化工原理实验讲义

化工原理实验讲义

北京理工大学化工与环境学院 化学工程与控制系化工原理实验室编

流体流动阻力的测定
1 实验目的
1.掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。 2.测定直管摩擦系数 λ 与雷诺准数 Re 的关系,验证在一般湍流区内 λ 与 Re 的关系曲线。 3.测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数?。 4.学会倒 U 形压差计和涡轮流量计的使用方法。 5.识辨组成管路的各种管件、阀门,并了解其作用。

2 基本原理
流体通过由直管、管件(如三通和弯头等)和阀门等组成的管路系统时,由于粘性剪应力和涡流应力 的存在,要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀 门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。 1.直管阻力摩擦系数 λ 的测定 流体在水平等径直管中稳定流动时,阻力损失为:

hf ?

?p f

?

?

p1 ? p 2

?

??

l u2 d 2

(1)

即,

??

2 d ?p f

?lu 2

(2)

式中: λ —直管阻力摩擦系数,无因次; d —直管内径,m;
?p f —流体流经 l 米直管的压力降,Pa;

h f —单位质量流体流经 l 米直管的机械能损失,J/kg;
ρ —流体密度,kg/m3; l —直管长度,m; u —流体在管内流动的平均流速,m/s。 滞流(层流)时,

??

64 Re

(3)

Re ?

du?

?

(4)

式中:Re —雷诺准数,无因次; μ —流体粘度,kg/(m· s)。 湍流时 λ 是雷诺准数 Re 和相对粗糙度(ε/d)的函数,须由实验确定。 由式(2)可知,欲测定 λ,需确定 l、d,测定 ?p f 、u、ρ、μ 等参数。 l、d 为装置参数(装置参数表 格中给出) , ρ、μ 通过测定流体温度,再查有关手册而得, u 通过测定流体流量,再由管径计算得到。 例如本装置采用涡轮流量计测流量,V,m3/h。

u?

V 900 ?d 2

(5)

?p f 可用 U 型管、倒置 U 型管、测压直管等液柱压差计测定,或采用差压变送器和二次仪表显示。

(1)当采用倒置 U 型管液柱压差计时

?p f ? ?gR
式中:R-水柱高度,m。 (2)当采用 U 型管液柱压差计时

(6)

?p f ? ?? 0 ? ? ?gR
式中:R-液柱高度,m;

(7)

? 0 -指示液密度,kg/m3。
根据实验装置结构参数 l、d,指示液密度 ? 0 ,流体温度 t0(查流体物性 ρ、μ),及实验时测定的流量 V、液柱压差计的读数 R,通过式(5)、(6)或(7)、(4)和式(2)求取 Re 和 λ,再将 Re 和 λ 标绘在双对数坐标图 上。 2.局部阻力系数? 的测定 局部阻力损失通常有两种表示方法,即当量长度法和阻力系数法。 (1) 当量长度法 流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为 l e 的同直径的管道所产生的机械能损 失相当,此折合的管道长度称为当量长度,用符号 l e 表示。这样,就可以用直管阻力的公式来计算局部阻 力损失,而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算,则流体在管 路中流动时的总机械能损失

?h

f

为:

?h
(2) 阻力系数法

f

??

l ? ? le u 2 d 2

(8)

流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数,局部 阻力的这种计算方法,称为阻力系数法。即:

h ?f ?

?p ?f

?g

??

u2 2

(9)

故 式中:? —局部阻力系数,无因次;

??

2?p ?f

?gu 2

(10)

(本装置中,所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降,直管 ?p ?f -局部阻力压强降,Pa; 段的压降由直管阻力实验结果求取。 ) ρ —流体密度,kg/m3; g —重力加速度,9.81m/s2; u —流体在小截面管中的平均流速,m/s。 待测的管件和阀门由现场指定。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。 根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径 d,指示液密度 ? 0 ,流体温度 t0(查流体物性 ρ、μ),及 实验时测定的流量 V、液柱压差计的读数 R,通过式(5)、(6)或(7)、(10)求取管件或阀门的局部阻力系数?。

3 实验装置与流程
1. 实验装置 实验装置如图 1 所示:

1-水箱; 2-管道泵;3-涡轮流量计;4-进口阀;5-均压阀;6-闸阀; 7-引压阀;8-压力变送器;9-出口阀;10-排水阀;11-电气控制箱 图 1 实验装置流程示意图

2.实验流程 实验对象部分是由贮水箱,离心泵,不同管径、材质的水管,各种阀门、管件,涡轮流量计和倒 U 型 压差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管,分别为用于测定局部阻力系数,光滑管直管阻力系数 和粗糙管直管阻力系数。测定局部阻力部分使用不锈钢管,其上装有待测管件(闸阀);光滑管直管阻力的 测定同样使用内壁光滑的不锈钢管,而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。 水的流量使用涡轮流量计测量,管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。

3.装置参数 装置参数如表 1 所示。 由于管材的材质会有不同,因而管内径也会有差别,我们会给出相应的数据, 以供实验分析用,表 1 的数据只是参考。 表1 装置 1 名称 材质 管内径(mm) 测量段长度

管路号 局部阻力 光滑管 粗糙管 闸阀 不锈钢管 镀锌铁管

管内径

(cm) 95 100 100

1A 1B 1C

20.0 20.0 21.0

4 实验步骤
1.泵启动:首先对水箱进行灌水,然后关闭出口阀,打开总电源和仪表开关,启动水泵,待电机转 动平稳后,把出口阀缓缓开到最大。 2. 实验管路选择:选择实验管路,把对应的进口阀打开,并在出口阀最大开度下,保持全流量流动 5 -10min。 3. 排气:在计算机监控界面点击”引压室排气”按钮,则差压变送器实现排气。 4. 引压: 打开对应实验管路的手阀,然后在计算机监控界面点击该对应,则差压变送器检测该管路压差。 5.流量调节:手控状态,变频器输出选择 100,然后开启管路出口阀,调节流量,让流量从 1 到 4m3/h 范围内变化,建议每次实验变化 0.5m3/h 左右。每次改变流量,待流动达到稳定后,记下对应的压 差值;自控状态,流量控制界面设定流量值或设定变频器输出值,待流量稳定记录相关数据即可。 6. 计算: 装置确定时, 根据 ? P 和 u 的实验测定值, 可计算 λ 和 ξ, 在等温条件下, 雷诺数 Re=duρ/μ=Au, 其中 A 为常数,因此只要调节管路流量,即可得到一系列 λ~Re 的实验点,从而绘出 λ~Re 曲线。 7.实验结束:关闭出口阀,关闭水泵和仪表电源,清理装置。

5 实验数据处理
根据上述实验测得的数据填写到下表: 实验日期: 实验人员: 学号: 粗糙管径 温度: 装置号:

直管基本参数: 光滑管径

局部阻力管径

序号

流量(m3/h)

光滑管压差(KPa) 粗糙管压差(KPa) 局部阻力压差(KPa)

6 实验报告
1.根据粗糙管实验结果,在双对数坐标纸上标绘出 λ~Re 曲线,对照化工原理教材上有关曲线图, 即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。 2.根据光滑管实验结果,对照柏拉修斯方程,计算其误差。 3.根据局部阻力实验结果,求出闸阀全开时的平均 ξ 值。 4.对实验结果进行分析讨论。

7 思考题
1.在对装置做排气工作时,是否一定要关闭流程尾部的出口阀?为什么? 2.如何检测管路中的空气已经被排除干净? 3.以水做介质所测得的 λ~Re 关系能否适用于其它流体?如何应用? 4.在不同设备上(包括不同管径),不同水温下测定的 λ~Re 数据能否关联在同一条曲线上? 5.如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直,对静压的测量有何影响?

离心泵特性曲线的测定
1 实验目的 ①掌握离心泵特性曲线的测定方法。 ②了解离心泵的构造、安装、使用与操作。 1 实验原理 离心泵的特性受泵的结构,叶轮形式与转速的影响,特性参数包括流量Q、 扬程 H、功率 N、效率?,对确定的泵,在一定的转速下,H、N、? 都随流量Q 的改变而变化,以曲线形式表示这些参数之间的关系就是离心泵的特性曲线。 离心泵的特性曲线能清楚的反映离心泵的操作性能,是选用离心泵和确定泵的 适宜操作条件的主要依据。对任意一台离心泵的特性曲线不能用解析法进行计 算,只能通过实验来测定。 (1) 流量Q的测定 通过离心泵的流量采用涡流流量计测量,本实验系统中流量计读数与实际流 量间的关系式为:
Q? f k

(1)

式中: Q — 流量, m3 s
f — 涡轮转数, Hz
k

— 流量计校正系数, 次 升

(2) 扬程 H 的测定 在泵的吸入口和排出口之间列柏努利方程:
Z入 ? p入

?g

?

2 u入

2g

? H ? Z出 ?

p出

?g

?

2 u出

2g

? H f入?出

(2)

H ? ?Z 出 ? Z 入 ? ?

p出 ? p入

?g

?

2 2 u入 ? u出

2g

? H f入?出

(3)

上式中 H f入 ?出 是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力,与柏努利 方程式中其它项比较, H f入 ?出 值很小,可以忽略,上式变为:
H ? ?Z 出 ? Z 入 ? ? p出 ? p入

?g

?

2 2 u出 ? u入

2g

(4)

式中: H — 离心泵的扬程, m
P出、P入 — 出口、入口处压强, Pa

u出、u入 — 出口、入口处流速, m s
Z出、Z 入 — 出口、入口测压点高度, m
? — 流体密度, kg m 3
g

— 重力加速度, m s 2

将测得的 ?Z出 ? Z 入 ?和 P出 ? P入 的值以及计算所得的 u入、u出 代入上式即可求得 H 的数值。 (3) 功率 N 的测定 功率表测得的功率为电动机的输入功率 N电入 ?kW?,泵由电动机直接带动,传 动效率可视为 1,电动机的输出功率 N电出 ?kW? 等于泵的轴功率 N ?kW? ,即:
N轴 ? N电出 N电出 ? N电入 ??电

(5) (6)

所以
N ? N电入 ??电

(7)

式中:?电 — 电动机效率,无因次

(4) 泵效率 ? 的测定
??
Ne ?

Ne N

(8) (9)

HQ ?g HQ ? ? 1000 102

式中: ? — 泵的效率
N e — 泵的有效功率, kW

(5) 转速n的测定 1 实验内容 测定单级离心泵在不同转速下的特性参数,绘制离心泵特性曲线。
12 7 9

8

6

3

2 10 1 4 5 11

图 3-2 离心泵性能测定实验装置流程图
1-离心泵 2-真空表 3-压力表 4-变频器 5-功率表 6 流量调节阀 7-实验管路 8-温度计 9-涡轮流量计 10-实验水箱 11-放水阀 12-频率计

1 实验装置与流程 (1) 实验装置流程图(见图 3-2) (2) 流程简介 如图 3-2 所示,水泵 1 将水槽 10 内的水输送到实验系统,用流量调节 阀 6 调节流量,流体经涡轮流量计 9 计量后,流回储水槽。 (3) 设备的主要技术数据 ①离心泵:流量 Q ? 20 ~ 120L min,扬程 H ? 13.5 ~ 19 m ,轴功率 N ? 0.55KW 。 ②真空表测压位置管内径 d1 ? 0.025m 。 ③压强表测压位置管内径 d1 ? 0.025m 。 ④真空表与压强表测压口之间的垂直距离 h0 ? 0.18m 。 ⑤实验管路内径 d ? 0.040 m 。 ⑥电机效率为 60%。 ⑦涡轮流量计仪表常数:第 1 套 77.910 次/升,第 2 套 77.920 次/升。 ⑧功率表型号为 PS-139,精度 1.0 级。 ⑨泵吸入口真空表:测量范围 0.1~0MPa,精度 1.5 级。 ⑩泵出口压力表:测量范围 0~0.25MPa,精度 1.5 级。 1 实验方法及步骤 ①向储水槽 10 内注入清水。 ②检查流量调节阀 6,压力表 3 及真空表 2 的开关是否关闭(应关闭)。 ③启动实验装置总电源,用变频调速器上∧、∨及<键设定频率后,按 run 键启动离心泵,缓慢打开调节阀 6 至全开。待系统内流体稳定,打开压力 表和真空表的开关,方可测取数据。 ④测取数据的顺序可从最大流量至 0,或反之,一般测 10~20 组数据。

⑤每次在稳定的条件下同时记录流量、压力表、真空表、功率表的读数及流 体温度。 ⑥实验结束,关闭流量调节阀,停泵,切断电源。 1 实验注意事项 ①该装置电路采用五线三相制配电,实验设备应良好地接地。 ②使用变频调速器时一定注意 FWD 指示灯亮,切忌按 FWD REV 键 REV 指示灯亮,电机会反转。 ③ 启动离心泵前,关闭压力表和真空表的开关 以免损坏压力表。 1 思考题 ①测定离心泵的特性曲线并绘出曲线图时为什么要注明转速数值? ②随着离心泵流量的增大, 进口真空表和出口压力表指示的数值怎么变化? 功率表读数如何变化? ③离心泵怎样启动?为什么? ④离心泵启动后,如不打开出口阀会有什么结果? ⑤为什么离心泵可用出口阀来调节流量?

对流传热系数的测定

1 实验目的
①掌握对流传热系数的测定方法,测定空气在圆形直管内的强制对流传热系 数,验证准数关联式。 ② 了解套管换热器的结构及操作,掌握强化传热的途径。 ③ 学习热电偶测量温度的方法。 1 实验原理 冷热流体在间壁两侧换热时,传热基本方程及热衡算方程为:
Q ? KA?t m ? ms C p ?t 入 ? t出 ?

(1)

换热器的总传热系数可表示为:
1 1 b 1 ? ? ? K ?i ? ?o

(2)

式中: Q — 换热量, J s
K
A

— 总传热系数, J ?m 2 ? s? — 换热面积, m 2

?t m — 平均温度差, ℃
Cp — 比热, J ?kg ?℃?

ms — 质量流量, kg s
b

— 换热器壁厚, m

? i 、 ? o — 内、外流体对流传热系数, J ?m 2 ? s ?

依据牛顿冷却定律,管外蒸汽冷凝,管内空气被加热,换热量亦可表示为:
Q ? ? i Ai ?t w ? t ? ? ? o Ao ?T ? Tw ?

(3)

式中: t w 、 Tw — 管内(冷侧) 、管外(热侧)壁温, ℃

、管外(热侧)流体温度, ℃ t 、 T — 管内(冷侧) 测定空气流量、进出口温度、套管换热面积,并测定蒸汽侧套管壁温,由于 管壁导热系数较大且管壁较薄,管内壁温与外壁温近似相等,根据上述数据即 可得到管内对流传热系数,由于换热器总传热系数近似等于关内对流传热系数, 所以亦可得到套管换热器的总传热系数。 流体在圆形直管强制对流时满足下述准数关联式:
Nu ? 0.023Re0.8 Pr 0.33

(4)

式中: Nu — 努塞尔特准数, Nu ?
Re
Pr

?d ,无因次 ?

— 雷诺准数, Re ?

du?

?

,无因次
?

— 普兰特准数, Pr ?

Cp?

,无因次

测定不同流速条件下的对流传热系数,在双对数坐标中标绘 Nu - Re 关系得到 一条直线,直线斜率应为 0.8。 1 实验内容 ①测定不同空气流量下空气和水蒸汽在套管换热器换热时内管空气的对流 传热系数,推算总传热系数。 ② 在双对数坐标中标绘 Nu - Re 关系,验证准数关联式。

1 实验装置与流程 (1) 实验装置流程图

1 0 8

9 12 11 7

10

4

5 6

1 2 3

图 3-3 传热实验装置流程示意图 1―蒸汽发生器 2―水位指示管 3―风机 4―风量调节阀 5―孔板 6―U 型管 7―空气进口温度计 8―空气出口温度计 9―热电偶测量系统 10―冷凝回水管 11―外管 12―内管

(2) 流程简介 如图 3-3 所示,鼓风机将空气送入换热器内管,风量由阀门 4 进行调节,并 采用孔板流量计 5 计量流量,进出换热器的温度分别由进出口的温度计 7、8 读 出;蒸汽发生器 1 将产生的蒸汽送入套管,套管壁温采用热电偶温度测量系统 进行测量。 1 实验方法及步骤 ①向电加热釜加水至接近液位计上端红线。

②向保温瓶中加入适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。 ③将空气流量旁路调节阀 4 全开, 电压调节电位器旋至最小值 (逆时针方向) 。 ④检查数字电压表的测量讯号线是否接好,接通电源,至少预热 5 分钟。 ⑤顺时针方向缓慢旋转电压调节电位器,使电压表的示值为 180V,待水沸 腾,水蒸气进入玻璃套管。 ⑥ 加热约 10 分钟后,启动鼓风机,待空气入口温度稳定后开始测试。 ⑦ 调节空气流量旁路阀的开度,使压差计的读数为所需的空气流量值(注意 旁路阀全开时,空气流量为最小值,全关时为最大值) 。 ⑧ 待玻璃套管中充满蒸汽并有适量冷凝液时算起,约 5 分钟后可读取数值。 ⑨ 重复步骤 7、8,分别取 10 个以上空气流量值(应包括最大和最小流量值) 。 ⑩ 测试结束后,将加热电压调节电位器旋至最左端(逆时针方向) ,使电压 表、电流表的示值为零;约 5 分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开,切断 总电源,停止实验。 1 实验注意事项 ①实验过程中,蒸汽发生器中的水位不能低于液位计下端的红线,否则螺旋 形电热管将被烧坏;液位亦不能过高,否则会使水溢入套管。 ②启动风机时, 空气流量旁路阀不能关上,否则会把 U 型压差计中的液体冲 出。 附:实验装置流量与温度校正数据 空气流量公式: V ? 2.472R 0.472 m3 s . ,R 单位为 mm 蒸汽侧壁温与测温热电偶电势关系: T ? ?22.2E ? 0.6? ℃, E 单位为 mv 空气进出口温度校正: ?t ? ??t 2 ? t1 ? ? 2.5 ? ℃

1 思考题 ①本实验要想提高K值应当增加哪一个管内的流体流量? ②铜管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近? ③本实验中若套管间隙中有不凝性气体存在,对传热有什么影响? ④实验中所测的壁温接近蒸汽侧温度还是空气侧温度? ⑤传热过程的稳定性受哪些因素的影响?

填料塔压降曲线和吸收系数的测定
1 实验目的 ①了解填料吸收塔的结构、性能、基本流程与操作。 ②熟悉填料式传质设备的流体力学性能。 ③掌握总传质单元高度和总体积传质系数的测定方法。 2 实验原理 填料塔通常采用圆柱形塔体,在塔内,填料装填在带孔的支撑板上形成填料 层,装填方式多种多样,一般可采用“乱堆”方式。气体一般由塔的下放进入, 通过支撑板向上通过填料层;液体入塔后通过塔上方的分布器均匀喷洒在填料 层上,在填料表面形成液膜,与通过床层缝隙向上流动的气体进行接触,完成 传质。 填料塔传质性能好坏与操作条件密切相关,该方面性能的直接体现就是填料 塔的流体力学特性, 包括填料层压强降和液泛规律。 气体通过填料层的压降 ?p 与 空塔气速 u 的关系可表示为
?p ? u n

(1)

在双对数坐标中 ?p -u 应为一条直线,直线斜率为 n 。 ?p -u 关系曲线受喷淋 密度影响,对干填料层, n 值为 1.8~2.0,在有喷淋液时,随喷淋量增加, n 值增 加,最大可达到 10 左右。在 n 取值较大时,随空塔气速增加,床层压降迅速增 加,直至造成液泛,破坏操作。测定填料层 ?p -u 曲线成为控制操作气速和喷淋 密度的必要前提。 填料塔在特定条件下的吸收能力可以填料层的体积吸收系数表示。在满足低 浓度吸收假定,塔正常逆流操作时,填料层高度 H 的计算式可分别表示为:

H ? H OG ? N OG ?

G y入 ? y出 ? K ya ?ym

(2) (3)

H ? H OL ? N OL ?

L x出 ? x入 ? K x a ?xm

式中: G — 通过单位面积床层的气体流量(气流密度) , kmol ?m 2 ? s?
L

— 通过单位面积床层的液体流量(液流密度) , kmol ?m 2 ? s?

y 入 、 y出 — 入、出塔的气相摩尔分率,无因次 x 入 、 x出 — 入、出塔的液相摩尔分率,无因次

H OG 、 H OL — 气、液相传质单元高度, m N OG 、 N OL — 气、液相传质单元数,无因次

K y a 、 K x a — 气、液相体积传质系数, kmol m 3 ? s

?

?

计算式中 ?yim 、 ?xm 分别为气相或液相传质平均推动力,其计算式为:
?ym ? ?y入 ? ?y出 ?y ln 入 ?y出 ?x入 ? ?x出 ?x ln 入 ?x出

(4)

?xm ?

(5)

若气液平衡关系可表示为 y ? mx ,逆流操作时,气、液推动力可表示为:
?y入 ? y入 ? y* 入 ? y入 ? mx 出
* ?y出 ? y出 ? y出 ? y出 ? mx入

?x入 ? x* 入 ? x入 ? y出 m ? x入
* ?x出 ? x出 ? x出 ? y入 m ? x出

测定吸收塔稳态操作时进出塔的气、液浓度;操作温度以及床层直径 D 和 填料层高度 Z ,进而确定平衡常数 m ,气、液流密度 G 、 L ,即可得到气、液相 总传质单元数 N OG 、 N OL 和总体积吸收系数 K y a 、 K x a 。

3 实验内容 ①测定干填料层及不同液体喷淋密度下单位床层阻力降 ?p Z 与空塔气速 u 的关系曲线,并确定液泛气速。 ②测量在固定液体喷淋量、不同气体流量时,用水吸收空气–氨混和气体中 氨的总传质单元数 N OG 和总体积吸收系数 K y a 。 4 实验装置与流程 (1) 实验装置流程图
放空

7 16 9 8 17 1 21 5 20 6 18 3 10 2 4 13
自 来 水

11

15 14

12

图 3-4 填料吸收塔实验装置流程图 1-鼓风机、 2-空气流量调节阀、 3-空气转子流量计、 4-空气温度传感器、 5-液封管、 6-吸收液取样口、 7-填料吸收塔、 8-氨气瓶阀门、 9-氨气转子流量计、 10-氨气流量调节阀、 11-水转子流量计、 12-水流量调节阀、 13-U 型管压差计、 14-吸收瓶、 15-量气管、 16-水准瓶、 17-氨气瓶、 20-吸收液温度传感器、 21-空气进入流量计处压力 16

(2) 流程简介

如图 3-4 所示,空气由鼓风机 1 送入空气转子流量计 3 计量流量,流量由放 空阀 2 调节,温度由流量计处的温度温度传感器 4 传送至显示仪表。氨气由氨 瓶送出,?经过氨瓶总阀 8 进入氨气转子流量计 9 计量流量, 其流量由阀 10 调节,

然后进入空气管道与空气混合后进入吸收塔 7 的底部,由于氨气通过转子流量 计处的温度不易测量,由实验时的室温近似代替。混合气经填料层后由塔顶放 空。水来自自来水管,由阀 12 调节流量并经水转子流量计 11 计量流量后进入 塔顶,喷洒经过填料层后,由液封管 5 排出,釜液温度由温度温度传感器 20 传 送至显示仪表。 (3) 设备主要技术数据及附件 ① 鼓风机: XGB 型旋涡气泵, 型号 2, 最大压力 1176kpa, 最大流量 75m3 h 。 ② 填 料 塔 : 玻 璃 管 内 径 0.075m, 内 装 10?10?1.5 瓷 拉 西 环 ,
Z ? 0.4m。

填料层高度

③ 空气转子流量计:型号 LZB-25,流量范围 2.5 ~ 25 m 3 h ,精度 2.5 级。 ④ 水转子流量计:型号 LZB-6,流量范围 6 ~ 60 L h ,精度 2.5 级。 ⑤ 氨转子流量计:型号 LZB-6,流量范围 0.06 ~ 0.6 m 3 h ,精度 2.5 级。 ⑥ 浓度测量:塔顶尾气吸收瓶, 量气管, 水准瓶一套。 ⑦ 温度测量:两点温度转换器及显示仪表一套,转换开关:0-空气温度,1吸收液温度。 5 实验方法及步骤 1)测量干填料层( ?p /Z)-u 关系曲线 将调节阀 2 全开后启动鼓风机,用阀 2 调节进塔的空气流量,按空气流量 从小到大的顺序读取填料层压降 ?p ,转子流量计读数和流量计处空气温度 ,?然 后在双对数坐标纸上以空塔气速 u 为横坐标,以单位填料层高度的压降 ?p Z 为纵坐标,绘制干填料层( ?p /Z)-u 关系曲线。 2)测定一定喷淋量下填料层( ?p /Z)-u 关系曲线 在一定的水喷淋量下(建议水喷淋量为 30~40 L/h)采用上述相同方法读取

空气流量和填料层压降数据,在双对数坐标纸上绘制( ?p /Z)-u 关系曲线。测定时 注意观察塔内的气液接触情况,一旦出现液泛则记录对应的空气转子流量计读 数,计算夜饭速度。实验数据处理时,参照教科书介绍的方法计算液泛气速, 与实验中观察到的液泛气速进行比较。 3)测定气相总传质单元数 N OG 和气相总体积吸收系数 K Y a
a

①选泽适宜的空气流量和水流量,建议水流量为 30 L h ;空气流量 4 m 3 h , 调整氨气流量,使混合气体中氨的摩尔浓度为 0.02 ~ 0.03 。 ②调节好空气流量、水流量并调节氨流量计读数到确定值后,保持一段时 间使系统达到稳定后同时读取各流量计读数,读取空气、氨气和吸收液 的温度,并分别测定塔顶尾气及塔底吸收液的浓度。 ③尾气分析方法:Ⅰ.调节两个量气管内的液位,使水面达到最上端的刻度 线零点处并关闭三通旋塞,注意读数时水准瓶中液位应与量气管内液为 同高;Ⅱ.用移液管向洗净的吸收瓶内加入 1~2mL 浓度为 0.005M左右的 硫酸,加入 1~2 滴甲基橙指示剂并加适量蒸馏水,加入的酸浓度与量可 据实际情况调整;Ⅲ. 调整三通旋塞使吸收瓶与量气管连通,旋塞的开度 不宜过大,控制水准瓶使塔顶尾气通过吸收瓶进入量气管,注意速度不 可过快,使吸收瓶内液体以适宜的速度不断循环流动并确保充分吸收为 限。水准瓶不可过分抬高,避免造成反压使酸液反流入塔;Ⅳ.从尾气 开始通入吸收瓶起应始终注意观察瓶内液体的颜色变化,中和反应达到 终点时应立即关闭三通旋塞,读出量气管内气体体积,若一个量气管内 已充满空气,吸收尚未达到终点,应关闭对应的三通旋塞,然后启用另 一个量气管,直至达到终点,随后读取两量内的空气总体积;Ⅴ. 尾气浓 度 y出 的计算,因氨与硫酸中和反应式为:

2NH 3 ? H 2 SO4 ? ?NH 4 ?2 SO4

到达化学计量点 ( 中和终点 ) 时,被滴物的摩尔数 n NH 和滴定剂的摩尔数
3

nH 2 SO4 之比为 2:1,即 nNH 3 ? 2nH 2 SO4 ? 2CH 2 SO4 ?VH 2 SO4 ,则
y出 ? n NH 3 n air ? 2C H 2 SO4 ? V H 2 SO4 ( Vair T ? 0 ) 22.4 T

(0-1)

式中: nH SO 、 nair ─ 分别为 NH 3 和空气的摩尔数
2 4

溶质 l溶液 CH2SO4 ─ 硫酸溶液摩尔浓度, mol
VH 2 SO4 ─ 硫酸溶液的体积, ml
Vair ─ 量气管内空气的总体积, ml

T0 ─ 标准状态时绝对温度,273K
T

─ 操作条件下的空气绝对温度,K

④塔底吸收液分析方法:Ⅰ. 在尾气分析的同时用三角瓶接取塔底吸收液样 品约 200ml 并加盖;Ⅱ. 用移液管取塔底溶液10ml 置于另一个三角瓶中,加 入 2 滴甲基橙指示剂;Ⅲ. 将浓度约为 0.05M 的硫酸置于酸滴定管内, 滴定 三角瓶中的塔底溶液至终点。 ⑤水喷淋量保持不变,加大或减小空气流量(建议空气流量10m3 h )并相应 改变氨流量,使混合气中的氨浓度与第一次吸收实验时相同,重复上述操 作,测定有关数据。 1 实验注意事项 ①启动鼓风机前务必先使放空阀 2 全开(设备上标示为关), 使进入吸收塔的 空气流量为最小。 ②作吸收实验时水流量不能超过 40 L h ,否则尾气的氨浓度极低,?会使尾气 分析困难。

③两次吸收实验进塔气体中氨浓度应尽量保持一致。 附:相平衡数据曲线:
1.4 1.2 1.0

平衡常数(m)

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 15 20 25 30 35

温度(T)

2 思考题 ①该实验系统吸收过程属气膜扩散控制还是液膜扩散控制,为什么? ②实验中在正常操作范围内以及气体入塔浓度不变的前提下,固定液体流量 而增大气体流量,总体积吸收系数应该如何变化,吸收率应该如何变化?

精馏塔效率的测定

1 实验目的
①熟悉板式精馏塔和填料精馏塔的结构、性能与操作。 ②掌握板式塔全塔效率及填料塔等板高度的测定方法。 ③了解精馏操作中各项操作因素之间的关系与相互影响。 2 实验原理 板式精馏塔连续稳态操作时涉及的基本参数有: F 、 D 、W 、 x F 、 x D 、 xW 、
? 、 R 、 q 、 E 、 N p 共计 11 个,操作中必然满足的基本关系有以下几方面:

①物料平衡:包括总物料与各组分的平衡,基本衡算式为:
F ? D ?W

(1) (2)

FxF ? DxD ? Wx W

式中: F 、 D 、 W — 进料,塔顶、塔底产品的摩尔流率, mol s
x F 、 x D 、 xW — 进料,塔顶、塔底产品中轻组分的摩尔分率,

无因次 上述参量中,只有 4 个独立变量,通常 F 、 x F 、 D 、W 确定,则 x D 、
xW 唯一确定。

②相平衡:采用相对挥发度,则平衡方程为:
y?

?x 1 ? ?? ? 1?x

(3)

式中: ? — 平均相对挥发度,无因次 ③在分离效率 E ,分离程度 x D 、 xW 确定的前提下,操作回流比 R 与实际塔 板数 N p 的对应;若人为改变操作参数从而引起回流比的改变,在分离效 率与塔板数固定的前提下,必然引起塔两端产品浓度的改变。

④进料参数的固定,进料参数包括进料量 F 与进料浓度 x F ,进料的热状态 参数 q 以及引入进料的位置 N 进 ,人为改变上述参数,必然破坏精馏塔已 有的平衡,引起相应操作参数的改变,最终使塔建立新的平衡,从而改 变分离效果。 除上述平衡外,精馏操作中还要满足热量的平衡,即塔底加热量与塔顶冷 凝量的对应以及冷、热物料热量交换的平衡,在恒摩尔流假定的前提下,热量 平衡与物料平衡是相互关联、相互制约的,在数学描述中可以不再单独考虑。 常用的精馏塔效率分为单板效率和全塔效率。 单板效率亦称作默弗里效率,反映塔板实际增浓度与理论板增浓度的差距, 可分别以气相浓度和液相浓度表示,气相默弗里效率的定义为:
E mv ? y n ? y n ?1 y n ? y n ?1
?

(4)

式中: y n 、 y n ?1 — 分别为离开和进入第 n 块板的气流浓度
y* n n — 与离开第 n 板的液流浓度 x n 成平衡的气相浓度

全塔效率 E 可看作精馏塔中各单板效率的平均值,是理论塔板数 N t 与实际塔 板数的比值:
E? Nt ? 100% Np

(5)

精馏塔操作中,抽样测定某塔板上下方的气、液流浓度,则可确定该板的单 板效率,测定塔顶、塔底产品浓度,并依据操作参数计算达到该分离程度所需 的理论板数,则可确定该塔的全塔效率。 填料塔操作与板式塔存在相似之处,按照传质单元的概念,将板式塔一块塔 板的分离作用当量为某一段填料层,则可仿照板式塔对填料塔进行计算。填料 层高度的等板高度 HETP 定义为填料层高 H 和理论板数 N t 的比值:

HETP ?

H Nt

(6)

对确定的分离,得到理论板数 N t ,测出实际填料层高,即可得到等板高度。 3 实验内容 ①完成精馏塔的操作,实现对乙醇―正丙醇混合液的分离。 ②测定在全回流和部分回流条件下板式精馏塔的全塔效率或填料精馏塔的 等板高度。 4 实验装置与流程 参见图 3-5(以板式塔为例) 。

8 4 6 5

3 7 是否正确

1

2

图 3-5 精馏实验装置与流程示意图 1―蒸馏釜 2―液封管 3―塔板 4―冷凝器 5―回流控制器 6―加料高位槽 7―加料流量计 8―塔顶温度计

5 实验方法及步骤 ① 准备好阿贝折光仪,调整超级恒温水浴使折光仪处在所需温度。 ② 利用进料阀向塔内加料至排出口接近溢流流出为止。 ③ 打开冷凝器的冷却水。 ④ 打开塔釜加热电源开关,缓慢加热。注意加热过程中釜内必须有足够的料 液(液位应保持在塔釜 2/3 高度之上) ,否则立即停止加热。建议升温电 压不大于 70V,待塔板上开始鼓泡时,可适当加大电压到不大于 100V,

若出现液泛现象时,可将电压下调到不大于 80V。接通塔身保温电源,电 压不高于 50V 并保持不变,实现全回流运行。 ⑤ 观察全塔传质情况,稳定后在塔顶、塔釜用注射器同时取样后利用折光仪 进行样品浓度分析。 ⑥ 调整为部分回流操作,方法是调节进料转子流量计阀门,以 0.5 ~ 2.0 l h 的 流量向塔内加料,打开数显时间继电器开关,控制回流比为 4:1 。 ⑦ 观察全塔传质情况,稳定后记录塔顶、塔底及进料温度,在塔顶、塔釜和 进料三处用注射器取样,利用折光仪分析;可连续三次取样分析,重复性 达到要求后即为有效结果。 ⑧ 测试结束将加热功率调节旋钮复位到零,关闭电源开关,待塔冷却后(塔 内不在有气液流动)再关冷却水。 ⑨ 将塔顶、塔底收集的料液倒入原料瓶中。 6 实验注意事项 ① 折光仪在每次进样分析后,都要擦拭样品池,注射器取样前应注意利用样 品进行清洗。 ② 严禁直接接触玻璃塔身,塔身上面镀有一层金属膜,用作电阻加热,容易 发生触电事故。 ③ 本实验设备由玻璃制成,在加热时应注意不要过快以免发生玻璃破裂。 ④ 实验开始应先开冷却水再加热,停止时则反之,加热过程中若釜中液位不 够高,塔釜排空管上连接的软胶管中可能会有料液喷出,应予注意。 ⑤ 开加热前塔釜内一定要有足够的料液,否则不得加热。

7 阿贝折射仪使用说明
① 每次测定之前须将进试样池的镜面用无水酒精与乙醚(1:1)的混合液轻

擦干净,以免影响成相清晰度和测量准确度。 ② 调节恒温水浴,开通循环水,使折光仪温度达到所需测量温度并稳定后即 可测量。 ③ 测量时,将被测样品利用针头从棱镜组侧面小孔中加入,要求液层均匀, 充满视场,无气泡。打开遮光板,合上反射镜,调节目镜视度,使十字线 成相清晰,此时旋转手轮并在目镜视场中找到明暗分界线的位置,再旋转 手轮使分界线不带任何彩色,微调手轮,使分界线位于十字线的中心,再 适当转动聚光镜,此时目镜视场下方显示的示值即为被测液体的折射率。 建议测试时选择温度为 30℃,该温度下的浓度换算公式为:
W ? 58.844116? 42.61325n D

( 7)

式中: W — 样品的质量分率
n D — 样品的折光率读数

8 思考题 ① 如何判断精馏塔的操作已经达到稳定? ② 在实验数据处理过程中,进行效率计算时,塔釜应如何对待? ③ 依据课本相关内容和本实验现象,影响效率的因素有那些,操作中应注意 那些问题? ④ 计算理论塔板数的过程中,进料热状态参数应如何确定?

⑤ 干燥特性曲线测定实验
一、实验目的
1. 了解洞道式干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法。 2. 学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法。 3. 掌握根据实验干燥曲线求取干燥速率曲线以及恒速阶段干燥速率、临界含水量、平 衡含水量的实验分析方法。 4. 实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响。

二、基本原理
在设计干燥器的尺寸或确定干燥器的生产能力时,被干燥物料在给定干燥条件下的干燥速率、临界湿 含量和平衡湿含量等干燥特性数据是最基本的技术依据参数。由于实际生产中的被干燥物料的性质千变万 化,因此对于大多数具体的被干燥物料而言,其干燥特性数据常常需要通过实验测定。 按干燥过程中空气状态参数是否变化,可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两 大类。若用大量空气干燥少量物料,则可以认为湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变,再加上气流速度、 与物料的接触方式不变,则称这种操作为恒定干燥条件下的干燥操作。 1. 干燥速率的定义 干燥速率的定义为单位干燥面积(提供湿分汽化的面积) 、单位时间内所除去的湿分质量。即

U?

G dX dW ?? C Ad? Ad?

(10-1)

式中, U -干燥速率,又称干燥通量,kg/(m2s) ;

A -干燥表面积,m2;

W -汽化的湿分量,kg;

? -干燥时间,s;
Gc -绝干物料的质量,kg;
X -物料湿含量,kg 湿分/kg 干物料,负号表示 X 随干燥时间的增加而减少。
2. 干燥速率的测定方法 将湿物料试样置于恒定空气流中进行干燥实验,随着干燥时间的延长,水分不断汽化,湿物料质量减 少。若记录物料不同时间下质量 G ,直到物料质量不变为止,也就是物料在该条件下达到干燥极限为止, 此时留在物料中的水分就是平衡水分 X 。 再将物料烘干后称重得到绝干物料重 Gc , 则物料中瞬间含水率
*

X为

X ?

G ? Gc Gc

(10-2)

计算出每一时刻的瞬间含水率 X ,然后将 X 对干燥时间 ? 作图,如图 10-1,即为干燥曲线。

图 10-1 恒定干燥条件下的干燥曲线 上述干燥曲线还可以变换得到干燥速率曲线。 由已测得的干燥曲线求出不同 X 下的斜率 (10-1)计算得到干燥速率 U ,将 U 对 X 作图,就是干燥速率曲线,如图 10-2 所示。

dX , 再由式 d?

图 10-2 恒定干燥条件下的干燥速率曲线 3. 干燥过程分析 预热段 见图 10-1、10-2 中的 AB 段或 A’B 段。物料在预热段中,含水率略有下降,温度则升至 湿球温度 tW ,干燥速率可能呈上升趋势变化,也可能呈下降趋势变化。预热段经历的时间很短,通常在干 燥计算中忽略不计,有些干燥过程甚至没有预热段。本实验中也没有预热段。 恒速干燥阶段 见图 10-1、10-2 中的 BC 段。该段物料水分不断汽化,含水率不断下降。但由于这 一阶段去除的是物料表面附着的非结合水分,水分去除的机理与纯水的相同,故在恒定干燥条件下,物料

表面始终保持为湿球温度 tW,传质推动力保持不变,因而干燥速率也不变。于是,在图 10-2 中,BC 段 为水平线。 只要物料表面保持足够湿润,物料的干燥过程中总有恒速阶段。而该段的干燥速率大小取决于物料表 面水分的汽化速率,亦即决定于物料外部的空气干燥条件,故该阶段又称为表面汽化控制阶段。 降速干燥阶段 随着干燥过程的进行,物料内部水分移动到表面的速度赶不上表面水分的气化速率, 物料表面局部出现“干区” ,尽管这时物料其余表面的平衡蒸汽压仍与纯水的饱和蒸汽压相同、传质推动 力也仍为湿度差,但以物料全部外表面计算的干燥速率因“干区”的出现而降低,此时物料中的的含水率 称为临界含水率,用 Xc 表示,对应图 10-2 中的 C 点,称为临界点。过 C 点以后,干燥速率逐渐降低至 D 点,C 至 D 阶段称为降速第一阶段。 干燥到点 D 时,物料全部表面都成为干区,汽化面逐渐向物料内部移动,汽化所需的热量必须通过已 被干燥的固体层才能传递到汽化面;从物料中汽化的水分也必须通过这层干燥层才能传递到空气主流中。 干燥速率因热、质传递的途径加长而下降。此外,在点 D 以后,物料中的非结合水分已被除尽。接下去所 汽化的是各种形式的结合水,因而,平衡蒸汽压将逐渐下降,传质推动力减小,干燥速率也随之较快降低, 直至到达点 E 时,速率降为零。这一阶段称为降速第二阶段。 降速阶段干燥速率曲线的形状随物料内部的结构而异,不一定都呈现前面所述的曲线 CDE 形状。对 于某些多孔性物料,可能降速两个阶段的界限不是很明显,曲线好像只有 CD 段;对于某些无孔性吸水物 料,汽化只在表面进行,干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率,故降速阶段只有类似 DE 段的曲线。 与恒速阶段相比,降速阶段从物料中除去的水分量相对少许多,但所需的干燥时间却长得多。总之, 降速阶段的干燥速率取决与物料本身结构、形状和尺寸,而与干燥介质状况关系不大,故降速阶段又称物 料内部迁移控制阶段。

三、实验装置
1.装置流程 本装置流程如图 10-3 所示。空气由鼓风机送入电加热器,经加热后流入干燥室,加热干燥室料盘中的 湿物料后, 经排出管道通入大气中。 随着干燥过程的进行, 物料失去的水分量由称重传感器转化为电信号, 并由智能数显仪表记录下来(或通过固定间隔时间,读取该时刻的湿物料重量) 。

图 10-3 干燥装置流程图 1-风机;2-管道;3-进风口;4-加热器;5-厢式干燥器;6-气流均布器;7-称重传感器; 8-湿毛毡; 9-玻璃视镜门; 10,11,12-蝶阀 2.主要设备及仪器 (1)鼓风机:BYF7122,370W; (2)电加热器:额定功率 4.5KW; (3)干燥室:180mm× 180mm× 1250mm; (4)干燥物料:湿毛毡或湿砂; (5)称重传感器:CZ500 型,0~300g。

四、实验步骤与注意事项
1.实验步骤 (1)放置托盘,开启总电源,开启风机电源。 (2)打开仪表电源开关,加热器通电加热,旋转加热按钮至适当加热电压(根据实验室温和实验讲 解时间长短) 。在 U 型湿漏斗中加入一定水量,并关注干球温度,干燥室温度(干球温度)要求 达到恒定温度(例如 70℃) 。 (3)将毛毡加入一定量的水并使其润湿均匀,注意水量不能过多或过少。

(4)当干燥室温度恒定在 70℃时, 将湿毛毡十分小心地放置于称重传感器上。放置毛毡时应特别注 意不能用力下压,因称重传感器的测量上限仅为 300 克,用力过大容易损坏称重传感器。 (5)记录时间和脱水量,每分钟记录一次重量数据;每两分钟记录一次干球温度和湿球温度。 (6)待毛毡恒重时,即为实验终了时,关闭仪表电源,注意保护称重传感器,非常小心地取下毛毡。 (7)关闭风机,切断总电源,清理实验设备。 2. 注意事项 (1)必须先开风机,后开加热器,否则加热管可能会被烧坏。 (2)特别注意传感器的负荷量仅为 300 克,放取毛毡时必须十分小心,绝对不能下压,以免损坏称 重传感器。 (3)实验过程中,不要拍打、碰扣装置面板,以免引起料盘晃动,影响结果。

五、实验报告
1. 绘制干燥曲线(失水量~时间关系曲线) ; 2. 根据干燥曲线作干燥速率曲线; 3. 读取物料的临界湿含量; 4. 对实验结果进行分析讨论。

六、思考题
1. 什么是恒定干燥条件?本实验装置中采用了哪些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行? 2. 控制恒速干燥阶段速率的因素是什么?控制降速干燥阶段干燥速率的因素又是什么? 3. 为什么要先启动风机,再启动加热器?实验过程中干、湿球温度计是否变化?为什么?如何判断实验 已经结束? 4. 若加大热空气流量,干燥速率曲线有何变化?恒速干燥速率、临界湿含量又如何变化?为什么?

演示实验
雷诺实验
1 实验目的 ① 观察液体在圆形直管内流动时的不同流动形态。 ② 测定临界雷诺数 Rec 。 2 实验原理 流体流动时存在两种不同的流动形态,层流(滞流)和湍流(紊流) 。层流 又叫粘性流,流动特点是流体沿流动方向的垂直方向上分层,流层与流层间依 赖粘性(即分子的微观运动)交换能量,速度分布侧形为抛物线;湍流特点是 出现随机的旋涡与脉动,流层之间相互混合,流体质点间主要依赖涡流附加应 力交换动量,是一种典型的惯性流。由于粘性作用,湍流时近壁处仍然存在层 流底层,其间仍为粘性传递为主,速度梯度明显,因此湍流的速度分布侧形为 扁平抛物线。

Umax

Umax 湍流

层流 图 4-1 不同流型速度分布示意图

流动形态可依据描述流动的无因次雷诺准数 Re 的数值进行划分,雷诺数的 定义为:
Re ? du?

?

(1)

式中: d — 圆管直径, m
? — 流体密度, kg m 3

u — 平均流速, m s
? — 流体粘度, N ? s m2 ?或Pa ? s?

统计规律揭示, Re ? 2000 时,流动为层流, Re ? 4000 时,流动为湍流,
2000 ? Re ? 4000时,流动处于过渡状态,流型不确定,可为层流,亦可为湍流。

对特定的管路系统,在流体温度恒定时,管路直径、流体密度与粘度系数 均为常数,雷诺数的大小仅取决于流体在管内的流速。通过改变流速即可使流 动处于不同形态。 3 实验装置与流程
2 6

1 4 3

7

5 图 4-2 雷诺实验装置图 1- 水槽 2- 补水管 3- 观察管 4- 调节阀 5-排水管 6-示踪液 7-示踪液管夹

4 实验方法及步骤 ① 打开补水管 2 的阀门向水槽加水至出现溢流,演示中应注意保持溢流。 ② 打开调节阀 4 并控制不同开度使管内分别处于不同流型。 ③ 在确定流型达到稳定后稍微打开示踪液夹 7,观察示踪液在管中的轨迹。 ④ 确定临界点,量取管径、流速、流体温度,计算临界雷诺数。

机械能守恒与转换
1 实验目的 ① 加深对流体机械能不同表现形式及其相互间转换规律的认识。 ② 观察液体静压、动压(冲压)及总压之间的相互转换。 2 实验原理 机械能是引起流体运动最直接的原因。流动过程中,机械能可以表现为压 力能、位能和动能等不同形式,不同形式的机械能可相互转换,但其总和保持 不变。对粘性流体,管路阻力及流体的内摩擦会引起机械能的减少,减少的机 械能以内能的形式贮存于流体内部或以热能的形式散逸到系统之外,称为能量 损失。机械能守恒与转换规律可以柏努利方程表示:
gZ1 ? u12 p1 u2 p ? ? gZ2 ? 2 ? 2 ? w f 2 ? 2 ? g?Z ?

(0-2) (0-3)



?u 2
2

?

?p ? wf ? 0 ?

式中: Z — 流体位置的垂直高度, m
u — 流体流速, m s
p g

— 流体静压力, N m 2 ?Pa? — 重力加速度, m s 2

w f — 机械能损失, J Kg

3 实验装置与流程 实验流程如图 4-3 所示。参见放大视图 7,每组测压管中有一只测压口深入 管中心,其取压口开于水平方向并可旋转,可分别测试静压与总压。

2

6 1 7

4

5 图 4-3 能量转换实验装置图 1- 水槽 2- 补水管 3- 观察管 4- 调节阀 5-排水管 6-测压管 7-局部放大

4 实验方法及步骤 ① 打开补水管 2 的阀门向水槽加水至出现溢流,演示中应注意保持溢流。 ② 打开调节阀 4 使流体稳定流动,观察比较各测压管中的静止液位高度,判 断机械能的转换。 ③ 缓慢转动可旋转测压管的测压口,分别测试静压与总压,观察测压管液位 变化。 ④ 改变调节阀 4 的开度,使流体以不同流速流动,观察比较各测压管中的静 止液位高度的变化,判断阻力损失的改变。

3 边界层形成与分离
1 实验目的 ① 观察流体流经固体壁面时边界层的形成、发展及边界层分离现象。 ② 了解流速改变对边界层厚度及分离点的影响。 2 实验原理 如图所示,粘性流体流经固体壁面时在壁面附近形成流动边界层,若流过 曲线形壁面,会形成边界层分离。
层流边界层区 过渡区 湍流边界层区 主流区 边界层外缘 湍流主体 过渡层 层流底层 边界层形成与发展 边界层分离

图 4-5 边界层形成与分离

本演示采用实验装置示意图所示的热边界层仪实现。热边界层仪主要由光 源、带电加热的圆柱形金属模型和显示屏组成。对模型加热后,模型周围的空 气因受热膨胀而密度变小,形成自然对流,由于模型周围气流向上流动,在圆 柱形壁面上形成边界层并在上部出现边界层分离。 利用光源将模型投影到毛玻 璃显示屏上,空气密度改变会引起折光率的改变,使得气体流动所形成的边界 层在投影屏上留下影像。 3 实验装置与流程 参见图 4-6。

1

2

3

4

图 4-6 边界层演示实验装置图 1-光源 2-聚光筒 3-圆柱体 4-玻璃屏

4 实验方法及步骤 ① 打开加热电源,对圆柱形金属模型 3 进行加热; ② 打开光源,待系统稳定后观察毛玻璃显示屏上形成的影像,了解边界层 的形成、发展与分离情况; ③ 从下向上轻轻地对模型扇风,改变气流速度,观察边界层厚度及分离点 的变化情况。 注意,由于圆柱形金属模型带电且温度很高,不得触摸。 .........................


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