食工原理实验指导书

1、食品工程原理实验讲义许昌学院化学化工学院化工教研室目 录流体流动阻力测定实验1离心泵性能测定5流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定7板式精馏塔的操作及其性能评定9能量转化实验 15雷诺实验 18气-汽对流传热综合实验22流量计流量的校正实验 27填料吸收塔的操作及其Kya的测定 34 一、流体流动阻力测定实验一、实验目的 1了解流体流动阻力的测定原理及方法； 2测定流体流过直管时的摩擦阻力,并确定摩擦系数与雷诺数的关系； 3测定流体流过管件时的局部阻力,并求出阻力系数； 4了解与本实验有关的各种流量测量仪表、压差测量仪表的结构特点和安装方式，掌握其测量原理、学会正确使用。二、实验原理流体在

2、管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起压强损耗。这种损耗包括流体经过直管的沿程阻力以及因流体运动方向改变或因管子大小形状改变所引起的局部阻力。1直管摩擦系数l与雷诺数Re的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即，对一定的相对粗糙度而言，。流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为： （1）又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式） （2）整理（1）（2）两式得 （3） （4）式中：管径，m ； 直管阻力引起的压强降，Pa； 管长，m； 流速，m / s； 流体的密度，kg / m3； 流体的粘度，N·s / m2。

3、 在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度和粘度也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降Pf与流速u（流量V）之间的关系。 根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数，用式（4）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出与Re的关系曲线。2局部阻力系数的测定流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示。由于管件两侧距测压孔间的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计，因此动能系数之值可应用伯努利方程由压差计读数求出。 （5） （6）式中：局部阻力系数，无因次； 局部阻力引起的压强降，Pa；

4、局部阻力引起的能量损失，Jkg。图1 局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a和b-b，见图3，使 abbc ； abbc则 Pf，a b Pf，bc ； Pf，ab= Pf，bc 在aa之间列柏努利方程式： PaPa =2Pf，a b+2Pf，ab+Pf （7） 在bb之间列柏努利方程式： PbPb = Pf，bc+Pf，bc+Pf = Pf，a b+Pf，ab+Pf （8） 联立式（7）和（8），则： 2（PbPb）（PaPa） 为了实验方便，称（PbPb）为近点压差，称（PaPa

5、）为远点压差。用差压传感器来测量。三、实验装置图实验流程示意图见图1。 水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流量计15、16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力，或经10测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体流动阻力p可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置型管22来测量。图2 流动阻力实验流程示意图1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀； 8、20-粗糙管测压回水阀； 9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；14-

6、流量调节阀；15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀； 21-倒置U型管放空阀； 22-倒置U型管； 23-水箱放水阀； 24-放水阀；四、实验步骤1向储水槽内注水，直到水满为止(有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁) 。2大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热1015分钟，调好数字表的零点。3关闭泵的出口阀门，开电源、启动循环水泵开关。4打开各阀门，包括测压阀，流量调到最大，排尽管道内空气，以免影响U型管压差计读数。5测定不同开度下（全开，1/2开，1/3开，1/4开，开度不同，阻力不同）球形阀的流量及压降。注意：全开时阻力小，用U型管压差计测量，其余用压力传感器读数。记录水

7、温，如有变化，记录初值和结束值，取平均值。6光滑管阻力测定 将光滑管阀17及测压点9、19全开，其余阀门关闭。 倒U管调零 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。 差压变送器与倒置U型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。0100L/h范围取10个点；100700L/h范围取15个点，前密后疏。7粗糙管阻力测定 方法同光滑管8局部阻力测定关闭阀门17和18，测定不同开度下（全开，1/2开，1/3开，1/4开，开度不同，阻力不同）球形阀的流量及压降。远点、近点压差的测量使用同一差压变送器。当测量远点压差时，

8、要把通向近点压差的阀门关闭；同样当近点压差时，要把通向远点压差的阀门关闭。9测取水箱水温。10待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。五、使用实验设备应注意的事项1启动或关闭离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。2利用压力传感器测量大流量下P时，应切断空气水倒置型玻璃管的阀门18、20否则影响测量数值。 3在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。4较长时间未做实验，启动离心泵之前应先盘轴转动，否则易烧坏电机。六、思考题 预习报告思考题：1本次实验在安全方面需要注意哪些问题？2本实验涉及到哪些测量仪器？如何读数？3

9、本实验的三个实验数据记录表有何区别？ 实验报告思考题： 1本次实验中，使用的倒U型管和压力传感器有哪些相同点？又有何区别？ 2本次实验中，管路阀门、转子流量计阀门及离心泵开关，在启动时三者顺序如何？关闭时三者的顺序又如何？ 二、离心泵性能测定一、实验目的1了解离心泵的构造与特性，掌握离心泵的操作方法；2测定并绘制离心泵在恒定转速下的特性曲线。二、实验原理离心泵的压头H、轴功率N及功率与流量Q之间的对应关系，若以曲线HQ、NQ、Q表示，则称为离心泵的特性曲线，可由实验测定。实验时，在泵出口阀全关至全开的范围内，调节其开度，测得一组流量及对应的压头、轴功率和效率，即可测定并绘制离心泵的特性曲线。泵

10、的扬程He有下式计算：而泵的有效功率Ne与泵效率的计算式为：NeQHe rg；Ne/N测定时，流量Q可用涡轮流量计或孔板流量计来计量。轴功率N可用马达天平式测功器或功率来表测量。离心泵的性能与其转速有关。其特性曲线是某一恒定的给定转速（一般nl2900PRM）下的性能曲线。因此，如果实验中的转速n与给定转速nl有差异，应将实验结果换算成给定转速下的数值，并以此数值绘制离心泵的特性曲线。换算公式如下：时， 三、实验装置图 图1 离心泵性能测定实验流程示意图1-离心泵；2-水箱;3-进水阀；4-入口真空表；5-出口压力表； 6-智能流量调节阀；7-涡轮流量计；8-温度计；9-放水阀；水泵1将水槽2

11、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7计量后，流回储水槽。四、操作步骤1熟悉实验装置及仪器仪表等设备，做好启动泵前的准备工作；将泵盘车数转，关闭泵出口阀。2全开泵进口阀，待泵内灌满水后启动离心泵，并逐渐打开离心泵出口阀以调节流量。在操作过程稳定条件下，在流量为零和最大值之间，进行20次测定。3在每次测定流量时，应同时记录流量计、温度、真空计、压力表、功率测定器示值。数据取全后，先关闭泵出口阀，再停泵。五、实验注意事项1该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好地接地。2使用变频调速器时要注意FWD指示灯亮，切忌按FWD REV键REV指示灯亮，电机反转。3开关离心泵

12、前要关出口阀门。启动离心泵前，关闭压力表和真空表的开关 以免损坏压强表。六、思考题1离心泵开启前，为什么要先灌水排气？2启动泵前，为什么要先关闭出口阀，待启动后再逐渐开大？而停泵时也要先关闭出口阀。3离心泵的特性曲线是否与连结的管路系统有关？4离心泵流量愈大，则泵入口处的真空度愈大，为什么？5离心泵的流量可由泵出口阀调节，为什么？三、流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定一、实验目的1 掌握测定物料干燥速率曲线的工程意义；2 熟悉实验干燥设备的流程、工作及实验组织方法；3 了解影响干燥速率曲线的因素。二、实验原理干燥原理是利用加热的方法使水分或其它溶剂从湿物料中汽化，除去固体物料中湿分的操作

13、。干燥的目的是使物料便于运输、贮藏、保质和加工利用。本实验的干燥过程属于对流干燥，干燥曲线和干燥速率曲线的关系：含水率C：单位干物料Gc 中所带的水分量W定义： C= （kg水kg干） （1）含水率随时间的变化作图，见图1：图2 干燥速率曲线图图1 干燥曲线图干燥过程分为三个阶段：.物料预热阶段；.恒速干燥阶段；.降速干燥阶段。 干燥速率NA 的定义表示：单位干物料在单位时间内所汽化的水量 即：NA= (kg水kg干s) (2) 对(1)式求导得： dWGcdC (3) 所以， NA= = (4)也就是说，在干燥曲线图中含水率随时间变化曲线上的任何一点切线的斜率值即为干燥速率值，将这些斜率的变

14、化值对应于含水率作图即为干燥速率曲线图，见图2。每隔一段时间读取湿物料的重量，然后将湿物料重减去干物料的重，从而就测得了C与的关系。三、实验装置图四、实验步骤1在实验操作前从加水斗加入220300ml水2按下变频器RUN，通过旁路阀10调节流量至1418m3/h任何一恒定值。3待加入的水充分均匀地分散在硅胶表面后，打开加热开关。4仔细观察进口温度与床层温度的变化，待床层温度升至39 ，即开始取第一个样品，此时的时间设定为0。5按照原始数据的时间间隔取样，总共采集14组数据。五、实验注意事项 1加入水后待硅胶吹散后再打开加热开关。2开始两个数据间隔时间较短，提前做好充分的准备采样。四、板式精馏塔

15、的操作及其性能评定一、实验目的1了解板式塔的结构及精馏流程2理论联系实际，掌握精馏塔的操作二、实验原理塔釜加热，液体沸腾，在塔内产生上升蒸汽，上升蒸汽与沸腾液体有着不同的组成，这种不同组成来自轻重组份间有不同的挥发度，由此塔顶冷凝，只需要部分回流即可达到塔顶轻组份增浓和塔底重组份提浓的目的。部分凝液作为轻组份较浓的塔顶产品，部分凝液作为回流，形成塔内下降液流，下降液流的浓度自塔顶而下逐步下降，至塔底浓度合格后，连续或间歇地自塔釜排出部分釜液作为重组份较浓的塔底产品。在塔中部适当位置加入待分离料液，加料液中轻组份浓度与塔截面下降液流浓度最接近，该处即为加料的适当位置。因此，加料液中轻组分浓度愈高

16、，加料位置也愈高，加料位置将塔分成上下二个塔段，上段为精馏段，下段为提馏段。图1 精馏原理图在精馏段中上升蒸汽与回流之间进行物质传递，使上升蒸汽中轻组份不断增浓，至塔顶达到要求浓度。在提馏段中，下降液流与上升蒸汽间的物质传递使下降液流中的轻组份转入汽相，重组份则转入液相，下降液流中重组份浓度不断增浓，至塔底达到要求浓度。1评价精馏的指标全塔效率由于全回流下的全塔效率和部分回流下的全塔效率相差不大，在工程处理时，可以用全回流下的全塔效率代替部分回流下的全塔效率，定义式如下： （1）NT：全回流下的理论板数；N：精馏塔实际板数。图2 正常操作时的气液接触状况2维持正常精馏的设备因素和操作因素精馏塔

17、的结构应能提供所需的塔板数和塔板上足够的相间传递面积。塔底加热（产生上升蒸汽）、塔顶冷凝（形成回流）是精馏操作的主要能量消耗；回流比愈大，塔顶冷凝量愈大，塔底加热量也必须愈大。回流比愈大，相间物质传递的推动力也愈大。设备因素合理的塔板数和塔结构为正常精馏达到指定分离任务提供了质量保证，塔板数和塔板结构为汽液接触提供传质面积。塔板数愈少，塔高愈矮，设备投资愈省。塔板数多少和被分离的物系性质有关，轻重组份间挥发度愈大，塔板数愈少。反之，塔板数愈多。塔结构合理，操作弹性大，不易发生液沫夹带、漏液、溢流液泛。反之，会使操作不易控制，塔顶塔底质量难以保证。为有效地实现汽液两相之间的传质，为了使传质具有最

18、大的推动力，设计良好的塔结构能使操作时的板式精馏塔（如图2所示）应同时具有以下两方面流动特征：汽液两相总体逆流；汽液两相在板上错流。塔结构设计不合理和操作不当时会发生以下三种不正常现象：(i)严重的液沫夹带现象图3 过量的液沫夹带现象由于开孔率太小，而加热量过大，导致汽速过大，塔板上的一部分液体被上升汽流带至上层塔板，这种现象称为液沫夹带。液沫夹带是一种与液体主流方向相反的流动，属返混现象，使板效率降低，严重时还会发生夹带液泛，破坏塔的正常操作（见图3所示）。这种现象可通过显示，由于：板压降 （2）此时板压降急剧上升，表现读数超出正常范围的上限。(ii)严重的漏液现象图4 塔内漏液示意图由于开

19、孔率太大，加上加热量太小，导致汽速过小，部分液体从塔板开孔处直接漏下，这种现象称为漏液。漏液造成液体与气体在板上无法错流接触，传质推动力降低。严重的漏液，将使塔板上不能积液而无法正常操作，上升的蒸汽直接从降液管里走，板压降几乎为0，见图4所示。此时。综上所述现象都与塔釜加热量直接有关。塔釜加热量愈大，汽液负荷愈大，表现为操作压力也愈大。过大，液沫夹带将发生，过小，漏液将出现。若液沫夹带量和漏液量各超过10%，被称为严重的不正常现象。所以正常图5 溢流液泛示意图的精馏塔，操作压力应有合适的范围即操作压力区间。(iii)溢流液泛由于降液管通过能力的限制，当气液负荷增大，降液管通道截面积太小，或塔内

20、某塔板的降液管有堵塞现象时降液管内清液层高度增加，当降液管液面升至堰板上缘时（见图5所示），降液管内的液体流量为其极限通过能力，若液体流量超过此极限值，板上开始积液，最终会使全塔充满液体，引起溢流液泛，破坏塔的正常操作。 操作因素适宜回流比的确定回流比是精馏的核心因素。在设计时，存在着一个最小回流比，低于该回流比即使塔板数再多，也达不到分离要求。在精馏塔的设计时存在一个经济上合理的回流比，使设备费用和能耗得到兼顾。在精馏塔操作时，存在一个回流比的允许操作范围。处理量恒定时，若汽液负荷（回流比）超出塔的通量极限时，会发生一系列不正常的操作现象，同样会使塔顶产品不合格。加热量过大，会发生严重的雾沫

21、夹带和液泛；加热量过小，会发生漏液，液层过薄，塔板效率降低。物料平衡F=D+W （3）Fxf=DxD+WxW （4）(i)总物料的平衡：F=D+W若F>D+W，塔釜液位将会上升，从而发生淹塔；若F<D+W，塔釜液位将会下降，从而发生干塔。调节塔釜排放阀开度，可以维持塔釜液位恒定，实现总物料的平衡。(ii) 轻组分的物料平衡：Fxf=DxD+WxW在回流比R一定的条件下，若FxfDxD+WxW，塔内轻组分大量累积，即表现为每块塔板上液体中的轻组分增加，塔顶能达到指定温度和浓度，此时塔内各板的温度所对应塔板的温度分布曲线如图6所示，但塔釜质量不合格，表明加料速度过大或塔釜加热量不够；若

22、FxfDxD+WxW，塔内轻组分大量流失，此时各板上液体中的重组分增加，塔内温度分布曲线如图7所示，这时塔顶质量不合格，塔底质量合格。表示塔顶采出率过大，应减小或停止出料，增加进料和塔釜出料。图6 FxfDxD+WxW时温度分布曲线 图7 FxfDxD+WxW时温度分布曲线图灵敏点温度T灵（1） 灵敏板温度是指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，采出率等发生波动时），全塔各板的组成将发生变动，全塔的温度分布也将发生相应的变化，其中有一些板的温度对外界干扰因素的反映最灵敏，故称它们为灵敏板。（2） 按塔顶和塔釜温度进行操作控制的不可靠性不可靠性来源于二个原因：一是温度与组成

23、虽然有一一对应关系，但温度变化较小，仪表难以准确显示，特别是高纯度分离时；另一是过程的迟后性，当温度达到指定温度后由于过程的惯性，温度在一定时间内还会继续变化，造成出料不合格。（3） 塔内温度剧变的区域塔内沿塔高温度的变化如图7所示。显然，在塔的顶部和底部附近的塔段内温度变化较小，中部温度变化较大。因此，在精馏段和提馏段适当的位置各设置一个测温点，在操作变动时，该点的温度会呈现较灵敏的反应，因而称为灵敏点温度。（4） 按灵敏点温度进行操作控制操作一段时间后能得知当灵敏点温度处于何值时塔顶产品和塔底产品能确保合格。以后即按该灵敏点温度进行调节。例如，当精馏段灵敏点温度上升达到规定值后即减小出料量

24、，反之，则加大出料量。因此能用测量温度的方法预示塔内组成尤其是塔顶馏出液组成的变化。图2 物料不平衡时温度分布曲线图6和图7是物料不平衡时，全塔温度分布的变化情况；图8是分离能力不够时，全塔温度分布的变化情况，此时塔顶和塔底的产品质量均不合格。从比较图7和图8可以看出，采出率增加和回流比减小时，灵敏板的温度均上升，但前者温度上升是突跃式的，而后者则是缓慢式的，据此可判断产品不合格的原因，并作相应的调整。图8.分离能力不够时温度分布曲线图实验设计实验方案设计采用乙醇水物系，全回流操作测全塔效率根据，在一定加热量下，全回流操作 稳定后塔顶塔底同时取样分析，得xD、xW，用作图法求理论板数。部分回流

25、时回流比的估算 操作回流比的估算有二种方法：(i) 通过如图所示，作一切线交纵坐标，截距为，即可求得Rmin，由R=(1.22)Rmin，初估操作回流比 (ii) 根据现有塔设备操作摸索回流比，方法如下： XD（1） 选择加料速度为46l/h，根据物料衡算塔顶出料流量及调至适当值，塔釜暂时不出料。（2） 将加热电压关小，观察塔节视镜内的气液接触状况，当开始出现漏液时，记录读数，此时作为操作压力下限，对应的加热电压即为最小加热量，读取的回流比即为操作回流比下限。（3） 将加热电压开大，观察塔节视镜内的气液接触状况，当开始出现液泛时，记录读数，此时作为操作压力上限，对应的加热电压即为最大加热量，读

26、取的回流比即为操作回流比上限。（4） 在漏液点和液泛点之间选择一合适的塔釜加热量。部分回流时，塔顶塔底质量同时合格D的估算根据轻组份物料衡算，得D的大小，应考虑全回流时塔底轻组分的含量。实验流程设计需要1个带再沸器和冷凝器的筛板精馏塔。需要3个温度计，以测定、。需要1个塔釜压力表，以确定操作压力。需要1个加料泵，供连续精馏之用。需要3个流量计，以计量回流量、塔顶出料量、加料量。将以上仪表和主要塔设备配上贮槽、阀门、管件等组建如下实验装置图。三、实验装置图实验塔性能评定时的操作要点（1） 最大分离能力全回流操作在塔釜内置入1030v%的乙醇水溶液，釜位近液位计处，开启加热电源使电压为220 V，

27、打开塔顶冷凝器进水阀。塔釜加热，塔顶冷凝，不加料，不出产品。待塔内建立起稳定的浓度分布后，（回流流量计浮子浮起来达10min之久后），同时取样分析塔顶xD与塔釜xW。由该二组成可作图得到该塔的理论板数并与实际板数相除得到全塔效率。（2） 最大的处理能力液泛点全回流条件下，加大塔釜的加热量，塔内上升蒸汽量和下降液体量将随之增大，塔板上液层厚度和塔釜压力也相应增大，当塔釜压力急剧上升时即出现液泛现象，读取该时刻的回流量和加热电流量，即为该塔操作的上限液泛点。（3） 最小的处理能力漏液点全回流条件下，逐次减小塔釜加热量，测定塔效率，塔效率剧降时，读取该时刻的回流量和加热电流量，即为该塔操作的下限漏液

28、点。（4） 部分回流时，将加料流量计开至4 L/h，按照上述提及的回流比确定方法操作。（5）若发生急剧上升，应采取D=0，F，W的措施。实验现象讨论与分析1. 全回流操作时，精馏塔不加料也不出料，因此在yx图上，精馏段与提馏段操作线都与对角线重合。可以看出：全回流的特点是两板之间任一截面上，上升蒸汽的组成与下降液体组成相等。所以，可以通过作图法求得全回流理论板数NT，求得塔效率。2. 正常操作的板式精馏塔应满足气液两相总体逆流，气液两相在板上错流。在部分回流操作时，稍有不当，比全回流更易产生不正常现象。釜压过高易产生液沫夹带或液泛；釜压过低则会产生漏液。漏夜最易发生的地方是塔顶和加料板处。3为

29、了达到指定分离任务，回流比的控制相当重要。若回流量L增加，塔顶出料量D不变，这意味着塔釜加热量增加，塔顶冷却量也增加，所以这是以能耗为代价的。本实验出现灵敏板温度超出正常范围时这意味着塔顶xD不合格，T灵急剧上升，应采用D=0，F；T灵缓慢上升应增加塔釜加热量和塔顶冷却量，而不是减小塔顶出料来提高回流比。因为后者的操作会破坏物料平衡。 4 部分回流时，由于加料状况为冷加料，入塔后将会影响精馏段上升的蒸汽量，因此需微微提高加热电压，使精馏段仍然维持原来的上升蒸汽量。 五、能量转化实验一、实验目的1.通过本实验，加深对能量转化的理解。2.观察流体经过收缩、扩大管段时，各截面上静压头之变化。3.利用

30、能量转化关系来验证柏努利方程。二、基本原理不可压缩的流体在导管中作定流动时，由于导管截面的改变致使各截面上的流速不同，而引起相应的静压头变化，其关系可由流动过程中能量衡算方程来描述。对于非理想流体，流体有粘度，则 因导管截面发生变化引起流速的变化，致使静压头与动压头相互转化，它的变化可由个玻璃管中液柱的高度展示出来。当流体流经的系统为一水平装置的管道时，当流体流经相同管径的管道时，当导管中的流体流动时，可以读出、，流量的变化可以通过出口调节阀调节来。在不同的流量下，从各玻璃管中显示的压强变化的规律去理解柏努利方程意义，进一步开拓对柏努利方程的实际应用。例如：由于A截面到C截面，流道的截面不变，

31、管道内流速不变，流体中部分静压能转化为阻力损失，因此，。三、实验装置图 如图一、二所示，本实验装置主要由实验导管、稳压溢流水槽和四对侧压管所组成。实验导管为一水平装置的变径圆管，沿程分四处设置测压管。每处测压管有一对并列的测压管组成，分别测量该截面处的静压头和冲压头（静压头加动压头）。dA= dD=dC=14 mm dB=28mm 图1 实验导管结构图 图2实验流程图 四实验方法及步骤：实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量溢流水流出，使槽内液面平稳不变。最后应设法排出设备内的气泡。实验步骤：1.将低位槽灌有一定数量的蒸馏水，关闭离心泵出口调节阀门及实验测试导管出口调节阀

32、门观察和测量液体处于静止状态下各测压点（A、B、C、D）的压强，而后启动离心泵。2.逐步开大离心泵出口调节阀当高位槽溢流管有液体溢流后，调节导管出口调节阀为全开位置。3.流体稳定后读取A、B、C、D截面静压头和冲压头并记录数据。4.关小导管出口调节阀重复步骤。 5.分析讨论流体流过不同位置处的能量转换关系并得出结果。6.关闭离心泵，实验结束。五使用实验设备应注意的事项：1不要将离心泵出口调节阀开得过大以免使水流冲击到高位槽外面，同时导致高位槽液面不稳定。2当导管出口调节阀开大应检查一下高位槽内的水面是否稳定，当水面下降时应适当开大泵出口调节阀。 3导管出口调节阀须缓慢地关小以免造成流量突然下降

33、测压管中的水溢出管外。 4实验前一定要将实验管道内的气泡排除干净，否则影响实验结果的准确性。 5离心泵不要空转和出口阀门全关的条件下工作。6实验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大的流量。六、雷诺实验一、实验目的和要求 1.观察水流的层流和紊流的运动现象。 2.学习测量圆管中雷诺数的方法。 3.点绘沿程水头损失与雷诺数的关系，求出下临界雷诺数。 4.通过实验分析层流和紊流两种流动型态下沿程水头损失随流速或雷诺数的变化规律。二、雷诺实验的原理实际流体中存在着两种不同的流动型态，即层流和紊流。1885年，雷诺（Reynolds）曾用实验揭示了实际液体运动中层流和紊流的不同本质。层流的特点是当

34、流速较小时流体的质点互不混掺成线状运动，运动现象不呈脉动现象。紊流的特点是液体中的质点互相混掺，其运动轨迹曲折混乱，运动要素发生脉动现象。介于之间的是层流想紊流的过渡流动状态，称为层流向紊流的过渡。雷诺实验还证实了层流与紊流的沿程水头损失规律也不同。层流是沿程水头损失与流速的一次方程比例，紊流时沿程水头损失与流速的次方成比例，如图1所示。用公式表示为 （1）式中，为沿程水头损失；为流速；为指数；为比例系数。层流时，紊流时。由此可见，要确定水头损失必须先确定流动型态。如图2所示，若在管道的两个断面1-1和2-2上各安装一根测压管，可测量出断面1-1至断面2-2间的水头损失。 图1 图237由能量

35、方程得 式中，取，则 （2） 由上式可以看出，1-1断面和2-2断面两根测压管的水头差即为沿程水头损失。流动型态的判别标准是雷诺数，对于圆管流动，雷诺数用下式计算 （3）式中，为雷诺数；为圆管断面水流的平均流速；为水流的运动粘滞系数。用下式计算 （4）式中，为水温。 实验证明，雷诺实验的方法不同，所得的临界雷诺数也不同。当调节阀门从小到大逐渐开启时，所求得的临界雷诺数称为上临界雷诺数，此雷诺数范围不稳定，其值约为1200020000左右，有时甚至高达4000050000左右。当调节阀门从大到小逐渐关闭时，所求得的临界雷诺数称为下临界雷诺数，此雷诺数比较稳定，其值为2320。所以把下临界雷诺数作

36、为判断流动型态的标准。三. 实验装置流程和实验方法实验装置流程如图3示。 1. 实验前的准备工作 (1) 必要时调整红水细管4的位置,使它处于实验管道6的中心线上。 (2) 向红水储瓶 2 中加入适量的用水稀释过的红墨水。 (3) 关闭流量调节阀10、7、9,打开进水阀3,使自来水充满水槽,并使其有一定的溢流量。 (4) 轻轻打开阀门10,让水缓慢流过实验管道。使红水全部充满细管道中。2. 雷诺实验的过程 (1) 同上面的三.1.(3)。 (2) 同上面的三.1.(4)。 (3) 调节进水阀,维持尽可能小的溢流量。 (4) 缓慢地适当打开红水流量调节夹 ,即可看到当前水流量下实验管内水的流动状

37、况（层流流动如下图示）。读取流量计的流量并计算出雷诺准数。 (5) 因进水和溢流造成的震动,有时会使实验管道中的红水流束偏离管的中心线,或发生不同程度的左右摆动. 为此, 可突然暂时关闭进水阀3, 过一会儿之后即可看到实验管道中出现的与管中心线重合的红色直线。 (6) 增大进水阀3 的开度，在维持尽可能小的溢流量的情况下提高水的流量。并同时根据实际情况适当调整红水流量,即可观测其他各种流量下实验管内的流动状况。为部分消除进水和溢流造成的震动的影响,在滞流和过渡流状况的每一种流量下均可采用四. 2.(5)中讲的方法,突然暂时关闭进口阀 3 ,然后观察管内水的流动状况（过渡流、湍流流动如图4。读取

38、流量计的流量并计算出雷诺准数。3流体在圆管内作流体速度分布演示实验(1) 首先将进口阀 3打开，关闭出口阀门7。(2) 将红水流量调节夹打开，使红水滴落在不流动的实验管路图4过渡流、湍流流动示意图 图5流速分布示意图(3) 突然打开放水阀门10，在实验管路中可以清晰地看到红水流动所形成的如图4示速度分布。4. 实验结束时的操作(1) 关闭红水流量调节夹,使红水停止流动。(2) 关闭进水阀 3,使自来水停止流入水槽。 (3) 待实验管道的红色消失时,关闭阀门 10。(4) 若日后较长时间不用,请将装置内各处的存水放净。 四. 实验注意事项： 做滞流时,为了使滞流状况能较快地形成,而且能够保持稳定

39、,第一, 水槽的溢流应尽可能的小.因为溢流大时,上水的流量也大,上水和溢流两者造成的震动都比较大，影响实验结果。第二,应尽量不要人为地使实验架产生任何的震动.为减小震动,若条件允许,可对实验架的底面进行固定。七、气-汽对流传热综合实验一、 实验目的1握对流传热系数的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解；2定强制对流传热准数关联式中常数；3过对强化套管换热器的实验研究，了解强化传热的基本理论和基本方式。二、 实验原理本实验采用套管换热器, 以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以及管内空气对管内壁的对流传热。本实

40、验装置采用两组套管换热器，即光滑套管换热器及强化套管换热器。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，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。图1 螺旋线圈内部结构 螺旋线圈的结构图如图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

41、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。(一)光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的确定 1.对流传热系数的测定在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定 （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； 内壁面与流体间的温差，。 由下式确定： （2）式中：t1，t2 冷流体的入口、出口温度，； tw 壁面平均温度，； 因为换热器内管为紫铜管

42、，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。 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：冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h； 冷流体的定压比热，kJ / (kg·)； 冷流体的密度，kg /m3。 和可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。t1，t2， tw， 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、可根

43、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与，然后在lgNulgRe双对数坐标系中用线性回归方法确定A和m的值。 3. 空气流量的测量： （8）其中，c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65 A0-孔的面积 m2 d0-孔板孔径 ， d0 =0.014 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。 （9）由于换热器内温度的变化，传热管内的体积流量需进行校正： （10）传热管内平均体积流量，m3/h；传热管内平均温度，。(二) 强化套管换热器传热系数、

44、准数关联式及强化比的测定 采用和光滑套管同样的处理数据方法，确定传热系数和准数关联式。为研究强化传热效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，其形式为：，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是光滑管的努塞尔准数，显然，强化比1，而且它的值越大，强化效果越好。三、 实验装置实验装置如图2所示，主要结构参数如表1所示。 说明：1、蒸汽发生器为电加热釜，使用容积为5升，内装有一支2.5kw的螺电热器，与一储水釜相连（实验过程中要保持储水釜中液位不要低于釜的二分之一，防止加热器干烧）；2、空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示。壁温采用热电偶温度计测量；3、旋

45、涡气泵型号为XGB2，由无锡市仪表二厂生产，电机功率约0.75 KW（使用三相电源），在本实验装置上，产生的最大和最小空气流量基本满足要求，使用过程中，输出空气的温度呈上升趋势。图2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1-液位管;；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-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-旋涡气泵四、实验方法及步骤1.实验前的准备，检查工作： 向储水罐中加水至液位计上端处。 检查空气

46、流量旁路调节阀是否全开。 检查蒸气管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通。 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。2. 实验开始：（1）关闭通向强化套管的阀门5，打开通向光滑套管的阀门6，当光滑套管换热器的放空口9有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门12，打开阀门11。在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气冒出。（2）启动风机后用放空阀14来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别测量空气的流量，空气进、出口的温度及壁面温度。然后，改变流量测量下组数据。一般从小流量到最大流量之间，要测量56组数据。（3） 做完光滑套管换热器的数据后，要进行强化管

47、换热器实验。先打开蒸汽支路阀5，全部打开空气旁路阀14，关闭蒸汽支路阀6，打开空气支路阀12,关闭空气支路阀11，进行强化管传热实验。实验方法同步骤（2）。（4）实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。3.注意事项（1）检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。（2）必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路阀门之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭阀门必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。（3）必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，

48、两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭支路阀。（4）调节流量后，应至少稳定38分钟后读取实验数据。（5）实验中保持上升蒸汽量的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。五、 思考题1比较强化管和光滑管的努塞尔准数（计算强化比），并说明强化管强化传热的原因。2总传热速率方程为 ，其中总传热系数K与空气对流传热系数、蒸汽对流传热系数和内管导热系数都有关（忽略污垢热阻），但在本实验中： 。说明原因。 3管内空气流动速度增大时，有何变化？说明原因。八、流量计流量的校正实验 一 实验目的1. 熟悉孔板流量计、文丘里流量计的构造、性能及安装方法。2. 掌握流量计的标定方法之一容量法。3. 测定孔板流量计、文丘里流量计的孔流系数与雷诺准数的关系。二 基本原理对非标准化的各种流量仪表在出厂前都必须进行流量标定，建立流量刻度标尺（如转子流量计）、给出孔流系数（如涡轮流量计）、给出校正曲线（如孔板流量计）。使用者在使用时，如工作介质、温度、压强等操作条件与原来标定时的条件不同，就需要根据现场情况，对流量计进行标定。孔板、文丘里流量计的收缩口面积都是固定的，而流体通过收缩口的压力降则随流量大小而变，据此来测量流量，因此，称其为变压头流量计。而另一类流量计中，当流体通过时，压力降不变，但收缩口面积却