化工原理试验思考题答案

1、化 工 原 理 实 验 思 考 题实验一：柏努利方程实验1. 关闭出口阀，旋转测压管小孔使其处于不同方向（垂直或正对流向），观测并记录各测压管中的液柱高度 H并回答以下问题：（1） 各测压管旋转时，液柱高度H有无变化？这一现象说明了什 么？这一高度的物理意义是什么？答：在关闭出口阀情况下，各测压管无论如何旋转液柱高度H无任何变化。这一现象可通过柏努利方程得到解释： 当管内流速u=0时动2压头H动二-0，流体没有运动就不存在阻力，即艺hf=O，由于流体保持静止状态也就无外功加入，既We=0，此时该式反映流体静止状态见（P31）。这一液位高度的物理意义是总能量（总压头） 。（2）A B、C、D E

2、测压管内的液位是否同一高度？为什么？答：A、B、C、D E测压管内的液位在同一高度（排除测量基准和人 为误差）。这一现象说明各测压管总能量相等。2. 当流量计阀门半开时，将测压管小孔转到垂直或正对流向，观察其的液位高度H，并回答以下问题：（1）各H，值的物理意义是什么？答：当测压管小孔转到正对流向时 H，值指该测压点的冲压头 H/冲；当 测压管小孔转到垂直流向时 H/值指该测压点的静压头 H/静；两者之间 的差值为动压头H/动=H /冲-H/静。（2）对同一测压点比较 H与H/各值之差，并分析其原因 答：对同一测压点 H >H/值，而上游的测压点 H，值均大于下游相邻 测压点H，值，原因

3、显然是各点总能量相等的前提下减去上、 下游相邻 测压点之间的流体阻力损失艺hf所致。(3) 为什么离水槽越远 H与H/差值越大？(4) 答：离水槽越远流体阻力损失艺hf就越大，就直管阻力公式可以l2看出H f -=与管长I呈正比。d 23. 当流量计阀门全开时，将测压管小孔转到垂直或正对流向，观察其的液位高度H并回答以下问题：(1) 与阀门半开时相比，为什么各测压管内的液柱高度H出现了 变化？答：从采集的数据可以看出，阀门全开时的静压头或冲压头与半开时 相比，各对应点的压头均低于半开时的静压头或冲压头，因为直管阻 力Hf与流速呈平方比(公式 3-1)。(2) 为什么C、D两点的静压头变化特别明

4、显？答：由于测压管C、D两点所对应的管道内径小于两侧为© 12mm,因 此在相同流量的条件下 C、D两点所对应的管道内的流速大于两侧的2 2 流速，根据柏努利方程机械能守恒定律，当C、D两点的动能 生二出2 22 2>号时，C、D两点的静压能 也V血。此外从H f寸号直管阻 力公式可以看出，|、d产生的阻力损失艺hf对C、D两点的静压能也 有一定的影响。4. 计算流量计阀门半开和全开 A点以及C点所处截面流速大小。答：注：A点处的管径d=0.0145(m) ;C点处的管径d=0.012(m)A点半开时的流速:UA半Vs 423600 ： d0.08x43600 二 0.0145

5、2= 0.135(m/s)A点全开时的流速:Vs 423600 n d0.16汇 43600 二 0.01452二 0.269(m/s)C点半开时的流速:Uc半Vsx 423600 二 d0.08x43600 二 0.0122= 0.1965(m/s)C点全开时的流速:Vsx 40.16 4uc全3600 二 d23600 二 0.012二 0.393(m/s)21. 根据雷诺实验测定的读数和观察流态现象，列举层流和湍流临界雷诺准数的计算过程，并提供数据完整的原始数据表。答：根据观察流态，层流临界状态时流量为90( l/h)体积流量:90 10”360053=2.5 10 (m3/s)雷诺准数

6、：du0.0145 0.1514 998.73Re31973卩1.11仆10根据观察流态，湍流临界状态时流量为174( l/h)体积流量：V17410*8310”(m3/s)3600流速：Vs4.83 104u20.29269(m / s)A二 0.0145Vs2.5 10 4A 二 0.01452=0.1514(m/ s)Redu£流速:O.°145O.29269 998.73 =3815雷诺准数:1.111 10同理，根据雷诺实验测定的读数计算其余各点的流量、流速和雷诺准 数如原始数据表所述。2. 根据实验观察到的流态，层流和湍流临界雷诺准数值与公认值 有无差距？原因何

7、在？答：略有差距。主要原因在于实验设备测量精度和测量稳定性不高， 其次是流态显色墨水的注入量控制不当以及人为干扰产生的震动等。3. 根据雷诺准数表示式，你认为在什么条件下可以只用流速来判 断流动型态(如层流、湍流)？答：根据雷诺准数的四个影响因素： d、u、p、可知，在同一台实验 装置(即 管径d,且管子不变)，水的温度不变(即 水的密度和黏度 不变)以及测试的人为环境不变时，可以依据前次的实验结果判断流实验三管道流体阻力的测定1. 测得水银一水差压计的读数为Rf (mHg),证明Rf与阻力的关系为：Hf=12.6R g (J/kg)答：设环境温度为20C，水银的密度 盹=13590 (kg/

8、m 3)水的密度pH2o=998.2 (kg/m3)证明如下:Hf 二二 B Rf 135998998.2 Rf g =12.6Rf g PB998.22. 紧靠孔板流量计前后测得的压差，是否代表流体通过流量计的永久 阻力损失？为什么?答：测得的压差不代表流体通过流量计的永久阻力损失。流量计测得 的压差 少一方面由流体流经孔板产生的永久阻力少1,另一方面由流体流经孔板的流速变化也将产生一定的阻力少2。3. 实验装置各压差计上的“平衡阀”（旁通阀）有何作用？在什么状况下进行开启或关闭操作？答：平衡阀用以调节压差计两臂液柱的平衡。在实验装置启动运行或 结束实验时，平衡阀应该处在开启状态；在实验装置

9、检验系统内空气 是否排净或测量阻力数据是平衡阀应该处在关闭状态。4. 根据管道流体阻力测定的读数，列举1米直管在某一流量下的阻力 Hf和摩擦系数X 在某一流量下的局部阻力 Hf'和局部阻力系数Z的 计算过程，并提供数据完整的实验结果表及用双对数坐标绘制一般湍 流区内2Re uR关系曲线。答：计算条件差压计指示液及水的密度：pg 13950 kg/m31596 kg/m3实验温度20Cp2o 998.2 kg/m3实验装置提供的有关系数：a =0.3393n=0.1589求实验装置流量最大时一米直管的流体阻力Hf ;摩擦系数 X值。求 实验装置流量最大时两米直管内，截止阀的局部阻力H/f

10、 ;局部阻力系数Z值。t (C)d (m)L1 (m)L2 (m)200.0271.002.00日实验条件阻力实验结果图表2007年10月25R(cmHg)u(m/s)Rf1(cmCCI4)Hf1(J/kg)Rf2(cmHg)Hf2(J/kg)pkg/m3)u (cp)Re入Z80.4003.30567.103.94855.5060.684998.21.00488722.510.019511.1159.0002.81550.602.97740.1043.596998.21.00475559.930.020311.0039.9002.29836.302.13628.0530.389998.21.

11、00461679.560.021811.5127.4001.89125.401.49518.7020.118998.21.00450751.070.022611.2617.8001.51217.551.03312.4013.257998.21.00440573.210.024411.6012.0501.23512.700.7478.208.638998.21.00433137.570.026511.348.2001.0119.100.5356.006.343998.21.00427137.790.028312.415.8500.8476.900.4064.304.501998.21.00422

12、739.620.030512.543.9000.6884.900.2882.852.945998.21.00418454.400.032912.465. 如何检验实验装置中的空气已经排净答：排空气操作后，在离心泵运行的状态下，关闭管路中的流量调节 阀和各压差计上的平衡阀，观察各压差计上的读数为0是时，表示系统内的空气已经排净。实验四 离心泵特性曲线的测定1. 根据离心泵特性曲线实验所测定的读数，列举某一流量Qi (m= 3.2 m /s/s )下的实际扬程h ；轴功率n ；总效率n勺计算过程，并提供数据完整的原始数据、计算结果表和绘制HQ; N Q;Q特性曲线图。答：计算条件：进出口压力、真空

13、表间的垂直距离ho=0.i25(m；按T传=1计进出口管内径di = 0.048 ( m)d2 = 0.0314(m根据电机编号1194的效率n与电机输入功率(W曲线图，查得电机效 率耳电(%数据表你列如下。计算示例：a.功率1=格数1x C=48X 40=1920 (W )计算结果表你列如下。2JT xd； U1 =Q虫4b 流速计算3 .二 2.304 10”= 5.816710.2U24= 5.8167 10 '4,感泊 9.61 10 一3= 7.71 m /sC.扬程计算2 2H hp2PlU2 - U1He1 *Pg2g54c 1.15 汉 10 +2.5汉10 = 0.1

14、251000 9.812 27.71 -3.2+2 9.81= 16.9 mN1二N电机丄电机1_传d.轴功率9.9%总效率计算= 1534.08 WN16.9 9.81 5.81671534.08= 62.86%同理其他数据按以上公式计算得表内结果:离心泵特性曲线实验原始数据记录及计算结果表功率表常数C=40 功率(W =格数X C、参数乖量积算仪冥数(m3/h)流量Q(l/s )压力表读数(MPa真空表读数(MPa功率表(格数)电机输入功率1(W岂机效率n, (%扬程H(MHO轴功率N(W泵总效率n %)120.945.81670.1150.025048.0192079.916.90153

15、4.0862.86220.005.55560.1250.023047.0188079.917.501502.1263.49318.965.26670.1340.021646.0184079.818.041468.3263.48417.664.90560.1460.019045.0180079.818.721436.4062.72517.004.72220.1520.018044.5178079.719.101418.6662.37614.404.00000.1680.015041.5166079.119.961313.0159.65710.183.05000.1890.010238.01520

16、78.521.121193.2052.9688.862.46110.1960.008534.0136077.521.421054.0049.0796.201.72220.2040.007031.0124076.421.85947.3638.97103.190.88610.2060.004027.0108074.421.19803.5222.92110.000.00000.2090.000023.594072.421.43680.560.002. 离心泵启动前为何要引水灌泵？若灌泵后仍不能正常运行，你认为是什么原因？答：离心泵启动前引水灌泵，可避免泵腔产生气膊，也有利于泵进口的吸人真空度。倘若灌

17、泵后仍不能正常运行， 原因有几个方面：a底 阀锈蚀不能自动打开，b进口管污物堵塞，c水面上方至泵腔明显 的空气泄漏点，d泵的安装高度大于泵的实际吸入扬程。3. 根据实验数据所知，泵的输送水量越大进口处的真空度越大，为什么？Z 0、z 1 保答：根据示意图按柏努利方程分析可知:a.系统流体构成有效回路，形成稳态流动，两截面的位能持不变，大气压Po不变，静压能P°/（g）不变。2 2b.两截面间的动能虬和比将同2g2g步提高。c. 0-0、-1 两截 面间无外功加入We，即无有效压d.头He。由于流体的能量损失 与动能成 正比，2流量越大:越大，Hf响应增大，因此旦小，即Pl减小（真 空

18、度增大）。4.能否在离心泵的进口管处安 装调节阀？为 什么？答：不能。因为在离心泵的进口管处安装调节阀，会增加吸入管路的压头损失，也有出现增加叶轮汽蚀可能性。5. 两台同型号的离心泵并联，其流量能否增加一倍？若两泵串联，其扬程能否增加一倍？答：由于流量的增大使管路阻力增加，因此两台同型号的离心泵并联后的总流量必然低于原单台泵流量的两倍。两台泵串联操作的总压头必然低于单台泵压头的两倍。实验五板框压滤机过滤常数的测定1. 据板框压滤机实验所测定的数据，计算出两种过滤条件下的过滤常数K和K2;过滤介质的当量滤液体积 Ve和 V;过滤介质的 当量过滤时间fei和032。并提供数据完整的原始数据表。答：

19、a.原始数据记录表过滤介质（滤布）直径 d=120mm数量2块。2总过滤面积：A=20.12 2.262 10，（ m ）4人=0.022622=5.116 X 10-4过滤常数计算：100kPa组120kPa组2 -2 2K1=2/ S=2/46.313(2.262 X 102)22-4K2=2/ S - A =2/18.855 5.116 X 10=84.4( m3/s )=207.3( m3/s )过滤介质的当量滤液体积：Ve=I/S =24.229/46.313= 0.5232( m3)Ve=I/S =1.1895/18.855=0.063(m3)过滤介质的当量滤液时间：Q=Ve2/K

20、 A2=- 0.5232784.4 5.116 X 10-4营Ve2/K A2=-0.0637207.3 5.116 X 10-4=-6.339 ( S)=- 0.037 ( S)项 V次 序石实验组数InI压力(表压)kPaAP=100kPaAR=120kPa滤液体积V(l)相邻V差 V(l)算术平均值？(l )过滤时间(s) e(s ) e /(s/l )过滤时间(s) e(s ) e /(s/l )10/00/00/20.40.40.24.34.310.753.23.28.0030.80.40.68.84.511.256.83.69.0041.20.41.014.55.714.2512.

21、25.413.551.60.41.423.79.223.0019.87.619.062.00.41.840.116.441.0032.312.531.2572.40.42.270.830.776.7548.816.541.2582.80.42.6106.235.488.5068.419.649.0093.20.43.0148.442.2105.592.624.260.50103.60.43.4199.551.1127.75120.227.669.00114.00.43.8260.360.8152.00150.129.974.75124.40.44.2331.371.0177.50181.533

22、.378.50134.80.44.6410.479.1197.75214.833.383.25145.20.45.0498.187.7219.25250.235.488.50155.60.45.4593.895.7239.25288.438.295.50166.00.45.8696.7102.9257.25330.442.0105.00176.40.46.2803.9107.2268.00376.446.0115.00186.80.46.6914.7110.8277.00425.649.2123.00197.20.47.01031.2116.5291.2479.053.4133.50207.6

23、0.47.41148.4117.2293.00535.656.6141.502. 在过滤初始阶段，为什么可见滤液是由浑浊变清 ？答：过滤介质中微孔通道的直径可能大于悬浮液中部分颗粒直径，因 此，过滤初期会有一些小颗粒穿过而使滤液浑浊，但是颗粒会在孔道 中迅速地发生“架桥”现象，使小于孔道直径的细小颗粒也能被拦截， 并开始形成滤饼，由此滤液变清，过滤才有效进行。3请阐述板框压滤机的优、缺点和适用场合。答：板框压滤机优点：结构简单、制造方便、占地面积较小过滤面积 较小，操作强度高，适应能力强。缺点；间歇操作，生产效率低，劳 动强度大，滤布损耗也比较快。适应与中小规模的生产场合。4. 实验板框压滤机

24、的操作分哪几个阶段？答:按实验要求配制滤浆飞浆搅拌开泵将滤浆打入衡压罐并搅拌组装板框压滤机衡压罐加压将滤浆按实验设定的压力打入板框压滤机进行压滤对设定的单位滤液量进行计时并记录过滤结束用衡压水罐的水对滤饼进行清洗打开板框压滤机取出滤饼并对板框压滤机及管路进行清洗。5. 若操作压力提高一倍，过滤效率是否增加一倍？答:不。根据单位过滤面积获得的滤液体积计算公式可知：q2二_2k巾，k 滤浆特性常数，因此相同滤浆和时间- p，结论：过滤效率与压力成正比但不成倍数。实验六管内强制对流传热膜系数的测定1. 根据实验数据，列举某一设定的空气质量流量W状态下，Re Nu的计算过程。注：实验数据表tW2为空气

25、进口侧换热管壁温，twi为空气出口侧换热管壁温答：计算条件质量流量 W=0.023(kg/s);换热管内径di=32.8-2X 3.5=25.8X 10-3 m换热管长度 I =1.45m;换热管流通截面积S= (25.8X 10-3) 2 X0.7854=5.23X 10- 4换热面积 Ai= n di l= nX25.8X 10-3 X1.45=0.1175( m2)进、出换热器的空气温度 T1=80 C、T2=525C ;热空气进、出口的算术平均温度(定性温度)：T 平均(80+ 52.5) 一 2 =66.25 (C)查表得：空气黏度 尸2.04X 10-5 ( Pa - s)比热 C

26、p=1.008kJ/kg.C 导热系数入=2.94X 10-2 (W/rrr K)空气进、出口侧对应的换热管管壁温度tw1=33.5C、tw2=20 C由于质量流速W质量流量/流通截面，因此：S求： 该流量状态下 的雷诺值：Rei =dW"S725.8 10' 0.0235.23 10，2.04 10°= 55618该流量状态下 的努塞尔 准数：Q =W Cp(T1 -T2)=0.023 1008(80-52.5) 二 637.34 W“1 二 T1 - tw1=80 - 33.5-46.5 o CL t2 = T2 tw2二 52.5 - 20二 32.50 C：

27、tln -选46.5 - 33.539.65 (C ),46.5In32.5637.34= 136.82A ：tm 0.1175 39.65W/m 2.K )2. 为何要把实验结果关联成 Nu Re的准数方程式的形式，而不用a W来关联？答：影响对流传热系数 a的因素太多，如：流体的种类和相变化；流体的特性（入、u、pp、®；流体温度；流体的流动状态；流体流动 的原因；传热面的形状、位置和大小。因此要以质量流量W来关联，建立一个通式来求各种条件下的a是很困难的，所以通过实验结果关联成Nu Re的准数间的关系形式，即可求得不同情况下的a的关联式。3. 分析强化传热过程有哪些途径？在不改

28、变本系统中套管式换热 器型式的前提下，如何提高其传热速率？答：按照传热速率方程 Q=KS 4m （化原教材上册P229公式4-43）可 知，强化传热的途径有：1） 增加传热面积S （既单位体积的传热面积）；2）增大传热温差 tm （提高载热体的温度或降低冷流体的温度；若两流体温度一定 时，尽量采用逆流）；3）主要提高传热系数 K，由K值的计算公 式可知（化原教材上册 P227公式4-42）:在上述各项热阻中，应重点降低主要热阻数值。在不改变本系统中套管式换热器型式的前提下， 强化传热速率途径可 用螺纹管或翅片管代替原有的光滑管（化原教材上册P27。本装置的主要热阻是空气的对流热阻，如此即可提高

29、空气的湍流程度，也可 增加管壁的传热面积， 使空气侧传热系数 a1 增大（即主要热阻降低） ， 从而使 K 值有明显的提高。实验七填料吸收塔的操作及体积吸收系数的测定1.根据实验采集的数据提供原始数据表，列举某一状态下填料层压力降 少与气速u的计算示例，表列完整的计算结果，并绘制 少u 的关系曲线图。答：原始数据记录表大气压1030 hPa 塔径70 mm填料层高度 39 cm标准酸浓度 0.2115 mol/l 环境温度C1)喷淋密度：0(l/h)2)喷淋密度：25(l/h)表12空气流量(卅/h)5.012.19.5.06.58.09.510.13.14.15.55.5055空气压力 R2

30、.013.31.2.13.95.67.89.715.21.26.(cmCC)05404全塔压差R全0.33.69.00.81.22.12.84.17.312.15.(cmHO)02流量计后空气温度23.24.23.24.30.31.32.33.34.35.36.(C)02535000000填料层压降 P75.4905.226201.301.528.704.931830382(Pa/m)6542823136183空塔气速u0.360.901.440.360.460.570.680.750.931.041.11(m/S11419868979空气U型差压计读数（cmCCJ）左R21.321.7右R2

31、837.7空气温度（C）流量计前流量计后3838流量计读数V示（m/h）6.57.5氨气U型差压计读数（cmCC4）左R2019.6右R29.529.5氨气温度（°C）28.028.0流量计读数V示（l/h）325325出塔尾气尾气温度（C）26.726.8湿式流量计读数 V 初（|）625631.85湿式流量计读数 V终（|）631.85636.34标准硫酸溶液浓度M（ mol/）0.21150.2115标准硫酸溶液用量7a (m)5.05.0塔底溶液塔底溶液温度(C)25.527.5用水量水流量计读数V示(l/h)25.025.0塔顶压强(表压)U型差压计读数(cmHO)左R27.728.4右R22.920.3全塔压强 PU型差压计读数(cmHO)左R25.625.4右R27.327.4注： 按理论，塔内的空气流量应进行校正，但由于流量计后的空 气压力略高于塔系统总压力，而流量计后空气温度却也相应的高于塔 系统空气温度(塔系统且无温度监测)，因此为计算方便，可用流量 计显示的流量读数直接代入，计算空塔气速(本环节已经过验算误差小可忽略不计)数据处理：塔内流通截面