化工原理实验4指导书

化工原理实验指导书化学工程系目录实验一流体机械能转换实验........................................................1实验二离心泵特性曲线测定........................................................3实验三对流给热系数测定............................................................9实验四筛板精馏塔实验..............................................................13流体力学综合实验第1页共21页实验一流体机械能转换实验一、实验目的熟悉流动流体中各种能量和压头的概念及其互相转换关系，在此基础上掌握柏努利方程。二、实验原理1.流体在流动时具有三种机械能：即①位能，②动能，③压力能。这三种能量可以互相转换。当管路条件改变时（如位置高低，管径大小），它们会自行转换。如果是粘度为零的理想流体，由于不存在机械能损失，因此在同一管路的任何二个截面上，尽管三种机械能彼此不一定相等，但这三种机械能的总和是相等的。2.对实际流体来说，则因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞而消失，即转化成了热能。而转化为热能的机械能，在管路中是不能恢复的。对实际流体来说，这部分机械能相当于是被损失掉了，亦即两个截面上的机械能的总和是不相等的，两者的差额就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转换成为热的机械能。因此在进行机械能衡算时，就必须将这部分消失的机械能加到下游截面上，其和才等于流体在上游截面上的机械能总和。3.上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体力学中，把表示各种机械能的流体柱高度称之为“压头”。表示位能的，称为位压头；表示动能的，称为动压头（或速度头）；表示压力的，称为静压头；已消失的机械能，称为损失压头（或摩擦压头）。这里所谓的“压头”系指单位重量的流体所具有的能量。4.当测压管上的小孔（即测压孔的中心线）与水流方向垂直时，测压管内液柱高度（从测压孔算起）即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。5.当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液位高度，即为测压孔处液体的动压头，它反映出该点水流动能的大小。这时测压管内液位总高度则为静压头与动压头之和，我们称之为“总压头”。6.任何两个截面上位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头，它表示液体流经这两个截面之间时机械能的损失。三、实验装置(如图3-3)试验设备由玻璃管、测压管、活动测压头、水槽、水泵等组成。活动测压头的小管端部封闭，管身开有小孔，小孔位置与玻璃管中心线平齐，小管与测压管相通，转动活动测压头就可以测量动、静压头。管路分成四段，由两段不同直径的玻璃管所组成。中间相对较粗管段的内径约为34毫米，其余部分的内径约为13毫米。第四段的位置，比第三段低约5毫米，阀A供调节流量之用。流体力学综合实验第2页共21页图3-3柏努利演示实验装置四、实验步骤1.关闭A阀，旋转测压管，观察并记录个测压管中的液位高度H。2.开动循环水泵，开阀A至一定大小，将测压孔转到正对水流方向及垂直水流方向，观察并记录各测压管相应的液位高度H1。3.不改变测压孔位置，继续开大A阀，观察测压管液位变化。并记录各测压管液位的相应高度H2。五、实验数据记录测压点次别及H值123456操作阀A测压孔轴线方向1H关任意2H1开正对水流与水流方向垂直3H2再开大正对水流与水流方向垂直六、实验报告要求流体力学综合实验第3页共21页根据柏努利方程，比较上述各组数据的差异，分析和讨论流体流动体系的机械能分布及其转换规律。七、思考题1.关闭A阀，各测压管旋转时，液位高度有无变化？这一现象说明什么？这一高度的物理意义又是什么？2.当测压孔正对水流方向时，各测压管的液位高度H的物理意义是什么？3.为什么H＞H1（对同一点而言）？为什么距离水槽越远，（H-H1）的差值越大？其物理意义是什么？4.测压孔正对水流方向，开大阀A，流速增大，动压头增大，为什么测压管的液位反而下降？5.将测压孔由正对水流方向，转至与水流方向垂直，为什么各测压管的液位下降？下降的液位代表什么压头？2、3两点及4、5两点各自下降的液位是否相等？这一现象说明了什么？实验二离心泵特性曲线测定一、实验目的1、熟悉离心泵的构造和操作。2、掌握离心泵在一定转速下特性曲线的测定方法3、学习工业上流量、功率、转速、压力和温度等参数的测量方法，使学生了解涡轮流量计、电动调节阀以及相关仪表的原理和操作。二、基本原理离心泵的主要性能参数有流量Q、压头H、效率和轴功率N，在一定转速下，离心泵的送液能力（流量）可以通过调节出口阀门使之从零至最大值间变化。而且，当流量变化时，泵的压头、功率、及效率也随之变化。因此要正确选择和使用离心泵，就必须掌握流量变化时，其压头、功率、和效率的变化规律、即查明离心泵的特性曲线。用实验方法测出某离心泵在一定转速下的Q、H、n、N，并做出H-Q、n-Q、N-Q曲线，称为该离心泵的特性曲线。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V之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。1．扬程（压头）H在泵进、出口取截面列柏努利方程：guuZZgppH221221212+Hf流体力学综合实验第4页共21页式中：p1，p2——分别为泵进、出口的压强N/m2ρ——流体密度kg/m3u1，u2——分别为泵进、出口的流量m/sg——重力加速度m/s2因两截面间的管长很短，通常可忽略阻力损失项Hf。当泵进、出口管径一样，上式简化为：2121+Z-ZppHg由上式可知：只要直接读出真空表和压力表上的数值，两表之间的高度差，就可以计算出泵的扬程。2．轴功率N的测量与计算电机输入到离心泵的轴功率可按下式计算：NN轴电电转式中，N轴——泵的轴功率，W；N电——电机的输入功率，W；η电——电机的效率，取0.94；η转——传动装置的效率，取1。由上式可知：测定泵的轴功率，只需测定电机的输出功率，乘上电机效率0.94即可。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是单位时间内流体自泵得到的功，轴功率N是单位时间内泵从电机得到的功，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：Ne=HVρg故η=Ne/N=HVρg/N4．转速改变时的换算泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的一切实验点，其转速都是相同的。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特定转速n下（可取离心泵的额定转速）的数据。换算关系如下：流量nnVV流体力学综合实验第5页共21页扬程2)(nnHH轴功率3)(nnNN效率NgVHNgHV三、实验装置与流程示意图离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制装置流程图如图1所示。装置由循环水箱、离心泵、进出口管路及涡轮流量计、控制阀门和压力表等组成的一个循环回路。循环水箱1中的水经离心泵2抽出，经涡轮流量传感器8计量流量后流回水箱中。离心泵的水流量由电动调节阀9控制。用压力表测泵进出口压力。用热电偶测水温。为防止停电等特殊情况造成液体回流导致泵的损坏，在泵出口阀前安装一个单向阀6。工艺流程图：图1离心泵实验装置流程图1.循环水箱2.离心泵3.泵入口阀4.漏斗5.灌泵阀6.单向阀7.泵出口阀8.涡轮流量传感器9.电动阀四、实验步骤及注意事项1、仪表及控制面板。流体力学综合实验第6页共21页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1。装置中泵进出口管径相同均为40cm，泵进出口测压点高度差h0=0.27m（以实际测量值为准）。b、实验步骤1.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。2.清洗水箱，并加装实验用水，加至水箱液位2/3处。3.灌泵，排出泵内气体。打开灌泵阀5，向漏斗4中加水灌泵。4.灌泵完成后，关闭灌泵阀5。确定除泵入口阀3外所有阀门关闭。打开总电开关，仪表上电，设定流量。离心泵上电，开变频器，设定转数。5.数据测定：记录下流量为零时的各有关参数，缓慢开启泵出口阀7，由泵出口电动调节阀9调节流量由小到大测12~16组数据，每次待涡轮流量传感器读数稳定后（至少30s），读取各参数并记录。再按相同的方法调节流量由大到小测12~16组数据。V设定为0m3/h~4m3/h，转速调节范围1500~2000r/min，电机输出看控制面板，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。（主要获取实验参数为：流量qv、泵进口压力p1、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ΔZ。）6.停泵：测取12~16组左右数据，实验完毕，关闭泵出口阀7，变频器调零后关闭，关闭所有阀门，关泵及总电开关。7.记录下设备的相关数据（如离心泵型号，额定流量、扬程和功率等）。注意事项：a)一般每次实验前，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，流体力学综合实验第7页共21页防止叶轮被固体颗粒损坏。b)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。c)实验过程中，务必要等到流量稳定时再读数，否则会造成数据不准。d)不要在出口阀关闭状态下长时间使泵运转，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。四、思考题1.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量？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？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？五、实验数据记录表1离心泵特性测定实验原始数据记录表离心泵型号，额定流量＝，额定扬程＝，额定功率＝，流体温度t＝。序号温度/°C流量qv/m3/h泵进口压力p1/kPa泵出口压力p2/kPa电机功率P电/kW泵转速nr/m1234流体力学综合实验第8页共21页在实验过程中，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)对应下的各实验量，并按上述比例定律，可得校正转速后的数据结果。表2离心泵特性测定实验数据处理表序号密度ρ/kg/m3扬程H/m轴功率N/kW有效功率Ne/kPaQ’/m3/hH’/mN’/kWη’/%1234以第一组数据为例，给出计算步骤。六，实验结果分析与讨论1、分析实验结果，判断泵最佳工作范围。2、针对结果做出合理地解释。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？还有其他方法调节流量？4、泵启动后，出口阀如果打不开，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？实验三对流给热系数测定一、实验目的1．观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型；2．测定空气（或水）在圆直管内强制对