化工原理试验讲义2016

化工原理实验讲义中国海洋大学化学化工学院

化工原理实验室序言一、化工原理实验的特点化工原理实验属于工程实验范畴，它不同于基础课程的实验。后者面对的是基础科学，采用的方法是理论的、严密的，处理的对象通常是简单的、基本的甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实际问题和工程问题。对象不同，实验研究方法也必然不同。工程实验的困难在于变量多，涉及的物料千变万化，设备大小悬殊，实验工作量之大之难是可想而知的。因此不能把处理一般物理实验的方法简单地套用于化工原理实验。数学模型方法和因次论指导下的实验研究方法是研究工程问题的两个基本方法，因为这两种方法可以非常成功地使实验研究结果由小见大，由此及被地应用于大设备的生产设计上。例如，在因次论指导下的实验，可不需要过程的深入理解，不需要采用真实的物料、真实流体或实际的设备尺寸，只需借助模拟物料(如空气、水、黄砂等)在实验室规模的小设备中，经一些设备性的实验或理性的推断得出过程的因素，从而加以归纳和概括成经验方程。这种因次论指导下的实验研究方法，是确立解决难于作出数学描述的复杂问题的一种有效方法。数学模型方法是在对过程有充分认识的基础上，将过程作高度的概括，得到简单而不失真的物理模型，然后给予数学上的描述。这种研究方法同样可以具备以小见大，由此及被的功能(因次论指导下的实验方法和数学模型方法反映了工程实验和基础实验的主要区别)。化工原理实验的另一目的是理论联系实际。化工由很多单元过程和设备所组成，学生应该运用理论去指导并且能够独立进行化工单元的操作，应能在现有设备中完成指定的任务，并预测某些参数的变化对过程的影响。二、基本要求1、实验研究方法及数据处理(1)掌握处理化学工程问题的两种基本实验研究方法。一种是经验的方法，即应用因次论进行实验的规划；另一种是半经验半理论的方法或数学模型方法，掌握如何规划实验，去检验模型的有效性并对模型参数估值。(2)掌握最基本的经验参数和模型参数的估值方法——最小二乘法。1（3）对于特定的工程问题，在缺乏数据的情况下，学会如何组织实验以及取得必要的设计数据。2、熟悉化工数据的基本测试技术其中包括操作参数（例流量、温度、压强等）和设备特性参数（例阻力参数、传热系数、传质系数等）、特性曲线的测试方法。3、熟悉并掌握化工中典型设备的操作了解有关影响操作的参数，能在现在设备中完成指定的工艺要求。并能预测某些参数的变化对设备能力的影响，应作何调整。三、实验课教学内容及教学方法通过实验课的教学应让学生掌握科学实验的全过程，此过程应包括：（1）实验前的准备；（2）进行实验操作；（3）正确记录和处理实验数据；（4）撰写实验报告。以上四个方面是实验课的主要环节，认为实验课就是单纯进行实验“操作”的观点应该改变。为使学生对于实验有严肃的态度，严格的要求和严密的作风，我们推荐典型的实验程序如下：（1）认真阅读实验指导书和有关参考资料，了解实验目的和要求；（2）进行实验室现场预习。了解实验装置，摸清实验流程、测试点、操作控制点，此外还需了解所使用的检测仪器、仪表。（3）预先组织好3~4人的实验小组，实验小组讨论并拟订实验方案，预先作好分工，并写出实验的预习报告，预习报告的内容应包括：1）实验目的和内容；2）实验的基本原理及方案；3）实验装置及流程图；4）实验操作要点实验数据的布点；5）设计原始数据的记录表格。预习报告应在实验前交给实验指导教师审阅，获准后学生方能参加实验；（4）进行实验操作，要求认真细致地记录实验原始数据。操作中应能进行理论联系实际的思考；（5）实验数据的处理，如果用计算机处理实验数据，则学生还须有一组手算的计算示例；（6）撰写实验报告。撰写实验报告是实验教学的重要组成部分，应避免单纯填写表格的方式，而应由学生自行撰写成文，内容大致包括：1）实验目的和原理；2）实验装置；3）实验数据及数据处理；4）实验结果及讨论。四、学生实验守则1、遵守纪律不迟到不早退，在实验室内保持安静，不大声谈笑，遵守实验室的一切规章制度，听从教师指导。2、实验前要认真预习，作好预习报告，经教师提问通过后，方可准予参加实验。3、实验时要严格遵守仪器、设备、电路的操作规程不得擅自变更，操作前须经教师检查同意后方可接通电路和开车，操作中仔细观察，如实记录现象和数据。仪器设备发生故障严禁擅自处理，应立即报告教师。4、实验后根据原始记录、处理数据、分析问题及时作好实验报告。5、爱护仪器、注意安全、水，电，煤气，药品要节约使用。6、保持实验室整洁，废品，废物丢入垃圾箱内。7、实验完毕记录数据须经教师审查签字，做好清洁工作，恢复仪器设备原状，关好门窗，和检查水，电，气源是否关好，方可离开实验室。1实验方法论图1流体在圆管内流动化学工程问题的研究方法图1流体在圆管内流动以流体在圆管内流动阻力为例，图1-1。理论推导的数学分析法流体作层流流动，可由力平衡、牛顿粘性定律，通过边界条件积分获得。半经验半理论的数学模型法流体作湍流流动：力平衡不变，牛顿粘性定律不适用湍流脉动。但剪应力与形变率的关系仍服从txdu/dr，即tx—(N+N,)du/dr，但湍流粘度「难以确定。因次(量纲)论指导下的实验研究方法(1)列出影响阻力大小的主要因素：△p=f(N,P,u,d,l,e)(2)因次(量纲)分析：组成无因次(量纲为1)数群ledupddN(3)实验，拟合成函数关系或曲线edurl=f(-,——)dm直接实验方法结果可靠，但有很大的局限性，耗时费力。量纲分析法因次(量纲)、基本因次、导出因次因次：区别物理量的标志（又叫量纲）。基本因次：基本量的因次：SI:L,M,T,q导出因次：导出量的因次：F=ma [M•L.T-2-因次（量纲）分析法的基础（1）因次（量纲）一致法：物理方程中的每一项都有相同的因次（量纲）。（2）「定律：无因次（量纲为1）数群N=物理量数n—基本因次（量纲）数m因次（量纲）分析法规划实验的步骤例：直径为d的圆球在流体中等速下降的阻力r（1）析因分析（实验）：找出影响r的因素，r=f（d,u,m,r）（2）选择m个基本变量：力学范围内，尺寸：d,运动：u,与力有关：p（3）根据「定律写出N个无因次式：N=5-3=2,n=非基本变量/基本变量P=rr1 ra1ub1dc1p=r/rrra2ub2dc2（4）解无因次（量纲为1）准数式的指数方法：将各物理量的因次（量纲）代人无因次（量纲沏）式中，由分子分母因次（量纲）相同解指数。如冗=MLT-2/ _ ：1 /[MLI[LT-1Jb1[lJc1解得：a1=1b1=2c1=2所以：P=r//1 /ru2d2同理：p=m同22ddur（5）按无因次关系进行实验：%u2d2=f（durm），调一个流量，测一个压降。（6）实验数据整理或作曲线：一般按J=AXB形式：r=ru2d2（八]，）b1.2.4如何模拟实验？如何将模拟实验结果换算到实际设备？几何相似——模型和原型相对应的几何尺寸保持一定比例；运动相似——在相似系统中各对应上对应时刻的运动参数心、2、3）方向一致，大小

成一■定比例;动力相似——模型和原型所有对应点上都作用相同性质的力且各力的比值相同。例：有一空气管直径为300mm，管路内安装一孔径为150mm的孔板，管内空气温度为200℃,压强为常压，最大气速为10m/s,试估计孔板的阻力损失为多少？d，解：因次分析得：hf/=f（4uu2 -d，（1）由几何相似确定实验设备（（1）由几何相似确定实验设备（d0d）大=（/"）取实验设备为30mm的管子，则孔板孔径d0二30X(d9'd^大二30X15/300二15mm实验用水代替空气，水温20℃,由运动相似，确定水的umax(duP/、—(duP/\(./小、大(/)查200℃的Air：u=2.6x10-5Pa.S p=0.747kg/m3查20℃的H2O：u=1.005x10-2Pa.S p=998.2kg/m3u=2.87m/s（3）实验结果hf（3）实验结果hf水=2.67J/kg（4）200℃的Air,在实际设备中的（4）200℃的Air,在实际设备中的hf动力相似：('f/)=('f/)u2大--u2小h=2.671g、X102=32.4J/kgf水 /'(2.87)2 *1.2.5因次（量纲）分析法规划实验的优点或局限性优点：（1）实验工作量大大减少。（2）实验难度下降：可不需要真实物料，可用模型设备代替实际设备（由此及被,由小见大）。被,由小见大）。局限性：（1局限性：（1）若变量数多，工作量仍很大。（例：109.106）（2）建立量纲为（2）建立量纲为1的准数有一定任意性。1.3数学模型法区别：因次（量纲）分析法：对过程内在规律不作任何认识（黑箱）。数学模型法：对过程有深刻认识，得出足够简化而不失真的模型

步骤：(1)预实验，简化模型。(2)实验检验简化模型的等效性。(3)通过实验确定模型参数。例如：流体通过颗粒层流动：爬流—虚拟毛细管h旦=iK?U2

frde2u•/u=euu=—u•/u=euu=—iie, A® ale(1-e)ah= =N—■ ■u2fp8 83A®_),(1-e)a 人, ,pu2L康采尼实验：床层雷诺数:Re'=£汨=uP4日 a(1-e)日2实验误差分析及数据处理误差分析误差的基本概念(1)分类系统误差:在测量或实验过程中未发觉或未确定的因子所引起的误差。当实验条件一经确定，其大小和符号固定不变。随机误差:在已经消除系统误差的一切测量值的观察中，所测数据仍在末一位或末两位数字上有着差别，而且它们的绝对值和符号的变化，时大时小，时正时负。随机误差的算术平均值趋尽于零。过去误差：由于实验人员粗心大意造成与事实不符的误差。(2)误差的表示法A、测量点的误差绝对误差：e.=x.-xo xi—测量值 x0—真值

d二xi-x x—最佳值 x=（x1+x2+…+x）/n相对误差：ei/x0或di/xB、测量集合的误差极限误差：A=ZlX/-xjj/=Zdn （算术平均值的误差）标准误差：。=二u=：斗（均方根误差）/n/n有限次测量：。=、》（实际）n—1TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"x+x+ + xe+e+ + ex=—t 2 n-=x+—t 2 n-=X+dO<n\o"CurrentDocument"m n o n oO<ne+e+ + e=x—x=-4 2 n-=Om0 n m（xt，x2一是同等精度测量值，其中Oi=O）n(n—1)±5=xm±om（om—均值标准误差。即：算术平均值的标准误差）。不是一个具体的误差，它的大小只说明在一定条件下等精度测量集合中的每一个观测值对其算术平均值的分散程度。C、绝对误差3（3）准确度和精密度准确度：测量值和真值之间的符合程度。精密度：所测量的数据重现性的程度。精密度高，准确度不一定高；但准确度高，其精密度一定高。随机误差的正态分布性质在系统误差忽略条件下，一个物理量在同一条件下进行多次测量，发现有一定规律。如用流量计测定一固定流量（30）,其结果服从正态分布。其特点：（1）单峰性：绝对值小的误差出现的几率大。（2）对称性：绝对值相同的正、负误差的几率相同。（3）有界性：大的误差出现几率小，且不超过一定的限度。

(4)低偿性：随着测量次数的增加，随机误差的算术平均值等于零。误差分析曲线积分可得，误差大于3。出现的概率，在370次观测中只有一次。3o法则凡是误差大于3。的数据点应予以舍弃(实际测量次数一般不超过10次)。间接测量误差估计设间接测量y和直接测量Xj间有如下关系:令D1、D2、...Dm为各个直接测量的绝对误差，Ay旦Nx+爻Ax+...+2Ax(泰勒展开)式中f为误差传递系数Sx 1 d,x 2 d.x m d.x1 2 m极限绝对误差:Ay=Em极限绝对误差:Ay=Emi=1SfA—AxSx ii实际上，直接测量误差Ax,是互不相关的随机量，根据概率论，要确定未知量y的随机误差，应将各部分误差平方再相加，然后求其开方值，即:标准误差：Oym标准误差：Oym(由于真值未知，常用O代替3)m2.1.5测量结果表示方法(1)单次测量结果品=量程2.1.5测量结果表示方法(1)单次测量结果品=量程x仪表精度或高精度仪器:x=x±A、/^3,低精度仪器：x=x±A、/2^3多次测量结果单变量：x单变量：x=x±OZ(x-x»

= i^-i—m—nn\n-1)多变量：'二匕±o 。.寸ff[q*i=11J注意：计算的0mt△仪时，用0m；否则用△仪。例：圆柱体的半径r已知为2.1±0.1cm而长度L为6.4±0.2cm,求圆柱体体积及均值标准误差。=\：'(2兀rl»o2+Cir2)o2m mr mlV(2x3.14x2.1x6.4x0.1)2+(3.14x2.1x2.1x0.2)2=8.88解： v=兀r2±omV二nX(2.1)2X6.4±5=88.7±8.9=89±9cm3

m2.2实验数据处理列表表示方法（1）实验数据记录表（例流体流动实验）设备编号 管径 管长管件水温度 仪表常数序号数字电表读数N/S直管阻力压差计读数局部阻力差计读数左（mm）右（mm）左（mm）右(mm)01（2）计算结果表序号流量m3/sUm/sReX104Hf直,mH2O入H，居，mH2O自12实验曲线表示法⑴坐标纸选择（直角坐标纸）线形函数：y=ax+b（直角坐标纸）10

赛函数： y=axb logy=lga+blgx （双对数坐标纸）指数函数：y=aebx logy=lga+0.4343bx （半对坐标纸）⑵坐标的分度：即坐标的比例尺。比例尺选择不当，会使图形失真。例：某组实验数据为：X1.02.03.04.0y8.08.28.38.0上图的原因是：没有考虑测量误差。若考虑测量误差：设加二±0.05,Ay=±0.2,则（x,y）位于底边为2Ax,高为2Ay的矩形内，两种比例尺的图形都是一条曲线，如下图a、b所示。设Ax二±0.05,Ay二±0.04则它们都是在x=3时，y具有最大值，如下图c、d所只要考虑了测量误差，选择不同的坐标比例尺都能得到同样的函数关系。但从上面的图形看出，比例太小，矩形太扁，而比例太大，矩形太长，这些矩形都不能作为光滑的曲线的'点'。为了得到理想的图形，应该选择适当的比例尺。选择比例尺原则：2Dx=2Dy=2mm坐标比例尺：Mx=2/2Dx=1Dx（mm物理单位）MJ%》=/Dy（mm物理单位）二25（mm物理单位）按照上述原则描绘Ax=±0.05,Ay=±0.04二25（mm物理单位）M=1Dx=20⑺加物理单位）；对于y轴：M=1Dy11用数学模型（函数式）表示实验结果数学模型是表示实验结果函数关系的一个重要方法。数学模型的确定，一般可分为三个步骤：确定数学模型的函数类型；确定数学模型式中各个待定系数；对数学模型的可靠程度进行评价。（1）数学模型函数类型的确定y=f（x1x2） 作图观察化工常用的函数形式有：多项式：J=a+ax+ax2+ +axm幕函数：j=AXAXA2…xAm01 2m（2）模型的线性化和待定系数的确定指数函数：J=%对模型线性化：Y=B0+B]X1+B2X2+•••+BX待定系数Bi的确定，常用的有分组平均法、图解法、最小二乘法等A、分组平均法例：已知x3.44.35.46.78.710.6y4.55.86.88.110.512.7若选定的模型为J=¥+b2,则：[4.5=3.4%+b2<5,8[4.5=3.4%+b2<5,8=4.3b+b6.8=5.7b+b1 1 2和|10.5=8.7b]+b2每组三个方程相加，得:12.7=10.6b+b12I17.1=13.1b+3bn《 1 2131.3:26.0b+3b1212解得：b1=1.10,b2=0.89「.y=1.10%+0.89B、图解法例：某实验数据如：x1.002.406.6014.0y1.792.905.408.2求：y-x的数学模型式解：此数据在对数坐标纸上标绘得一直线表明y和%的关系为：y=axb,即：logy=lga+b1g%当log%=0时，a=1.70b=1gy1-1gy2=33迎=0.589lg%-lg% 5.60cm：.y=1.70%0.589配最小二乘法最小二乘法：各观测值与最佳值的残差的平方之和为最小。对于：y=B0+B1%1+B2%2+......+Bm%m，求待定系数Bi时，使模型式的计算值y和实验值y的误差(或残差)平方之和为最小。即目标函数为：iF=ZI-f(B,%)-y2=min

Liii-例：用最小二乘法解上述图解法的例题解：y=a%b,即：logy=lga+blg%为了简单起见，设y=A+BxF=Z(A+B%-y》更=0 Z(A+B%-y)=0d.A ii=—=0 Z%(A+B%-y)=0d.B iii13

yZ乙yx~Z"xi弋1gxiYl=1gyiXiyiXi200.230000.3860.4600.1780.1490.8190.7320.6000.6711.1460.9141.0471.313工2.3512.3361.8252.133iZx2iiZX2i解得：A=0.2312,B=0.602,a=1.703,b=0.602(3)数学模型的可靠程度A、标准差oon-实验数据点数；m-待定参数个数；y—第i实验点的函数值；iy^-第i实验点的函数计算值。「越小，该方程精度越高。B、线性相关系数Z(x—x)(.—y)R^Xx-x)Zty-y\i i14R=0,说明x与y无线性关系|R|越接近1,实验点密集于拟合方程周围|R|<0.8,该方程不能描述实验数据R>0,表示y随x增加而增加R.<0,表示y随x增加而减小化工流动过程综合实验含：实验一，流体流动阻力的测定；实验二，离心泵性能曲线的测定；实验三，流量计的校核一、实验目的:1练习光滑直管、粗糙直管的阻力系数与雷诺准数的测量方法，并绘制关系曲线；2学习几种压差测量方法，加深对流体流动阻力概念的理解；了解离心泵的结构、操作方法，掌握离心泵特性曲线测定方法，掌握离心泵管路特性曲线测定方法，并绘制相应曲线，加深对离心泵性能的理解；了解各种流量计(节流式、转子、涡轮)的结构、性能及特点，掌握其使用方法；掌握节流式流量计标定方法，测定并绘制文丘里流量计流量标定曲线(流量-压差关系)与流量系数和雷诺数之间的关系(C0Re关系)。二、实验设备主要技术参数：.流体阻力部分：(1)被测直管段：光滑管：管径d-0.008(m)管长L-1.670(m)材料不锈钢粗糙管：管径d-0.01(m)管长L-1.676(m)材料不锈钢(2)玻璃转子流量计：型号测量范围精度TOC\o"1-5"\h\zLZB—25 100~1000(L/h) 1.5LZB—10 10~100(L/h) 2.5(3)压差传感器：型号LXWY 测量范围200KPa(4)数显表：宇电数显仪表仪表名称 仪表名称 数量温度AI-501B 115TOC\o"1-5"\h\z压差 AI-501BV24 1流量 AI-501BV24 1功率AI-501B 1（5）离心泵：型号WB70/055.流量计性能部分：流量测量：文丘里流量计，文丘里喉径0.020m实验管路管径：0.043m,.离心泵性能部分；（1）离心泵：型号WB70/055，电机效率60%；（2）真空表：用于泵吸入口真空度的测量，测量范围-0.1-0MPa精度1.5级，真空表测压位置管内径d1=0.032m（3）压力表：用于泵出口压力的测量，测量范围0-0.25MPa精度1.5级，压强表测压位置管内径d2=0.042m（4）流量计：涡轮流量计精度0.5级；（5）两测压口之间距离：真空表与压强表测压口之间的垂直距离，h0=0.235m.管路特性部分：变频器：型号N2-401-H规格：（0-50）Hz三、实验装置流程简介：.实验装置流程图见图一，实验仪表面板图见图二16

图一化工流动过程综合实验装置流程图1-水箱；2-水泵；3-泵入口真空表；4-泵出口压力表；5、16-缓冲罐；6、14-测量局部阻力近端阀；7、15-测量局部阻力远端阀；8、17-粗糙管路测压阀；9、21-光滑管路测压阀；10-局部阻力测量阀；11-文丘里流量计(孔板流量计)；12-压力传感器；13-涡轮流量计；32-水流量控制阀；20-粗糙管控制阀；22-小转子流量计；23-大转子流量计；24水流量控制阀;图一化工流动过程综合实验装置流程图25-水箱放水阀；26-倒U型管放空阀；27-倒U型管；28、30-倒U型管排水阀；29、31-倒U型管平衡阀.实验装置流程简介：(1)流体阻力测量：水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，经玻璃转子流量计22、23测量流量，然后送入被测直管段测量流体流动阻力，经回流管流回储水槽1。被测直管段流体流动阻力AP可根据其数值大小分别采用变送器12或空气一水倒置U型管来测量。(2)流量计、离心泵性能测定：水泵2将水槽1内的水输送到实验系统，流体经涡轮流量计13计量，利用流量调节阀32调节流量，回到储水槽。同时测量文丘里流量计两端的压差，离心泵进出口压强、离心泵电机输入功率等参数并记录数据。(3)管路特性测量：利用流量调节阀32调节流量到某一定值，改变电机频率，测定涡轮流量计的频率、泵入口真空度、泵出口压强等参数并记录数据。四、实验方法及步骤:171.光滑管流体阻力测定：(1)向储水槽内注满水。(最好使用蒸馏水，以保持流体清洁)(2)关闭粗糙管路控制阀，将光滑管路阀门全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内两侧液柱高度差不为零，表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。导压系统如图三所示。赶气泡操作方法如下：(请参照图三操作)加大流量，打开U型管进出水阀11,使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量调节阀24关闭，U型管进出水阀11关闭，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀26后，分别缓慢打开阀3、4阀，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气一水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。然后关闭放空阀26,打开U型管进出水阀11,此时U型管两液柱的高度差应为零(1—2mm的高度差可以忽略)，如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。图三导压系统示意图3、4-排水阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；26-U型管放空阀；27-U型管(3)该装置两个转子流量计并联连接，实验时根据流量大小选择不同量程流量计测量流量。(4)差压变送器与倒置U型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用置口型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取15〜20组数据。18注：在测大流量的压差时应关闭U型管的进出水阀11,防止水利用U型管形成回路影响实验数据。(5)测取水箱水温。待数据测取完毕，关闭流量调节阀，停泵。.粗糙管流体阻力测定：关闭光滑管控制阀，将粗糙管控制阀全开，从小流量开始测定数据，到最大流量，共测取15~20组数据。测取水箱水温。待数据测取完毕，关闭流量调节阀，停泵。.局部阻力测定：测定方法参照以上步骤进行。.流量计、离心泵性能测定(1)向储水槽内注满水。检查流量调节阀32,压力表4的开关及真空表3的开关是否关闭(应关闭)。(2)启动离心泵，缓慢打开调节阀32至全开。待系统内流体流动稳定，即系统内已没有气体时，打开压力表和真空表的开关，开始测取数据。(3)利用调节阀32调节水流量，从流量为零开始测定，至逐渐增大流量至最大，或流量从最大逐渐减小到零也可，测取10〜15组数据。需要同时记录涡轮流量计频率、文丘里流量计压差、离心泵入口真空度、离心泵出口压强、功率表读数并记录水温。(4)实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。5,管路特性的测量(1)测量管路特性曲线时，先置流量调节阀32为某一开度，既流量为某一定值，调节离心泵电机频率(调节范围50—20Hz),测取8〜10组数据，同时记录电机频率、离心泵入口真空度、离心泵出口压强、流量计读数并记录水温。(2)实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。五、实验注意事项.直流数字表操作方法请仔细阅读说明书后，方可使用。.启动离心泵之前，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。.利用压力传感器测量大流量下用时，应切断空气一水倒置⑪型玻璃管的阀门，否则影响测量数值的准确。.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。.若较长时间未做实验，启动离心泵之前应先盘轴转动，以免烧坏电机。.该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好接地。19

.使用变频调速器时一定注意FWD指示灯亮，切忌按FWDREV键，REV指示灯亮时，电机反转。.启动离心泵前，必须关闭流量调节阀，关闭压力表和真空表的开关，以免损坏测量仪表。.水质要清洁，以免影响涡轮流量计运行。六、附数据处理过程举例：1.流体阻力测定（1）直管摩擦系数九与雷诺数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，即入=f（Re,s/d），对一定的相对粗糙度而言，九二f（Re）。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:h=占二a

fpp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）lu2h—^Pf.=九fTd2整理（1）（2）两式得d-u•pRe― 式中：d一管径，m；APf一直管阻力引起的压强降，Pa；l一管长，m；u一流速，m/s；p一流体的密度，kg/m3；-流体的粘度，N•s/m2。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U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凶^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入，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，绘出入与Re的关系曲线。计算举例:20①光滑管、小流量数据：Q=60(L/h)h=58(mmHO)2(以表一第17组数据为例)实验水温t=27.5℃,粘度从=0.85X10-3与2.$),密度p=995.86(kg/m3)Q60/3600/1000管内流速u-兀-(兀/4)x0.0082—, (m/s)(―d2) ' )4阻力降APf=p♦g•h=995.86x9.81x58/1000=567(Pa)「d・u・p0.008x0.33x995.86Re= = =雷诺数 目 0,85x10-3 3-109X103久—2d AP 2x0.008 567_阻力系数一p.l*u2~995.86x1.687义0,332-9.7X10-2②粗糙管、大流量数据：Q=300(L/h) AP=12.8(kPa)（以表二第13组数据为例）实验水温t=28.9℃粘度从=0.82X10-3「2.$),密度p=995.48(kg/m3)管内流速u=q=300/3600/1000=1.06(m/s)2 (兀/4)x0.012阻力降APf=12.8X1000=18200(Pa)雷诺数Re=d.u.p0.01x1.06x995.4877^— =1.28X1040.82x10-3一九二阻力系数p.LAP 2x0.01 12800x C= x u2 995.48x1.6971.062=0-27821⑵局部阻力系数测定:式中：。-局部阻力系数，无因次；APf一局部阻力引起的压强降，Pa；hf式中：。-局部阻力系数，无因次；APf一局部阻力引起的压强降，Pa；hf一局部阻力引起的能量损失，J/kg。图四局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降APf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1-1,使ab=bc;APf,ab=APf,bc在a~a'之间列柏努利方程式：△Pf,a'b=APPa-Pa,=2APf在b~b'之间列柏努利方程式:b+2AP+AP'fP-Pbb=APP-Pbb=APf+APbcf+AP'f为了实验方便，=APf,+AP

bf+AP'f=2(P-P)—(P-P为了实验方便，=APf,+AP

bf+AP'f=2(P-P)—(P-Paa(6)称(P-Pbb)为近点压差，(Pa-P)为远点压差。用差压传感器来测量。计算举例：局部阻力实验数据：Q=800(L/h)近端压差=36.7(kPa) 远端压差=37.7(kPa)实验水温；27.5℃,粘度从=0.85X10-3「2.$),密度P=995.86(kg/m3)22实验水温t=27.5℃,密度p=995.86（kg/m3）（以表三第1组数据为例）u_Q_800/3600/1000_126管内流速:(.d2)一(兀/4)x0.00152—, (m/s)管内流速:%局部阻力： APf=2(Pb-Pb,)-(Pa-Pa,)=(2X36.7-37.7)X1000=35700(Pa)(2)AP'局部阻力系数_45.1-I--f局部阻力系数_45.1IpJu22.流量计性能测定流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：V_CA:'^P^S0 0\ p式中：匕—被测流体（水）的体积流量，m3/s;CO-流量系数，无因次；A0—流量计节流孔截面积，m2；P「-P—流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa;上下p—被测流体（水）的密度，kg/m3。用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量vs。每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数凶和流量vs绘制成一条曲线，即流量标定曲线。同时用上式整理数据可进一■步得到C0—Re关系曲线。计算举例（以表四第5组数据为例）涡轮流量计：7.05（m3/h）,流量计压差：19kpa,实验水温t=25.6℃,粘度从=0.89X10-323

(Pa.s),Q=7.05(m3/h)密度P=996.36(kg/m3)(Pa.s),Q=7.05(m3/h)密度P=996.36(kg/m3)7.05u二3600x冗xx0.0432=1.349(m/s)Re=duP_0.043x1.349x996.361.349x10-3=5.25X104：2x19x1000996.36.离心泵性能的测定H的测定:在泵的吸入口和排出口之间列柏努利方程Pu2Z+入+入+H=Z入 Pg 2g 出+u2出--2入2gH=(Z-+u2出--2入2g出入 Pg上式中H入入出是泵的吸入口和排出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努利方程中其它项比较，H 值很小，故可忽略。于是上式变为:f入-出(yP-Pu2,-u2H=(Z-Z)+-出~~入+ 入出入Pg 2g将测得的(Z-Z)和P-P的值以及计算所得的u,u代入上式即可求得H的值。出入出入 入出N的测定:24

功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1,所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即：泵的轴功率N=电动机的输出功率，kw电动机的输出功率=电动机的输入功率X电动机的效率。泵的轴功率=功率表读数X电动机效率，kw。（3）n的测定Nen二一NHQpgHQpNe= = 1000 102式中：n一泵的效率；N—泵的轴功率，kw;Ne一泵的有效功率kw;H一泵的扬程，m;Q一泵的流量，m3/s,P—水的密度，kg/m3离心泵特性曲线包括：H-Q;N-Q和-Q计算举例（以表五第1组数据为例）涡轮流量计读数：;泵人口真空表：0.018Mpa;压力表：0.035Mpa;功率表读数：0.72kw。实验水温t=25水温，粘度N=0.89X10-3「2.$),密度实验水温t=25水温，H=(Z-Z)+.一尸入出入pg(r 八二(0.018+0.035)x1000000=5.8(m)H=0.41+ =5.8(m)996.36x9.81N=功率表读数x电机效率=0.72x60%=0.432(kw)=432(W)Nen=——NNe二HQp

102Ne二HQp

1025.8x10.12/3600x1000x996.36102=159.26(W)25159.26432159.26432=36.86%.管路特性的测定：当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者是相互制约的。管路特性曲线是指流体流经管路系统的流量与所需压头之间的关系。若将泵的特性曲线与管路特性曲线绘在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。因此，如同通过改变阀门开度来改变管路特性曲线，求出泵的特性曲线一样，可通过改变泵转速来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。泵的压头H计算方法同上。附：实验数据表表一、流体阻力实验数据记录（光滑管内径8mm、管长1.687m）（液体温度27.5℃液体密度「=995.86卜8为液体粘度u=0.85mPa.S）序号流量(l/h)直管压差AP△P流速uRe入(kPa)(mmH2))(Pa)(m/s)1100071.3713005.53518240.04409290059.4594004.98466420.04534380047.5475004.42414590.04589470038.2382003.87362770.04820560028.5285003.32310940.04895650020.7207002.76259120.05120740013.6136002.21207300.0525683008.484001.66155470.05771102004.040001.11103650.061831310012812500.5551820.07732149010810550.5046640.080541580888600.4441460.0830626

1670757330.3936280.092461760585670.3331090.097321850464490.2825910.111151940302930.2220730.113262030191860.1715550.127522120141370.1110360.2114222107680.065180.42284表二、流体阻力实验数据记录（直管内径10mm、管长1.697m）（液体温度28.9℃液体密度「=995.48卜8为液体粘度u=0.82mPa.S）序号流量（l/h）直管压差AP△P流速uRe入(kPa)(mmHR)(Pa)(m/s)31000107.91079003.54429580.211490090.1901003.18386620.218580071.7717002.83343670.219670056.5565002.48300710.226760042.1421002.12257750.229850031.1311001.77214790.2431040020.4204001.42171830.2491330012.8128001.06128870.278142006.565000.7185920.3181510024724120.3542960.472169020720210.3238660.488178016816410.2834370.50227

187013513180.2530070.526196010610350.2125770.5632050828010.1821480.6272140605860.1417180.7172230383710.1112890.8072320201950.078590.9551010980.044301.911表三、局部阻力实验数据表序号流量Q近端压差远端压差流速u局部阻力阻力系数Z(1/h)(kPa)(kPa)(m/s)压差（kPa）1100058.459.51.575730046.3280036.737.71.263570045.1表四、流量计性能测定实验数据记录序号文丘里流量计文丘里流量计流量Q流速uReC(kPa)(Pa)(m3/h)(m/s)139.43940010.121.937754331.009234340009.401.799700671.008329.4294008.621.650642530.994423.9239007.841.500584381.00328

519190007.051.349525501.012614.6146006.191.185461401.013711.3113005.391.032401761.00388.383004.630.886345121.00595.555003.810.729283991.016103.535003.040.582226601.01611110002.180.417162491.364120.88001.410.270105100.986130.11000.730.14054411.444表五、离心泵性能测定实验数据记录（液体温度25.6℃液体密度「=996.36kg/m、为3进出口高度=0.41米）序号入口压力P1出口压力P2电机功率流量Q压头h泵轴功率Nn(MPa)(MPa)(kw)(m-h)(m)（w）(%)10.0180.0350.7210.125.843237.09620.0150.070.769.389.145650.85830.0120.0850.768.6610.345653.28540.010.090.757.8310.645050.27050.0070.120.737.0413.443858.49160.0040.1350.76.1714.642058.35770.0030.150.675.4016.140258.58580.0020.160.644.6417.038455.720900.170.63.8017.836051.0211000.180.553.0418.833047.0861100.190.52.1819.830039.1611200.1950.461.4120.427628.2412913 0 0.205 0.42 0.73 21.4 252 16.8181400.210.390.0021.92340.000表六、离心泵管路特性曲线电机频率入口压力P1出口压力P2流量Q压头h序号Hz(MPa)(MPa)(mYh)(m)1500.0180.03710.106.042480.0180.0369.945.933460.0170.0359.745.734440.0160.0349.455.535420.0150.0329.145.226400.0130.038.744.817380.0120.0268.324.308360.010.0257.903.999340.0080.02257.463.5310320.00790.027.023.2611300.0060.0196.582.9712250.0040.0155.472.35132000.0154.331.941415003.170.411510001.970.41（三）、曲线图10.00000（三）、曲线图10.000001.00000A0.100000.0100030100.000)

%(n90.00080.00070.00060.00050.00040.00030.00020.00010.0000.0001.002.00 3.00007.00 8.00 9.00 10.000.00Q0(m3/h)31流实验四传热综合实验（换热设备1）1、实验目的.通过对空气一水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数弓的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARenPr0.4中常数A、m的值。.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气一水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRen中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0,了解强化传热的基本理论和基本方式。2、实验内容实验2-1,光滑管32

①测定5~6个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数网②%的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ArenPro.4中常数A、m的值。实验2-2,粗糙管①测定5~6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数出③出的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRen中常数B、m的值。④一流量下，按实验一所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。3、实验原理实验2-1普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定1.对流传热系数阻,的测定对流传热系数内可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定(4-1)式中：出一管内流体对流传热系数，W/(m2℃)；Q—管内传热速率，W；‘ i 'S—管内换热面积，m2；&魏3一对数平均温差，。℃。i对数平均温差由下式确定：Qw-a-3-如=1113TG3-%) (4-2)式中：£1,ti2—冷流体的入口、出口温度，℃;tw一壁面平均温度，。℃。因为传热管为紫铜管，其导热系数很大，而管壁又薄，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：4=血Ji (4-3)式中：Q—内管管内径，m;」一传热管测量段的实际长度，m。33

由热量衡算式:Q=吒%•也2F)由热量衡算式:Q=吒%•也2F)(4-4)其中质量流量由下式求得:(4-5)式中：V—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h;icpi—冷流体的定压比热，kJ/(kg℃)；Pi—冷流体的密度，kg/m3。l-jcpi和Pj可根据定性温度tm查得， 上为冷流体进出口平均温度。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(4-6)肛其中： 4， 占， %物性数据入I、cpi、PI、匕可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数P1变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：(4-7)叫=AReJPt■厂(4-7)这样通过实验确定不同流量下的Rei与瓶)然后用线性回归方法确定A和m的值。实验2-2、强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定强化传热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。3434图4-1螺旋线圈强化管内部结构螺旋线圈的结构图如图2-1所示，螺旋线圈由直径1mm钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，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的比值为技术参数，且节距与管内径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为丽=BR巳㈱的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。在本实验中，采用实验2-1中的实验方法确定不同流量下的Re与因4，用线性回归' i方法可确定B和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：岫/加口，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比郎”脑口>1,而且它的值越大，强化效果越好。需要说明的是，如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必须考虑阻力因素，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。4、实验装置.验流程图及基本结构参数：如图4-2所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5kW螺旋形电加热器，用200伏电压加热（可由固态调压器调节）。空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。装置结构参数表4-1所示。35

图4-2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图普通套管换热器；2—内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3—蒸汽发生器；4—旋涡气泵；5一旁路调节阀；6一孔板流量计；7、8、9—空气支路控制阀；10、11—蒸汽支路控制阀；12、13—蒸汽放空口；14一传热系数分布实验套盒(本实验不用)；15一紫铜管；16—加水口；17一放水口；18—液位计；19一热点偶温度测量实验测试点接口(本实验不用)表4-1实验装置结构参数实验内管内径di(mm)20.00实验内管外径do(mm)22.0实验外管内径Di(mm)50实验外管外径Do(mm)57.0强化管内插物(螺丝径h(mm)1旋线圈)尺寸节距H(mm)40(紫铜内管)测量段长度l(m)1.0036

加热釜操作电压W2。。伏操作电流W1。安.实验的测量手段(1)空气流量的测量空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，其流量计算式为：(4-8)(4-9)V0口18.113*(AP)0.6203(4-8)(4-9)式中：、0-2。℃下的体积流量，m3/h;AP-孔板两端压差，Kpap-空气入口温度(及流量计处温度)下密度，kg/m3。t1由于被测管段内温度的变化，还需对体积流量进行进一步的校正:273+t273+10其中，V-实验条件(管内平均温度)下的空气流量，m3/h;t-换热器管内平均温度，。c；t「传热内管空气进口(即流量计处)温度，。℃。(2)温度的测量(1)空气入传热管测量段前的温度t1(℃)由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。(2)空气出传热管测量段时的温度t2(℃)由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。(3)管外壁面平均温度tw(℃)由数字式毫伏计测出与其对应的热电势E(mv),热电偶是由铜一康铜组成)，再由E根据公式:tw(℃)=1.2705+23.518XE(mv)计算得到。.电加热釜37是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升（加水至液位计的上端红线），内装有一支2.5kw的螺旋形电热器，当水温为30℃时，用200伏电压加热，约25分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用，建议最高加热（使用）电压不超过200伏（由固态调压器调节）。.气源（鼓风机）又称旋涡气泵，XGB—2型，由无锡市仪表二厂生产，电机功率约0.75KW（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。.稳定时间是指在外管内充满饱和蒸汽，并在不凝气排出口有适量的汽（气）排出，空气流量调节好后，过15分钟，空气出口的温度t2（℃）可基本稳定。5、实验方法及步骤.实验前的准备，检查工作.（1）向电加热釜加水至液位计上端红线处。（2）向冰水保温瓶中加入适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。（3）检查空气流量旁路调节阀是否全开。（4）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。（5）接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。.实验开始.人工实验操作⑴合上电源总开关。⑵打开加热电源开关，设定加热电压（不得大于200丫），直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。实验装置面板图38⑶启动风机并用放空阀调节流量，在一定的流量下稳定5—10分钟后分别测量空气的流量，空气进，处口的温度，由温度显示仪和切换开关（0-光滑管空气入口温度；1-光滑管空气出口温度；2-粗糙管空气入口温度；3-粗糙管空气出口温度；4-加热器内温度），换热器内管壁面的温度由毫伏显示仪和切换开关（0-光滑管壁面热电势；1-粗糙管壁面热电势）测得。然后，在改变流量稳定后分别测量空气的流量，空气进，处口的温度，壁面温度后继续实验。（4）实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。6、注意事项.由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电偶的冷端，是否全部浸没在冰水混合物中。.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。.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，两蒸汽支路控制阀（见图2-2所示）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，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。.保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图4-2所示）必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。.调节流量后，应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。.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。.报告内容.光滑管的操作步骤、原始数据表、数据结果表（换热量、传热系数、各准数以及重要的中间计算结果）、准数关联式的回归过程、结果与具体的回归方差分析，并以其中一组数据的计算举例。.粗糙管的操作步骤、原始数据表、数据整理表（换热量、传热系数、各准数、Nu0和强化比，还包括重要的中间计算结果）、准数关联式的回归结果。.在同一双对数坐标系中绘制光滑管和粗糙管的Nu~Re的关系图。.对实验结果进行分析与讨论。3940(换热设备2)一、实验目的：.通过对空气一水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数a.的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气一水蒸气强化套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数a.的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。.学会并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。.由实验数据及关联式Nu=ARemPro.4计算出Nu、Nu0，求出强化比Nu/Nu。，加深理解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验内容：.测定5-6组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数a.测定5-6组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数aJ.对a的实验数据进行线性回归，确定关联式Nu=ARemPro.4中常数A、m的数值。..通过关联式Nu=ARemPro.4计算出Nu、Nu，并确定传热强化比Nu/Nu。00三、实验原理：.普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定：(1)对流传热系数a.的测定：对流传热系数a,可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定。因为a.<<ao，所以传热管内的对流传热系数a产K,K(W/m2•℃)为热冷流体间的总传热系数，且K=Q/(Atxs)所以：a»——Q—— (1)mi iAtXS式中：a—管内流体对流传热系数，W/(m2℃)；Q—管内传热速率，W；i ISj—管内换热面积，m2；Atmj一管内平均温度差，。℃。41平均温度差由下式确定：At.=t—t(2)式中：t—冷流体的入口、出口平均温度，匕；t一壁面平均温度，。C；m w因为换热器内管为紫铜管，导热系数大，且管壁薄，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，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于热流体的平均温度。管内换热面积： S.=nd.L. (3)式中：Q—内管管内径，m；1一传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式： Q.=Wcpi(t.2-t11) (4)…VP其中质量流量由下式求得：W二小- (5)3600式中：V—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h;ic—冷流体的定压比热，kJ/(kg•℃);P—冷流体的密度，kg/m3。pi ic和P可根据定性温度t查得，t=ti1+t2,2为冷流体进出口平均温度。pi । m m 2t”，ti2,tw,Vi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:Nu=ARemPrn.

i ii(6)其中:Nuiudp cRRe=-iii- -Pr=—pi iiR，i九ii物性数据入i、,、Pi、Ui可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为:Nu=ARemPr0.4

i ii(7)这样通过实验确定不同流量下Rei与Nu,,然后用线性回归方法确定A和m的值。422.强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定:强化传热技术，可以使初设计的传热面积减小，从而减小换热器的体积和重量，提高了现有换热器的换热能力，达到强化传热的目的。同时换热器能够在较低温差下工作，减少了换热器工作阻力，以减少动力消耗，更合理有效地利用能源。强化传热的方法有多种，本实验装置采用了多种强化方式，具体见下表。其中螺旋线圈的结构图如图一所示，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的比值以及管壁粗糙度（2d/h）为主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。实验研究总结了形式为NuARem的经验公式，其中A和m的值因强化方式不同而不同。在本实验中，确定不同流量下的Rei与Nu,，用线性回归方法可确定B和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：Nu/Nu0，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比Nu/Nu0>1，而且它的值越大，强化效果越好。需要说明的是，如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必须考虑阻力因素，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。43

四、实验装置的基本情况:1.实验装置流程示意图（如图二所示）:图二传热综合实验装置流程图1-光滑管空气进口阀；2-光滑管空气进口温度；3-光滑管蒸汽出口；4-光滑套管换热器;5-光滑管空气出口温度；6-强化管空气进口阀；7-强化管空气进口温度；8-强化管蒸汽出口；9-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；10-光滑套管蒸汽进口阀；12-孔板流量计；13-强化套管蒸汽进口阀；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵；16-储水罐17-液位计；18-蒸汽发生器；19-排水阀；20-散热器；其中2，5，7，11，12为测试点44

.实验设备主要技术参数（如表一所示）:表一实验装置结构参数实验内管内径di（mm）20.00实验内管外径do（mm）22.0实验外管内径Di（mm）50实验外管外径Do（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度L（m）1.20强化内管内插物丝径h（mm）1（螺旋线圈）尺寸节距H（mm）40孔板流量计孔流系数及孔径c0=0.65、d0=0.017m旋涡气泵XGB—12型加热釜操作电压W200伏操作电流W10安.实验装置面板图（如图三所示）:图三传热过程综合实验面板图45五、实验操作步骤：1.实验前的检查准备①向水箱16中加水至液位计上端。②检查空气流量旁路调节阀14是否全开（应全开）。③检查蒸气管支路各控制阀10、13和空气支路控制阀1、6是否已打开（应保证有一路是开启状态），保证蒸汽和空气管线畅通。④合上电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。加热系统处于完好状态。2.开始实验①合上电源总开关。打开加热开关,设定加热电压（不得大于200V）,直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器蒸汽放空口3或8处有水蒸气冒出，经过风冷散热器20将水蒸气冷凝下来，并流回到水箱17中循环使用。加热电压的设定：按一下加热电压控制仪表的④键，在仪表的SV显示窗中右下方出现一闪烁的小点，每按一次®键，小点便向左移动一位，小点在哪个位子上就可以利用®、◎键调节相应位子的数值，调好后在不按动仪表上任何按键的情况下30秒后仪表自动确认，并按所设定的数值应用。②合上面板上风机开关启动风机并用旁路调节阀14来调节空气的流量，在一定的流量下稳定3—5分钟后分别测量空气的流量，空气进、出口的温度，由温度巡检仪测量（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入口温度；4-粗糙管空气出口温度），换热器内管壁面的温度由温度巡检仪（上-光滑管壁面温度；下-粗糙管壁面温度）测得。然后，在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进，出口的温度，壁面温度后继续实验。③实验结束后，依次关闭加热、风机和总电源。一切复原。六、实验注意事项：.实验前将加热器内的水要加到指定位置，防止电热器干烧损坏电器。特别是每次实验结束后，进行下次实验之前，一定检查水位，及时补充。46

.计算机数据采集和过程控制实验时应严格按照计算机使用规程操作计算机采集数据和控制过程中要注意观察实验现象。.开始加热时，加热电压控制在(160V)左右为宜。.加热约十分钟后，可提前启动鼓风机，保证实验开始时空气入口温度t1(℃)比较稳定，可节省实验时间。.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，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。转换支路时，应先开启需要的支路阀门，再关闭另一侧阀门，且开启和关闭控制阀门时动作要缓慢，防止管线骤然截断使蒸汽压力过大而突然喷出。.保证空气管线畅通，即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。转换支路时，应先关闭风机电源然后再开启或关闭控制阀。.注意电源线的相线、零线、地线不能接错。七、实验数据记录及数据处理过程举例：1.实验数据的计算过程简介(以光滑管第一组数据为例)。孔板流量计压差AP=0.9Kpa壁面温度Tw=99.4℃。进口温度t1=14.4℃出口温度t2=63.5℃①传热管内径d(mm)及流通断面积F(m2)：di=20.0(mm),=0.0200(m);F=n(d2)/4=3.142X(0.0200)2/4=0.0003142(m2).i传热管有效长度L(m)及传热面积si(m2)： L=1.200(m)s=nLdj=3.142X1.200X0.0200=0.075394(m2).②传热管测量段上空气平均物性常数的确定.先算出测量段上空气的定性温度t(℃)为简化计算,取t值为空气进口温度t1(℃)及出口温度t2(℃)的平均值：_t,_t,+1\―12214.4+63.52=38.95(℃)据此查得：测量段上空气的平均密度p=1.23(Kg/m3)；47

测量段上空气的平均比热Cp=1005(J/Kg-K);测量段上空气的平均导热系数入=0.0274(W/m-K);测量段上空气的平均粘度u=1.91X(Pa-$)；③传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为：Pm.4=0.86④空气流过测量段上平均体积V(m3/h)的计算：孔板流量计体积流量:1孔板流量计体积流量:110 0■2x■2x0.9x1000

=0.65*3.14*0.0172*3600/4*J =13.97(ma/h)1.23传热管内平均体积流量V：m273+1x273+1x 273+1=13.97x273+38.95273+14.4=15.16(m3/h)(m/s)℃)(m/s)℃)⑤平均流速u：u=V/(Fx3600)=15.16/(0.0003142x3600)=13.⑥冷热流体间的平均温度差Atm(℃)的计算：测得tw=99.4(℃)(tM)At=t—_1 j=99.4—38.95=60.45(小)mw2 (℃)⑦其他项计算：VxpxCp.xAt)传热速率(W)Q= 1t 360015.16x1.14x1005x(63.5-14.4)= 3600 =237(W)a=Q/(AtxS)=237/(60.45x0.07539)=52 (W/m2i mi传热准数Nu=axd/X=52x0.0200/0.0274=3848测量段上空气的平均流速：U=12.98（m/s）雷诺准数Re=dxuxp/^=0.0200x12.98x1.14/0.0000191二15571⑧作图、回归得到准数关联式Nu=ARemPr0.4中的系数。Nu=0.0185Re0.8022Pr0.4⑨重复步骤（1）-（8），处理强化管的实验数据。作图回归得到准数关联式Nu=BRem中的系虬N”0-0309Re07884pr0.4表二、实验装置1数据记录及整理表（普通管换热器）No.1234567流量（Kpa）0.91.52.12.633.354.215.63t(℃) 1 14.415.616.218.520.924.130.3Pt1(Kg/m3)1.231.221.221.211.201.191.17t2(℃)63.562.361.461.66262.865.1Tw(℃)99.499.499.399.299.299.299.2tm(℃)38.9538.9538.8040.0541.4543.4547.70Ptm(kg/m3)1.141.141.141.141.131.131.11入tmX1002.742.742.742.752.76