13无机非材料基础实验讲义.docx

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1、13无机非材料基础实验讲义化工原理实验讲义 合肥学院化学与材料工程系 实验一 流量计校核实验 一、实验目的 1了解孔板流量计、文丘里流量计的构造、原理、性能及使用方法。 2掌握流量计的标定方法。 3学习合理选择坐标系的方法。 二、实验原理 流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量有如下关系： Vs=CA02(P上P下)采用正U形管压差计测量压差时，流量Vs与压差计读数R之间关系有： (1) rVs=CA02gR(rA-r1)r式中： Vs 被测流体的体积流量，m3/s； C 流量系数，无因次； A0 流量计最小开孔截面积，m2，A0=(/4)d02； P上P下 流

2、量计上、下游两取压口之间的压差，Pa； r 被测流体的密度，Kg/m3； rA U形管压差计内指示液的密度，Kg/m3； r 空气的密度，Kg/m3； R U形管压差计读数，m； 式3-1也可以写成如下形式： (1a) V s C=若采用倒置U形管测量压差： A02gR(rA-r1)rP上P下gRr 则流量系数C与流量的关系为： VsC= (2) A02gR用体积法测量流体的流量Vs，可由下式计算： V Vs=(3) (4) 式中：Vs 水的体积流量，m3/s； 103DtV=DhA t 计量桶接受水所用的时间，s； A 计量桶计量系数； h 计量桶液面计终了时刻与初始时刻的高度差，mm，h=

3、h2-h1； V 在t时间内计量桶接受的水量，L。 改变一个流量在压差计上有一对应的读数，将压差计读数 R和流量Vs绘制成一条曲线即流量标定曲线。同时用式或式整理数据可进一步得到流量系数C雷诺数Re的关系曲线。 du r (5) Re=式中：d实验管直径，m； u水在管中的流速，m/s。 m三、实验内容 1、以涡轮流量计为基准，对孔板流量计进行校核，并绘制校核曲线。 2、以转子流量计为基准，对孔板流量计进行校核，并绘制校核曲线。 四、思考题： 1、在孔板流量计的流量校正实验中为什么测试中要保证系统的充满水? 2、流量计校核实验中，如何检查系统排气是否完全? 2 实验二 离心泵特性曲线测定 一、

4、实验目的 1. 了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作； 2. 掌握离心泵特性曲线测定方法。 二、基本原理 离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率与泵的流量V之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。 1扬程H的测定与计算 在泵进、出口取截面列柏努利方程： 2u2-u12p2-p1H=+Z2-Z1+rg2g流体密度 kg/m3 式中：p1,p2分别为泵进、出口的压强 N/m2 u1, u2分别为泵进、出口的流量m/s g重力加速度 m/s2 当泵进

5、、出口管径一样，且压力表和真空表安装在同一高度，上式简化为：H=p2-p1+Z2-Z1 rg由上式可知：只要直接读出真空表和压力表上的数值，就可以计算出泵的扬程。 2轴功率N的测量与计算 轴的功率可按下式计算： N=0.94w 式中，N泵的轴功率，W w电机输出功率，W 由上式可知：测定泵的轴功率，只需测定电机的输出功率，乘上功率转换中的倍率即可。 3效率的计算 泵的效率是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体自泵得3 到的功，轴功率N是单位时间 内泵从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。 泵的有效功率Ne可用下式计算： Ne=HVg 故=N

6、e/N=HVg/N 三、实验装置与流程 离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图如图2-1： 图2-1 离心泵实验装置流程示意图 3仪表控制柜面板如图2-2所示： 图2-2 流体力学综合实验装置仪表面板 4 1、空气开关 2、3、4电源指示灯 5、流量控制仪 6、6路巡检仪：第一通道测量离心泵进口压力，第二通道测量离心泵出口压力，第三通道测量离心泵转速第四通道测量流体阻力压差第五通道测量流体温度，第六通道没用，7、功率表8、仪表电源指示灯、9、仪表电源开关，10、变频器电源指示灯，11、变频器电源开关，12、离心泵电源指示灯、13、离心泵直接或变频器运行转换开关，14、离心泵启动按钮，15

7、、离心泵停止按钮。 四、实验步骤及注意事项 1灌泵 储水箱中出水到适当位置关闭阀1、阀2、阀3、阀4、阀5、打开离心泵出口排气阀和进口灌水阀，用水杯从灌水阀灌水，气体从排汽阀排出，直到排水阀有水排出并且没有气泡灌水完毕，关闭排气阀和灌水阀。 2启动水泵 打开控制柜上1空气开关，打开9仪表电源开关，仪表指示灯10亮，仪表上电，显示被测数据。 把转换开关转到直接位置，指示灯12亮，按一下离心泵启动按钮，离心泵运转，启动按钮指示灯亮，水泵启动完毕。 3数据采、记录原始数据8-10组。 4数据采集完毕后，按离心泵停止按钮，泵停止。 注意事项： 1、一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚

8、。同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。 2、泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。 实验数据记录 离心泵原始数据 水温： No. 流量L/s 真空表读数MPa 压力表读数MPa 功率表读数w 五、实验报告 1在同一张坐标纸上描绘一定转速下的HV、NV、V曲线 2分析实验结果，判断泵较为适宜的工作范围。 5 六、思考题 1试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？ 2启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？ 3为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？十分还有其他方法调节流量？

9、 4泵启动后，出口阀如果打不开，压力表读数是否会逐渐上升？为什么？ 5正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？ 6试分析，用清水泵输送密度为1200Kgm3的盐水，在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率是否变化？ 6 实验三 干燥速率曲线的测定实验 一、实验目的 1熟悉常压洞道式干燥器的构造和操作； 2测定在恒定干燥条件下的湿物料干燥曲线和干燥速率曲线； 3测定该物料的临界湿含量X0； 4掌握有关测量和控制仪器的使用方法。 二、基本原理 当湿物料与干燥介质相接触时，物料表面的水分开始气化，并向周围介质传递。根据干燥过程中不同期间的特点，干燥过程可分为两个阶段。 第一个阶段

10、为恒速干燥阶段。在过程开始时，由于整个物料的湿含量较大，其内部的水分能迅速地达到物料表面。因此，干燥速率为物料表面上水分的气化速率所控制，故此阶段亦称为表面气化控制阶段。在此阶段，干燥介质传给物料的热量全部用于水分的气化，物料表面的温度维持恒定，物料表面处的水蒸汽分压也维持恒定，故干燥速率恒定不变。 第二个阶段为降速干燥阶段，当物料被干燥达到临界湿含量后，便进入降速干燥阶段。此时，物料中所含水分较少，水分自物料内部向表面传递的速率低于物料表面水分的气化速率，干燥速率为水分在物料内部的传递速率所控制。故此阶段亦称为内部迁移控制阶段。随着物料湿含量逐渐减少，物料内部水分的迁移速率也逐渐减少，故干燥

11、速率不断下降。 恒速段的干燥速率和临界含水量的影响因素主要有：固体物料的种类和性质；固体物料层的厚度或颗粒大小；空气的温度、湿度和流速；空气与固体物料间的相对运动方式。 恒速段的干燥速率和临界含水量是干燥过程研究和干燥器设计的重要数据。本实验在恒定干燥条件下对帆布物料进行干燥，测定干燥曲线和干燥速率曲线，目的是掌握恒速段干燥速率和临界含水量的测定方法及其影响因素。 干燥速率的测定 U=dWDW SdtSDt7 式中：U干燥速率，kg /； S干燥面积，m，； Dt时间间隔，h； DWDt时间间隔内干燥气化的水分量，kg。 物料干基含水量 X= 式中：X物料干基含水量，kg水/ kg绝干物料；

12、G固体湿物料的量，kg； Gc绝干物料量，kg。 恒速干燥阶段，物料表面与空气之间对流传热系数的测定 22G-Gc Gca(t-tw)dQdW= Uc= SdtrtwSdtrtw a= 式中：a恒速干燥阶段物料表面与空气之间的对流传热系数，W/； Uc恒速干燥阶段的干燥速率，kg/； tw干燥器内空气的湿球温度，； t干燥器内空气的干球温度，； rtwtw下水的气化热，J/ kg。 干燥器内空气实际体积流量的计算 由节流式流量计的流量公式和理想气体的状态方程式可推导出： Vt=Vt0 式中：Vt干燥器内空气实际流量，m/ s； t0流量计处空气的温度，； 8 322Ucrtwt-tw273+t

13、273+t0Vt0常压下t0时空气的流量，m/ s； 3t干燥器内空气的温度，。 Vt0=C0A0 A0=式中：C0流量计流量系数，C0=0.67 A0节流孔开孔面积，m； d0节流孔开孔直径， d0=0.050 m； P节流孔上下游两侧压力差，Pa； 孔板流量计处t0时空气的密度，kg/m。 322DPrp4d02 三、实验装置 1装置流程 空气用风机送入电加热器，经加热的空气流入干燥室，加热干燥室中的湿毛毡后，经排出管道排入大气中。随着干燥过程的进行，物料失去的水分量由称重传感器和智能数显仪表记录下来。实验装置如图1所示。 9 图1 干燥装置流程图 1-风机 2-可移动实验框架 3-旁路阀

14、 4-气路管道 5-差压传感器 6-不锈钢孔板流量计 7-电加热管 8-风量均布器 9-支杆 10、11-干球、湿球温度传感器 12-可视门 13-精密称重传感器 14-蝶阀3 15-蝶阀2 16-蝶阀1 17-总电源空气开关 18-仪表电源开关 19-变频器电源开关 20-风机电源切换开关 21-电加热管停止按钮 22-干球温度手自动切换开关及手动调节旋钮 23-干球温度自动调节仪 24-指示灯 25-电加热管启动按钮 26-加热管电压指示 27-智能风量控制仪 28-智能多路液晶显示仪 29-变频器 风机电源切换开关：有三个位：直接、停止、变频分别为风机电源由电网直接提供、风机停止和风机电

15、源由变频器提供。 智能多路液晶显示仪的13通道分别为：空气流量、湿球温度、称重重量。 风机电源切换开关：为3位开关，当开关打到左边位置时为直接电源给风机供电；当开关打到中间位置时为停止位置；当开关打到右边位置时为变频器输出电源给风机供电。相应上面的指示灯指示的是直接风机供电时的风机电源指示。 风量控制：可通过仪表实现自动控制及调节旋钮实现手动风量控制，但风量不得低于50m3/h，否则会因为风量过小而使烧坏加热管。控制方法是：1）手动控制时，将风量手自动切换开关打到手动位置，通过调节手动旋钮即可对变频器输出控制，从而控制风机风量；2）自动控制时，将手自动切换开关打到自动位置，这时可通过仪表对变频

16、器输出控制，从而也实现了对从而控制风机风量。 2主要设备及仪器 鼓风机：MY250W,250W 电加热器：4.5KW 干燥室：180mm180mm1250mm 干燥物料：湿毛毡 称重传感器：YZ108A型，0300g。 洞道干燥干燥面积0.03588m2 和 0.03497m2 洞道干燥控制仪表控制参数 M5100 P8 T200 CTRL4 CTL1 10 四、实验步骤与注意事项 实验步骤 1打开仪表控制柜上的仪表电源开关，开启仪表。 2打开仪表控制柜上的风机电源开关，开启风机，这时加热管停止按钮灯亮。 3按下加热管启动按钮，启动加热管电源，刚开始加热时，打开加热管电源开关，可通过仪表实现自

17、动控制及调节旋钮实现手动控制干球温度。其方法是：手动控制时，将手自动切换开关打到手动位置，通过调节手动旋钮即可对加热管电压实现控制，从而控制干球温度；自动控制时，将手自动切换开关打到自动位置，这时可通过仪表对加热管的电压进行控制，从而也实现了对干球温度的控制。干燥室温度要求恒定在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, 一定在老师的指导下或由老师将湿毛毡十分小心地悬挂于称重传感器下的托盘上。放置毛毡时应特别注意不能用力下拉，因称重传感器是非常精密的仪器，且其测量上限仅为300克，稍微的力均会完全损坏称重传感器导致不能再使用。 5记录时

18、间和毛毡和剩余水的重量，即为重量显示仪的读数，每分钟记录一次数据；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，按下停止按钮，停止加热，注意保护称重传感器，一定在老师的指导下或由老师非常小心地取下毛毡。 7等20分钟后，当干球温度降到30度左右时关闭风机电源、关闭仪表电源，清理实验设备。 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。但目前该问题已从电路上解决。 2特别注意传感器是非常精密的仪器，且其负荷量仅为300克，放取毛毡时必须十分小心，一定要在老师的指导或由老师轻拿轻放，绝对不能下拉或用力上提，否则会完全损坏称重传感器导致不能再使用。 3风量不得

19、低于50m3/h，否则会因为风量过小而使烧坏加热管。 11 五、实验报告 1) 绘制干燥曲线， 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毛毡含水是什么性质的水分？ 2实验过程中干、湿球温度计是否变化？为什么？ 3恒定干燥条件是指什么？ 44如何判断实验已经结束？ 12 实验了四 对流给热系数的测定 一、实验目的 1、观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象； 2、测定空气在圆直管内强制对流给热系数ai； 3、应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。 二、基本原理 在套管换热器中，环隙通以水蒸气，

20、内管管内通以空气或水，水蒸气冷凝放热以加热空气或水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式： VCP(t2t1)iAitm 式中： V被加热流体体积流量，m3/h； 被加热流体密度，kg/m3； CP被加热流体平均比热，J/(kg)； i流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2)； t1、t2被加热流体进、出口温度，； Ai内管的外壁、内壁的传热面积，m2； tm传热的对数平均温度差，； Dtm=(T1-t2)-(T2-t1) T-tln12T2-t1式中：T1、T2蒸汽进、出口温度，； t1、t2被加热流体进、出口温度，； 由式可得： ai=VrCP(t2-t1) A0Vtm若能测得被加热流体的

21、V、t1、t2，内管的换热面积Ai，以及蒸汽进、出口温度，则可通过式算得实测的流体在管内的对流给热系数i。 流体在直管内强制对流时的给热系数，可按下列半经验公式求得： 13 湍流时： ai=0.023ldiRe0.8Pr0.4 式中：i 流体在直管内强制对流时的给热系数，W/ (m2)； 流体的导热系数，W/(m2)； di 内管内径，m； Re 流体在管内的雷诺数，无因次； Pr 流体的普朗特数，无因次。 上式中，定性温度均为流体的平均温度，即tf = (t1 + t2) / 2。 过渡流时： ii 5610式中：j 修正系数， j=1-1.8 Re 对流传热系数准数关联式的实验确定 流体在

22、管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为 nNui=AReiPri. mNui=其中： cpimiudraidiRei=iiiPri=li， mi ， li 物性数据i、cpi、i、i可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为： 0.4 Nui=AReiPr im这样通过实验确定不同流量下的Rei与Nui，然后用线性回归方法确定A和m的值。 三、实验装置与流程 1实验装置 实验装置如图1所示。 来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自水泵）的水进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷水经涡轮流量计进入套

23、管换热器内管，热交换后排出装置14 外。 图1传热系数测定装置流程图 1-可移动框架 2-中间储水箱 3-液位控制浮球阀 4-涡轮流量计 5-水箱排水阀6 6-阀5 7-进水口 8-水泵 9-脚轮 10-冷凝水排放口 11-冷凝水排水阀4 12-蒸汽进汽口 13-冷凝水调节阀2 14-蒸汽调节阀3 15-冷流体出口温度 16-蒸汽压力表 17-壁面右端温度 18-排不宁性气体阀门 19-蒸汽右端温度 20-冷流体流量调节阀1 21-壁面左端温度 22-蒸汽左端温度 23-排不宁性气体阀门 24-冷流体进口温度 25-换热外套管 26-换热紫铜管27-可视视窗 2仪表箱面板图如2所示： 15 图

24、2 仪表箱面板图 1-总电源指示灯 2-空气开关 3-仪表电源指示灯 4-仪表电源开关 5-风机电源指示灯 6-风机电源开关7-温度巡检仪 第一通道为流体进口温度，第二通道为流体出口温度，第三通道为左端蒸气温度，第四通道为右端蒸气温度 2设备与仪表规格 紫铜管规格：紫铜管外径21mm 紫铜管管厚1.5mm 外套玻璃管规格：直径1005mm，长度L=1000mm 压力表规格：00.1Mpa 四、实验步骤与注意事项 实验步骤 1、蒸气发生器加水，加热，把蒸气加热到额定压力下。 1打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。 2打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体入口

25、阀门。 4打开冷凝水出口阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。 5在做实验前，应打开冷凝水排水阀4将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，可进行实验。 16 6刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀3的阀门大小开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。 7当一切

26、准备好后，调节蒸汽进口阀3的开度，把蒸汽压力调到0.01Mpa，并保持蒸汽压力不变。 8流量调节： 手动调节1：可通过调节空气的进口阀1手动调节空气流流量，改变冷流体的流量到一定值，等稳定后记录实验数据。 9记录3到8组实验数据，完成实验，关闭蒸汽进口阀与冷流体进口阀，关闭仪表电源和风机的电源。 10关闭蒸汽发生器。 11打开实验数据处理软件“对流给热系数测定实验”文件夹，运行“对流给热系数测定实验”，打开该组实验数据，进行实验数据分析处理。 注意事项 1先打开排冷凝水的阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。 2一定要在

27、套管换热器内管输以一定量的冷流体后，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。 3刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。 3操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa以下，否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。 4.确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。 五、实验数据处理 17 原始数据记录表 编号 1 2 3 4 5 热流体 压力(MPa) T1() T2() 3冷流体 流量(m/h) t1 () t2 () 六、实验报告 1按冷流体给热系数的模型式：Nu/Pr0.4=ARem。确定式中常数A及m。 2. 将实验计算值与理论值进行比较，进行相应的结果分析。 3绘制相应的实验曲线。 七、思考题 1实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响? 2蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？ 3实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？ 4实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？ 5如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对关联式有何影响？ 18