化工原理实验讲义分解

化工基础实验内容1、雷诺实验2、流体流动阻力测定实验3、离心泵性能测定4、强制对流下传热膜系数的测定实验一雷诺实验一、实验目的1．观察层流时圆管中流体速度分布曲线形状；2．观察层流和湍流两种流动型态，建立流动型态的感性认识；3．确立流动型态与Re之间有一定联系的概念。二、实验原理1．实践证明，当流体在圆形直管内作层流流动时，流体速度分布曲线呈抛物线形状。管中心速度最大，渐近管壁则速度渐小，管壁处速度为零，平均速度为管中心最大速度的一半。若以清水为介质，有色墨水为示踪剂，在透明的玻璃管中进行实验，便可观察到如上所述的现象。2．流体在流动过程中有两种截然不同的流动型态，即层流和湍流。它取决于流体流动时雷诺数Re值的大小。Re=du（1-1）式中：d—管子内径，mu—流体流速，m/sρ—流体密度，kg/m3μ—流体黏度，Pa·s。实验证明，流体在圆形直管内流动时，当Re＜2000时属层流；当Re≥4000时属湍流；当Re在两者之间，可能是层流，也可能是湍流，这与外界条件有关，称为不稳定的过渡区。本实验以一定温度的清水为介质，在固定的导管中流动，故d、ρ、μ均为定值，Re值只与流速u有关。通过改变水在管中的流速，便可观察到流体的流动型态及其变化，并可计算出雷诺数。三、实验装置实验装置如图所示。自来水进入高位水槽，槽内设有进水缓冲器及溢流装置用以维持槽内平稳而又恒定的液面。水由高位槽流入实验玻璃管，经流量调节阀、转子流量计后排入地沟。墨水由墨水瓶流出，沿软胶管经墨水针阀、墨水注入针注入实验玻璃管。高位水槽面板内墨水瓶计量槽转子流量计流量调节阀实验玻璃主管去排水槽缓冲器墨水针阀进水阀溢流斗墨水注入针墨水管活动摆头填料函小活接头排水槽去排水槽玻璃管填料函胶软管图1-1雷诺实验装置图四、实验操作步骤1．开启高位槽进水阀，让水进入高位槽，应注意控制进水量，使其稍大于用水量即可（此时可见溢流管有少量水流下）。如果进水量太大，液面波动严重，必然影响实验效果。2．缓慢打开流量调节阀，使水徐徐流过玻璃管，此时管内水的流速低，处于层流状态。3．稍开墨水针阀，让墨水注入玻璃管，待墨水成一条稳定的直线后，记录转子流量计的读数。4．逐渐加大水的流速，观察玻璃管内水流状态，并记录墨水线开始波动以及墨水与清水开始全部混合时的流量计读数。5．再将水量由大变小，重复以上观察，记录各转折点处的流量计读数。6.先关闭墨水针阀和流量调节阀。使玻璃管内的水停止流动。再开墨水针阀往玻璃管内注入少量墨水后关回。7.慢慢打开流量调节阀，使管内流体作层流流动，便可观察到抛物线状的速度分布曲线。五、实验记录与数据整理设备编号，管子内径mm，水温℃，水的密度kg/m3，水的黏度Pa·s项目序号流量计读数L/H流速m/s雷诺数Re流动型态实际观察由Re判断123456六、思考题1.如果管子不是透明的，无法直接观察判断管内的流动型态，则如何来判断？2.影响流体流动型态的因素有哪些？实验三离心泵特性曲线测定（数字型）一、实验目的1．了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；2．掌握离心泵特性曲线测定方法；3．了解电动调节阀的工作原理和使用方法。二、基本原理离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵的流量Q之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。1．扬程H的测定与计算取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能衡算方程：fhgugpzHgugpz2222222111（1－1）由于两截面间的管长较短，通常可忽略阻力项fh，速度平方差也很小故可忽略，则有(Hgppzz1212)210(HHH表值）（1－2）式中：120zzH，表示泵出口和进口间的位差，m；和ρ——流体密度，kg/m3；g——重力加速度m/s2；p1、p2——分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa；H1、H2——分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m；u1、u2——分别为泵进、出口的流速，m/s；z1、z2——分别为真空表、压力表的安装高度，m。由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度差，就可计算出泵的扬程。2．轴功率N的测量与计算kNN电（W）（1－3）其中，N电为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取95.0＝k。3．效率η的计算泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体经过泵时所获得的实际功，轴功率N是单位时间内泵轴从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。泵的有效功率Ne可用下式计算：gHQNe（1－4）故泵效率为%100NgHQ（1－5）4．转速改变时的换算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2900rpm）的数据。换算关系如下：流量nnQQ'（1－6）扬程2)(nnHH（1－7）轴功率3)(nnNN（1－8）效率NgQHNgHQ'（1－9）三、实验装置与流程离心泵特性曲线测定装置流程图如下：1－水箱；2－离心泵；3－温度传感器；4－泵进口压力传感器；5－灌泵口；6－泵出口压力传感器；7－涡轮流量计；8-转速传感器；9－电动调节阀；10－旁路闸阀；11－管路进水阀；图1实验装置流程示意图四、实验步骤及注意事项1．实验步骤：（1）清洗水箱，并加装实验用水。通过灌泵口给离心泵灌水，排出泵内气体。（2）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。开启离心泵之前先将管路进水阀11打开，电动调节阀9的开度开到0，当泵达到额定转速后方可逐步调节电动调节阀的开度。（3）实验时，通过组态软件或者仪表逐渐增加电动调节阀9的开度以增大流量，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。离心泵特性实验主要获取实验数据为：流量Q、泵进口压力p1、泵出口压力p2、电机功率N电、泵转速n，及流体温度t和两测压点间高度差H0（H0＝0.1m）。（4）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（如离心泵型号，额定流量、额定转速、扬程和功率等），停泵前先将出口阀关闭。（5）旁路闸阀10可以在电动调节阀失灵的时候做“替补”，工业上应用广泛，保证了装置的正常实验。2．注意事项：（1）一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，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。（3）不要在出口阀关闭状态下（或者电动调节阀开度在0时）长时间使泵运转，一般不超过三分钟，否则泵中液体循环温度升高，易生气泡，使泵抽空。五、数据处理（1）记录实验原始数据如下表1：实验日期：实验人员：学号：装置号：离心泵型号＝，额定流量＝，额定扬程＝，额定功率＝泵进出口测压点高度差H0＝，流体温度t＝序号流量Qm3/h泵进口压力p1kPa泵出口压力p2kPa电机功率N电kW泵转速nr/min（2）根据原理部分的公式，按比例定律校合转速后，计算各流量下的泵扬程、轴功率和效率，如表2：序号流量Q’m3/h扬程H’m轴功率N’kW泵效率η’%六、实验报告1．分别绘制一定转速下的H～Q、N～Q、η～Q曲线2．分析实验结果，判断泵最为适宜的工作范围。七、思考题1.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？2.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？3.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量？4.泵启动后，出口阀如果不开，压力表读数是否会逐渐上升？为什么？5.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？6.试分析，用清水泵输送密度为1200Kg/ｍ3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？实验二流体流动阻力测定实验（数字型）一、实验目的1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线。3．测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数。4．学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。二、基本原理流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。1．直管阻力摩擦系数λ的测定流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：2221udlppphff（1）即，22lupdf（2）式中：λ—直管阻力摩擦系数，无因次；d—直管内径，m；fp—流体流经l米直管的压力降，Pa；fh—单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；ρ—流体密度，kg/m3；l—直管长度，m；u—流体在管内流动的平均流速，m/s。滞流(层流)时，Re64（3）duRe（4）式中：Re—雷诺准数，无因次；μ—流体粘度，kg/(m·s)。湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。由式（2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定fp、u、ρ、μ等参数。l、d为装置参数（装置参数表格中给出），ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。例如本装置采用涡轮流量计测流量，V，m3/h。2900dVu(5)fp可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。（1）当采用倒置U型管液柱压差计时gRpf(6)式中：R－水柱高度，m。（2）当采用U型管液柱压差计时gRpf0(7)式中：R－液柱高度，m；0－指示液密度，kg/m3。根据实验装置结构参数l、d，指示液密度0，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(4)和式(2)求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。2．局部阻力系数的测定局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。(1)当量长度法流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为el的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号el表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中流动时的总机械能损失fh为：22udllhef(8)(2)阻力系数法流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。即：22ugphff(9)故22gupf(10)式中：—局部阻力系数，无因次；fp－局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。）ρ—流体密度，kg/m3；g—重力加速度，9.81m/s2；u—流体在小截面管中的平均流速，m／s。待测的管件和阀门由现场指定。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度0，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(10)求取管件或阀门的局部阻力系数。三、实验装置与流程1．实验装置实验装置如图1所示：1－水箱；2－管道泵；3－涡轮流量