环境工程原理试验

实验一柏努利实验一、实验目的1、通过实测静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和柏努利方程。2、通过实测流速的变化和与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。二、基本原理流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以互相转换。在没有摩擦损失且不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过各截面上的机械能总和是相等的。在有摩擦而没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。流体静压能可用测压管中液柱的高度来表示，取流动系统中的任意两测试点，列柏努利方程式：Zg+4+P=Zg+纥+4+zh2P26 2pf对于水平管，z『Z2,则 <+p=纥+p+zhp2pf若u1=u2,则P2<Pj在不考虑阻力损失的情况下，即2hf=0时，若u1=u2,则P2=P1。若u1>u2,p1Vp2；在静止状态下，即u1=u2=0时，P]=p2。三、实验装置及仪器装置由一个液面高度保持不变的水箱，与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验管路上取有不同的测压点由玻璃管连接。水的流量由出口阀门调节，出口阀关闭时流体静止。四、实验步骤及思考题关闭出口阀7,打开阀门3、5,排出系统中空气；然后关闭阀7、3、5,观察并记录各测压管中的液压高度。思考：所有测压管中的液柱高度是否在同一标高上？应否在同一标高上？为什么？将阀7、3半开，观察并记录各个测压管的高度，并思考：（1）A、E两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？（2）B、D两管中，C、D两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？将阀全开，观察并记录各测压管的高度，并思考：各测压管内液位高度是否变化？为什么变化？这一现象说明了什么？五、实验数据记录实验二流体流型的观察与测定一、实验目的1、观察流体在管内流动的两种不同型态，加强层流和湍流两种流动类型的感性认识;2、掌握雷诺准数Re的测定与计算；3、测定临界雷诺数。二、基本原理雷诺（Reynolds）用实验方法研究流体流动时，发现影响流动类型的因素除流速u外，还有管径（或当量管径）d，流体的密度p及粘度p，由此四个物理量组成的无因次数群Re的值是判定流体流动类型的一个标准。Re=誓 （1-1）Re<2000〜2300时为层流，Re>4000时为湍流，2000<Re<4000时为过渡区，在此区间流型可能表现为流层，也可能表现为湍流。从雷诺数的定义式来看对同一个仪器d为定值，故u仅为流量的函数。对于流体水来说,p、p几乎仅为温度的函数。因此确定了水的温度及流量，即可计算雷诺数。注意：雷诺实验要求减少外界干扰，严格要求时应在有避免震动设施的房间内进行。如果条件不具备，演示实验也可以在一般房间内进行。因为外界干扰及管子粗细不均匀等原因，层流的雷诺数上界达不到2000,只能达到1600左右。层流时红墨水成一线流下，不与水相混。湍流时红墨水与水混旋，分不出界限。三、实验装置及仪器玻璃

试验管出水阀试验装置如图1-1所示，液面保持一定高度的水箱与玻璃测试管相连，水箱上放有颜色水瓶，测试管上安有带针头的胶塞，用出口阀调节流量，用转子流量计测定流 进水玻璃

试验管出水阀量。试验时水由高位水箱进入玻璃管，槽内水由进水管供应，槽内设有进水稳流装置及溢流箱用以维持平稳而又稳定的液面，多余之水由溢流管排入水沟。图1-1雷诺实验装置四、实验步骤1、检查针头是否堵塞，颜色水是否沉淀。2、向水箱内注水。3、打开出口阀，排除实验管中的气体。4、开启上水阀，使高位槽充水至产生溢流时关闭（若条件许可，此步骤可在实验前数小时进行，以使高位槽中的水经过静置，消除旋流，提高实验的准确度）。5、开颜色水阀，使颜色水由针头注入玻璃试验管。6、逐步开大排水阀，观察不同雷诺数时的流动状况，并把现象记入表中。7、做两种情况下的对比实验：（1）关闭高位槽的进水阀，保持液面平静，从观察的玻璃管中，测取管中水流从层流转变为湍流时的Re临界值。注意，此时液面虽平静，但液面的高度是在缓慢下降的。（2）开启高位槽的进水阀以保持槽中液面高度不变，但此时液面是不平而有波动的，测取此时的Re临界值，并分析和比较两种情况下的实验结果。8、观察层流时流体质点的速度分布。层流时，由于流体与管壁间的摩擦力及流体内摩擦力的作用，管中心处流体质点速度最大，愈靠近管壁速度愈小。因此，静止时处于同一横截面的流体质点，开始层流流动后，由于速度不同，组成了旋转抛物面（即由抛物线绕其对称轴旋转形成的曲面）。先打开红墨水阀门，使红墨水扩散为团状。再稍稍开启排水阀，使红墨水缓慢随水运动，则可观察到红墨水团前端的界限，形成了旋转抛物面。五、思考题1、影响流动形态的因素有哪些？2、如果管子是不透明的，不能直接观察管中的流动形态，你可以用什么办法来判断流体在管中的流动形态？3、有人说可以只用流速来判断管子中的流动形态，流速低于某一个具体数时是层流，否则是湍流，这种看法对吗？在什么条件下可以只由流速来判断流动形态？4、研究流动形态有何意义？实验三流体流动阻力的测定一、实验目的1、测定水流过一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力损失Apf，确定层流时摩擦阻力系数丸和雷诺准数Re之间的关系；2、测定水流过管件、阀门等的局部阻力损失，确定其局部阻力系数。；3、熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工程意义；4、学会U形压差计、转子流量计的使用方法，了解涡轮流量计、差压变送器、变频器等的工作原理；5、识别组成管路中的各个管件、阀门并了解其作用。二、实验原理由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，从而导致阻力损失。层流时阻力损失的计算式是由理论推导得到的;湍流时由于情况复杂得多，未能得出理论式，但可以通过因次分析法再结合实验研究，获得具体的关联式。实验研究发现，影响湍流时直管阻力损失Apf的因素有：流体性质：密度p和粘度〃；管路特性：管径d、管长l和管壁粗糙度£；操作条件：流速u；根据因次分析法，Apf可以表示成上述诸多影响因素的关系式：组合成四个无因次数群:若实验设备已定，（2-2）式可写为:组合成四个无因次数群:若实验设备已定，（2-2）式可写为:7Np £、lu2h=/-=9(Re,-)-T--7

fp dd2(2-1)(2-2)(2-3)若实验设备是水平直管，Apf=/p，即阻力损失表现为压力降，（2-3）式可写为:(2-4)所以:hf即：所以:hf即：(2-5)(2-6)式中力为直管的摩擦阻力系数。由（2-6）式可知，丸与流体流动的雷诺数Re及管壁的相对粗糙度£/d有关。若流体为

层流流动时，直管的摩擦阻力系数为:「64(2-7)人(2-7)Re若装置已经确立，物系也已确定，那么么只随Re而变，实验操作变量仅有流量，改变阀门的开度可以达到改变流速u的目的，因此在管路中需要安装一个流量计；在直径为d、长度为l的水平直管上，引出二个测压点，并接上一个压差计，可以用压差变送器或液柱压差计测量压差Ap（注：压差变送器是将压差转换成电信号再用仪表显示，液柱压差计是将压差以液柱高度表示的，若为U形管压差计计算公式为：Ap——（p指示-p液体）gR。若为倒U型管压差计，计算公式请自行推导）；实验体系确定后，p、〃是物性参数，它们只取决于实验温度，所以，在实验装置中需要安装测流体的温度计；再配上水槽、泵、管件等组建成循环管路，实验装置流程见图2-1。局部阻力损失通常有两种表示方法：当量长度法和阻力系数法。由阻力系数法：(2-8)Auu2Papp-(2-8)测定通过某局部（弯头、管件、阀门等）的前后压差Ap（=Apf）和通过此局部的平均流速u，由（2-7）式计算其局部阻力系数Z。三、实验流程图和实验步骤（1）手动阻力实验装置a、实验流程图（图2-1）

1-光滑管，2-粗糙管，3-层流管，4-离心泵管

图2-1流体流动阻力实验流程图实验装置参数见下表装置1名称材质管内径（mm）测量段长度（cm）管路号管内径局部阻力大小头不锈钢管32.0闸阀镀锌铁管32.0湍流光滑管不锈钢管121.5200粗糙管镀锌铁管220.5200层流铜管36140装置2名称材质管内径（mm）测量段长度（cm）管路号管内径局部阻力90°弯头镀锌铁管32.0闸阀镀锌铁管32.0湍流光滑管不锈钢管121.5200粗糙管镀锌铁管220.5200层流铜管36140b、实验步骤1、泵的启动：关闭控制阀，关闭光滑管和粗糙管引压阀，引水灌泵，启动泵。2、系统排气（1）总管排气：同时打开光滑管和粗糙管的切换阀，先将控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的大部分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复二遍。（2）引压管及压差计排气：每次测直管阻力或测局部阻力时，打开相应的引压阀，再打开差压变送器上的平衡阀和相应的引压管放气阀，开、关重复三次。注意：检验排气是否彻底是将控制阀开至最大，再关至为零，看压差变送器计读数，若前后读数相等，则判断系统排气彻底；若前后读数不等，则重复上述2步骤。3、湍流时直管阻力的测定：由于Re在充分湍流区时，入〜Re的关系曲线处在双对数座标的密集区，所以在大流量时少布点;而Re在比较小时，入〜Re的关系是曲线，所以小流量时多布点。先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读数F大，然后关至压差显示值约0.3kPa时，再读取流量显示仪读数F小在F小和F大二个读数之间布14〜16个点。4、八局部阻力和层流阻力的测定：切换引压阀，测定相应局部阻力。关闭总管控制阀，打开转子流量计，排除空气，测定层流阻力。5、停泵：关闭出口阀，停止水泵电机。上机处理数据。

c、实验数据记录*流量L/s（湍流）或（L/h）（层流）光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa层流mmH夕压差压差压差*右压差（2）自动控制阻力实验装置a、实验流程图（图2-2）自动测量阻力实验装置具有在线操作功能。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，自上而下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使用内壁较粗糙的镀锌管。

实验四传热系数的测定一、实验目的1、通过实验掌握总传热系数K和传热膜系数a的测定方法；2、通过实验提高对a关联式的理解，了解工程上强化传热的措施；3、测定流体在圆形直管内作强制湍流时的传热准数方程式。二、基本原理.总传热系数的测定根据传热速率方程式：Q=KAAtm (5—1)(5—2)如果实验设备保温良好，(5—2)Q(5(5—3)K二(5—4)(5—4)lnmln-流体的密度，m-流体的密度，m3/kg流体的体积流量,m3/s-流体的恒压热容，J/kg.K——冷流体的进、出口温度，KK——传热系数，W/m2.KQv——

CP--Qv——

CP--t.、tQ——传热量,WTs——水蒸气的温度，KAt——传热对数平均温度差m.传热膜系数的测定流体与壁面的对流传热可由牛顿冷却定律表示Q=aA(Tw—t) (5—5)A——传热面积(内管外表面积)，m2Tw——传热管的外壁面平均温度，Ka——对流传热系数，W/m2.K在实验中只要已知管壁的平均温度和流体的平均温度t,即可计算出传热膜系数a的值。.传热准数方程的测定当流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热准数关联式为：

(5—6)(5—6)其中al对于同一物系的实验，当控制换热器冷流体的进出口温度基本保持不变时，Prn也可以视为常数，因此有Nu/'d=CRm （5—7）/Pn er这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程：lg生^=lgC+mlgRe （5—8）Prn在双对数坐标系中作图，直线斜率即为方程的指数m,由纵轴上的截距即可求得C。可得出流体在圆形直管内作强制湍流的Dittus—Boeiter关联式N=0.02R0.8Pn （5—9）u er式中n=0.4（流体被加热）n=0.3（流体被冷却）三、实验装置本实验中的换热器为套管式，内管为024X2mm的铜管，有效管长1000mm。实验装置如图5.1所示。实验选用空气为冷流体，水蒸汽为热流体。空气来自鼓风机，经转子流量计测量流量、温度计测量温度后，进入换热器管程，换热后在出口处测量其出口温度。水蒸汽来自蒸汽发生器，经蒸汽调节阀调节至一定压力后进入换热器的壳程，并在入口处测量其压力，与冷空气换热后冷凝水经疏水阀排至地沟。图5.1传热系数测定装置1、电加热锅炉，2、气泵，3、气体缓冲罐，4转子流量计，5、套管

换热器，6、压力表、7、温度计，8、疏水阀四、实验步骤1、开启空气压缩机，使气体充满压缩空气罐，并用调节阀将气量调节至实验范围内；2、缓慢开启蒸汽调节阀，用旁路排出蒸汽管道内积存的冷凝水，用放气阀排尽夹套内的空气；3、缓慢地调节蒸汽阀，使蒸汽压力维持在实验值，稳定一段时间后读取水蒸气压力表读数、气量以及气体的进出口温度；4、改变空气流量和水蒸气压力，测定4〜5组数据。调节蒸汽阀的过程中，注意仪表的滞后性，待过程稳定后方可记录数据。五、数据处理1、原始数据记录表装置编号序号热流体冷流体壁温Tw/℃温度/℃P压力/MPaT温度/℃流L量L/h，进1出1234六、思考题.本实验中冷流体和蒸汽的流向对传热效果有什么影响？.为什么实验开始时必须首先排尽夹套里的不凝性气体以及积存的冷凝水?.实验中铜管壁面温度是接近水蒸气温度还是接近空气的温度？为什么？.在实验中，有哪些因数影响实验的稳定性？.影响传热系数K的因数有哪些？如何强化该传热过程？.在传热中，有哪些工程因数可以调动？你在操作中主要调动哪些因数？实验五填料吸收塔流体力学性能的测定一.实验目的了解填料吸收塔的结构和基本流程；了解填料吸收塔的操作方法；测定空塔气速、喷淋密度与操作压降间的关系。二、实验原理填料塔的流体力学性能主要包括气体通过填料层的压降、液泛气速、持液量及气液两种流体的分布等，本实验将测定不同喷淋密度下通过填料层的压降与空塔气速间的关系，并观察填料表面的液流状态及液泛现象。三、实验装置如图6.1所示为本实验的流程，空气由风机供给，旁路阀用以调节空气流量，空气经油水分离器及转子流量计后进入塔底，从塔顶排气管排出。水经调节阀及转子流量计后从塔顶喷洒入塔，经液封管排出。气体通过填料层的压降用U型压差计测量。稳压耀风机图6.1填料塔流程图四、实验步骤.打开旁路阀，启动风机，由小到大逐渐调节空气的流量，记录干塔条件下不同空气流量时的填料层压降值，测量点。.打开进水阀以充分润湿填料，然后再调节水量至适宜值，为了保证填料的润湿，喷淋量不应少于50L/h，记录不同气速下填料层的压降值，至塔内发生液泛为止，并记录液泛点气速。改变喷淋密度，并观察压降与液泛气速的变化。

五实验数据记录序号水的流量空气流量压力降mmH2O塔内L/h流量计实际计前表压计前温度塔淀表压层压现象33六、思考题.空气流量有转子流量计测定，如何换算成实际流量?.液泛点气速与喷淋密度有何关系？为什么？实验六填料吸收塔体积传质系数的测定一、实验目的了解填料吸收塔的结构和流程；了解吸收剂进口条件的变化对吸收操作结果的影响；掌握填料吸收塔总传质系数的测定方法。二、基本原理.气相总传质系数本实验是用水逆流吸收空气-氨混合气体中的氨，因实验中所用混合气体中氨的浓度很低，吸收所得的溶液浓度也不高，气液两相的平衡关系近似认为服从亨利定律，故可用对数平均浓度差法进行计算。根据吸收速率方程，填料层高度的计算式为7GY—Yh二一B-•T——2 (7—1)KYaAYKa=GB(Y-Y2)/(hAY( (7—2)式中KYa——以AY为推动力的气相总传质系数，kmol/(h.m2)；h——填料层高度，m；GB——进塔空气的摩尔流率，kmol/h.m3；Y]、Y2——进出塔气体浓度，kmolNH3/kmol空气；△Ym——气相平均推动力AY=(A{-AY2)/(ln(AY]-AY2)) (7—3).空气流量计算实验用的转子流量计刻度是按照空气在规定条件(20℃,1atm)下标定的，因此在实际操作条件下，要根据不同的介质和实验环境对流量计的读数予以校正，换算成标准状态下的体积数。标准状态下空气的流量Vo由下式计算：(7—4)%=V*T。/P0:'P•P2/T]•T2(7—4)式中V*——实验时转子流量计的读数，m3/h；T。、P0——标准状态下空气的温度、压强，即T0=273K,P0=1013kPa;T1、P1——标定状态下空气的温度、压强，即T1=293K,P1=1013kPa;T2、P2——实验条件下空气的温度、压强，K,kPa空气的摩尔流量：(7—5)GB=V0/(22.4(7—5)式中A——塔的截面积，m2.氨气流量的计算标准状态下氨气的流量v0NH3可用下式计算:V0,NHV0,NH3'*T/PNH30 0P•P/T•T12 12(7—6)式中VNH*——实验时氨转子流量计的读数，m3/h；p——标准状态下空气的密度，即p=1.293kg/m3；pNH3——标准状态下氨气的密度，即pNH3=0.771kg/m3.进气浓度计算Y1=V0,NH3/V0 D.尾气浓度计算