化工原理實驗講義(上)

1、實驗一 流體摩擦阻力系數(shù)測定一、實驗?zāi)康募叭蝿?wù)1、學(xué)習(xí)流體在管道內(nèi)摩擦阻力及摩擦阻力系數(shù)的測定方法；2、確定摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)Re和相對粗糙度之間的關(guān)系；3、在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪出Re曲線并與莫迪圖進(jìn)行比較；4、測定局部（閥門）阻力系數(shù)。二、實驗基本原理由于有粘性和渦流的影響，流體流動時會產(chǎn)生流動阻力。其大小與管子的長度、直徑、流體流速和管道摩擦阻力系數(shù)有關(guān)。本實驗分為直管摩擦系數(shù)l和局部（閥門）阻力系數(shù)兩種情況。1、直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re的測定直管的摩擦阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)，即，對一定的相對粗糙度而言，。流體在一定長度等直徑的水平圓管內(nèi)流動時，其管路阻力引起的能量損失為： （

2、1-1）又因為摩擦阻力系數(shù)與阻力損失之間有如下關(guān)系（范寧公式） （1-2）整理（1-1）（1-2）兩式得 （1-3）（1-4）式中：管徑，m ；直管阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；管長，m；流速，m / s；流體的密度，kg / m3；流體的粘度，N·s / m2。 在實驗裝置中，直管段管長l和管徑d都已固定。若水溫一定，則水的密度和粘度也是定值。所以本實驗實質(zhì)上是測定直管段流體阻力引起的壓強(qiáng)降與流速（流量V）之間的關(guān)系。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和式（1-3）可計算出不同流速下的直管摩擦系數(shù)，用式（1-4）計算對應(yīng)的Re，從而整理出直管摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系，繪出與Re的關(guān)系曲線。2、局部（閥門）阻力系

3、數(shù)的測定（1-5）（1-6）式中：局部阻力系數(shù)，無因次；局部阻力引起的壓強(qiáng)降，Pa；局部阻力引起的能量損失，Jkg。圖1-1 局部阻力測量取壓口布置圖局部阻力引起的壓強(qiáng)降 可用下面的方法測量：在一條各處直徑相等的直管段上，安裝待測局部阻力的閥門，在其上、下游開兩對測壓口a-a和b-b，見圖1-1，使 abbc ； abbc則 Pf，a b Pf，bc ；Pf，ab= Pf，bc 在aa之間列柏努利方程式： PaPa=2Pf，a b+2Pf，ab+Pf （1-7） 在bb之間列柏努利方程式：PbPb = Pf，bc+Pf，bc+Pf= Pf，a b+Pf，ab+Pf （1-8） 聯(lián)立式（1-7）

4、和（1-8），則：2（PbPb）（PaPa）為了實驗方便，稱（PbPb）為近點壓差，稱（PaPa）為遠(yuǎn)點壓差。用差壓傳感器來測量。三、實驗裝置及流程實驗流程示意圖見圖1-2。水泵2將儲水槽1中的水抽出，送入實驗系統(tǒng)，首先經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥14、玻璃轉(zhuǎn)子流量計15、16測量流量，然后送入被測直管段測量流體在光滑管或粗糙管的流動阻力；或經(jīng)閥門10測量局部阻力后回到儲水槽，水循環(huán)使用。被測直管段流體流動阻力p可根據(jù)其數(shù)值大小分別采用變送器12或空氣-水倒置型管22來測量。圖1-2 流動阻力實驗流程示意圖1-水箱；2-離心泵；3、4-放水閥；5、13-緩沖罐；6-局部阻力近端測壓閥；7、15-局部阻力遠(yuǎn)端測

5、壓閥；8、20-粗糙管測壓閥；9、19-光滑管測壓閥；10-局部阻力管閥；11-U型管進(jìn)水閥；12-壓力傳感器；14-流量調(diào)節(jié)閥； 15、16-水轉(zhuǎn)子流量計；17-光滑管閥；18-粗糙管閥；21-倒置U型管放空閥；22-倒置U型管；23-水箱放水閥；24-管線放水閥；25-壓差表；26-溫度表；27-泵開關(guān)；28-總電源開關(guān)本實驗共有8套實驗設(shè)備，其主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下: 被測光滑直管段：設(shè)備編號管徑d/ m管長L/ m材料10.0081491.700Cr18Ni920.0080101.700Cr18Ni930.0081611.700Cr18Ni940.0080161.700Cr18Ni950.0

6、081521.700Cr18Ni960.0081501.700Cr18Ni970.0080501.700Cr18Ni980.0080581.700Cr18Ni92. 被測粗糙直管段： 管徑 d0.010m； 管長L1.70m； 材料不銹鋼管3被測局部阻力直管段： 管徑 d0.015m； 管長 L1.2m； 材料不銹鋼管4壓力傳感器： 型號：LXWY 測量范圍： 200 KPa5 .直流數(shù)字電壓表： 型號：PZ139 測量范圍：0 200 KPa6離心泵： 型號： WB70/055 流量： 8 m3h 揚(yáng)程： 12 m 電機(jī)功率：550 W 7. 玻璃轉(zhuǎn)子流量計：型 號測量范圍/ Lh-1精度L

7、ZB4010010001.5LZB10101002.5四、實驗步驟及注意事項1、實驗步驟向儲水槽內(nèi)注水，直到水滿為止。全關(guān)出口閥門14，啟動離心泵。1) 光滑管阻力測定：關(guān)閉局部阻力管閥10、局部阻力近端測壓閥6；局部阻力遠(yuǎn)端測壓閥7、15；關(guān)閉粗糙管閥18、粗糙管測壓進(jìn)水閥20、粗糙管測壓回水閥8，將光滑管閥17全開。在流量為零條件下，打開光滑管測壓進(jìn)水閥19和回水閥9，旋開倒置U型管進(jìn)水閥11，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)行趕氣泡操作。導(dǎo)壓系統(tǒng)如圖1-3所示。趕氣泡操作方法如下：開大控制閥門開度，使倒置U型管內(nèi)液體充分流動，以趕

8、出管路內(nèi)的氣泡；若認(rèn)為氣泡已趕凈，將流量閥關(guān)閉；慢慢旋開倒置U型管上部的放空閥21，打開閥3、4，使液柱降至零點上下時馬上關(guān)閉，管內(nèi)形成氣-水柱，此時管內(nèi)液柱高度差應(yīng)為零。然后關(guān)閉放空閥21。 該裝置兩個轉(zhuǎn)子流量計并聯(lián)連接，根據(jù)流量大小選擇不同量程的流量計測量流量。 差壓變送器與倒置U型管也是并聯(lián)連接，用于測量直管段的壓差，小流量時用倒置型管壓差計測量，大流量時用差壓變送器測量。應(yīng)在最大流量和最小流量之間進(jìn)行實驗，一般測取1015組數(shù)據(jù)。建議當(dāng)流量小于100Lh時，只用倒置型管來測量壓差。2) 粗糙管阻力測定關(guān)閉閥17、光滑管測壓進(jìn)水閥19、光滑管測壓回水閥9，全開閥18，旋開粗糙管測壓進(jìn)水閥

9、20、粗糙管測壓回水閥8，逐漸調(diào)大流量調(diào)節(jié)閥，趕出導(dǎo)壓管內(nèi)氣泡。 從小流量到最大流量，一般測取1520組數(shù)據(jù)。 直管段的壓差用差壓變送器測量。光滑管和粗糙管直管阻力的測定使用同一差壓變送器，當(dāng)測量光滑管直管阻力時，要把通向粗糙管直管阻力的閥門關(guān)閉；同樣當(dāng)測量粗糙管直管阻力時，要把通向光滑管直管阻力的閥門關(guān)閉。圖1-3 導(dǎo)壓系統(tǒng)示意圖13-粗糙管測壓進(jìn)水閥；14-直管壓力傳感器；15-粗糙管測壓回水閥；16-光滑管測壓回水閥；17-光滑管測壓進(jìn)水閥；18-U型管進(jìn)水閥；19-排水閥；20-U型管出水閥；21-U型管放空閥3) 局部阻力測定關(guān)閉閥門17和18，全開或半開閥門10，改變流量，用差壓變

10、送器測量遠(yuǎn)點、近點壓差。遠(yuǎn)點、近點壓差的測量使用同一差壓變送器。當(dāng)測量遠(yuǎn)點壓差時，要把通向近點壓差的閥門關(guān)閉；同樣當(dāng)測量近點壓差時，要把通向遠(yuǎn)點壓差的閥門關(guān)閉。4) 測取水箱內(nèi)水的溫度。5) 待數(shù)據(jù)測量完畢，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵。2、實驗注意事項1）直流數(shù)字表操作方法請仔細(xì)閱讀說明書后，方可使用。2）較長時間未做實驗，啟動離心泵之前應(yīng)先盤軸轉(zhuǎn)動，否則易燒壞電機(jī)。3）啟動離心泵之前，以及從光滑管阻力測量過渡到其它測量之前，都必須檢查所有流量調(diào)節(jié)閥是否關(guān)閉。4）在實驗過程中每調(diào)節(jié)一個流量之后應(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）利用壓力傳感器測量大流量下P時，應(yīng)切斷空氣水倒置型玻璃管的

11、閥門18、20否則影響測量數(shù)值。6）大流量狀態(tài)下的壓差測量系統(tǒng)，應(yīng)先接電預(yù)熱1015分鐘，調(diào)好數(shù)字表的零點，然后啟動泵進(jìn)行實驗。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理1、將實驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果列在表格中。表1-1 實驗原始數(shù)據(jù)記錄表實驗裝置編號：_ 實驗水溫：T_水溫： 管徑： 管長： 密度： 黏度：序號流量直管壓降(表示)U形管讀數(shù)l/hkPaR1/mmR2/mm1234562、寫出計算示例，即以某一組數(shù)據(jù)為例寫出計算過程。3、在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪出Re關(guān)系曲線并與莫迪圖進(jìn)行比較。4、求本實驗條件下層流區(qū)光滑管Re關(guān)系式，并與理論公式比較。六、思考及討論1、在測量前為什么要將設(shè)備中的空氣排盡？怎樣才能迅

12、速地排盡？2、以水為介質(zhì)做出的Re關(guān)系曲線，能否適用于其他流體？為什么？3、在不同設(shè)備上（包括相對粗糙度相同而管徑不同）、不同溫度下測定的數(shù)據(jù)是否能關(guān)聯(lián)在一條曲線上？為什么？實驗二.流量計標(biāo)定一、實驗?zāi)康?了解孔板流量計、文丘里流量計及渦輪流量計的構(gòu)造、工作原理和主要特點。2練習(xí)并掌握節(jié)流式流量計的標(biāo)定方法，3練習(xí)并掌握節(jié)流式流量計流量系數(shù)C的確定方法，并能夠根據(jù)實驗結(jié)果分析流量系數(shù)C隨雷諾數(shù)Re的變化規(guī)律。二、實驗內(nèi)容1測定并繪制節(jié)流式流量計的流量標(biāo)定曲線，確定節(jié)流式流量計流量系數(shù)C2分析實驗數(shù)據(jù)，得出節(jié)流式流量計流量系數(shù)C隨雷諾數(shù)Re的變化規(guī)律。三、實驗原理流體通過節(jié)流式流量計時在流量計上

13、、下游兩取壓口之間產(chǎn)生壓強(qiáng)差，它與流量的關(guān)系為： 式中：被測流體(水)的體積流量，m3/s；流量系數(shù)，無因次； 流量計節(jié)流孔截面積，m2；流量計上、下游兩取壓口之間的壓強(qiáng)差，Pa ； 被測流體(水)的密度，kgm3 。 用渦輪流量計作為標(biāo)準(zhǔn)流量計來測量流量VS。每個流量在壓差計上都有一個對應(yīng)的讀數(shù)，測量一組相關(guān)數(shù)據(jù)并作好記錄，以壓差計讀數(shù)P為橫坐標(biāo)，流量Vs為縱坐標(biāo)，在半對數(shù)坐標(biāo)上繪制成一條曲線，即為流量標(biāo)定曲線。同時，通過上式整理數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步得到流量系數(shù)C隨雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系曲線。四、實驗裝置基本情況1實驗設(shè)備流程圖見圖一圖一 流量計實驗流程示意圖1-儲水箱；2-放水閥；3-離心泵；4-

14、排水閥；5-文丘里、孔板流量計調(diào)節(jié)閥；6-轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)閥；7-轉(zhuǎn)子流量計；8-孔板流量計；9，10-孔板測壓進(jìn)出口閥；11-壓差傳感器；12，13-文丘里測壓進(jìn)出口閥；14-文丘里流量計；15-渦輪流量計：16，17-進(jìn)水閥；18-溫度計圖二 實驗裝置儀表面板圖2實驗設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：離心泵：型號WB70/055； 貯水槽：550mm×400mm×450mm；試驗管路：內(nèi)徑48.0 mm； 渦輪流量計：最大流量 6m3/h；文丘里流量計：喉徑15mm； 孔板流量計：喉徑15mm；轉(zhuǎn)子流量計：LZB-40，量程400-4000L/h；溫度計：Pt100數(shù)字儀表顯示； 差壓變

15、送器： 0-200kPa三、實驗方法及步驟1.首先向儲水箱內(nèi)注入蒸餾水至三分之二，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥5、6，啟動離心泵。2.測量文丘里流量計性能，按照流量從小到大順序進(jìn)行實驗。在閥門6、12、13、16全關(guān)的情況下，打開12、13、17閥門，用流量調(diào)節(jié)閥5調(diào)節(jié)流量，讀取并記錄渦輪流量計讀數(shù)和文丘里流量計壓差。3.測量孔板流量計性能，按照流量從小到大順序進(jìn)行實驗。在閥門6、9、10、17全關(guān)的情況下，打開9、10、16閥門，用流量調(diào)節(jié)閥5調(diào)節(jié)流量，讀取并記錄渦輪流量計讀數(shù)和孔板流量計壓差。4.測量轉(zhuǎn)子流量計性能，按照流量從小到大順序進(jìn)行實驗。在閥門5、9、10、12、13全關(guān)，閥門16、17全開的情

16、況下，用流量調(diào)節(jié)閥6調(diào)節(jié)流量，讀取并記錄渦輪流量計讀數(shù)和轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)。通過溫度計讀取并記錄溫度數(shù)據(jù)。5.實驗結(jié)束后，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥5、6，停泵，一切復(fù)原。五、實驗注意事項：1.離心泵啟動前關(guān)閉5、6，避免由于壓力過大將轉(zhuǎn)子流量計的玻璃管打碎。 2.測量轉(zhuǎn)子流量計性能時，另一支路即孔板和文丘里支路調(diào)節(jié)閥5必須關(guān)閉，同樣測量孔板和文丘里流量計性能時，轉(zhuǎn)子流量計支路調(diào)節(jié)閥6必須關(guān)閉。3.實驗水質(zhì)要保證清潔，以免影響渦輪流量計的正常運(yùn)行。六. 附實驗數(shù)據(jù)處理過程舉例：（以文丘里流量計性能測定數(shù)據(jù)第1組為例）文丘里流量計兩端壓差=0.8kPa； 渦輪流量計流量Q=0.9（m3/h）流過管路的流速 0.

17、138（m/s）水的溫度為40，查得=0.64×10-3（pa.s），=991.95（kg / m3）雷諾準(zhǔn)數(shù) =0.875×104流量系數(shù) 用同樣處理方法可以得到表二的其它組數(shù)據(jù)結(jié)果。表一 第一套文丘里流量計性能測定原始數(shù)據(jù)記錄及處理結(jié)果文丘里流量計(kPa)文丘里流量計(Pa)流量Q(m3/h)流速u(m/s)ReCo10.88000.900.13885701.11421.919001.360.209129501.09333.838001.880.289179011.06846.161002.410.370229471.08159.696002.970.45628279

18、1.062612.9129003.450.530328501.064718.1181004.000.614380871.041822.4224004.400.676418961.030926.8268004.840.743460851.0361032.6326005.270.809501791.022表二 第一套孔板流量計性能測定實驗數(shù)據(jù)記錄及處理結(jié)果孔板流量計(kPa)孔板流量計(Pa)流量Q(m3/h)流速u(m/s)ReCo146.4464004.850.745461800.789240.1401004.450.683423720.778333.7337004.020.617382770

19、.767427.7277003.610.554343730.760522.9229003.270.502311360.757617.2172002.800.430266610.748712.6126002.410.370229470.75288.686002.020.310192340.76395.151001.520.233144730.74510220000.940.14489500.736表三：第一套轉(zhuǎn)子流量計性能測定數(shù)據(jù)記錄：轉(zhuǎn)子流量計(L/h)流量Q(m3/h)流速u(m/s)140004.000.885235003.510.776330003.010.666425002.510.5

20、55520002.000.442615001.520.336710000.980.21785000.500.111 圖三 第一套文丘里流量計流量系數(shù)與Re關(guān)系圖 圖四 第一套文丘里流量計標(biāo)定曲線圖五 第一套孔板流量計流量系數(shù)與Re關(guān)系圖 圖六 第一套孔板流量計標(biāo)定曲線 圖七 第一套轉(zhuǎn)子流量計標(biāo)定曲線實驗三 離心泵特性曲線的測定一、實驗?zāi)康呐c任務(wù)1、了解離心泵的結(jié)構(gòu)特點，熟悉并掌握離心泵的工作原理和操作方法；2、測定離心泵在一定轉(zhuǎn)速下的特性曲線。二、實驗基本原理離心泵是一種液體輸送機(jī)械，它籍助于泵的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，使充滿在泵體內(nèi)的液體在離心力的作用下，從葉輪中心被甩至邊緣，在此過程中液體獲得能量，

21、提高了靜壓能和動能。液體在離開葉輪進(jìn)入殼體時，由于流動截面積的增大，部分動能變成靜壓能，進(jìn)一步提高了靜壓能。流體獲得能量的多少，不僅取決于離心泵的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速，而且與流體的密度有關(guān)。當(dāng)離心泵內(nèi)存在空氣，空氣的密度遠(yuǎn)比液體的小，使離心泵所產(chǎn)生的離心力不足以在泵的進(jìn)口處形成所需的真空度，無法吸入液體，該現(xiàn)象稱為“氣縛”。為了保證離心泵的正常操作，在啟動前必須在離心泵和吸入管路內(nèi)充滿液體，并確保運(yùn)轉(zhuǎn)過程中盡量不使空氣漏入。離心泵的主要性能參數(shù)是揚(yáng)程H、流量Q、功率N、效率和轉(zhuǎn)速n。在一定的轉(zhuǎn)速下，離心泵的揚(yáng)程、功率、效率均隨流量的大小改變。揚(yáng)程與流量的特性曲線H=f（Q）、功率消耗與流量的特性曲線N=

22、f（Q）、以及效率與流量的特性曲線=f（Q）是離心泵的三條特性曲線。它們與離心泵的設(shè)計、制造有關(guān)，必須由實驗測定。泵特性曲線的具體測定方法如下： 1、揚(yáng)程的測定在泵的吸入口和壓出口之間列柏努利方程： （3-1） （3-2）上式中是泵的吸入口和壓出口之間管路內(nèi)的流體流動阻力，與柏努力方程中其它項比較，值很小，故可忽略。于是上式變?yōu)椋?(3-3)將測得的和的值以及計算所得的代入上式即可求得H的值。2、軸功率的測定功率表測得的功率為電動機(jī)的輸入功率。由于泵由電動機(jī)直接帶動，傳動效率可視為1，所以電動機(jī)的輸出功率等于泵的軸功率。即：泵的軸功率N=電動機(jī)的輸出功率，kw電動機(jī)的輸出功率=電動機(jī)的輸入功率

23、×電動機(jī)的效率。泵的軸功率=功率表的讀數(shù)×電動機(jī)效率，kw。3、效率的測定 (3-4) (3-5)式中：泵的效率；N泵的軸功率，kwNe泵的有效功率kw；H泵的壓頭，mQ泵的流量，m3/s；水的密度，kg/m3三、實驗裝置與流程水泵2將水槽1內(nèi)的水輸送到實驗系統(tǒng)，用流量調(diào)節(jié)閥8調(diào)節(jié)流量，流體經(jīng)渦輪流量計5計量后，流回儲水槽。流程示意圖見圖3-1。實驗設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下：離心泵：流量Q=1.27.2 m3/h ，揚(yáng)程H=1419m ，軸功率N=550w真空表測壓位置管內(nèi)徑d入=0.030m壓強(qiáng)表測壓位置管內(nèi)徑d出=0.030m真空表與壓強(qiáng)表測壓口之間的垂直距離h =0.35

24、5m實驗管路d=0.050m電機(jī)效率為60% 圖3-1 離心泵性能測定實驗裝置流程示意圖1-水箱 2-離心泵 3-真空表 4-出口壓力表 5-渦輪流量計6-溫度計7-排水閥計 8-流量調(diào)節(jié)閥 9-流量表10-功率表 11-流體溫度表 12-變頻器 13-總電源關(guān) 14-總電源開關(guān) 15 底閥四、實驗步驟及注意事項1、實驗步驟1）向儲水槽1內(nèi)注入蒸餾水。水位最好沒過回水出口，避免震動。2）檢查流量調(diào)節(jié)閥8，壓力表4及真空表3的開關(guān)應(yīng)關(guān)閉。3）啟動實驗裝置總電源，啟動離心泵，緩慢打開調(diào)節(jié)閥8至全開。待系統(tǒng)內(nèi)流體穩(wěn)定，打開壓力表和真空表的開關(guān)，方可測取數(shù)據(jù)。4）調(diào)節(jié)流量，測取數(shù)據(jù)。可從0至最大流量。

25、一般測1215組數(shù)據(jù)。5）每次在穩(wěn)定的條件下同時記錄：流量、壓力表、真空表、功率表的讀數(shù)及流體溫度。6）實驗結(jié)束，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵，切斷電源。2、注意事項1）該裝置電路采用五線三相制配電，實驗設(shè)備應(yīng)良好地接地。2）啟動離心泵前，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，壓力表和真空表的開關(guān)以免損壞渦輪流量計和壓強(qiáng)表。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理1、將實測數(shù)據(jù)記入表3-1；2、將所取得的實驗數(shù)據(jù)及通過計算求得的各參數(shù)在坐標(biāo)紙上作出以下三條特性曲線：揚(yáng)程和流量的特性曲線H Q；軸功率消耗和流量的特性曲線NQ；效率和流量的特性曲線Q；表3-1 原始數(shù)據(jù)記錄表實驗裝置編號：_ 實驗水溫：T_序號流量ls壓力表MPa真空表MP

26、a功率kW轉(zhuǎn)速rpm六、思考及討論1、離心泵在啟動前為什么要引水灌泵？如果已經(jīng)引水灌泵了，但離心泵還是啟動不起來，你認(rèn)為可能是什么原因？2、為什么離心泵啟動時要關(guān)閉出口閥和拉下功率表的開關(guān)？3、為什么調(diào)節(jié)離心泵的出口閥可調(diào)節(jié)其流量？這種方法有什么優(yōu)缺點？是否還有其它方法調(diào)節(jié)泵的流量？4、正常工作的離心泵，在其進(jìn)口管上設(shè)閥門是否合理？為什么？5、為什么在離心泵的進(jìn)口管下安裝底閥？從節(jié)能觀點上看，底閥的設(shè)置是否有利？你認(rèn)為應(yīng)如何改進(jìn)？ 實驗四 恒壓過濾常數(shù)的測定一、實驗?zāi)康募叭蝿?wù)1、了解板框壓濾機(jī)的構(gòu)造，學(xué)會板框壓濾機(jī)的操作方法；2、在恒壓操作時測定過濾常數(shù)K，qe，e，并以實驗所得結(jié)果驗證過濾方

27、程式；3、測定壓縮指數(shù)s和物料特性常數(shù)k；4、了解操作壓力對過濾速率的影響；5、了解壓力定值調(diào)節(jié)閥的工作原理和使用方法。二、實驗基本原理過濾是以某種多孔物質(zhì)作為介質(zhì)來處理懸浮液的操作。在外力的作用下，懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截流下來，從而實現(xiàn)固液分離，因此，過濾操作本質(zhì)上是流體通過固體顆粒床層的流動，所不同的是這個固體顆粒層的厚度隨著過濾過程的進(jìn)行而不斷增加，故在恒壓過濾操作中，其過濾速率不斷降低。影響過濾速度的主要因素除壓強(qiáng)差p，濾餅厚度L外，還有濾餅和懸浮液的性質(zhì)，懸浮液溫度，過濾介質(zhì)的阻力等，故難以用流體力學(xué)的方法處理。比較過濾過程與流體經(jīng)過固定床的流動可知：過濾速度即為

28、流體通過固定床的表現(xiàn)速度u。同時，流體在細(xì)小顆粒構(gòu)成的濾餅空隙中的流動屬于低雷諾數(shù)范圍，因此，可利用流體通過固定床壓降的簡化模型，尋求濾液量與時間的關(guān)系，運(yùn)用層流時泊唆葉公式不難推導(dǎo)出過濾速度計算式： (4-1)式中，u過濾速度，m/s；K康采尼常數(shù)，層流時，K=5.0；床層的空隙率，m3/m3；a顆粒的比表面積，m2/m3；p過濾的壓強(qiáng)差，Pa；濾液的粘度，Pa.s；L床層厚度，m。由此可導(dǎo)出過濾基本方程式為 (4-2)式中，V濾液體積，m3；過濾時間，s；A過濾面積，m2；S濾餅壓縮性指數(shù)，無因次。一般情況下S=01，對不可壓縮濾餅S=0；r濾餅比阻，1/m，r=；單位壓差下的比阻，1/m

29、2，r=；v濾餅體積與相應(yīng)濾液體積之比，無因次；Ve虛擬濾液體積，。恒壓過濾時，令k=，q=，對式(4-2)積分可得 (4-3)式中，q單位過濾面積的濾液體積，；qe單位過濾面積的虛擬濾液體積，；e虛擬過濾時間，s；K濾餅常數(shù)，由物料特性及過濾壓差所決定，。K，qe，e三者總稱為過濾常數(shù)。利用恒壓過濾方程進(jìn)行計算時，必須首先需要知道K，qe，e，它們只有通過實驗才能確定。對式（4-3）微分整理可得 （4-4）該式表明以 為縱坐標(biāo)，以q為橫坐標(biāo)作圖可得一直線，直線斜率為2/K，截距為2 qe /K。在實驗測定中，為便于計算，可用替代，把式（4-4）改寫成 （4-5）在恒壓條件下，用秒表和量筒分別

30、測定一系列時間間隔i(i=1 、2 、3······)及對應(yīng)的濾液體積Vi(i=1 、2 、3······)，也可采用計算機(jī)軟件自動采集一系列時間間隔i(i=1 、2 、3······)及對應(yīng)的濾液體積Vi(i=1 、2 、3······)，由此算出一系列i，qi，qi在直角坐標(biāo)系中繪制q的函數(shù)關(guān)系，得一直線。有直線的斜率便可求出K和qe，再根據(jù)，求出e。

31、改變實驗所用的過濾壓差p，可測得不同壓強(qiáng)差下的K值，由K的定義式兩邊取對數(shù)得 (4-6)在實驗壓差范圍內(nèi)，若k為常數(shù)，則lgKlg(P)的關(guān)系在直角坐標(biāo)上應(yīng)是一條直線，直線的斜率為（1-s），可得濾餅壓縮性指數(shù)s，由截矩可得物料特性常數(shù)k。三、實驗裝置及流程圖4-1 恒壓過濾常數(shù)測定實驗裝置流程圖1-配料槽 2-壓力料槽 3-板框壓濾機(jī) 4-壓力表 5-安全閥 6-壓力定值調(diào)節(jié)閥 7-洗滌液槽 8-壓縮機(jī)本實驗裝置由空壓機(jī)、配料槽、壓力儲槽、板框過濾機(jī)和壓力定值調(diào)節(jié)閥等組成。其實驗流程如圖4-1所示。MgCO3的懸浮液在配料桶內(nèi)配置一定濃度后利用位差送入壓力儲槽中，用壓縮空氣加以攪拌使MgCO

32、3不致沉降，同時利用壓縮空氣的壓力將料漿送入板框過濾機(jī)過濾，濾液流入量筒或濾液量自動測量儀計量。板框過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸如下：框厚度25mm，每個框過濾面積0.024m2，框數(shù)2個?？諝鈮嚎s機(jī)規(guī)格型號為：2VS0.08/7，風(fēng)量0.08m3/min，最大氣壓為0.7MPa。四、實驗步驟及注意事項1、實驗步驟過濾實驗：1) 配制含MgCO3 8%13%(wt.%)的水懸浮液；2) 熟悉實驗裝置流程；3) 開啟空氣壓縮機(jī)；4) 正確裝好濾板、濾框及濾布。濾布使用前先用水浸濕。濾布要綁緊，不能起縐（用絲桿壓緊時，千萬不要把手壓傷，先慢慢轉(zhuǎn)動手輪使濾框合上，然后再壓緊）；5) 打開閥（3）、（2）、（4）

33、，將壓縮空氣通入配料槽，使MgCO3懸浮液攪拌均勻；（開閥時從小到大緩慢打開，以防止懸浮液噴出配料槽）6) 關(guān)閉閥（2），打開壓力料槽排氣閥（18），打開閥（6），使料漿由配料桶流入壓力料槽至1/22/3處，關(guān)閉閥（6）；7) 打開閥（5），后打開閥（7）、閥(8) 、閥(15)通壓縮空氣入壓力料槽，再打開閥(20)開始做低壓過濾實驗(壓力為0.02MPa左右)；8) 每次實驗應(yīng)在濾液從匯集管剛流出的時刻作為開始時刻，每次V取為800ml左右，記錄相應(yīng)的過濾時間。要熟悉雙秒表輪流讀數(shù)的方法。量筒交替接液時不要流失濾液。等量筒內(nèi)濾液靜止后讀出V值和記錄值。測量68個讀數(shù)即可停止實驗。9) 關(guān)閉閥

34、（7）、閥(8)、 閥(20)，再打開閥（9）、閥（10）、閥（20），重復(fù)上述操作做中等壓力過濾實驗(壓力在0.2MPa左右)。10) 關(guān)閉閥（15）、閥（20）打開閥（6）、（4），將壓力料槽剩余的懸浮液壓回配料桶，關(guān)閉閥（4），閥（6）。洗滌實驗：打開閥（14），進(jìn)行橫穿洗滌，測定洗滌速率。測定完后關(guān)閉閥門。打開排氣閥（12），卸除壓力料槽內(nèi)的壓力。然后卸下濾餅，清洗濾布、濾框及濾板。關(guān)閉空氣壓縮機(jī)電源，總電源開關(guān)。2、注意事項1）濾餅、濾液要全部回收到配料桶 。2）過濾進(jìn)行時，閥(18)一定要稍開一點，以攪拌料液。3）攪拌及壓力槽料漿壓回配料槽時注意要控制好閥門的開度，以免料漿濺出配料

35、槽五、實驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理1、將實測數(shù)據(jù)記入表4-1，計算結(jié)果記入計算結(jié)果表。2、由恒壓過濾實驗數(shù)據(jù)求過濾常數(shù)K，qe，e；3、比較幾種壓差下的K、qe及e值，討論壓差變化對以上參數(shù)數(shù)值的影響；4、在直角坐標(biāo)紙上繪制關(guān)系曲線，求出S 及k；5、寫出完整的過濾方程式，弄清其中各個參數(shù)的符號及意義；6、比較洗滌速率與過濾終了時的過濾速率兩者之間的關(guān)系。表4-1 原始數(shù)據(jù)記錄表實驗裝置編號：_操作壓力：P_MPa 序號時間t（秒）體積V(ml)12345678六、思考及討論1) 通過實驗?zāi)阏J(rèn)為過濾的一維模型是否適用？2) 當(dāng)操作壓強(qiáng)增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同樣的過濾液，其過濾時間是否

36、縮短了一半？3）影響過濾速率的主要因素有哪些？4）濾漿濃度和操作壓強(qiáng)對過濾常數(shù)K值有何影響？5）為什么過濾開始時，濾液常常有點渾濁，而過段時間后才變清？實驗五 固體流態(tài)化一、實驗?zāi)康暮腿蝿?wù)1、學(xué)習(xí)流體通過固體顆粒層流動特性的測量方法；2、觀察散式流化和聚式流化的實驗現(xiàn)象；3、測定流化曲線和臨界流化速度，驗證流體通過固體顆粒床層的規(guī)律，加深對這些規(guī)律的認(rèn)識和理解；4、測定液體和氣體分別通過固體顆粒床層時流速與床層壓降的關(guān)系；5、觀察空氣固體顆粒床中顆粒輸送現(xiàn)象及旋風(fēng)分離器收集顆粒的現(xiàn)象。二、實驗基本原理流體通過固體顆粒床層時，流體的流速保持在一定的范圍內(nèi)將大量固體顆粒懸浮于流動的流體中，并在流體

37、作用下使顆粒作翻滾運(yùn)動，類似于液體的沸騰，從而大大強(qiáng)化了物質(zhì)的擴(kuò)散過程，提高了反應(yīng)速度，具有流體的某些特性故這種狀態(tài)為固體流態(tài)化。流態(tài)化技術(shù)是研究和處理工業(yè)過程中固體顆粒與氣相、液相、氣液相之間的混合、傳質(zhì)、傳熱的多相流技術(shù)。流態(tài)化技術(shù)是化學(xué)工程及相關(guān)學(xué)科中一個非常重要的研究領(lǐng)域，在石油化工、煤燃燒、制藥、污水處理等過程中得到重要應(yīng)用。掌握流態(tài)化技術(shù)，了解流態(tài)化床層的性質(zhì)對工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究都有重要的意義。根據(jù)系統(tǒng)的不同，流化床可以分為散式流化床和聚式流化床。由液-固系統(tǒng)形成的流化床，由于固體顆粒和液體顆粒的密度相差不是很大，當(dāng)顆粒的直徑很小時，流體以較低速度通過固體顆粒床層，就能形成流化態(tài)。

38、且個個粒子的運(yùn)動以相對比較一致的平均自由路程通過床層，床層有相對穩(wěn)定的上界面，固體顆粒均勻的分散在液體中，這種流化態(tài)稱為散式流化。對氣-固系統(tǒng)形成的流化床，因為固體顆粒與氣體的密度差很大或顆粒直徑較大，氣體必須以較大的速度通過固體顆粒床層，此時的流化態(tài)是不平穩(wěn)的。氣體通過固體顆粒床層時，主要是呈大氣泡狀態(tài)，由于這些氣泡的上升與破裂，床層上界面波動大，更看不到清晰的上界面，所以將這種氣固系統(tǒng)所形成的流態(tài)化稱為聚式流態(tài)化。根據(jù)流體通過固體顆粒床層的流速大小，床層可表現(xiàn)為固定床層、流化床層和氣體輸送等階段。在各個階段，流體的流速與床層壓降關(guān)系具有不同的規(guī)律。1 流體通過固定床層的壓降與流體流速的關(guān)系

39、關(guān)于流體通過固體床層的壓降與流速之間的關(guān)系，一般使用歐根半經(jīng)驗公式進(jìn)行計算 (5-1)式中 p床層壓降，Pa；顆粒平均直徑，m；床層空隙率；L床層高度，m；流體粘度，Pa·s；u以床層橫截面為基準(zhǔn)的流體速度，m/s；測定溫度下流體的密度，kg·m-3；s 球形度；公式（5-1）中，右邊第一項為粘性阻力，第二項為空隙收縮放大而導(dǎo)致的局部阻力。歐根采用的系數(shù)=150，=1.75。2 臨界流化速度的確定為保持穩(wěn)定的流化床操作，需要將流體流速控制在一定的范圍內(nèi)。其起始流化速度為臨界流化速度；流化床消失的速度為帶出速度。穩(wěn)定流態(tài)化操作的流體流速應(yīng)控制在臨界流化速度和帶出速度之間。這兩

40、個速度對流化設(shè)備的設(shè)計和操作都是至關(guān)重要的。臨界流化速度可由公式計算出，為數(shù)眾多的計算顆粒初始流態(tài)化速度的公式大體上分為三類:第一類以Ergun 公式為基礎(chǔ)，引入經(jīng)驗系數(shù)加以修正；第二類以某種流體力學(xué)關(guān)系為基礎(chǔ)；第三類屬于純經(jīng)驗公式。然而，液固流態(tài)化顆粒特性計算公式很多，計算結(jié)果差別很大，例如，據(jù)不完全統(tǒng)計，有關(guān)資料上介紹適用于球形顆粒初始流態(tài)化速度umf的經(jīng)驗公式超過30 種。在眾多的計算公式中，Ergun 型的計算式適用的較寬，精度較高。當(dāng)顆粒雷諾數(shù)<5時，可用李伐公式計算： （5-2）式中 顆粒平均直徑，m；流體粘度，Pa·s。(a) (b)圖5-1 流化床的L、P隨流化

41、床表觀速度u的變化關(guān)系臨界流化速度umf也可以通過實驗測得。臨界流化速度與顆粒的性質(zhì)及流體的性質(zhì)有關(guān)。由實驗做出p/L-u圖，由曲線的斜率計算出臨界流化速度。由圖5-1（b）可以看出，在固定床階段壓降與流體流速的關(guān)系為 （5-3）又流化床層的壓降式可以寫成 （5-4）聯(lián)立上兩式，可得 （5-5）測得流體速度u與壓降的數(shù)據(jù)，標(biāo)出流化曲線，求出直線的斜率K，進(jìn)而求出臨界流化速度。比較圖中的臨界流化速度與計算出的流化速度。帶出速度只測氣固流化床，并采用旋風(fēng)分離器對固體顆粒進(jìn)行分離，使固體粒循環(huán)使用。為了防止固體顆粒的損失而影響實驗的進(jìn)行，所以不作液固流態(tài)化相關(guān)的實驗。三、實驗裝置及流程如圖5-2所示

42、，實驗裝置主要由散式（液-固系統(tǒng)）流化部分和聚式（氣-固系統(tǒng)）流化部分組成。兩個部分各有一個透明二維床。床底部的分布板是不銹鋼多孔板，床層內(nèi)的固體顆粒為砂粒。圖5-2 固體流態(tài)化實驗裝置流程圖1-泵；2、8、9-轉(zhuǎn)子流量計；3、10-溫度計；4、11-分布板；5、12-床層；6、13-U型管壓差計；7-風(fēng)機(jī)；14-旋風(fēng)分離器；15-灰斗對氣-固系統(tǒng)，空氣由風(fēng)機(jī)供給，經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)子流量計進(jìn)入分布板。空氣流經(jīng)二維床中固體床層后從旋風(fēng)分離器頂部排出，而顆粒落入灰斗中。通過調(diào)節(jié)空氣流量，可以進(jìn)行不同流動狀態(tài)下的測定實驗。設(shè)備中裝有壓差計指示床層壓降，標(biāo)尺用于測量床層高度。對液-固系統(tǒng)，用泵輸送的

43、水經(jīng)調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)子流量計送至分布板，經(jīng)二維床層后從床層上部溢流至下水槽。顆粒特性及設(shè)備參數(shù)列于表5-1中。表5 -1裝置的顆粒特性及設(shè)備參數(shù)表截面積Amm2粒徑dmm粒重Wg球形度s顆粒密度S kg/m3氣-固系統(tǒng)120×200.415一定量1.01040液-固系統(tǒng)140×200.475一定量1.02490四、實驗步驟及注意事項1、實驗步驟在熟悉實驗設(shè)備、流程、各控制開關(guān)、閥門的基礎(chǔ)上按以下步驟進(jìn)行實驗：散式流態(tài)化（液-固系統(tǒng)）1）檢查閥應(yīng)處于全關(guān)狀態(tài)；2）啟動泵（按下綠色按鈕，啟動前應(yīng)搬動泵軸使其轉(zhuǎn)動靈活）；3）緩緩打開閥，流量計浮子升起，使流化床內(nèi)充滿水至上部溢流槽，檢查

44、U形管壓差計的測壓引線如有氣泡應(yīng)排除；4）調(diào)節(jié)閥從小到大測取十個以上不同流量下的床層壓降值，同時觀察床層的變化（記錄下床層高度和變化現(xiàn)象）；5）結(jié)束實驗：先把閥全關(guān)恢復(fù)固定床狀態(tài)，然后按下紅色按鈕停泵。聚式流態(tài)化（氣-固系統(tǒng)）1）檢查閥應(yīng)處于全開狀態(tài)，閥、應(yīng)處于全關(guān)狀態(tài)；2）啟動鼓風(fēng)機(jī)（按下綠色按鈕）；3）緩緩打開閥，關(guān)小閥，待床層出現(xiàn)流態(tài)化后重新打開閥關(guān)閉閥恢復(fù)固定床狀態(tài)；4）調(diào)節(jié)閥（小流量調(diào)節(jié)閥，大流量調(diào)節(jié)閥）和閥從小到大測取十個以上不同空氣流量下的床層壓降值，同時觀察床層的變化（記錄下床層高度和變化現(xiàn)象）；5）結(jié)束實驗：先把閥全開，然后全關(guān)、恢復(fù)固定床狀態(tài)，然后按下紅色按鈕停風(fēng)機(jī)。2、注

45、意事項1）實驗過程中要注意水電安全；進(jìn)實驗室要通風(fēng)換氣，離開時要關(guān)閉電氣水的開關(guān)。2）注意泵和風(fēng)機(jī)的正確使用方法。3）實驗記錄開始前，先調(diào)大流速穩(wěn)定流化一段時間。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理1）將實測數(shù)據(jù)記入表5-2。通過數(shù)據(jù)處理，繪出流態(tài)化壓強(qiáng)降、床層高度與流速關(guān)系曲線圖。2）根據(jù)流態(tài)化曲線的斜率，計算出臨界流化速度。3）求取實測的臨界流化速度umf，并與理論值進(jìn)行比較。4）對實驗中觀察到的現(xiàn)象，運(yùn)用流體與顆粒運(yùn)動的規(guī)律加以解釋。表5-2 原始數(shù)據(jù)記錄表實驗裝置編號：_操作溫度：T_序號流量(l/h)床層壓力降(mmH2O)床層高度L(cm)床層現(xiàn)象R1R2六、思考及討論1）臨界流化速度與哪些

46、因素有關(guān)？2）流態(tài)化時流體的流速應(yīng)控制在什么范圍？3）說明為什么在流化曲線上會出現(xiàn)一“駝峰”？4）氣固流態(tài)化實驗中，實際流化時，p為什么會波動？5）由小到大與由大到小改變流體流量測定的流化曲線是否重合，為什么？實驗六 空氣在圓形直管中對流傳熱系數(shù)的測定一、實驗?zāi)康呐c任務(wù)1、 觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象；2、 通過實驗掌握傳熱膜系數(shù)的測定方法，并分析影響的因素；3、 掌握確定傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)C和指數(shù)m、n的方法；4、 通過實驗提高對關(guān)聯(lián)式的理解，了解工程上強(qiáng)化傳熱的措施；5、 掌握測溫?zé)犭娕嫉氖褂梅椒?。二、實驗基本原?、水蒸氣冷凝傳熱系數(shù)0與空氣對流傳熱系數(shù)i測定在套管換熱

47、器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以空氣，水蒸氣冷凝放熱以加熱空氣，在傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，有如下關(guān)系式：VCP(t2t1)0A0(TTW)miAi(twt)m （6-1）式中 V被加熱流體體積流量，m3/s；被加熱流體密度，kg/m3；CP被加熱流體平均比熱，J/(kg·)；0、i水蒸氣對內(nèi)管外壁的冷凝傳熱系數(shù)和流體對內(nèi)管內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·)；t1、t2被加熱流體進(jìn)、出口溫度，；A0、Ai內(nèi)管的外壁、內(nèi)壁的傳熱面積，m2；(TTW)m水蒸氣與內(nèi)管外壁間的對數(shù)平均溫度差，； （6-2）(twt)m內(nèi)管內(nèi)壁與空氣的對數(shù)平均溫度差，； （6-3）式中 T1、T2蒸

48、汽進(jìn)、出口溫度，；Tw1、Tw2、tw1、tw2外壁和內(nèi)壁上進(jìn)、出口溫度，。當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好且管壁很薄時，可認(rèn)為Tw1tw1，Tw2tw2，即為所測得的該點的壁溫。由式（6-1）、（6-2）與（6-3）可得： （6-4） （6-5）若能測得被加熱流體的V、t1、t2，內(nèi)管的換熱面積A0或Ai，以及水蒸氣溫度T，壁溫Tw1、Tw2，則可通過式（6-4）算得實測的水蒸氣冷凝傳熱系數(shù)0；通過式（6-5）算得實測的空氣在管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)i。2、總傳熱系數(shù)測定 VCP(t2t1)KA0tm （6-6）式中 K總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A0傳熱面積，m2；tm對數(shù)平均溫差，。3、傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)C和指數(shù)m、n的測定Nu = C Rem Prn Grp （6-7）對強(qiáng)制湍流，Gr準(zhǔn)數(shù)可以忽略。Nu = C Rem Prn （6-8）本實驗中，可用圖解法和最小二乘法兩種方法計算準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的指數(shù)m、n和系數(shù)C。用圖解法對多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)時，要對不同變量Re和Pr分別回歸。為了便于掌握這類方程的關(guān)聯(lián)方法，可取n = 0.4（實驗中流體被加熱）。這樣就簡化成單變量方程。兩邊取對數(shù)，得到直線方程： （6-9）在雙對數(shù)坐標(biāo)系中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點的函數(shù)值代入方程