化工原理实验

《化工原理实验》讲稿二0一四年二月11.雷诺实验一、实验目的1.观察层流、湍流的流态及其转化特征；2.测定临街雷诺准数，掌握圆管流动形态的判别准则；3.观察紊流（或湍流）产生过程，理解紊流产生机理。二、实验原理1.液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。当液体流速较小时，惯性力较小，粘滞力对质点起控制作用，使各流层的液体质点互不混杂，液流呈层流运动。当液体流速逐渐增大，质点惯性力也逐渐增大，粘滞力对质点的控制逐渐减弱，当流速达到一定程度时，各流层的液体形成涡体并能脱离原流层，液流质点即互相混杂，液流呈紊流运动。这种从层流到紊流的运动状态，反应了液流内部结构从量变到质变的一个变化过程。2.当初始状态流速较大时，从紊流到层流的过渡流速为下临界流速，对应的雷诺准数为下临界雷诺数，反之为上临界流速和上临界雷诺数。udRe（1）式中d——导管直径，m；——流体密度，kg·m3；——流体粘度，Pa·s；u——流体流速，m·s1；大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。三、实验装置(雷诺实验仪CEA—F01型)雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示。自来水不断注入并稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。2图1雷诺实验装置及流程1.示踪剂瓶；2.稳压溢流水槽；3.试验导管；4.转子流量计；V01.示踪剂调节阀；V02.上水调节阀；V03.水流量调节阀；V04，V05－泄水阀；V06－放风阀。四、实验方法实验前准备工作：（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流水槽。将适量示踪剂（红墨水）加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与计头之间管路内的空气。（2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。（3）用温度计测定水温。实验操作步骤：（1）开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证试验时具有稳定的压头。（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与试验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜。精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止。（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过试验导管的流速平稳地增大。直至试验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算临界雷诺数据。（4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。这时，导管内的流体的流型逐步由层流向湍流过渡。当流量增大到某一数据值后，示踪剂（红墨水）一进入试验导管，立即被分散呈烟雾状，这时标明流体的流型已进入湍流区域。记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。（5）以相反程序，即调节阀开度从大逐渐关小，再观察观众流动形态的变化现象，并记下水的流量和温度数据，以供计算下临界雷诺数。这样实验操作需反复进行数次（至少5－6次），以便取得较为准确的实验数据。实验操作注意事项：（1）本实验示踪剂采用红墨水，它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入试验导管。应注意适当调节注射针头的位置，使什头位于管轴线上为佳。红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。3（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性。实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。五、结果分析管内径为m.d0220六、思考题1.液体流态与哪些因素有关?为什么外界干扰会影响液体流态的变化?2.雷诺数的物理意义是什么？为什么雷诺数可以用来判别流态？3.流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？4.临界雷诺数与哪些因素有关？为什么上临界雷诺数和下临雷诺数不一样？5.如果管子不是透明的，不能直接观察来判断管中的流体流动型态，你认为可以用什么办法来判断？6.有人说可以只用流速来判断管中流体流动型态，流速低于某一具体数值时是层流，否则是湍流，你认为这种看法对否？在什么条件下可以由流速的数值来判断流动型态？7.试根据雷诺与流动演示实验，简述紊流的产生和发展机理，以及如何降低或消除阻力损失。试列举具体措施。42.离心泵实验一、实验目的1.了解离心泵的构造，掌握其操作和调节方法；2.实验测定在一定转速下泵的特性曲线；3.标定孔板流量计的孔流系数。二、实验原理离心泵主要特性参数有流量、扬程、功率和效率。这些参数不仅表征泵的性能，也是选择和正确使用泵的主要依据。1.泵的流量泵的流量即泵的送液能力，是指单位时间内泵所排出的液体体积。泵的流量可直接由一定时间t内排出液体的体积V或质量m来测定。即tVVsm3·s1（1）或ptmVsm3·s1（2）若泵的输送系统中安装有经过标定的流量计时，泵的流量也可由流量计测定。当系统中装有孔板流量计时，流量大小由压差计显示，流量sV与倒置U形管压差计读数R之间存在如下关系：gRSCVs200m3·s1（3）式中，0C——孔板流量系数；0S——孔板的锐孔面积，m2；2.泵的扬程若以泵的压出管路中装有压力表处为B截面，以及入管路中装有真空表处为A截面，并在此两截面之间列机械能衡算式，则可得出泵扬程eH的计算公式：gUUgppHHABABe2220（4）式中Bp——由压力表测得的表压强，Pa；Ap——由真空表测得的真空度，Pa；0H——A、B两个截面之间的垂直距离，m；Au——A截面处的液体流速，m·s1；Bu——B截面处的液体流速，m·s1。在单位时间内，液体从泵中实际所获得的功，即为泵的有效功率。若测得泵的流量为sVm·s1，扬程为eH，m，被输送液体的密度为gHVNesew（5）泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送液体所获得，其中部分消耗于泵内的各种能量损失。电动机所消耗的功率又大于泵轴所作出的实际功率。电机所消耗的功率可直接由输入电压U和电流I测得，即UINW（6）4.泵的总效率泵的总效率可由测得的泵有效功率和电机实际消耗功率计算得出，即NNe（7）5这时得到的泵的总效率除了泵的效率外，还包括传动效率和电机的效率。三、实验装置（实验仪CEA—F05型）图2离心泵实验仪流程图1.循环水槽；2.底阀；3.离心泵；4.真空表；5.注水槽；6.压力表；7.调节阀；8.孔板流量计；9.分流槽；10.电流表；11.调压变压器；12.电压表；13.倒置U形管压差计。本实验装置主体设备为一台单级单吸离心水泵。为了便于观察，泵壳端盖用透明材料制成。电动机直接连接半敞式叶轮。离心泵与循环水槽、分水槽和各种测量仪表构成一个测试系统。实验装置及其流程如图2所示。泵将循环水槽中的水，通过汲入导管汲入泵体的在汲入导管上端装有真空表，下端装有底阀（单向阀）。底阀的作用是当注水槽向泵体内注水时，防止水的漏出。水由泵的出口进入压出导管。压出导管沿程装有压力表、调节阀和孔板流量计。由压出导管流出的水，用转向弯管送入分流槽。分流槽分为二格，其中一格的水可流出用以计量，另一格的水可流回循环槽。根据实验内容不同可用转向弯管进行切换。四、实验方法在离心泵性能测定前，按下列步骤进行启动操作：（1）充水。打开注水槽下的阀门，将水灌入泵内。在灌水过程中，需打开调节阀，将泵内空气排除。当从透明端盖中观察到泵内已灌满水后，将注水阀门关闭。（2）启动。启动前，先确认泵出口调节阀关闭，变压器调回零点，然后合闸接通电源。缓慢调节变压器至额定电压（220V），泵即随之启动。（3）运行。泵启动后，叶轮旋转无振动和噪声，电压表、电流表、压力表和真空表指示稳定，则表明运行已经正常，即可投入实验。实验时，逐渐分步调节出口调节阀。每调定一次阀的开启度，待状况稳定后，即可进行以下测量：（1）将出水转向弯头由分水槽的回流格拨向排水格同时，用秒表计取时间，用容器取一定水量。用称量或量取体积的方法测定水的体积流率。（这时要接好循环水槽的自来水源）。（2）从压强表和真空表上读取压强和真空度的数值。（3）记取孔板流量计的压差计读数。（4）从电压表和电流表上读取电压和电流值。6实验完毕，应先将泵出口调节阀关闭，再将调压变压器调回零点，最后再切断电源。五、实验结果1.基本参数（1）离心泵流量：1.20mmLVs杨程：)(52OHmHe功率：WN120转速：1min.2800rn（2）管道吸入导管内径：1d20.8mm压出导管内径：2d20.8mmA、B两截面间垂直距离：0Hmm（3）孔板流量计锐孔直径：0d14mm导管内径：1d20.8mm2.实验数据处理3.实验结果作图与分析（1）将实验数据标绘成孔板流量计的流量标定曲线，并求取孔板流量计的孔流系数。（2）将实验数据整理结果标绘成离心泵的特性曲线。六、思考题1.根据离心泵的工作原理，分析离心泵启动前为何要灌泵，且要关闭流量调节阀？2.当由小到大改变流量时，出口压力表和入口压力表的表演读数按设么规律变化？3.你认为离心水泵的叶轮是开式还是闭式？叶轮叶片是前弯还是后弯？4.为什么离心泵的流量调节用出口调节阀最好？往复泵也这样调节行不行？5.我校西区球场地下建有生活污水处理厂，计划日处理量为100吨，处理过程的某一道工序试将污水打入距离泵10米高的曝气池中，请问如何选择一款合适的泵盖和输送管道？73.传热实验一、实验目的1.通过对简单套管换热器的实验，掌握对流传热i的测定方法；2.应用线性回归分析方法，确定关联式mReANu中的常数A、m值。二、实验原理冷热流体通过固体壁所进行的热交换过程，先由热流体把热量仁慈给固体壁面，然后由固体壁面的一侧传向另一侧，最后再由壁面把热量传给冷流体。换言之，热交换过程即为给热——导热——给热三个串联过程组成。若热流体在套管热交换器的管内流过，而冷流体在管外流过，设备两端测试点上的温度如图1所示。1.传热系数i的测定则在单位时间内热流体向冷流体仁慈的热量，可由热流体的热量衡算方式来表示：图1套管热交换器两端测试点的温度21TTCmQpaJ·s1（1）就整个热交换而言，由传热速率基本方程经过数学处理，可得计算式为：mTKAQJ·s1（2）式中：Q——传热速率，J·s1或W；am——热流体的质量流率，kg·s1；pC——热流体的平均比热容，是J·kg1·K1；T——热流体的温度，K；T——冷流体的温度，K；wT——固体壁面温度，K；K——传热总系数，W·m2·K1A——热交换面积，m2；mT——两流体间的平均温度差，K。（符号下标1和2分别表示热交换器两端的数值）若1T和2T分别为热交换器两端冷热流体之间的温度差，即111TTT（3）；222TTT（4）。则平均温度差可按下式计算：当221TT时，2121lnTTTTTm（5）；当221TT时，2121lnTTTTTm（6）。由（1）和（2）两式联立求解，可得传热总系数的计算式：mpsTATTCmK21（7）就固体壁面两侧的给热过程来说，给热速率基本方程为8TTAQTTAQ21（8）根据热交换两端的边界条件，经数学推导，同理可得管内给热过程的给热速率计算式wwTQQ1（9）式中：1