1、化工技术基础实验指导书绪论 化工原理是化工类专业的一门技术基础课程。该课程具有理论性强和实践性强的双重特点。化工技术基础实验是该课程的重要实践教学内容。一、化工技术基础实验的教学目的1、巩固和深化理论知识化工原理课程中所讲授的工程概念、工程理论和技术方法等，需要通过实践环节加深理解。通过该实验，学生可对于化工原理课程中各单元操作的基本原理、公式中各种参数的来源及公式的使用范围会有更完整而深刻的认识。2、培养学生从事实验研究的能力 高等理工科院校的学生，作为今后的科技工作者，必须具备一定的通过实验进行科技开发研究的能力，科技实验能力是基本而重要的。基本的实验能力主要包括：（1）为了完成某一研究课
2、题，选择实验方法并设计实验方案的能力；（2）进行实验时，观察现象、测取记录数据和分析实验现象的能力；正确选择和使用测量仪表的能力：（3）利用实验的原始数据进行数据处理以获得实验结果的能力；（4）运用文字表达书写技术报告的能力。这些能力是进行科学研究的基础，学生只有通过一定数量的基础实验与综合实验的训练，才能学会和掌握基本的实验能力。3、培养学生严谨的科学态度从实验操作、现象观察到数据处理等各个环节都要及时、准确，不容丝毫马虎。如果粗心大意，敷衍了事，轻则实验数据检测不准，得不出什么研究结论，重则会造成设备或人身事故。总之，实验环节对于学生能力的培养是不容忽视的，对于学生操作技能和观察分析问题能
3、力的训练是书本无法代替的。对于化工类专业的学生来说，化工技术基础实验虽仅是工程实践学习的开始，但其为后续工程专业课程的学习奠定了重要的基础。二、化工技术基础实验的要求对于学生来说化工技术基础实验是第一次用工程装置进行实验，学生往往感到陌生，无从下手。因为实验过程中的操作和检测数据较多，故工程实验一般均是分小组进行的，这样同时培养学生既分工，又合作的协调能力。但是，每个学生都要有责任感、主管意识和配合意识，绝对不要有依赖心理。要求每个学生必须认真做好以下几方面：1、实验前的准备 学生实验前必须认真的预习实验指导书，清楚的了解实验目的、要求、原理及实验操作步骤，对于实验所涉及到的测量仪表也要预习它
4、们的使用方法。有计算机辅助教学手段时，让学生进行计算机仿真练习，熟悉实验装置、流程、各操作步骤和注意事项。有条件的话还要进行实验现场观察了解。学生们在预习和仿真练习的基础上写出实验预习报告。预习报告的内容主要包括实验目的、原理、装置流程示意图、各操作步骤和注意事项。经实验指导教师检查提问后方可进行实验。2、实验中的操作 实验操作是动手动脑的重要过程，学生一定要严格按照实验操作规程（步骤）进行，一点的误操作都有可能引起实验设备的不正常。对于要测取的各项目，要预计好测量点的范围及测点数目，要合理布点。调试时要求细心，操作平稳。对于实验过程中的现象、仪表读数要随时仔细观察，并且保持在预定值上。测取的
5、实验数据要记录在表格内，并注明单位。记录好实验环境条件的数据。实验现象要尽量详细记录在记录本内，绝对不应记在随便取来的零散纸上，有些当时不能理解的实验现象，重复进行一遍仍然如此，需如实记录下来，待实验结束经过思考后，提出自己的看法和结论。学生在实验操作中培养自己严谨的科学作风，实事求是的科学精神。3、实验成果的总结 任何实验均是以获得成果为目的的。实验成果是通过科学地处理实验数据，分析总结所得研究规律，书写实验报告，提交出书面实验报告，以这种技术文件的形成来表达实验研究成果的。书写实验报告是学生用文字、表格、曲线等方式表达技术资料的一种基本而重要的训练，应对完成实验报告的过程有足够的重视，学生
6、应提前浏览一些科技研究报告或科技研究论文。实验报告应包括以下内容：实验目的、原理、装置流程图、操作步骤，操作注意事项。原始数据记录表、数据处理过程中数据表、数据处理结果数据表。反映研究规律的曲线图（或表） 。研究规律分析讨论，研究结论。以 1-2 个实验点为例，表达根据实验原始数据进行数据处理的各个计算步骤的原理和具体计算过程。有时还要回答所要求的实验思考题。实验报告必须书写工整，内容层次清晰，语言通畅，图形绘制清晰整洁。实验报告是评价实验效果的主要依据。临界雷诺数的测定一、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。二、基本原理流体流动有两种流动型态，层流(滞流)和湍流(紊
7、流)。流体层流流动时，其流体质点作互相平行运动；湍流时流体质点紊乱地向各个方向作不规则的运动，但流体的主体向某一方向流动。雷诺准数是判断流动型态的准数，若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：式中，Re雷诺准数，无因次； d管子内径，m； duReu流体流速，m/s； 流体密度，kg/m 3； 流体粘度；Pas。 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。本实验通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体流型的变化，一般认为 Re2000 时，流动型态为层流；Re4000 时。流动为湍流；2000Re4000 时，流动为过渡流。三、实验装置与实验步骤实验装置如
8、图 1 所示。主要由玻璃试验导管10、低位贮水槽 3、循环水泵 2、高位水槽 7 和转子流量计 6 等部分组成。 1、打开泵入口阀 12，关闭流量计调节阀 4 和排污阀 11，将自来水充满低位贮水槽 3 后启动循环水泵。2、打开泵入口阀 12，将高位水槽 7 充满水至溢流管 5 中有水流出。3、打开流量计调节阀 4，水由高位水槽 7 经试验导管 10、转子流量计 6 流回低位贮水槽 3。水流量的大小，由流量计调节阀 4 调节。泵的入口阀12 控制溢流管 5 的溢流量。4、示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶 8，经连接软管和红墨水喷针 9 注入试验导管。红墨水喷针 9 出口位于试验导管入口的轴线
9、部位。5、先少许开启流量计调节阀 4，使水缓慢流过玻璃实验导管 10，这时可以观察到玻璃实验导管10 中的红色直线，说明水流动为层流。逐渐开大流量计调节阀 4，当玻璃实验导管 10 中红墨水刚呈现波动时说明已进入过渡区。仔细调节红墨水贮瓶连接软管上的自由夹开度，使红墨水的注入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。记录图 1 雷诺演示实验1-可移动框架 2-循环水泵 3-低位贮水槽4-流量计调节阀 5-溢流管 6-转子流量计7-高位水槽 8-红墨水贮瓶 9-红墨水喷针10-玻璃实验导管 11-排污阀 12-泵入口阀当层流刚结束时水的流量和温度。6、缓慢加大流量计调节
10、阀 4 的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管 10 内的流速也随之平稳地增大。同时，相应地适当调节泵入口阀 12 的开度，以保持溢流管 5 中仍有一定溢流量，确保试验导管 10 内的流体始终为稳定流动。可观察到：实验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，将整个管内水染为红色，以致无法辨别红墨水的流线,此时流动为湍流。仔细调节流量计调节阀 4 和红墨水贮瓶连接软管上的自由夹开度，使红墨水的注入流速与试验导管中主体流体的流
11、速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。记录当湍流刚开始时水的流量和温度。四、实验结果及讨论玻璃实验导管 d=26.4mm。项目 水温， 水粘度， Pas水密度， 3/kgm流量， 3/h雷诺数 Re临界层流临界湍流1、写出层流和湍流时临界雷诺数的计算。2、解释转子流量计的测量原理。3、解释区分层流与湍流对管路计算有什么实际意义。4、为什么设置高位水槽，而不是直接将泵的出口管与转子流量计相连？5、为什么启动泵后再打开泵入口阀？流体流动过程能量转换(柏努利) 一、实验目的1、加深对流体流动过程能量转化及柏努利方程式的理解；2、观察不同高度和截面积处玻璃管中水位的变化，流体动能、位能及静压能的变化
12、，学会分析流体动能、位能、静压能及摩擦阻力损失的转化。二、实验原理对于不可压缩流体，在管路内作稳定流动，系统与环境无外加功交换时，若以单位质量流体为衡算基准，其关系可由流动过程中能量衡算方程即柏努利方程来描述，即式中：zg单位质量流体具有的位能，J/kg ；单位质量流体具有的动能，J/kg；2/u单位质量流体具有的压强能，J/kg；p单位质量流体在流动过程中的摩擦损失，J/kgfh若以单位重量流体为衡算基准时，则可表示为式中： z单位重量流体具有的位能即位压头，m；单位重量流体具有的静压能即静压头，m；pg单位重量流体具有的动能即动压头，m ；2u单位重量流体流过系统的能量损失即损失压头，m。
13、fH由于导管直径和高度发生变化，以及流动过程中的摩擦阻力损失，导致管内流速变化和压强变化，可由各玻璃管中水柱高度指示出来。a-b、c-d、i-j 三对垂直测压管，其中一根液面高度是所在截面的静压头，另一根液面高度是所在截面的冲压头，冲压头即所在截面处的动压头与静压头之和。根据 g-h 这对测压管的液面高度，可以计算 45弯头的局部阻力系数 。三、实验装置如图 1-1 所示，本实验装置主要由实验导管 6、稳压溢流水槽 5 和多对测压管所组成。实验导管为一装置的变径圆管，沿程设置多根竖直测压玻璃管。每处测压管有一对并列的测压管组成。221 J/kg (1)fppuzgzgh221 m (2)fpu
14、puzHg水由离心泵从低位贮水槽 1 输送至稳压溢流水槽 4，后流过实验导管 7，实验导管由内径分别为 19mm、42mm、收缩管和 19mm 的玻璃管组成，最后经转子流量计 9 后流回低位贮水槽。实验导管中水流量由导管流量调节阀 8 调节，流量从转子流量计 9 测定。图 1-1 柏努利实验装置流程图1低位贮水槽 2泵入口阀 3泵出口阀 4稳压溢流水槽5溢流管 6放水阀 7实验导管 8导管流量调节阀 9转子流量计四、实验步骤1、实验前，先将水充满低位贮水槽 1，打开泵入口阀 2 和放水阀 6，让泵内充满水。关闭泵出口阀 3 和放水阀 6，启动泵。2、关闭导管流量调节阀 8，打开泵出口阀 3，让
15、泵将稳压溢流水槽 4 中充满水，至溢流管5 中有水流出。以下操作中始终保持溢流管 5 中有细小水流流出，流量由泵出口阀 3 调节。3、将导管流量调节阀 8 打开，让水流过实验导管 7 后返回低位贮水槽 1，将管路中的空气排净。4、关闭导管流量调节阀 8，观察各垂直玻璃管中的水面与稳压溢流水槽 4 中的水面是否在同一高度。5、调节导管流量调节阀 8，让水的流量增大至转子流量计 9 量程的中间附近，各垂直玻璃管中水面高度随之变化，观察记录各垂直玻璃管中的水柱高度。可观察到：各对测压管中水柱高度差随着流体流量的增大而增大，同时各测压玻璃管中水面高度比水静止时降低。说明当流量加大时，流体流过导管各截面
16、上的流速也随之加大，动压头增大，这就需要更多的静压头转化为动压头，表现为各对测压管的水柱高度差加大。同时，各对测压管中水柱高度则随流体流量增大而下降。这说明流体在流动过程中，能量损失随流体流速增大而增大。6、调节导管流量调节阀 8，让水的流量增大至转子流量计 9 量程最大值附近，各垂直玻璃管中水面高度随之降低，观察记录各垂直玻璃管中的水柱高度。五、实验结果右侧实验导管轴线比左侧实验导管轴线高 m。流量L/minammbmmcmmdmmemmfmmgmmhmmimmjmm根据 a-b、c-d 、 i-j 三对垂直测压管中液面高度，计算所在截面处的流速，与通过转子流量计所测流量计算的流速比较，分析
17、其偏差产生的原因。根据 g-h 这对测压管的液面高度，计算 45弯头的局部阻力系数 。六、思考题1、为什么随流量增大，垂直玻璃管中液面高度下降？2、为什么随流量增大，各对垂直玻璃管中液面的高度差增大？3、当流量增大时，水流过 45弯头的局部阻力系数 是否变化，试解释其原因。4、为什么实验过程中应保持溢流管中有水流动？5、为什么启动泵前要关闭泵出口阀 3 和放水阀 6 后再启动泵？流体流动阻力测定一、实验目的 1掌握流体流经直管和管阀件时阻力损失的测定方法，通过实验掌握流体流动中能量损失的变化规律。 2测定直管摩擦系数 与雷诺准数 Re 的关系，将数据处理所得的 -Re 关系式与已有的经验公式进
18、行比较。 3测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数 。 4学会压差计和流量计的使用方法。5观察组成管路的各种管件、阀件，并了解其作用。二、基本原理 流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，称为阻力损失。这种阻力损失包括流体流经直管中的沿程阻力损失和流体流经各种管件时运动方向改变所引起的局部阻力损失。 1沿程阻力 流体在水平均匀管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即 ff pph21影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究方法。为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数
19、关联式。根据因次分析，影响阻力损失的因素有， (1)流体性质：密度 ，粘度 ； (2)管路的几何尺寸：管径 d，管长 l，管壁粗糙度 ； (3)流动条件：流速 。 可表示为 ),(uldfp通过因次分析方法得到如下的无因次式 ),(2dluf通过初步实验反映的规律，将阻力损失可表示为2),(2udlpf 令 )(则2udlphff式中： （ ）压强降（压强损失） ，Pa ；Pfhf直管阻力损失， J/kg；流体密度，kg/m 3 ；直管摩擦系数，无因次；l直管长度， m；d直管内径， m；u流体流速，由实验测定 m/s；直管摩擦系数。滞流(层流)时，64Re；湍流时 是雷诺准数 Re 和相对粗
20、糙度的函数，须由实验确定。 2局部阻力 局部阻力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，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，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各管件、阀门等的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度及各种局部阻力的当量长度之和为 ，则流体在管路中流动时的总阻力损失 为le fh2udlehf(2)阻力系数法 流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来表示，这种计算局 部阻力的方法，
21、称为阻力系数法。即 式中，局部阻力系数，无因次； u在小截面管中流体的平均流速，ms。 由于管件两侧距测压孔间的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。因此 的值可应用柏努利方程由压差计读数求取。 fh当装置确定后，根据 （即 ）和 u 的实验测定值，根据阻力损失表达式可计算Pf出 或者 的值。雷诺数 Re=du/。因此，只要调节流量，可得到一系列 Re 的实验点，绘出 Re 曲线。三、实验装置与流程 1实验装置 图 1-1 实验装置流程图实验装置如图 1-1 所示。主要由离心泵，不同管径、材质的管子，各管件及阀门，转子流量计等组成。从上向下第一根为不锈钢光滑管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力损失的测定。第三根为不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀) ，用于局部阻力损失的测定。本实验的介质为水，由离心泵供给，经实验装置后的水通过地下管道流人储水箱内循环使用。 水流量用装在测试装置的转子流量计测量，直管段和管件的阻力损失分别用各自的倒 U 形压差计测量。 2uhf
