热工过程及设备

1、目录实验一流体力学综合实验 2实验二燃料热值的测定（氧弹法） 7实验三球体法导热系数的测定 . 12实验四 套管换热器液 -液换热实验 16附录 1 铜康铜热电偶分度表 错误！未定义书签。附录 2精密数字温度温差仪使用方法 21实验一 流体力学综合实验流体力学综合实验台为多用途实验装置，其结构示意图如图 1 所示图 1 流体力学综合试验台结构示意图1.储水箱 2.上、回水管 3.电源插座 4.恒压水箱 5.墨盒9.回水管 10.实验桌6.实验管段组 7.支架 8.计量水箱利用这种实验台可进行下列实验： 雷诺实验；能量方程实验；一、 雷诺实验1实验目的（1）观察流体在管道中的流动状态；（2）测定

2、几种状态下的雷诺数；（3）了解流态与雷诺数的关系。2实验装置在流体力学综合实验台中， 雷诺实验涉及的部分有高位水箱、 雷诺数 实验管、阀门、伯努力方程实验管道、 颜料水（蓝墨水） 盒及其控制阀门、 上水阀、出水阀，水泵和计量水箱等，秒表及温度计自备。3实验前准备（1）、将实验台的各个阀门置于关闭状态。开启水泵，全开上水阀门， 把水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水有少量溢流，并保持水位不 变。（2）、用温度计测量水温。4实验方法（1）、观察状态 打开颜料水控制阀， 使颜料水从注入针流出， 颜料水和雷诺实验管中 的水迅速混合成均匀的淡颜色水，此时雷诺实验管中的流动状态为紊流； 随着出水阀门的不

3、断的关小， 颜料水与雷诺实验管中的水渗混程度逐渐减 弱，直至颜料水与雷诺实验管中形成一条清晰的线流， 此时雷诺实验管中 的流动为层流。（2）测定几种状态下的雷诺系数 全开出水阀门， 然后在逐渐关闭出水阀门， 直至能开始保持雷诺实验 管内的颜料水流动状态为层流状态。 按照从小流量到大流量的顺序进行实 验，在每一个状态下测量体积流量和水温，并求出相应的雷诺数。实验数据处理举例：设某一工况下具体积流量Q=3.467× 10-5m3/s，雷诺实验管内径d=0.014m，实验水温 T=5，查水的运动粘度与水温曲线， 可知微 v=1.519 ×10-6m2/s。Q 3.467 10 5

4、流 速 V Q 3.467 10 0.255m/s F20.014 24雷诺数 Re V d/v 0.014 0.225 / 1.519 10 6 2 0 7 5图 2 雷诺数与流量的关系曲线2 雷 诺 数 与 流 量 的 关 曲 线3根据实验数据和计算结果， 可绘制出雷诺数与流量的关系曲线 （图 2）。 不同温度下，对应的曲线斜率不同。3）测定下临界雷诺数 调整出水阀门， 使雷诺实验管中的流动处于紊流状态， 然后缓慢地逐 渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变动情况。当关小某一程度时，管 内的颜料水开始成为一条线流， 即为紊流转变为层流的下临界状态。 记录 下此时的相应的数据，求出下临界雷诺数

5、。4）观察层流状态下的速度分布 关闭出水阀门， 用手挤压颜料水开关的胶管二到三下， 使颜料水在一 小段管内扩散到整的断面。然后，在微微打开出水阀门，使管内呈层流流 动状态， 这是即可观察到水在层流流动时呈抛物状， 演示出管内水流流速 分布。注：每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟。关小阀门过程中，只许渐 小，不许开打。随着出水流量减小，应当调小上水阀门，以减少溢流流量 引发的振动。二、 能量方程实验1、实验目的（ 1）、观察流体流经能量方程实验管时的 能量转化情况，并对实验 中出现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解。（2）、掌握一种测量流体流速的原理。2、实验装置 流体力学综合实验台中，

6、能量方程实验部分涉及的有上水箱、 能量方 程实验管、上水阀门、出水阀门、水泵、测压管板（图中未给出）和计量 水箱等。3、实验前准备工作 开启水泵，全开水阀门使水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱水位 始终保持不变，并有少量溢出。4、实验方法（1）、能量方程实验 调节出水阀门至一定开度， 测定能量方程实验管的四个断面四组测压 管的液柱高度，并利用计量水箱和秒表测定流量。改变阀门的开度，重复 上面方法进行测试。根据测试数据的计算结果，绘出某一流量下各种水头线（如图3），并运用能量方程进行分析，解释各测点各种能头的变化规律。可以看出，能量损失 沿着流体流动方向增大的； 与比 较，两点管径相 同，所以动

7、能头基本相同， 但点的压力能头比增 大了，这是由于位置能转化 而得来的； 与比较，其 位置能头相同，但点比 点的压力能头大，这是 图 3各种水头线由于管径变粗；速度减慢， 动能头转化为压力能头； 与比较，位置能头相同，但压力能头小了，可明显看出，是压力能头转 化为速度能头了。实验结果还清楚的说明了连续方程，对于不可压缩的流体稳定流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。2）测速 能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当与一个皮托管， 可测 得管内的流体速度。由于本实验台将总测压管置与能量方程实验管的轴 线，所以测得的动压水头代表了轴心处的最大速度。式中皮托管求点速度的公式为：

8、u c 2g h k h k c 2gu-毕托管测点处的点速度；c-毕托管的教正系数；h-毕托管全压水头与静水压水头差u 2g H联立上两式可得 '' c h/ H 式中u- 测点处流速，有毕托管测定；''- 测点流速系数；H - 管嘴的作用水头；在进行能量方程实验的同时， 就可以测定出各点的轴心速度和平均速 度。测试结果记入表二中，如果用皮托管求出所在截面的理论平均速度， 可根据该截面中心处的最大流速。 雷诺数与平均流速的关系， 参考有关流 体力学求出。表 2-1测点编号 液 住 号 工 液住 高 或 差 况差流量左右左右左右左右m3/s总水头压力水头速度水头

9、能量水头总水头压力水头速度水头能量水头能量方程管断面的中心 线距几厂基准线高 (mm)能量方程管内径 d(mm)静水头 (mm H 2O)表 2-2流项测点目 速点 号d1(mm)d2(mm)d3(mm)d4(mm)轴心速度 VB (m/ s)平均速度V(m/s)实验二 燃料热值的测定（氧弹法）一. 实验目的 单位燃料完全燃烧后所放出的热量称为热值，它是衡量燃料质量优劣的重要指 标之一。燃料热值可用氧弹量热计直接测定。1了解氧弹量热计的构造和使用，掌握固体燃料热值测定原理和方法。 2测定量热计的热容量 K 值。3测定燃料的热值。二. 实验原理 将已知量的燃料置于密封容器（氧弹）中，通入氧气，点

10、火使之完全燃烧，燃 料所放出的热量传给周围的水，根据水温升高度数计算出燃料热值。测定时，除燃料外，点火丝燃烧， H2SO4 和 HNO3 的生成和溶解也放出热量；量 热计本身（包括氧弹 . 温度计 . 搅拌器和外壳等）也吸收热量；此外量热计还向周围 散失部分热量，这些计算时都应考虑加以修正。量热计系统在实验在条件下， 温度升高 1 所需要的热量称为量热计的热容量。 测定之前，先使已知发热量的苯甲酸（量热计标准物质、热值为6329 卡/ 克）在氧弹内燃烧，标定量热计的热容量 K。设标定时总热效应为 Q，测得温度升高为 t ， 测得热容量为 K = Q/t量热计的热容量如果已由实验室测定，同学可不

11、必再测。 测定时，再将已知量的被测燃料置于氧弹中燃烧，如测得温度高为t x，则燃烧总效应为： Qx = K× t x再经进一步修正计算出燃料的热值（具体计算方法见后面）。三. 实验装置量热计的构造 （ 见图 1）, 氧弹的构造 （见图 2） 。进出气孔图2 氧弹的构造图图1 量热计的构造图1搅动棒； 2 外筒； 3 内筒； 4 垫脚； 5 氧弹； 6 传感器； 7点火按键； 8 电源开关； 9 搅拌开关； 10 点火输出负极； 11点火输出正极； 12 搅拌指示灯； 13 电源指示灯； 14 点火指示灯。四. 实验方法和步骤 1煤样准备 为保证完全燃烧测定热值的煤样 , 应粉碎至粒度

12、小于 0.2 毫米 ,每次测定称煤样1.0 1.2 克精确至 0.0002 克。2. 点火丝 点火丝有镍丝和铁丝 , 量出点火丝长度 , 计算点火丝重量 （ 单位长度点火丝重量 实验室已测好 ） 。3. 量热计用水 量热计外筒中需注满与室温相差不超过0.5 的水（一般已注好）。量热计内筒用蒸馏水 , 为减少散热误差 , 内筒水温应比外筒水温低 0.7 . 内筒注入的水量 , 以保证水面没至氧弹进气阀的 2/3 高度为宜 ,约 3000克, 需精确至 0.5 克.4. 装样料把氧弹的弹头放在弹头架上 , 将样品放入坩埚内 , 把坩埚放在燃烧架上 . 测量燃 烧丝长度 , 然后将燃烧丝两端分别固定

13、在弹头中的两根电极上, 中部贴紧样品 .（ 燃烧丝与坩埚壁不能相碰 ） 在弹筒中注入 10 毫升的水 , 把弹头放入杯中（样品为苯甲酸，则不用注水) , 用手拧紧。5. 充氧气使用高压氧气瓶充氧必须严格遵守操作规程 . 开始先充入少量氧气 ( 约 0.5MPa) , 然后开启出口 ,借以赶出弹中空气 .再充入约 1 2MPa的氧气 .6. 装置安装将氧弹小心放入量热计内筒，接好点火电线，盖上量热计盖 , 插入测温传感器 探头，调好精密数字温度温差仪，打开搅拌开关和电源开关，实验开始读数 ,7. 实验读数实验读数分为三期 : 初期, 主期和末期 , 三个期互相衔接 .初期: 由读数开始至点火为初

14、期 ,用以记录和观察周围环境与量热计在实验开始 温度下热交换的关系 , 以求得散热校正值 .初期内半分钟记录温度一次 , 直至得到 11 个读数为止 . 第 11 个读数作为燃烧前水的温度 t h.主期:从第 11 个读数开始 ,在此阶段燃烧试样所放出的热量传给水和量热计,并使量热计设备的各部分温度达到平衡 .读取初期的第 11个读数之后 , 立即接通点火开关 , 点火指示灯亮 ,随之在 12秒 内熄灭表示点火完毕 , 继续观察温度计读数 , 在主期内仍半分钟读取一次读数 , 并逐 一记录下来 .点火后最初几次温度读数 ,因上升很快不易读准 ,可只读到 0.01 , 但不少漏读 , 待温度上升

15、减缓以后 , 而恢复读到 0.001 , 一般在第一个半分钟内温度变化不大,然后就开始迅速上升 , 达到最高值后 ,就开始降温 , 开始下降的第一个温度读数为止为 主期,第一个下降的温度读数作为水的最终温度t K。温度在迅速升高后 , 也可能不再降低而继续上升 , 但上升愈来愈慢 , 这发生在室 温较量热计温度为高的情况下 .这种情况下 , 仍需每半分钟读一次温度读数 , 当这一温度变化每分钟不超过 0.003 时,即认为主期结束 ,主持最后一个温度读数为水的最终温度t K.末期: 这一阶段的目的与初期相同 , 是为了观察实验终了温度下热交换的关系 主期的最后一个温度读数 t K作为末期的第一

16、个读数 , 此后仍每半分钟读取一次温度 读数 , 至第 11 次读数 , 末期结束 , 读数也结束8装置拆卸实验完毕 , 关闭搅拌开关和电源开关， 拔出测温传感器探头， 打开量热计盖 , 取 出氧弹并擦干。 小心打开氧弹排气阀 （ 切不可先拧开氧弹盖 ）, 放出废气 ,响声停止后 再拧开盖 , 检查弹内与弹盖 , 如有薄层烟渣或未燃尽的细粒 , 则实验失败 , 必须重做 .将内筒的水倒掉，擦干量热计所有设备，将弹头置于弹头架上。五实验数据记录1）试样重量 G2）点火丝燃烧的净重量 b3）温度读数：初期、主期、末期；六实验结果和分析1、计算量热计的热容量 K 值：K =（ Qb×G +

17、×b）/ （t K-t h+t ）式中： Qb苯甲酸（量热计标准物质）的热值为 6329 KJ/Kg2、计算燃料燃烧的氧弹热值：Qx = K(t K-t h+ t )- ×b/ G KJ/Kg式中： Qx分析基试样的氧弹热值，KJ/Kgt 热交换校正值， t = （V+V1）×（m+1）/2+V1×rV初期每半分钟间隔内温度变化的平均值，即初期第 1个读数减去第 11 个读数被 10 除。V1末期每半分钟间隔内温度变化的平均值，即末期第一个读数被减去第 1110 个读数 10 除。m主期快速升温后，每隔半分钟大于0.3 的半分钟温度间隔数。r 主期温度变

18、化小于 0.3 的半分钟温度间隔数。 k量热计的热容量KJ / 。点火丝燃烧热KJ/Kg(3.3 J/cm)b点火丝实际燃烧掉的净重量KgG试样重量 Kg煤的高位发热值按下式计算：Qg = Qx -(94.1×S + a ×Qx)式中： Qg分析基样品高位热值，KJ/KgQx分析基样品氧弹热值， KJ/Kg S由洗弹液测得的燃料含硫量，%；a 硝酸生成热校正系数， 贫煤、无烟煤取 0.00410, 其他煤取 0.00627 。3、实验结果分析。七、思考题1、实验完毕装置拆卸，氧弹必须排先放出废气后拧开氧弹盖 , 为什么？2、温度读数应精确到多少？点火后最初几次温度读数可只读

19、到多少， 为什么？3、实验读数分几期，主期结束的标志是什么？11实验三 球体法导热系数的测定、实验目的1. 巩固稳定导热的基本理论，学习球体法测定物质的导热系数的实验方法；2. 实验测定被测材料的导热系数 ；3. 绘制出材料导热系数 与温度 t 的关系曲线。、实验原理加热圆球（见图 1）由两个壁厚 1.2 毫米的大小同心圆球（ 1）组成。小球内装 有电加热器（ 2）用来产生热量。 大球内壁与小球外壁各设有三对铜 - 康铜热电偶（4）。当温度达到稳定状态后，电加热器产生的热量全部通过中间的测试材料（3）传到外球，再由外球传给空气。1. 大小同心球；2. 电加热器；3. 颗粒状试材；4. 铜康铜热

20、电偶；5. 专用稳压电源；6. 专用测试仪；7. 底盘；图 1 加热圆球示意图测取小球的温度t 1，t 2， t 3, 取其平均温度：T1=(t 1+ t 2+ t 3)/ 3；测取大球的温度 t 4，t 5, t6，取其平均温度：T2=(t 4+ t 5+ t 6)/ 3；128. UJ36a 电位差计(1);根据圆球导热公式： =UI(1/ D1-1/D 2)/2 (T1- T2)式中： U加热电压；I 加热电流D1小球直径 ； D2大球直径三、实验装置及主要技术指标实验装置 YQF-1型导热系数测定仪的面板图见图 2专用电源的面板图见图 3图 2 YQF-1 型导热系数测定仪的面板图 1

21、电源开关； 2电源指示灯； 3 3.5 位数 显毫伏表； 4毫伏表调零电位器； 5补偿电 压调节电位器； 6补偿按键； 7热电偶测量 电压输出端；8热电 偶输入选择开关。1加热圆球图3 专用电源的面板图 1电源开关； 2 电源指示灯； 3电压表； 4电流表； 5 过载指示灯； 6电源输出端 7电源输出粗调； 8 电源输出细调。1.1 测量材料：颗粒状材料，例如黄沙，珍珠岩等1.2 测量温度范围： 50 2001.3 加热电压： 060V加热电流： 0 1A（因不同的材料而不同）1.4 圆球尺寸：小球直径 D1=80mm 大球直径 D2=160mm1.5 稳定时间：约 45 小时2. 导热系数测

22、定仪132.1 数显毫伏表： 3.5 位显示，量程 0 20mV，测量精度： 0.1%± 2 个字2.2 温度补偿范围： -10 40，补偿精度± 0.5 3. 专用电源3.1 输出电压： 0 80V3.2 输出电流： 0 1A3.3 连续工作时间： >8 小时四、实验方法和步骤 使用前，先在加热圆球的顶部用漏斗装入测试材料，如果已加好试材，则可 进行实验。1. 按图 3 所示进行仪器的连接。稳压电源的输出通过电流表专用插头接到加 热圆球底盘上的插座。电源输出“ +”端串接电流表。电流表“ - ”与电源输出“ 端并接电压表。2. 将 15 芯信号线的一端插入加热圆球底

23、座（ 7）专用插座，另一端插到导热 系数测定仪后面板上的 15 芯插座上。3. 将稳压电源的输出调到最小位置，即粗调和细调均逆时针打到底。开启电 源开关，指示灯亮。调节粗调和细调开关，改变输出电压，根据电压表和电流表的 指示，调节加热功率至所需的电流和电压值。4. 打开导热系数测定仪的电源开关。先进行数显毫伏表的调零。将面板右下 方的输出端短接，用小一字螺丝刀调节右上角的调零电位器，使毫伏表显示为零。 若已为零则无须调节。去掉短接线就可进行测量。5. 若想检测仪器内部的温度补偿是否正常，只须按下“补偿”键，则数显毫 负表显示的值即位补偿电压。对照环境温度，通过查看附录1 即可知道补偿电压是否准

24、确。若不准确，可用小一字螺丝刀微调“补偿”按键上方的补偿电位器至准确 的补偿值即可。再按“补偿”按键使它弹起即回到测量状态。146. 观察加热圆球的温度变化情况。 当数显毫伏表或电位差计 （UJ36a 型） 的读 数不再变化， 则表示温度已达到稳定。 这时用精密电压表和电流表测得 U 和 I 的值， 即可计算得到加热功率。转动导热系数测定仪上的输入选择旋钮（8）。这样就能选择 6 个热电偶进行分别测量。7输入选择旋钮测得的 mA值加上补偿 mA值即为热电偶测量值，对照附录 1 “铜康铜热电偶分度表”即可查得对应的测量温度。五、实验数据记录和处理1、实验完后记录实验数据记录，并整理填写下表：序号

25、加热电流A加热电压V小球温度大球温度导热系数W/mt1 mVt2 mVt3 mVT1t4 mVt5 mVt6 mVT2导热系数 根据式（ 1）计算2、绘制材料导热系数 与温度 t 的关系曲线六、思考题1、为什么大、小球壁要设三对热电偶？2、实验室内的空气流通对实验有无影响？为什么？15实验四 套管换热器液 -液换热实验一、 实验目的1 通过实验，测定在套管换热器中进行的液液热交换的传热总系数，流体在 圆管内作强制湍流时的传热系数。2 对在强制对流下进行液液热交换过程，验证求算传热膜系数的关联式。通 过实验取得新物系的传热系数的数据及其计算式。3 通过本实验，了解传热过程的实验方法，在实验技能上

26、受到一定的训练， 并加深对传热过程基本原理的理解。二、 实验设备本实验装置主要由套管热交换器 （12×1.5mm的黄铜管为内管， 20× 2.0mm 的有机玻璃管为套管所构成）、恒温循环水槽（控制恒温）、高位稳压水槽（保持 水压恒定）以及一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图所示。热流体 冷流体图 套管热交换 器两端测试点的 温度实验的方法与步骤1、向恒温循环水槽灌入蒸馏水或软水，直至溢流管有水溢出为止。2、开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门，使槽内充满水，并溢流管有16水流出。3、将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之浊状。将热电偶冷接 点插入冰水中，盖严盖

27、子等恒范围内4、循环水槽的温度自控装置的温度定为55。 启动恒温水槽的电热器。温水槽的水达到预定温度后即可开始实验。5、开启冷水截止球阀，测定冷水流量，实验过程中保持恒定。6、启动循环水泵，开启并调节热水调节阀。热水流量在60 250L/h选取若干流量值（一般要求不少于45 组测试数据），进行实验测定。7、每调节一次热水流量，待流量和温度都恒定后，再通过琴键开关，依次测 定个点温度。四、 实验结果整理1、记录实验设备基本参数。mm实验设备型式和装置方式：水平装置套管式热交换器内管基本参数：材料：黄铜外径： d=mm壁厚： =mm测试段长度：L= mm套管基本参数：材料：有机玻璃外径： d=mm

28、壁厚： = mmS=2流体流通的横截面积：内管横截面积：mm环隙横截面积：S=mm2热交换面积： 内管内壁表面积： Aw=22内管外壁表面积： Aw=mm2平均热交换面积； A =2mm172实验数据记录：实验序号冷水流量热水流量温度测 试 截 面 I测试截面V,VT1TW1T 1T2TW2T 2Kg/sKg/s0C0C0C0C0C0C3. 实验数据整理：（1）求取总传热系数；实验序号管内流速流 体 间 温 度 差传热速 率总传热系 数u T1 T2 TmQK-1m.sKKKWW.m- 2K- 112342）由实验数据求取流体在圆形内做强制湍流时的传热膜系数 。实验数据可参考下表整理18实验序

29、号管内流速流体与壁面温差传热速率管内传热 膜系数UT1-T 2T2-T W2 T'mQ-1M· S- 1KKKW·m- 2k - 1- 2 - 1W· m- 2k- 11234(3) 由实验原始数据和测得的 值，对水平管内传热膜系数的准数关联式进行参数估计。整理数据：实验序号管内流 体平均 温度流体 密度流体 黏度流体 导热 系数管内 流速传热 膜系 数雷 诺 数努塞尔准数普兰特准数（ T1+T 2 ） /2UReNuPrKKg.m - 3Pa.s-1w.m .-1K-1-1m.s-1w.m .-1k-11234mn 列出表中各项计算式，水平管内传热膜系数

30、的准数关联式：Nu = a· Re · PrnmPr 视为定值与 a项合并，上等式为 Nu = A ·Re 上等式两边去对数，使之线性化，即lgNu = mlgRe + lgA用最小二乘法进行线性回归，估计参数A 和 m。取 Pr 均值为定值，且取 n=0。3，由 A计算到 a 值。 最后，列出参数估计值：A =；m =； a = ；19附录 1 铜康铜热电偶分度表温度。C01234热电5动势（6 mV)78910温度。C-40-1.475-1.510-1.544-1.579-1.614-1.648-1.682-1.717-1.751-1.785-1.819-40

31、-30-1.121-1.157-1.192-1.228-1.263-1.299-1.334-1.370-1.405-1.440-1.475-30-20-0.757-0.794-0.830-0.867-0.903-0.940-0.976-1.013-1.049-1.085-1.121-20-10-0.383-0.421-0.458-0.496-0.534-0.571-0.608-0.646-0.683-0.723-0.757-1000.000-0.039-0.077-0.116-0.154-0.193-0.231-0.269-0.307-0.345-0.383000.0000.0390.0780

32、.1170.1560.1950.2340.2730.3120.3510.3910100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.7490.78910200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.1551.19620301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.5691.61130401.6111.6531.6951.7381.7801.8221.8651.9071.9501.9922.03540502.0352.0782.1212.1642.

33、2072.2502.2942.3372.3802.4242.46750602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.8642.90860702.9082.9532.9973.0423.0873.1313.1763.2213.2663.3123.35770803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.7673.81380903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2314.277901004.2774.3244.3714.4184.4654.5124.5594.6074.6544.7014.7491001104.7494.7964.8444.8914.9394.9875.0355.0835.1315.1795.2271101205.2275.2755.3245.3725.4205.4695.5175.5565.6155.6635.7121201305.7125.7615.8105.8595.9085.9576.0076.0566.1055.1556.2041301406.2046.2546.3036.3536.4036.4526.5026.5526.6026.6526.7021401506.7026.7536.803