1、1实验一 筛板塔精馏实验一、实验目的了解筛板式精馏塔的结构，掌握其操作方法，观察气液两相接触状况的变化。 测定在全回流时精馏塔总板效率，分析气液接触状况对总板效率的影响。 二、实验装置1234561 07891 1控 制 面 板1原料液罐 2进料泵 3塔身 4塔釜加热器 5高位槽 6转子流量计7冷凝器 8回流比分配器 9塔顶储液罐 10冷却器 11塔釜储液罐精馏装置流程示意图三、实验原理将双组分溶液加热，使其部分气化，则气相中的易挥发组分的浓度高于原物系的浓度。对于沸点相近的双组分溶液，可以将液相再次部分气化，气相部分液化。在板式塔内进行多级的上述过程，易挥发组分在气相中不断提浓，并在塔顶馏出
2、；难挥发组分在液相中不断提浓，并在塔底采出，从而使两组分得到纯化。精馏的必要条件是建立气-液两相的逆流接触（上升蒸气和回流液） 。总板效率 ET的测定：达到一定分离要求所理论板数和实际板数之比称为塔的总板效率 E T。即：TPNE1. 全回流操作时理论板数可通过逐板计算或利用汽液平衡数据通过图解法求出。 （1）逐板计算法求理论板数 根据芬斯克方程式 2（不包括再沸器） min1lgWDmxN式中：m塔内平均相对挥发度，可取塔顶与塔釜间的几何平均值。 m顶 釜（2）图解法求理论板数利用相平衡数据作出平衡线，根据测出的 xD、x W，在对角线和平衡线间交替作梯级，即可求出全回流时的理论板数。2.
3、部分回流操作时可通过图解法求出理论板数（参考化工原理教材）四、实验方法(一) 实验前准备、检查工作1. 将与阿贝折光仪配套的恒温水浴调整运行到所需的温度,并记下这个温度(例如 30)。检查擦镜头纸是否准备好。2. 检查实验装置上的各个旋塞、阀门，均应处于关闭状态。 3. 配制一定浓度(质量浓度 20左右)的乙醇-正丙醇混合液(总容量 6000 毫升左右),然后倒入原料液罐。 4. 通过进料泵向精馏釜内加料到指定的高度 (冷液面在塔釜总高 23 处)后停止进料。(二) 实验操作 1. 全回流操作 打开塔顶冷凝器的冷却水，冷却水量要足够大(约 8Lmin)。 记下室温值。接上电源闸（220V） ，
4、按下装置上总电源开关。 调解电位器使加热电压为 100V 左右，待塔板上建立液层时，可适当加大电压(如 120V)，使塔内维持正常操作。 等各块塔板上鼓泡均匀后，保持加热釜电压不变， 在全回流情况下稳定 20min 左右，期间仔细观察全塔传质情况，待操作稳定后分别在塔顶、塔釜取样口同时取样，用阿贝折射仪分析样品浓度。2. 部分回流操作 打开塔釜冷却水。冷却水流量以保证釜馏液温度接近常温为准。 调节进料转子流量计阀， 以 1.52.0 (Lh)的流量向塔内加料；用回流比控制调节器调节回流比 R4 ；馏出液收集在塔顶储液罐中。 塔釜产品经冷却后由溢流管流出，收集在容器内。 等操作稳定后，观察板上传
5、质状况，记下加热电压、塔顶温度等有关数据，整个操作中维持进料流量计读数不变， 从塔顶、塔釜和进料口三处分别采样，用阿贝折光仪分析并记录。 3实验结束3 检查数据合理后，停止加料，关闭加热开关；关闭回流比调节器开关。 根据物系的 t-x-y 关系，确定部分回流下进料的泡点温度。 停止加热后 20 分钟，关闭冷却水，一切复原。实验注意事项1. 实验所用物系是易燃物品，实验过程中要特别注意安全，以免发生危险。2. 本实验设备加热功率由电位器来调解，在加热时应注意加热千万别过快，以免发生爆沸(过冷沸腾)，使釜液从塔顶冲出，若遇此现象应立即断电，重新加料到指定冷液面，再缓慢升电压，重新操作。升温和正常操
6、作中釜的电功率不能过大。3. 开车时先开冷却水，再向塔釜供热；停车时则反之。4. 测浓度用阿贝折光仪，读取折光指数，一定要同时记其测量温度，并按给定的折光指数-质量百分浓度-测量温度关系(见附表)测定有关数据。5. 为便于对全回流和部分回流的实验结果(塔顶产品和质量)进行比较，应尽量使两组实验的加热电压及所用料液浓度相同或相近。连续开出实验时，在做实验前应将前一次实验时留存在塔釜和塔顶、塔底产品接受器内的料液均倒回原料液罐中。 五、实验结果整理1 实验数据记录及整理状态塔顶温度进料温度塔釜温度回流比进料液流量 L/h馏出液浓度进料液浓度釜液浓度2 实验结果的分析与讨论(1) 按全回流和部分回流
7、分别用图解法求理论塔板数；(2) 计算全塔效率；4附 表 1 乙醇正丙醇 t-x-y 关系( 均以乙醇摩尔分率表示,x-液相; y-气相 )t 97.60 93.85 92.66 91.60 88.32 86.25 84.98 84.13 83.06 80.50 78.38 x 0 0.126 .188 0.210 0.358 0.461 0.546 0.600 0.663 0.884 1.0y 0 0.240 0.318 0.349 0.550 0.650 0.711 0.760 0.799 0.914 1.0乙醇沸点: 78.3; 正丙醇沸点:97.2.表 2 温度折光指数液相组成之间的关
8、系0 0.05052 0.09985 0.1974 0.2950 0.3977 0.4970 0.599025 1.3827 1.3815 1.3797 1.3770 1.3750 1.3730 1.3705 1.368030 1.3809 1.3796 1.3784 1.3759 1.3755 1.3712 1.3690 1.366835 1.3790 1.3775 1.3762 1.3740 1.3719 1.3692 1.3670 1.3650(续表 2) 0.6445 0.7101 0.7983 0.8442 0.9064 0.9509 1.00025 1.3667 1.3658 1.
9、3640 1.3628 1.3618 1.3606 1.358930 1.3657 1.3640 1.3620 1.3607 1.3593 1.3584 1.357435 1.3634 1.3620 1.3600 1.3590 1.3573 1.3653 1.3551对 30下质量分率与阿贝折光仪读数之间关系也可按下列回归式计算:58.84411642.61325 n D其中为乙醇的质量分率; n D为折光仪读数 (折光指数).由质量分率求摩尔分率(X ):乙醇分子量 46，正丙醇分子量 B60 ()1AABWMx5实验二 填料吸收塔传质系数测定一、实验目的了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；
10、掌握总体积吸收系数的测定方法，并分析气体空塔气速及喷淋密度对总体积吸收系数的影响。 二、实验原理1. 填料层流体力学性能的测定压强降是填料塔设计的重要参数，气体通过填料层的压强降直接决定了吸收塔的动力消耗。气体通过填料层的压强降 p/z和气液两相流量有关，将不同喷淋量下的单位厚度填料层中的压强降和空塔气速 u 的实测数据在双对数坐标纸上作图即得到不同喷淋量下的关系曲线。 2. 总体积吸收系数的测定（1）总体积吸收系数的计算公式：稳定操作条件下，低浓度吸收时： 12ymGHKa则： 12y（ ） 12lnm（2）空气流量： 标准状态下空气流量 Vo 可由下式求算 012TP式中：V 1空气转子流
11、量计示值 m3/h； To，P o标准状态下空气温度及压强； T1，P 1标定状态下空气温度及压强，T 1=293K，P 1=1.013105Pa。 （3）CO 2 气流量 标准状态下 CO2 气流量 Vo可用下式计算： 0121T式中：V 1CO2 气流量计示值，m 3/h； To，P o标准状态下的温度及压强； T1，P 1标定状态下的温度及压强，T 1=293K，P 1=1.013105Pa； T2，P 2操作条件下的温度及压强； o1标准状态下空气密度，Kg/m 3； o2标准状态下 CO2 气密度， Kg/m3。 6（4）平衡关系式 在本实验条件下，吸收液浓度小于 5%，气液平衡关系
12、服从亨利定律： eEymxP(5) 尾气浓度 y2 测定测定 y2 可用尾气分析器及湿式气体流量计来测定，其原理是在吸收瓶内中装入一定量已知浓度、一定体积的氢氧化钠作为吸收液并加入指示剂(香草酚酞)，当被分析的尾气样品通过吸收瓶后，尾气中的 CO2 被氢氧化钠吸收，其余部分(空气)由湿式气体流量计计量。由于所加入的氢氧化钠体积和浓度己知，所以被吸收的 CO2 量便可计算出来。湿式气体流量计量出空气量就可以反映出尾气的浓度，空气量愈大表示浓度愈低。 2WVy式中：V W标准状态下吸收瓶中被吸收的 CO2 的体积(mL) Vw标准状态下通过湿式流量计的空气体积(mL ) 而 VW可由吸收瓶中刚好被
13、完全中和的氢氧化钠量来确定 NaOH2.4CVW10PT式中：T 0，P 0标准状态下温度及压强 T1，P 1空气流经湿式气体流量计的温度及压强 V1湿式气体流量计所测得的空气体积 (mL) （6）吸收液浓度 x1 测定 取一定量的塔底吸收液迅速加到 10mL 饱和氢氧化钡溶液中，并加入指示剂(酚酞)，用已知浓度的稀盐酸作为中和液进行滴定。由反应终点所加入的盐酸量，便可计算出来被吸收的 CO2 量，从而可计算出吸收液中的 CO2 摩尔量，进而换算吸收液的摩尔浓度。 特别注意： 1) 测定吸收液浓度的方法简单，所用时间短，但测定误差较大，对中和反应终点的控制要求较高，如跨过中和点，计算出的尾气浓
14、度可能产生负值。因此一般要求测量时，滴定不得少于 3 次； 2) 取塔底吸收液要有一定的时间间隔，以保证塔底吸收液被充分置换。 测定出尾气浓度 y2 或吸收液浓度 x1 后，便可利用全塔物料衡算得到另一参数，即： 12VyxL（ ）7式中：V惰性气体摩尔流量 Kmol/h L水的摩尔流量 Kmol/h (7) ym 的确定 12lnmy(8) HOG 的确定 yOGHKa以上各项分别求出后即可求出 yKa三、实验装置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 5-液封管6-吸收液取样口 7-填料吸收塔 8-CO 2 瓶阀门 9- CO 2 转子流量计10- CO2 流量调
15、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- CO2 气瓶 18- CO 2 气温度20-吸收液温度 21-空气进入流量计处压力图 1 填料吸收塔实验流程示意图空气由鼓风机 1 送入空气转子流量计 3 计量，空气通过流量计处的温度由温度计 4 测量，空气流量由放空阀 2 调节，CO 2 气由 CO2 瓶送出，经过 CO2 瓶总阀 8 进入 CO2 气转子流量计 9 计量，CO 2 气通过转子流量计处温度由实验时大气温度代替。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,水由自来水管经水转子流量计
16、 11,水的流量由阀 12 调节,然后进入塔顶。分析塔顶尾气浓度时靠降低水准瓶 16 的位置,将塔顶尾气吸入吸收瓶 14 和量气管 15。在吸入塔顶尾气之前,预先在吸收瓶 14 内放入 5mL 已知浓度的 NaOH 作为吸收尾气中 CO2 之用。吸收液的取样可用塔底 6 取8样口进行。填料层压降用 U 形管压差计 13 测定。四、实验方法1. 测量干填料层(P H)u 关系曲线先全开调节阀 2，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 、空气转子流量计读数和流量计处空气温度（取 10 组数据左右） ，然后在对数坐标纸上以空塔气速 u 为横坐标，以单位
17、填料高度的压降PH 为纵坐标，标绘干填料层(PH)u 关系曲线。2. 测量某喷淋量下填料层( PH)u 关系曲线将水流量调节为 40Lh，调节空气流量，然后按上面的方法实验，读取填料层压降P、转子流量计读数和流量计处空气温度并注意观察塔内的操作现象，一旦看到液泛现象时记下对应的空气转子流量计读数。发生液泛后仍需缓慢增加气速，再测 2-3 组数据。在对数坐标纸上标出液体喷淋量为40Lh 下( PH)u关系曲线， 从(P H)u 关系曲线上确定液泛气速，并与观察的液泛气速相比较。3. 传质性能测定(1) 固定水流量为 40Lh，选择适宜的空气流量，根据空气流量和温度及压力，计算出进塔的CO2 气流
18、量，以使混合气体中 CO2 浓度在 0.02 摩尔比左右。(2) 调节好空气流量和水流量后，打开 CO2 气瓶总阀，用 CO2 自动减压阀调节 CO2 流量，使其达到需要值，在空气、CO 2 气和水流量不变的条件下操作一定时间，待过程基本稳定后，记录各流量计读数和温度，记录塔底排出液的温度，并分析塔顶尾气及塔底吸收液的浓度。(3) 尾气分析方法A 排出两个量气管内空气，使其中水面达到最上端的刻度线零点处，并关闭三通旋塞。B 用移液管向吸收瓶内装入 5mL 浓度约为 0.02M 的氢氧化钠并加入 12 滴香草酚酞指示液。C 将水准瓶移至下方的实验架上，缓慢地旋转三通旋塞，让塔顶尾气通过吸收瓶，旋
19、塞的开度不宜过大，以能使吸收瓶内液体以适宜的速度不断循环流动为限。从尾气开始通入吸收瓶起就必需始终观察瓶内液体的颜色,中和反应达到终点时立即关闭三通旋塞,在量气管内水面与水准瓶内水面齐平的条件下读取量气管内空气的体积。若某量气管内已充满空气，但吸收瓶内未达到终点，可关闭对应的三通旋塞，读取该量气管内的空气体积，同时启用另一个量气管，继续让尾气通过吸收瓶。 D 尾气浓度 y2 的计算方法 2CONaOH/2.4oVnyT空 气 量 气 管 量 气 管9(4) 塔底吸收液的分析方法A 当尾气分析吸收瓶达终点后即用三角瓶接取塔底吸收液样品，约 200mLB 用移液管取塔底吸收液 10mLC 用移液管
20、取饱和氢氧化钡溶液 10mLD 将 10mL 塔底液迅速加入到 10mL 氢氧化钡溶液中，并加 2 滴酚酞指示剂E 用 0.1M 的稀盐酸滴定混合液至终点 222Ba(OH)()COHCl1V= + V吸 收 液(5) 水喷淋量保持不变，加大或减小空气流量，相应地改变 CO2 流量，使混合气中的 CO2 浓度与第一次传质实验时相同,重复上述操作，测定有关数据。4. 实验完毕后，关闭旋涡气泵、进水阀门等仪器设备的电源，并将所有仪器复原。注意事项：1. 开启 CO2 瓶总阀前，要先关闭 CO2 自动减压阀和 CO2 流量调节阀。开启时开度不宜过大。2. 启动鼓风机前，务必先全开放空阀 2。 3.
21、两次传质实验所用的 CO2 气浓度必须一样。五、实验结果整理（一）实验数据记录及整理表 1 干填料时P/H u 关系测定(第 1 套 L=0 填料层高度 H=0.4m 塔径 D=0.075m)序号填料层压强降mmH2O对应空气流量压强降mmH2O单位高度填料层压强降mmH2O/m空气转子流量计读数 m3/h空气流量计处空气温度对应空气流量m3/h空塔气速m/s1234567891011121310表 2 湿填料时P/H u 关系测定(第 1 套 L=30 填料层高度 H=0.4m 塔径 D=0.075m)序号填料层压强降 mmH2O对应空气流量压强降mmH2O单位高度填料层压强降mmH2O/m
22、 空气转子流量计读数m3/h 空气流量计处空气温度 对应空气流量m3/h 空塔气速m/s操作现象1 流动正常2 流动正常3 流动正常4 流动正常5 流动正常6 流动正常7 流动正常8 流动正常9 流动正常10 流动正常11 液 泛12 液 泛13 液 泛11表 3 填料吸收塔传质实验数据表填料种类: 瓷拉西环 填料尺寸：10101.5 填料层高度 H=0.4m 塔径 D=0.075m实 验 项 目 1 2空气转子流量计读数 m3/h空气流量转子流量计处空气温度 CO2 转子流量计读数 m3hCO2 气流量转子流量计处 CO2 温度 水流量 水转子流量计读数 L/h测定用氢氧化钠浓度 molL测
23、定用氢氧化钠的体积 L量气管内空气的总体积 L塔顶 的测定2y量气管内空气的温度 滴定用盐酸的浓度 molL滴定用盐酸的体积 L塔底 的测定1x样品的体积 L塔底液相的温度 相平衡相平衡常数塔底气相浓度 kmol CO2kmol 空气 1y塔顶气相浓度 kmol CO2kmol 空气2塔底液相浓度 kmol CO2kmol 水1xkmol CO2kmol 空气1ey平均浓度差 kmol CO2kmol 空气my气相总传质单元数 OGN气相总传质单元高度 H空气的摩尔流量 G kmolh气相总体积吸收系数 kmol CO2(m 3 .h)yKa回收率 A12实验三 恒压过滤常数测定一、实验目的了
24、解过滤设备的构造和操作方法；通过板框过滤装置，测定不同压力下的过滤常数二、实验原理过滤是液体通过滤渣层（过滤介质与滤饼）的流动。无论是生产还是设计，过滤计算都要有过滤常数作依据。由于滤渣厚度随着时间而增加，所以恒压过滤速率随着时间而降低。不同物料形成的悬浮液，其过滤常数差别很大，即使是同一种物料，由于浓度不同，滤浆温度不同，其过滤常数也不尽相同，故要有可靠的实验数据作参考。根据恒压过滤方程: (1)2eqK将(1)式两侧同除以 ，得:(2)1e(2)式表明，在恒压过滤时， 与 之间具有线性关系，于普通坐标系上标绘 对 的关系，所得直q q线斜率为 ，截距为 ，从而求出 K，q e 1K2e三、
25、实验装置板框过滤装置主要由旋涡泵、搅拌器、过滤板、滤布、计量桶等部分组成，如图 1 所示。131调速器 2电动搅拌器 3、4、6、11、14阀门5、7压力表 8板框过滤机 9压紧装置 10滤浆槽 12 旋涡泵 13-计量桶图 1 恒压过滤实验流程示意图滤浆槽内配有一定浓度的轻质碳酸钙悬浮液（浓度在 2-4%左右） ，用电动搅拌器进行均匀搅拌(浆液不出现旋涡为好)。启动旋涡泵，调节阀门 3 使压力表 5 指示在规定值（0.050.2MPa） 。滤液在计量桶内计量。四、实验方法1.系统接上电源，打开搅拌器电源开关，启动电动搅拌器 2。将滤液槽 10 内浆液搅拌均匀。2.板框过滤机板、框排列顺序为：
26、固定头-非洗涤板-框-洗涤板-框-非洗涤板-可动头。用压紧装置压紧后待用。3.使阀门 3 处于全开、阀门 4、6、11 处于全关状态。启动旋涡泵 12，调节阀门 3 使压力表 5 达到规定值。4.待压力表 5 稳定后，打开过滤入口阀 6 过滤开始。当计量桶 13 内见到第一滴液体时按表计时。记录滤液每增加高度 10mm 时所用的时间。当计量桶 13 读数为 160 mm 时停止计时，并立即关闭入口阀 6。5.打开阀门 3 使压力表 5 指示值下降。开启压紧装置卸下过滤框内的滤饼并放回滤浆槽内，将滤布清洗干净。放出计量桶内的滤液并倒回槽内，以保证滤浆浓度恒定。6.改变压力，从（2）开始重复上述实
27、验。操作时应注意的事项 ： 1.过滤板与框之间的密封垫应注意放正，过滤板与框的滤液进出口对齐。用摇柄把过滤设备压紧，以免漏液。2.计量桶的流液管口应贴桶壁，否则液面波动影响读数。3.实验结束时关闭阀门 3。4.电动搅拌器为无级调速。使用时首先接上系统电源，打开调速器开关，调速钮一定由小到大缓14慢调节，切勿反方向调节或调节过快损坏电机。5.启动搅拌前，用手旋转一下搅拌轴以保证顺利启动搅拌器。五、实验结果整理0.05MPa 0.10MPa 0.15MPa序号高度q qav时间 /q 时间 /q 时间 /q实验四 流量计性能测定一、实验目的了解转子流量计、孔板流量计、文丘里流量计的测量原理和使用方
28、法；测定并比较文丘里流量计和孔板流量计的压强损失；通过流量计性能测定装置，以涡轮流量计为标准，对其它几种流量计进行标定。二、实验原理流量计的种类很多，本实验是研究差压式(速度式)流量计的校正，这类差压式流量计是用测定流体的压差来确定流体流量(或流速)，常用的有孔板流量计、文丘里流量计等。 实验装置用孔板流量计，是在管道法兰间装有一中心开孔的不锈钢板，我们可以用流体运动规律导出孔板流量计的计算公式： 002/VqCAgR（ ）式中：A 0-为孔板流量计的孔口面积， m2； C0-孔流系数R-U 形管压差计的两臂液面差读数，m0-指示剂的密度，Kgm -3 ； -被测流体的密度， Kgm-3qv-
29、流体的流量，m 3s-1孔板流量计结构简单，使用广泛，易于制造。缺点是能量损失大。为减少能量损失可用文丘里流量计，由于流体流经有均匀收缩段和扩大段，流速平缓，故能量损失少。一般孔板流量计能量损失在65%左右，文丘里流量计仅 15%。文丘里流量计的计算公式：15002/VqCAgR（ ）式中：A 0-为文丘里流量计缩脉处的面积，m 2其余参数与孔板流量计的相同。工厂生产的流量计大都是按照标准规范生产的，出厂时一般都在 101325Pa，20下以水或空气为介质进行标定，给出流量曲线或按规定的流量计算公式给出指定的流量系数。然而在实际使用时的温度、压强、介质往往与标定时不同，为了测量准确和方便使用，
30、应在现场进行流量计的校正；校正过的流量计，在长时间使用后磨损较大，也需要再一次校正；对于自制的非标准流量计，则必须进行校正，以确定其流量。 三、实验装置用离心泵 3 将贮水槽 8 的水直接送到实验管路中,经涡轮流量计计量后分别进入到转子流量计、孔板流量计、文丘里流量计,最后返回贮水槽 8。测量孔板流量计时把 9、11 阀门打开；10、12 阀门关闭。测量文丘里流量计时把 9、10 阀门打开；11、12 阀门关闭。测量转子流量计时把 12、10、11 阀门打开；9 阀门关闭。流量由调节阀 10、11、12 来调节水的流量。温度由铜电阻温度计测量。流量计的校正有量体法，称重法和基准流量计法。量体法
31、和称重法都是通过测量一定时间间隔内排出的流体体积或质量来实现的，而基准流量计法，则是用一个已被事先校正过而精度级较高的流量计作为被校流量计的比较基准。 本实验中是以涡轮流量计为基准，对其余流量计进行校正。1-涡轮流量计 2-放水阀 3-离心泵 4-温度计 5-转子流量计 6-孔板流量计 7-文丘里流量计 8-储水槽 9、10、11、12-流量调节阀； 13-压差传感器图 1 流量计实验流程示意图四、实验方法（一）实验步骤：1.启动离心泵前, 关闭泵流量调节阀2.启动离心泵。3.按流量从小到大的顺序进行实验。用流量调节阀调某一流量，待稳定后，读取涡轮频率数，并16分别记录流量、压强差。4.实验结
32、束后,关闭泵出口流量调节阀 9、12 后,停泵。（二）实验操作注意事项1.阀门 12 在离心泵启动前应关闭，避免由于压力大将转子流量计的玻璃管打碎。2. 确保离心泵出口阀门关闭，再启动离心泵；停机时，先将离心泵出口阀门关闭，再停泵。五、实验结果整理表 1 文丘里流量计性能测定实验数据记录文丘里流量计(kPa) 流量 qv(m3/h) 流速 u(m/s) Re C01234567表 2 孔板流量计性能测定实验数据记录孔板流量计(kPa)流量 qv(m3/h)流速 u(m/s)ReC01234567表 3 转子流量计性能测定实验数据记录转子流量计(L/h)流量 qv(m3/h)流速 u(m/s)1
33、23417567实验五 气-汽热交换传热总系数及传热膜系数的测定一、实验目的通过实验，掌握对流传热膜系数 及传热总系数 K 的测定方法；通过实验，掌握准数关系式 Nu=ARemPr0.4 中常数 A、m 的值的确定方法；通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸汽强化套管换热器的实验研究，测定强化比 Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验原理冷热流体通过固体壁所进行的热交换过程，先由热流体把热量传递给固体壁面，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，热交换过程即由给热-导热-给热三个过程串联组成。流体在圆形直管内作强制对流时，传热膜系数 与各项影响因
34、素（如：管内径 dm；管内流速ums-1；流体密度 kgm-3；流体粘度Pas；定压比热容 CPJkg-1K-1和流体导热系数 Wm-1K-1）之间的关系可表示为如下准数关联式：ARermnNu式中：努塞儿准数（Nwsselt nwmber） ；dNu雷诺准数（Reynolds nwmber） ；Re普兰特准数（ nwmber） 。PrpC18上述关联式中系数 A 和指数，的具体数值，需要通过实验来测定。实验测得 A、数值后，则传热膜系数即可由该式计算。例如：当流体在圆形直管内作强制湍流时，当； ；Re10Pr0.71650ld且流体被加热时0.8.4.23erNu在本实验中，空气走内管，水蒸
35、汽走环隙。通过改变空气的流量，以改变 Re 值。根据定性温度（空气进、出口温度的平均值）计算对应的 Pr 值。同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而求得 Nu 值。牛顿冷却定律为 mQAt式中： 传热膜系数，W/（m 2）传热量，WA传热总面积，m 2管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，t传热量可由下式求得： 21()/360spQVct式中 空气的定压比热容，J/（kg）pct1、t 2空气进、出口温度，定性温度下空气密度，kg/m 3空气的体积流量，m 3/hsV空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量与 的关系为p21014t tVcd式中 c0孔板流量计孔流系数，c
36、0=0.65；d0孔板孔径， d 0 =0.0165 m ；-空气入口温度（即流量计处温度）下密度，Kg/m 31t孔板流量计压降，kPap实验条件下的空气流量 (m3/h)需按下式换算:sV（2）1127stt其中， 换热器管内平均温度，；t传热内管空气进口（即流量计处）温度，。1191-液位计； 2-水箱； 3-排水阀； 4-蒸汽发生器； 5-强化套管蒸汽进口阀； 6-光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器； 8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器； 9-光滑套管蒸汽出口； 10-强化套管蒸汽出口； 11-光滑套管空气进口阀； 12-强化套管空气进口阀； 13-孔板流量计； 14-空气旁路调节
37、阀； 15-旋涡气泵； 16-蒸汽冷凝器图 1 传热综合实验装置图三、实验装置本实验装置主要由简单套管换热器(即光滑管)和强化内管的套管换热器（即强化管） 、风机以及一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图 1 所示。四、实验方法1. 实验前的检查准备(1)向水箱中加水至液位计上端。水箱中液面不可低于水箱高度的四分之三，否则容易导致加热器干烧。(2)检查空气流量旁路调节阀 14 是否全开(应全开)。(3)检查蒸汽管支路各控制阀 5（6）和空气支路控制阀 12（11）是否已打开（应保证有一路是开启状态） ，保证蒸汽和空气管线畅通。(4)开启总电源开关，启动电加热器开关，开始加热。2. 开始实验
38、(1)打开加热开关后，仪器按设定好的加热电压自动控制加热电压，蒸汽发生器内的水经过加热后产生水蒸汽，并经过空气冷却器冷凝后冷凝液回到水箱中。(2) 换热器壳程内有水蒸汽后，打开空气旁路调节阀 14 后启动风机，用旁路调节阀 14 来调节空气的流量并在一定的流量下稳定 35 分钟后分别测量空气的流量、空气进、出口的温度和管壁温度，由温度巡检仪测量（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-强化管空气入口温度；4-强化管空气出口温度） ，换热器内管壁面的温度由温度巡检仪（上-光滑管壁面温度；下-强化管壁面温度）20测得。改变空气流量（68 次） ，重复实验，记录数据。(3) 实验结束后，
39、依次关闭加热、风机和总电源。一切复原。实验注意事项：1. 实验前要将水箱内的水加到指定位置，防止电热器干烧损坏电器。2. 开始加热时，加热电压控制在(160V )左右为宜。加热电压过大则容易导致壁温不稳。3. 加热约十分钟后，可启动风机，保证实验开始时空气入口温度比较稳定，可节省实验时间。4. 必须保证蒸汽上升管线的畅通。即开启加热按钮之前，要确保两蒸汽支路控制阀之一（阀 5或 6）必须全开。转换支路时，应先开启需要的支路阀门，再关闭另一侧阀门，且开启和关闭控制阀门时动作要缓慢，防止管线骤然截断使蒸汽压力过大而突然喷出。5. 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
40、（阀 12 或11）和旁路调节阀必须全开。转换支路时，应先关闭风机电源，然后再开启或关闭控制阀。五、实验数据记录及整理1. 基本参数实验内管内径 d1=20mm ；实验内管外径 d0=22mm实验外管内径 D1=50mm ；实验外管外径 D0=57mm测量段（紫铜内管）长度 .2lm强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸 丝径 h=3mm ； 节距 H=40mm加热釜 操作电压200V；操作电流 10A2. 实验数据记录将实验测得的数据，可参考下表进行记录表 1 光滑管换热器数据记录编号： No. 1 2 3 4 5 6流量计压差（kpa ）t1(）t2(）tw(）表 2 强化管换热器数据记录编号：
41、No. 1 2 3 4 5 6流量计压差（kpa ）T3(）T4(）tw(）3. 实验数据整理21表 3 光滑管换热器数据整理结果编号：No. 1 2 3 4 5 6流量计压差（kpa ）t1(）t1(kg/m3)t2(）tw(）(）mm(kg/m3)m100( mK)Cpm (JkgK)m10000( )sPat2-t1（）(）mVt1(m3/h)Vm (m3/h)um(m/s)Q (W)（ W/m2）iReNuNu/(Pr0.4)表 4 强化管换热器数据整理结果编号：No. 1 2 3 4 5 6流量计压差（kpa ）T3(）t3 (kg/m3)T4(）tw(）22(）mtm(kg/m3)
42、m100(mK)Cpm(JkgK)m10000( )sPaT4-T3（）(）mtVt3(m3/h)Vm (m3/h)um(m/s)Q (W)（ W/m2）iReNu（3）由实验原始数据和测得的 值，对水平管内传热膜系数的准数关联式进行参数估计。首先，参考下表整理数据：管内流体平均温度流体密度流体粘度流体导热系数 管内流速传热膜系数雷诺准数努塞儿准数普兰特准数12tu eRuNrP实验序号 K kgm-3 PasWm-1K-1 ms-1 Wm-2K-1 然后，按如下方法和步骤估计参数：水平管内传热膜系数的准数关联式： ARePrmnNu在实验测定温度范围内，Pr 数值变化不大，可取其平均值并将
43、Prn 视为定值与 A 项合并，因此，23上式可写为： ARemNu等式两边取对数，使之线性化，即 lgllg因此，可将 Nu 和 Re 实验数据，直接在双对数坐标纸上进行标绘，由实验曲线的斜率和截距估计参数 和 m，或者用最小二乘法进行线性回归，估计参数 和 m。A 取 Prn 均值为定值，且 n = 0.4，由 计算得到 A 值。实验六 压力测量仪表标定实验一、实验目的通过压力测量仪表标定实验装置，用高精度压力表对普通压力表进行标定。二、实验原理用一块精度级较高的压力表作为被校压力表的比较基准，对其进行校正，同时在较小压力范围内也可通过U型管压力计对其进行标定 。三、实验装置本实验采用高精
44、度等级压力表标定待标压力测量仪表，实验装置如图 1 所示。241-空气压缩机； 2、5- 调节阀； 3-高精度压力表；4-压力传感器； 6-待标定压力表； 7-U 型管压力计；图 1 压力标定实验装置四、实验方法实验步骤：1打开空气压缩机，使气体进入缓冲罐，并注意观察压力表的读数，在稍超过被标定的压力传感器的量程后关闭空气压缩机。2调解进气阀，待缓冲罐内的压力逐渐稳定后，打开待标压力测量仪表和高精度压力表的测量阀，读取高精度等级压力表和被标定的压力传感的数值。3打开放空阀，逐渐降低缓冲罐内的压力，在适当的压力下再测量 1 组数据。4重复步骤 3 直到得到标定所需的数据。比较待测的压力传感器和标
45、准压力表的读数，做出校正曲线，供实际测量使用。5结束实验，切断电源。五、实验结果整理压力测量实验数据表序号精密压力表 MPa 压力传感器KPa普通压力表 MPaU 型管压差计（ mmH2O 柱）1 2 3 4 5 256 7 8 9 10 11 12 13 实验七 流体流动阻力系数的测定一、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沿程阻力系数 和局部阻力系数 。二、实验原理当不可
46、压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意两个截面之间列出机械能衡算方程为：221 fpupuZZhggm 液柱 (1) 26下标 1 和 2 分别表示上游和下游截面上的数值。假若：A 水作为实验物系，则水可视为不可压缩流体；B 实验导管是按水平装置的，则 Z 1Z 2；C 实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则 u1= u2因此（1）式可简化为m 液柱 (2)21fphg可见，因阻力造成的能量（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。当流体在圆形直管内流动时，流体因沿程阻力所造成的能量损失（压头损失） ，有如下一般关系式：m 液柱 (3)221fpluhgd大量的实
47、验研究表明：沿程阻力系数 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，可以得出沿程阻力系数与雷诺数和管壁相对粗糙度 /d 存在函数关系，即(4) (Re,)fd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，沿程阻力系数 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（压关损失） ，有如下一般关系式：m 液柱 (5)2fuhg式中：u连接管件等的直管中流体的平均流速，m/s；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，都需要通过实验测定。三、实验装置本实验装置主要是由循环水系统、实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 形水柱压差计显示。孔板流量计的读数由另一倒置 U 形水柱压差
