化工實(shí)驗(yàn)教案

1、實(shí)驗(yàn)一 離心泵特性曲線的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解離心泵的結(jié)構(gòu)和特性。2 熟悉離心泵的操作方法。3 掌握離心泵特性曲線的測(cè)定方法及表示方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)定單級(jí)離心泵在一定轉(zhuǎn)速下的特性曲線。三、基本原理離心泵是應(yīng)用最廣泛的一種液體輸送設(shè)備。它的主要特性參數(shù)包括流量、揚(yáng)程H、功率N、效率h，這些參數(shù)之間存在著一定的關(guān)系。在一定的轉(zhuǎn)速下，H、N、h 都隨流量變化而變化，以曲線形式表示這些參數(shù)之間的關(guān)系就是離心泵的特性曲線。離心泵的特性曲線是選用離心泵和確定泵的適宜操作條件的主要依據(jù)。對(duì)任意一臺(tái)離心泵的特性曲線不能用解析法進(jìn)行計(jì)算，只能通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。流量的測(cè)定用離心泵的出口閥調(diào)節(jié)流量。大流量下通過渦

2、流流量傳感器和流量演算儀直接讀出流量值；小流量下由于渦輪傳感器上的信號(hào)失真，需要用計(jì)量槽和秒表實(shí)測(cè)流量，具體有： (21)式中 Q通過離心泵的流量， m3/s； A計(jì)量槽的橫截面積， m2； 流體流入計(jì)量槽的時(shí)間間隔， s； L時(shí)間內(nèi)計(jì)量槽液位上升高度， m.。揚(yáng)程的測(cè)定離心泵的揚(yáng)程又稱離心泵的壓頭，是指泵對(duì)單位重量的流體所提供的有效能量，其單位為m，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。在離心泵的吸入口（取截面1-1）和排出口（取截面2-2）之間列柏努力方程式得： Z1+H=+Hf(1-2) （22）整理得： H=(Z2-Z1)+ Hf(1-2)式中 Z1離心泵的吸入口處截面1-1的高度， m； Z2離心泵的排出

3、口處截面2-2的高度， m； p1離心泵的吸入口處截面1-1的壓強(qiáng)， Pa； p2離心泵的排出口處截面2-2的壓強(qiáng)， Pa； u1離心泵的吸入管內(nèi)流體的流速， m/s； u2離心泵的排出管內(nèi)流體的流速， m/s； 流體在實(shí)驗(yàn)溫度下的密度， Kg/m3； g重力加速度， m/s2； Hf(1-2)離心泵的入口和出口之間管路內(nèi)流體的流動(dòng)阻力，m。而Hf(1-2)為管路內(nèi)流動(dòng)阻力，不包括泵本身內(nèi)部的流動(dòng)阻力。當(dāng)所選截面很接近時(shí)，此值很小，可忽略不計(jì)。而壓強(qiáng)p1，p2可通過真空表和壓力表的讀數(shù)求出，讀數(shù)單位為Mpa。 p1=pap1×106+h1g (23) p2=pa+p2×10

4、6+h2g (24)式中 Pa當(dāng)?shù)卮髿鈮海?Pa； P1真空表讀數(shù)， Mpa； P2壓力表讀數(shù)， Mpa； h1真空表測(cè)壓管的高度， m； h2壓力表測(cè)壓管的高度， m。實(shí)驗(yàn)中有 h1= h2，則 H=(Z2 -Z1)+ (25)軸功率的測(cè)定離心泵的軸功率是指泵軸所需的功率，也就是電動(dòng)機(jī)直接傳遞給泵軸的功率大小。實(shí)驗(yàn)中不直接測(cè)定泵軸功率，而是用三相功率表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的輸入功率。 N=N電·h電·h傳 （26）式中 N電電動(dòng)機(jī)的輸入功率， ； h電電動(dòng)機(jī)的效率，從電動(dòng)機(jī)名牌上查得； h傳傳動(dòng)效率，聯(lián)軸器連接，h傳。N電由三相功率表直接測(cè)定，計(jì)算式如下 N電a·C

5、83;×10-3 （27）式中 a功率表偏轉(zhuǎn)格數(shù)； C功率表儀表常數(shù)，格；對(duì)33W型功率表，C=40W/格；離心泵的效率h泵的效率是有效功率與軸功率之比。 h= （28）式中 e泵的有效功率，指單位時(shí)間流體從泵獲得的功的大小， e=QHrg= （29） h= （210）式中 Q泵流量， m3/s； H泵揚(yáng)程， m； N泵的軸功率， KW。四、實(shí)驗(yàn)裝置與流程：1 實(shí)驗(yàn)流程裝置及流程如圖所示，水從水池經(jīng)底閥吸入水泵，增壓后經(jīng)出口閥調(diào)節(jié)流量大小，流經(jīng)渦輪流量傳感器、計(jì)量槽再流回水池。2 主要設(shè)備尺寸及儀表規(guī)格(1)循環(huán)水池，規(guī)格：長2000mm×寬1500mm×高110

6、0mm；(2)不銹鋼計(jì)量槽，規(guī)格：長800mm×寬400mm×高800mm；(3)1BA6離心泵一臺(tái)，進(jìn)口管為DN50，d內(nèi)=52.5mm；出口管為DN40，d內(nèi)=41mm；(4)LWGY渦輪流量傳感器一臺(tái)，儀表常數(shù)j=72.874.4；(5)LCD2型可編程流量演算儀一臺(tái)；(6)D33W型三相功率表一塊；離心泵性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖1- 離心泵 2-真空表 3-壓力表 4-變頻器 5-功率表 6-流量調(diào)節(jié)閥 7-實(shí)驗(yàn)管路 8-溫度計(jì)9-渦輪流量計(jì)10-實(shí)驗(yàn)水箱11-放水閥 12-頻率計(jì)五、實(shí)驗(yàn)步驟1 熟悉設(shè)備、流程及所用三相功率表、流量演算儀的使用方法。2 檢查泵軸的

7、潤滑情況，用手轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)軸器看是否轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。如轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，表明離心泵可以啟動(dòng)。3 打開泵的出口調(diào)節(jié)閥和充水閥，向泵殼內(nèi)灌水，直至泵殼內(nèi)空氣排凈。然后關(guān)閉泵的出口調(diào)節(jié)閥和充水閥。4 啟動(dòng)離心泵，緩慢打開調(diào)節(jié)閥至全開，使流量達(dá)到最大，進(jìn)行系統(tǒng)的排氣操作。5 數(shù)據(jù)測(cè)量。將離心泵的出口閥全部開啟，流量達(dá)到最大，開始記錄數(shù)據(jù)。從最大流量到最小流量（零）依此測(cè)取數(shù)據(jù)，大流量下流量值從演算儀上讀取；小流量下改用實(shí)測(cè)流量。實(shí)驗(yàn)中每調(diào)節(jié)一個(gè)流量后穩(wěn)定一段時(shí)間，然后同時(shí)記錄流量值、壓力表讀數(shù)、真空表讀數(shù)、功率表偏轉(zhuǎn)格數(shù)及轉(zhuǎn)速值，直到出口閥全部關(guān)閉，即流量為零時(shí)為止。注意不要忘記讀取流量為零時(shí)的各有關(guān)參數(shù)。6 實(shí)驗(yàn)完畢，

8、關(guān)閉泵的出口閥，停泵并關(guān)閉電源。做好清潔衛(wèi)生工作。7 測(cè)量水溫。取實(shí)驗(yàn)前后水溫的算術(shù)平均值作為測(cè)量溫度。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 繪制原始數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)整理表。2 在直角坐標(biāo)紙上繪制一定轉(zhuǎn)速下泵的特性曲線。3 寫出典型數(shù)據(jù)的計(jì)算過程，分析和討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。七、思考題1 為什么啟動(dòng)離心泵前要先灌泵？如果灌水排氣后泵仍啟動(dòng)不起來，你認(rèn)為可能是什么原因？2 為什么啟動(dòng)離心泵時(shí)要關(guān)出口調(diào)節(jié)閥和功率表開關(guān)？啟動(dòng)離心泵后若出口閥不開，出口處壓力表的讀數(shù)是否會(huì)一直上升，為什么？3 什么情況下會(huì)出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象？4 為什么泵的流量改變可通過出口閥的調(diào)節(jié)來達(dá)到？是否還有其它方法來調(diào)節(jié)流量？5 正常工作的離心泵，在其進(jìn)口管線上設(shè)閥

9、門是否合理？為什么？6 為什么在離心泵吸入管路上安裝底閥？7 測(cè)定離心泵的特性曲線為什么要保持轉(zhuǎn)速的恒定？8 為什么流量越大，入口真空表讀數(shù)越大而出口壓力表讀數(shù)越?。孔⒁馐马?xiàng)：（1）該裝置應(yīng)良好地接地。（2）啟動(dòng)離心泵前，關(guān)閉壓力表和真空表的開關(guān) 以免損壞壓強(qiáng)表。實(shí)驗(yàn)二、恒壓過濾實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解板框過濾機(jī)的構(gòu)造、流程和操作方法；2測(cè)定某一壓強(qiáng)下過濾方程式中過濾常數(shù)k、qe、qe，增進(jìn)對(duì)過濾理論的理解；3測(cè)定洗滌速率與最終過濾速率的關(guān)系。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用板框過濾機(jī)在恒定壓力(0.05Mpa，0.1MPa)下分離1015%碳酸鈣溶液，測(cè)定濾液量與過濾時(shí)間的關(guān)系并求得過濾常數(shù)。三、

10、基本原理過濾是將懸浮液送至過濾介質(zhì)的一側(cè)，在其上維持比另一側(cè)高的壓力，液體則通過介質(zhì)而成濾液，而固體粒子則被截流逐漸形成濾渣。過濾速率由過濾壓差及過濾阻力決定，過濾阻力由二部分組成，一為濾布，一為濾渣。因?yàn)闉V渣厚度隨時(shí)間而增加，所以恒壓過濾速率隨著時(shí)間而降低。對(duì)于不可壓縮性濾渣，在恒壓過濾過情況下，濾液量與過濾時(shí)間的關(guān)系可用下式表示： (V+Ve)2= K·A2·(q+qe） （31）式中： q 時(shí)間內(nèi)的濾液量 ； Ve虛擬濾液量 ； 過濾面積 ； 過濾常數(shù) ； q過濾時(shí)間 ； qe相當(dāng)于得到濾液Ve所需的過濾時(shí)間s。過濾常數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。為了便于測(cè)定這些常數(shù)，可將（31

11、)式改寫成下列形式： （q+qe)2=K（q+qe） （32）式中： q=是過濾時(shí)間為q 時(shí)，單位過濾面積的濾液量，m3/m2； qe=是在qe時(shí)間內(nèi)，單位過濾面積虛擬濾液量，m3/m2。1過濾常數(shù)、Ve 、qe的測(cè)定方法：將式（32）進(jìn)行微分，得 2（q+qe)dq=Kdq即 便 （33）此式形式與Y=A·X+B相同，為一直線方程。若以dq/dq為縱坐標(biāo)，q為橫坐標(biāo)作圖，可得一直線，其斜率為2/K，截距為2qe/K，便可求出K、qe和qe。但是dq/dq難以測(cè)定，故式（33）左邊的微分dq/dq可用增量比Dq/Dq代替，即： （34）因此，在恒壓下進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，只需測(cè)出一系列的Dq

12、、Dq值，然后以Dq/Dq為縱坐標(biāo)，以q為橫坐標(biāo)（q取各時(shí)間間隔內(nèi)的平均值）作圖，即可得到一條直線。這條直線的斜率為2/K，截距為2qe/K，進(jìn)而可算出K、qe的值。再以q=0，q=0代入式（32）即可求出qe。2洗滌率速率與最終過濾速率的測(cè)定在一定的壓強(qiáng)下，洗滌速率是恒定不變的，因此它的測(cè)定比較容易。它可以在水量流出正常后開始計(jì)量，計(jì)量多少也可根據(jù)需要決定。洗滌速率（)w為單位時(shí)間所得的洗滌量。 （)w= （35）式中： VW洗液量 m3； qW洗滌時(shí)間 s。VW，qW 均由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，即可算出（)w 。至于最終過濾速率的測(cè)定是比較困難的，因?yàn)樗且粋€(gè)變數(shù)，為了測(cè)得比較準(zhǔn)確，建議過濾操作要進(jìn)行

13、到濾框全部被濾渣充滿以后再停止。根據(jù)恒壓過濾基本方程，恒壓過濾最終速率為： （)E = （36）式中： （)E最終過濾速率； V整個(gè)過濾時(shí)間q 內(nèi)所得的濾液總量； q整個(gè)過濾時(shí)間q 內(nèi)通過單位過濾面積所得的濾液總量。其它符號(hào)的意義與式（31）相同。四、實(shí)驗(yàn)裝置及流程（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)備的特點(diǎn) 1.該實(shí)驗(yàn)設(shè)備由過濾板、過濾框組成的小型工業(yè)用板框過濾機(jī)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體美觀、簡(jiǎn)單，操作方便。 2.可測(cè)定過濾常數(shù): K， qe，e 及s，k。3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，重現(xiàn)性好。4.過濾壓力范圍（0.05-0.2MPa）。（二）設(shè)備的主要技術(shù)數(shù)據(jù)1.旋渦泵: 轉(zhuǎn)速: 2900轉(zhuǎn)/分 2.攪拌器: 型號(hào): KDZ-

14、1 ; 功率: 160w 轉(zhuǎn)速: 3200轉(zhuǎn)/分;3.過濾板: 規(guī)格: 160*180*11（mm）。4.濾布：型號(hào) 工業(yè)用；過濾面積0.0475m2。5.計(jì)量桶：長275mm、寬325mm。 HGL-B恒壓過濾常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置(板框過濾機(jī))（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程示意圖 圖一 恒壓過濾實(shí)驗(yàn)流程示意圖1調(diào)速器;2電動(dòng)攪拌器;3、4、6、11、14閥門;5、7壓力表8板框過濾機(jī); 9壓緊裝置;10濾漿槽;12旋渦泵；13-計(jì)量桶 。: (見圖一) 如圖一所示，濾漿槽內(nèi)配有一定濃度的輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液（濃度在2-4%左右），用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行均勻攪拌(漿液不出現(xiàn)旋渦為好)。啟動(dòng)旋渦泵，調(diào)節(jié)閥門3使壓力表5指

15、示在規(guī)定值。濾液在計(jì)量桶內(nèi)計(jì)量。五、實(shí)驗(yàn)方法1準(zhǔn)備工作（1）仔細(xì)了解板框壓濾機(jī)的濾板，濾框的構(gòu)造及濾板的排列順序。過濾時(shí)濾液及洗滌時(shí)洗水流徑的路線。（2）測(cè)量所用該塊濾框的過濾面積。（3）檢查各閥門的開啟位置，并使其處于關(guān)閉狀態(tài)。（4）按順序排列濾板與濾框（1232123）。為了節(jié)省時(shí)間，實(shí)驗(yàn)時(shí)只用一組板框，因此要把其余組框用盲板（橡膠墊）同實(shí)驗(yàn)用的板框隔開。濾布應(yīng)先濕透，然后安裝，安裝時(shí)濾布孔要對(duì)準(zhǔn)濾機(jī)孔道，表面要拉平整，不能起縐。（5）配置濾漿首先打開進(jìn)水閥、溢流閥，使料漿管水位至溢流口時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閥及溢流閥。然后啟動(dòng)空壓機(jī)，打開壓縮空氣進(jìn)口閥，使料漿罐內(nèi)液體處于均勻攪拌狀態(tài)，從加料口加入

16、超輕碳酸鈣，使其質(zhì)量濃度為810%范圍內(nèi)，全開壓力調(diào)節(jié)閥，封閉加料口。（6）準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)用的儀器及工具（如秒表、量筒、溫度計(jì)等）。2實(shí)驗(yàn)工作（1）調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口閥門及壓力調(diào)節(jié)閥使料漿罐維持正常的操作壓力（0.05MPa或0.1MPa表壓）。（2）將計(jì)量用量筒放置于濾液出口處，準(zhǔn)備好秒表。（3）開啟壓濾機(jī)和濾漿管入口閥門以及濾液出口閥，操作過程中不斷調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥,恒定壓力應(yīng)以板框入口處壓力表讀數(shù)為準(zhǔn)。（4）當(dāng)有濾液流出時(shí)，開始記錄時(shí)間，連續(xù)記錄一定濾液量所需時(shí)間。開始時(shí)，濾液流量較大，可按每1000ml濾液量讀取一個(gè)時(shí)間。當(dāng)濾液流量減小時(shí)，可按每500或200ml濾液量讀取一個(gè)時(shí)間。（5）當(dāng)流速

17、減慢，濾液呈滴狀流出時(shí)，即可停止操作。關(guān)閉濾漿管入口閥門及濾液出口閥，開始進(jìn)行洗滌操作。（6）將水放進(jìn)洗滌罐，關(guān)閉進(jìn)水閥。打開洗水壓縮空氣閥，維持洗滌壓力和過濾壓力一致，開啟洗水進(jìn)口閥，進(jìn)行洗滌，洗水穿過濾渣后流入計(jì)量筒，同時(shí)記錄時(shí)間。測(cè)取有關(guān)數(shù)據(jù)，記錄2組洗滌數(shù)據(jù)。（7）洗滌完畢，關(guān)閉所有閥門，全開壓力調(diào)節(jié)閥，待壓力表讀數(shù)為0時(shí)，旋開壓緊螺桿，并將板框打開，卸出濾渣。清洗濾布，整理板框，重新組合，調(diào)節(jié)另一壓力，進(jìn)行下一次操作。 六、注意事項(xiàng) (1) 檢查真空泵內(nèi)真空泵油是否在視鏡液面以上。(2) 過濾漏斗如圖一安裝，在濾漿中潛沒一定深度，讓過濾介質(zhì)平行于液面，以防止空氣被抽入造成濾餅厚度不均

18、勻。(3) 用放空閥7調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)內(nèi)的真空度恒定，以保證恒壓狀態(tài)下操作。(4) 電動(dòng)攪拌器使用方法： 啟動(dòng)前，旋轉(zhuǎn)攪拌軸，檢查是否靈活好用。 將調(diào)速器指針調(diào)至零位。 打開調(diào)速器開關(guān)。（不允許高速擋位啟動(dòng)）。 攪拌狀態(tài)下轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異常或?qū)嶒?yàn)完畢后，將調(diào)速指針恢復(fù)至零位。七、思考題1為什么過濾開始時(shí)，濾液常有渾濁，過一定時(shí)期才轉(zhuǎn)清？2濾漿濃度和過濾壓強(qiáng)對(duì)K值有何影響？3有哪些因素影響過濾速率？4q取大些好，還是取小一些好?同一次實(shí)驗(yàn)，q取得不同，所得出k、qe之值會(huì)不會(huì)不同？做q圖時(shí)，q值為什么取兩時(shí)間間隔的平均值?實(shí)驗(yàn)三、對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)會(huì)對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定方法。2 測(cè)定空

19、氣在圓形直管內(nèi)(或螺旋槽管內(nèi))的強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)，并把數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，以檢驗(yàn)通用的對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。3 了解影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)定不同空氣流量下空氣和水蒸汽在套管換熱器中的進(jìn)、出口溫度，求得空氣在管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)。三、基本原理1準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)是研究傳熱過程及換熱器性能的一個(gè)很重要的參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常采用間壁式換熱裝置來達(dá)到物料的冷卻和加熱目的，這種傳熱過程是冷熱流體通過固體壁面（傳熱元件）進(jìn)行的熱量交換，由熱流體對(duì)固體壁面的對(duì)流傳熱、固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對(duì)冷流體的對(duì)流傳熱所組成。由傳熱速率方程式知，單位時(shí)間、單位傳熱面所傳

20、遞的熱量為 q=K(T-t) （51）而對(duì)流傳熱所傳遞的熱量，對(duì)于冷熱流體可由牛頓定律表示 q=ah·(T-Tw1) （52）或 q=ac·(tw2-t) （53）式中 q傳熱量， W/m2； a給熱系數(shù)， W/m2· T熱流體溫度， ； t冷流體溫度， ； Tw1、tw2熱、冷流體側(cè)的壁溫， ； 下標(biāo)：c冷側(cè) h熱側(cè)。由于對(duì)流傳熱過程十分復(fù)雜，影響因素極多，目前尚不能通過解析法得到對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)系式，它必須由實(shí)驗(yàn)加以測(cè)定獲得各影響因素與對(duì)流傳熱系數(shù)的定量關(guān)系。為了減少實(shí)驗(yàn)工作量，采用因次分析法將有關(guān)的影響因素?zé)o因次化處理后組成若干個(gè)無因次數(shù)群，從而獲得描述對(duì)流

21、傳熱過程的無因次方程。在此基礎(chǔ)上組織實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到相應(yīng)的關(guān)系式，如流體在圓形（光滑）直管中做強(qiáng)制對(duì)流傳熱時(shí)傳熱系的變化規(guī)律可用如下準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式表示 Nu=CRemPrn (54) (55) (56)式中 Nu努塞爾特準(zhǔn)數(shù)； Re雷諾準(zhǔn)數(shù)； Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)； w空氣的質(zhì)量流量， Kg¤s； d熱管內(nèi)徑， m； A換熱管截面積， m2； m定性溫度下空氣的粘度， Pa·S； l定性溫度下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)， W¤(m·)； a對(duì)流傳熱系數(shù)， W¤(m2·)。當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4；被冷卻時(shí)，n=0.3。此式的適用范圍：Re>

22、10000，0.7<Pr<120，長與管徑比，低粘度的流體(<2倍常溫下水的粘度)。計(jì)算各物理量的定性溫度用進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。對(duì)空氣而言，在較大的溫度和壓力范圍內(nèi)Pr準(zhǔn)數(shù)實(shí)際上保持不變，取Pr =0.7。因空氣被加熱，取n=0.4，則（54）式可簡(jiǎn)化為： (C=C·Prn=0.867C) （57）對(duì)于螺旋槽管的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式：2對(duì)流傳熱系數(shù)a的測(cè)定在套管換熱器中，環(huán)隙中通水蒸汽，內(nèi)管管內(nèi)通空氣，水蒸冷凝放熱加熱空氣，當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定之后空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)ai與總傳熱系數(shù)K有以下關(guān)系： （58）式中 d管壁厚度， m； l管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)， W¤ (m&#

23、183;)； ai管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)， W¤ (m2·)； ao管外對(duì)流傳熱系數(shù)， W¤ (m2·)。因管內(nèi)流動(dòng)的是空氣，管外流動(dòng)的是水蒸汽，所以兩側(cè)污垢熱阻可不計(jì)。式中為黃銅管壁熱傳導(dǎo)的熱阻，其中d=0.001m，l=377W¤ (m·)，所以很小，為蒸汽冷凝膜的熱阻，與相比很小可以忽略，所以。根據(jù)傳熱速率方程和熱量衡算式有如下關(guān)系 (59)其中 式中 Q傳熱速率， W； K總傳熱系數(shù)， W¤ (m2·)； W空氣的質(zhì)量流量， Kg¤s； Cp空氣的平均比熱， J¤(Kg·)； t出空

24、氣出口溫度， ； t進(jìn)空氣進(jìn)口溫度， ； Dt對(duì)數(shù)平均溫度差， ； T蒸汽溫度， 。于是式(59)可改寫成 Q= （510）從而得到管內(nèi)空氣對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算式 (511)式中 VS空氣的體積流量， m3¤s； r流經(jīng)流量計(jì)處空氣密度， Kg¤m3。所以當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定后，用蒸汽溫度可計(jì)算出Dtm，利用儀器測(cè)出各數(shù)據(jù)，就能計(jì)算出實(shí)測(cè)值ai，從而整理出Nu準(zhǔn)數(shù)與Re準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，最后確定出式中的C與指數(shù)m。3Re與Nu的計(jì)算 （512）式中 di管內(nèi)徑， m； m定性溫度下空氣的粘度， Pa·S； （513）式中 l定性溫度下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)， W¤(m

25、·)。4流量的測(cè)量和密度的計(jì)算 (514)式中 Pa大氣壓強(qiáng)(可取當(dāng)?shù)卮髿鈮? mmHg Rp流量計(jì)前端被測(cè)介質(zhì)表壓強(qiáng) mmHg t流量計(jì)前端被測(cè)介質(zhì)溫度(可取t=t進(jìn)) 式中 V0轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)； rgo標(biāo)定轉(zhuǎn)子時(shí)空氣的密度； rs實(shí)際操作情況時(shí)氣體密度。四、 實(shí)驗(yàn)裝置五、 實(shí)驗(yàn)裝置的基本功能和特點(diǎn)本實(shí)驗(yàn)裝置是以空氣和水蒸汽為介質(zhì)，對(duì)流換熱的簡(jiǎn)單套管換熱器和強(qiáng)化內(nèi)管的套管換熱器。通過對(duì)本換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，可以掌握對(duì)流傳熱系數(shù)i的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解。并應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。通過對(duì)管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣-水蒸

26、氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化比Nu/Nu0，了解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。實(shí)驗(yàn)裝置的主要特點(diǎn)如下： 1.實(shí)驗(yàn)操作方便,安全可靠。 2.數(shù)據(jù)穩(wěn)定,強(qiáng)化效果明顯，用圖解法求得的回歸式與經(jīng)驗(yàn)公式很接近。 3.水,電的耗用小,實(shí)驗(yàn)費(fèi)用低。4.傳熱管路采用管道法蘭聯(lián)接,不但密封性能好,而且拆裝也很方便。箱式結(jié)構(gòu)，外觀整潔，移動(dòng)方便。（二）強(qiáng)化套管換熱器實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介強(qiáng)化傳熱又被學(xué)術(shù)界稱為第二代傳熱技術(shù)，它能減小初設(shè)計(jì)的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動(dòng)力消耗，

27、更有效地利用能源和資金。強(qiáng)化傳熱的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋線圈的方法來強(qiáng)化傳熱的。蒸汽支路控制閥10普通管套管換熱器旁路調(diào)節(jié)閥孔板流量計(jì)強(qiáng)化管套管換熱器風(fēng)機(jī)出口管蒸汽支路控制閥11空氣支路控制閥9空氣支路控制閥8氣-汽對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)裝置（三）設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)：1. 傳熱管參數(shù): 表1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di（mm）20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do（mm）22.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di（mm）50實(shí)驗(yàn)外管外徑Do（mm）57.0測(cè)量段（紫銅內(nèi)管）長度l（m）1.50強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物（螺旋線圈）尺寸絲徑h（mm）1節(jié)距H（mm）40加熱釜操作電壓200伏 操作電流10安2. 空氣

28、流量的測(cè)定：孔板流量計(jì)與壓力傳感器及數(shù)字顯示儀表組成空氣流量計(jì)。 3.溫度測(cè)量： (1) 空氣進(jìn)、出傳熱管測(cè)量段前的溫度由電阻溫度計(jì)測(cè)量，可由數(shù)字顯示儀表直接讀出。 (2) 管外壁面平均溫度Tw( )由數(shù)字式毫伏計(jì)測(cè)出與其對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)E(mv,熱電偶是由銅康銅組成),再由 E 根據(jù)公式:Tw()=8.521.26×E(mv)計(jì)算得到。 4.電加熱釜：加熱電壓由PT-139E控制儀表來控制。5. 旋渦氣泵, 型號(hào)：XGB2。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程圖: 見附圖所示。普通套管換熱器；2、內(nèi)插有螺旋線圈的強(qiáng)化套管換熱器；3、蒸汽發(fā)生器；4、旋渦氣泵；5、旁路調(diào)節(jié)閥；6、孔板流量計(jì)；7、風(fēng)機(jī)出口溫度

29、（冷流體入口溫度）測(cè)試點(diǎn)；8、9空氣支路控制閥；10、11、蒸汽支路控制閥；12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位計(jì)；18、冷凝液回流口附圖：空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1 把蒸汽發(fā)生器加蒸餾水至恒定水位，然后關(guān)閉蒸汽閥，打開總電源開關(guān)，給溫控儀設(shè)定適當(dāng)溫度。2 待蒸汽發(fā)生器內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，打開蒸汽閥門，使蒸汽進(jìn)入套管環(huán)隙，并打開放氣閥排除不凝性氣體。微開排液閥，以便冷凝水及時(shí)排除。3 打開空氣旁通閥，開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥門使流量到指定刻度，待穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)4 改變空氣流量，穩(wěn)定后，讀取數(shù)據(jù)。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)閥后

30、關(guān)閉風(fēng)機(jī)，最后關(guān)閉總電源開關(guān)。6 讀大氣壓力計(jì)值，記錄操作條件下大氣壓強(qiáng)值。注意:實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)及時(shí)排除不凝性氣體和冷凝水。但在排放過程中，盡量不要影響實(shí)驗(yàn)操作的穩(wěn)定性。六、注意事項(xiàng) (1) 檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)給水量。(2) 必須保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽支路控制閥之一必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開啟和關(guān)閉控制閥必須緩慢，防止管線截?cái)嗷蛘羝麎毫^大突然噴出。(3) 必須保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，兩個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥必

31、須全開。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開啟和關(guān)閉控制閥。 (4) 電源線的相線，中性線不能接錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)桌鐵架一定要接地(最起碼也要接中性線)。七、數(shù)據(jù)整理表、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)圖及回歸結(jié)果表1 普通管實(shí)驗(yàn)記錄1234567孔板壓差（Kpa)5.354.573.772.832.081.360.56空氣入口溫度t1(）44.5042.9039.8037.8034.7032.9032.00t1(Kg/m3)1.121.131.141.141.151.161.16空氣出口溫度t2(）69.3068.9067.6067.2066.4066.5068.40壁面熱電勢(shì)Tw(mv)4.224.234.234.234

32、.234.234.23壁面溫度Tw (）98.2098.4298.4298.4298.4298.4298.42管內(nèi)平均溫度at(）56.9055.9053.7052.5050.5549.7050.20at(kg/ m3)1.091.091.101.101.111.111.11at*1002.872.872.852.842.832.822.82Cp at1009.1009.1009.1009.1009.1009.1010.at *100001.991.981.971.971.961.961.96管內(nèi)平均溫差t(）24.8026.0027.8029.4031.7033.6036.40平均溫差tm(

33、）40.0341.1643.2444.3046.0646.7245.83空氣流量Vt1(m3/h)51.7947.7743.2137.3431.8825.7216.49管內(nèi)流量V(m3/h)53.8249.7345.1339.1133.5327.1317.47u(m/s)47.5843.9739.9034.5829.6423.9915.45傳熱量qc(W)407395386355329283198i（W/m2·）1621531421271149769Re52012483104432938645334592719717466Nu11310710090816849Nu/(Pr0.4)13

34、0123115104937956表2 強(qiáng)化管實(shí)驗(yàn)記錄1234567孔板壓差（Kpa)3.963.172.451.921.521.18空氣入口溫度t1(）38.1037.9035.2032.2030.2028.90t1(Kg/m3)1.141.141.151.161.171.17空氣出口溫度t2(）72.8073.5073.3072.8072.6072.60壁面熱電勢(shì)Tw(mv)4.244.244.244.244.244.24壁面溫度Tw (）98.6398.6398.6398.6398.6398.63管內(nèi)平均溫度at(）55.4555.7054.2552.5051.4050.75at(kg/

35、m3)1.091.091.101.101.101.11at*1002.862.862.852.842.832.83Cp at100910091009100910091009at *100001.9831.9841.9771.9691.9641.961管內(nèi)平均溫差t(）34.735.638.140.642.443.7平均溫差tm(）40.7540.3541.5142.9843.8744.35空氣流量Vt1(m3/h)44.3039.6334.7230.6127.1723.90管內(nèi)流量V(m3/h)46.7741.9036.8632.6529.0725.63u(m/s)44.6439.9935.1

36、831.1627.7424.46傳熱量qc(W)496.6456.0431.1408.8381.3347.0i（W/m2·）201.51186.90171.75157.29143.71129.40Re473124232537513335233001226547Nu135.53125.62115.88106.6197.7088.12Nu099.6391.5083.4376.5570.3464.03Nu/Nu01.361.371.391.391.391.38Nu/(Pr0.4)156.6145.1133.9123.2112.9101.8八、思考題1 實(shí)驗(yàn)過程中，蒸汽溫度改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有什

37、么影響？如何保持蒸汽溫度恒定？2 本實(shí)驗(yàn)中，空氣與蒸汽流徑能否改變？這樣安排的優(yōu)點(diǎn)是什么？3 實(shí)驗(yàn)過程中，如何判斷傳熱達(dá)到穩(wěn)定？4 蒸汽冷凝過程中不凝性氣體存在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有什么影響？應(yīng)采取什么措施解決？實(shí)驗(yàn)四、精餾塔全塔效率的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解精餾裝置的基本流程及篩板精餾塔的結(jié)構(gòu)，熟悉精餾操作方法；2. 測(cè)定全回流條件下總板效率(或單板效率)。二、實(shí)驗(yàn)原理 在板式精餾塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降，氣液兩相在塔板上接觸以實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)，以達(dá)到分離的目的。如果在每層塔板上，離開塔板的液體組成與蒸汽組成處于平衡狀態(tài)，則該塔板稱為理論板。然而在實(shí)際操作的塔中，由于接觸時(shí)間有限，氣液兩

38、相不可能達(dá)到平衡，即實(shí)際塔板達(dá)不到一塊理論板的分離效果，因此精餾塔所需要的實(shí)際板數(shù)總比理論板數(shù)多。對(duì)二元物系，全回流時(shí)，根據(jù)塔頂、塔底氣液組成可求出理論塔板數(shù)。理論塔板數(shù)與實(shí)際塔板數(shù)之比即為塔的總板效率E 。數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1） 式中：總板效率； 理論板層數(shù)； 實(shí)際板層數(shù)。 理論板層數(shù)的求法可用圖解法。本實(shí)驗(yàn)是使用乙醇正丙醇二元物系在全回流條件下操作，只需測(cè)定塔頂餾出液組成和釜液組成又，即可用圖解法求得，實(shí)際板層數(shù)為已知，所以利用式(1)可求得塔效率。三、精餾塔實(shí)驗(yàn)裝置篩板塔精餾實(shí)驗(yàn)開總電源電加熱調(diào)壓關(guān)總電源電加熱開關(guān)回流比開關(guān)測(cè)溫點(diǎn)切換0塔頂1塔底2、進(jìn)料加熱電流加熱電壓溫度回流比概貌控制

39、面板（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)備的特點(diǎn) 1. 該精餾裝置全部采用不銹鋼材料制成并安裝玻璃觀測(cè)管能夠在實(shí)驗(yàn)過程中使學(xué)生可以清晰見到每塊塔板上氣液傳質(zhì)過程的全貌,擴(kuò)展學(xué)生的視野,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。 2. 該精餾裝置具有節(jié)電的優(yōu)點(diǎn)。每套裝置只需1.5千瓦左右的電負(fù)荷,就可以完成全回流和部分回流各種條件下的精餾操作實(shí)驗(yàn),而且設(shè)備造價(jià)較低,經(jīng)久耐用。3. 設(shè)備小型化,學(xué)生易于操作,且數(shù)據(jù)重現(xiàn)性良好。（二）設(shè)備的主要技術(shù)數(shù)據(jù) (一) 精餾塔 名 稱直 徑（毫米）高度（毫米）板間距（毫米）板 數(shù)(塊)板型、孔徑（毫米）降液管材 質(zhì)塔 體76×3.58001009篩板 1.88×1.5不銹鋼塔 釜100

40、×2300不銹鋼 (二) 物系 (乙醇正丙醇) 1. 純度:分析純. 2. 料液濃度:15-25(乙醇質(zhì)量百分?jǐn)?shù)).3. 濃度分析用阿貝折光儀(用戶自備).(三)儀器儀表：1. 電流變送器： 型號(hào)：PA-139 規(guī)格：（0-20）A2.回流比顯示儀：型號(hào)：PT-139E 規(guī)格：（0-99）4.溫度顯示儀：型號(hào)：PT-139 規(guī)格：（0-150）5.電壓變送器：型號(hào)：PZ-139 規(guī)格：（0-220）V（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程示意圖: 見附圖一所示. 四、實(shí)驗(yàn)步驟1熟悉裝置在使用本設(shè)備前應(yīng)了解設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，以及所需的控制儀表盤的布置情況，并按正確的操作方法使用設(shè)備。 2加料配制一定濃度(1

41、5%(v)左右)的酒精-正丙醇溶液由供料泵注入蒸餾釜內(nèi)至液位計(jì)上的標(biāo)記為止。3預(yù)熱通電啟動(dòng)，調(diào)節(jié)電壓到140180V，對(duì)釜內(nèi)料液加溫，并開啟冷卻水閥，仔細(xì)觀察塔內(nèi)汽液二相的狀況，控制加熱量（用調(diào)節(jié)電壓來實(shí)施）。進(jìn)行全回流操作，控制蒸發(fā)量，4全塔效率測(cè)定當(dāng)塔頂氣液鼓泡正常，操作穩(wěn)定，且待塔頂、塔釜溫度恒定不變后，即可開始取樣。分別由塔頂取樣管和釜底取樣考克用注射器接取適當(dāng)試樣，取樣前應(yīng)先取少量試樣將注射器沖洗一、二遍。用阿貝折光儀分析其組成6結(jié)束完成以上各操作步驟后，觀察有無漏液現(xiàn)象。將電源調(diào)壓器減小至零，關(guān)閉加熱器，最后切斷電源，待塔內(nèi)無回流時(shí)關(guān)閉冷卻水，清理現(xiàn)場(chǎng)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算過程及結(jié)果(

42、1) 全回流塔頂樣品折光指數(shù)nD1.3610乙醇的質(zhì)量分率58.84411642.61325 ×nD 58.84411642.61325 ×1.3610 =0.847摩爾分率 同理：塔釜樣品折光指數(shù)nD1.3780乙醇的質(zhì)量分率58.84411642.61325 ×nD 58.84411642.61325 ×1.3780 =0.132 摩爾分率xw=0.155在平衡線和操作線之間圖解理論板4.03 （見圖二） 全塔效率(2) 部分回流（R=4）塔頂樣品折光指數(shù)nD1.3640，塔釜樣品折光指數(shù)nD1.3785，進(jìn)料樣品折光指數(shù)nD1.3740由全回流計(jì)算

43、出質(zhì)量、摩爾濃度XD0.77 ；Xw0.129；Xf0.351進(jìn)料溫度tf29.6，在Xf0.351下泡點(diǎn)溫度88.7乙醇在59.15下的比熱Cp1=3.07（kJ/kg.），正丙醇在59.15下的比熱Cp2=2.85（kJ/kg.）乙醇在88.7下的汽化潛熱r1=819（kJ/kg）正丙醇在88.7下的汽化潛熱r2=680（kJ/kg）混合液體比熱Cpm=46×0.351×3.07+60×（1-0.351）×2.85=160.54（kJ/kmol.）混合液體汽化潛熱r pm=46×0.351×819+60×（1-0.351）×680=39702（kJ/kmol） q線斜率5.16在平衡線和精餾段操作線、提餾段操作線之間圖解理論板板數(shù)4.55（見圖三） 全塔效率附圖一、精餾實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖1-高位槽；2-精餾塔塔體；3-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4-電加熱器；5-塔頂冷凝器；6-線圈；7-回流比控制器；8-塔頂產(chǎn)品接料瓶；9-液面計(jì)；10塔釜產(chǎn)品冷卻器；11-塔釜產(chǎn)品出料管 實(shí)驗(yàn)五、干燥曲線和干燥速率曲線的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解洞道式循環(huán)干燥器