化工基础实验指导书

《化工基础实验指导书》 实验一
一、实验目的
1．通过实验静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和伯努利方 程。 2．通过实测流速的变化与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。 （测定文氏管的 孔流系数 Cv） 3．观察流体流经收缩、扩大管段时，各截面上静压之关系。
伯努利方程实验
二、实验原理
流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以相互转化。在没有 摩擦损失且不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过的各截面上的机械能总和是相等 的；在有摩擦没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。 机械能可用测压管中液柱的高度来表示。 取任意两测试点，列出能量衡算式：
2 u12 P1 u2 P Z1 g ? ? ? Z2 g ? ? 2 ? ?hf 2 ? 2 ?
（1-1）
式中，Z1，Z2——两测试点距基准面的高度； u1，u2——两点的流速；
?h
f
——两点的阻力损失。
对于水平测试管，Z1=Z2，则
2 u12 P1 u 2 P ? ? ? 2 ? ?hf 2 ? 2 ?
（1-2）
（1） 有阻力损失情况下，若 u1=u2，则 P2?h
f
=0，若 u1 ? u2，则 P1

pa-po——截面 a 与截面 o 间的压强差，单位为 Pa，其值大小由压差计读数 R 来确定； 三、实验装置
装置如图：一个液面高度保持不变的水箱，与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验 管上取有不同的测试点。水的流量由入口阀和出口阀门调节，出口阀关闭时流体静止。
转子流量计 E 出口阀 D C B A
泵开关
入口阀
低位槽
图 1-1 伯努利方程实验装置图
四、实验步骤
1．向水箱注入清洁的水至 2/3 左右。 2．检查出口阀和入口阀是否关闭。 （正确为关闭） 3．接通电源，按电源开关启动水泵后，立即打开入口阀到 120L/h，让水充满测试管并 排尽管内的空气（包括测压管内） 。 （为什么？） 4．缓慢打开出口阀，使各点的测压液柱控制在标尺范围内（约 2/3 的高度） ，稳定后， 记录各测压管的读数。 5．逐步调节入口阀和出口阀，改变管道内的流量，仔细观察不同导管截面处产生的不 同静压强变化规律，测取若干点流量下，动能与压能的变化规律并加以计算。 6．实验结束，关入口阀后，马上关电源按钮。清理现场，填写实验记录。
五、实验数据处理
1. 实验记录 序号 1 2 流量（L/h） 160 120 hA（cm） hB（cm） hC（cm） hD（cm） hE（cm）

3 4 5
80 40 20
2. 数据处理 序号 1 2 3 4 5 流量 （m3/s）
?h
f AB
?h
f AC
?h
fDE
?h
f CE
Re
Cv
将 Cv ~Re 关系标绘在半对数坐标纸上。
*根据 Re ?
du?
?
，求得雷诺数，其中 d 取对应的 d0 值。
*六、实验注意事项
1．严禁泵在无液体状态下运转。 2．必须将管中存在的气体排净。
七、思考题
1．如果 C 截面变得更小，那么 hC 会如何变化？ 2．孔流系数 Cv 与哪些因素有关？ 3.关闭入口阀，各测压管内液位是否相同，为什么？

实验二
一、实验目的
1．掌握列管换热器传热系数的测定。
传热系数的测定
2．通过实验确定流速对传热系数的影响。
二、实验原理
热流体在列管热交换器的管内流过，而冷流体在管外流过（逆流） ，通过固体壁面传递 热量。 穿热过程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。 热流体的热量： q ? C p qm (T1 ? T2 ) （J/S） 传热速率： q ? KA?Tm （J/S） 式中： ?Tm ?
?t1 ? ?t 2 ， ?t1 ? T1 ? t 2 ， ?t 2 ? T2 ? t1 ?t1 ln ?t 2
所以，传热系数 K ?
qm C p (T1 ? T2 ) A?Tm
（W/m2.K）
三、实验装置
图 6-1 传热系数实验装置简图
四、实验步骤
1.打开进水阀门，控制水流量在 200L/h。 2.启动气源气泵后，马上打开进气阀，控制空气流量在 25m /h。 3.接上电源，按绿钮开启加热电源，待控温仪上温度（120℃左右）稳定后（约 5~10 分钟） ，进行实验测定，记下各流量及温度读数。 4.测定传热系数 K 时，在维持水流量不变的情况下，改变空气流量，测定组数据。 5.实验结束，按红钮关闭加热电源，继续通空气和水（5 分钟） ，直至空气出口温度低
3

于 50℃，关闭水和空气调节阀后，马上关闭空气和电源。切断总电源，排尽管道中的 积水，作好清洁工作，填写使用记录。
五、实验数据处理
1.数据记录 热流体（空气） 序 号 空气流量 （m /h）
1 3
冷流体（水） 水流量 （L/h） 温度（℃）
温度（℃）
T
T2
t1
t2
1 2 3 4 5 注：内管为不锈钢，管径 ?10 ? 1m m，测试长度 l=1000mm，管数 20 根，管外测传热 总面积 0.62m2 2.数据处理 序 号 1 2 3 4 5
q（W）
?t m 逆
（℃）
K（W/m2 . ℃）
K 平均（W/m2 . ℃）
六、实验注意事项
1.控温仪上的表键严禁触摸！ 2.气源不可在 0 流量下工作，应用旁路阀来调节。 3.停止实验时，必须先停热电源，待管内热水被冷却后，再停止通冷水。 4.加热时以设定 120℃为宜，不得大于 130℃。 5.实验用的加热空气，温度达 100℃以上时要注意安全！
七、思考题：
1.本实验中你是如何判断系统达到稳定状态？

2.流体流量对 K 有影响，问空气与水的流量哪个对 K 影响较大，为什么？
实验三
一、实验目的
传热膜系数实验
1.通过实验掌握传热膜系数 ? 的测定方法，并分析影响 ? 的因素。 2.掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数 C 和指数 m、n 的方法。 3.通过实验提高对 ? 关联式的理解。 4.了解影响给热系数的因素和强化传热系数的途径。 5．验证并流、逆流换热器的特点。
二、实验原理
1.对流系数的核心问题是求算传热膜系数 ? ，当流体无相变化时对流传热准数关联式 一 般 形 式 为 Nu ? C Re Pr Gr 。 对 于 强 制 湍 流 ， Gr 准 数 可 以 忽 略 ， 则
m n p
Nu ? C Re m Prn 。本实验中，可用图解法和最小二乘法两种方法计算准数关联式中的
指数 m、n 和系数 C。 用图解法对多变量方程进行关联时， 要对不同变量 Re 和 Pr 分别回归。 为了便于掌 握这类方程的关联方法，可取 n=0.4（实验中流体被加热） 。这样就简化成单变量方程。 两边取对数，得到直线方程：
lg
Nu ? lg C ? m lg Re Pr 0.4
（7-1）
在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数 m。在直线上任取一点的函数 值代入方程中得到 C，即
C?
Nu Pr Re m
0 .4
（7-2）
用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性，而用最小二乘法回归，可 以得到最佳关联结果。应用计算机对多变量方程进行一次回归。就能同时得到 C、m、 n。 可以看出对方程的关联，首先要有 Nu、Re、Pr 的数据组。雷诺数 Re ?
du?
?
，努
塞尔准数 Nu ?
Cp? ?1d ，普兰特准数 Pr ? ? ?
式中：d——换热器内管内径（m） ； ； ?1 ——空气传热膜系数（W/m2 ? ℃）

? ——空气密度（kg/ m3） ；
? ——空气的导热系数（W/m2 ? ℃） ；
。 C p ——空气定压比热（J/kg ? ℃） 实验中改变空气的流量以改变准数 Re 之值。根据定性温度计算对应的 Pr 准数值， 同时由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数 ? 值，进而算得 Nu 准数值。 2．牛顿冷却定律
? q ? ?1 A内?t m
? ? 式中， ?t m
（7-3）
? ? ?t 2 ? ?t 1 ? ? T1 ? TW 2 ， ?t 2 ? ? T2 ? TW 1 （逆流） ， ?t1 ，A 内为内管内表 ? ?t1 ln ? ?t 2
面积。 3．总传热速率方程式
q ? KAm?t m
式中， ?t m 为管内外流体的平均温差（℃） ， ?t m ?
（7-4）
?t 1 ? ?t 2 ， ?t1 ln ?t 2
?t1 ? T1 ? t 2 ， ?t 2 ? T2 ? t1 （逆流）
传热量 q 可由下式求得：
q ? qwCP (T1 ? T2 ) / 3600? qv ?CP (T1 ? T2 ) / 3600
式中， q w ——空气质量流量（kg/h） ； ； qv ——空气体积流量（m3/h） T1，T2——空气的进出口温度（℃） 。 实验条件下的的空气流量 qv 须按下式计算：
（7-5）
qv ? qvt1 ?
273? t 273? t1
（7-6）
式中， qvt1 ——空气入口温度下的体积流量（m3/h） ；
t ——水进出口平均温度（℃） 。
因为空气传热膜系数 ?1 远小于水的传热膜系数 ? 2 ， 所以传热管内的对流传热系

数 ? 近似于冷热流体间的总传热系数 K。 强化传热被学术界称为第二代传热技术， 它能减小初设计的传热面积， 以减小换 热器的体积和重量，提高现有换热器的换热能力，使换热器能在较低温差西啊工作， 并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗， 能有效的利用能源和资金。 强 化传热时， Nuo ? BRem ，其中 B，m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。同样可用线性 回归方法确定 B 和 m 的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响） ，可 以用强化比的概念作为评判准则，即强化管的努塞尔特准数 Nuo 与普通管的努塞尔 特准数 Nu 的比。显然，强化比 Nuo /Nu>1，而且它的值越大，强化效果越好。
三、实验装置
本实验采用套管式换热器，空气走管程，水走壳程。装置简图如下：
图 7-1 传热膜系数实验装置简图 表 3-1 传热管参数表 换热器内管内径 d1（mm） 换热器内管内径 d0（mm） 换热器内管内径 D1（mm） 换热器内管内径 D0（mm） 测量段长度 l（m） 内管 雷诺准数 套管 加热系统 功率 15 18 22 25 2.00
3 ? 105 ~ 3 ? 106 0.9 ? 104 ~ 0.9 ? 105
3KW
四、实验步骤

1.先打开进水阀门，控制流量计读数在 200L/h。 2.接上气泵电源，启动气泵后，马上打开空气出口阀，维持流量计读数在 15 m3/h。 3.接上电源，按绿纽开启加热电源，对空气加热 10 分钟后（T1 为 180℃左右） ，开始 实验，记录冷、热流体流量和进出口温度，管道壁温。 4.调节空气流量，稳定后（约 10 分钟） ，测另一种数据。 5.实验结束后，先按红纽关加热电源，继续通水、气 10 分钟后，直到空气出口温度 低于 50℃以下，关闭水和空气调节阀后，马上关闭空气泵的电源。切断总电源，排 尽管道中的积水，做好清洁工作，填写实验记录。
五、实验处理
1.数据记录 热流体 序 号 1 2 3 4 5 2.数据处理 序 号 1 2 3 4 5 作 logNu/Pr0.4~logRe 曲线，求 C 和 n。 q（W） 流量（m3/h） 温度（℃） T1 T2 冷流体 流量（m3/h） 温度（℃） t1 t2 壁温 温度（℃） TW1 TW2
? （℃） ? h （W/m2 ? K） ?t m（℃） K（W/m2 ? K） ?t m
Nu
Pr0.4
Re
六、实验注意事项
1.实验装置仪柜上的拉门不得随便打开，以防触电。 2.控温仪上的表键严禁触摸！ 3.气源不可在 0 流量下工作，应用旁路阀来调节为宜，也必须保证空气管线的畅通， 即在接通风机电源之前， 两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。 在转换支 路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。

4.停止实验时，必须先停加热电器，待管内热水冷却后，再停止水泵并停止通冷水。 5.加热时以设定 180℃为宜，不得大于 190℃。 6.实验用的加热空气，温度达 100℃以上时要注意安全！
七、思考题
1.给热系数 ? 受流体流量的影响有多大，空气或水的流量哪个影响较大，为什么？ 2.为什么数据要整理成 Nu-Re 的关系，而不是 Nu-U 的关系？ 3.本实验中测定的壁面温度接近于哪一侧的温度，为什么？ 4．本实验中如果冷水与蒸汽的走向发生改变，将对传热效果产生何影响？