化工原理实验教程 环境工程专业用

化工原理实验教程

（环境工程专业用）

合肥工业大学

2010年10月

前B

化工原理是一门工程应用科学，它利用自然科学的原理来考察、研究化工单元操作中的

实际问题，研究强化过程的方法，寻找开发新技术的途经。化工原理课程要求理论联系实际,

其发展离不开实验研究与数学模型分析，所以化工原理实验是化工原理课程的一个重要教学

环节，也是化工、制药、环境、食品、生物工程等院系或专业教学计划中的i门必修课程，

属于工程实验范畴，与一股化学实验相比，其不同之处在于它具有工程特点，每个实验项目

都相当于化工生产中的一个单元操作，通过实验能建立起一定的工程概念，同时，随着实验

课的进行，会遇到大量的工程实际问题，对理工科学生来说，可以在实验过程中更实际、更

有效地学到更多工程实验方面的原理及测试手段，发现复杂的真实设备与工艺过程同推述这

一过程的数学模型之间的关系，也可以认识到对于一个看起来似乎很任杂的过程，一经了解,

可以只用最基本的原理来辞释和描述,因此，在实验课的全过程中，学生在思维方法和创新

能力方面都得到培养和提高，为今后的工作打下坚实的基础。通过教学实验，达到以下目的:

1.验证化工单元操作的基本理论与经验公式，将书本知识转变为感性知识，并使学生在

运用理论对实验进行分析的过程中巩固和加深对课程教学内容的理解。

2.通过实验环节熟悉化工单元操作设备的结构、性能，掌握测试方法，培养学生的实际

操作技能。

3.在实验环节中学习如何根据实验任务制订实验方案，学会如何控制和测量操作参数，

如何获得准确、完整的数据，以及如何整理、分析实验数据与结果，从而使学生掌握科学实

验的全过程，提高学生独立分析与解决问题的能力，为今后从事科学研究活动打下良好的基

础。

为此，根据化工原理课程教学基本要求的规定，我室建立了“流体流动阻力的测定”等十

种实验装置.，以及“机械能转化”等演示实验装置.，各套实验数据均采用计算机处理，可直接

得到实验结果与图表，以直观地验证实验过程的准确性。由于各专业教学要求有所不同，实

验内容也可有不同，但至少要选做五至七个实验，即使同一个实验，其具体的实验任务也可

有所侧重，每个实验的全过程包括预习、实验操作、实验数据处理与实验报告编写等四个环

节，每个学生均必须严格按照要求保质保量完成实验。

本实验教程由魏凤玉、刘雪霆、何兵、路绪旺等编写，由于时间仓促，作者水平有限，

文中不妥之处，恳请指正，

2010年10月于理化楼

第二篇演示型实验

实验二柏努利实验（昇华楼505）

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

流动的流体具有二•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：

2居+f+二=2送+苧+区+£万/

2P2P

对于水平管，Z,=Z2,则左+且=或+正+，/?

2夕2。乙/

若川=叱则P2〈P|；在不考虑阻力损失的情况下，即Ehf=0时,若U尸也则P2=Pl。

若U|>U2,P1〈P2；在静止状态下,即Ul=U2=0时,pl=P2o

三、实验装置及仪器

3

1.水箱2.磁力泵3.进水阀4.转子流量计5.角阀

6.文丘里管7.出水阀&B,C,D,E-测压管

图2-2伯努利实验装置图

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

1、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？

2、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fl么？

3、将阀全开，观察井记录各测压管的高度，开思考：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？

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第三篇验证型实验

实验三离心泵特性曲线的测定（昇华楼505）

一、实验目的

i.熟悉离心泵的操作，了解离心泵的结构和特性，掌握实验组织方法。

2.掌握离心泵特性曲线的测定方法。

3.掌握离心泵的流量调节方法，了解电动调节阀、变频器、差压变送器等的工作原理。

二、基本原理

对一定类型的泵来说，泵的特性曲线主要是指在一定转速下，泵的扬程（〃）、轴功率

（P）和效率（〃）与流量（碘）之间的关系。由于离心泵的结构和流体本身的非理想性以及

流体在流动过程中的种种阻力损失，至今为止，还难以推出扬程的纯理论计算式。因此，

一般采用实验的方法测定扬程，即泵的特性曲线由实验测得。

对图3-1所示的系统，分别取泵的进出口为1-1截面与2・2截面，建立机械能衡算式:

2+zi+公+H二-

+Z2+(3-1)

Pa2gg2?

22

・・.H=&-+.+二上（3-2）

paPs222g

式中：ho—表水泵出口和进口间的位差，m；

p一流体密度，kg/m3；

g—重力加速度m/s2；

〃八P2—分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa；

〃八U2—分别为泵进、出口的流速，m/s；

从式（3-2）可见，计算出泵进出管路上的压差、位差和速度差，就可计算出泵提供给液体

的扬程。按照管路特性曲线和泵特性曲线的交点作为泵工作点的原理，改变管路阻力可以通

过调节阀门开度加以实现，使管路特性曲线上的工作点发生移动，再将一系列移动的工作点

的轨迹连接起来，就是泵的扬程曲线。

泵的有效功率（Pe）和效率（〃）分别由下面（3-3）和（3-4）式计算：

p广Hq、出（3-3）

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=P/P=Hq、pg}P(3-4)

其中P代表轴功率，即泵轴传递给泵的功率。

由式（3-3）和（3-4）求取的数据同样可以绘出泵的轴功率和效率曲线。

泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，

其转速会有变化，这样随着流量q、,的变化，多个实验点的转速n将有所差异，因此在绘制特

性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速N下（可取离•心泵的额定转速）的数据。换算

关系如下（比例定律）：

流量<7r,=</1—（3-5）

n

f

扬程2（3-6）

n

轴功率k=p（《）3（3-7）

n

效率〃，=之_±=也至=〃（3-8）

pP

方程式（3-2）表明，实验组织方法是：实验装置中在泵的进出口管上分别装有真空表

和压力表〃2；由温度计测晟流体温度，从而确定流体的密度〃；由功率表计显电机输入功率，

由电机效率即可计算泵的输入功率P；管路中需安装流量计，确定流体的流速〃；欲改变〃

需阀门控制（手动或自动改变阀门的开度）。

三、实验流程图和实验步骤

<1）手动离心泵实验装置（单数组）

a、实验流程图

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图3-1离心泵特性曲线测定流程示意图

实验装置流程见图3」，由低位水箱、泵进口真空表、泵、泵出口压力表、流量计、

调节阀等组成了一个循环回路。装置参数见下表3-1。

表3-1手动离心泵实验装置参数

离心泵型号P803

转速l440r.p.ni

ho0.15mm

进口管径40mm

出口管径32mm

仪表系数1.000

b、实验步骤

1、关闭引水阀、排气，启动泵。

2、实验布点：实验顺序从大到小，即将阀门开至最大时，作为第一组实验数据，共

采集12〜16组数据。实验布点服从大流量多布点，小流量少布点规则，原因是窝心泵效

率极值点出现在大流量时。前七组数据按流量显示仪读数每下降约0.2L/S布一个实验点，

以后实验数据布点约下降0.4L/S。注意：若发现流量显示仪读数达不到零，可采用将调节

阀开至最大，再快速关闭调节阀，流量显示仪读数将为零，可能此读数不久还会上升，上

升的数据不采集，以零计。此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。

3、停泵：实验结束前，关闭泵出口阀，再关闭泵的电源。

4、上机进行数据处理。

C、实验数据记录

表3-2离心泵原始数据

水温：℃

No.流量L/s真空表读数MPa压力表读数MPa功率表读数w

（2）自动离心泵实验装置（双数组）

a、实验流程图

离心泵特性曲线测定装置具有在线操作功能，流程见图3-2。装置中泵进出口管径相同

均为40cm,泵进出口测压点高度差ho=0.1Imo

b、实验步骤

I、灌泵：清洗水箱，并加装实验用水。给离心泵灌水，排出泵内气体。

2、检查电源和信号线是否与控制柜连接正确，检查各阀门开度和仪表自检情况，试开状

态下检查电机和离心泵是否正常运转。

3、数据的测定：实验时，逐渐打开调节阀以增大流量，待各仪表读数显示稳定后，读取

相应数据。（离心泵特性实验部分，主要获取实验参数为：流量％.、泵进口压力口、泵出口压

力P2、电机功率P电、泵转速n,及流体温度t和两测压点间高度差ho。）

4、停泵：测取10组左右数据后，可以停泵，同时记录下设备的相关数据（如离心泵型

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号，额定流量、扬程和功率等）。

注意事项：

1、i般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。同时注意定期对泵

进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。

2、泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部

位。

离心泵性能特性曲线测定实验

图3-2实验装置流程示意图

c、实验数据记录（表3・3离心泵原始数据）

表3-3离心泵原蛤数据

装置号：,离心泵型号=,额定流量=,额定扬程=

额定功率=,流体温度t=。

流量泵进口压力泵出口压力电机功率也泵转速

实验次数qvPn

mVhpikPapzkPakWrpm

在实验过程中，将每组实验数据对应的转速校正为泵额定转速n，=2900r/m（转每分钟）

对应下的各实腌量，并按上述比例定律,可得校正转速后的数据结果。

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四、思考题

I、测定离心泵特性曲线的意义有那些？

2、试从所测实验数据分析离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？

3、启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是

什么？

4、为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其他方法调节流

最？

5、泵启动后，出口阀如果不开，压力表和真空表读数如何变化？为什么？

6、正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？

7、试分析，用清水泵输送密度为KOOKg/m，的盐水，在相同流量下你认为泵的压力是否变

化？轴功率是否变化？

8、为什么离心泵的有效压头He随流量qv的增加而缓缓下降？

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实验五传热系数的测定（昇华楼501）

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。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

1.总传热系数的测定

根据传热速率方程式：

Q=KA\t,n(5-1)

如果实验设备保温良好.系统的热损失可忽略不计，根据热量衡算式得得热负荷Q

Q=""一。)

则

(5-3)

A△乙

(5-4)

式中：

K——传热系数，W/m2.Kp------流体的密度，m3/kg

换热器的传热面积，3

A——m2qv-----流体的体积流量,m/s

Q——传热量,WCP——流体的恒压热容，J/kg.K

Ts——水蒸气的温度，Kti、to——冷流体的进、出口温度，K

——传热对数平均温度差

2.传热膜系数的测定

流体与壁面的对流传热“J由牛顿冷却定律表示

Q=aA（Tw—t）

A——传热面积（内管外表面积），nr

Tw——传热管的外壁面平均温度，K

a——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。

3.传热准数方程的测定

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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:

Nu=CRe,nPd(5-6)

其中

11ArA

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，PP也可以

视为常数，因此有

%n=CR：（5-7）

这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程：

肪,

1g--=1g6,+/721gRe（5-8）

Pr〃

在双对数坐标系中作图，直线斜率即为方程的指数叫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

Nu=0.023凡，〃（5-9）

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（p24x2mm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，换热后在山口处测量其出口温度,水蒸汽米自蒸汽发

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、气体缓冲耀，4转子流量计，5、套管

换热器，压力表、7、温度计，3、疏水阀

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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

冷流体壁温Tw

热流体

温度/℃/℃

序号流量

P压力T温度L/h

t班t出

/MPa/r

1

2

3

4

六、思考题

1.本实验中冷流体和蒸汽的流向对传热效果有什么影响？

2.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？

3.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？

4.在实验中，有哪些因素影响实验的稳定性？

5.影响传热系数K的因素有