生物化工原理實驗講義

1、化工原理實驗 第一章 實驗的基本要求化工原理實驗要求實驗人在實驗完畢后提交一份合格的實驗報告。要求實驗報告能夠把實驗的任務和實驗觀測的結果用表、圖、公式及文字加以描述，將討論問題簡練明確的表達出來，使閱讀者能夠一目了然。除此以外還必須具備（1）數(shù)據(jù)是可靠的，為此必須認真考慮實驗方案，認真細致的并實事求是的正確記錄原始數(shù)據(jù)。實驗前做好預習工作，實驗時集中精力，認真仔細觀察實驗現(xiàn)象和記錄儀表指示數(shù)，邊實驗邊分析實驗數(shù)據(jù)是否合理，以便能夠及時排除實驗中的干擾因素；（2）實驗記錄要有校核的可能。因此要清楚說明實驗的時間、地點、條件和同時作實驗的人員。為了保證作出合格的實驗報告，對實驗過程中各個步驟、各

2、個問題，提出如下的說明和要求：1實驗前的預習工作（1）閱讀實驗講義，弄清本實驗的目的和要求。 （2）根據(jù)本次實驗的具體任務，研究實驗的理論根據(jù)和實驗的具體做法，分析哪些參數(shù)需要直接測量得到，哪些參數(shù)不需要直接測量，而能夠間接獲得，并且要估計實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。 （3）到實驗室現(xiàn)場了解摸索實驗流程，現(xiàn)看主要設備的構造，測量儀表的種類和安裝位置，了解它們的測量原理和使用方法，最后全面審查整個實驗流程的布置是否合理，審查主要設備的結構和安裝是否合適，測量儀表的量程、精度是否合適以及其所裝位置是否合理。（4）根據(jù)實驗任務和現(xiàn)場勘查，最后規(guī)定實驗方案，確定實驗操作程序。2實驗小組的分工和合作 化工原理實

3、驗一般都是由兩人為一小組合作進行的，因此實驗開始前必須作好組織工作，做到既分工，又合作；既能保證質(zhì)量，又能獲得全面訓練。每個實驗小組要有一個組長負責執(zhí)行實驗方案、聯(lián)絡和指揮，與組員討論實驗方案，使得每個組員各明其職（包括操作、讀取數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)及現(xiàn)象觀察等），而且要在適當時候輪換工作。3實驗必須測取的數(shù)據(jù)凡是影響實驗結果或是數(shù)據(jù)整理過程中所必須的數(shù)據(jù)都必須測取。它包括大氣條件、設備有關尺寸、物料性質(zhì)及操作數(shù)據(jù)等，但并不是所有數(shù)據(jù)都要直接測取的。凡可以根據(jù)某一數(shù)據(jù)導出或從手冊中查出的其他數(shù)據(jù)，就不必直接測定。例如水的密度、粘度、比熱等物理性質(zhì)，一般只要測出水溫后即可查出，因而不必直接測定水的密度

4、、粘度、比熱，而只要測定水的溫度就可以了。4實驗數(shù)據(jù)的讀取及記錄（1）實驗開始前擬好記錄表格，在表格中應記下各次物理量的名稱、表示符號及單位。每位實驗者都應有一專用實驗記錄本，不應隨便拿一張紙或實驗講義空白處來記錄，要保證數(shù)據(jù)完整，條理清楚，避免記錄錯誤。 （2）實驗時一定要等現(xiàn)象穩(wěn)定后才開始讀取數(shù)據(jù)，條件改變，要稍等一會才讀取數(shù)據(jù)，這是因為條件的改變破壞了原來和穩(wěn)定狀態(tài)，重新建立穩(wěn)態(tài)需要一定時間（有的實驗甚至花很長時間才能達到穩(wěn)定），而儀表通常又有滯后現(xiàn)象的緣故。 （3）每個數(shù)據(jù)記錄后，應該立即復核，以免發(fā)生讀錯或記錯數(shù)字等事故。 （4）數(shù)據(jù)的記錄必須反映儀表的精確度。一般要記錄到儀表上最小

5、分度以下位數(shù)。例如溫度計的最小分度為1，如果當時的溫度讀數(shù)為20.5，則不能記為20；又如果剛好是20，那應該記錄為20.0。 （5）記錄數(shù)據(jù)要以實驗當時的實驗讀數(shù)為準。 （6）實驗中如果出現(xiàn)不正常情況，以及數(shù)據(jù)有明顯誤差時，應在備注欄中加以說明。5實驗過程的注意點有的實驗者在做實驗時，只讀取數(shù)據(jù)，其它一概不管，這是不對的。實驗過程中除了讀取數(shù)據(jù)外，還應該做好下列諸事：（1）操作者必須密切注意儀表指示值的變動，隨時調(diào)節(jié)，務使整個操作過程都在規(guī)定條件下進行，盡量減少實驗操作條件與規(guī)定操作條件之間的差距。操作人員要堅守崗位，不得擅離職守。（2）讀取數(shù)據(jù)后，應立即和前次數(shù)據(jù)相比較，也要和其它有關數(shù)據(jù)

6、相對照，分析相互關系是否合理，數(shù)據(jù)變化趨勢是否合理。如果發(fā)現(xiàn)不合理的情況，應該立即共同研究可能存在的原因，以便及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。（3）實驗過程是還應注意觀察過程現(xiàn)象，特別是發(fā)現(xiàn)某些不正?，F(xiàn)象時更應抓住時機，研究產(chǎn)生不正常現(xiàn)象的原因，排除障礙。6實驗數(shù)據(jù)的整理（1） 數(shù)據(jù)整理時應根據(jù)有效數(shù)字的運算規(guī)則，舍棄一些沒有意義的數(shù)字。一個數(shù)字的精確度是由測量儀表本身的精確度所決定的，它絕不因為計算時位數(shù)增加面提高。但是不允許任意減少位數(shù)，因為這樣做就降低了應有的精確度。 （2）數(shù)據(jù)整理時，如果過程比較復雜，實驗數(shù)據(jù)又多，一般以采用列表整理為宜，同時應將同一項目一次整理。這種整理方法既簡潔明了，又節(jié)

7、省時間。（3）計算示例。在（2）所列表的下面要給出計算示例，即任取一列數(shù)據(jù)進行詳細的計算，以便檢查。7實驗報告的編寫一份優(yōu)秀的實驗報告必須寫得簡潔明了，數(shù)據(jù)完整，交待清楚，結論正確，有討論、分析，得出的公式、曲線、圖形有明確使用條件。報告的內(nèi)容一般包括：（1）報告的題目；（2）寫報告人及同實驗小組人員的姓名，實驗日期等；（3）實驗的目的；（4）實驗的理論依據(jù)；（5）實驗設備說明（應包括流程示意圖和主要設備、儀表的類型及規(guī)格）；（6）實驗數(shù)據(jù)，應包括與實驗結果有關的全部數(shù)據(jù)，報告中的實驗數(shù)據(jù)不是指原始數(shù)據(jù)，而是經(jīng)過加工后用于計算的全部數(shù)據(jù)，至于原始記錄則可作為附錄附于報告后面；（7）數(shù)據(jù)整理及計

8、算示例，其中引用的數(shù)據(jù)要說明來源，簡化公式要寫出導過程，要列出一列數(shù)據(jù)的計算過程，作為計算示例；（8）實驗結果，根據(jù)實驗任務，明確提出本次實驗的結論，用圖示法、經(jīng)驗公式或列表法均可，但都必須注明實驗條件；（9）分析討論，要對本次實驗結果作出評價，分析誤差大小及原因，對實驗中發(fā)現(xiàn)的問題應作討論，對實驗方法、實驗設備有何建議也可寫入此欄。第二章 化工原理實驗實驗一 流體流動阻力的測定一、實驗目的1掌握流體流經(jīng)直管和閥門時阻力損失的測定方法，通過實驗了解流體流動中能量損失的變化規(guī)律。2測定直管摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)Re的關系，將所得的-Re方程與Blassius經(jīng)驗公式相比較。3測定流體流經(jīng)閥門時的局部

9、阻力系數(shù)。4學會倒U形差壓計、轉子流量計的使用方法。5觀察組成管路的各種管件、閥門，并了解其作用。6掌握化工原理實驗軟件庫（VB實驗數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)）的使用。二、基本原理直管阻力引起流體機械能損失的原因是由于靜止壁面與粘性流體共同產(chǎn)生的流體點速度差異。當某流體以一定的流量Vi流經(jīng)某一尺寸的圓直等徑管時，機械能損失主要體現(xiàn)在兩截面處靜壓強的差異上, 阻力損失由直管的上、下游截面列機械能守恒方程得： （2-1）1直管阻力流體在水平等徑圓管中穩(wěn)定流動時，阻力損失表現(xiàn)為壓力降低。即 （2-2）湍流流體發(fā)的流動阻力，目前尚不能完全用理論方法求解，必須通過實驗研究其規(guī)律。為了減少實驗工作量，使實驗結果具有

10、普遍意義，必須采用因次分析方法將各變量組合成準數(shù)關聯(lián)式。根據(jù)因次分析，影響阻力損失的因素有：（1）流體性質(zhì)：密度、粘度； （2）管路的幾何尺寸：管徑d、管長l、管壁粗糙度； （3）流動條件：流速。 可表示為： （2-3）組合成如下的無因次式： （2-4） 令 （2-5）則式（2-1）變?yōu)椋?（2-6）式中hf直管阻力，J/kg； l被測管長，m；d被測管內(nèi)徑，m；u平均流速，m/s；摩擦阻力系數(shù)。 （2-7） （2-8） （2-9）因此，對給定實驗裝置，只要測定一系列流量Vi下的Ri及溫度數(shù)據(jù)，即可計算出相應的雷諾準數(shù)和摩擦系數(shù)。 （1）湍流區(qū)的摩擦阻力系數(shù)在湍流區(qū)內(nèi)，對于光滑管，實驗證明，當

11、Re在3×103105范圍內(nèi)，與Re的關系遵循Blasius關系式，即 （2-10） 對于粗糙管，與Re的關系均以圖來表示。 （2）層流的摩擦阻力系數(shù) （2-11）2局部阻力 局部阻力通常有兩種表示方法，即當量長度法和阻力系數(shù)法。（1）當量長度法流體流過某管件或閥門時，因局部阻力造成的損失，相當于流體流過與其具有相當管徑長度的直管阻力損失，這個直管長度稱為當量長度，用符號le表示。這樣，就可以用直管阻力的公式來計算局部阻力損失，而且在管路計算時，可將管路中的直管長度與管件、閥門的當量長度合并在一起計算，如管路中直管長度為l，各種局部阻力的當量長度之和為，則流體在管路中流動時的總阻力損

12、失為 (2-12)（2）阻力系數(shù)法 流體通過某一管件或閥門時的阻力損失用流體在管路中的動能系數(shù)來表示，這種計算局部阻力的方法，稱為阻力系數(shù)法。即 (2-13) 式中，局部阻力系數(shù)，無因次； u在小截面管中流體的平均流速，ms。 當流體流經(jīng)某一閘閥時,由于流道截面的變化,使流體的流線發(fā)生改變,從而形成邊界層分離及旋渦,產(chǎn)生局部阻力，主要體現(xiàn)在流體流經(jīng)閘閥前后靜壓強的差異上。局部阻力的計算方法有當量長度和局部阻力系法，其公式如下： (2-14) (2-15) (2-16)三、實驗裝置與流程1實驗裝置 實驗裝置如圖2-1所示主要由水箱，不同管徑、材質(zhì)的管子，各種閥門和管件、轉子流量計等組成。第一根為

13、不銹鋼光滑管，第二根為鍍鋅鋼管，分別用于光滑管和粗糙管湍流流體流動阻力的測定。第三根為不銹鋼管，裝有待測閘閥，用于局部阻力的測定。本實驗的介質(zhì)為水。水流量采用渦輪流量計測量，直管段和閘閥的阻力分別用各自的倒U形差壓計測量。圖2-1流體流動阻力測定實驗裝置圖1、水箱 2、管道泵 3,5,6、球閥 4、均壓環(huán) 7、閘閥 8、流量調(diào)節(jié)閥 9、渦輪流量計 10、排水閥11、倒U管差壓計 12、不銹鋼管 13、粗糙管 14、光滑管 15、轉子流量計 16、導壓管 17、溫度計18、進水閥2裝置結構尺寸 表2-1 裝置結構尺寸名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測試段長度（m）光滑管不銹鋼管25.981.2粗糙管鍍鋅鐵

14、管27.50局部阻力不銹鋼管25.98四、實驗步驟及注意事項1實驗步驟（1）熟悉實驗裝置系統(tǒng)。（2）打開進水閥18給水箱補充水，水位以比水箱上邊低58cm為宜，必須保證管道出水口浸沒在水中。（3）啟動管道泵（切記泵禁止無水空轉）。（4）打開閥3、5、6、7、8排盡管道中的空氣，之后關閥8。（5）1151壓差傳感器排汽及調(diào)零只要打開壓差傳感器下面的考克，當軟管內(nèi)水無汽泡時，排汽結束，此過程可反復多次，直至無汽泡為至。（6）在管道內(nèi)水靜止（零流量）時，按倒U型差壓計的使用方法將三個倒U形差壓計調(diào)節(jié)到測量壓差正常狀態(tài)。（7）關閉閥6，打開閥8，調(diào)節(jié)流量分別為1.8、2.4、2.8、3.2、3.6、4

15、.0、4.4、4.8、5.2m3/h，測得每個流量（89個點）下對應的光滑管和粗糙管的阻力（壓差mmH2O），分別記下倒U型差壓計。注意：調(diào)節(jié)好流量后，須等一段時間，待水流穩(wěn)定后才能讀數(shù)，測完后關閉閥8。（8）關閉閥5，打開閥6，測得閘閥7全開時的局部阻力（流量設定為1，1.8，2.6m3/h，測三個點對應的壓差，以求得平均的阻力系數(shù)）。（9）仿測粗糙管壓差操作測層流管壓差。（10）實驗結束后打開閥8和閥10，排盡水，以防銹和冬天防凍。2注意事項開啟、關閉管道上的各閥門及倒U型差壓計上的閥門時，一定要緩慢開關，切忌用力過猛過大，防止測量儀表因突然受壓、減壓而受損（如玻璃管斷裂，閥門滑絲等）。倒

16、U形管差壓計的使用方法：這種壓差計，內(nèi)充空氣，以待測液體為指示液，一般用于測量小壓差的場合，其結構如圖，使用的具體步驟是：第一步，排出系統(tǒng)和導壓管內(nèi)的氣泡。關閉進氣閥3和平衡閥4.打開高壓側閥2、低壓側閥1和出水活栓5，使高壓側水經(jīng)過高壓側閥2、倒U型壓差計玻璃管、出水活活栓排出。低壓側閥直接經(jīng)出水活栓排出系統(tǒng)。管路和倒U型壓差計中的氣泡排完后，關閉高壓側閥2和低壓側閥1。第二步，打開進氣閥3和平衡閥4，排出倒U型管壓差計的水。關閉進氣閥3和出水活栓5，打開高壓側閥2和低壓閥1，讓水進入倒U型管壓差計中，直到倒U型壓差計中的水位高度平衡。關閉平衡閥4，查看倒U型壓差計中的水位是否平衡，平衡就可

17、以繼續(xù)進行實驗，如不平衡則存在漏氣現(xiàn)象。1低壓側閥門；2高壓側閥門；3進氣閥門； 4平衡閥門；5出水活栓五、實驗報告1根據(jù)粗糙管實驗結果，在雙對數(shù)坐標紙上標繪出-Re曲線，對照化工原理教材上有關公式，即可確定該管的相對粗糙度和絕對粗糙度。 2根據(jù)光滑管實驗結果，在雙對數(shù)坐標紙上標繪出-Re曲線，并對照柏拉修斯方程，計算其誤差。3根據(jù)局部阻力實驗結果，求出閘閥全開時的平均值。 4對實驗結果進行分析討論。 六、思考題1在對裝置做排氣工作時，是否一定要關閉流程尾部的流量調(diào)節(jié)閥6?2如何檢驗測試系統(tǒng)內(nèi)的空氣是否已經(jīng)被排除干凈? 3以水做介質(zhì)所測得的-Re 關系能否適用于其它流體?如何應用? 4在不同設

18、備上（包括不同管徑），不同水溫下測定的-Re數(shù)據(jù)能否關聯(lián)在同一條曲線上? 5如果測壓口、孔邊緣有毛刺或安裝不垂直，對靜壓的測量有何影響?6如果要增加雷諾數(shù)的范圍，可采取哪些措施？7測出的直管摩擦阻力與直管的放置狀態(tài)有關嗎？請說明原因。附 實驗數(shù)據(jù)記錄水溫： ；管長L=1.2m；光滑管管徑D=0.02598m；粗糙管管徑D=0.02750m；局部阻力管徑D=0.02598m實驗序號流量（m3/h）光滑管倒U壓差（mmH2O）粗糙管倒U 壓差（mmH2O）h左h右h左h右12345678910計算結果密度= （） 黏度 （）實驗次數(shù)流量（m3/h）Re光滑管光滑管Re粗糙管粗糙管123456789

19、10局部阻力實驗序號流量（m3/h）閘閥（全開）阻力倒U壓差（mmH2O）值h左h右123計算示例實驗序號流量（m3/h）光滑管壓差（mmH2O）粗糙管壓差（mmH2O） 11.44159計算示例：以第一組為例 20 =998.2kg/m3 =100.50×10-5Pa s光滑管：理論值實驗序號流量（m3/h）閘閥（全開）阻力（mmH2O）值15.01650.47224.01100.485閘閥（全開）阻力系數(shù)（理論上）=0.5局部阻力：以第二組為例=2.1m/shf=gH=9.81*0.11=1.07J/kg，=2hf/u2=0.485實驗二 離心泵特性曲線的測定一、實驗目的1了解離

20、心泵結構與特性，學會離心泵的操作。2測定恒定轉速條件下離心泵的有效揚程（H）、軸功率（N）、以及總效率（）與有效流量（Q）之間的曲線關系。3掌握離心泵流量調(diào)節(jié)的方法（閥門）和渦輪流量傳感器及智能流量積算儀的工作原理和使用方法。4學會化工原理實驗軟件庫（VB實驗數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)）的使用。二、基本原理離心泵的特性曲線是選擇和使用離心泵的重要依據(jù)之一，其特性曲線是在恒定轉速下?lián)P程H、軸功率N及效率與流量Q之間的關系曲線，它是流體在泵內(nèi)流動規(guī)律的外部表現(xiàn)形式。由于泵內(nèi)部流動情況復雜，不能用數(shù)學方法計算這一特性曲線，只能依靠實驗測定。1流量Q的測定與計算采用渦輪流量計測量流量，智能流量積算儀顯示流量值Q

21、m3/h。2揚程H的測定與計算在泵進、出口取截面列柏努利方程： (2-17),：分別為泵進、出口的壓強 N/m2：液體密度 kg/m3,：分別為泵進、出口的流量m/sg：重力加速度 m/s2當泵進、出口管徑一樣，且壓力表和真空表安裝在同一高度，上式簡化為： (2-18)由式（2-18）可知，只要分別測出壓力表和真空表的數(shù)值和，就可計算出泵的揚程He（m）。3軸功率N的測量與計算可由功率傳感器測量，功率表顯示讀取。4效率的計算泵的效率為泵的有效功率Ne與軸功率N的比值。有效功率Ne是流體單位時間內(nèi)自泵得到的功，軸功率N是單位時間內(nèi)泵從電機得到的功，兩者差異反映了水力損失、容積損失和機械損失的大小

22、。泵的有效功率Ne可用下式計算： （2-19）故 （2-20）5轉速改變時的換算泵的特性曲線是在指定轉速下的數(shù)據(jù)，就是說在某一特性曲線上的一切實驗點，其轉速都是相同的。但是，實際上感應電動機在轉矩改變時，其轉速會有變化，這樣隨著流量的變化，多個實驗點的轉速將有所差異，因此在繪制特性曲線之前，須將實測數(shù)據(jù)換算為平均轉速下的數(shù)據(jù)。換算關系如下： （2-21）三、實驗裝置流程圖圖2-2 離心泵特性曲線測定裝置流程圖四、實驗步驟1、熟悉流程2、灌泵關閉離心泵進口閥，打開出口閥，打開離心泵灌水閥，對水泵進行灌水，灌好水后關閉泵的出口閥與灌水閥門。3、開啟電源打開總電源開關和儀表電源開關；離心泵控制按鈕旋

23、到開的位置（綠燈亮），4、盤泵5、啟動離心泵迅速把進口閥開到最大再把出水閥開到最大，開始實驗。通過泵出口閥調(diào)節(jié)流量：調(diào)節(jié)出口閘閥開度，使閥門全開，等流量穩(wěn)定時，在儀表臺上讀出電機轉速n，流量Q，水溫t，功率表W，真空度p1和出口壓力p2并記錄；關小閥門減小流量，重復以上操作，測得另一流量下對應的各個數(shù)據(jù)，一般測定1012個點為宜。實驗完畢，關閉水泵出口閥，離心泵控制按鈕旋到關的位置，停止水泵的運轉，關閉以前打開的所有設備電源。6、打掃衛(wèi)生五、實驗報告1在同一張坐標紙上描繪一定轉速下的H-Q、N-Q、-Q曲線。2分析實驗結果，判斷泵較為適宜的工作范圍。六、思考題1試從所測實驗數(shù)據(jù)分析，離心泵在啟

24、動時為什么要關閉出口閥門？2啟動離心泵之前為什么要灌泵？如果灌泵后依然啟動不起來，你認為可能的原因是什么？3為什么可以用泵的出口閥門調(diào)節(jié)流量？這種方法有什么優(yōu)缺點？是否還有其他方法調(diào)節(jié)流量？4泵啟動后，出口閥如果打不開，壓力表讀數(shù)是否會逐漸上升？為什么？5正常工作的離心泵，采用進口閥門調(diào)節(jié)流量是否合理？為什么？6試分析，用清水泵輸送密度為1200kg/m的鹽水（忽略密度的影響），在相同流量下你認為泵的壓力是否變化？軸功率是否變化？附：實驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理結果示例原始數(shù)據(jù)記錄裝置號： 水溫： 實驗次數(shù)流量（m3/h）P真空表 KPaP壓力表KPa轉速（r.p.m）功率（W）1234567891

25、01112計算結果：流量V(/h)揚程H/（m）軸功率/（W）效率/%123456789101112計算示例實驗次數(shù)流量（m3/h）P真空表 KPaP壓力表KPa轉速（r.p.m）功率（W）116.325.536.629071349214.921.769.429111313313.418.393.729131275411.915.8115.429181228以第四組為例泵出口處壓強P2=115.4kPa，泵入口處壓強P1=-15.8kPa，水溫度17.5，水密度=998.2kg/m3、泵進口高度=0.18米（實驗時測量值為準）流量：由流量儀表讀出11.9m3/h泵的揚程 泵的軸功率：由功率儀表

26、讀出1228W泵的效率: 因此在繪制特性曲線之前，須將實測數(shù)據(jù)換算為平均轉速n=2900 r/min下的數(shù)據(jù)。W實驗四 傳熱實驗一、實驗目的1觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象。2測定水在圓形直管內(nèi)強制對流給熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)K。3掌握確定傳熱膜系數(shù)準數(shù)關系式中的系數(shù)A和指數(shù)m、n的方法。4掌握化工原理實驗軟件庫（組態(tài)軟件MCGS和VB實驗數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)）的使用。二、基本原理在套管換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以水，水蒸氣冷凝放熱以加熱水，即流體無相變時對流傳熱準數(shù)關系式的一般形式為： （2-27）對于強制湍流而言，Gr數(shù)可忽略，即 （2-28）本實驗可簡化上式，即取n=0.4（流體被

27、加熱），這樣（2-21）式變?yōu)閱巫兞糠匠蹋趦蛇吶?shù)，得到直線方程為 （2-29）在雙對數(shù)坐標中作圖，求出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。代入（2-21）式則可得到系數(shù)A，即 （2-30）上式中： ， ， 實驗中改變水的流量，以改變Re值，根據(jù)定性溫度（水進、出口溫度的算術平均值）計算對應的Pr值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)值，進而求得Nu值。牛頓冷卻定律為 ： （2-30）式中 傳熱膜系數(shù)，； 傳熱量，W； 傳熱面積，； 管壁溫度與管內(nèi)水溫度的對數(shù)平均溫差，。傳熱量可由下式求得 （2-31）式中 水的質(zhì)量流量，； 水的比定壓熱容， ，水進，出溫度，； 定性溫度下水的密度，

28、； 水的體積流量，。同樣 （2-32），水蒸氣對內(nèi)管外壁的冷凝給熱系數(shù)和流體對內(nèi)管內(nèi)壁的對流給熱系數(shù)，W/(m2·)；，內(nèi)管的外壁、內(nèi)壁的傳熱面積、總傳熱面積m2； 總傳熱系數(shù)，； 冷、熱流體溫度的對數(shù)平均溫差，。(TTW)m水蒸氣與外壁間的對數(shù)平均溫度差，； （2-33）(twt)m內(nèi)壁與流體間的對數(shù)平均溫度差，； （2-34）式中：Ts蒸汽溫度，；Tw1、Tw2、tw1、tw2外壁和內(nèi)壁上進、出口溫度，。當內(nèi)管材料導熱性能很好，即值很大，且管壁厚度很薄時，可認為Tw1tw1，Tw2tw2，即為所測得的該點的壁溫。由式（2-26）可得：   （2-35）  （2

29、-36）若能測得被加熱流體的V、t1、t2，內(nèi)管的換熱面積Ao或Ai，以及水蒸氣溫度T，壁溫Tw1、Tw2，則可通過式（2-29）算得實測的水蒸氣（平均）冷凝給熱系數(shù)；通過式（2-30）算得實測的流體在管內(nèi)的（平均）對流給熱系數(shù)。在水平管外，蒸汽冷凝給熱系數(shù)（膜狀冷凝），可由下列半經(jīng)驗公式求得： （2-37）式中：蒸汽在水平管外的冷凝給熱系數(shù)，W/(m2·)； 水的導熱系數(shù)，W/(m2·)； g 重力加速度，9.81m/s2； 水的密度，kg/m3； r 飽和蒸汽的冷凝潛熱，J/kg； 水的粘度，N·s/

30、m2；do內(nèi)管外徑，m；t蒸汽的飽和溫度ts和壁溫tw之差，。上式中，定性溫度除冷凝潛熱為蒸汽飽和溫度外，其余均取液膜溫度，即tm = (ts + tw) / 2，其中：tw = (Tw1 + Tw2) / 2。流體在直管內(nèi)強制對流時的給熱系數(shù)，可按下列半經(jīng)驗公式求得：湍流時： （2-38）式中：i流體在直管內(nèi)強制對流時的給熱系數(shù)，W/(m2·)； 流體的導熱系數(shù)，W/(m2·)；di內(nèi)管內(nèi)徑，m；Re流體在管內(nèi)的雷諾數(shù)，無因次；Pr流體的普朗特數(shù)，無因次。上式中，定性溫度均為流體的平均溫度，即t= (t1 + t2) / 2。過渡流時：  （2-39）

31、式中：  修正系數(shù)， 三、實驗裝置與流程1實驗裝置本實驗裝置由蒸汽發(fā)生器、套管換熱器及溫度傳感器、智能顯示儀表等構成。其實驗裝置流程如圖2-4所示。圖2-4 水蒸氣水對流給熱系數(shù)測定實驗流程圖1、水泵 2、蒸汽發(fā)生器 3、旁路閥 4、轉子流量計 6、蒸汽總閥7、蒸氣調(diào)節(jié)閥 8、9、冷凝水排放閥 10、水流量調(diào)節(jié)閥 11、惰性氣體排放閥來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進入玻璃套管換熱器，與冷水進行熱交換，冷凝水經(jīng)管道排入地溝。冷水經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥和LWQ-15型渦輪流量計進入套管換熱器內(nèi)管（紫銅管），熱交換后進入下水道。水流量可用閥門調(diào)節(jié)或電動調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)。2設備與儀表規(guī)格（1）紫銅管規(guī)格：直徑1

32、6×1.5mm，長度L=1010mm；（2）外套玻璃管規(guī)格：直徑112×6mm，長度L=1010mm；（3）壓力表規(guī)格：00.1Mpa。四、實驗步驟及注意事項1實驗步驟1）數(shù)據(jù)手動采集（1）檢查儀表、蒸汽發(fā)生器及測溫點是否正常。（2）打開總電源開關、儀表電源開關、電加熱電源開關。（3）蒸汽發(fā)生器中的溫度達到設定值后，啟動水泵，使內(nèi)管通以一定量的冷水，排除管內(nèi)空氣。（4）排除蒸汽管線中原積存的冷凝水（方法是：關閉進系統(tǒng)的蒸汽總閥6，打開蒸汽管凝結水排放閥8）。（5）排凈后，關閉凝結水排放閥8，打開進系統(tǒng)的蒸氣調(diào)節(jié)閥7，使蒸汽緩緩進入換熱器環(huán)隙（切忌猛開，防止玻璃炸裂傷人）以加

33、熱套管換熱器，再打開換熱器冷凝水排放閥8（冷凝水排放閥的開度不要開啟過大，以免蒸汽泄漏），使環(huán)隙中冷凝水不斷地排至地溝。（6）仔細調(diào)節(jié)進系統(tǒng)蒸氣調(diào)節(jié)閥7的開度，使蒸汽壓力穩(wěn)定保持在0.02MPa以下（可通過微調(diào)惰性氣體排空閥使壓力達到需要的值），以保證在恒壓條件下操作，再根據(jù)測試要求，由大到小逐漸調(diào)節(jié)冷水流量調(diào)節(jié)閥10的開度，合理確定36個實驗點，待穩(wěn)定后，分別從控制面板上讀取各有關參數(shù)。（7）實驗結束，首先關閉蒸汽源總閥，切斷設備的蒸汽來路，經(jīng)一段時間后，再關閉冷水泵，關閉儀表電源開關及切斷總電源。 2）數(shù)據(jù)自動采集開啟計算機，雙擊桌面的“MCGS運行環(huán)境”，確認進入，點擊“對流給

34、熱系數(shù)測定實驗（水蒸汽水體系）”，待達到實驗條件要求后，點擊“開始實驗”?！癕CGS運行環(huán)境”會每五分鐘自動記錄對流給熱儀表面板上的數(shù)據(jù)。在實驗結束時，點擊“退出實驗”。打開桌面上“對流給熱實驗數(shù)據(jù)處理”，在看到的“對流給熱_MCGS”中用鼠標單擊（水蒸汽水體系），就可打開自動采集的數(shù)據(jù)進行處理。2注意事項（1）一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的水，方可開啟蒸汽閥門，且必須在排除蒸汽管線上原先積存的凝結水后，方可把蒸汽通入套管換熱器中。（2）開始通入蒸汽時，要緩慢打開蒸汽閥門，使蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，由“冷態(tài)”轉變?yōu)椤盁釕B(tài)”不得少于5min，以防止玻璃管因突然受熱、受壓而爆裂。（3）

35、操作過程中，蒸汽壓力一般控制在0.02MPa（表壓）以下，因為在此條件下壓力比較容易控制。（4）測定各參數(shù)時，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，并且隨時注意惰氣的排空和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。每組數(shù)據(jù)應重復23次，確認數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性、可靠性。五、實驗報告1將冷流體給熱系數(shù)的實驗值與理論值列表比較，計算各點誤差，并分析討論。2說明蒸汽冷凝給熱系數(shù)的實驗值和冷流體給熱系數(shù)的實驗值的變化規(guī)律。3按冷流體給熱系數(shù)的模型式：，確定式中常數(shù)A及m。六、思考題1實驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響?2蒸汽冷凝過程中，若存在不冷凝氣體，對傳熱有何影響？應采取什么措施？3實驗過程中，冷凝水不及時排走會產(chǎn)生什么影響？如何及

36、時排走冷凝水？4實驗中，所測定的壁溫一般是接近蒸汽溫度還是冷水溫度？為什么？5如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗，對關聯(lián)式有何影響？附 實驗數(shù)據(jù)記錄實驗壓力： 實驗次數(shù)流量V(m3/h)t1()t2()TW1()TW1()Ts()P(KPa)1234計算結果實驗次數(shù)冷流體流量（m3/h）管內(nèi)理論值(w/m2)管內(nèi)實驗值(w/m2)總傳熱系數(shù)(w/m2)1234計算示例 1.數(shù)據(jù)處理方法：V=0.6m3/h、=10.4Kpa、進口溫度t1 =22.4、出口溫度 t2 =40.9 壁面溫度TW1=80、TW2=93.5、Ts=102.3、紫銅管規(guī)格：直徑16×1.5mm，長度L=1010mm

37、。 已知數(shù)據(jù)及有關常數(shù): (1)傳熱管內(nèi)徑di (mm)及流通斷面積 F(m2). di16.0-1.5×2()0.013 (); F(di2)43.14×(0.0130)240.0001327( m2). (2)傳熱管有效長度 L()及傳熱面積si(m2). L1.01（) siL di3.14×1.01×0.0130.04123(m2).(3) 傳熱管測量段水平均物性常數(shù)的確定,進口溫度t1 =22.6、出口溫度 t2 =40.9，則定性溫度，查（化工原理教材附錄）得水的密度，），Pr=5.42,),×10-5Pa.s傳熱管測量段上水的平均

38、普蘭特準數(shù)的0.4次方為: Pr0.45.420.41.966(4) 冷熱流體間的平均溫度差tm ()的計算: (5)其他計算傳熱速率(W)（W） （W/m2·） （W/m2·） 傳熱準數(shù) 測量段上水的平均流速（m/s）雷諾準數(shù) =20302.4（6）作圖、回歸得到準數(shù)關聯(lián)式中的系數(shù)及指數(shù)。實驗五 吸收實驗一、實驗目的1了解填料塔吸收裝置的基本結構及流程。2掌握總體積傳質(zhì)系數(shù)的測定方法。3測定填料塔的流體力學性能。4掌握氣相色譜儀和六通閥在線檢測CO2濃度和測量方法。5學會化工原理實驗軟件庫（組態(tài)軟件MCGS和VB實驗數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)）的使用。二、基本原理氣體吸收是典型的傳

39、質(zhì)過程之一。由于CO2氣體無味、無毒、廉價，所以氣體吸收實驗選擇CO2作為溶質(zhì)組分是最為適宜的。本實驗采用水吸收空氣中的CO2組分。一般將配置的原料氣中的CO2濃度控制在10%以內(nèi)，所以吸收的計算方法可按低濃度來處理。又CO2在水中的溶解度很小，所以此體系CO2氣體的吸收過程屬于液膜控制過程。因此，本實驗主要測定Kxa和HOL。1計算公式填料層高度Z為 （2-40）式中：L液體通過塔截面的摩爾流量，kmol / (m2·s)； Kxa x為推動力的液相總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol / (m3·s)； HOL傳質(zhì)單元高度，m； NOL傳質(zhì)單元數(shù)，無因次。令：吸收因數(shù)A=L/mG

40、（2-41） （2-42）2測定方法（1）空氣流量和水流量的測定本實驗采用轉子流量計測得空氣和水的流量，并根據(jù)實驗條件（溫度和壓力）和有關公式換算成空氣和水的摩爾流量。（2）測定塔頂和塔底氣相組成y1和y2。（3）平衡關系本實驗的平衡關系可寫成 （2-43） 式中：m相平衡常數(shù)，m=E/P；E亨利系數(shù)，Ef(t)，Pa，根據(jù)液相溫度測定值由附錄查得；P總壓，Pa，取壓力表指示值。 kmol/h (2-44) kmol/h （2-45）對清水而言，由全塔物料衡算可得X1。三、實驗裝置與流程1裝置流程本實驗裝置流程如圖2-5所示：水經(jīng)渦輪流量計后送入填料塔塔頂再經(jīng)噴淋頭噴淋在填料頂層。由風機輸送來

41、的空氣和由鋼瓶輸送來的二氧化碳氣體混合后，一起進入氣體混合穩(wěn)壓罐，然后經(jīng)轉子流量計計量后進入塔底，與水在塔內(nèi)進行逆流接觸，進行質(zhì)量和熱量的交換，由塔頂出來的尾氣放空，由于本實驗為低濃度氣體的吸收，所以熱量交換可略，整個實驗過程可看成是等溫吸收過程。閥門2圖2-5 吸收裝置流程圖2主要設備吸收塔：高效填料塔，塔徑100mm，塔內(nèi)裝有金屬絲網(wǎng)板波紋規(guī)整填料，填料層總高度2000mm.。塔頂有液體初始分布器，塔中部有液體再分布器，塔底部有柵板式填料支承裝置。填料塔底部有液封裝置，以避免氣體泄漏。四、實驗步驟與注意事項1填料塔的流體力學性能測定（手動操作）1）實驗步驟（1）熟悉實驗流程；檢查各儀表開關

42、閥門是否到位。（2）裝置上電，儀表電源上電，打開風機電源開關。（3）測定干塔時填料塔的壓降，即在進水閥關閉時，打開進氣閥并調(diào)節(jié)流量從2、4、6、8、10 m3/h、至最大，分別讀取對應流量下的壓降值，注意塔底液位調(diào)節(jié)閥要關閉，否氣體會走短路，尾氣放空閥全開。（4）測定一定噴淋量時填料塔的壓降，即打開進水閥，設定一定的水流量值，如200、400、600、800l/h時，在對應的某水流量下，調(diào)節(jié)氣體的流量，從2、4、6、8、10 m3/h、至最大（液泛），分別讀取對應流量下的壓降值，注意塔底液位調(diào)節(jié)閥2要調(diào)節(jié)液封高度，以免氣體走短路，尾氣放空閥全開。2）注意事項固定好操作點后，應隨時注意調(diào)整以保持

43、各量不變。2填料塔的吸收傳質(zhì)性能測定（手動操作）1）實驗步驟（1）熟悉實驗流程和弄清氣相色譜儀及其配套儀器結構、原理、使用方法及其注意事項；檢查各儀表開關閥門是否到位。（2）裝置上電，儀表電源上電，打開水泵電源開關。（3）開啟進水總閥，使水流量達到400l/h左右。讓水進入填料塔潤濕填料。（4）塔底液封控制：仔細調(diào)節(jié)液位閥門的開度，使塔底液位緩慢地在一段區(qū)間內(nèi)變化，以免塔底液封過高溢滿或過低而泄氣。（5）打開CO2鋼瓶總閥，并緩慢調(diào)節(jié)鋼瓶的減壓閥（注意減壓閥的開關方向與普通閥門的開關方向相反，順時針為開，逆時針為關），使其壓力穩(wěn)定在0.2Mpa左右。（6）仔細調(diào)節(jié)空氣流量閥至4m3/h，并調(diào)節(jié)

44、CO2調(diào)節(jié)轉子流量計的流量，使其穩(wěn)定在120l/h。（7）仔細調(diào)節(jié)尾氣放空閥的開度，直至塔中壓力穩(wěn)定在實驗值。（8）待塔操作穩(wěn)定后，讀取各流量計的讀數(shù)及通過溫度數(shù)顯表、壓力表讀取各溫度、壓力，通過六通閥在線進樣，利用氣相色譜儀分析出塔頂、塔底氣相組成。（9）增大水流量值至600l/h、800l/h，重復步驟（6）（7）（8），測定水流量增大對傳質(zhì)的影響。（10）實驗完畢，關閉CO2鋼瓶總閥，再關閉風機電源開關、關閉儀表電源開關，清理實驗儀器和實驗場地。2）注意事項（1）固定好操作點后，應隨時注意調(diào)整以保持各量不變。（2）先開風機再開水泵。（3）在填料塔操作條件改變后，需要有較長的穩(wěn)定時間，一定

45、要等到穩(wěn)定以后方能讀取有關數(shù)據(jù)。五、實驗報告1計算在一定噴淋量下的濕填料在不同空塔氣速下，與其相應的單位填料壓降的關系曲線，并在雙對數(shù)坐標系中作圖，找出泛點和載點。2計算實驗條下的液相體積總傳質(zhì)系數(shù)及液相總傳質(zhì)單元高度。六、思考題1本實驗中，為什么塔底要有液封？液封高度如何計算？2測定填料塔的流體力學性能有什么工程意義？3測定Kxa有什么工程意義？4為什么二氧化碳吸收過程屬于液膜控制？5當氣體溫度和液體溫度不同時，應用什么溫度計算亨利系數(shù)？6怎樣快速地調(diào)節(jié)氣體轉子流量計，使轉子穩(wěn)定在某一流量？7在線分析CO2組成時發(fā)現(xiàn)色譜儀不出現(xiàn)峰，你認為是何原因？怎樣判斷？（假設氣相色譜儀沒問題）測量條件：

46、色譜型號：GC-2000A柱類型：填充柱柱規(guī)格：GDX-103載氣類型：氫氣載氣流量：50ml/min進樣量：1ml柱溫：75進樣器溫度：75熱導：75 橋流：120-160原料氣：峰號峰名保留時間峰高峰面積含量1空氣 0.407137583.594349031.46996.28462二氧化碳 0.6653877.41213440.7533.7078尾氣：峰號峰名保留時間峰高 峰面積 含量1空氣 0.323142736.094355399.406 97.73482二氧化碳 0.5902326.473 8236.945 2.2652附實驗數(shù)據(jù)記錄G(m3/h)P(Kpa)L=0(m3/h)L=2

47、00(m3/h)L=400(m3/h)L=800(m3/h)24812152025.數(shù)據(jù)處理結果表logGlogP/ZL=0(m3/h)L=200(m3/h)L=400(m3/h)L=800(m3/h)以logG為橫坐標，LogP/Z為縱坐標在坐標紙上標繪曲線（Z=2m）。實驗裝置 號，操作壓力 Kpa氣相色譜條件：載氣流量（氫氣） ml/s，柱溫 ，進樣器 ，熱導溫度 ，橋流 氣量V（m3/h）水量（L/h）塔底含量（質(zhì)量）%塔頂含量（質(zhì)量）%氣溫T1()液溫T2()123計算結果：氣量V= m3/h實驗次數(shù)水量水量（L/h）塔底氣相組成（mol%）塔頂氣相組成（mol%）總傳質(zhì)單元數(shù)總傳質(zhì)系數(shù)kmol/(m3.h)123計算示例（以第一組數(shù)據(jù)為例）塔底wt %=3.7078得：塔頂wt %=2.2652得：kmol/h kmol/h Z=2m(取液體溫度下的E