化工原理試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、化工原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)化工原理教研室2014年編制實(shí)驗(yàn)一 流動(dòng)過(guò)程綜合實(shí)驗(yàn) 3實(shí)驗(yàn)二 過(guò)濾實(shí)驗(yàn)10實(shí)驗(yàn)三 傳熱實(shí)驗(yàn)（水-水蒸汽、空氣-水蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定和傳熱綜合實(shí)驗(yàn)） 14傳熱實(shí)驗(yàn)一 水-水蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定 14傳熱實(shí)驗(yàn)二 空氣-水蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定 19傳熱實(shí)驗(yàn)三傳熱綜合（空氣和水蒸汽）實(shí)驗(yàn)22實(shí)驗(yàn)四 吸收與解吸綜合實(shí)驗(yàn) 28實(shí)驗(yàn)五 精餾實(shí)驗(yàn)33實(shí)驗(yàn)六萃取實(shí)驗(yàn)（填料萃取塔、振動(dòng)篩板萃取塔） 38萃取實(shí)驗(yàn)一 填料萃取塔 38萃取實(shí)驗(yàn)二振動(dòng)篩板萃取塔43實(shí)驗(yàn)七干燥實(shí)驗(yàn)（洞道干燥、流化床干燥）47干燥實(shí)驗(yàn)一洞道干燥47干燥實(shí)驗(yàn)二 流化床干燥 51附件：化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱？實(shí)驗(yàn)一流動(dòng)過(guò)程綜合實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)

2、目的(1) 掌握測(cè)定流體流經(jīng)直管、管件和閥門時(shí)阻力損失的一般實(shí)驗(yàn)方法。(2) 識(shí)別組成管路的各種管件、閥門的結(jié)構(gòu)、使用方法和性能。(3) 學(xué)習(xí)壓差計(jì)、流量計(jì)的使用方法。(4) 學(xué)習(xí)光滑直管和粗糙直管的摩擦系數(shù)，與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的測(cè)量方法，并 驗(yàn)證流體處于不同流動(dòng)類型時(shí)的與Re二者間的關(guān)系。(5) 測(cè)定流體流經(jīng)管件、閥門時(shí)的局部阻力系數(shù) E。(6) 分別測(cè)定文丘里流量計(jì)流量標(biāo)定曲線(流量-壓差關(guān)系)及流量系數(shù)和 雷諾數(shù)之間的關(guān)系曲線(C-Re關(guān)系)。(7) 了解離心泵的結(jié)構(gòu)、操作方法，掌握離心泵特性曲線測(cè)定方法，掌握 離心泵管路特性曲線的測(cè)定方法，加深對(duì)離心泵性能的理解。2基本原理2.1直管摩擦系

3、數(shù)與雷諾數(shù)Re的測(cè)定對(duì)于不可壓縮流體在水平等直徑直管內(nèi)作定態(tài)流動(dòng)，根據(jù)伯努利方程有:(1.1)(1.1)式中：hf壓頭損失，J/kg； L兩測(cè)壓點(diǎn)間直管長(zhǎng)度，m； d直管 內(nèi)徑，m；摩擦阻力系數(shù)；u流體流速，m/s； APf直管阻力引起的壓降, N/m2; p流體密度，kg/m3。將(1.1)式經(jīng)適當(dāng)變形，可以得到摩擦系數(shù)的表達(dá)式，即:雷諾準(zhǔn)數(shù)定義式如下:Re =du£(1.2)(1.3)(1.2)式中： 廠流體粘度，Pa.s。在管壁粗糙度、管長(zhǎng)和管徑一定的條件下，本實(shí)驗(yàn)將選擇水作為流體，通過(guò)改變水的流量，并測(cè)得不同流量下的 APf值，連同L、d、u和p (對(duì)一定流體來(lái)說(shuō)， 刑 諸E

4、是溫度的函數(shù)，可以根據(jù)流體的種類及溫度從手冊(cè)中查出)一同帶入式(1.2)和(1.3),將能夠分別求出不同流量下的直管摩擦系數(shù)：和雷諾準(zhǔn)數(shù)Re,從而整理出 與Re勺關(guān)系并繪制二者關(guān)系曲線。2.2測(cè)定局部阻力系數(shù)(1) 局部阻力系數(shù)E的測(cè)定。局部阻力損失的計(jì)算方法有兩種，即局部阻力系數(shù)法和當(dāng)量長(zhǎng)度法。其中,局部阻力系數(shù)法假定局部阻力損失與流體動(dòng)能成正比，即：(1.4)P' u1111 c卍t/hfr 二 7(1.4)式中：hf'局部阻力引起的能量損失，J/kg； APf'局部阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa； p流體密度,kg/m圖1.1局部阻力測(cè)量取壓口布置圖對(duì)于開(kāi)口位置，有:；

5、E 局部阻力系數(shù)，無(wú)因次；u 流體流速, m/s。將(1.4)適當(dāng)整理后,有:(1.5)弋等局部阻力引起的壓強(qiáng)降A(chǔ)Pf'可用下面的方法測(cè)量：在一條各處直徑相等的直管段上，安裝待測(cè)局部阻力的閥門，在其上、下游開(kāi)兩對(duì)測(cè)壓口 a-a和 b-b',見(jiàn)圖 1-1。XAPf,y AP,那么，對(duì)于ab, be，ab=be ； a'b'=b'e'a'b和 b'e'之間的壓降關(guān)系有:(1.6)(1.7)4Pf, ab = =：Pf, be ；二 R, a'b' = =R, b'e'對(duì)于區(qū)間aa'，有:

6、(1.8)對(duì)于區(qū)間bb'，有:聯(lián)立式（1.8）和（1.9）,則有：心Pf'=2（Pb-Pb） -（Pa-Pa）（ 1.10）為了實(shí)驗(yàn)方便，（Pb-Pb'）稱之為近點(diǎn)壓差，（Pa-Pa'）稱之為遠(yuǎn)點(diǎn)壓差，其具 體數(shù)值用差壓傳感器測(cè)定。2.3流量計(jì)性能測(cè)定流體通過(guò)節(jié)流式流量計(jì)時(shí)在上、 下游兩取壓口之間產(chǎn)生壓強(qiáng)差，它與流量的關(guān)系為：Vs=CA0 嚴(yán)話巴(1.11)（1.11）式中：Vs 被測(cè)流體（水）的體積流量， m3/s； C流量系數(shù)，無(wú) 因次；Ao流量計(jì)節(jié)流孔截面積，m2;（ P上-P下）一流量計(jì)上、下游兩取壓口之 間的壓強(qiáng)差，Pa；被測(cè)流體冰）的密度，kg/m3

7、。用渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)來(lái)測(cè)定流量 Vs，每一個(gè)流量在壓差計(jì)上都有一 對(duì)應(yīng)的讀數(shù)，將壓差計(jì)讀數(shù) P和流量Vs繪制成一條曲線，即流量標(biāo)定曲線， 同時(shí)利用上式整理數(shù)據(jù)可進(jìn)一步得到 C Re關(guān)系曲線。2.4離心泵性能的測(cè)定2.4.1 H的測(cè)定針對(duì)泵的吸入口和排出口之間列伯努利方程:旦ul Hg 2g22gH f入曲(1.12)（1.12）式中：Z位壓頭，m； u流體速度，m/s；廠流體密度，kg/m3；P壓強(qiáng)；H總壓頭（揚(yáng)程），m； Hf入-出一泵的吸入口和排出口之間管路內(nèi)的流 體流動(dòng)阻力根據(jù)（1.12）可以獲得離心泵總壓頭 H :2 2H =Z 出一 Z 入 55入 U出一 U 入 Hf 入出

8、（1.13）Pg2g與伯努利方程中其它項(xiàng)比較，Hf入-出值很小，故可以忽略，于是（1.13）簡(jiǎn)化為:2g(1.14)將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的（Z出-Z入）和（P出-P入）的值以及計(jì)算所得的u入、u出代入式（1.14）中即可以得到H值 2.4.2 P的測(cè)定離心泵由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)，若將傳動(dòng)效率視為100%，那么電動(dòng)機(jī)的輸出功率等于泵的軸功率，即：泵的軸功率P二電動(dòng)機(jī)的輸出功率=電動(dòng)機(jī)的輸入功率 沁動(dòng)機(jī)的效率（1.15） 利用功率表測(cè)得的功率即為電動(dòng)機(jī)的輸入功率，因而有：泵的軸功率P=功率表讀數(shù) 電動(dòng)機(jī)效率（1.16）2.4.3 n的測(cè)定離心泵總效率指的是有效功率與軸功率的比值，其定義式為：(1.17)peeP

9、P泵的軸功率，kw ； Pe泵的有效功率kwo（1.17）中：t泵的效率; 有效功率Pe定義式如下：(1.18)p 二 HQv Tge _ 1000（1.18）中：H泵的揚(yáng)程,m；液體密度，kg/m3； Qv體積流量，單位時(shí)間內(nèi)泵輸送的液體體積，m3/s。將（1.16）和（1.18）計(jì)算得到的P和Pe代入（1.17），即可以獲得離心泵 總效率。2.5離心泵管路特性的測(cè)定管路特性曲線是指流體流經(jīng)管路系統(tǒng)的流量與所需壓頭之間的關(guān)系，若將泵的特性曲線與管路特性曲線繪制在同一坐標(biāo)圖上，兩曲線交點(diǎn)即為泵在該管路的工作點(diǎn)。因此，如同通過(guò)改變閥門開(kāi)度來(lái)改變管路特性曲線，求出泵的特性曲線一樣，可通過(guò)改變泵轉(zhuǎn)速

10、來(lái)改變泵的特性曲線，從而獲得管路特性曲線。3實(shí)驗(yàn)裝置流體流動(dòng)過(guò)程綜合實(shí)驗(yàn)裝置如圖1.2所示圖1.2流動(dòng)過(guò)程綜合實(shí)驗(yàn)流程1-水箱；2-水泵；3-入口真空表；4-出口壓力表；5、16-緩沖罐；6、14-測(cè)局部阻力近端閥；7、15-測(cè)局部阻力遠(yuǎn)端閥；8、17-粗糙管測(cè)壓閥；9、21-光滑管測(cè)壓閥；10-局部阻力閥；11- 文丘里流量計(jì)（孔板流量計(jì)）；12-壓力傳感器；13-渦流流量計(jì)；18、32-閥門；20-粗糙管閥；22-小轉(zhuǎn)子流量計(jì)；23-大轉(zhuǎn)子流量計(jì)；24閥門；25-水箱放水閥；26-倒U型管放空閥；27-倒 U型管；28、30-倒U型管排水閥；29、31-倒U型管平衡閥4實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)4

11、.1實(shí)驗(yàn)步驟4.1.1流體阻力測(cè)量（1）首先向蓄水槽內(nèi)注入水直至水滿為止（最好使用蒸餾水，以保持流體 清潔）。（2）光滑管阻力測(cè)定（步驟 a b和c）。a. 關(guān)閉粗糙管路閥門，將光滑管路閥門全開(kāi)，在流量為零條件下，打開(kāi)通 向倒置U型管的進(jìn)水閥，檢查導(dǎo)壓管內(nèi)是否有氣泡存在。若倒置 U型管內(nèi)液柱 高度差不為零，則表明導(dǎo)壓管內(nèi)存在氣泡，需要進(jìn)行驅(qū)趕氣泡操作。b. 該裝置兩個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)并聯(lián)連接，根據(jù)流量大小選擇不同量程的流量計(jì)測(cè)量流量c. 差壓變送器與倒置U型管亦是并聯(lián)連接，用于測(cè)量壓差，小流量時(shí)用置 U型管壓差計(jì)測(cè)量，大流量時(shí)用差壓變送器測(cè)量。應(yīng)在最大流量和最小流量之間 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一般測(cè)取1520組

12、數(shù)據(jù)。(3) 粗糙管阻力測(cè)定。關(guān)閉光滑管閥，將粗糙管閥全開(kāi)，從小流量到最大流量，測(cè)取1520組數(shù)據(jù)。(4) 測(cè)取水箱水溫。待數(shù)據(jù)測(cè)量完畢，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵。(5) 粗糙管、局部阻力測(cè)量方法同前。4.1.2流量計(jì)、離心泵性能測(cè)定(1) 向蓄水槽內(nèi)注入蒸餾水。檢查流量調(diào)節(jié)閥 32,壓力表4的開(kāi)關(guān)及真空 表3的開(kāi)關(guān)是否關(guān)閉(應(yīng)關(guān)閉)。(2) 啟動(dòng)離心泵，緩慢打開(kāi)調(diào)節(jié)閥32至全開(kāi)。待系統(tǒng)內(nèi)流體穩(wěn)定，即系統(tǒng) 內(nèi)已沒(méi)有氣體，打開(kāi)壓力表和真空表的開(kāi)關(guān)，方可測(cè)取數(shù)據(jù)。(3) 用閥32調(diào)節(jié)流量，從流量為零至最大或流量從最大到零，測(cè)取10 15組數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄渦輪流量計(jì)頻率、文丘里流量計(jì)的壓差、泵入口真空度、

13、泵出口壓強(qiáng)、功率表讀數(shù)，并記錄水溫。(4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵，切斷電源。4.1.3管路特性的測(cè)量(1) 測(cè)量管路特性曲線測(cè)定時(shí)，先置流量調(diào)節(jié)閥 32為某一開(kāi)度，調(diào)節(jié)離心 泵電機(jī)頻率(調(diào)節(jié)范圍5020 Hz)，測(cè)取810組數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄電機(jī)頻率、 泵入口真空度、泵出口壓強(qiáng)、流量計(jì)讀數(shù)，并記錄水溫。(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵，切斷電源。4.2注意事項(xiàng)(1) 實(shí)驗(yàn)前，請(qǐng)仔細(xì)閱讀說(shuō)明書(shū)中關(guān)于直流數(shù)字表操作方法部分。(2) 啟動(dòng)離心泵之前以及從光滑管阻力測(cè)量過(guò)渡到其它測(cè)量之前，都必須 檢查所有流量調(diào)節(jié)閥是否關(guān)閉。(3) 利用壓力傳感器測(cè)量大流量下 P時(shí)，應(yīng)切斷空氣一水倒置U

14、型玻璃 管的閥門，否則將影響測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確。（4）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每調(diào)節(jié)一個(gè)流量之后應(yīng)待流量和直管壓降的數(shù)據(jù)穩(wěn)定以 后方可記錄數(shù)據(jù)。（5）若較長(zhǎng)時(shí)間未做實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)離心泵時(shí)應(yīng)先盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)，否則易燒壞電機(jī)。（6）該裝置電路采用五線三相制配電，實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)良好接地。（7）使用變頻調(diào)速器時(shí)一定注意 FWD指示燈亮，切忌按FWD REV鍵， REV指示燈亮?xí)r電機(jī)反轉(zhuǎn)。（8）啟動(dòng)離心泵前，必須關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉壓力表和真空表的開(kāi)關(guān)， 以免損壞測(cè)量?jī)x表。（9）實(shí)驗(yàn)水質(zhì)要清潔，以免影響渦輪流量計(jì)運(yùn)行。5思考題（1）在U型壓差計(jì)上裝設(shè)“平衡閥”有何作用？它們?cè)诤螘r(shí)開(kāi)著，何時(shí)關(guān)閉？（2）離心泵啟動(dòng)前哪些閥應(yīng)開(kāi)著，哪些閥

15、門應(yīng)該關(guān)閉？（3）在進(jìn)行系統(tǒng)排氣時(shí)，是否應(yīng)關(guān)閉系統(tǒng)的出口閥門？為什么？（4）如何檢驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的空氣已經(jīng)排除干凈？（5）U型壓差計(jì)的零點(diǎn)應(yīng)如何校正？（6）在一定相對(duì)粗糙度（/d）下，lg入IgRe的關(guān)系曲線是怎樣的？當(dāng)Re是 夠大時(shí)，曲線情況如何？由此可得何種結(jié)論？(2.1)d2dq當(dāng)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間間隔不大時(shí),d e dq可以用增量之比 來(lái)代替，即:實(shí)驗(yàn)二過(guò)濾實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解過(guò)濾設(shè)備的構(gòu)造和操作方法。（2）掌握過(guò)濾問(wèn)題的簡(jiǎn)化工程處理方法。（3） 測(cè)定在恒壓操作時(shí)的過(guò)濾常數(shù) K，qe, t,并以實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果驗(yàn)證過(guò)濾 方程式，強(qiáng)化對(duì)過(guò)濾理論的理解。（4）改變壓強(qiáng)差重復(fù)上述操作，測(cè)定壓縮指數(shù)

16、s和物料特性常數(shù)k （選做）2基本原理對(duì)于不可壓縮性濾餅，在恒壓過(guò)濾情況下，濾液量與過(guò)濾時(shí)間的關(guān)系可用下 式表示：(q qe)2 =K(r+ 乙)（2.1）式中：q單位過(guò)濾面積獲得的濾液體積， m3/m2; qe單位過(guò)濾面 積的虛擬濾液體積， m3/m2;實(shí)際過(guò)濾時(shí)間，s； ee虛擬過(guò)濾時(shí)間，s； K過(guò)濾常數(shù)，m2/s。將（2.1）式微分，可以得到:(2.2)(2.3)式（2.3）為一直線方程。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在恒壓下過(guò)濾要測(cè)定的懸浮液，測(cè)出過(guò)濾時(shí)間e及濾液累積量q的數(shù)據(jù)，在直角坐標(biāo)紙上標(biāo)繪 &q對(duì)q的關(guān)系，所 得直線斜率為2/K,截距為2qe/K，從而可以分別得到K和qe。式（2.1）中的B

17、可由下式獲得：(2.4)其中，過(guò)濾常數(shù)K的定義式為：K=2k p1(2.5)將式（2.5）兩邊取對(duì)數(shù)，得到:IgK = R1s )Zlp (+ ) klg(2.6)因?yàn)閟為常數(shù)，k= 1/(/ov), k也為常數(shù)，故在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)體系中， K與厶p 為線性關(guān)系，直線的斜率為1-s,截距為lg(2k),由此可分別計(jì)算出壓縮性指數(shù) s 和物料的特性常數(shù)k。3實(shí)驗(yàn)裝置如圖2.1所示，濾漿槽內(nèi)配有一定濃度的輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液(濃度在6%8%左右)，用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行均勻攪拌(漿液不出現(xiàn)旋渦為好)。啟動(dòng)旋渦泵，調(diào)節(jié)閥門3使壓力表5指示在規(guī)定值。本實(shí)驗(yàn)利用計(jì)量桶對(duì)濾液量進(jìn)行計(jì)量。1 一調(diào)速器；2 電動(dòng)攪拌器；3

18、、4、6、11、14一閥門；5、7一壓力表；8 板框壓濾機(jī)；9壓緊裝置；10-濾漿槽；11-進(jìn)料閥；12 一旋渦泵；13 一計(jì)量桶實(shí)驗(yàn)裝置中過(guò)濾、洗滌管路如圖 2.2所示：圖2.2過(guò)濾、洗滌管路示意圖4實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)4.1實(shí)驗(yàn)步驟過(guò)濾實(shí)驗(yàn)操作步驟主要包括：（1） 系統(tǒng)接上電源，打開(kāi)攪拌器電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)電動(dòng)攪拌器2,將濾液槽 10內(nèi)漿液攪拌均勻。（2）板框過(guò)濾機(jī)板、框排列順序?yàn)椋汗潭^ -非洗滌板-框-洗滌板-框-非洗 滌板-可動(dòng)頭；用壓緊裝置壓緊后待用。（3） 使閥門3、4、11處于全開(kāi)、其它閥門處于全關(guān)狀態(tài)，啟動(dòng)旋渦泵 12, 調(diào)節(jié)閥門3使壓力表5達(dá)到規(guī)定值。（4）待壓力表5穩(wěn)定后，打開(kāi)

19、過(guò)濾入口閥6，過(guò)濾開(kāi)始。當(dāng)計(jì)量桶13內(nèi)見(jiàn)到第一滴液體時(shí)按表計(jì)時(shí)。記錄濾液每增加高度10 mm所用的時(shí)間。當(dāng)計(jì)量桶13讀數(shù)為150 mm時(shí)停止計(jì)時(shí)，并立即關(guān)閉入口閥 6。（5）調(diào)節(jié)閥門3使壓力表5指示值下降。開(kāi)啟壓緊裝置卸下過(guò)濾框內(nèi)的濾 餅并放回濾漿槽內(nèi)，將濾布清洗干凈。 放出計(jì)量桶內(nèi)的濾液并倒回槽內(nèi)， 以保證 濾漿濃度恒定。（6）改變壓力或其它條件，從步驟（2）開(kāi)始重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。（7）每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用洗水管路對(duì)濾餅進(jìn)行洗滌，測(cè)洗滌時(shí)間和洗水量。（8）實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將閥門11接上自來(lái)水、閥門4接通下水，關(guān)閉閥門3, 對(duì)泵及濾漿進(jìn)出口管進(jìn)行沖洗。4.2注意事項(xiàng)（1）過(guò)濾板與框之間的密封墊片位置應(yīng)放

20、正，過(guò)濾板與框的濾液進(jìn)出口對(duì) 齊。用搖柄把過(guò)濾設(shè)備壓緊，以免漏液。（2）計(jì)量桶的流液管口應(yīng)貼桶壁，否則液面波動(dòng)影響讀數(shù)。（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)關(guān)閉閥門3。用閥門11、4接通自來(lái)水對(duì)泵及濾漿進(jìn)出口 管進(jìn)行沖洗，切忌將自來(lái)水灌入儲(chǔ)料槽中。（4）電動(dòng)攪拌器為無(wú)級(jí)調(diào)速。使用時(shí)首先接上系統(tǒng)電源，打開(kāi)調(diào)速器開(kāi)關(guān)，調(diào)速鈕一定由小到大緩慢調(diào)節(jié)，切勿反方向調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)過(guò)快損壞電機(jī)。（5）啟動(dòng)攪拌前，用手旋轉(zhuǎn)一下攪拌軸以保證順利啟動(dòng)攪拌器。5思考題(1) 為什么過(guò)濾開(kāi)始時(shí)，濾液常常有一點(diǎn)渾濁，過(guò)一段時(shí)間才轉(zhuǎn)清？(2) 在恒壓過(guò)濾中，初始階段為什么不采取恒壓操作？(3) 如果濾液的粘度比較大，你考慮用什么方法改善過(guò)濾速率？

21、(4) 當(dāng)操作壓強(qiáng)增加一倍，其 K值是否也增加一倍？要得到同樣的過(guò)濾量 時(shí)，其過(guò)濾時(shí)間是否縮短一半？實(shí)驗(yàn)三 傳熱實(shí)驗(yàn)(水-水蒸汽、空氣-水蒸 汽給熱系數(shù)測(cè)定和傳熱綜合實(shí)驗(yàn))傳熱實(shí)驗(yàn)一水-水蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 了解間壁式傳熱元件。(2) 觀察水蒸氣在管外壁上的冷凝現(xiàn)象，學(xué)習(xí)影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化 傳熱的途徑。(3) 掌握對(duì)流傳熱系數(shù)a的測(cè)定方法。(4) 了解熱電阻測(cè)溫方法、渦輪流量計(jì)測(cè)流量方法，學(xué)會(huì)使用變頻器。2基本原理如圖3.1所示，間壁式傳熱過(guò)程由熱流體對(duì)固體壁面的對(duì)流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對(duì)冷流體的對(duì)流傳熱所組成。圖3.1間壁式傳熱過(guò)程間壁式傳熱元件，在傳熱過(guò)程達(dá)

22、到穩(wěn)態(tài)后，有： miCP1 Ti 一丁2 m2 CP2 t2 _t1 J=：1 A T -TW= 2A2 tW -t m式(3.1)中：Q傳熱量，J/s； m1熱流體的質(zhì)量流率，kg/s； Cp1熱流體 的比熱，J/(kg?OC)； Tl熱流體的進(jìn)口溫度，°C; T2熱流體的出口溫度，°C;m2冷流體的質(zhì)量流率，kg/s； 52冷流體的比熱，J/（kg?）C） ； ti 冷流體的進(jìn) 口溫度，°C; t2 冷流體的出口溫度，°C;i熱流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系 數(shù)，W/（m2夕C） ； Ai熱流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積，m2; （T Tw）m 熱流體與固體壁面的

23、對(duì)數(shù)平均溫差，°C; 2冷流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2?）C）;A2 冷流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積，m2; （t tw）m 固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫 差，oCo熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（3.2）計(jì)算:T TT1 TwiT2 Tw2 iT _lw m 二. T _TwiIn 2 _Tw2式（3.2）中：Twi 熱流體進(jìn)口處熱流體側(cè)的壁面溫度，°C;出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，°C o(3.2)TW2 熱流體(3.3)固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（3.3）計(jì)算:ln twi _titw2 - t2式（3.3）中：twi 冷流體進(jìn)口處冷流體側(cè)

24、的壁面溫度，°C; tw2冷流體出 口處冷流體側(cè)的壁面溫度，°C o在本裝置的套管換熱器中，換熱桶內(nèi)通水蒸汽，內(nèi)銅管管內(nèi)通水，水蒸氣在(3.4)銅管表面冷凝放熱而加熱水，在傳熱過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定后，有如下關(guān)系式：V ： CP(t2 -tj 2 A(t -tw)m式（3.4）中：V冷流體體積流量，m3/s；廠 冷流體密度，kg/m3; Cp 冷流體比熱，J/（kg°C）; ti、t2冷流體進(jìn)、出口溫度，°C; a冷流體對(duì)內(nèi)管內(nèi) 壁的對(duì)流給熱系數(shù)，w/（m2 °C）; A2內(nèi)管的內(nèi)壁傳熱面積，m2； （tw t）m 內(nèi)壁 與流體間的對(duì)數(shù)平均溫度差，可由式

25、（3.3）計(jì)算得到，°C。當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即入值很大，且管壁厚度很薄時(shí)，可認(rèn)為Twi二(3.5)twi，Tw2二tw2，即為所測(cè)得的該點(diǎn)的壁溫，則由式（3.i）可得: ._V?Cp（t2 -ti）A2（tw T）m若能測(cè)得被加熱流體的V、ti、t2，內(nèi)管的換熱面積A2,壁溫twi、tw2，貝U可通過(guò)式（3.5）算得實(shí)測(cè)的冷流體在管內(nèi)的對(duì)流給熱系數(shù)a對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱時(shí)，傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為:Nu =0.023Re0.8Prn(3.6)式(3.6)中：Nu努塞爾數(shù)，Nu= : d/'，無(wú)因次；Re-雷諾數(shù)，Re =du& 無(wú)因次；Pr普蘭特?cái)?shù)，P

26、r=Cp",無(wú)因次。其中：一流體與固體壁面的對(duì)流 傳熱系數(shù)，W/(m2?°C); d換熱管內(nèi)徑，m； 流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?°C); u 流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均速度，m/s；流體的密度，kg/m3；流體的粘度，POS; Cp流體的比熱，J/(kg?°C)。上式適用范圍為：Re= 1.0 >1041.2 X05，Pr = 0.7120，管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之 比L/d >60當(dāng)流體被加熱時(shí)0.4,流體被冷卻時(shí)0.3?？捎蓪?shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出相關(guān)準(zhǔn)數(shù)后，即可作出曲線，并與經(jīng)驗(yàn)公式的 曲線對(duì)比以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果。3實(shí)驗(yàn)裝置水-水蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置如圖

27、 3.2所示：來(lái)自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn) 入套管換熱器，與來(lái)自水箱的水進(jìn)行熱交換，冷凝水經(jīng)管道排入地溝。冷水經(jīng)增壓泵和渦輪流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管(紫銅管)，水流量可用閥門調(diào)節(jié)或變頻 器自動(dòng)調(diào)節(jié)，熱交換后進(jìn)入下水道。裝置參數(shù)中：紫銅管規(guī)格12> 2mm,即內(nèi)徑為8mm，長(zhǎng)度為1m；冷流體最大流量為0.45m3/h，渦輪流量計(jì)的測(cè)量下限為30.2 m /ho圖3.2水-水蒸氣換熱實(shí)驗(yàn)流程1-水泵；2-冷流體管路；3-冷流體進(jìn)口調(diào)節(jié)閥；4渦輪流量計(jì)；5-冷流體進(jìn)口溫度；6-惰性氣 體排空閥；7-蒸汽溫度；8-視鏡；9-冷流體進(jìn)口溫度；10-壓力表；11-冷凝水排空閥；12-蒸 汽進(jìn)口閥；13-

28、冷凝水排空閥；14-蒸汽進(jìn)口管路；15-冷流體出口管路；16-冷流體進(jìn)口管壁 溫度；17-冷流體出口管壁溫度；18-水箱4實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)4.1手動(dòng)操作（1）檢查儀表、水泵、蒸汽發(fā)生器及測(cè)溫點(diǎn)是否正常，檢查進(jìn)氣系統(tǒng)的蒸 氣調(diào)節(jié)閥是否關(guān)閉。（2）打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)、儀表電源開(kāi)關(guān)（由指導(dǎo)老師啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器和打開(kāi) 蒸氣總閥）。（3）啟動(dòng)水泵。（4）調(diào)節(jié)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，閥門全開(kāi)使水流量達(dá)到最大。（5）排除蒸汽管線中原積存的冷凝水（方法是：關(guān)閉進(jìn)氣系統(tǒng)的蒸氣調(diào)節(jié) 閥，打開(kāi)蒸汽管冷凝水排放閥）。（6）排凈后，關(guān)閉蒸汽管冷凝水排放閥，打開(kāi)進(jìn)氣系統(tǒng)的蒸氣調(diào)節(jié)閥，使蒸汽緩緩進(jìn)入換熱器環(huán)隙以加熱套管換熱器，再打開(kāi)

29、換熱器冷凝水排放閥（冷凝水排放閥不要開(kāi)啟過(guò)大，以免蒸汽泄漏），使環(huán)隙中冷凝水不斷地排至地溝。（7） 仔細(xì)調(diào)節(jié)進(jìn)系統(tǒng)蒸氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使蒸汽壓力穩(wěn)定保持在0.1 MPa左右（可通過(guò)微調(diào)惰性氣體排空閥使壓力達(dá)到需要的值），以保證在恒壓條件下操作，再根據(jù)測(cè)試要求，由大到小逐漸調(diào)節(jié)水流量手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，合理確定6個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。待流量和熱交換穩(wěn)定后，分別讀取冷流體流量、冷流體進(jìn)出口溫度、 冷流體進(jìn)出口壁溫以及蒸汽溫度。（8）實(shí)驗(yàn)終了，首先關(guān)閉蒸氣調(diào)節(jié)閥，切斷設(shè)備的蒸汽來(lái)路，關(guān)閉蒸汽發(fā) 生器（由教師完成）、儀表電源開(kāi)關(guān)及切斷總電源。4.2自動(dòng)操作（1）前7步準(zhǔn)備工作同手動(dòng)操作。（2）打開(kāi)對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)

30、 MCGS組態(tài)文件，進(jìn)入“對(duì)流給熱系數(shù)測(cè) 定實(shí)驗(yàn)軟件”界面，點(diǎn)擊“對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)”按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面。（3）當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒后單擊“開(kāi)始按鈕”開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試要求，由大 到小逐漸調(diào)節(jié)變頻器，控制水流量， 合理確定6個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，待穩(wěn)定后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)自 動(dòng)采集或分別從數(shù)顯表上讀取冷流體流量、 冷流體進(jìn)出口溫度、冷流體進(jìn)出口壁 溫以及蒸汽溫度。（4）當(dāng)測(cè)好所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)后單擊“停止”按鈕停止實(shí)驗(yàn)。若實(shí)驗(yàn)完畢單 擊“退出實(shí)驗(yàn)”?；氐健皩?duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)軟件”界面，再單擊“退出實(shí)驗(yàn)” 按鈕退出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。（5）實(shí)驗(yàn)終了，首先關(guān)閉蒸氣進(jìn)口調(diào)節(jié)閥，切斷設(shè)備的蒸汽來(lái)路，經(jīng)一段 時(shí)間后，再關(guān)閉變頻器，然后關(guān)閉蒸

31、汽發(fā)生器、儀表電源開(kāi)關(guān)及切斷總電源，清 潔整理實(shí)驗(yàn)室。4.3注意事項(xiàng)（1） 一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣或水，方可開(kāi)啟蒸汽閥門， 且必須在排除蒸汽管線上原先積存的凝結(jié)水后，方可把蒸汽通入套管換熱器中。（2）開(kāi)始通入蒸汽時(shí)，要緩慢打開(kāi)蒸汽閥門，使蒸汽徐徐流入換熱器中， 逐漸加熱，由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”不得少于 10 min。（3）操作過(guò)程中，蒸汽壓力一般控制在 0.2 MPa （表壓）以下，因?yàn)樵诖?條件下壓力比較安全。（4）測(cè)定各參數(shù)時(shí)，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，并且隨時(shí)注意惰氣的排空和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。一般熱穩(wěn)定時(shí)間都至少需保證 5分鐘以上，以保證數(shù)據(jù)的 可靠性。（5）注意本實(shí)驗(yàn)中

32、，冷流體并非循環(huán)使用，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要給水箱連續(xù)通 水源。5思考題（1）實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向，對(duì)傳熱效果有何影響 ？（2）在計(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí)所用到的密度值與求雷諾數(shù)時(shí)的密度值是否 一致？它們分別表示什么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計(jì)算。（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，冷凝水不及時(shí)排走，會(huì)產(chǎn)生什么影響？如何及時(shí)排走冷 凝水？如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì) a關(guān)聯(lián)式有何影響?傳熱實(shí)驗(yàn)二空氣-水蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 了解間壁式傳熱元件。(2) 觀察水蒸氣在管外壁上的冷凝現(xiàn)象，學(xué)習(xí)影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化 傳熱的途徑。(3) 掌握對(duì)流傳熱系數(shù)a的測(cè)定方法。(4) 了解熱電阻測(cè)溫方法、渦輪流量

33、計(jì)測(cè)流量方法，學(xué)會(huì)使用變頻器。2基本原理詳見(jiàn)水-水蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定。3實(shí)驗(yàn)裝置空氣-水蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置如圖 3.3所示：來(lái)自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣 進(jìn)入玻璃套管換熱器環(huán)隙，與來(lái)自風(fēng)機(jī)的空氣在套管換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，冷凝水經(jīng)疏水器排入地溝。冷空氣經(jīng)孔板流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管(紫銅管)，熱交換后排出裝置外。裝置參數(shù)中：紫銅管規(guī)格 21 x 2.5m m，長(zhǎng)度為1m。圖3.3空氣-水蒸氣換熱實(shí)驗(yàn)流程4實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)4.1操作步驟(1) 檢查儀表、水泵、蒸汽發(fā)生器及測(cè)溫點(diǎn)是否正常，檢查蒸氣調(diào)節(jié)閥是否關(guān)閉（2）打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)、儀表電源開(kāi)關(guān)（由指導(dǎo)老師啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器和打開(kāi) 蒸氣總閥）。（3）先開(kāi)

34、差壓變送器下方的平衡閥，將孔板流量計(jì)前后壓差置零，再打開(kāi) 風(fēng)機(jī)電源。若風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)檔撥向“直接”，則表示手動(dòng)檔控制，須通過(guò)冷流體入口 管處的 冷流體閥門”來(lái)調(diào)節(jié)空氣流量。（4）打開(kāi)熱交換器進(jìn)出口的兩個(gè)“不凝性氣體排放閥門”，實(shí)驗(yàn)中也保持 一定開(kāi)度。打開(kāi)“冷凝水閥門”，共有兩個(gè)閥門，長(zhǎng)直管段的和短直管段均要打 開(kāi)，可觀察到冷凝水排出。然后，將短直管段的冷凝水閥門關(guān)閉，此時(shí)方可打開(kāi)“熱流體閥門”，從而使得蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽通入系統(tǒng)中。此時(shí)可觀察到系 統(tǒng)中的對(duì)流交換，以及冷凝水的排出情況。（5） 仔細(xì)調(diào)節(jié)進(jìn)系統(tǒng)蒸氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使蒸汽壓力穩(wěn)定保持在O.IMPa左右（可通過(guò)微調(diào)惰性氣體排空閥使壓力達(dá)到需

35、要的值），以保證在恒壓條件下操作，再根據(jù)測(cè)試要求，由大到小逐漸調(diào)節(jié)空氣流量手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度， 合理確 定6個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。待流量和熱交換穩(wěn)定后，分別讀取冷流體流量、冷流體進(jìn)出口溫 度、冷流體進(jìn)出口壁溫以及蒸汽溫度；（6）實(shí)驗(yàn)終了，首先關(guān)閉蒸氣調(diào)節(jié)閥，切斷設(shè)備的蒸汽來(lái)路，關(guān)閉蒸汽發(fā) 生器（由指導(dǎo)老師完成）、儀表電源開(kāi)關(guān)及切斷總電源。4.2自動(dòng)操作（1）前4步準(zhǔn)備工作同手動(dòng)操作。（2）打開(kāi)對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn) MCGS組態(tài)文件，進(jìn)入“對(duì)流給熱系數(shù)測(cè) 定實(shí)驗(yàn)軟件”界面，點(diǎn)擊“對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)”按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面。（3）當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒后單擊“開(kāi)始按鈕”開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試要求，由大到小逐漸調(diào)節(jié)變頻器，控制

36、水流量， 合理確定6個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，待穩(wěn)定后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)自 動(dòng)采集或分別從數(shù)顯表上讀取冷流體流量、冷流體進(jìn)出口溫度、冷流體進(jìn)出口壁溫以及蒸汽溫度。（4）當(dāng)測(cè)好所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)后單擊“停止”按鈕停止實(shí)驗(yàn)。若實(shí)驗(yàn)完畢單 擊“退出實(shí)驗(yàn)”。回到“對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)軟件”界面，再單擊“退出實(shí)驗(yàn)” 按鈕退出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。（5）實(shí)驗(yàn)終了，首先關(guān)閉蒸氣進(jìn)口調(diào)節(jié)閥，切斷設(shè)備的蒸汽來(lái)路，經(jīng)一段 時(shí)間后，再關(guān)閉變頻器，然后關(guān)閉蒸汽發(fā)生器、儀表電源開(kāi)關(guān)及切斷總電源。清 潔整理實(shí)驗(yàn)室。4.3注意事項(xiàng)（1） 一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣或水，方可開(kāi)啟蒸汽閥門， 且必須在排除蒸汽管線上原先積存的凝結(jié)水后，方可把蒸汽通入套管換熱

37、器中。（2）開(kāi)始通入蒸汽時(shí)，要緩慢打開(kāi)蒸汽閥門，使蒸汽徐徐流入換熱器中， 逐漸加熱，由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”不得少于 10 min。（3） 操作過(guò)程中，蒸汽壓力一般控制在 0.2 MPa （表壓）以下，因?yàn)樵诖?條件下壓力比較安全。（4）測(cè)定各參數(shù)時(shí)，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，并且隨時(shí)注意惰氣的排空和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。一般熱穩(wěn)定時(shí)間都至少需保證 5分鐘以上，以保證數(shù)據(jù)的 可靠性。5思考題（1）實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向，對(duì)傳熱效果有何影響 ？（2）在計(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí)所用到的密度值與求雷諾數(shù)時(shí)的密度值是否 一致？它們分別表示什么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計(jì)算。（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，冷凝水不及時(shí)排

38、走，會(huì)產(chǎn)生什么影響？如何及時(shí)排走冷 凝水？如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì) a關(guān)聯(lián)式有何影響?傳熱實(shí)驗(yàn)三傳熱綜合(空氣和水蒸汽)實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 了解間壁式傳熱元件。(2) 觀察水蒸氣在管外壁上的冷凝現(xiàn)象，學(xué)習(xí)影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化 傳熱的途徑。(3) 掌握對(duì)流傳熱系數(shù)a的測(cè)定方法。(4) 并應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式 Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的 值。(5) 通過(guò)對(duì)管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣-水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研 究，測(cè)定其強(qiáng)化比Nu/Nuo, 了解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。2基本原理2.1光滑套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的測(cè)定2.1.1對(duì)流傳熱系數(shù)a

39、的測(cè)定在該傳熱實(shí)驗(yàn)中，空氣走內(nèi)管，蒸氣走外管對(duì)流傳熱系數(shù)a可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定:(3.7)QiAtm S式(3.7)中：a管內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù)， W/(m2?Oc)； Qi管內(nèi)傳熱速率,W; S 管內(nèi)換熱面積，m2; ?tm 內(nèi)壁面與流體間的溫差，°CLtm=twtl t2(3.8)°C; tw壁面平均溫度，氏m由下式確定:式(3.8)中：ti，t2冷流體的入口、出口溫度,°C。因?yàn)閾Q熱器內(nèi)管為紫銅管，其導(dǎo)熱系數(shù)很大，且管壁很薄，故認(rèn)為內(nèi)壁溫度、 外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用 tw來(lái)表示。管內(nèi)換熱面積為:Si =總 di Li(3.9)式(3.

40、9)中：di內(nèi)管管內(nèi)徑，m； Li 傳熱管測(cè)量段的實(shí)際長(zhǎng)度，m。熱量衡算式:Qi = WmCP m (t2 -"tj(3.10)其中質(zhì)量流量由下式求得:(3.11)3600m3/h； Cpm 流式(3.10)、(3.11): Vm 冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量， 體的定壓比熱，kJ/(kgbc)； p 冷流體的密度，kg /m3。Cpm和p可根據(jù)定性溫度tm查得，tm=t1+t2為冷流體進(jìn)出口平均溫度。t1,t2, tw和Vm可米取一定的測(cè)量手段得到。2.1.2對(duì)流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)確定流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，被加熱狀態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為:Nu 二 ARem Prn(3.12)

41、其中:NuRe = u md i PmPr = CPmm卜m ，一物性數(shù)據(jù) 亦、Cpm、可根據(jù)定性溫度tm查得。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，對(duì)于管內(nèi) 被加熱的空氣，普蘭特準(zhǔn)數(shù) Pr變化不大，可以認(rèn)為是常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡(jiǎn) 化為:(3.13)Nu 二 ARem Pr0.4這樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同流量下的 Re與Nu,然后用線性回歸方法確定 A和m 的值。2.1.3空氣流量的測(cè)量空氣流量計(jì)由孔板與差壓變送器和二次儀表組成。該孔板流量計(jì)在20 °C時(shí)標(biāo)定的流量和壓差的關(guān)系式為：V20 =6.639 ( ：p)0.5(3.14)流量計(jì)在實(shí)際使用時(shí)往往不是 20 °C,此時(shí)需要對(duì)該讀數(shù)進(jìn)行校正：Vt

42、i：1（3.15）V273 + 20式（3.14）、（3.15）中：？P孔板流量計(jì)兩端壓差，KPa； V2020 °C時(shí)體 積流量，m3/h; Vt1流量計(jì)處體積流量，也是空氣入口體積流量， m3/h; t1流 量計(jì)處溫度，也是空氣入口溫度，°C。由于換熱器內(nèi)溫度的變化，傳熱管內(nèi)的體積流量需進(jìn)行校正：Vm 汕 273 tm（3.16）2 7t1式（3.16）: Vm傳熱管內(nèi)平均體積流量，m3/h； tm傳熱管內(nèi)平均溫度，°C。2.2強(qiáng)化套管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強(qiáng)化比的測(cè)定強(qiáng)化傳熱又被學(xué)術(shù)界稱為第二代傳熱技術(shù)，它能減小初設(shè)計(jì)的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重

43、量；提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差 下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動(dòng)力消耗，更有效地利用能源和資金。強(qiáng)化傳熱的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋線 圈的方法來(lái)強(qiáng)化傳熱的。螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖3.4。旋線圈由直徑3 mm以下的銅絲和鋼絲按一定 節(jié)距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內(nèi)，即可構(gòu)成一種強(qiáng)化傳熱管。在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動(dòng)，因而可以使傳熱強(qiáng)化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細(xì)， 流體旋流強(qiáng)度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)省能源。螺旋線圈是以線圈節(jié)距H與管內(nèi)徑d的比值技術(shù)參數(shù)，且長(zhǎng)

44、徑比是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素。 科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為 Nu=BRem的經(jīng)驗(yàn)公式，其中B和m的值因螺 旋絲尺寸不同而不同。圖3.4線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用和光滑套管同樣的實(shí)驗(yàn)方法確定不同流量下得Re與Nu,用線性回歸方法可確定B和m的值。單純研究強(qiáng)化手段的強(qiáng)化效果(不考慮阻力的影響)，可以用強(qiáng)化比的概念 作為評(píng)判準(zhǔn)則，它的形式是：Nu/Nuo, Nu是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，Nuo是光滑管 的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比 Nu/Nuo> 1而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好。3實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：表1實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di (mm)20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do (mm)2

45、2.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di (mm)50實(shí)驗(yàn)外管外徑Do (mm)57.0測(cè)量段(紫銅內(nèi)管)長(zhǎng)度L (m)1.00加熱釜操作電壓< 200 伏傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置如圖3.5所示Llhnr 7tKlJ圖3.5空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)流程1-普通套管換熱器；2-內(nèi)插有螺旋線圈的強(qiáng)化套管換熱器； 3-蒸汽發(fā)生器；4-旋渦氣泵；5- 變頻器；6-孔板流量計(jì)；7、8-空氣支路控制閥；9、10-蒸汽支路控制閥；11、12-蒸汽放空 口； 13-蒸汽上升主管路；14-加水口； 15-放水口； 16-液位計(jì)；17-冷凝液回流口； 18-儲(chǔ)槽4實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)4.1實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備，檢查工作（1）向電加熱釜加水至液

46、位計(jì)上端紅線處。（2）檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開(kāi)。（3）檢查蒸氣管支路各控制閥是否已打開(kāi)。保證蒸汽和空氣管線的暢通。（4）接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動(dòng)電加熱器開(kāi)關(guān)，開(kāi)始加熱。4.2實(shí)驗(yàn)開(kāi)始（1） 關(guān)閉通向強(qiáng)化套管的閥門9,打開(kāi)通向簡(jiǎn)單套管的閥門10,當(dāng)簡(jiǎn)單套 管換熱器的放空口 11有水蒸氣冒出時(shí)，可啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，此時(shí)要關(guān)閉閥門 7,打開(kāi) 閥門&在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣冒出。（2）啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后用變頻器5來(lái)調(diào)節(jié)流量，調(diào)好某一流量后穩(wěn)定5-10分鐘后，分別測(cè)量空氣的流量，空氣進(jìn)、出口的溫度及壁面溫度。然后，改變流量測(cè)量下 組數(shù)據(jù)。一般從小流量到最大流量之間，測(cè)量56組數(shù)

47、據(jù)。(3) 做完簡(jiǎn)單套管換熱器的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行強(qiáng)化管換熱器實(shí)驗(yàn)。先打開(kāi)蒸汽 支路閥9,停止變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)閉蒸汽支路閥10，關(guān)閉空氣支路閥8,打開(kāi)空氣 支路閥7,進(jìn)行強(qiáng)化管傳熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法同步驟(2)。(4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱電源、風(fēng)機(jī)和總電源，一切復(fù)原。4.3注意事項(xiàng)(1) 檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。 特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后， 進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過(guò)低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)給水量。(2) 必須保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽 支路閥門之一必須全開(kāi)。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開(kāi)啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)， 且開(kāi)啟和關(guān)閉閥門必須緩慢，防止管線截?cái)嗷蛘羝麎毫^(guò)大突

48、然噴出。(3) 必須保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，兩個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥必須全開(kāi)。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開(kāi)啟和關(guān)閉支路閥。(4) 調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定 510分鐘后讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(5) 實(shí)驗(yàn)中保持上升蒸汽量的穩(wěn)定，不應(yīng)改變加熱電壓，且保證蒸汽放空 口一直有蒸汽放出。5思考題(1) 實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向，對(duì)傳熱效果有何影響 ？(2) 在計(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí)所用到的密度值與求雷諾數(shù)時(shí)的密度值是否 一致？它們分別表示什么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計(jì)算。(3) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，冷凝水不及時(shí)排走，會(huì)產(chǎn)生什么影響？如何及時(shí)排走冷凝水？如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實(shí)

49、驗(yàn)，對(duì)a關(guān)聯(lián)式有何影響？實(shí)驗(yàn)四吸收與解吸綜合實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解填料吸收塔、解吸塔的基本結(jié)構(gòu)、性能和特點(diǎn)。（2）練習(xí)并掌握填料塔操作方法。（3）了解氣體通過(guò)填料層的壓降與流速及與噴淋密度的關(guān)系（4）學(xué)習(xí)并掌握總傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定方法。（5）掌握操作條件對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響規(guī)律。2基本原理2.1填料塔流體力學(xué)特性氣體通過(guò)干填料層時(shí)，流體流動(dòng)引起的壓降和湍流流動(dòng)引起的壓降規(guī)律相一 致。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中 P/Z對(duì)G，作圖得到一條斜率為1.82的直線（圖4.1 中的aa線）。而有噴淋量時(shí)，在低氣速時(shí)（c點(diǎn)以前）壓降也比例于氣速的1.8 2次幕，但大于同一氣速下干填料的壓降（圖中 be段）。隨氣速增加，出現(xiàn)

50、載點(diǎn)（圖中e點(diǎn)），持液量開(kāi)始增大。圖中不難看出載點(diǎn)的位置不是十分明確，說(shuō)明 氣液兩相流動(dòng)的相互影響開(kāi)始出現(xiàn)。壓降氣速線向上彎曲，斜率變徒（圖中 ed段）。當(dāng)氣體增至液泛點(diǎn)（圖中d點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中可以目測(cè)出）后在幾乎不變的氣 速下，壓降急劇上升，此時(shí)液相完全轉(zhuǎn)為連續(xù)相，氣相完全轉(zhuǎn)為分散相，塔內(nèi)液 體返混和氣體的液沫夾帶現(xiàn)象嚴(yán)重，傳質(zhì)效果極差。圖4.1填料層壓降空塔質(zhì)量流速關(guān)系圖測(cè)定填料塔的壓降和液泛氣速是為了計(jì)算填料塔所需動(dòng)力消耗和確定填料 塔的適宜操作范圍，選擇合適的氣液負(fù)荷。 實(shí)驗(yàn)可用空氣與水進(jìn)行。在各種噴淋 量下，逐步增大氣速，記錄必要的數(shù)據(jù)直至剛出現(xiàn)液泛時(shí)止。但必須注意，不要 使氣速過(guò)分超過(guò)泛

51、點(diǎn)，避免沖跑和沖破填料。2.2以液相為基準(zhǔn)的總體積傳質(zhì)系數(shù) KYa的測(cè)定本實(shí)驗(yàn)考查水對(duì)于二氧化碳的吸收性能， 對(duì)于水而言，二氧化碳屬于難溶性 氣體，平衡常數(shù) m值大，平衡線很陡，吸收過(guò)程傳質(zhì)阻力主要集中在液相，屬 于液相擴(kuò)散控制過(guò)程（或液膜控制過(guò)程），因此，以液相為基準(zhǔn)的總體積傳質(zhì)系 數(shù)近似等于液相總體積傳質(zhì)系數(shù)，即：(4.1)總體積傳質(zhì)系數(shù),通過(guò)式（4.2）計(jì)算液相總體積傳質(zhì)系數(shù)：_Vl Ca1 Ca2、xa (4.2)式（4.1）中：Kxa 以液相為基準(zhǔn)的總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m3 s）; ka 液相 kmol/m3 s。kxa ZS .CAm（4.2）式中：Vl吸收液流量，m3/s

52、； Z填料層高度，m； S填料塔截面 積，m2； Ca1 塔底吸收液中二氧化碳濃度，kmol/ m3； Ca2塔頂吸收液中二氧 化碳濃度，kmol/ m3； CAm 液相平均推動(dòng)力，kmol/ m3。液相平均推動(dòng)力的計(jì)算見(jiàn)下式:(4.3)(4.4)_ Ca2 Ca1(Ca2 CA2 ) - (Ca1 -CA1)5=7C-InCACA2CA1 -CA1ln空=-CA1對(duì)于本實(shí)驗(yàn)考查的純水吸收二氧化碳，有:Ca!=Ca2=hPa式（4.4）中H溶解度系數(shù)，kmol/（m3 Pa）; Pa 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓,Pa。對(duì)于稀溶液而言，因?yàn)槿苜|(zhì)的濃度很小，因此式（4.5）中二氧化碳的溶解(4.5)度

53、系數(shù)計(jì)算方法近似等于:H -Ms E式（4.5）中：p溶劑密度，Kg/m3； p溶解的相對(duì)分子質(zhì)量，g/mol;E為特定溫度下，二氧化碳溶解于水中的亨利系數(shù)，Pa。聯(lián)立（4.1）（4.5）式，可以得到以液相為基準(zhǔn)的總體積傳質(zhì)系數(shù)值。3實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4.2:吸收質(zhì)（純二氧化碳?xì)怏w或與空氣混合氣）由鋼瓶經(jīng) 二次減壓閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)15計(jì)量后，由塔底進(jìn)入吸收塔內(nèi)，氣體自下而上經(jīng)過(guò) 填料層，與吸收劑純水逆流接觸進(jìn)行吸收操作， 尾氣從塔頂放空；吸收劑經(jīng)轉(zhuǎn)子 流量計(jì)14計(jì)量后由塔頂進(jìn)入噴灑而下；吸收二氧化碳后的溶液流入塔底液料儲(chǔ) 罐中儲(chǔ)存，再由吸收液泵 3經(jīng)流量計(jì)7計(jì)量后進(jìn)入解吸塔，空氣由 6流量計(jì)

54、控 制流量進(jìn)入解吸塔塔底，自下而上經(jīng)過(guò)填料層與液相逆流接觸對(duì)吸收液進(jìn)行解 吸，解吸后氣體自塔頂放空。U形液柱壓差計(jì)用來(lái)測(cè)量填料層兩端的壓強(qiáng)降。圖4.2二氧化碳吸收-解吸實(shí)驗(yàn)流程31-解吸液水箱；2-解吸液液泵；3-吸收液液泵；4-風(fēng)機(jī)；5-空氣旁通閥；6-空氣流量計(jì)；7-吸收液流量計(jì)； 8-吸收塔；9-吸收塔塔底取樣閥；10、11-U型壓差計(jì)；12-解吸塔；13- 解吸塔塔底取樣閥； 14-解吸液流量計(jì)；15- CO2流量計(jì)；16-吸收用空氣流量計(jì)； 17-吸收用氣泵；18- CO2鋼瓶；19、21-水箱放水閥；20-減壓閥；22-吸收液水箱；23-放水閥；24-回水閥4實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)4.

55、1實(shí)驗(yàn)步驟4.1.1測(cè)量解吸塔干填料層（ P/Z）u關(guān)系曲線先全開(kāi)空氣旁路調(diào)節(jié)閥5,啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，（先全開(kāi)閥5和空氣流量計(jì)閥，再利 用閥5調(diào)節(jié)進(jìn)入解吸塔內(nèi)的空氣流量，空氣流量從小到大）。讀取填料層壓降P （U形液柱壓差計(jì)11）,然后在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上以空塔氣速 u為橫坐標(biāo)，以單位高 度的壓降厶P/Z為縱坐標(biāo)，標(biāo)繪干填料層（ P/Z）u關(guān)系曲線。4.1.2測(cè)量吸收塔在噴淋狀態(tài)下填料層（ P/Z）u關(guān)系曲線將水流量固定在100 L/h （水流量大小因設(shè)備而定），然后米用上面相同步驟 調(diào)節(jié)空氣流量，并讀取填料層壓降 P、轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)和流量計(jì)處空氣溫度， 注意觀察塔內(nèi)操作現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，立即記下對(duì)應(yīng)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)。 在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)出液體噴淋量為 100 L/h時(shí)的（ P/Z）u關(guān)系曲線，在圖上 確定液泛氣速，并與觀察的液泛氣速相比較是否吻合。4.1.3二氧化碳吸收傳質(zhì)系數(shù)測(cè)定吸收塔與解吸塔（水流量為40 L/h）（1） 打開(kāi)閥門5,關(guān)閉閥門9、13。（2）啟動(dòng)吸收液泵2將水經(jīng)水流量計(jì)14計(jì)量后打入吸收塔中，然后打開(kāi)二氧化