化工原理实验讲义

实验一流体流动形态及雷诺数的测定一、 实验目的观察层流湍流两种流动现象测定流型与雷诺数的关系二、 基本原理流体有两种不同的流动形态即滞流（层流）和湍流（絮流。流体作滞流流动时，其质点作平行于管轴的直线运动，滞流时流体质点在沿管轴流动的同时，还作着杂乱无章的随机运动。雷诺准数是判断流动形态的准数，若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：_dup_R— eP式中d 管子的管径（m）u流体的流速（m/s）p---流体密度（Kg/m3）^---流体的粘度（NS/m2）一般认为：R小于2000时，流动形态为滞流。R大于4000，流动为湍流。R数值在两者之间时，有时为湍流，有时为滞流，其主要和环境有关。对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅于流速有关，本实验是改变水在管内的速度，观察在不同雷诺数下流体流型的变化。三、 实验装置与流程1、 实验装置的特点本设备为卧式装置，可视性好。设备无动力装置，操作方便、稳定。雷诺数的测量范围为：1000-10000。2、 主要技术数据外形尺寸：2300X600X800mm水箱（正面装有有机玻璃，可供观察）：670X600X600mm有机玻璃实验管：①30X2.5mmL=1200mm流量计：LZB-25 100-10001/HLZB-10 10-1001/H3、 实验装置实验装置由稳压溢流水槽、实验导管和转子流量计等部分组成，具体实验装置如图所示：

1示踪剂（红墨水） 2,3,4,7,8针形阀5,6流量计实验装置流程实验方法及步骤：水通过进水箱，充满水箱。开启出水阀，排除管路系统中的空气。为了保持水位恒定和避免波动，水由进口管先流入进水槽后由小孔流入水箱，其中多余的水经溢流口流入下水道中。测定水温（普通温度计）将示踪剂（红墨水）加入储瓶中。实验操作时，先启开流量计少许，调节针形阀，控制着色水的注入速度。逐渐增加调节阀的开度，观察着色水水流的变化。使用实验设备应注意的事项：在实验过程中，应随时注意稳压槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或者泛滥事故的发生。整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性。实验过程有一定的滞后现象，因此，调节流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。实验数据的记录和计算：年月曰水温NOml/hm/sRe*103现象'12345实验二柏努利方程能量转化的测定一、 实验目的通过本实验，加深对能量转化的理解。观察流体经过收缩、扩大管段时，各截面上静压头之变化。利用能量转化关系来验证柏努利方程。二、 基本原理不可压缩的流体在导管中作定流动时，由于导管截面的改变致使各截面上的流速不同，而引起相应的静压头变化，其关系可由流动过程中能量衡算方程来描述。对于非理想流体，流体有粘度，I, W2p W2D贝QZ]g+-1—+号=Z2g+ +号+£hf因导管截面发生变化引起流速的变化，致使静压头与动压头相互转化，它的变化可由个玻璃管中液柱的高度展示出来。当导管中的流体流动时，可以看出h>h>h，hVhVhABCCDE因导管处于同一水平面上：-2-2—A—-+h=―B—-+h+h2gA2gB fAB-2-2—A—-+h=C-+h+h2gA2gC fACKL+h=-dL+h+h2gC2g D fCD-cL+h=-eL+h+h2g C2gEfCE由于A截面到C截面，流道的截面逐渐缩小，管道内流速W不断加大，流体中部分静压能转化为动能，还有阻力损失Eh、。因此，hA>«。反之，从C截面到E截面，流道截面逐渐扩大，流速W不断减小，流体中部分动能又转化为静压能，因此，hCVhE。流量的变化可以通过阀（1）和（2）的调节来实现。在不同的流量下，从各玻璃管中显示的压强变化的规律去理解柏努利方程意义，进一步开拓对柏努利方程的实际应用。三、实验装置与流程1实验装置的特点装置为独立体系，安装在可移动实验台上，使用极为方便。雷诺数的测量范围为：1000-10000。2主要技术数据各测压点的截面内径：dA=25mm dB=13mm dC=7mm dD=13mmdE=25mm3实验装置具体实验装置如图，外形尺寸：800x500x1800mm1、溢流槽2、玻璃管（有刻度）3、文氏管4、磁力泵5、水箱实验装置流程图实验方法及步骤：实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量溢流水流出，使槽内液面平稳不变。最后应设法排出设备内的气泡。实验步骤：1关闭实验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下各测压点（A、B、C、D和E）的压强。2缓慢开启出口流量调节阀，观察和比较流体在流动状态下各测压点（A、B、C、D和E）的压头变化情况。3逐步调节阀（1），改变管道内流体的流速，测取若干流量下，动能和压能的变化规律，并加以计算。使用实验设备应注意的事项：

1实验前一定要将实验管道内的气泡排除干净，否则影响实验结果的准确性。2调节阀（1）的过程中要缓慢调节，随时注意设备内的变化。3实验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大的流量。实验数据的记录和计算：实验数据记录表NO流量h A―mm Hr B—mm h C—mm h D__mm h Emm 12345计算结果表实验三流体流动阻力的实验测定一、实验目的了解流体流动阻力的概念及测定原理、方法；测定流体流过直管时的摩擦阻力，并确定摩擦系数入与雷诺数Re之间的关系；测定流体流过管件时的局部阻力，并求出阻力系数，确定阻力系数&与雷诺数Re之间的关系；熟悉对数坐标系和半对数坐标系的使用方法。二、基本原理流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免的引起压强损耗。这种损耗包括流体沿直管流动时的沿程阻力及因流体运动方向改变或因流道流通截面大小或形状改变引起的局部阻力。1、直管阻力由截面1由截面1到截面2,流体流动损失表现为压强影响阻力的因素十分复杂，可通过因次分析法并结合实验的方法确定。主要包括：、流体性质：如粘度目，密度P;、管路的几何尺寸：如管径d，管长1，管壁粗糙度e；、流动条件：如流速u。表示为：Ap=f(d,1,u,目，e,p)引入摩擦系数人=中(Re,e/d)其中，Re为雷诺准数，£/d为相对粗糙度。得到直管阻力计算公式(范宁公式), lU2"f=d2 ⑵直管摩擦系数人与雷诺数Re之间有一定的关系，此关系一般用曲线表示，可由使用获得。在实验中，直管段l和管径d是固定的，若水温一定，则水的密度P和粘度目也是定值。于是直管阻力实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△pf与流速"(雷诺数Re)之间的关系。由(1)和(2)式可得，

由实验数据和上式可以计算出不同流速或雷诺数下的直管摩擦系数人，从而绘出人与Re的关系曲线。直管长度m

流体流速m/s式中人直管长度m

流体流速m/sd 直管内径mu--直管压力降N/m2由水银压差计读出流速由涡轮流量计及智能流量仪算出：u=-^^m/s兀，—d242、局部阻力局部阻力的计算方法有两种：当量长度法和阻力系数法。、当量长度法流体流过管件或阀门时，将局部阻力造成的损失折合成流体通过与其具有相同管径的某一长度的直管阻力损失，该长度称为当量长度，用符号le表示。因此流体通过管件、阀门等的局部阻力可表示为：(5)、阻力系数法将流体通过管件或阀门的阻力表示为流体在管路中流动时动能的某一倍数，即：(6)式中：Z一局部阻力系数，无因次；u一流体在小截面管中的流速，m/s；hf的值可应用柏努利方程，由局部阻力引起的压强降斗'求出。本实验只测定局部阻力系数。(8)三、实验装置与流程1实验装置的特点.本实验装置数据稳定，重现性好，能给实验者较明确的流体流动阻力概念。.能够测量出光滑管的阻力系数与雷诺准数的关系及局部阻力系数。雷诺准数的数据范围宽，可作出102〜104三个数量级。.实验采用循环水系统，节约实验费用。.采用压力传感器一数字表系统，测量大流量下的流体流动阻力，实验数据稳定可靠。2主要技术数据.被测光滑直管段：管径d=0.0196(m),管长L=2.0(m)材料：不锈钢管;.局部阻力部件为3/4〃闸阀；.U形压差计，指示液为水银.数显温度表和智能流量仪.涡轮流量计：型号 LW—15测量范围0.4~4.0(m3/h)仪表编号 常数4、实验流程：本实验装置如图所示。图.流体阻力实验装置流程示意图1-贮水槽;2-控制阀;3-放空阀;4-直管阻力测量U形管压差计;5-平衡阀;6-放空阀;7-排水阀8-温度计;9-水泵；10-蜗轮流量计；11-直管段取压孔；12-局部阻力测量U形管压差计；13-闸阀；14-局部阻力取压孔主要包括贮水槽、离心泵、控制阀、蜗轮流量计、直管段、及压强测定压差计。水由泵从贮水槽中抽出后，流过流量计送到管道中，水流经管道后返回水槽，水循环使用。实验方法及步骤：向储水槽内注水，到80%左右洁净的无杂质的水。(有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁)实验前必须打开压差计上的平衡阀，以防止水银重出压差计。检查电源接线是否正确。接通电源确定电机的运转方向是否与箭头所指方向一致。若相反则必须立即切断电源，更换接线，重新验证。严禁水泵在反转、缺水状态下运行。进行管路排气时，须在平衡阀打开状态下进行。测定数据时，须在平衡阀关闭的状态下进行。检查管路上用于测量局部阻力的阀门，要全部打开。调节流量，记录数据。测取数据的顺序可从大流量至小流量，反之也可，一般测8〜12组数。实验结束，须打开平衡阀。做好清洁工作。切断电源。使用实验设备应注意的事项：蜗轮流量计要定时清洗。若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。当压差偏小时，要检查管路是否堵塞或平衡阀是否关闭。六，实验数据的记录和计算：人一Re的计算将直管阻力实验数据和数据处理结果列在表中，并以其中一组数据为例，写出计算过程。在合适的坐标系中标绘直管的人-Re关系曲线和阻力系数&-Re关系曲线。回答下列思考题：本实验以水为介质测得的人一Re关系曲线，对其它流体是否适用？对气体是否适用？为什么？在本实验的数据处理过程中，用直角坐标纸和对数坐标纸标绘人一Re关系曲线时有什么不同？序号流量直管阻力局部阻力L/s左读数mm右读数mm左读数mm右读数mm12345678

实验流量计的流量校正实验流量计的流量校正一、实验目的1、 掌握孔板流量计的流量系数校正方法。2、 测定孔板测量计的孔流系数并掌握其变化规律，并给出C。〜火°的关系曲线。二、基本原理工业上利用测定流体压差来确定流体的速度，从而来测量流体的流量，对于孔板流量计，根据柏努利原理，流量与孔板流量计前后的压差有如下关系：ks=CA：2gR（Po一P） （1）o。弋p式中ks一体积流量，m3/s；C°—孔板流量计的孔流系数，无因次；A0一孔口面积，m2；R-U形压关计的读数，m;P0—压差计内指标液密度，kg/m3；P—被测流体密度，kg/m3；孔流系数的数值，往往要受到流量计本身的结构和加式精度，以及流体性质、温度、压力等因素的影响，对于确定的孔板流量计，其流量系数C0=f（Re,m）。因此在现场使用这类流量计往往需对流量计进行校核，即测定不同流量下的压差计读数，直接绘成曲线，或求得Co与Re之间的关系曲线，以备使用时查校。孔板流量计是基于流体在流动过程中的能量转换关系，由流体通过孔板前后，压差的变化来确定流体流过管截面的流量，即：竺=P"P2即：竺=P"P2PP（3）u2—u（3）-^2 1—2△p=Rg（P。-P） （4）Hg实际在测试过程中由于缩脉出的截面积难以确定，所以用孔口的速度u°代替u2,流体通过孔口时有阻力损失，又因流动状况而变化的缩脉位置使测定p^带来偏差，因此引入流量系数C^从形式上简化流量计的计算公式，

通过实验来确定CO，具体计算公式为:(5)孔板流量计不足之处由于阻力损失大，因此所带来的损失可以由U形压差计测量，本实验装置有专门用于测量孔板阻力损失的机构。（6）H=使云宜fp2（6）三、实验装置与流程1、 实验装置的特点采用整体式框架结构，系统操作稳定，精度高，使用方便，安全可靠，数据稳定，重现性好。2、 实验装置与流程图流量计系数校正实验流程图离心泵2.测定流经孔板所带来阻力损失U形压差计3..测定孔板前后压降的U形压差计4.孔板流量计5.蜗轮流量计6.调节阀7.引水阀8.水箱9.水箱排水阀3、设备主要技术数据管道直径 0.027m孔板孔径0.018m镀锌管内径为27mm孔板孔径18mmU形压差计指示剂为水银蜗轮流量计LW-25精度等级0.5量程1.6-10m3/hMMD智能流量仪 循环水箱 循环水泵四、实验方法及步骤向储水槽内注水，到80%左右洁净的无杂质的水。（有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁）实验前必须打开压差计上的平衡阀，以防止水银重出压差计。检查电源接线是否正确。接通电源确定电机的运转方向是否与箭头所指方向一致。若相反则必须立即切断电源，更换接线，重新验证。严禁水泵在反转、缺水状态下运行。进行管路排气时，须在平衡阀打开状态下进行。测定数据时，须在平衡阀关闭的状态下进行。检查管路上用于测量局部阻力的阀门，要全部打开。调节流量，记录数据。开启调节阀至最大，确定流量范围，确定实验点，测定孔板前后压降和经过孔板所带来的压降。测取数据的顺序可从大流量至小流量，反之也可，读出一系列流量：Vs,压差A^Ap2一般测8〜12组数。实验结束，须打开平衡阀。做好清洁工作。切断电源。使用实验设备应注意的事项：蜗轮流量计要定时清洗。若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和压降的数据稳定以后方可记录数据。当压差偏小时，要检查管路是否堵塞或平衡阀是否关闭。六，实验数据的记录和计算:1实验数据的记录如表一表序号流量孔板压降阻力损失L/s左读数mm右读数mm左读数mm右读数mm123456789102实验数据的整理如表二实验中R疽半和c0=f(Re,m)。对于特定的孔板m为常数，上式可以写为C0=f(Re,)。将所得的实验数据在半对数坐标纸上绘制出c°〜Re曲线，从而可以确定孔板流量计的孔流系数C°和该孔板在工程上的测量范围。3思考和讨论1、 试分析孔流系数与哪些因素有关？2、 把你所绘C广Re图与教材中相比较，是否一致？若不一致，找出原因。表二序号流速R二蛔ed |Ll泵c0永久损失匚L/s12345678910实验五离心泵特性曲线测定实验一、 实验目的1、 了解离心泵的构造与操作；2、 测定单级离心泵在一定转速下的特性曲线；3、 了解离心泵的工作点与流量调节。二、 基本原理离心泵是应用最广泛的一种液体输送设备。它的主要特性参数包括流量Q，扬程He，功率N和效率n。这些参数之间存在着一定的关系。在一定的转速下，He,N,n都随着输液量Q变化而变化，通过实验测定不同Q,He,N,n的值，就可以作出泵在该转速下的特性曲线。各种泵的特性曲线均已列入泵的样本中，供选泵时参考。本实验目的就是要了解和掌握这些曲线的测定方法。1、 流量Q的测定转速一定，用泵出口阀调节流量，通过转子流量计来测定流量。2、 扬程He的测定以泵的吸入口真空表和压出口压力表测压口所处管路横截面分别为1-1及2-2，在两截面之间列柏努利方程：P U2 pU2z+—i+2^+H=z+—2+寸+ZH (1)若忽略两截面之间的压头损失，则(P-P)M2-u2)H=(z2-Z])+—2 +—^2(2)其中，测压口之间的管路很短，其流动阻力可忽略不计，故Hf12=0；p】、p2一分别为压力表和真空表测得的读数，MPa；z2-z1—真空表与压力表测压口之间的垂直高度之差，z2-z1=h0，m；u1，u2—分别为泵进、出口管内的流速，m/s。p—水的密度，1000kg/m3。3、 功率N的测定由功率表直接测定电机的输入功率N(kW)。电动机的输出功率=电动机的输入功率x电动机的效率 ⑶泵的轴功率=功率表的读数x电动机效率 (4)4、效率n的测定泵的效率n为有效功率Ne与轴功率N之比，

(5)其中：Ne=HeQpg(5)其中：Ne=HeQpg,[W]；He—扬程，m；Q—流量，m3/s。三、实验装置与流程1、 实验装置的特点使用方便，安全可靠，数据稳定，重现性好。2、 设备主要技术数据(1)离心泵型号11BL-6， (2)真空表测压口所处的位置管内径d=0.040m。2 1压强表测压口所处的位置管内径d2=0.025m。真空表与压强表测压口之间的垂直高度之差h0=0.20m。泵吸入口真空度的测量真空表：测量范围0〜0.1Mpa,精度1.5级。泵出口压力的测量压力表：测量范围0〜0.16MPa精度1.5级。涡轮流量计(LW-25)流量范围1.6〜10m3/h；精度0.5级型号LZB—25；流量范围60〜6001/h；精度1.5级功率表型号：DP3(1)-W1100(单相)， 精度：土0.5%F.S仪表常数：3、 实验装置与流程离心泵特性曲线实验装置及流程如图所示。泵将水槽内的水送到转子流量计，用流量调节阀调节其流量大小，从流量计出来的水通过管路又回到水槽，使水循环流动。图1离心泵特性曲线实验流程示意图1一离心泵；2—真空表；3—压力表；4—流量计；5—水槽；6—引水阀；7—上水阀；8—调节阀；9—排水底阀四、 实验方法及步骤1、 熟悉设备、流程及各仪表的操作。2、 向水槽内加水，加到水槽八成满即可。3、 打开泵的引水阀，反复开启和关闭防气阀，尽可能排除泵内的空气，待排气阀没有气体只有水连续地流出即可停止。关上引水阀。4、 将功率表分流开关接通(即按下绿色按扭)，启动离心泵，判断是否正常运行。5、 关闭泵的出口阀，启动泵。用出口阀调节流量。从流量为零至最大阀全开)或流量从最大到零，测取10-20组数据。每一组数据应同时测量泵入口真空度、泵出口压强、水流量、功率表读数四项内容，并记录水温。6、 实验结束后关闭流量调节阀，停泵。五、 使用实验设备应注意的事项：1、 当接通总电源后，如果发现设备带电，可将电源的火线、地线互换位置后接入，即可使设备不带电，或把本装置良好接地即可。此工作已由老师完成，实验中如发现设备带电，应及时向指导教师报告。2、 启动离心泵前，要关闭出口阀门(流量调节阀8)，防止启动电流过大而损坏功率表。要将泵出口压强测压口的旋塞关闭，以免损坏压强表。六、 实验数据记录及处理1、 将实验数据和数据处理结果记录在附图1中，在同一张坐标纸上描绘一定转速下的He—Q，N—Q，n—Q曲线；2、 选取一组测定数据为例，写出数据处理过程。3、 回答下列思考题：为什么启动离心泵前首先要引水灌泵？如果灌水排气后泵仍启动不起来，你认为可能是什么原因？为什么离心泵启动时要关闭出口阀？什么情况下会出现“汽蚀”现象？为什么调节泵的出口阀可调节流量？这种方法有什么优缺点？可否在泵入口处安装调节阀来调节流量？随着流量变化，泵的出口压力表及入口真空表读数按什么规律变化？为什么？

气-汽对流传热实验一、 实验目的通过对空气一水蒸汽套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数ai的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。了解常用的测温方法及热电偶的基本理论。二、 实验原理管式换热器是一种间壁是式的传热装置，冷热流体间的传热过程，是由热流体对壁面的对流传热、间壁的固体热传导和壁面对冷流体的对流传热三个子传热过程组成。如下图所示：以冷流体侧传热面积为基准过程的传热系数与三个子过程的关系为:（1）对于已知的物系和确定的换热器，上式可以表示为：K=f（Gn;Gc） （2）由此可以知道，通过分别考察冷热流体流量对传热系数的影响，从而可以达到了解某个对流传热过程的性能。若要了解对流传热过程的定量关系，可由非线性数据处理得到。这种研究方法是过程分解与综合实验研究方法的实例。传热系数K借助于传热速率方程式和热量衡算方程式求取。热量衡算方程式，以热空气作衡算：Qh=GhCPA（LT出） （3）传热速率方程式：Q=KAcAt （4）式中Atm对数平均温差由下式确定：△tm逆（5）（I进zyz^^zy

in"出）△tm逆（5）（1出-‘进）式中：K----传热总系数 W/m2.k；a----流体的传热膜系数W/m2.k；A----换热器的总传热面积m2；G----流体的质量流量Kg/s；Q——总传热量J/s；C----流体的恒压热容J/Kg.K；T------热流体的温度 °C；t——冷流体的温度 C；6-----固体壁的厚度m人------固体壁的导热系数W/m.k；下标：h----热流体； c----冷流体； 进----进口；出----出口； 逆----逆流； m----平均值三、实验装置及流程1.实验装置的主要特点实验操作方便，安全可靠。冷流体是水，热流体是空气。水经转子流量计测量，温度计测量进口温度后，进入换热器壳程，换热后在出口处测量其出口温度，热流体自风机进来，经转子流量计测量流量后，进入加热到120C流入换热器管程，并在