热时 传热基本方程及热衡算方程为 3 10 出出入入 ttCmtKAQ psm 换热器的总传热系数可表示为 3 11 oi b K 111 式中 换热量 QsJ 总传热系数 K smJ 2 换热面积 A 2 m 平均温度差 m t 比热 Cp kgJ 质量流量 s mskg 换热器壁厚 bm 内 外流体对流传热系数 i o smJ 2 依据牛顿冷却定律 管外蒸汽冷凝 管内空气被加热 换热量亦可表示为 3 12 woowii TTAttAQ 式中 管内 冷侧 管外 热侧 壁温 w t w T 管内 冷侧 管外 热侧 流体温度 tT 测定空气流量 进出口温度 套管换热面积 并测定蒸汽侧套管壁温 由于管壁导热系数较大且管 壁较薄 管内壁温与外壁温近似相等 根据上述数据即可得到管内对流传热系数 由于换热器总传热系 数近似等于关内对流传热系数 所以亦可得到套管换热器的总传热系数 流体在圆形直管强制对流时满足下述准数关联式 3 13 33080 0230 PrRe Nu 式中 努塞尔特准数 无因次Nu d Nu 雷诺准数 无因次Re du Re 普兰特准数 无因次Pr Cp Pr 测定不同流速条件下的对流传热系数 在双对数坐标中标绘 关系得到一条直线 直线斜率应NuRe 为 0 8 3 实验内容实验内容 测定不同空气流量下空气和水蒸汽在套管换热器换热时内管空气的对流传热系数 推算总传热系 数 在双对数坐标中标绘 关系 验证准数关联式 NuRe 4 实验装置与流程实验装置与流程 1 实验装置流程图实验装置流程图 1 0 7 图图 3 3 传热实验装置流程示意图传热实验装置流程示意图 1 蒸汽发生器 2 水位指示管 3 风机 4 风量调节阀 5 孔板 6 U 型管 7 空气进口温度计 8 空气出口温度计 9 热电偶测量系统 10 冷凝回水管 11 外管 12 内管 1 3 4 11 5 9 10 2 6 8 12 2 流程简介流程简介 如图 3 3 所示 鼓风机将空气送入换热器内管 风量由阀门 4 进行调节 并采用孔板流量计 5 计量流 量 进出换热器的温度分别由进出口的温度计 7 8 读出 蒸汽发生器 1 将产生的蒸汽送入套管 套管壁 温采用热电偶温度测量系统进行测量 5 实验方法及步骤实验方法及步骤 向电加热釜加水至接近液位计上端红线 向保温瓶中加入适量的冰水 并将冷端补偿热电偶插入其中 将空气流量旁路调节阀 4 全开 电压调节电位器旋至最小值 逆时针方向 检查数字电压表的测量讯号线是否接好 接通电源 至少预热 5 分钟 顺时针方向缓慢旋转电压调节电位器 使电压表的示值为 180V 待水沸腾 水蒸气进入玻璃套管 加热约 10 分钟后 启动鼓风机 待空气入口温度稳定后开始测试 调节空气流量旁路阀的开度 使压差计的读数为所需的空气流量值 注意旁路阀全开时 空气流 量为最小值 全关时为最大值 待玻璃套管中充满蒸汽并有适量冷凝液时算起 约 5 分钟后可读取数值 重复步骤7 8 分别取10 个以上空气流量值 应包括最大和最小流量值 测试结束后 将加热电压调节电位器旋至最左端 逆时针方向 使电压表 电流表的示值为零 约 5 分钟后关闭鼓风机 并将旁路阀全开 切断总电源 停止实验 6 实验注意事项实验注意事项 实验过程中 蒸汽发生器中的水位不能低于液位计下端的红线 否则螺旋形电热管将被烧坏 液 位亦不能过高 否则会使水溢入套管 启动风机时 空气流量旁路阀不能关上 否则会把 U 型压差计中的液体冲出 附 实验装置流量与温度校正数据 空气流量公式 R 单位为 mm hm472 2 3472 0 RV 蒸汽侧壁温与测温热电偶电势关系 E 单位为 mv 6 0 2 22 ET 空气进出口温度校正 5 2 12 ttt 7 思考题思考题 本实验要想提高K值应当增加哪一个管内的流体流量 铜管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近 本实验中若套管间隙中有不凝性气体存在 对传热有什么影响 实验中所测的壁温接近蒸汽侧温度还是空气侧温度 传热过程的稳定性受哪些因素的影响 3 4 填料塔压降曲线和吸收系数的测定填料塔压降曲线和吸收系数的测定 1 1 实验目的实验目的 了解填料吸收塔的结构 性能 基本流程与操作 熟悉填料式传质设备的流体力学性能 掌握总传质单元高度和总体积传质系数的测定方法 2 实验原理实验原理