化工原理实验―指导书
力不能恢复到孔板前的值，称之为永久损失。d0/d1的值越小，永久损失越大。
2.2文丘里流量计的校核
孔板流量计的主要缺点时机械能损失很大，为缺点，可采用一渐缩渐括管，如图2所示，当流体锥管时，不会出现边界层分离及漩涡，从而大大降损失。这种管称为文丘里管。
文丘里管收缩锥角通常取15°-25°，扩大段锥角一般为5°-7°，使流速改变平缓，因为机械能损失主然扩大处。 图2 文
要取得小些，要发生在突丘里流量计 了克服这一流过这样的低了机械能
文丘里流量计测量原理与孔板完全相同，只不过永久损失要小很多。流速、流量计算仍可用式（3－6）、（3－7），式中u0仍代表最小截面处（称为文氏喉）的流速。文丘里管的孔流系数C0约为0.98-0.99。机械能损失约为 wf?0.1u0 （3-9）
文丘里流量计的缺点是加工比孔板复杂，因而造价高，且安装时需占去一定管长位置，但其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送。
2三.实验装置与流程
实验装置 如图3所示。主要部分由循环水泵、流量计、U型压差计、温度计和水槽等组成，实验主管路为1
文丘里流量计V-3孔板流量计计量筒水槽寸不锈钢管（内径25mm）。管道离心泵 图3 流量计校合实验示意图
21
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四.实验步骤与注意事项
1. 熟悉实验装置，了解各阀门的位置及作用。
2. 对装置中有关管道、导压管、压差计进行排气，使倒U形压差计处于工作状态。
3. 对应每一个阀门开度，用容积法测量流量，同时记下压差计的读数，按由小到大的顺序在小流量时测量8－9个点，大流量时测量5－6个点。为保证标定精度，最好再从大流量到小流量重复一次，然后取其平均值。
4. 测量流量时应保证每次测量中，计量桶液位差不小于100mm或测量时间不少于40s。 5. 主要计算过程如下：
（1）根据体积法（秒表配合计量筒）算得流量V（m3/h）； （2）根据u?4V，孔板取喉径d0＝15.347mm，文丘里取喉径d＝12.462mm； 2?d（3）读取流量V（由闸阀开度调节）对应下的压差计高度差R，根据u0?C02?p/?和?p??gR，求得
C0值。 （4）根据Re?du??，求得雷诺数，其中d取对应的d0值。
（5）在坐标纸上分别绘出孔板流量计和文丘里流量计的C0－Re图。
五.实验报告
1. 将所有原始数据及计算结果列成表格，并附上计算示例。
2. 在单对数坐标纸上分别绘出孔板流量计和文丘里流量计的C0－Re图。3. 讨论实验结果。
六.思考题
1. 孔流系数与哪些因素有关？
2. 孔板、文丘里流量计安装时各应注意什么问题？ 3. 如何检查系统排气是否完全？
4. 从实验中，可以直接得到ΔR－V的校正曲线，经整理后也可以得到C0－Re的曲线，这两种表示方法各
有什么优点？
22
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流体流动阻力的测量 一、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。
二、
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??pf??p1?p2?lu2?? （1）
d2即， ??式中： λ —直管阻力摩擦系数，无因次；
d —直管内径，m；
2d?pf?lu2 （2）
?pf—流体流经l米直管的压力降，Pa；
hf—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 （3） Redu?Re? （4）
? 23
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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?pf、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 (5) 2900?d?pf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
?pf??gR (6) 式中：R－水柱高度，m。
（2）当采用U型管液柱压差计时
?pf???0???gR (7)
式中：R－液柱高度，m；
?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le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le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
?hf 为：
l??leu2?hf??d2 (8)
24
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(2) 阻力系数法
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：
u2?? h?f? (9) ?g2故 ?? 式中：? —局部阻力系数，无因次；
?p?f －局部阻力压强降，Pa；（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?。
2?p?f?p?f?gu2 (10)
三、实验装置与流程
1． 实验装置
实验装置如图1所示：
25
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机械能转化演示实验
一、实验目的
1.观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，验证连续性方程和柏努利方程。 2.定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与管径关系。 3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系。 4.定性观察流体流经节流件、弯头的压损情况。
二、基本原理
化工生产中，流体的输送多在密闭的管道中进行，因此研究流体在管内的流动是化学工程中一个重要课题。任何运动的流体，仍然遵守质量守恒定律和能量守恒定律，这是研究流体力学性质的基本出发点。
1.连续性方程
对于流体在管内稳定流动时的质量守恒形式表现为如下的连续性方程：
根据平均流速的定义，有
?1??vdA??2??vdA （1－1）
12?1u1A1??2u2A2 （1－2）
即 m1?m2 （1－3） 而对均质、不可压缩流体，?1??2?常数，则式（1－2）变为
u1A1?u2A2 （1－4）
可见，对均质、不可压缩流体，平均流速与流通截面积成反比，即面积越大，流速越小；反之，面积越小，流速越大。
对圆管，A??d/4，d为直径，于是式（1－4）可转化为
2u1d1?u2d2 （1－5）
22 2.机械能衡算方程
运动的流体除了遵循质量守恒定律以外，还应满足能量守恒定律，依此，在工程上可进一步得到十分重要的机械能衡算方程。
对于均质、不可压缩流体，在管路内稳定流动时，其机械能衡算方程（以单位质量流体为基准） 为：
1
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upup z1?1?1?he?z2?2?2?hf （1－6）
2g?g2g?g显然，上式中各项均具有高度的量纲，z称为位头，u2/2g称为动压头（速度头），p/?g称为静压头（压力头），he称为外加压头，hf称为压头损失。
关于上述机械能衡算方程的讨论： （1）理想流体的柏努利方程
无黏性的即没有黏性摩擦损失的流体称为理想流体，就是说，理想流体的hf?0，若此时又无外加功加入，则机械能衡算方程变为：
22upup z1?1?1?z2?2?2 （1－7）
2g?g2g?g式（1－7）为理想流体的柏努利方程。该式表明，理想流体在流动过程中，总机械能保持不变。
（2）若流体静止，则u?0，he?0，hf?0，于是机械能衡算方程变为
22z1?p1p?z2?2 （1－8） ?g?g式（1－8）即为流体静力学方程，可见流体静止状态是流体流动的一种特殊形式。
3.管内流动分析
按照流体流动时的流速以及其它与流动有关的物理量（例如压力、密度）是否随时间而变化，可将流体的流动分成两类：稳定流动和不稳定流动。连续生产过程中的流体流动，多可视为稳定流动，在开工或停工阶段，则属于不稳定流动。
流体流动有两种不同型态，即层流和湍流，这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。
流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：Re?du??
（1－9) 式中：Re —雷诺准数，无因次； d —管子内径，m；u —流体在管内的平均流速，m／s；
?—流体密度，kg／m3； μ—流体粘度；Pa·s。
2
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式（1－9）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Re c表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成湍流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。
三、装置流程
该装置为有机玻璃材料制作的管路系统，通过泵使流体循环流动。管路内径为30mm，节流件变截面处管内径为15mm。单管压力计1和2可用于验证变截面连续性方程，单管压力计1和3可用于比较流体经节流件后的能头损失，单管压力计3和4可用于比较流体经弯头和流量计后的能头损失及位能变化情况，单管压力计4和5可用于验证直管段雷诺数与流体阻力系数关系 ，单管压力计6与5配合使用，用于测定单管压力计5处的中心点速度。
四、演示操作
1.先在下水槽中加满清水，保持管路排水阀、出口阀关闭状态，通过循环泵将水打入上水槽中，使整个管路中充满流体，并保持上水槽液位一定高度，可观察流体静止状态时各管段高度。
2.通过出口阀调节管内流量，注意保持上水槽液位高度稳定（即保证整个系统处于稳定流动状态），并尽可能使转子流量计读数在刻度线上。观察记录各单管压力计读数和流量值。
3.改变流量，观察各单管压力计读数随流量的变化情况。注意每改变一个流量，需给予系统一定的稳流时间，方可读取数据。
4.结束实验，关闭循环泵，全开出口阀排尽系统内流体，之后打开排水阀排空管内沉积段流体。
3
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注意：（1）若不是长期使用该装置，对下水槽内液体也应作排空处理，防止沉积尘土，否则可能堵塞测速管。
（2）每次实验开始前，也需先清洗整个管路系统，即先使管内流体流动数分钟，检查阀门、管段有无堵塞或漏水情况。
五、数据分析
1. h1和h2的分析
由转子流量计流量读数及管截面积，可求得流体在1处的平均流速u1（该平均流速适用于系统内其他等管径
22pupu处）。若忽略h1和h2间的沿程阻力，适用柏努利方程即式（1－7），且由于1、2处等高，则有： 1?1?2?2
?g2g?g2g（1－10）
其中，两者静压头差即为单管压力计1和2读数差（mH2O），由此可求得流体在2处的平均流速u2。令u2代入式（1－5），验证连续性方程。 2. h1和h3的分析
流体在1和3处，经节流件后，虽然恢复到了等管径，但是单管压力计1和3的读数差说明了能头的损失（即经过节流件的阻力损失）。且流量越大，读数差越明显。 3. h3和h4的分析
流体经3到4处，受弯头和转子流量计及位能的影响，单管压力计3和4的读数差明显，且随流量的增大，读数差也变大，可定性观察流体局部阻力导致的能头损失。 4. h4和h5的分析
直管段
4和5之间，单管压力计4和5的读数差说明了直管阻力的存在（小流量时，该读数差不明显，具体
考察直管阻力系数的测定可使用流体阻力装置），根据
Lu2 hf?? （1－11）
d2g可推算得阻力系数，然后根据雷诺准数，作出两者关系曲线。 5. h5和h6的分析
单管压力计5和6之差指示的是5处管路的中心点速度，即最大速度uc，有
u ?h?c （1－12）
2g考察在不同雷诺准数下，与管路平均速度u的关系。
2 4
化工原理实验―指导书
空气－蒸汽对流给热系数测定
一、实验目的
1、 了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。
2、 掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。
3、 学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
二、基本原理
在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式
换热。如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。
达到传热稳定时，有
? T TW tW t 图4－1间壁式传热过程示意图 Q?m1cp1?T1?T2??m2cp2?t2?t1???1A1?T?TW?M??2A2?tW?t?m （4－1） ?KA?tm式中：Q － 传热量，J / s；
m1 － 热流体的质量流率，kg / s； cp1 － 热流体的比热，J / (kg ?℃)； T1 － 热流体的进口温度，℃；
5
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T2 － 热流体的出口温度，℃； m2 － 冷流体的质量流率，kg / s； cp2 － 冷流体的比热，J / (kg ?℃)； t1 － 冷流体的进口温度，℃； t2 － 冷流体的出口温度，℃；
?1 － 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ?℃)；A1 － 热流体侧的对流传热面积，m2；
?T?TW?m－ 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃；
?2 － 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ?℃)；A2 － 冷流体侧的对流传热面积，m2；
?tW?t?m － 固体壁面与冷流体的对数平均温差，℃；
K － 以传热面积A为基准的总给热系数，W / (m2 ?℃)；?tm－ 冷热流体的对数平均温差，℃；
热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算，?T?T??T2?TW2?W?m??T1?TW1? lnT1?TW1T2?TW2式中：TW1 － 热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；
TW2 － 热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。 固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算，?t?tW2?t2?W?t?m??tW1?t1?? lntW1?t1tW2?t2式中：tW1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；
tW2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。
6
4－2）4－3）
（
（
化工原理实验―指导书
热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算，
?tm??T1?t2???T2?t1? （4－4）
lnT1?t2T2?t1当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，
m2cp2?t2?t1?A2?tW?t?M?2? （4－5）
实验中测定紫铜管的壁温tw1、tw2；冷空气或水的进出口温度t1、t2；实验用紫铜管的长度l、内径d2，A2??d2l；和冷流体的质量流量，即可计算?2。
然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。
由式（4－1）得，
K?m2cp2?t2?t1?A?tm （4－6）
实验测定m2、t1、t2、T1、T2、并查取t平均?总给热系数K。
下面通过两种方法来求对流给热系数。 1． 近似法求算对流给热系数?2
1?t1?t2?下冷流体对应的cp2、换热面积A，即可由上式计算得2以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，
bddd11??RS2?2?RS12?2 （4－7） K?2?dmd1?1d1式中:d1 － 换热管外径，m；d2 － 换热管内径，m；dm － 换热管的对数平均直径，m；b － 换热管的壁厚，m；
? － 换热管材料的导热系数，W / (m ? ℃)；RS1－ 换热管外侧的污垢热阻，m?KW；
2RS2－ 换热管内侧的污垢热阻，m2?KW。
7
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用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百Wm2.K；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数?1可达~104Wm2.K左右，因此冷凝传热热阻
d2可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热?1d1管外侧的污垢热阻RS1d2也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8Wm?K，壁厚为2.5mm，d1bd2可忽略。若换热管内侧的污垢热阻RS2也忽略不计，则由式（4－7）得， ?dm因此换热管壁的导热热阻
?2?K （4－8）
由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。
2． 传热准数式求算对流给热系数?2
对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，若符合如下范围内：Re=1.0×104～1.2×105,Pr＝0.7～120，管长与管内径之比l/d≥60,则传热准数经验式为，
Nu?0.023Re0.8Prn （4－9）
式中：Nu－努塞尔数，Nu?du??d，无因次；Re－雷诺数，Re?，无因次；
??Pr－普兰特数，Pr?cp??，无因次；当流体被加热时n＝0.4，流体被冷却时n＝0.3；
? － 流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ?℃)；d － 换热管内径，m；
? － 流体的导热系数，W / (m ? ℃)；u － 流体在管内流动的平均速度，m / s； ? － 流体的密度，kg / m3；? － 流体的粘度，Pa ? s；cp － 流体的比热，J / (kg ?℃)。 对于水或空气在管内强制对流被加热时，可将式（4－9）改写为，
0.80.81????????20.023?4?1??2?11.8???d2?? （4－10） 0.4???2Pr2?m2? 8
化工原理实验―指导书
1??????令， m?0.023?4?0.81.8?d2 （4－11）
??2?1?? X??? （4－12） m?2Pr20.4??2?0.8 Y?1 （4－13） Kbd2dd?RS12?2 （4－14） ?dmd1?1d1 C?RS2?则式（4－7）可写为，Y?mX?C （4－15）
当测定管内不同流量下的对流给热系数时，由式（4－14）计算所得的C值为一常数。管内径d2一定时，m也为常数。因此，实验时测定不同流量所对应的t1、t2、T1、T2，由式（4－4）、（4－6）、（4－12）、（4－13）求取一系列X、Y值，再在X～Y图上作图或将所得的X、Y值回归成一直线，该直线的斜率即为m。任一冷流体流量下的给热系数?2可用下式求得， ?2??2Pr20.4m?m2?????2??? （4－16） ?0.83． 冷流体质量流量的测定
（1）若用转子流量计测定冷空气的流量，还须用下式换算得到实际的流量，
???f????V??V （4－17） ????f???式中： V ' — 实际被测流体的体积流量，m3 / s；
ρ' — 实际被测流体的密度，kg / m3；均可取t平均?物性与温度的关系式；
1?t1?t2?下对应水或空气的密度，见冷流体2V — 标定用流体的体积流量，m3/s；
ρ — 标定用流体的密度，kg / m3；对水ρ＝1000 kg / m3；对空气ρ＝1.205 kg / m3； ρf — 转子材料密度，单位kg / m3。
于是 m2?V??? (4－18)
（2）若用孔板流量计测冷流体的流量，则，m2??V (4－19)
9
化工原理实验―指导书
式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。
4． 冷流体物性与温度的关系式
在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。 （1）空气的密度与温度的关系式：??10?5t2?4.5?10?3t?1.2916
（2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下Cp＝1005 J / (kg ?℃), 70℃以上Cp＝1009 J / (kg ?℃)。 （3）空气的导热系数与温度的关系式： ???2?10t?8?10t?0.0244 （4）空气的黏度与温度的关系式：??(?2?10?6t2?5?10?3t?1.7169）?10?5
?82?5三、实验装置与流程
1．实验装置
实验装置如图4-1所示
1－旋涡式气泵；2－排气阀；3－孔板流量计；4－冷流体进气阀；5－冷流体进口温度； 6－冷流体出口温度； 7－冷流体进口侧蒸汽温度； 8－冷流体出口侧蒸汽温度； 9－冷凝水出口阀； 10－压力表；11－蒸汽进口阀； 12－冷凝水排水口；13－紫铜管；
10
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14－蒸汽进口；15－冷流体出口；16－换热器；17－电气控制箱
图4-1 空气-水蒸气换热流程图
来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。
2．设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm （2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm （4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示 （5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表
四、实验步骤与注意事项
（一）实验步骤（自动） 1、给水、加热均自动
2、打开风机自动，调流量30%，检查阀门，左红（阀门）全开，左蓝（阀门）旋两下，右蓝（阀门）关闭状态，下阀（阀门）关闭，上面的惰性气体开少许，下红开少许，下面两蓝一直打开。 3、慢慢通蒸汽，下阀排几下为蒸汽即可，慢慢开右蓝少许，保证0.01Mpa，当蒸汽量 大时将左蓝关小些，气压稳定后开始采集数据。 4、改变流量待气压稳定于0.01 Mpa，再采集数据。
5、实验结束时，先关蒸汽，再关电源。使冷流体流量调到100%，等待冷却到50℃即可，关电源（左边水箱），关水。
6、冷却后关风机，关仪表，关电源。
7、等水箱的压力降为零时，打开排水。慢慢打开排水阀，若水无法排出，则打开蒸汽阀和左边第3个阀（蓝色的阀门）下面的球阀，都应慢慢打开，让其与大气相通关闭左3阀。
若为手动：进水时打开与蒸汽阀相连的阀门，开始加热时关闭此阀门，排水时缓慢打开阀门。 （二）注意事项
1、 先打开排冷凝水的阀1，注意只开一定的开度，开的太大会使换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会使换热
不锈钢管里的蒸汽压力增大而使不锈钢管炸裂。
2、 一定要在套管换热器内管输以一定量的空气后，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。
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化工原理实验―指导书
3、 刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀的开度，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，以防止不锈钢管因突然受热、受压而爆裂。
4、 操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成不锈钢管爆裂和填料损坏。 5、 确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意蒸汽量的调节和压力表读数的调整。
五、实验数据处理
1． 打开数据处理软件，在教师界面左上“设置”的下拉菜单中输入装置参数管长、管内径以及转子流量计
的转子密度。（在本套装置中，管长为1m，管内径为16mm，转子流量计的转子密度为ρf ＝。 7.9?103kg/m3）
2． 数字型装置可以实现数据直接倒入实验数据软件，可以表格形式得到本实验所要的最终处理结果，点“显
示曲线”，则可得到实验结果的曲线对比图和拟合公式。
3. 数据输入错误，或明显不符合实验情况，程序会有警告对话框跳出。每次修改数据后，都应点击“保存
数据”，再按2步中次序，点击“显示结果”和“显示曲线”。
4. 记录软件处理结果，并可作为手算处理的对照。结束，点“退出程序”。
六、实验报告
1、冷流体给热系数的实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。
2、冷流体给热系数的准数式：Nu/Pr0.4?ARem，由实验数据作图拟合曲线方程，确定式中常数A及m。 3、以lnNu/Pr?0.4?为纵坐标，ln?Re?为横坐标，将两种方法处理实验数据的结果标绘在图上，并与教材中的经
验式Nu/Pr0.4?0.023Re0.8比较。
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、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算。
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？如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？
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化工原理实验―指导书
流体流型演示实验
一、实验目的
1、观察流体在管内流动的两种不同流型。 2、测定临界雷诺数Re c 。
二、基本原理
流体流动有两种不同型态，即层流（或称滞流，Laminar flow）和湍流（或称紊流，Turbulent flow），这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。
流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个由各影响变量组合而成的无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：Re?du?? （11－1）
式中：Re —雷诺准数，无因次； d —管子内径，m； u —流体在管内的平均流速，m／s；
?—流体密度，kg／m3； μ—流体粘度；Pa·s。
层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Re c表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成湍流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。
式（11－1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。本实验即是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体的流动型态。
三、实验装置及流程
实验装置如图11－1所示。主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽等部分组成，演示主管路为?20?2mm硬质玻璃。
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化工原理实验―指导书
1 2 6 3 4 7 8 9 5 图11－1 流体流型演示实验
1－红墨水储槽； 2－溢流稳压槽； 3－实验管； 4－转子流量计； 5－循环泵； 6－上水管； 7－溢流回水管； 8－调节阀； 9－储水槽
实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。
示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。细孔玻璃注射管(或注射针头)位于试验导管人口的轴线部位。
注意：实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动。
四、演示操作
（1）层流流动型态
试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后．记录主体流体的流量。此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。
（2）湍流流动型态
缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。
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化工原理实验―指导书
离心泵特性曲线测定
一、实验目的
1.了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用； 2. 掌握离心泵特性曲线测定方法； 3.了解电动调节阀的工作原理和使用方法。
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η与泵的流量Q之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。
1．扬程H的测定与计算
取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能衡算方程：
pupuz1?1?1?H?z2?2?2??hf （1－1）
?g2g?g2g由于两截面间的管长较短，通常可忽略阻力项?hf，速度平方差也很小故可忽略，则有 H?(z2?z1)?22p2?p1 ?g ?H0?H1(表值） ?H2 （1－2）
式中： H0?z2?z1，表示泵出口和进口间的位差，m；和
ρ——流体密度，kg/m3 ；g——重力加速度 m/s2；p1、p2——分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa； H1、H2——分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m；u1、u2——分别为泵进、出口的流速，
m/s；
z1、z2——分别为真空表、压力表的安装高度，m。
由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度差，就可计算出泵的扬程。 2．轴功率N的测量与计算:N?N电?k（W） （1－3） 其中，N电为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取k＝0.95。
3．效率η的计算
泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体经过泵时所获得的实际
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化工原理实验―指导书
功，轴功率N是单位时间内泵轴从电机得到的功，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?HQ?g （1－4）
故泵效率为 ??4．转速改变时的换算
泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量Q的变化，多个实验点的转速n将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速n?下（可取离心泵的额定转速2900rpm）的数据。换算关系如下：
HQ?g?100% （1－5) N流量 Q'?Qn? （1－6） nn?2) （1－7） n扬程 H??H(n?3?N?N() （1－8） 轴功率
n效率 ???Q'H??gQH?g??? （1－9） ?NN三、实验装置与流程
离心泵特性曲线测定装置流程图如下：
7654321181910
1－水箱；2－泵进口管；3－进口压力表；4－离心泵；5－出口压力表；6－涡沦流量计；
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化工原理实验―指导书
7－电器控制箱；8－闸阀；9－水箱放空阀；10保塔接头；11—温度计；
图1 实验装置流程示意图
四、实验步骤及注意事项
（一）实验步骤：
1.清洗水箱，并加装实验用水。给离心泵灌水，排出泵内气体。
2.检查电源和信号线是否与控制柜连接正确，检查各阀门开度和仪表自检情况，试开状态下检查电机和离心
泵是否正常运转。
3.实验开始时，先开仪表，再开泵，逐渐打开调节阀以增大流量，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。
（离心泵特性实验部分，主要获取实验参数为：流量Q、泵进口压力p1、泵出口压力p2、电机功率N电、泵转速n，及流体温度t和两测压点间高度差H0。）
4.测取10组左右数据后，可以停泵，同时记录下设备的相关数据（如离心泵型号，额定流量、扬程和功率
等）。实验结束时，先别流量阀门调到0，在关泵，再关仪表，关电源。
（二）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。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。
五、数据处理
（1）记录实验原始数据如下表1：
实验日期： 实验人员： 学号： 装置号：
离心泵型号＝ ，额定流量＝ ，额定扬程＝ ，额定功率＝ 泵进出口测压点高度差H0= 10cm ，流体温度t＝ 实验次数
流量Q m3/h 泵进口压力p1 泵出口压力p2 电机功率N电 泵转速n kPa kPa 17
kW r/m 化工原理实验―指导书
（2）根据原理部分的公式，按比例定律校合转速后，计算各流量下的泵扬程、轴功率和效率，如表2：
实验次数
流量Q m3/h 扬程H m 轴功率N kW 泵效率η % 六、实验报告
1．分别绘制一定转速下的H～Q、N～Q、η～Q曲线 2．分析实验结果，判断泵最为适宜的工作范围。
七、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？是否还有其他方法调节流量？ 4. 泵启动后，出口阀如果不开，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1200Kg/ｍ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？
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化工原理实验―指导书
流量计的校核
一、 实验目的
1、 熟悉孔板流量计、文丘里流量计的构造、性能及安装方法。 2、 掌握流量计的标定方法之一——容量法。
3、 测定孔板流量计、文丘里流量计的孔流系数与雷诺准数的关系。
二、基本原理
对非标准化的各种流量仪表在出厂前都必须进行流量标定，建立流量刻度标尺（如转子流量计）、给出孔流系数（如涡轮流量计）、给出校正曲线（如孔板流量计）。使用者在使用时，如工作介质、温度、压强等操作条件与原来标定时的条件不同，就需要根据现场情况，对流量计进行标定。
孔板、文丘里流量计的收缩口面积都是固定的，而流体通过收缩口的压力降则随流量大小而变，据此来测量流量，因此，称其为变压头流量计。而另一类流量计中，当流体通过时，压力降不变，但收缩口面积却随流量而改变，故称这类流量计为变截面流量计，此类的典型代表是转子流量计。
2.1孔板流量计的校核
孔板流量计是应用最广泛的节流式流量计之一，本实采用自制的孔板流量计测定液体流量，用容量法进行标同时测定孔流系数与雷诺准数的关系。
孔板流量计是根据流体的动能和势能相互转化原理而计的，流体通过锐孔时流速增加，造成孔板前后产生压强可以通过引压管在压差计或差压变送器上显示。其基本构如图1所示。
若管路直径为d1，孔板锐孔直径为d0，流体流经孔板前后形成的缩脉直径为d2，流体的密度为ρ，则根据柏努利方在界面1、2处有：
图1 孔板流量计
2u2?u12p1?p2?p （3-1） ??2??验定，
设差，造
所程，
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化工原理实验―指导书
或
2u2?u12?2?p/? （3-2）
由于缩脉处位置随流速而变化，截面积A2又难以指导，而孔板孔径的面积A0是已知的，因此，用孔板孔径处流速u0来替代上式中的u2，又考虑这种替代带来的误差以及实际流体局部阻力造成的能量损失，故需用系数C加以校正。式（3－2）改写为
2u2?u12?C2?p/?
（3-3）
对于不可压缩流体，根据连续性方程可知u1?A0u0，代入式（3-3）并整理可得 A1u0?C2?p/?1?(A0)2A1 （3-4）
令 C0?C （3-5） A1?(0)2A1则式（3-4）简化为 u0?C02?p/? （3-6） 根据u0和A0即可计算出流体的体积流量：
V?u0A0?C0A02?p/? （3-7）
或 V?u0A0?C0A02gR(?i??)/? （3-8） 式中：V－流体的体积流量， m3/s； R－U形压差计的读数，m；
?i－压差计中指示液密度，kg/m3；
C0－孔流系数，无因次；
C0由孔板锐口的形状、测压口位置、孔径与管径之比和雷诺数Re所决定，具体数值由实验测定。当孔径与
管径之比为一定值时，Re超过某个数值后，C0接近于常数。一般工业上定型的流量计，就是规定在C0为定值的流动条件下使用。C0值范围一般为0.6-0.7。
孔板流量计安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，上游长度至少应为10d1，下游为5d2。孔板流量计构造简单，制造和安装都很方便，其主要缺点是机械能损失大。由于机械能损失，使下游速度复原后，压
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化工原理实验―指导书
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。
表1
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化工原理实验―指导书
管内径（mm） 名称 装置1 局部阻力 光滑管 粗糙管 材质 管路号 闸阀 不锈钢管 镀锌铁管 管内径 测量段长度（cm） 95 100 100 1A 1B 1C 20.0 20.0 21.0 四、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。 排气泡的方法：
设定仪表上流量值到最大（100时，流速为100%），也可以在电脑上设定，点开流量框，出现setpoint框，输出值设为100，点改变输出值即可，打开压力变送器的阀门，排完气泡关上，关闭出口阀（最左边的阀门），排完打开出口阀，并开到最大。
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。 流量值设定的方法：
流量值在setpoint框输出值设为100、80、70、….10来调节流量。
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。
五、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： 温度： 装置号： 直管基本参数： 光滑管径 粗糙管径 局部阻力管径
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化工原理实验―指导书
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） 六、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。
七、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?
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