化工原理實驗Word版

整理為word格式整理為word格式整理為word格式第三章實驗部分實驗一空氣－蒸汽對流給熱系數(shù)測定一、實驗?zāi)康?、了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數(shù)測定的實驗方法。2、掌握熱電阻測溫的方法，觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象。3、學(xué)會給熱系數(shù)測定的實驗數(shù)據(jù)處理方法，了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。二、基本原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進(jìn)行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖(1)所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。達(dá)到傳熱穩(wěn)定時，有（1）式中：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?℃)；T1－熱流體的進(jìn)口溫度，℃；T2－熱流體的出口溫度，℃；m2－冷流體的質(zhì)量流率，kg/s；cp2－冷流體的比熱，J/(kg?℃)；t1－冷流體的進(jìn)口溫度，℃；整理為word格式整理為word格式整理為word格式t2－冷流體的出口溫度，℃；1－熱流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；A1－熱流體側(cè)的對流傳熱面積，m2；－熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，℃；2－冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；A2－冷流體側(cè)的對流傳熱面積，m2；－固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差，℃；K－以傳熱面積A為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)，W/(m2?℃)；－冷熱流體的對數(shù)平均溫差，℃；熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由式（2）計算，（2）式中：TW1－熱流體進(jìn)口處熱流體側(cè)的壁面溫度，℃；TW2－熱流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，℃。固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由式（3）計算，（3）式中：tW1－冷流體進(jìn)口處冷流體側(cè)的壁面溫度，℃；tW2－冷流體出口處冷流體側(cè)的壁面溫度，℃。熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由式（4）計算，（4）當(dāng)在套管式間壁換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或水進(jìn)行對流傳熱系數(shù)測定實驗時，則由式（1）得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對流傳熱系數(shù)，（5）整理為word格式整理為word格式整理為word格式實驗中測定紫銅管的壁溫tw1、tw2；冷空氣或水的進(jìn)出口溫度t1、t2；實驗用紫銅管的長度l、內(nèi)徑d2，；和冷流體的質(zhì)量流量，即可計算2。然而，直接測量固體壁面的溫度，尤其管內(nèi)壁的溫度，實驗技術(shù)難度大，而且所測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差，帶來較大的實驗誤差。因此，通過測量相對較易測定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流給熱系數(shù)就成為人們廣泛采用的一種實驗研究手段。由式（1）得，（6）實驗測定、、并查取下冷流體對應(yīng)的、換熱面積A，即可由上式計算得總給熱系數(shù)K。下面通過兩種方法來求對流給熱系數(shù)。1.近似法求算對流給熱系數(shù)以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)與對流給熱系數(shù)間的關(guān)系為，（7）式中：d1－換熱管外徑，m；d2－換熱管內(nèi)徑，m；dm－換熱管的對數(shù)平均直徑，m；b－換熱管的壁厚，m；－換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?℃)；－換熱管外側(cè)的污垢熱阻，；－換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，。用本裝置進(jìn)行實驗時，管內(nèi)冷流體與管壁間的對流給熱系數(shù)約為幾十到幾百；而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)可達(dá)~左右，因此冷凝傳熱熱阻可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側(cè)的污垢熱阻也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)為383.8，壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻可忽略。若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻也忽略不計，則由式（7）得，（8）整理為word格式整理為word格式整理為word格式由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對流傳熱熱阻相比越小，此法所得的準(zhǔn)確性就越高。2.傳熱準(zhǔn)數(shù)式求算對流給熱系數(shù)對于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對流傳熱時，若符合如下范圍內(nèi)：Re=1.0×104～1.2×105，Pr＝0.7～120，管長與管內(nèi)徑之比l/d≥60,則傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗式為，（9）式中：Nu－努塞爾數(shù)，，無因次；Re－雷諾數(shù)，，無因次；Pr－普蘭特數(shù)，，無因次；當(dāng)流體被加熱時n＝0.4，流體被冷卻時n＝0.3；－流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；d－換熱管內(nèi)徑，m；－流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?℃)；u－流體在管內(nèi)流動的平均速度，m/s；－流體的密度，kg/m3；－流體的粘度，Pa?s；cp－流體的比熱，J/(kg?℃)。對于水或空氣在管內(nèi)強(qiáng)制對流被加熱時，可將式（9）改寫為，（10）令，（11）（12）整理為word格式整理為word格式整理為word格式（13）（14）則式（7）可寫為，（15）當(dāng)測定管內(nèi)不同流量下的對流給熱系數(shù)時，由式（14）計算所得的C值為一常數(shù)。管內(nèi)徑d2一定時，m也為常數(shù)。因此，實驗時測定不同流量所對應(yīng)的，由式（4）、（6）、（12）、（13）求取一系列X、Y值，再在X～Y圖上作圖或?qū)⑺玫腦、Y值回歸成一直線，該直線的斜率即為m。任一冷流體流量下的給熱系數(shù)2可用下式求得，（16）3.冷流體質(zhì)量流量的測定（1）若用轉(zhuǎn)子流量計測定冷空氣的流量，還須用下式換算得到實際的流量，（17）式中：V'—實際被測流體的體積流量，m3/s；ρ'—實際被測流體的密度，kg/m3；均可取下對應(yīng)水或空氣的密度，見冷流體物性與溫度的關(guān)系式；V—標(biāo)定用流體的體積流量，m3/s；ρ—標(biāo)定用流體的密度，kg/m3；對水ρ=1000kg/m3；對空氣ρ=1.205kg/m3；ρf—轉(zhuǎn)子材料密度，kg/m3。于是(18)整理為word格式整理為word格式整理為word格式（2）若用孔板流量計測冷流體的流量，則，(19)式中，V為冷流體進(jìn)口處流量計讀數(shù)，ρ為冷流體進(jìn)口溫度下對應(yīng)的密度。4.冷流體物性與溫度的關(guān)系式在0～100℃之間，冷流體的物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關(guān)系式：（2）空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60℃以下＝J/(kg?℃),70℃以上＝J/(kg?℃)。（3）空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式：（4）空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：三、實驗裝置與流程整理為word格式整理為word格式整理為word格式1．實驗裝置1—風(fēng)機(jī)；2—冷流體管路；3－冷流體進(jìn)口調(diào)節(jié)閥；4—轉(zhuǎn)子流量計；5—冷流體進(jìn)口溫度；6—不凝性氣體排空閥；7—蒸汽溫度；8—視鏡；9—冷流體出口溫度；10—壓力表；11—水汽排空閥；12—蒸汽進(jìn)口閥；13—冷凝水排空閥；14—蒸汽進(jìn)口管路；15—冷流體出口管路；圖4-1空氣-水蒸氣換熱流程圖來自蒸汽發(fā)生器的水蒸汽進(jìn)入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙，與來自風(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)閥門排入地溝。冷空氣經(jīng)孔板流量計或轉(zhuǎn)子流量計進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管（紫銅管），熱交換后排出裝置外。2．設(shè)備與儀表規(guī)格（1）紫銅管規(guī)格：直徑φ21×2.5mm，長度L=1000mm（2）外套不銹鋼管規(guī)格：直徑φ100×5mm，長度L=1000mm（3）鉑熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示（4）全自動蒸汽發(fā)生器及蒸汽壓力表四、實驗步驟與注意事項1．實驗步驟（1）打開控制面板上的總電源開關(guān)，打開儀表電源開關(guān)，使儀表通電預(yù)熱，觀察儀表顯示是否正常。（2）關(guān)閉蒸汽發(fā)生器的排水閥，在蒸汽發(fā)生器中灌裝清水，開啟蒸汽發(fā)生器排空閥，開啟發(fā)生器電源，水泵會自動將水送入鍋爐，灌滿后會自動轉(zhuǎn)入加熱狀態(tài)，此時蒸汽發(fā)生器的液位計中水位處于中間位置。隨后關(guān)閉蒸汽發(fā)生器的排空閥，到達(dá)符合條件的蒸汽壓力后，系統(tǒng)會自動處于保溫狀態(tài)。（加熱燈會熄滅，爐子蒸汽壓力設(shè)定為0.5MPa，安全閥為0.55MPa）整理為word格式整理為word格式整理為word格式（3）打開控制面板上的風(fēng)機(jī)電源開關(guān)，讓風(fēng)機(jī)工作，同時打開冷流體進(jìn)口閥，讓套管換熱器里充有一定量的空氣。（4）打開冷凝水出口閥，排出上次實驗余留的冷凝水，在整個實驗過程中也保持一定開度。注意開度適中，開度太大會使換熱器中的蒸汽跑掉，開度太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力過大而導(dǎo)致不銹鋼管炸裂。（5）在通水蒸汽前，也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實驗裝置之間管道中的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水的蒸汽會損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是：關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥門，打開裝置下面的排冷凝水閥門，讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走，當(dāng)聽到蒸汽響時關(guān)閉冷凝水排除閥，方可進(jìn)行下一步實驗。（6）開始通入蒸汽時，要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸充滿系統(tǒng)中，使系統(tǒng)由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，防止不銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。（7）上述準(zhǔn)備工作結(jié)束，系統(tǒng)也處于“熱態(tài)”后，調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥，使熱交換器上的蒸汽進(jìn)口壓力維持在0.01MPa，可通過調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器出口閥及蒸汽進(jìn)口閥開度來實現(xiàn)。（8）通過調(diào)節(jié)冷空氣進(jìn)口閥來改變冷空氣流量，在每個流量條件下，均須待熱交換過程穩(wěn)定后方可記錄實驗數(shù)值，一般每個流量下至少應(yīng)使熱交換過程保持5分鐘方為視為穩(wěn)定；改變流量，記錄不同流量下的實驗數(shù)值。（9）記錄6～8組實驗數(shù)據(jù)，可結(jié)束實驗。先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥，放空系統(tǒng)內(nèi)蒸汽及冷凝水待系統(tǒng)內(nèi)溫度達(dá)到50℃以下時，關(guān)閉儀表電源，待系統(tǒng)逐漸冷卻后關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，待冷凝水流盡，關(guān)閉冷凝水出口閥，關(guān)閉總電源。（10）待蒸汽發(fā)生器為常壓后，將鍋爐中的水排盡。2．注意事項（1）先打開水汽排空閥，注意只開一定的開度，開的太大會使換熱器里的蒸汽跑掉，開的太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力增大而使不銹鋼管炸裂。（2）一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣后，方可開啟蒸汽閥門，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。（3）剛開始通入蒸汽時，要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥的開度，讓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分鐘，以防止不銹鋼管因突然受熱、受壓而爆裂。（4）操作過程中，蒸汽壓力一般控制在0.02MPa（表壓）以下，否則可能造成不銹鋼管爆裂。整理為word格式整理為word格式整理為word格式（5）確定各參數(shù)時，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，隨時注意蒸汽量的調(diào)節(jié)和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。五、實驗報告1.計算冷流體給熱系數(shù)的實驗值2.冷流體給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)式：，由實驗數(shù)據(jù)作圖擬合曲線方程，確定式中常數(shù)A及m。3.以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，將處理實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果標(biāo)繪在圖上，并與教材中的經(jīng)驗式比較。實驗數(shù)據(jù)記錄：蒸汽壓力0.01MPa條件下序號空氣流量/m3/h空氣進(jìn)口溫度/℃空氣出口溫度/℃蒸汽進(jìn)口溫度/℃蒸汽出口溫度/℃1234567…風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為18m3/h六、思考題1、實驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響?2、在計算空氣質(zhì)量流量時所用到的密度值與求雷諾數(shù)時的密度值是否一致？它們分別表示什么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計算。3、實驗過程中，冷凝水不及時排走，會產(chǎn)生什么影響？如何及時排走冷凝水？如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實驗，對α關(guān)聯(lián)式有何影響？整理為word格式整理為word格式整理為word格式實驗二流量計校核實驗一、實驗?zāi)康?.熟悉孔板流量計、文丘里流量計的構(gòu)造、性能及安裝方法。2.掌握流量計的標(biāo)定方法之一——容量法。3.測定孔板流量計、文丘里流量計的孔流系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系。二、基本原理對非標(biāo)準(zhǔn)化的各種流量儀表在出廠前都必須進(jìn)行流量標(biāo)定，建立流量刻度標(biāo)尺（如轉(zhuǎn)子流量計）、給出孔流系數(shù)（如渦輪流量計）、給出校正曲線（如孔板流量計）。使用者在使用時，如工作介質(zhì)、溫度、壓強(qiáng)等操作條件與原來標(biāo)定時的條件不同，就需要根據(jù)現(xiàn)場情況，對流量計進(jìn)行標(biāo)定?？装?、文丘里流量計的收縮口面積都是固定的，而流體通過收縮口的壓力降則隨流量大小而變，據(jù)此來測量流量，因此，稱其為變壓頭流量計。而另一類流量計中，當(dāng)流體通過時，壓力降不變，但收縮口面積卻隨流量而改變，故稱這類流量計為變截面流量計，此類的典型代表是轉(zhuǎn)子流量計。1.孔板流量計的校核孔板流量計是應(yīng)用最廣泛的節(jié)流式流量計之一，本實驗采用自制的孔板流量計測定液體流量，用容量法進(jìn)行標(biāo)定，同時測定孔流系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系。孔板流量計是根據(jù)流體的動能和勢能相互轉(zhuǎn)化原理而設(shè)計的，流體通過銳孔時流速增加，造成孔板前后產(chǎn)生壓強(qiáng)差，可以通過引壓管在壓差計或差壓變送器上顯示。其基本構(gòu)造如圖1所示。若管路直徑為d1，孔板銳孔直徑為d0，流體流經(jīng)孔板前后所形成的縮脈直徑為d2，流體的密度為ρ，則根據(jù)柏努利方程，在界面1、2處有：圖1孔板流量計整理為word格式整理為word格式整理為word格式 （1）或（2）由于縮脈處位置隨流速而變化，截面積又難以指導(dǎo)，而孔板孔徑的面積是已知的，因此，用孔板孔徑處流速來替代上式中的，又考慮這種替代帶來的誤差以及實際流體局部阻力造成的能量損失，故需用系數(shù)C加以校正。式（2）改寫為（3）對于不可壓縮流體，根據(jù)連續(xù)性方程可知，代入式（3）并整理可得（4）令（5）則式（4）簡化為（6）根據(jù)和即可計算出流體的體積流量：（7）或（8）式中：－流體的體積流量，m3/s；－U形壓差計的讀數(shù)，m；整理為word格式整理為word格式整理為word格式－壓差計中指示液密度，kg/m3；－孔流系數(shù)，無因次；由孔板銳口的形狀、測壓口位置、孔徑與管徑之比和雷諾數(shù)Re所決定，具體數(shù)值由實驗測定。當(dāng)孔徑與管徑之比為一定值時，Re超過某個數(shù)值后，接近于常數(shù)。一般工業(yè)上定型的流量計，就是規(guī)定在為定值的流動條件下使用。值范圍一般為0.6-0.7?？装辶髁坑嫲惭b時應(yīng)在其上、下游各有一段直管段作為穩(wěn)定段，上游長度至少應(yīng)為10d1，下游為5d2?？装辶髁坑嫎?gòu)造簡單，制造和安裝都很方便，其主要缺點是機(jī)械能損失大。由于機(jī)械能損失，使下游速度復(fù)原后，壓力不能恢復(fù)到孔板前的值，稱之為永久損失。d0/d1的值越小，永久損失越大。2.文丘里流量計的校核孔板流量計的主要缺點時機(jī)械能損失很大，為了克服這一缺點，可采用一漸縮漸括管，如圖3－2所示，當(dāng)流體流過這樣的錐管時，不會出現(xiàn)邊界層分離及漩渦，從而大大降低了機(jī)械能損失。這種管稱為文丘里管。文丘里管收縮錐角通常取15°-25°，擴(kuò)大段錐角要取得小些，一般為5°-7°，使流速改變平緩，因為機(jī)械能損失主要發(fā)生在突然擴(kuò)大處。圖2文丘里流量計文丘里流量計測量原理與孔板完全相同，只不過永久損失要小很多。流速、流量計算仍可用式（6）、（7），式中仍代表最小截面處（稱為文氏喉）的流速。文丘里管的孔流系數(shù)約為0.98-0.99。機(jī)械能損失約為（9）文丘里流量計的缺點是加工比孔板復(fù)雜，因而造價高，且安裝時需占去一定管長位置，但其永久損失小，故尤其適用于低壓氣體的輸送。整理為word格式整理為word格式整理為word格式三、實驗裝置與流程實驗裝置如圖3所示。主要部分由循環(huán)水泵、流量計、U型壓差計、溫度計和水槽等組成，實驗主管路為1寸不銹鋼管（內(nèi)徑25mm）。圖3流量計校核實驗示意圖四.實驗步驟與注意事項1.熟悉實驗裝置，了解各閥門的位置及作用。2.對裝置中有關(guān)管道、導(dǎo)壓管、壓差計進(jìn)行排氣，使倒U形壓差計處于工作狀態(tài)。排氣方法：先關(guān)閉出口閥，關(guān)閉閥門3、5、4。打開1、2閥，啟動離心泵，慢慢開啟閥門3進(jìn)行排氣，使水充滿測量系統(tǒng)管路，排空氣泡后，關(guān)閉閥門1、2，再停泵后，打開閥門4、5、3，平衡U型液位高在50cm左右，關(guān)閉4、5、3，再打開1和2，啟動離心泵，測定流量與壓差。圖4倒U型管壓差計1—高壓側(cè)閥門；2—低壓側(cè)閥門；3—進(jìn)氣閥門；4—平衡閥門；5—出水閥門3.對應(yīng)每一個閥門開度，用容積法測量流量，同時記下壓差計的讀數(shù)，按由小到大的順序在小流量時測量8－9個點，大流量時測量5－6個點。為保證標(biāo)定精度，最好再從大流量到小流量重復(fù)一次，然后取其平均值。整理為word格式整理為word格式整理為word格式4.測量流量時應(yīng)保證每次測量中，計量桶液位差不小于100mm或測量時間不少于40s。實驗結(jié)束后，關(guān)閉閥門1、2，再停泵，打開3、4、5閥，排水后，再關(guān)閉3、4、5閥，實驗結(jié)束。5.主要計算過程如下：（1）根據(jù)體積法（秒表配合計量筒）算得流量V（m3/h）；（2）根據(jù)，孔板取喉徑d0＝15.347mm，文丘里取喉徑d＝12.462mm；（3）讀取流量V（由閘閥開度調(diào)節(jié)）對應(yīng)下的壓差計高度差R，根據(jù)和，求得C0值。（4）根據(jù)，求得雷諾數(shù)，其中d取對應(yīng)的d0值。（5）在坐標(biāo)紙上分別繪出孔板流量計和文丘里流量計的－Re圖。五、實驗報告1.將所有原始數(shù)據(jù)及計算結(jié)果列成表格，并附上計算示例。2.在單對數(shù)坐標(biāo)紙上分別繪出孔板流量計和文丘里流量計的－Re圖。3.討論實驗結(jié)果。實驗數(shù)據(jù)記錄：序號高度/cm時間/s流量m3/h壓差cmH2O1左右△h2345678…六、思考題1.孔流系數(shù)與哪些因素有關(guān)？整理為word格式整理為word格式整理為word格式2.孔板、文丘里流量計安裝時各應(yīng)注意什么問題？3.如何檢查系統(tǒng)排氣是否完全？4.從實驗中，可以直接得到ΔR－V的校正曲線，經(jīng)整理后也可以得到－Re的曲線，這兩種表示方法各有什么優(yōu)點？整理為word格式整理為word格式整理為word格式實驗三流體流動阻力的測定一、實驗?zāi)康?．掌握測定流體流經(jīng)直管、管件和閥門時阻力損失的一般實驗方法。2．測定直管摩擦系數(shù)λ與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的關(guān)系，驗證在一般湍流區(qū)內(nèi)λ與Re的關(guān)系曲線。3．測定流體流經(jīng)管件、閥門時的局部阻力系數(shù)。4．學(xué)會倒U形壓差計和渦輪流量計的使用方法。5．識辨組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。二、基本原理流體通過由直管、管件（如三通和彎頭等）和閥門等組成的管路系統(tǒng)時，由于粘性剪應(yīng)力和渦流應(yīng)力的存在，要損失一定的機(jī)械能。流體流經(jīng)直管時所造成機(jī)械能損失稱為直管阻力損失。流體通過管件、閥門時因流體運動方向和速度大小改變所引起的機(jī)械能損失稱為局部阻力損失。1．直管阻力摩擦系數(shù)λ的測定流體在水平等徑直管中穩(wěn)定流動時，阻力損失為：（1）即，（2）式中：λ—直管阻力摩擦系數(shù)，無因次；d—直管內(nèi)徑，m；—流體流經(jīng)l米直管的壓力降，Pa； —單位質(zhì)量流體流經(jīng)l米直管的機(jī)械能損失，J/kg； ρ—流體密度，kg/m3； l—直管長度，m； u—流體在管內(nèi)流動的平均流速，m/s。滯流(層流)時，整理為word格式整理為word格式整理為word格式（3）（4）式中：Re—雷諾準(zhǔn)數(shù)，無因次；μ—流體粘度，kg/(m·s)。湍流時λ是雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和相對粗糙度（ε/d）的函數(shù)，須由實驗確定。由式（2）可知，欲測定λ，需確定l、d，測定、u、ρ、μ等參數(shù)。l、d為裝置參數(shù)（裝置參數(shù)表格中給出），ρ、μ通過測定流體溫度，再查有關(guān)手冊而得，u通過測定流體流量，再由管徑計算得到。例如本裝置采用渦輪流量計測流量，V，m3/h。（5）可用U型管、倒置U型管、測壓直管等液柱壓差計測定，或采用差壓變送器和二次儀表顯示。（1）當(dāng)采用倒置U型管液柱壓差計時（6）式中：R－水柱高度，m。（2）當(dāng)采用U型管液柱壓差計時（7）式中：R－液柱高度，m；－指示液密度，kg/m3。根據(jù)實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)l、d，指示液密度，流體溫度t0(查流體物性ρ、μ)，及實驗時測定的流量V、液柱壓差計的讀數(shù)R，通過式(5)、(6)或(7)、(4)和式(2)求取Re和λ，再將Re和λ標(biāo)繪在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上。2．局部阻力系數(shù)的測定局部阻力損失通常有兩種表示方法，即當(dāng)量長度法和阻力系數(shù)法。（1）當(dāng)量長度法流體流過某管件或閥門時造成的機(jī)械能損失看作與某一長度為的同直徑的管道所產(chǎn)生的機(jī)械能損失相當(dāng)，此折合的管道長度稱為當(dāng)量長度，用符號整理為word格式整理為word格式整理為word格式表示。這樣，就可以用直管阻力的公式來計算局部阻力損失，而且在管路計算時可將管路中的直管長度與管件、閥門的當(dāng)量長度合并在一起計算，則流體在管路中流動時的總機(jī)械能損失為：（8）（2）阻力系數(shù)法流體通過某一管件或閥門時的機(jī)械能損失表示為流體在小管徑內(nèi)流動時平均動能的某一倍數(shù)，局部阻力的這種計算方法，稱為阻力系數(shù)法。即：（9）故（10）式中：—局部阻力系數(shù)，無因次；－局部阻力壓強(qiáng)降，Pa；（本裝置中，所測得的壓降應(yīng)扣除兩測壓口間直管段的壓降，直管段的壓降由直管阻力實驗結(jié)果求取。）ρ—流體密度，kg/m3；g—重力加速度，9.81m/s2；u—流體在小截面管中的平均流速，m／s。待測的管件和閥門由現(xiàn)場指定。本實驗采用阻力系數(shù)法表示管件或閥門的局部阻力損失。根據(jù)連接管件或閥門兩端管徑中小管的直徑d，指示液密度，流體溫度t0(查流體物性ρ、μ)，及實驗時測定的流量V、液柱壓差計的讀數(shù)R，通過式(5)、(6)或(7)、(10)求取管件或閥門的局部阻力系數(shù)。三、實驗裝置與流程1.實驗裝置實驗裝置如圖1所示：整理為word格式整理為word格式整理為word格式1－水箱；2－管路泵；3－轉(zhuǎn)子流量計；4－球閥；5－倒U型差壓計；6－均壓環(huán)；7－球閥；8－局部阻力管上的閘閥；9－出水管路閘閥；10－水箱放水閥；圖1實驗裝置流程示意圖2.實驗流程實驗對象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)的水管，各種閥門、管件，渦輪流量計和倒U型壓差計等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長直管，分別為用于測定局部阻力系數(shù)，光滑管直管阻力系數(shù)和粗糙管直管阻力系數(shù)。測定局部阻力部分使用不銹鋼管，其上裝有待測管件(閘閥)；光滑管直管阻力的測定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測定對象為管道內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。流量使用渦輪流量計測量，將渦輪流量計的信號傳給相應(yīng)的顯示儀表顯示出轉(zhuǎn)速，管路和管件的阻力采用倒U型差壓計直接讀出讀數(shù)。3．裝置參數(shù)裝置參數(shù)如表1所示。由于管子的材質(zhì)存在批次的差異，所以可能會產(chǎn)生管徑的不同，所以表1中的管內(nèi)徑只能做為參考。表1裝置參數(shù)裝置1名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力閘閥1A20.095光滑管不銹鋼管1B20.0100粗糙管鍍鋅鐵管1C21.0100整理為word格式整理為word格式整理為word格式四、實驗步驟1.實驗準(zhǔn)備：1－低壓側(cè)閥門；2－高壓側(cè)閥門；1－低壓側(cè)閥門；2－高壓側(cè)閥門；3－進(jìn)氣閥門；4－平衡閥門；5－出水閥門圖2倒U型管壓差計（2）接通控制柜電源，打開總開關(guān)電源及儀表電源，進(jìn)行儀表自檢。打開水箱與泵連接管路間的球閥，關(guān)閉泵的回流閥，全開轉(zhuǎn)子流量計下的閘閥。如上步驟操作后，若泵吸不上水，可能是葉輪反轉(zhuǎn)，首先檢查有無缺相,一般可從指示燈判斷三相電是否正常。其次檢查有無反相,需檢查管道離心泵電機(jī)部分電源相序，調(diào)整三根火線中的任意兩線插口即可。2.實驗管路選擇：選擇實驗管路，把對應(yīng)的進(jìn)口閥打開，并在出口閥最大開度下，保持全流量流動5－10min。3.排氣：先進(jìn)行管路的引壓操作。需打開實驗管路均壓環(huán)上的引壓閥，對倒U型管進(jìn)行操作如下，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。（a）排出系統(tǒng)和導(dǎo)壓管內(nèi)的氣泡。關(guān)閉管路總出口閥9，使系統(tǒng)處于零流量、高揚程狀態(tài)。關(guān)閉進(jìn)氣閥門(3)和出水活栓(5)以及平衡閥門(4)。打開高壓側(cè)閥門(2)和低壓側(cè)閥門(1)使實驗系統(tǒng)的水經(jīng)過系統(tǒng)管路、導(dǎo)壓管、高壓側(cè)閥門(1)、倒U形管、低壓側(cè)閥門(2)排出系統(tǒng)。（b）玻璃管吸入空氣。排凈氣泡后，關(guān)閉(1)和(2)兩個閥門，打開平衡閥(4)和出水活栓(5)進(jìn)氣閥(3)，使玻璃管內(nèi)的水排凈并吸入空氣。（c）平衡水位。關(guān)閉閥(4)、(5)、(3)，然后打開(1)和(2)兩個閥門，讓水進(jìn)入玻璃管至平衡水位（此時系統(tǒng)中的出水閥門始終是關(guān)閉的，管路中的水在零流量時，U形管內(nèi)水位是平衡的，壓差計即處于待用狀態(tài)，在進(jìn)行下一根管測定時，先將被測管的進(jìn)水閥和引壓閥依次打開，然后再關(guān)閉已測管的進(jìn)水閥門。（d）被測對象在不同流量下對應(yīng)的差壓，就反應(yīng)為倒U型管壓差計的左右水柱之差。4．流量調(diào)節(jié)：進(jìn)行不同流量下的管路壓差測定實驗。讓流量從0.8到4m3/h范圍內(nèi)變化，建議每次實驗變化0.5m3/h左右。由小到大或由大到小調(diào)節(jié)管路總出口閥，每次改變流量，待流動達(dá)到穩(wěn)定后，讀取各項數(shù)據(jù)，共作8－10組實驗點。主要獲取實驗參數(shù)為：流量Q、測量段壓差P，及流體溫度t。整理為word格式整理為word格式整理為word格式5．實驗結(jié)束：實驗完畢，關(guān)閉管路總出口閥，然后關(guān)閉泵開關(guān)和控制柜電源，將該管路的進(jìn)口球閥和對應(yīng)均壓環(huán)上的引壓閥關(guān)閉，清理裝置（若長期不用，則管路殘留水可從排空閥進(jìn)行排空，水箱的水也通過排水閥排空）。五、實驗數(shù)據(jù)處理根據(jù)上述實驗測得的數(shù)據(jù)填寫到下表：實驗日期：實驗人員：學(xué)號：溫度：裝置號：直管基本參數(shù)：光滑管徑粗糙管徑局部阻力管徑

序號流量(m3/h)光滑管mmH2O粗糙管mmH2O局部阻力mmH2O左右壓差左右壓差左右壓差123456…六、實驗報告1．根據(jù)粗糙管實驗結(jié)果，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪出λ～Re曲線，對照化工原理教材上有關(guān)曲線圖，即可估算出該管的相對粗糙度和絕對粗糙度。2．根據(jù)光滑管實驗結(jié)果，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪出λ～Re曲線，對照柏拉修斯方程，計算其誤差。3．根據(jù)局部阻力實驗結(jié)果，求出閘閥全開時的平均ξ值。4．對以上的實驗結(jié)果進(jìn)行分析討論。整理為word格式整理為word格式整理為word格式數(shù)據(jù)處理及計算結(jié)果表序號流量m3/h光滑管粗糙管局部阻力流速m/sRe△p/Paλ流速m/sRe△p/Paλ流速m/s△p/Paξ12345678910七、思考題1．在對裝置做排氣工作時，是否一定要關(guān)閉流程尾部的出口閥?為什么?2．如何檢測管路中的空氣已經(jīng)被排除干凈?3．以水做介質(zhì)所測得的λ～Re關(guān)系能否適用于其它流體?如何應(yīng)用?4．在不同設(shè)備上(包括不同管徑)，不同水溫下測定的λ～Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在同一條曲線上?5．如果測壓口、孔邊緣有毛刺或安裝不垂直，對靜壓的測量有何影響?整理為word格式整理為word格式整理為word格式實驗四氣－氣列管換熱實驗一、實驗?zāi)康?．測定列管式換熱器的總傳熱系數(shù)。2．考察流體流速對總傳熱系數(shù)的影響。3．比較并流流動傳熱和逆流流動傳熱的特點。二、基本原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進(jìn)行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖1所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。達(dá)到傳熱穩(wěn)定時，有（1）式中：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?℃)；T1－熱流體的進(jìn)口溫度，℃；T2－熱流體的出口溫度，℃；m2－冷流體的質(zhì)量流率，kg/s；cp2－冷流體的比熱，J/(kg?℃)；t1－冷流體的進(jìn)口溫度，℃；整理為word格式整理為word格式整理為word格式t2－冷流體的出口溫度，℃；K－以傳熱面積A為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)，W/(m2?℃)；－冷熱流體的對數(shù)平均溫差，℃；熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由式（2）計算，（2）列管換熱器的換熱面積可由式（3）算得，（3）其中，d為列管直徑（因本實驗為冷熱氣體強(qiáng)制對流換熱，故各列管本身的導(dǎo)熱忽略，所以d取列管內(nèi)徑），L為列管長度，n為列管根數(shù)，以上參數(shù)取決于列管的設(shè)計，詳見下文附表。由此可得換熱器的總給熱系數(shù)，（4）在本實驗裝置中，為了盡可能提高換熱效率，采用熱流體走管內(nèi)、冷流體走管間形式，但是熱流體熱量仍會有部分損失，所以Q應(yīng)以冷流體實際獲得的熱能測算，即（5）則冷流體質(zhì)量流量m2已經(jīng)轉(zhuǎn)換為密度和體積等可測算的量，其中為冷流體的進(jìn)口體積流量，所以也應(yīng)取冷流體的進(jìn)口密度，即可有冷流體的進(jìn)口溫度（而非定性溫度）查表確定。除查表外，對于在0～100℃之間，空氣的各物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關(guān)系式：（2）空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60℃以下＝J/(kg?℃),70℃以上＝J/(kg?℃)。三、實驗裝置與流程整理為word格式整理為word格式整理為word格式名稱符號單位備注冷流體進(jìn)口溫度t1℃熱流體走管內(nèi)，冷流體走管間。列管規(guī)格，即內(nèi)徑21mm，共7根列管，長1m，則換熱面積共0.462m2。逆流出口溫度t2℃并流出口溫度t2’℃熱流體進(jìn)口溫度T1℃熱流體出口溫度T2℃熱風(fēng)流量V1m3/h冷風(fēng)流量V2m3/h圖2實驗裝置流程示意圖及符號說明本裝置采用冷空氣與熱空氣體系進(jìn)行對流換熱。熱流體由風(fēng)機(jī)1吸入經(jīng)流量計V1計量后，進(jìn)入加熱管預(yù)熱，溫度測定后進(jìn)入列管換熱器管內(nèi)，出口也經(jīng)溫度測定后直接排出。冷流體由風(fēng)機(jī)2吸入經(jīng)流量計V2計量后，由溫度計測定其進(jìn)口溫度，并由閘閥選擇逆流或并流傳熱形式。即：上圖冷風(fēng)左側(cè)進(jìn)口閥打開即為逆著熱風(fēng)的流向，相應(yīng)的也應(yīng)打開對角處的逆流出口閥，這就是逆流換熱的流程；類似的，將冷風(fēng)右側(cè)進(jìn)口閥打開即為并著熱風(fēng)的流向，打開對角的冷流體并流出口閥，這就是并流換熱的流程。冷熱流體的流量可由各自風(fēng)機(jī)的旁路閥調(diào)節(jié)。四、操作步驟1.打開總電源開關(guān)、儀表開關(guān)，待各儀表溫度自檢顯示正常后進(jìn)行下步操作。2.打開熱流體風(fēng)機(jī)的出口旁路，啟動熱流體風(fēng)機(jī)，再調(diào)節(jié)旁路閥門到適合的實驗流量。（一般取熱流體流量60~80m整理為word格式整理為word格式整理為word格式3/h，整個實驗過程中保持恒定。）3.開啟加熱開關(guān)，調(diào)節(jié)旋鈕，使加熱電壓到一恒定值。（例如在室溫20℃左右，熱流體風(fēng)量70m3/h，一般調(diào)加熱電壓150V，經(jīng)約30min后，熱流體進(jìn)口溫度可恒定在82℃左右。）4.待熱流體在恒定流量下的進(jìn)口溫度相對不變后，可先打開冷流體風(fēng)機(jī)的出口旁路，啟動冷流體風(fēng)機(jī)。5.若選擇逆流換熱過程，則將控制面板上溫度切換顯示開關(guān)調(diào)至逆流狀態(tài)，打開冷流體進(jìn)出管路上對應(yīng)逆流流程的兩個閥門。6.然后以冷流體流量作為實驗的主變量，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)旁路，從20~80m3/h流量范圍內(nèi)，選取5到6個點作為工作點進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的測定。7.待某一流量下的熱流體和逆流的冷流體換熱的四個溫度相對恒定后，可認(rèn)為換熱過程基本平衡了，抄錄冷熱流體的流量和溫度，即完成逆流換熱下一組數(shù)據(jù)的測定。之后，改變一個冷流體的風(fēng)量，再待換熱平衡抄錄又一組實驗數(shù)據(jù)。8.同理，可進(jìn)行冷熱流體的并流換熱實驗。注意：熱流體流量在整個實驗過程中最好保持不變，冷流體每次的進(jìn)口溫度會隨風(fēng)機(jī)發(fā)熱情況不同，但在一次換熱過程中，必須待熱流體進(jìn)出口溫度相對恒定后方可認(rèn)為換熱過程平衡。9.實驗結(jié)束，應(yīng)先關(guān)閉加熱器，待各溫度顯示至室溫左右，再關(guān)閉風(fēng)機(jī)和其他電源。五、實驗報告1.逆流換熱流程下，固定熱流體流量，求取總換熱系數(shù)K（逆）。2.并流換熱流程下，固定熱流體流量，求取總換熱系數(shù)K（并）。3.實驗數(shù)據(jù)記錄表及計算結(jié)果整理為word格式整理為word格式整理為word格式換熱方式熱流體冷流體q/kJ·h-1△tmK/w·(m2·℃)-1流量m3/h進(jìn)口溫度℃出口溫度℃流量m3/h進(jìn)口溫度℃出口溫度℃逆流并流整理為word格式整理為word格式整理為word格式實驗五篩板精餾塔實驗一、實驗?zāi)康?.了解篩板精餾塔及其附屬設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，掌握精餾過程的基本操作方法。2.學(xué)會判斷系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的方法，掌握測定塔頂、塔釜溶液濃度的實驗方法。3.學(xué)習(xí)測定精餾塔全塔效率和單板效率的實驗方法，研究回流比對精餾塔分離效率的影響。二、基本原理1．全塔效率全塔效率又稱總板效率，是指達(dá)到指定分離效果所需理論板數(shù)與實際板數(shù)的比值，即（1）式中，－完成一定分離任務(wù)所需的理論塔板數(shù)，包括蒸餾釜；－完成一定分離任務(wù)所需的實際塔板數(shù)，本裝置＝10。全塔效率簡單地反映了整個塔內(nèi)塔板的平均效率，說明了塔板結(jié)構(gòu)、物性系數(shù)、操作狀況對塔分離能力的影響。對于塔內(nèi)所需理論塔板數(shù)，可由已知的雙組分物系平衡關(guān)系，以及實驗中測得的塔頂、塔釜出液的組成，回流比R和熱狀況q等，用圖解法求得。2．單板效率單板效率又稱莫弗里板效率，如圖1所示，是指氣相或液相經(jīng)過一層實際塔板前后的組成變化值與經(jīng)過一層理論塔板前后的組成變化值之比。圖1塔板氣液流向示意按氣相組成變化表示的單板效率為（2）整理為word格式整理為word格式整理為word格式按液相組成變化表示的單板效率為（3）式中，、－離開第n、n+1塊塔板的氣相組成，摩爾分?jǐn)?shù)；、－離開第n-1、n塊塔板的液相組成，摩爾分?jǐn)?shù)；－與成平衡的氣相組成，摩爾分?jǐn)?shù)；－與成平衡的液相組成，摩爾分?jǐn)?shù)。3.圖解法求理論塔板數(shù)圖解法又稱麥卡勃－蒂列（McCabe－Thiele）法，簡稱M－T法，其原理與逐板計算法完全相同，只是將逐板計算過程在y－x圖上直觀地表示出來。精餾段的操作線方程為：（4）式中，－精餾段第n+1塊塔板上升的蒸汽組成，摩爾分?jǐn)?shù)；－精餾段第n塊塔板下流的液體組成，摩爾分?jǐn)?shù)； －塔頂溜出液的液體組成，摩爾分?jǐn)?shù)；－泡點回流下的回流比。提餾段的操作線方程為：（5）式中，－提餾段第m+1塊塔板上升的蒸汽組成，摩爾分?jǐn)?shù)；－提餾段第m塊塔板下流的液體組成，摩爾分?jǐn)?shù)；－塔底釜液的液體組成，摩爾分?jǐn)?shù)；－提餾段內(nèi)下流的液體量，kmol/s；－釜液流量，kmol/s。加料線（q線）方程可表示為：整理為word格式整理為word格式整理為word格式（6）其中，（7）式中，－進(jìn)料熱狀況參數(shù)；－進(jìn)料液組成下的汽化潛熱，kJ/kmol；－進(jìn)料液的泡點溫度，℃；－進(jìn)料液溫度，℃；－進(jìn)料液在平均溫度/2下的比熱容，kJ/（kmol℃）；－進(jìn)料液組成，摩爾分?jǐn)?shù)?；亓鞅萊的確定：（8）式中，－回流液量，kmol/s；－餾出液量，kmol/s。式（8）只適用于泡點下回流時的情況，而實際操作時為了保證上升氣流能完全冷凝，冷卻水量一般都比較大，回流液溫度往往低于泡點溫度，即冷液回流。如圖2所示，從全凝器出來的溫度為、流量為的液體回流進(jìn)入塔頂?shù)谝粔K板，由于回流溫度低于第一塊塔板上的液相溫度，離開第一塊塔板的一部分上升蒸汽將被冷凝成液體，這樣，塔內(nèi)的實際流量將大于塔外回流量。圖2塔頂回流示意圖整理為word格式整理為word格式整理為word格式對第一塊板作物料、熱量衡算：（9）（10）對式（9）、式（10）整理、化簡后，近似可得：（11）即實際回流比：（12）R1（13）式中，、－離開第1、2塊板的氣相摩爾流量，kmol/s；－塔內(nèi)實際液流量，kmol/s；、、、－指對應(yīng)、、、下的焓值，kJ/kmol；－回流液組成下的汽化潛熱，kJ/kmol；－回流液在與平均溫度下的平均比熱容，kJ/（kmol℃）。（1）全回流操作在精餾全回流操作時，操作線在y－x圖上為對角線，如圖3所示，根據(jù)塔頂、塔釜的組成在操作線和平衡線間作梯級，即可得到理論塔板數(shù)。整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖3全回流時理論板數(shù)的確定（2）部分回流操作部分回流操作時，如圖4，圖解法的主要步驟為：A.根據(jù)物系和操作壓力在y－x圖上作出相平衡曲線，并畫出對角線作為輔助線；B.在x軸上定出x＝xD、xF、xW三點，依次通過這三點作垂線分別交對角線于點a、f、b；C.在y軸上定出yC＝xD/(R+1)的點c，連接a、c作出精餾段操作線；D.由進(jìn)料熱狀況求出q線的斜率q/（q-1），過點f作出q線交精餾段操作線于點d；E.連接點d、b作出提餾段操作線；F.從點a開始在平衡線和精餾段操作線之間畫階梯，當(dāng)梯級跨過點d時，就改在平衡線和提餾段操作線之間畫階梯，直至梯級跨過點b為止；H.所畫的總階梯數(shù)就是全塔所需的理論踏板數(shù)（包含再沸器），跨過點d的那塊板就是加料板，其上的階梯數(shù)為精餾段的理論塔板數(shù)。整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖4部分回流時理論板數(shù)的確定三、實驗裝置和流程本實驗裝置的主體設(shè)備是篩板精餾塔，配套的有加料系統(tǒng)、回流系統(tǒng)、產(chǎn)品出料管路、殘液出料管路、進(jìn)料泵和一些測量、控制儀表。篩板塔主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：塔內(nèi)徑D＝68mm，厚度＝2mm，塔節(jié)764，塔板數(shù)N＝10塊，板間距HT＝100mm。加料位置由下向上起數(shù)第4塊和第6塊。降液管采用弓形，齒形堰，堰長56mm，堰高7.3mm，齒深4.6mm，齒數(shù)9個。降液管底隙4.5mm。篩孔直徑d0＝1.5mm，正三角形排列，孔間距t＝5mm，開孔數(shù)為74個。塔釜為內(nèi)電加熱式，加熱功率2.5kW，有效容積為10L。塔頂冷凝器、塔釜換熱器均為盤管式。單板取樣為自下而上第1塊和第10塊，斜向上為液相取樣口，水平管為氣相取樣口。本實驗料液為乙醇-正丙醇溶液，釜內(nèi)液體由電加熱器產(chǎn)生蒸汽逐板上升，經(jīng)與各板上的液體傳質(zhì)后，進(jìn)入盤管式換熱器殼程，冷凝成液體后再從集液器流出，一部分作為回流液從塔頂流入塔內(nèi)，另一部分作為產(chǎn)品餾出，進(jìn)入產(chǎn)品貯罐；殘液經(jīng)釜液轉(zhuǎn)子流量計流入釜液貯罐。精餾過程如圖5所示。整理為word格式整理為word格式整理為word格式1－塔釜；2－電加熱器；3－塔釜排液口；4－塔節(jié)；5－玻璃視鏡；6－不凝性氣體出口；7－冷卻水進(jìn)口；8－冷卻水出口；9－冷卻水流量計；10－塔頂回流流量計；11－塔頂出料液流量計；12－塔頂出料取樣口；13－進(jìn)料閥；14－換熱器；15－進(jìn)料液取樣口；16－塔釜殘液流量計；17－進(jìn)料液流量計；18－產(chǎn)品灌；19－殘液灌；20－原料灌；21－進(jìn)料泵；22－排空閥；23－排液閥；圖5篩板塔精餾塔實驗裝置圖四、實驗步驟與注意事項本實驗的主要操作步驟如下：1．全回流（1）配制濃度為50%左右(體積百分比)的料液加入貯罐中，打開進(jìn)料管路上的閥門，由進(jìn)料泵將料液打入塔釜，觀察塔釜液位計高度，進(jìn)料至釜容積的2/3處。進(jìn)料時可以打開進(jìn)料旁路的閘閥，加快進(jìn)料速度。進(jìn)料的同時，在進(jìn)料液取樣口取樣，測定進(jìn)料液組成xf。（2）關(guān)閉塔身進(jìn)料管路上的閥門，啟動電加熱管電源，逐步增加加熱電壓，使塔釜溫度緩慢上升（因塔中部玻璃部分較為脆弱，若加熱過快玻璃極易碎裂，使整個精餾塔報廢，故升溫過程應(yīng)盡可能緩慢）。（3）打開塔頂冷凝器的冷卻水，調(diào)節(jié)合適冷凝量，并關(guān)閉塔頂出料管路，使整塔處于全回流狀態(tài)。整理為word格式整理為word格式整理為word格式（4）當(dāng)塔頂溫度、回流量和塔釜溫度穩(wěn)定后，分別取塔頂濃度XD和塔釜濃度XW，用阿貝折光儀測定其濃度。2．部分回流（1）在儲料罐中配制一定濃度的乙醇-正丙醇溶液（約50%）。（2）待塔全回流操作穩(wěn)定時，打開進(jìn)料閥，調(diào)節(jié)進(jìn)料量至適當(dāng)?shù)牧髁?。?）控制塔頂回流和出料兩轉(zhuǎn)子流量計，調(diào)節(jié)回流比R(R=1~4)。（4）打開塔釜殘液流量計，調(diào)節(jié)至適當(dāng)流量。（5）當(dāng)塔頂、塔內(nèi)溫度讀數(shù)以及流量都穩(wěn)定后即可取樣。3．取樣與分析（1）進(jìn)料、塔頂、塔釜從各相應(yīng)的取樣閥放出。（2）塔板取樣用注射器從所測定的塔板中緩緩抽出，取1ml左右注入事先洗凈烘干的針劑瓶中，并給該瓶蓋標(biāo)號以免出錯，各個樣品盡可能同時取樣。（3）將樣品用阿貝折光儀測定其濃度。4．注意事項（1）塔頂放空閥一定要打開，否則容易因塔內(nèi)壓力過大導(dǎo)致危險。（2）料液一定要加到設(shè)定液位2/3處方可打開加熱管電源，否則塔釜液位過低會使電加熱絲露出干燒致壞。（3）如果實驗中塔板溫度有明顯偏差，是由于所測定的溫度不是氣相溫度，而是氣液混合的溫度。圖6儀器儀表面板圖AI01釜溫AI02回流液溫度AI03進(jìn)料液溫度AI04頂?shù)谝粔K板的氣溫AI05頂?shù)诙K板的氣溫AI06頂?shù)谌龎K板的氣溫AI07頂?shù)谖鍓K板的氣溫AI08頂?shù)诹鶋K板的氣溫AI09頂?shù)谄邏K板的氣溫AI10頂?shù)诎藟K板的氣溫AI11頂?shù)诰艍K板的氣溫AI12頂?shù)谑畨K板的氣溫整理為word格式整理為word格式整理為word格式表1常壓下乙醇-正丙醇?xì)庖合嗥胶鈹?shù)據(jù)x/摩爾分率00.1260.1880.2100.3580.4610.5460.6000.6630.8841.00y/摩爾分率00.2400.3180.3490.5500.6500.7110.7600.7990.9141.00表2乙醇-正丙醇物系中正丙醇濃度（摩爾分率）與折光率關(guān)系折光率1.36141.36211.36471.36711.36951.37201.37411.37691.37901.38181.3856正丙醇組成（摩爾分率）％05.4616.0625.8535.6445.8354.3965.8174.3885.79100五．實驗報告1．將塔頂、塔底溫度和組成，以及各流量計讀數(shù)等原始數(shù)據(jù)列表。2．按全回流和部分回流分別用圖解法計算理論板數(shù)。3．計算全塔效率和單板效率。4.分析并討論實驗過程中觀察到的現(xiàn)象。六．思考題1.測定全回流和部分回流總板效率與單板效率時各需測幾個參數(shù)？取樣位置在何處？2．全回流時測得板式塔上第n、n-1層液相組成后，如何求得xn*，部分回流時，又如何求xn*？3．在全回流時，測得板式塔上第n、n-1層液相組成后，能否求出第n層塔板上的以氣相組成變化表示的單板效率？4．查取進(jìn)料液的汽化潛熱時定性溫度取何值？5．若測得單板效率超過100%，作何解釋？6．試分析實驗結(jié)果成功或失敗的原因，提出改進(jìn)意見。整理為word格式整理為word格式整理為word格式實驗六離心泵特性曲線測定一、實驗?zāi)康?．了解離心泵結(jié)構(gòu)與特性，熟悉離心泵的使用；2．掌握離心泵特性曲線測定方法；3．了解電動調(diào)節(jié)閥的工作原理和使用方法。二、基本原理離心泵的特性曲線是選擇和使用離心泵的重要依據(jù)之一，其特性曲線是在恒定轉(zhuǎn)速下泵的揚程H、軸功率N及效率η與泵的流量Q之間的關(guān)系曲線，它是流體在泵內(nèi)流動規(guī)律的宏觀表現(xiàn)形式。由于泵內(nèi)部流動情況復(fù)雜，不能用理論方法推導(dǎo)出泵的特性關(guān)系曲線，只能依靠實驗測定。1．揚程H的測定與計算取離心泵進(jìn)口真空表和出口壓力表處為1、2兩截面，列機(jī)械能衡算方程：（1）由于兩截面間的管長較短，通?？珊雎宰枇?，速度平方差也很小故可忽略，則有（2）式中：，表示泵出口和進(jìn)口間的位差，m；和ρ——流體密度，kg/m3；g——重力加速度m/s2；p1、p2——分別為泵進(jìn)、出口的真空度和表壓，Pa；H1、H2——分別為泵進(jìn)、出口的真空度和表壓對應(yīng)的壓頭，m；u1、u2——分別為泵進(jìn)、出口的流速，m/s； z1、z2——分別為真空表、壓力表的安裝高度，m。由上式可知，只要直接讀出真空表和壓力表上的數(shù)值，及兩表的安裝高度差，就可計算出泵的揚程。2．軸功率N的測量與計算整理為word格式整理為word格式整理為word格式（W）（3）其中，N電為電功率表顯示值，k代表電機(jī)傳動效率，可取。3．效率η的計算泵的效率η是泵的有效功率Ne與軸功率N的比值。有效功率Ne是單位時間內(nèi)流體經(jīng)過泵時所獲得的實際功，軸功率N是單位時間內(nèi)泵軸從電機(jī)得到的功，兩者差異反映了水力損失、容積損失和機(jī)械損失的大小。泵的有效功率Ne可用下式計算：（4）故泵效率為（5）4．轉(zhuǎn)速改變時的換算泵的特性曲線是在定轉(zhuǎn)速下的實驗測定所得。但是，實際上感應(yīng)電動機(jī)在轉(zhuǎn)矩改變時，其轉(zhuǎn)速會有變化，這樣隨著流量Q的變化，多個實驗點的轉(zhuǎn)速n將有所差異，因此在繪制特性曲線之前，須將實測數(shù)據(jù)換算為某一定轉(zhuǎn)速n下（可取離心泵的額定轉(zhuǎn)速2900rpm）的數(shù)據(jù)。換算關(guān)系如下：流量（6）揚程（7）軸功率（8）效率（9）三、實驗裝置與流程離心泵特性曲線測定裝置流程圖如下：整理為word格式整理為word格式整理為word格式1－水箱；2－離心泵；3－轉(zhuǎn)速傳感器；4－泵出口壓力表；5－玻璃轉(zhuǎn)子流量計；6－出口流量調(diào)節(jié)閘閥；7－灌泵漏斗；8－泵進(jìn)口壓力表；9－溫度計；圖1實驗裝置流程示意圖四、實驗步驟及注意事項1.實驗步驟：（1）清洗水箱，并加裝實驗用水。通過灌泵漏斗給離心泵灌水，排出泵內(nèi)氣體。（2）檢查各閥門開度和儀表自檢情況，試開狀態(tài)下檢查電機(jī)和離心泵是否正常運轉(zhuǎn)。開啟離心泵之前先將出口閥關(guān)閉，當(dāng)泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后方可逐步打開出口閥。（3）實驗時，逐漸打開出口流量調(diào)節(jié)閘閥增大流量，待各儀表讀數(shù)顯示穩(wěn)定后，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。離心泵特性實驗主要獲取實驗數(shù)據(jù)為：流量Q、泵進(jìn)口壓力p1、泵出口壓力p2、電機(jī)功率N電、泵轉(zhuǎn)速n，及流體溫度t和兩測壓點間高度差H0（H0＝0.1m）。（4）改變出口流量調(diào)節(jié)閘閥的開度，測取10組左右數(shù)據(jù)后，可以停泵，同時記錄下設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)（如離心泵型號，額定流量、額定轉(zhuǎn)速、揚程和功率等），停泵前先將出口流量調(diào)節(jié)閘閥關(guān)閉。2.注意事項：（1）一般每次實驗前，均需對泵進(jìn)行灌泵操作，以防止離心泵氣縛。同時注意定期對泵進(jìn)行保養(yǎng)，防止葉輪被固體顆粒損壞。（2）泵運轉(zhuǎn)過程中，勿觸碰泵主軸部分，因其高速轉(zhuǎn)動，可能會纏繞并傷害身體接觸部位。（3）不要在出口流量調(diào)節(jié)閘閥關(guān)閉狀態(tài)下長時間使泵運轉(zhuǎn)，一般不超過三分鐘，否則泵中液體循環(huán)溫度升高，易生氣泡，使泵抽空。整理為word格式整理為word格式整理為word格式五、數(shù)據(jù)處理（1）記錄實驗原始數(shù)據(jù)如下表1：實驗日期：實驗人員：學(xué)號：裝置號：離心泵型號＝，額定流量＝，額定揚程＝，額定功率＝泵進(jìn)出口測壓點高度差H0=，流體溫度t＝序號流量Qm3/h泵進(jìn)口壓力p1kPa泵出口壓力p2kPa電機(jī)功率N電kW泵轉(zhuǎn)速nr/min（2）根據(jù)原理部分的公式，按比例定律校合轉(zhuǎn)速后，計算各流量下的泵揚程、軸功率和效率，如表2：序號流量Q’m3/h揚程H’m軸功率N’kW泵效率η’%六、實驗報告1．分別繪制一定轉(zhuǎn)速下的H～Q、N～Q、η～Q曲線2．分析實驗結(jié)果，判斷泵最為適宜的工作范圍。七、思考題1.試從所測實驗數(shù)據(jù)分析，離心泵在啟動時為什么要關(guān)閉出口閥門？2.啟動離心泵之前為什么要引水灌泵？如果灌泵后依然啟動不起來，你認(rèn)為可能的原因是什么？整理為word格式整理為word格式整理為word格式3.為什么用泵的出口閥門調(diào)節(jié)流量？這種方法有什么優(yōu)缺點？是否還有其他方法調(diào)節(jié)流量？4.泵啟動后，出口閥如果不開，壓力表讀數(shù)是否會逐漸上升？為什么？5.正常工作的離心泵，在其進(jìn)口管路上安裝閥門是否合理？為什么？6.試分析，用清水泵輸送密度為1200Kg/ｍ的鹽水，在相同流量下你認(rèn)為泵的壓力是否變化？軸功率是否變化？整理為word格式整理為word格式整理為word格式實驗七恒壓過濾實驗一、實驗?zāi)康?.熟悉板框壓濾機(jī)的構(gòu)造和操作方法。2.通過恒壓過濾實驗，驗證過濾基本理論。3.學(xué)會測定過濾常數(shù)K、qe、τe及壓縮性指數(shù)s的方法。4.了解過濾壓力對過濾速率的影響。二、基本原理過濾是以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)來處理懸浮液以達(dá)到固、液分離的一種操作過程，即在外力的作用下，懸浮液中的液體通過固體顆粒層（即濾渣層）及多孔介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截留下來形成濾渣層，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層的流動，而這個固體顆粒層（濾渣層）的厚度隨著過濾的進(jìn)行而不斷增加，故在恒壓過濾操作中，過濾速度不斷降低。過濾速度u定義為單位時間單位過濾面積內(nèi)通過過濾介質(zhì)的濾液量。影響過濾速度的主要因素除過濾推動力（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。過濾時濾液流過濾渣和過濾介質(zhì)的流動過程基本上處在層流流動范圍內(nèi)，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，可得過濾速度計算式：（1）式中：u—過濾速度，m/s；V—通過過濾介質(zhì)的濾液量，m3；A—過濾面積，m2；τ—過濾時間，s；q—通過單位面積過濾介質(zhì)的濾液量，m3/m2；△p—過濾壓力（表壓）pa；s—濾渣壓縮性系數(shù)；μ—濾液的粘度，Pa.s；r—濾渣比阻，1/m2；C—單位濾液體積的濾渣體積，m3/m3；整理為word格式整理為word格式整理為word格式Ve—過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，m3；r—濾渣比阻，m/kg；C—單位濾液體積的濾渣質(zhì)量，kg/m3。對于一定的懸浮液，在恒溫和恒壓下過濾時，μ、r、C和△p都恒定，為此令：（2）于是式（1）可改寫為：（3）式中：K—過濾常數(shù)，由物料特性及過濾壓差所決定，。將式（3）分離變量積分，整理得：（4）即（5）將式（4）的積分極限改為從0到Ve和從0到積分，則：（6）將式（5）和式（6）相加，可得：（7）式中：—虛擬過濾時間，相當(dāng)于濾出濾液量Ve所需時間，s。再將式（7）微分，得：（8）將式（8）寫成差分形式，則（9）整理為word格式整理為word格式整理為word格式式中：—每次測定的單位過濾面積濾液體積（在實驗中一般等量分配），m3/m2；—每次測定的濾液體積所對應(yīng)的時間，s；—相鄰二個q值的平均值，m3/m2。以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)將式（9）標(biāo)繪成一直線，可得該直線的斜率和截距，斜率：截距：則，改變過濾壓差△P，可測得不同的K值，由K的定義式（2）兩邊取對數(shù)得： (10)在實驗壓差范圍內(nèi)，若B為常數(shù)，則lgK～lg(△p)的關(guān)系在直角坐標(biāo)上應(yīng)是一條直線，斜率為(1-s)，可得濾餅壓縮性指數(shù)s。三、實驗裝置與流程本實驗裝置由空壓機(jī)、配料槽、壓力料槽、板框過濾機(jī)等組成，其流程示意如圖1。1－空氣壓縮機(jī)；2－壓力灌；3－安全閥；4，5－壓力表；6－清水罐；7－濾框；8－濾板；9－手輪；10－通孔切換閥；11－調(diào)壓閥；12－量筒；13－配料罐；14－地溝整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖1板框壓濾機(jī)過濾流程CaCO3的懸浮液在配料桶內(nèi)配制一定濃度后，利用壓差送入壓力料槽中，用壓縮空氣加以攪拌使CaCO3不致沉降，同時利用壓縮空氣的壓力將濾漿送入板框壓濾機(jī)過濾，濾液流入量筒計量，壓縮空氣從壓力料槽上排空管中排出。板框壓濾機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸：框厚度20mm，每個框過濾面積0.0177m2，框數(shù)2個。空氣壓縮機(jī)規(guī)格型號：風(fēng)量0.06m3/min，最大氣壓0.8Mpa。四、實驗步驟1．實驗準(zhǔn)備（1）配料：在配料罐內(nèi)配制含CaCO310％～30％（wt.%）的水懸浮液，碳酸鈣事先由天平稱重，水位高度按標(biāo)尺示意，筒身直徑35mm。配置時，應(yīng)將配料罐底部閥門關(guān)閉。（2）攪拌：開啟空壓機(jī)，將壓縮空氣通入配料罐（空壓機(jī)的出口小球閥保持半開，進(jìn)入配料罐的兩個閥門保持適當(dāng)開度），使CaCO3懸浮液攪拌均勻。攪拌時，應(yīng)將配料罐的頂蓋合上。（3）設(shè)定壓力：分別打開進(jìn)壓力灌的三路閥門，空壓機(jī)過來的壓縮空氣經(jīng)各定值調(diào)節(jié)閥分別設(shè)定為0.1Mpa、0.2Mpa和0.25Mpa（出廠已設(shè)定，實驗時不需要再調(diào)壓。若欲作0.25Mpa以上壓力過濾，需調(diào)節(jié)壓力罐安全閥）。設(shè)定定值調(diào)節(jié)閥時，壓力