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1、 .1/28 1.伯努利实验 一、实验目的 流动流体所具有的总能量是由各种形式的能量所组成，并且各种形式的能量之间又可相互转换。当流体在导管作定常流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由机械能衡算根本方程来表达。这些规律对于解决流体流动过程的管路计算、流体压强、流速与流量的测量，以与流体输送等问题，都有着十分重要的作用。本实验采用一种称之为伯努利试验仪的简单装置，实验观察不可压缩流体在导管流动时的各种形式机械能的相互转化现象，并验证机械能衡算方程伯努利方程。通过实验，加深对流体流动过程根底本原理的理解。二、实验原理 对于不可压缩流体，在导管作定常流动，系统与环境又无功的交换时
2、，假设以单位质量流体为衡算基准，那么对确定的系统即可列出机械能衡算方程：fhupgZupgZ222221112121 Jkg1 1 假设以单位重量流体为衡算基准时，那么又可表达为 fHgugpZgugpZ2222222111 m 液柱 2 式中 Z流体的位压头，m 液柱；p流体的压强，Pa；u流体的平均流速，ms1；流体密度，kgm3；fh流动系统因阻力造成的能量损失，Jkg1；fH流动系统因阻力造成的压头损失，m 液柱。下标 1 和 2 分别为系统的进口和出口两个截面。不可压缩流体的机械能衡算方程，应用于各种具体情况下可作适当简化，例如：1当流体为理想液体时，于是式1和2可简化为 22222
3、1112121upgZupgZ Jkg1 3 gugpZgugpZ2222222111 m 液柱 4 该式即为伯努利Bernoulli方程。.2/28 2当液体流经的系统为一水平装置的管道时，那么1和2式又可简化为 fhupup2222112121 Jkg1 5 fHgugpgugp22222211 m 液柱 6 3当流体处于静止状态时，那么1和2式又可简化为 2211pgZpgZ Jkg1 7 gpZgpZ2211 m 液柱 8 或者将上式可改写为 2112ZZgpp 9 这就是流体静力学根本方程。三、实验装置实验仪 CE103 型 本实验装置主要由试验导管、稳压溢流水槽和三对测压管所组成。
4、试验导管为一水平装变径圆管，沿程分三处设置测压管。每处测压管由一对并列的测压管组成，分别测量该截面处的静压头和冲压头。伯努利实验装置包括稳压水槽；试验导管；出口调节阀；静压头测量管；冲压头测量管。实验装置的流程如实验室实验仪所示。液体由稳压水槽流入试验导管，途径不同直径的管子，最后排出设备。流体流量由出口调节阀调节。四、实验方法 实验前，先缓慢开启进水阀，水充满稳压溢流水槽，并保持有适量溢流水流出，使槽液面平稳不变。最后，设法排尽设备的空气泡。实验可按如下步骤进展：1关闭试验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下各测试点的压强。2开启试验导管出口调节阀，观察比拟液体在流动情况下的各测试点
5、的压头变化。3缓慢开启试验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下的各测试点的静压头、动压头和损失压力。实验过程中必须注意如下几点：1实验前一定要将试验导管和测压管中的空气泡排除干净，否那么会干扰实验现象和测量的准确性。2开启进水阀向稳压水槽注水，或开关试验导管出口调节阀时，一定要缓慢地调节 .3/28 开启程度，并随时注意设备的变化。3试验过程中需根据测压管量程围，确定最小和最大流量。4为了便于观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。五、实验结果 1.测量并记录实验根本参数 试验导管径：18Ad mm；30Bdmm；实验导管长度：L=1060 mm；测试段为 800m
6、m。测压管 6 根 d=8 mm。2.非流体体系的机械能分布与其转换 1实验数据记录 2验证流体静力学方程。3.流动体系的机械能分布与其转换 1实验数据记录 2验证流动流体的机械能衡算方程。.4/28 2.管道阻力实验 一、实验目的 研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。流体流动时的能量损耗压头损失，主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的各种阻力可分为沿程阻力直管阻力和局部阻力两大类。本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数和局部阻力系数。二、实验原理 当不可压缩流体体在圆形导管中流动时，在管路系统任意二个截面之间列出机械能衡算方程为 fh
7、upgZupgZ222221112121 Jkg1 1 或 fHgugpZgugpZ2222222111 m 液柱 2 式中 Z流体的位压头，m 液柱；p流体的压强，Pa；u流体的平均流速，ms1；流体密度，kgm3；fh流动系统因阻力造成的能量损失，Jkg1；fH单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m 液柱；符号下标 1 和 2 分别表示上游和下游截面上的数值。假设：1水作为试验物系，那么水可视为不可压缩液体；2试验导管是按水平装置的，那么21ZZ；3试验导管的上下游截面上的横截面积一样，那么21uu。因此1和2两式分别可简化为 21pphf Jkg13；gppHf21m
8、 液柱 4。由此可见，因阻力造成的能量损失压头损失，可由管路系统的两截面之间的压力差压头差来测定。当流体在圆形直管流动时，流体因摩擦阻力所造成的能量损失压头损失，有如下一般关系：.5/28 21221udpphf Jkg1 5 或 gudgppHf21221 m 液柱 6 式中：d圆形直管的管径，m；l圆形直管的长度，m；摩擦系数，无因次。大量实验研究说明：摩擦系数与流体的密度和粘度，管径d、流速u和管壁粗糙度有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度d/存在函数关系，即 df、Re 7 通过实验测得和Re数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当Re2000时，摩擦系
9、数与管壁粗糙度无关。当流体在直管中呈湍流时，不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失压头损失，有如下一般关系式：22uhfJkg1 ；guHf22m 液柱。式中：u连接收件等的直管中流体的平均流速，ms1；局部阻力系数无因次。由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验直接测定。三、实验装置实验仪 CEAF03 型 本实验装置主要是由循环水系统或高位稳压水槽、试验管路系统和高位排气水槽串联组合而成。每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。压差由一倒置 U 形水柱压差计
10、显示。孔板流量计的读数由另一倒置 U 形水柱压差计显示。该装置的流程如图 1 所示。.6/28 图 1 管路流体阻力实验装置流程 1.循环水泵；2.光滑试验管；3.粗糙试验管；4.扩大与缩小试验管；5.孔板流量计；6.阀门；7.转换阀组；8.高位排气水槽。试验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经 U 形弯管串联连接而成。每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长度，即两测压口距离均为 0.6m。流程图中标出符号 G 和 D 分别表示上游测压口高压侧和下游测压口低压侧。测压口位置的配置，以保证上游测压口距 U 形弯管接口的距离，以与下游测压口距造成局
11、部阻力处的距离，均大于 50 倍管径。作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后充入高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水，返回循环水槽。水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。四、实验方法 实验前准备工作须按如下步骤顺序进展操作：1先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。洋运转正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开 .7/28 启试验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，
12、关闭调节阀，停泵。2检查循环水槽中的水量，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。3 逐一检查并排除试验导管和联接收线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，先将转换阀组中被栓一组测压口旋塞打开，然后打开倒置 U 形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽空气泡再关闭放空阀，必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。4调节倒置 U 形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临实验前，可由压差计顶部的放空处，滴入几滴红墨水，将压
13、差计水柱染红。5在高位排水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。6实验前需对孔板流量计进展标定，作出流量标定曲线。实验测定时，按如下步骤进展操作：1先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。检查毕启动循环水泵。2待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。3待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。这时测压口与倒置 U 形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。4当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为喂组旋塞。例如，将 G1和 D1 一组旋塞关闭，打开另一组 G2 和
14、D2 旋塞。这时，压差计与 G1 和 D1 测压口断开，而与 G2 和 D2 测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。5改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。6当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。7每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。实验考前须知：1实验前务必将系统存留的气泡排除干净，否那么实验不能达到预期效果。2假设实验装置旋转不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽水排放干净。五、实验结果 1实验根本参数 试验导管的径 d17 mm 试验导管的测试段长
15、度 l600 mm 粗糙管的粗糙度 mm 粗糙管的相对粗糙度 d/.8/28 孔板流量计的孔径 0d mm 旋塞的孔径 vd mm 2流量标定曲线 3实验数据 列出表中各项计算公式。5标绘Re实验曲线 .9/28 3.离心泵实验 一、实验目的 在化工厂或实验室中，经常需要各种输送机械用来输送流体。根据不同使用场合和操作要求，选择各种型式的流体输送机械。离心泵是其中最为常用的一类流体输送机械。离心泵的特性由厂家通过实验直接测定，并提供应用户在选择和使用泵时参考。本实验采用单级单吸离心泵装置，实验测定在一定转速下泵的特性曲线。通过实验了解离心泵的构造、安装流程和正常的操作过程，掌握离心泵各项主要特
16、性与其相互关系，进而加深对离心泵的性能和操作原理的理解。二、实验原理 离心泵主要特性参数有流量、扬程、功率和效率。这些参数不仅表征泵的性能，也是选择和正确使用泵的主要依据。1.泵的流量 泵的流量即泵的送液能力，是指单位时间泵所排出的液体体积。泵的流量可直接由一定时间t排出液体的体积V或质量m来测定。即 tVVs m3s1 1 或 ptmVs m3s1 2 假设泵的输送系统中安装有经过标定的流量计时，泵的流量也可由流量计测定。当系统中装有孔板流量计时，流量大小由压差计显示，流量sV与倒置 U 形管压差计读数R之间存在如下关系：gRSCVs200 m3s1 3 式中，0C孔板流量系数；0S孔板的锐
17、孔面积，m2；2.泵的扬程 假设以泵的压出管路中装有压力表处为 B 截面，以与入管路中装有真空表处为 A 截面，并在此两截面之间列机械能衡算式，那么可得出泵扬程eH的计算公式：gUUgppHHABABe2220 4 式中 Bp由压力表测得的表压强，Pa；Ap由真空表测得的真空度，Pa；.10/28 0HA、B 两个截面之间的垂直距离，m；AuA 截面处的液体流速，ms1；BuB 截面处的液体流速，ms1。在单位时间，液体从泵中实际所获得的功，即为泵的有效功率。假设测得泵的流量为sV ms1，扬程为eH，m，被输送液体的密度为 gHVNese w 5 泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送液体所获
18、得，其中局部消耗于泵的各种能量损失。电动机所消耗的功率又大于泵轴所作出的实际功率。电机所消耗的功率可直接由输入电压U和电流I测得，即 UIN W 6 4.泵的总效率 泵的总效率可由测得的泵有效功率和电机实际消耗功率计算得出，即 NNe 7 这时得到的泵的总效率除了泵的效率外，还包括传动效率和电机的效率。5.泵的特性曲线 上述各项泵的转性参数并不是孤立的，而是相互制约的。因此，为了准确全面地表征离心泵的性能，需在一定转速下，将实验测得的各项参数即：eH、N、与V，之间的变化关系标绘成一组曲线。这组关系曲线称为离心泵特性曲线，如图 1 所示。离心泵特性曲线对离心泵的操作性能得到完整的概念，并由此可
19、确定泵的最适宜操作状态。.11/28 图 1 离心泵特性曲线 通常，离心泵在恒定转速下运转，因此泵的特性曲线是在一定转速下测得的。假设改变了转速，泵的特性曲线也将随之而异。泵的流量V、扬程eH和有效功率eN与转速之间，大致存在如下比例关系：nnVVa；2nnHHee；3nneNNe 8 三、实验装置实验仪 CEAF05 型 本实验装置主体设备为一台单级单吸离心水泵。为了便于观察，泵壳端盖用透明材料制成。电动机直接连接半敞式叶轮。离心泵与循环水槽、分水槽和各种测量仪表构成一个测试系统。实验装置与其流程如图 2 所示。.12/28 图 2 离心泵实验仪流程图 1.循环水槽；2.底阀；3.离心泵；4
20、.真空表；5.注水槽；6.压力表；7.调节阀；8.孔板流量计；9.分流槽；10.电流表；11.调压变压器；12.电压表；13.倒置 U 形管压差计。泵将循环水槽中的水，通过汲入导管汲入泵体的在汲入导管上端装有真空表，下端装有底阀单向阀。底阀的作用是当注水槽向泵体注水时，防止水的漏出。水由泵的出口进入压出导管。压出导管沿程装有压力表、调节阀和孔板流量计。由压出导管流出的水，用转向弯管送入分流槽。分流槽分为二格，其中一格的水可流出用以计量，另一格的水可流回循环槽。根据实验容不同可用转向弯管进展切换。四、实验方法 在离心泵性能测定前，按以下步骤进展启动操作：1充水。打开注水槽下的阀门，将水灌入泵。在
21、灌水过程中，需打开调节阀，将泵空气排除。当从透明端盖中观察到泵已灌满水后，将注水阀门关闭。2启动。启动前，先确认泵出口调节阀关闭，变压器调回零点，然后合闸接通电源。缓慢调节变压器至额定电压220V，泵即随之启动。3运行。泵启动后，叶轮旋转无振动和噪声，电压表、电流表、压力表和真空表指示稳定，那么说明运行已经正常，即可投入实验。实验时，逐渐分步调节出口调节阀。每调定一次阀的开启度，待状况稳定后，即可进展以下测量：1将出水转向弯头由分水槽的回流格拨向排水格同时，用秒表计取时间，用容器取一定水量。用称量或量取体积的方法测定水的体积流率。这时要接好循环水槽的自来水源。.13/28 2从压强表和真空表上
22、读取压强和真空度的数值。3记取孔板流量计的压差计读数。4从电压表和电流表上读取电压和电流值。实验完毕，应先将泵出口调节阀关闭，再将调压变压器调回零点，最后再切断电源。五、实验结果 1.根本参数 1离心泵 流量：1.20mmLVs 程：)(52OHmHe 功率：WN120 转速：1min.2800rn 2管道 吸入导管径：1d20.8mm 压出导管径：2d20.8mm A、B 两截面间垂直距离：0H mm 3孔板流量计 锐孔直径：0d14mm 导管径：1d20.8mm 2将实验数据标绘成孔板流量计的流量标定曲线，并求取孔板流量计的孔流系数。3将实验数据整理结果标绘成离心泵的特性曲线。.14/28
23、 4.传热实验 一、实验目的 在工业生产或实验研究中，常遇到两种流体进展热量交换，来达到加热或冷却之目的。为了加速热量仁慈过程，往往需要将流体进展强制流动。对于在强制对流下进展的液液热交换过程，曾有不少学者进展过研究，并取得了不少求算传热膜系数的关联式。这些研究结果都是在实验根底上取得的。对于新的物系或者新的设备，仍需要通过实验来取得传热系数的数据与其计算式。本实验的目的，是测定在套管换热器中进展的液液热交换过程的传热总系数，流体在圆管作强制湍流时的传热膜系数。以与确立求算传热系数的关联式。同时希望通过本实验，对传热过程的实验研究方法有所了解，在实验技能上受到一定的训练，并对传热过程根本原理加
24、深理解。二、实验原理 冷热流体通过固体壁所进展的热交换过程，先由热流体把热量仁慈给固体壁面，然后由固体壁面的一侧传向另一侧，最后再由壁面把热量传给冷流体。换言之，热交换过程即为给热导热给热三个串联过程组成。假设热流体在套管热交换器的管流过，而冷流体在管外流过，设备两端测试点上的温度如图 1 所示。那么在单位时间热流体向冷流体仁慈的热量，可由热流体的热量衡算方式来表示：图 1 套管热交换器两端测试点的温度 21TTCmQpa Js1 1 就整个热交换而言，由传热速率根本方程经过数学处理，可得计算式为 mTKAQ Js1 2 式中：Q传热速率，Js1或 W；am热流体的质量流率，kgs1；pC热流
25、体的平均比热容，是 Jkg1K1；T热流体的温度，K；.15/28 T冷流体的温度，K；wT固体壁面温度，K；K传热总系数，Wm2K1 A热交换面积，m2；mT两流体间的平均温度差，K。符号下标 1 和 2 分别表示热交换器两端的数值 假设1T和2T分别为热交换器两端冷热流体之间的温度差，即 111TTT3；222TTT4。那么平均温度差可按下式计算：当221TT时，2121lnTTTTTm5；当221TT时，2121lnTTTTTm6。由1和2两式联立求解，可得传热总系数的计算式：mpsTATTCmK21 7 就固体壁面两侧的给热过程来说，给热速率根本方程为 TTAQTTAQwwww21 8
26、 根据热交换两端的边界条件，经数学推导，同理可得管给热过程的给热速率计算式 wwTQQ1 9 式中：1与2分别有示固体壁两侧的传热膜系数，Wm2K1；wA与wA分别表示固体壁两侧的壁外表积和外壁外表积，m2；2T与wT分别表示固体壁两侧的壁面温度和外壁面温度，K；mT热流体与壁面之间的平均温度差；K。热流体与管壁面之间的平均温度差可按下式计算：当22211wwTTTT时 22112211lnwwwwmTTTTTTTTT 10 当22211wwTTTT时 22112211lnwwwwmTTTTTTTTT 11 由1和9式联立求解可得管传热膜系数的计算式为 .16/28 mwpsTATTCm121
27、1 Wm2K1 12 同理也可得到管外给热过程的传热膜系数的类同公式。流体在圆形直管作强制对流时，传热膜系数与各项影响因素如：管径md,；管流速u，m s1；流体密度，kg m3；流体粘度，Pa s；定压比热溶，pC，J kg1 K1和流体导热系数，Wm1K1之间的关系可关联成如下准数关联式：nmaNuPrRe 13 式中：dNu 努塞尔准数Nusselt number；duRe雷诺准数 Reynolds number；pCPr普兰特准数 Prandtl number。上列关联式中系数a和指数nm,的具体数值，通过实验来测定。实验测得a、m、n数值后，那么传热膜系数即可由该式计算。例如：当流体
28、在圆形直管作强制湍流时，Re10000；Pr0.7160；50/dl。那么流体被冷却时，值可按以下公式求算：3.08.0PrRe023.0Nu13.a或3.08.0023.0pCdud13.b 流体被加热时 4.08.0PrRe023.0Nu14.a或4.08.0023.0pCdud14.b 当流体在套管环隙作强制湍流时，上列各式中d用当量直径de替代即可。各项物性常数均取流体进出口平均温度下的数值。三、实验装置CEAH01 型实验仪 本实验装置主要由套管热交换器、恒温循环水槽、高位稳压水槽以与一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图 2 所示。.17/28 图 2 套管换热器液液热交换实验装
29、置流程 套管热交换器由一根121.5mm 的黄铜管作为管，202.0mm 的有机玻璃管作为套管所构成。套管热交换器外面再套一根322.5mm 有机玻璃管作为保温管。套管热交换器两端测温点之间距离测试段距离为 1000mm。每个检测端面上在管、管外和管壁设置三支铜康铜热电偶，并通过转换开关与数字电压表相连接，用以测量管、管外的流体温度和管壁的温度。热水由循环水泵从恒温水槽送入管，然后经转子流量计再返回槽。恒温循环水柄中用电热器补充热水在热交换器中移去的热量，并控制恒温。冷水由自来水管直接送入高位稳压水槽再由稳压水槽流经转子流量计和套管的环隙空间。高位稳压水槽排出的溢流水和由换热管排出被加热后的水
30、，均排入下水道。四、实验方法 实验前准备工作 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，使槽充满水，并由溢流管有水流出。3将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之呈粥状。将热电偶冷接点插入冰水中，盖严盖子。.18/28 4将恒温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。等恒温水槽的水达到预定温度后即可开始实验。5实验前需要准备好热水转子流量计的流量标定曲线和热电偶分度表。实验操作步骤 1开启冷水截止球阀，测定冷水流量，实验过程中保持恒定。2启动循环水泵，开启并调节热水调节阀。热水流量在 60250Lh1围选取假
31、设干流量值一般要求不少于 56 组测试数据，进展实验测定。3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，依次测定各点温度。实验考前须知：1开始实验时，必须先向换热器通冷水，然后再启动热水泵，停止实验时，必须先停热电器，待热交换器管存留热水被冷却后，再停水泵并停止通冷水。2启动恒温水槽的电热器之前，必须先启动循环泵使水流动。3在启动循环水泵之前，必须先将热水调节阀门关闭，待泵运行正常后，再徐徐开启调节阀。4每改变一次热水流量，一定要使传热过程达到稳定之后，才能测取数据。每测一组数据，最好重复数次。当测得流量和各点温度数值恒定后，说明过程已达稳定状态。五、实验结果 1.记录实验设备根
32、本参数。1实验设备型式和装置方式：水平装置套管式热交换器 2管根本参数：材质：黄铜 外径：d12 mm 壁厚：1.5 mm 测试段长度：L1000mm 3套管根本参数：材质：有机玻璃 外径：d20 mm 壁厚：2 mm 4流体流通的横截面积：管横截面积：S mm 环隙横截面积：S mm 5热交换面积：管壁外表积：wA .19/28 管外壁外表积：wA 平均热交换面积：A 2.实验数据记录：实验测得数据可参考如下表格进展记录：2由实验数据求取流体在圆形直管作强制湍流时的传热膜系数。实验数据可参考下表整理：3 由实验原始数据和测得的值，对水平管传热膜系数的准数关联式进展参数估计。然后，按如下方法和
33、步骤估计参数：水平管传热膜系数的总人数关联式：mmaNuPrRe 在实验测定温度围，Pr数据变化不大，可取其均值并将nPr视为定值与项合并。因此，上式可写为 mANuRe 上等式两边取对数，使之线性化，即 AmNulgRelgln 因此，可将Nu和Re实验数据，直接在双对数坐标纸上进展标绘，由实验曲线的斜率和截距估计参数A和m，或者用最小二乘法进展线性回归，估计参数A和m。取Pr均值为定值，且3.0n，由A计算得到a值。最后，列出参数估计值：Ama 5.填料塔气体吸收实验 一、实验目的 .20/28 填料塔在传质过程的有关单元操作中，应用十分广泛。实验研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总
34、传质系数，尤为重要。本实验采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数、总传质系数和传质单元高度，并通过实验确立液侧传质膜系数与各项操作条件的关系。通过实验，学习掌握研究物质传递过程的一种实验方法，并加深对传质过程原理的理解。二、实验原理 图 1 双膜模型的浓度分布图 图 2 填料塔的物料衡算图 根据双膜模型的根本假设，气侧和液侧的吸收质 A 的传质速度率方程可分别表达为 气膜 AiAgAppAkG 1 液膜 AAiACCAkG1 2 式中 AGA 组分的传质速率，kmols1；A两相接触面积，m2；Ap气侧 A 组分的平均分压，Pa；Aip相界面上 A 组分的分压，Pa；AC液侧 A 组分
35、的平均浓度，kmolm3；AiC相界面上 A 组分的浓度，kmolm3；gk以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmolm2s1Pa1；1k以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，ms1。以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为*AAGAppAKG 3 AALACCAKG*4 式中*Ap为液相中 A 组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；*AC为气相中 A 组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmolm3；.21/28 GK为 以 气 相 分 压 表 示 推 动 力 的 总 传 质 系 数，或 简 称 为 气 相 传 质 总 系 数，kmolm2s1Pa1；
36、LK为以液相浓度表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，ms1。假设气液相平衡关系遵循享利定律：AAHpC，那么 1111HkkKgG5111kkHKgL 6 当气膜阻力远大于液膜阻力时，那么相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，gGkK；反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，那么相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，lLkK。如图 2 所示，在逆流接触的填料层，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，那么由吸收质 A 的物料衡算可得：ALLAdCFdG a 式中，LF为液相摩尔流率，kmols1；L为液相摩尔密度，kmolm3。根据传质速率根本方程，可写出该微分段的传质速率微分方程：aSdh
37、CCKdGAALA*b 联立a和b两式得：AAALLLCCdDaSKFdh*c 式中a为气液两相接触的比外表积，m2m3；S为填料塔的横截面积，m2。本实验采用水吸收纯二氧化碳，且二氧化碳在常温压下溶解度较小，故液相摩尔流率LF和摩尔密度L的比值，亦即液相体积流率LsV,可视为定值，且设总传质系数LK和两相接触比外表积a，在整修填料层为一定值，那么按以下边值条件积分c式，可得填料层高度的计算公式：0h2.AACC hh 1.AACC AAACCLLsCCdCaSKVhAA*,1.2.7 令 aSKVHLLsL,，且称LH为液相传质单元高度NTU；AAACCLCCdCNAA*1.2.，且称LN为
38、液相传质单元数HTU。.22/28 因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即 LLNHh 8 假设气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，那么7式可用解析法解得填料层高度的计算式式，亦即可采用以下平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：mAAALLsCCCaSKVh.2.1.,9 mAAALLCCChNhH,2,1,/10 式中mAC.为液相平均推动力，即 1.*1.2.*2.1.*1.2.*2.1.2.1.2.AAAAAAAAAAAAmACCCCInCCCCCCInCCC 11 因为本实验采用纯二氧化碳，那么 HpHpCCCAAAA*2.*1.12 二氧化碳的溶解度常
39、数，EMHcc1 kmolm3Pa1 13 式中c为水的密度，kgm3；cM为水的摩尔质量，kgkmol1；E为享利系数，Pa。因此，10式可简化为 1,*1,AAAAmACCCInCC 14 又因本实验采用的物系遵循享利定律，而且气膜阻力可以不计。在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，那么液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即 mAAALsLCCChSVaKak,2,1,1 15 对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素之间的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式，其中，SherwoodHolloway 得出如下关联式：nLLLmLLDLADak1 16
40、.23/28 式中 LD吸收质在水中的扩散系数，m2s1；L液体质量流速，kgm2s1；L液体粘度，Pas 或 kgm1s1；Lkgm3。应该注意的是 SherwoodHolloway 关联式中，LDak/1和LL/两项没有特性长度。因此，该式也不是真正无因次准数关联式。该式中A，m和n的具体数值，需在一定条件下由实验求取。三、实验装置CEAM03 型实验仪 本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、高位稳压水槽和各种测量仪表组成，其流程如图 3 所示。图 3 填料吸收塔液侧传质膜系数测定实验装置流程 1.二氧化碳钢瓶；2.减压阀；3.二氧化碳流量计；4.填料塔；5.采样计量管；6.压差计；7.水
41、流量计；8.高位水槽；9.数字电压表。填料吸收塔采用公称直径为 50mm 的玻璃柱。柱装填 5mm 球型玻璃填料，填充高度约为 300mm。吸收质纯二氧化碳气体由钢瓶经二次减压阀、调节阀和转子流量计，进入塔底。气体由下向上经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。吸收剂水由高位稳压水槽经调节阀和流量计进入塔顶，再喷洒而下。吸收后溶液由塔底经形管排出。U 液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压强降。塔底和塔顶的气液相温度由热电偶测量，并 .24/28 通过转换开关由数字电压表显示。四、实验方法 实验前准备工作：1实验前，首先检查填料塔的进气阀和进水阀，以与二氧化碳二次减压阀是否均已关严；然后，打
42、开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，将压力调至 1MPa；同时，向高位稳压水槽注水，直至溢流管有适量水溢流而出。2将水充满填料层，浸泡填料相当于预液泛。实验操作可按如下步骤进展：1缓慢开启进水调节阀，水流量可在 1050Lh1围选取。一般在此围选取 56个数据点。调节流量时一定要注意保持高位稳压水槽有适量溢流水流出，以保证水压稳定。2缓慢开启进气调节阀。二氧化碳流量建议采用 0.1m3h1左右为宜。3当操作达到定常状态之后，测量塔顶和塔底的水温和气温，同时，测定塔底溶液中二氧化碳的含量。溶液中二氧化碳含量的测定方法：用吸量管吸取0.1MBa(OH)2溶液 10mL，放入三角瓶中，并由塔底附设的计量管滴入
43、塔底溶液 20mL，再参加酚酞指示剂数滴，最后用 0.1N 盐酸滴定，直至其脱除红色的瞬时为止。由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度：VVNCHClHClA2 kmolm3 式中HClN为标准盐酸溶液的当量浓度，HClV为实际滴定用量，即空白试验用量与滴定试样时用量之差值，mL；V为塔底溶液采样量，mL。实验考前须知：1实验过程中务必严密监视，并随时调整二氧化碳和水的流量。2每次流量改变后，均需稳定 20 分钟以上，以便建立稳定过程，才能测取数据。3预液泛后，填料层高度需重新测定。采样计量管容积需准确标定。4浸泡填料层人为预液泛时，需缓慢精心操作，以防冲毁填料层和
44、压差计。五、实验结果 1.测量并记录实验根本参数。1填料柱：柱体径 605mm 填料规格：5mm 玻璃球 填料层高度 h300mm 2大气压力：aP Mpa 3室温：aT 4试剂：.25/28 Ba(OH)2溶液浓度 2Ba(OH)N 用 量 2Ba(OH)V mL 盐酸浓度 HClN 4.根据实验结果，在坐标上标绘液侧体积传质膜系数与喷淋密度的关系曲线。5.在双对数坐标上，将5.01LLLLDDak对LL作图，用图解法或线性回归法求取Shewoodholloway 关联式的 A 和 m 值。0.1N 盐酸：9.4ml HCl+蒸馏水 定容 1000ml 并标定。6.雷诺实验 一、实验目的 .
45、26/28 研究流体流动的型态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。1883 年雷诺Reynolds首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在两种不同型态层流和湍流，以与两种不同型态的转变过程。本实验的目的，是通过雷诺试验装置，观察流体流动过程的不同流型与其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。二、实验原理 经许多研究者实验证明：流体流动存在两种截然不同的型态，主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度，以与设备的几何尺寸在圆形导管中为导管直径。将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次数群为雷诺准数或雷诺数，即 udRe 1 式中 d导管直径，m；流体密度，kgm3；流体粘
46、度，Pas；u流体流速，ms1；大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，那么为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为 2000，上临界雷诺数为 10000。一般情况下，上临界雷诺数为 4000 时，即可形成湍流。应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。三、实验装置(雷诺实验仪 CEAF01 型)雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等局部组成，如图 1 所示。自
47、来水不断注入并稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。.27/28 图 1 雷诺实验装置与流程 1.示踪剂瓶；2.稳压溢流水槽；3.试验导管；4.转子流量计；V01.示踪剂调节阀；V02.上水调节阀；V03.水流量调节阀；V04，V05泄水阀；V06放风阀。四、实验方法 实验前准备工作：1实验前，先用自来水充满稳压溢流水槽。将适量示踪剂红墨水参加贮瓶备用，并排尽贮瓶与计头之间管路的空气。2实验前，先对转子流量计进展标定，作好流量标定曲线。3用温度计测定水温。实验操作步骤：1开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证
48、试验时具有稳定的压头。2用放风阀放去流量计的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂红墨水的注水流速与试验导管主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜。精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止。3缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过试验导管的流速平稳地增大。直至试验导管直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算临界雷诺数据。4继续缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。这时，导管的流体的流型逐 .28/28 步由层流向湍流过渡。当流量增大到某一数据值后，示踪剂红墨水一进入试验导管，立即被分散
49、呈烟雾状，这时标明流体的流型已进入湍流区域。记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。这样实验操作需反复进展数次至少 56 次，以便取得较为准确的实验数据。实验操作考前须知：1本实验示踪剂采用红墨水，它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入试验导管。应注意适当调节注射针头的位置，使什头位于管轴线上为佳。红墨水的注射速度应与主体流体流速相近略低些为宜，因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。2在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽液面下降或泛滥事故的发生。3在整个实验过程中，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。