化原课内实验教材(给学生)

1、前言 引世纪人类将进入知识经济的时代，人们正将其视为继农业经济、工业经济之后人类社会所面临的又一次生产方式、生活方式乃至思维方式的历史性变革。面对知识经济的到来，我国高等教育改革势在必行，以培养出知识面宽广且具有较强创新能力的人才。化工基础实验作为化工类创新人才培养过程中重要的实践环节，在化工教育中起着重要的作用，它具有直观性、实践性、综合性和创新性，而且还能培养学生具有一丝不苟、严谨的工作作风和实事求是的工作态度。因此，以培养实验研究过程中所需的各种能力和素质为目的，以强化创新能力为重点，对化工基础实验进行了相应的改革，更新了全部实验内容。更新后的实验主要是符合"素质教育"

2、;需要的综合型、研究型、设计型实验，同时实验设备也达到了国内领先水平。本书作为化工原理实验的指导书，其具有如下特点：（l）将实验研究过程中所需要的各种能力，通过不同的实验来培养；而工作作风和态度的培养则贯穿于每个实验环节。（2）实验内容通过必做和选做的结合，来达到因材施教的目的。（3）实验内容尽可能接近工厂实际，以训练工程能力。 本书由谢远红，吴国宏统稿编写，由熊何健，王美贵修改。由于编者水平有限、时间仓促，书中难免有不妥和错误之处，恳切希望读者批评指出。 实验守则要讲究科学态度，要遵守课堂纪律，要敢于实事求是，要勤子动脑动手，要尊重老师指导，要爱护仪器设备，要注意人身安全，要保持环境卫生。

3、实验要求 1实验前必须到现场结合实验装置，进行实验预习，列出书写报告所需要的原始数据表，并通过老师的检查提问，方可参加实验。 2实验做完后，所记录的数据经指导老师检查合格后，才可结束实验；实验若有短缺或不合理应该补全或重做。结束实验后，指导老师在原始数据表上签字。 3实验结束后，应将使用的仪器设备整理复原。检查水源、电源、汽源等是否已确实关断，并将场地打扫干净。 4实验后要认真写实验报告，报告要求独立完成，若发现彼此抄袭，对有关的所有人都给低于及格分数线的低分。 5实验报告中，除了包括实验数据与计算结果的表格以及需要的标绘曲线外，还必须有计算举例。同组每个人取实验的不同序号进行举例，列出全部数

4、字运算过程：若发现同组中两人用相同的序号进行计算举例，则两人的报告均给低分。对实验所测得的数据结果做必要的分析、讨论。实验一 流体流动综合实验一、实验目的 1学习直管摩擦阻力Pf和直管摩擦系数的测定方法。 2掌握直管摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。 3掌握局部阻力的测量方法。 4学习压强差的几种测量方法和技巧。5掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。二、实验内容 1测定实验管路内流体流动的阻力Pf和直管摩擦系数。 2测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系曲线。3在本实验压差测量范围内，测量阀门的局部阻力系数。 三、实验原理 1直管摩

5、擦系数与雷诺数Re的测定 流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系： (1-1) (1-2) (1-3) 式中：hf直管内流动阻力 J/Kgd一管径，m； 一直管阻力引起的压强降，Pa； 一管长，m； u一流速，ms； 一流体的密度， kg m3； 一流体的粘度，N·sm2。 直管摩擦系数与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直管段管长l和管径d都为固定值。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P

6、f与流速u（流量V）之间的关系。根据实验数据和式(1-2)可计算出不同流速下的直管摩擦系数，用式（1-3）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 （1-4） （1-5） 式中： 一局部阻力系数，无因次；一局部阻力引起的压强降，Pa； 一局部阻力引起的能量损失，Jkg。 局部阻力引起的压强降P1f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 aa1和bb'，见图 1-1，使 abbC ： a1 b1b1 C1则 在aa'之间列柏努利方程式： Pa Pa2 +2 + (

7、1-6)在bb'之间列柏努利方程式： PbPb + (1-7) 联立式（1-6）和（1-7），则： (1-8) 为了实验方便，称（ Pb-Pb'）为近点压差，称（ Pa-Pa'）为远点压差。用差压传感器来测量。四、实验装置图1流动过程综合实验流程图（1）离心泵；（2）大流量调节阀；（3）大流量转子流量计；（4）小流量转子流量计；（5）粗糙管调节阀；（6）倒U管；（7）排空阀；（8）、（12）远点测压阀：（9）、（11）近点测压阀； （10）光滑管调节阀；（13）数字显示仪表；（l4）控制按钮；（15）平衡阀； 1流量由转子流量计测量。 2直管段压强降的测量：差压变送器或

8、者用空气一水倒置U形管直接测取压差值。五、实验步骤 1按下电源的绿色按钮，使数字显示仪表通电预热，调节压差数字表第27路的零点，按下离心泵的绿色按钮，启动离心泵（请先检查管路上的阀门是否关闭），并排出管内气体。 2粗糙管阻力测定： （1）关闭阀(10)，将流量调节阀阀(2)旋开，并全开粗糙管调节阀(5)。 （2）在流量为零条件下，旋开倒置U形管左右旋钮，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U形管内液柱高度差为零，表明导压管内无气泡存在；若不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行排气操作。 （3）若导压管内有气泡，应开大流量调节阀(2)，使倒置U形管内液体流动，以排出管路内的气泡。若认为气泡已排尽

9、，将流量阀关闭。为放走倒置U形管内的一部分水，使管内形成气水柱，慢慢旋开倒置U形管上部的放空阀，使液柱降至零点上下时马上关闭。在流量为零的条件下，检查管内液柱高度差是否为零。若不为零，则说明系统内仍有气泡存在，应重复上述的排气操作。 （4）根据流量大小选择大、小量程的转子流量计测量其流量直管段的压差：小流量时用倒置U形管压差计测量，大流量时用压差数字表测量。为了扩大实验数据的Re数范围，必须在最大流量和最小流量之间进行实验。一般测取15组以上数据，建议流量读数在40Lh之内不少于4个点，以便得到滞流下的一Re关系。在能用倒置U形管测压差时，（当流量少于200L/h）尽量不用压差数字表测压差。

10、3局部阻力测定： （1）关闭阀(5)，全开阀(10)，逐渐调大流量调节阀(2)，排除管路里气泡。 （2）测量阀(10)局部阻力测量：固定截止阀(10)在一定的开度下，在流量400L/h至最大流量400L/h之间取45个点，分别由压差数字表测量其近点压差和远点压差。 4待数据测量完毕，先关闭流量调节阀，后切断电源。六、实验注意事项 1在启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到粗糙管阻力测量之前，都必须检查流量调节阀（大、小流量计）是否关闭。 2并联的两个转子流量计不能同时打开测量，只能单独使用。 3测数据时则必须关闭所有的平衡阀，并且在用压差数字表测量时，必须关闭通倒置U形管的阀门，防止形成并联

11、管路。七、实验报告内容 1将实验数据和数据整理结果列在表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。 2在合适的坐标系上标绘粗糙直管一Re关系曲线。3根据所标绘的一Re曲线，求本实验条件下滞流区的一Re关系式，并与理论公式比较。4若已知离心泵的功率为0.55kW，转速为2800r/min，最大流量120L/min，压头（扬程）19-13.5m，效率75%，NPSH(汽蚀余量)2.0m；请计算并判断出该泵选型是否合理，如不合理请协助选型，并列出设计步骤。八、思考题1本实验用水为工作作介质做出的入一Re曲线，对其它流体能否使用？为什么？2本实验是测定等直径水平直管的流动阻力，若将水平管改为流体自下而上

12、流动的垂直管，从测量两取压点间压差的倒置U形管读数R到P?的计算过程和公式是否与水平管完全相同？为什么？3为什么采用差压变送器和倒置U形管并联起来测量直管段的压差？何时用变送器？何时用倒置U形管？操作时要注意什么？实验二 离心泵特性曲线测定实验一、实验目的1了解离心泵的结构、性能，掌握离心泵开、停车的正确操作方法和注意事项。2学习离心泵特性曲线的测定方法。3掌握倒U形管差压计的使用方法。4熟悉功率计、电磁调速电机的使用方法。二、实验内容 1分别在两个不同的电机转速下，测定一系列流量条件下的离心泵进、出口压力和电机的电功率。 2计算相应的离心泵压头H、轴功率N和效率下。 3标绘两个转速下的HQ、

13、NQ和Q图。 4定性和定量比较实测的HQ、NQ和Q图与化工原理教材及参考书中给出的离心泵特性曲线图之间的符合性。 5研究转速改变对离心泵特性曲线的影响。三、实验装置图81 离心泵特性曲线测定实验装置的流程示意图离心泵特性曲线测定实验装置的流程见图81。1进水口底阀（止逆阀）；2离心泵； 3泵进口真空表；4泵出口压力表； 5电磁调速电机；6电磁调速控制器；7三相功率计；8功率计短路开关；9倒U形管差压计10流量调节阀；11引水管截止阀；装置运行时，水从循环水槽经进水口底阀和吸人管路进人离心泵，经离心泵提高压力后，流经出口管路再返回循环水槽。通过离心泵的流量通过调节出口管路近出口处的流量调节阀控制

14、。在出口管路中段设有引压点a、b，与一倒U形管差压计（水一空气体系）相连。通过测量ab段管路的压头损失，可以计算通过管路的水流量，根据连续性方程，此流量即为离心泵的流量。三相功率计旁并联有功率计短路开关8，用于以保护功率计不受电动机了启动峰值电流的冲击而损坏。四、实验原理和方法离心泵是化工生产中应用最为广泛的液体输送机械。对于一定型号的离心泵，当叶轮直径D和转速n一定的情况下，离心泵的压头H、轴功率N和效率随泵的输送液体量Q的大小而变化，其变化关系可以用曲线表征，称为离心泵的特性曲线。在工程实际应用中，根据HQ曲线可以确定离心泵的在给定管路条件下的输送能力，根据NQ曲线可以为离心泵合理选配电机

15、功率，根据Q曲线可以选择离心泵的工况处于高效工作区。因此离心泵的特性曲线是表征离心泵技术性能的基础资料。离心泵的特性曲线目前还不能用解析法进行准确计算，只能通过实验来测定。在一定的转速下，泵的特性曲线的一般形态如图82所示。则运用本装置实验测定这些函数关系的方法如下。如果用以下三个函数关系表示离心泵的特性曲线： (81)图82 泵的特性曲线的一般形态1流量Q的测定图83 管路流量与差压计读数之间的关系示意图测定流量的方法很多，如可以用孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计、涡轮流量计等流量测量仪表直接测定管路中的流量，而在本实验装置中采用倒U形管差压计测量一段管路中的总压力损失hf来计算管路中的

16、流量。参见图83，根据流动阻力表达式和流体静力学原理，总压头损失hf与流量Q和差压计读数R之间存在以下关系： (82) 由于上式中的总阻力系数亦是流量Q的函数，式（82）所代表的QR关系相当复杂，难以用简单的解析函数式表达，因而采取由实验室预先通过实验方法标定出Q与R的一系列对应数值，再用最小二乘法拟合为以下幂函数关系式供实验者使用： (83)式中 R测 a-b段压力差的倒 U形管差压计读数， cmH2O； A，n装置参数，其具体数值取决于各套装置的实际结构，由实验室提供。2扬程H的测定取离心泵的进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能守恒方程： 而zz，所以 (8-4)式中 H。表示

17、压力与真空表的垂直距离，本装置为 0. lm； H压压力表处的截面的静压头，mH2O； H真真空表处截面的静压头，mH2O； u1，u2泵进出口处的流速，ms。由于两截面间的管长很短，通常可忽略阻力Hf项。若测得泵进出口的真空度和压力值，就可算出扬程H。3轴功率 N的测定单位时间内原动机（此处为电动机）向离心泵轴输人的功，称为离心泵的轴功率。它与电动机的电功率之间有如下的关系： (8-5)式中 N电输入电动机的电功率，由功率表测得，w； 电动机的效率，由实验室供给； 传动效率，因是联轴节传动，故=1。4离心泵效率离心泵的有效功率与轴功率之比称为效率 (8-6)5比例定律的验证 比例定律由以下公

18、式表示： (8-7) 其推导条件为在转速改变前后，p保持基本不变。而实际应用中，影响离心泵效率的因素很多，如操作条件、离心泵的结构、输送液体的物性等都会造成在不同转速下泵内泄漏和涡流损失的变化，不可能保持离心泵的效率完全不变。因而当离心泵转速变化时比例定律难以精确保持，通常在20的范围内符合较好。本实验选择两个不同的转速测定Q、 H、N，故而可以实验考查比例定律的符合程度。五、仿真实验操作步骤在仿真实验主界面中选择“离心泵实验”，输人学号，回车。点击“仿真操作”按钮，进人实验操作界面（如图84）。 图84离心泵特性曲线测定实验操作界面1实验装置开车点击“开始实验”按钮，按以下步骤操作。（1）给

19、离心泵和进水管路充水打开引水阀，再打开水龙头，当泵充满水后，关闭水龙头和引水阀。（2）启动离心泵首先接通功率计短路开关使电动机启动峰值电流不通过功率计，再打开总电源启动电动机使离心泵进人工作状态，然后关闭功率计短路开关使功率计进人测试状态。（3）调节电动机转速点击电磁调速控制器弹出转速调节放大图，用“”、“一”按钮或从键盘直接输人数值调节电动机转速，转速取在20002500rmin之间，例如取2250rmin（4）排除主管路空气把流量调节间开得最大，将主管路内的空气从出口处排净后，再全关调节阀。（5）调整倒U形管差压计工作状态打开差压计弓；压阀A和B、平衡阀C、排空阀D，排掉引压管线内与倒U形

20、管管内的气体（如图85），关闭A、B阀，确定要给差压计放水，打开放水阀E，当水放到20cm左右马上关闭E阀，再关闭D、C阀，打开A、B阀，此时倒U形管差压计读数为零，说明引压管内气体已经排净。否则需重新排气。 图85排尽倒U形管差压计中的气体调整好差压计后，全开调节阀，倒U形管差压计处于最大液位差状态。正常工作状态下两管内的液面均应处于0100读数之间（如图86）。 图86倒U形管差压计的正常工作状态2测取实验数据点击读取数据按钮，得一提示实验点应分布均匀的对话框。实验点应如何分配才能保证分布均匀，请查阅在线实验帮助中“实验操作步骤”之“均匀分配”的内容。读取第一组数据时应分别点击界面上的各个

21、数据测量点（如图87）。从读取第二组数据开始，只要减小流量调节阀的开度，使倒U形管差压计的液面差值基本符合前面介绍的根据流量分布均匀原则计算得到的数值，点击“读取数据”按钮，则第二组数据就会自动读得。每改变一个流量，就读取一次数据，一直做到流量为零为止。在每一个转速下，一般共测810点。当测到第9组数据时，会出现一个对话框，提示这个转速下测量数据足够，可以进人下一个转速的测量，点击确定。改变转速，例如，转速取2500rmin，重复以上步骤从最大流量到零测量810组数据，当测第9组数据时，会出现一对话框，提示测量数据已足够。图87读取实验数据六、实验数据处理点击“实验数据处理”按钮进人实验数据处

22、理界面（见图88），在界面下半部表格中显示所测得的原始实验数据，包括倒U形管差压计左、右管液面高度R（L）、R（r），离心泵出口压力表读数P（压），离心泵进口真空表读数P（真），功率计读数W（功）。图88实验数据处理界面左右两个表格分别显示两个不同转速下的数据。（一）计算Q、H、N、数据点击左上方的“数据处理结果”选项，界面下半部的表格中显示计算出的实验结果数据倒U形管差压计读数R、离心泵流量Q、离心泵压头H、离心泵轴功率N、离心泵效率（见图89）。（二）绘制特性曲线点击“载人特性曲线”选项，出现一弹出式菜单，菜单上包括QH曲线、QN曲线和Q河曲线三项（见图310）。移动光标到其中的一项上，如

23、QH曲线，则屏幕上出现一级联式菜单，也包括三项QH标准曲线、QH试验曲线和QH样本实验曲线（见图811）。图89数据处理结果界面图810绘制特性曲线操作界面 图811绘制特性曲线的级联菜单1标准曲线选择QH标准曲线项，图形区内绘制出两条QH曲线，分别对应于两个不同的转速条件。该标准曲线是由实验室对实验用离心泵进行标定所得，用作比较实验结果正确性的基准（见图812）。2试验曲线选择H试验曲线项，图形区内绘制出实验者所测得的数据点和根据该数据所标绘的曲线（见图813）3样本实验曲线 图812绘制QH标准曲线图 813绘制 QH试验曲线选择QH样本实验曲线项，图形区内绘制出标准曲线和实验者所测得的实

24、验数据点（见图814），可以据此判断本次实验结果的可靠性。对于QN曲线和QV曲线可以得到类似的图形，图815和图816分别是相应的样本实验曲线。图814绘制QH样本实验曲线图 815绘制 QN样本实验曲线 图816绘制Qv样本实验曲线图817试验结果评价七、实验结果评价点击数据处理界面上的“试验结果评价”选项，计算机会对你的实验结果提供一个总体评价（见图 8 -17）八、实验结果讨论根据实验数据和实验测定的曲线，实验者可以在实验报告中对所获得的离心泵扬程、轴功率、泵效率随流量的变化关系和是否与理论相一致，是否与比例定律相符合进行讨论。停车点击“返回操作”按钮，返回到实验操作界面。按以下步骤关停

25、实验装置。1调节流量调节阀开度到零。2关闭功率计短路开关。3调节电动机转速到零。4关闭电动机电源。5关闭总电源。6关闭倒U形管差压计引压阀A、B，打开平衡阀C、排空间D、放水阀E，放空倒U形管差压计中的水。7点击“退出实验”按钮，退出实验室界面。九、实验仿真操作过程注意事项1启动以前泵壳应先灌满水，以防泵发生气缚现象；2为了实验点分布均匀可按计算；3关闭电机时，应先把电机调速到0，以防水倒流冲击叶轮。十、思考题1本实验装置用什么方法测量离心泵的流量？此法合理吗？2离心泵的扬程、功率、效率如何得到？3离心泵启动要领是什么？4进行怎样操作才能对主管路、引压管及倒 U形管管进行排气？需要排气的原因是

26、什么？5比例定律的使用条件是什么？如何进行验证？6流量增大时，泵人口处的真空度与出口处压力表的读数如何变化？试分析之？7流量调节阀若设置在吸人管侧行吗？为什么？8流量调节阀装在离心泵很远的出口管线上行吗？为什么？9离心泵为什么要选在高效区操作？10增大或减小调节阀的开度，管路的特性曲线如何变化，请从工作点的变化加以说明。实验三 板框过滤实验一、实验目的 1掌握恒压过滤常数K、qe、e的测定方法，加深对K、qe、e的概念和影响因素的理解。 2学习滤饼的压缩性指数s和物料常数k的测定方法。3学习 一类关系的实验确定方法。二、实验内容1测定每个实验条件下的过滤常数K、qe、e。2设计并测定滤饼的压缩

27、性指数s和物料常数k。 三、实验原理 过滤是利用过滤介质进行液一固系统的分离过程，过滤介质通常采用带有许多毛细孔的物质如帆布、毛毯、多孔陶瓷等。含有固体颗粒的悬浮液在一定压力的作用下液体通过过滤介质，固体颗粒被截留在介质表面上，从而使液固两相分离。在过滤过程中，由于固体颗粒不断地被截留在介质表面上，滤饼厚度增加，液体流过固体颗粒之间的孔道加长，而使流体流动阻力增加。故恒压过滤时，过滤速率逐渐下降，随着过滤进行，若要得到相同的滤液量，则过滤时间增加。 恒压过滤方程 （2-1） 式中：q一单位过滤面积获得的滤液体积，、m3m2； qe一单位过滤面积上的虚拟滤液体积，m3m2； 一实际过滤时间，s；

28、e一虚拟过滤时间，S；K一过滤常数，m2s。 将式（2-l）进行微分可得： (2-2) 这是一个直线方程式，于普通坐标上标绘q的关系，可得直线。其斜率为，截距为，从而求出 K、qe。至于可由下式求出： (2-3) 当各数据点的时间间隔不大时，可用增量之比来代替。四、实验装置滤浆槽滤浆槽内放有已配制有一定浓度的硅藻土水悬浮液。用电动搅拌器进行搅拌使滤浆浓度均匀（但不要使流体旋涡太大，使空气被混入液体的现象），用旋涡使系统产生真空，作为过滤推动力。板框过滤实验的流程图1搅拌控制装置；2电动搅拌装置；3回流阀；5泵压力表；6进口阀； 7板内压力表；8板框过滤机；9压紧装置；10滤浆槽；11出口阀；1

29、2旋涡泵；13计量桶；14排水阀；4、15排出阀； 五、实验步骤1系统接上电源，打开搅拌器电源开关，启动电动搅拌器。将滤浆槽内装滤浆搅拌均匀。 2板框过滤机板、框排列顺序为：固定头一框一板一框一膏板一可动头。 3使回流阀处于全开、阀4、6、15处于全关状态。启动旋涡泵，调节回流阀使泵压力表达到规定值。 4待泵压力表稳定后，打开过滤进口阀，过滤开始。当计量桶内见到第一滴液体时按秒表开始计时。记录滤液每增加高度10mm时所用的时间。当计量桶读数为160 mm时停止计时，并立即关闭进口阀。 5打开回流阀使泵压力表指示值下降。开启压紧装置卸下过滤框内的滤饼并放回滤浆槽内，将滤布清洗干净。将计量桶内的滤

30、液倒回滤浆槽内，以保证滤浆浓度恒定。6实验结束后关闭电源。六、实验注意事项1过滤板与框之间的密封垫片应注意放正，过滤板与框的滤液进出口对齐。用摇柄将过滤设备压紧，以免漏液。 2每个人实验的好坏，都会对整个组的实验结果产生重大影响。因此，每个人应认真实验，切不可粗心大意！ 3电动搅拌器为无级调速。使用时首先接上系统电源，打开调速器开关，调速钮一定要由小到大缓慢调节，切用反方向调节或调节过快以免损坏电机。4启动搅拌前，用手旋转一下搅拌轮以保证顺利启动搅拌器。七、实验报告内容1列出全部过滤操作的原始数据，表格由各组统一设计，进行数据处理。2计算本实验恒压过滤常数K、qe、e填入实验结果表中。八、思考

31、题1为什么每次实验结束后，都得把滤饼和滤液倒回滤浆槽内？2本实验装置压力表的读数是否真正反映实际过滤推动力？为什么？实验四 管内强制对流传热膜系数的测定实验一、实验目的1了解套管式换热器的结构和传热热阻的组成。2学习测定流体间壁换热总传热系数的实验方法。3掌握近似法和简易Wilson图解法两种从总传热系数实验数据求取对流传热膜系数的数据处理方法。4掌握根据实验数据获得传热准数经验公式的方法和数学工具。5掌握热电偶、UJ36电位差计和长图式自动记录仪的使用方法。二、实验任务1在空气一水套管换热器中，测定一系列空气流量条件下冷、热流体进、出口温度。2通过能量衡算方程式和传热速率基本方程式计算总传热

32、系数Ki的实验值。3分别用近似法、简易Wilson图解法求取空气侧对流传热膜系数ai。4根据实验获得的对流传热膜系数ai和空气流速ui，整理得到努塞尔数Nu与雷诺数Re之间的幂函数型经验公式。5把实验获得的经验公式与化工原理教材和参考书中的列出的同类公式进行比较，讨论其异同点。6根据实验装置情况分析实验测试数据的误差来源。三、实验装置管内强制对流传热膜系数测定的实验装置示意图见图91。来自大气的空气经旋涡风机1加压，温度计2测量温度，压力表3测量压力，孔板流量计4测量流量，进人电加热器7提高温度。空气的流量通过截止阀6的开度进行调节。压差传感器5用来测量孔板流量计两端的压差。加热后的热空气进人

33、套管换热器8的内管，与环隙里的冷却水逆流换热，然后排入大气。铂热电阻9与可控硅自动温度控制仪相连，用于自动控制热空气的温度。热电偶10、11与长图自动记录仪配套，用于监测空气进、出套g换热器时的温度，以判断系统热状态是否稳定。玻璃棒水银温度计12、13分别测定套管换热器空气进、出口温度，14、15分别测定水进、出口温度。压力传感器5将孔板流量计两端的压力差转化为电信号后，用UJ36电位差计测出电势差值，用以计算空气的质量流量。四、实验原理和方法流体与固体壁面间的对流传热过程可以用牛顿冷却定律描述： （9-1） 图91管内强制对流传热膜系数测定实验装置示意图式中Q总传热速率，W； 对流传热膜系数

34、，W m2. K； A传热面积，m2； T流体温度，K； tw固体壁面温度，K。 如果能够用实验直接测定流体温度T和固体壁面温度tw，则可以根据式（9l）的关系直接计算对流传热膜系数： (9-2)对于多数应用情况而言，直接测量固体壁面的温度是一件相当困难的任务，实验技术成本高且数据准确性差。对于两股流体间壁换热的情况，直接测量两股流体的温度却是一件相对容易的工作。因此，通过测量两股换热流体温度来推算某一侧流体与壁面间的对流传热膜系数就成为广泛应用的实验研究方法。1总传热系数K的实验求取根据换热器传热速率基本方程式 (9-3)式中K换热器总传热系数，Wm2·K；tm对数平均温差，K。对

35、数平均温差的定义为 (9-4)只与冷、热流体的进、出口温度 t1、t2、T1、T2有关。根据能量恒算关系式，总传热速率应满足下式 式中G热流体的质量流量，kgs；热流体的恒压比热容，J kg· K。在本实验中，热流体一空气的质量流量用孔板差压计测量。实验测定G、tl、t2、T1、T2并计算出Q后，根据式（9-3）的关系，可用下式求取总传热系数K： (9-5)2近似法推算对流传热膜系数总传热系数与对流传热膜系数之间的关系为 (9-6) 式中 冷流体侧的对流传热膜系数， W m2· K；热流体侧的对流传热膜系数， W m2· K； d1、d2分别为换热管外径和内径，m

36、； dm换热管的平均直径，m； b换热管壁厚度，m； 换热管材料的导热系数，wm·K；Rs1、Rs2。换热管外侧和内侧的污垢热阻，m2·K/W 在本实验中，水流经套管换热器的环隙一侧，流态处于高度湍流态，又是良导热流体，其对流传热膜系数可以达到1000wm2·K以上；而流经换热管内的空气是不良导热流体，其对流传热膜系数只有几十wm2·K。于是有 (9-7)同时本实验装置的换热管材料是紫铜，是优秀的导热材料，其导热系数为 383 8wm2·K，而b值只有2mm，于是又有 （9-8）因此如果换热管两侧的污垢热阻 Rsl、Rs2 d1d2。可以忽略，

37、则由式（96）可得近2似关系： 即 （9-9）由以上讨论可知，近似法的准确性取决于被忽略热阻与空气侧热阻之间的相对大小。3简易Wilson 图解法推算对流传热膜系数a简易Wilson图解法是基于以下假设条件：（1）对于换热管的待求侧，流体流速u对传热膜系数a的影响可以用幂函数描述： （9-10）且幂指数n的值已知。对于本实验，空气侧的关系可以表示为 （9-11）（2）除此之外的所有非待求热阻之值均与待求侧流体流速u无关。在本实验中，即当u1改变时，下式成立： =常数 当以上假设条件成立时，令 则式（9-6）可写成： （9-12）图（9-2）简易ilson图解法实验测取一系列u1i、Ki；数据后

38、，以为横坐标、为纵坐标，标绘各实验点，则得到一条直线，如图（9-2）所示。记直线的斜率为m，则任一空气流速u1下的对流传热膜系数可由下式求得： （9-13）4传热准数经验方程式 根据因次分析法，强制对流传热过程的各物理量之间的函数关系可以用努塞尔数Nu、雷诺数Re和普兰特数Pr表达为无因次准数关系式： （9-14）式中： d换热管内径，m； a对流传热膜系数，W m2· K； 定性温度下空气的导热系数，wm·K； 定性温度下空气的粘度，Pa·s； 定性温度下空气的密度，kgm3； u流体在管内的流速， ms； cp空气的恒压比热容，J kg· K。式（9

39、14）的具体函数形式可参考对实验结果的拟合准确性来选择，称为准数经验方程式。工程上最常用的传热准数经验方程式为幂函数式： (9-15)对于圆形直管内强制对流情况，应用最为广泛的是 (9-16)当流体被加热时n=04，流体被冷却时n=03。对于流体是被冷却空气的情况，Pr常数，式（915）可简化为Nu C1Rem (9-17)在双对数坐标下以实验数据计算所得的Nu对Re作图，数据点的轨迹近似表现为一条直线，采用最小二乘法进行线性拟合lgNulgRe，可得到系数C1和指数m。对于流体是被冷却空气的情况，式（916）可简化为 Nu0.02Re0.08 (9-18)图93中给出了典型实验条件下用近似法

40、得到的NuRe关系和式（9-18）的图形。5空气质量流量G的测定空气的质量流量为 （kg/s） (9-19)式中C孔板流量计的校正系数； po孔板处空气的密度，kgm V压力传感器的读数，mV； Vo压力传感器的初读数，mV。 孔板流量计的校正系数C，由雷诺数Re和孔径与管径处的截面积之比AOAI决定。在未知空气流速的情况下，应用试差法确定C值。（试差法的具体计算过程请参考理论教材相关内容。）不同流速C值不一样，一般C值变化很小，常当成定值来处理。图93 NuRe关系曲线五、仿真实验操作步骤在仿真主界面中选择“传热实验”，双击，输人学号，回车，点击“实验操作”按钮，进人实验操作界面（如图94）

41、。1实验装置开车点击“开始实验”按钮，按以下步骤操作：2记录流量传感器的初值双击UJ36电位差计，得一放大图，点击：“读取数据”，记下初读数，点击“确定”（如图95）。3启动风机点击总电源按钮，接通总电源，再点击开风机电源按钮，启动风机。双击空气流量调节阀，点击阀门开度图下方的，使阀门开度最大。4开启冷却水双击冷却水流量阀，点击阀门开度下方的“”号，调节阀门开度达到最大（如图96）。5开启加热器和温控仪打开温控仪面板上的电源开关，再打开加热器。双击温控仪面板，得温控仪面板的放大图。可控硅温控仪的工作模式的缺省设置为自动控制状态，也可以切换为手动操作状态，在仿真实验中一般采用自动状态（如图97）

42、。图94管内强制对流传热膜系数测定仿真实验操作界面6观察系统是否稳定图95开机前先记录电位计的初读数图96全开空气与水的流量调节间为了使实双击记录仪得一放大图，观察左上图记录仪上记录套管换热器空气进。出温度的红、蓝记录笔标绘的记录曲线，若两线形成平行的直线，说明系统已经稳定（如图98）。7测试操作当系统稳定后，点击“读取数据”按钮，自动记录在最大流量下气体的进、出口温度T；、T。，冷却水的进、出温度t；、t。，孔板流量计处的温度TO、压力p0和孔板流量计两侧的电位差值V（如图99）。验点在双对数坐标中分布均匀，可参考计算机建议的下组数据的V值。点击“确定”。返回操作界面，点调节阀开度图中的“一

43、”号，调节阀开度减小，使电位差值大致与建议值相近（见图910），温控仪仍默认设置在自动控制状态，再观察记录仪中红、蓝笔标绘的记录曲线，若两线已是平行，说明系统已经稳定。点击“读取数据”按钮，记录第二个流量下的各原始数据。按以上介绍方法，依次减小流量，重复操作，共读取46组数据。图97可控硅温控仪的缺省设置图98系统稳定时的界面六、实验数据处理当测完46组数据后，点击“数据处理”按钮，进人数据处理界面（如图411）、点击“原始数据”按钮，在上表中列出原始数据（如图912）。1用近似法处理原始数据在处理方法中，选择“近似法”，再点击“数据处理”按钮，确定。点击“作ReNu图”，在双对数坐标中显示N

44、uRe关系线（如图913）。点击“实验结果”按钮，在下侧列表显示实测的雷诺数Re值和用近似法处理得到的努塞尔数Nu值，以及拟合得到的NuRe函数关系式（如图914）。图911数据处理初始界面图912原始数据列表 图913用近似法处理得到NuRe关系线 图914用近似法处理得到NuRe函数关系式2用简易Wilson法处理原始数据在处理方法中，点击“Wilson法”按钮，再点“数据处理”按钮，点击“确定”。点击“Wilson图解”，显示1K与1u0.8在直角坐标中的关系线（如图915）。点击“作ReNu图”按钮，在双对数坐标中显示NuRe关系线。再点击“实验结果”按钮，列表显示出实测的雷诺数Re值

45、和用简易Wilson法处理得到的努塞尔准数Nu值，以及拟合得到的NuRe函数关系式（如图916）。图915用简易Wilson图解得出1K与1u0.8关系线图916简易Wilson图解处理得出NuRe函数关系式由两实验结果比较可知，用图解法得到的准数方程比用近似法得到准数方程更接近于经验准数方程。七、实验装置停车操作点击“退回实验室”按钮，回到实验室界面，然后按以下步骤进行停车操作。1关加热器，关温控仪电源开关；关风机，关总电源。2关冷却水阀（如图917）。 图917关闭加热器、风机、冷却水3点击“关闭实验”按钮，退出实验室。八、实验仿真操作过程注意事项1开机前，应先读出UJ36电位差计的初读数

46、V0。2风机启动后，立即全开调节阀和冷却水阀，防止电加热器于烧和出口空气的温度超过温度计测量范围。然后才可以接通可控硅温控仪的电源，开启电加热器。3当加热电压过大时，温控仪会自动停止加热，并出现减小反馈量和改为手动控制的提示框，此时应把自动控制改为手动控制，同时减小加热电压，或减小设定温度。4必须等系统稳定后，即红、蓝记录笔标绘的两条线平行时，才可以进行读取数据。5整个实验过程中，因为是大水量小风量的操作，水的温度变化在1左右。九、思考题1请总结测定对流传热膜系数a有几种测量方法，并比较各种方法。2实验装置空气进口处有一只汞玻璃温度计、一只铂电阻热电阻。一只钢一康钢热电偶，它们在此处分别起什么

47、作用？3在双对数坐标中作努塞尔数Nu与雷诺数Re的关系线时，要求实验点分布均匀。实验操作时，流量应如何分配，理由是什么？4请叙述开机与关机的次序。5实验过程中，如何判断系统已达稳定？系统的稳定性由记录仪内的红蓝笔是否走直线来判断。6为什么不用水侧的温度和流量来估算总的传热量Q值，而是用空气侧的？7在计算空气质量流量G值时所用到的密度po值与求雷诺数Re时的密度产值是否一致？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算？答：不一致。计算空气质量流量时所用到的密度值是冷流体进口温度下对应的密度；求雷诺数时的密度值时是冷流体进出口算术平均温度对应的密度。8若空气进口温度基本保持不变，且水的进出

48、口温度变化不大1，当空气流量减小时，出口气温有何变化，试定性分析。9对本实验而言，为了提高总传热系数K，可采用哪些有效的方法，其中最有效的方法是什么？实验五 精馏实验一、实验目的1学会识别精馏塔内出现的几种操作状态，并分析这些操作状态对塔性能的影响。2学习精馏塔性能参数的测量方法，并掌握其影响因素。3测定精馏过程的动态特性，提高学生对精馏过程的认识。二、实验内容1了解开车过程中，精馏塔在全回流条件下，塔顶温度等参数随时间的变化情况。2测定精馏塔在全回流时的总板效率。3测定精馏塔在部分回流时的总板效率。三、实验原理 1精馏塔的总板效率对于二元物系，如己知其汽液平衡数据，则根据精馏塔的原料液组成，进料热状况，操作回流比及塔顶馏出液组成，塔底釜液组成可以求出该塔的理论板数NT。按照式（31）可以得到总板效率ET，其中NP为实际塔板数。 ET (3-1)2 进料热状况参