1、目 录实验守则.2前言.3实验一、流体流动型态及临界雷诺数的测定.8实验二、伯努利实验.12实验三、管路流体阻力的测定.17实验四、套管换热器液-液热交换实验24实验五、纯净水的生产.31附录 32实验守则1、实验前应认真准备，弄清实验目的、任务和实验方法，写出预习报告，做好实验前的一切准备，以保证实验任务的胜利完成。2、按时进入实验室，进入后要严肃认真，不得喧哗、嬉笑、打闹，不得抽烟和随地吐痰。3、注意安全，不得赤足或穿拖鞋进入实验室，谨防触电，有辫子的女生应将辫子扎好，以防机械扎住，造成事故。4、听从教师及工作人员指导。5、遵守实验设备、仪器的操作规程，在弄清其流程和用法后，经教师同意方可
2、启用。6、节约水、电、汽及化学药品等物，爱护仪器设备。7、如损坏仪器设备等，应立即报告教师，登记在册，按学校规定制度处理。8、实验结束后，清理仪器设备，使之复原，并打扫场地。前 言化工原理是一门关于化学加工过程的技术基础课，是建立在实践基础上的科学。它不仅有完整的理论体系，而且具有独特的实验方法。让学生直接观察到某些生动现象，直接体验某些理论和规律，直接测取某些设备的性能参数，不仅是帮助加深对理论知识的理解和获得实践知识的重要手段，也是应用实验研究的独特方法和处理技巧以培养学生分析问题和实际操作能力的重要手段。化工原理实验是教学过程中的重要环节。一、化工原理实验的目的1、验证有关的化工单元操作
3、的理论，巩固和加深对理论的认识和理解。2、熟悉实验装置的结构、性能和流程，并通过实验操作和对实验现象的观察，使学生掌握一定的基本实验技能。二、化工原理实验的要求为达到上述目的，要求学生做到以下几点：1、根据实验的要求，参照实验指导、教材，复习好有关的原理，了解实验目的要求、方法和步骤、设备的流程、仪器的使用方法，写出实验预习报告。2、经教师考查达到要求后，方可进行实验，要认真进行操作，细心观察实验现象，如实记录实验数据，注意可能出现的问题，深入思考和分析。3、实验结束，将测得数据交指导教师审查认可方可停止实验，归还所借物品。4、认真编好实验报告：一般应包括实验报告题目、日期、室温、大气压力情况
4、写报告人及同组人姓名，实验目的原理、方法、步骤、装置流程、数据表格及整理示例（用图示法、列表式或经验公式法），实验结果分析（对实验结果作出估计，分析误差大小及原因，要求简单扼要、整洁清楚。对试验中所发现的问题应作讨论，对实验方法、设备有何改进建议，也可写入此栏）。三、有关从事实验的基础知识1、从事科学实验的基本态度，是严肃认真、实事求是、把测试到的现象、数据、规律真实记录下来。科学推理应以实验观察检验，不能任意编造、修改或歪曲，若与理论不符，要分析找出原因、用反复多次来核对，不能随意更改某个数字。2、实验数据的测量（1）凡是影响实验结果或数据整理过程中所必需的数据，都必须测取。如：大气压、空
5、气温度、水温。设备有关尺寸、物料性质（如粘度、密度、温度）及操作数据，条件改变后要稍等待一会待现象稳定后，再记录。（2）同一条件下要读三次数据，当两次读数相等或相近时才记录下来，记录的数据要写单位，要复核。数据记录必须真实反映仪表的精确度，一般要记录至仪表上最小分度以下一位数。如温度计的最小分度为1，如读数为24.6，就不能视为25，应记为25.0。（4）记录的数据必须填在事先拟好的表格中，不得随手拿一张纸就记录，以保证数据完成条理清楚，避免张冠李戴的错误或丢失。3、实验数据的整理（1）同一条件下，若有几次比较稳定但稍有波动的数据，应先取其平均值，然后加以整理，不必先逐个整理取平均值，以节省时
6、间。（2）数据整理应根据有效数字的运算规则，舍弃一些没有意义的数字。一个数据的精确度是由测量仪表本身的精确度所决定的，它绝不因为计算时位数的增加而提高，但任意减少位数却是不许可的，因它降低了应有的精确度。实验中所获得的数据都是近似值。绝对准确的数值是无法通过仪表测出的，即实验数据的准确性受所测量仪表的精确限制，同时，运算结果所得到的数值，其准确度是不应当（也不可能）超过原始数据的精确度。因此，要注意有效数字的运用。有效数字并不都是可靠数字。例如，分度为1/10的温度计，最小刻度是0.1，但我们可读到50.15，可靠数字只有3位，最后一位是估计数字，是不可靠的，四舍五入以后这个读数变成了50.2
7、0，有效数字为4位。若正好读数是50.1时，应写成50.10保持其应有的有效数字位数。可靠数字比有效数字少一位，不能略去。运算中应掌握以下原则： 乘除运算乘积和商中有效数字的位数取两个运算数字中精确度小的那个数字的有效数字的位数。如14.79cm12.11cm5.05cm=904cm3。三个运算数字中精确度最小的数字是5.05cm，其有效数字为三位。加减运算和值和差值中，运算结果小数点之后的位数取运算数字中小数位数最少的那个小数的位数。如15.02g+9986.0g+3.518g=10004.5g，运算结果小数点后取一位，与运算数字中小数位数最少的那个数9986.0g的小数位数相同。注意：与乘
8、除运算不同，和值和差值有效数字的位数不受运算数字有效数字位数的限制。上例中的和值为六位有效数字，大于三个运算数字中的任何一个。运算结果的消约，采用四舍六入五成双的原则，并且只能消约一次。对数运算后，结果中尾数的有效数字位数（对数首数除外）应与真数的有效数字相同。从手册中查出的常数，其有效数字按算式中的有效数字位数最少的位数取。（3）数据整理时，如过程比较复杂，实验数据又多，一般以采用列表整理法为宜，同时将同一项目一次整理，此法过程明显，且省时间。列表应注意的问题是：表里将自变量和因变量各数值按其增加或减少的顺序、各变量名称、符号、单位一一对应列入。表中的数据应是根据实验的精确度确定了的有效数值
9、4）要求以一次数据为例子，把各项计算过程列出，以便检查。（5）数据整理时，还可以采用常数归纳法，将计算公式中的常数归纳作为一个数看待。例如，计算固定管路中由于流速改变后的雷诺准数的数值时，因，而d、 在实验中均不变化，可作常数处理，故可写成 。先将常数A值求出。然后依次代入流速u值，即可求出相应的值，这样可大大提高计算速度。4、关于实验数据的标绘整理数据的目的，是将所测得的数据用最合适的方法表达出来，以便明确地显示出数据之间的关系与变化规律。可用数学模拟的方法，描绘实验系统的数学模型，而后用电子计算机整理，但也常常将数据标绘在坐标纸上，可使数据间的关系变化规律一目了然，而且还可以根据这些曲
10、线的形状，整理出数据间的关系式。在化工原理实验中，普通坐标纸和对数坐标纸都会用到。如离心泵特性曲线的测定试验中，就用到普通坐标纸，将标出，即能明显看出这三者的关系和变化规律，故谓示性曲线。但有时在一组关系数据中，一组数据变化范围不大，而另一组数据变化范围比较大。如孔流系数数就是这样的。此时则用半对数坐标纸将标在普通坐标轴上，而标在对数坐标轴上，就可避免用狭长的坐标。但化工原理实验中，变量的关系往往可用下列指数函数关系式表示：，这时采用对数坐标纸，自然就更方便了。ABC对数坐标：坐标轴是按照相等的指数增加变化表示的。举例来说：如果每1cm代表10的1次方增加，则其坐标轴刻度的表示依次为1，10，
11、100，1000，10000双对数坐标系统是指两个坐标轴是对数坐标。在各自坐标轴上的是真数，不是求对数后的值。如图1所示：例如：水平管内传热系数的准数关联式：在实验测定温度范围内，数据变化不大，可取其均值并将视为定值与项合并。因此，上式可写为上等式两边取对数，使之线性化，即因此，可将和实验数据，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，或者用最小二乘法进行线性回归，估计参数和。取均值为定值，且，由计算得到值。最后，列出参数估计值：，。但使用（双）对数坐标纸时，应注意： 标在对数坐标纸上的数值都是真数，而不是对数。直线的斜率m应是 ，不能用BC、AC的坐标相除而得。实验一
12、流体流动型态及临界雷诺数的测定实验人：同组人：时 间： 年 月 日 星期 室温 大气压一、实验目的研究流体流动的型态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。1883年雷诺（Reynolds）首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在两种不同型态层流和湍流，以及两种不同型态的转变过程。本实验的目的，是通过雷诺试验装置，观察流体流动过程的不同流动型态及其转变过程，测定流动型态转变时的临界雷诺数。二、实验原理研究实验证明：流体流动存在两种截然不同的型态，主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度，以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径）。将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次
13、数群为雷诺准数（或雷诺数），即（1）式中导管直径，m；流体密度，kgm；流体粘度，Pas；流体流速，ms；大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000左右，上临界雷诺数为10000。一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。三、实验装置雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子
14、流量计等部分组成，如图1所示。自来水不断注入水槽并保持稳定溢流。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。图1雷诺实验装置及流程1. 示踪剂瓶；2. 稳压溢流水槽；3. 试验导管；4. 转子流量计；V01. 示踪剂调节阀；V02. 上水调节阀；V03. 水流量调节阀；V04，V05泄水阀；V06放风阀四、实验方法1、实验前准备工作：（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流水槽。将适量示踪剂（红墨水）加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与针头之间管路内的空气。（2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。（3）用温度计测定水温。实验操作步骤：（1）
15、开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证试验时具有稳定的压头。（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与试验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜。精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止。（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过试验导管的流速平稳地增大。直至试验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算临界雷诺数据。（4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。这时，导管内的流体的流型逐步由层流向湍流过渡。当
16、流量增大到某一数据值后，示踪剂（红墨水）一进入试验导管，立即被分散呈烟雾状，这时标明流体的流型已进入湍流区域。记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。这样实验操作需反复进行数次（至少56次），以便取得较为准确的实验数据。2、实验操作注意事项：（1）本实验示踪剂采用红墨水，它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入试验导管。应注意适当调节注射针头的位置，使针头位于管轴线上为佳。红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水
17、给水量，防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性。实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。五、实验结果1、实验设备基本参数：试验导管管径mm.2、实验数据记录与整理表1原始数据序号qv/L.h-1T/实验现象观察流动型态12345表2整理数据序号qv/m3.s-1d/mmsT/Pa.skgm临界Re判别流动型态123453、数据处理过程六、实验结果分析与讨论实验二、伯努利实验实验人：同组人：时 间： 年 月 日 星期 室温 大气压一、实验目的流动流体所具有
18、的总能量是由各种形式的能量所组成，并且各种形式的能量之间又可相互转换。当流体在导管内作稳定流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律，可由机械能衡算基本方程来表达。这些规律对于解决流体流动过程的管路计算、流体压强、流速与流量的测量，以及流体输送等问题，都有着十分重要的作用。本实验采用一种称之为伯努利试验仪的简单装置，实验观察不可压缩流体在导管内流动时的各种形式机械能的相互转化现象，并验证机械能衡算方程（伯努利方程）。通过实验，加深对流体流动过程基本原理的理解。二、实验原理对于不可压缩流体，在导管内作稳定流动，系统与环境又无功的交换时，若以单位质量流体为衡算基准，则对确定的系统即可列出
19、机械能衡算方程： Jkg（1）若以单位重量流体为衡算基准时，则又可表达为 m液柱（2）式中流体的位压头，m液柱；流体的压强，Pa；流体的平均流速，ms；流体密度，kgm；流动系统内因阻力造成的能量损失，Jkg；流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。下标1和2分别为系统的进口和出口两个截面。不可流体的机械能衡算方程，应用于各种具体情况下可作适当简化，例如：（1）当流体为理想液体时，于是式（1）和（2）可简化为 Jkg（3）m液柱（4）该式即为伯努利（Bernoulli）方程。（2）当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则（1）和（2）式又可简化为Jkg（5） m液柱（6）（3）当流体处于静止状
20、态时，则（1）和（2）式又可简化为Jkg（7）m液柱（8）或者将上式可改写为（9）这就是流体静力学基本方程。三、实验装置本实验装置主要由试验导管、稳压溢流水槽和三对测压管所组成。试验导管为一水平变径圆管，沿程分三处设置测压管。每处测压管由一对并列的测压管组成，分别测量该截面处的静压头和冲压头（静压头与动压头之和）。图1伯努利实验装置流程1. 稳压水槽；2. 试验导管；3. 出口调节阀；4. 静压头测量管；5. 冲压头测量管实验装置的流程如图1所示。液体由稳压水槽流入试验导管，途径直径分别为20、30和20mm的管子，最后排出设备。流体流量由出口调节阀调节。流量需直接由计时称量测定之。四、实验方
21、法实验前，先缓慢开启进水阀，充满稳压溢流水槽，并保持有适量溢流水流出，使槽内液面平稳不变。最后，设法排尽设备内的空气泡。实验可按如下步骤进行：（1）关闭试验导管出口调节阀，观察和测量液体处于静止状态下各测试点（A、B和C三点）的压强。（2）开启试验导管出口调节阀，观察比较液体在流动情况下的各测试点的压头变化。（3）缓慢开启试验导管的出口调节阀，测量流体在不同流量下的各测试点的静压头、动压头和损失压头。实验过程中必须注意如下几点：（1）实验前一定要将试验导管和测压管中的空气泡排除干净，否则会干扰实验现象和测量的准确性。（2）开启进水阀向稳压水槽注水，或开关试验导管出口调节阀时，一定要缓慢地调节开
22、启程度，并随时注意设备内的变化。（3）试验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。（4）为了便于观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。五、实验结果1、测量并记录实验基本参数流体种类：试验导管内径：20mm30mm20mm实验系统的总压：450mmH2O2、非流体体系的机械能分布及其转换（1）实验数据记录（2）验证流体静力学方程表1流体静力学基本方程验证T/kgm各测试点的静压头/mmH2O各测试点的静压强/pa3、流动体系的机械能分布及其转换（1）实验原始数据记录（自制表格）（2）流动流体的机械能衡算表2流动流体的机械能衡算方程序号123456T/kgm静
23、压 头(mmH2O)压强(Pa)动压头(mmH2O)损失压头(mmH2O)（3）数据处理过程六、实验结果分析与讨论实验三、管路流体阻力的测定实验人：同组人：时 间： 年 月 日 星期 室温 大气压一、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直管摩擦系数和局部管件局部阻力系数。二、实验原理当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统内任意二个截面之间列出机械能衡算方程为Jkg（1）或
24、m液柱（2）式中流体的位压头，m液柱；流体的压强，Pa；流体的平均流速，ms；流体密度，kgm；流动系统内因阻力造成的能量损失，Jkg；单位重量流体因流体阻力所造成的能量损失，即所谓压头损失，m液柱；符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。假若：（1）水作为试验物系，则水可视为不可压缩液体；（2）试验导管是按水平装置的，则；（3）试验导管的上下游截面上的横截面积相同，则。因此（1）和（2）两式分别可简化为Jkg（3）m液柱（4）由此可见，因阻力造成的能量损失（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，流体因摩擦阻力所造成的能量损失（压头损失）
25、有如下一般关系：Jkg（5）或m液柱（6）式中：圆形直管的管径，m；圆形直管的长度，m；圆形直管中流体的平均流速，ms；摩擦系数，无因次。大量实验研究表明：摩擦系数与流体的密度和粘度，管径、流速和管壁粗糙度有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度存在函数关系，即（7）通过实验测得和数据，可以在双对数坐标上标绘出实验曲线。当2000时，摩擦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（压头损失），有如下一般关系式：Jkg（8）m液柱 （9）
26、式中：连接管件等的直管中流体的平均流速，ms；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，都需要通过实验直接测定。应用式（6）（9）计算直管摩擦系数和局部管件局部阻力系数时，式中流速为直管或连接管件等的直管中流体的平均流速，ms，其值由孔板流量计测定。 （10） （11）式中：直管或连接管件等的直管中流体的平均流速，ms；孔板流量计管径中流体的平均流速，ms；式中：d0孔板流量计孔径，m；d直管或连接管件等的直管管径，m；孔板流量计的压差计读数，mH2O.孔板流量计的孔流系数，=0.6613三、实验装置本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试
27、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形水柱压差计显示。该装置的流程如图1所示。图1管路流体阻力实验装置流程1. 循环水泵；2. 光滑试验管；3. 粗糙试验管；4. 扩大与缩小试验管；5. 孔板流量计；6. 阀门；7. 转换阀组；8. 高位排气水槽试验管路系统是由五条玻璃直管平行排列，经U形弯管串联连接而成。每条直管上分别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长度，即两测压口距离均为0.6m。流程图中标出符号G和D分别表示上游测压口（高压侧）和下游测压口（低
28、压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U形弯管接口的距离，以及下游测压口距离造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。作为试验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依次流经各种流体阻力试验管，最后充入高位排气水槽。由高位排气水槽溢流出来的水，返回循环水槽。水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量计测量，并由压差计显示读数。四、实验方法实验前准备工作须按如下步骤顺序进行操作：（1）先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待运转正常后，先将试验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换阀组中的全部旋塞，然后缓慢开启试验导
29、管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关闭调节阀，停泵。（2）检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。（3）逐一检查并排除试验导管和联接管线中可能存在的空气泡。排除气泡的方法是，先将转换阀组中被栓一组测压口旋塞打开，然后打开倒置U形水柱压差计顶部的放空阀，直至排尽气泡再关闭放空阀，必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除气泡。（4）调节倒置U形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差计顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为
30、了便于观察，在临实验前，可由压差计顶部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。（5）在高位排水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。（6）实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。实验测定时，按如下步骤进行操作：（1）先检查试验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和试验系统入口调节阀是否全部关闭。检查毕启动循环水泵。（2）待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压差计显示。（3）待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。这时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。（4）当需改换测试部位时，只需将转换阀
31、组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如，将G1和D1一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2旋塞。这时，压差计与G1和D1测压口断开，而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。以此类推。（5）改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。（6）当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。（7）每测定一组流量与压强降数据，同时记录水的温度。实验注意事项：（1）实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。（2）若实验装置旋转不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干
32、净。五、实验结果（1）实验基本参数试验导管的内径17 mm试验导管的测试段长度0.6 m粗糙管的粗糙度mm粗糙管的相对粗糙度孔板流量计的孔径11mm旋塞的全开孔径12mm孔板流量计的孔流系数 =0.6613（2）实验数据列入表1表2：列出表中各项计算公式（3）标绘实验曲线（4）数据处理过程表1 原始数据序号12345T/Pa.skgm孔板流量计的压差计读数mmH2O光滑管压头损失mmH2O粗糙管压头损失mmH2O孔板流量计压头损失mmH2O旋塞压头损失mmH2O表2整理数据序号12345流速ms流量qv/m3.s-1雷诺准数光滑管摩擦系数粗糙管摩擦系数孔板流量计局部阻力系数旋塞局部阻力系数（全
33、开）六、实验结果分析与讨论实验四 套管换热器液-液热交换实验实验人：同组人：时 间： 年 月 日 星期 室温 大气压一、实验目的在工业生产或实验研究中，常遇到两种流体进行热量交换，来达到加热或冷却之目的。为了加速热量传递过程，往往需要将流体进行强制流动。对于在强制对流下进行的液液热交换过程，曾有不少学者进行过研究，并取得了不少求算传热系数的关联式。这些研究结果都是在实验基础上取得的。对于新的物系或者新的设备，仍需要通过实验来取得传热系数的数据及其计算式。本实验的目的，是测定在套管换热器中进行的液液热交换过程的传热总系数，流体在圆管内作强制湍流时的传热系数，以及确立求算传热系数的关联式。同时希望
34、通过本实验，对传热过程的实验研究方法有所了解，在实验技能上受到一定的训练，并对传热过程基本原理加深理解。二、实验原理冷热流体通过固体壁面进行的热交换过程，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，热交换过程即为给热导热给热三个串联过程组成。t1, tw1, T1t2, tw2, T2若热流体在套管热交换器的管内流过，而冷流体在管外流过，设备两端测试点上的温度如图1所示。图1套管热交换器两端测试点的温度则在单位时间内热流体向冷流体传递的热量，可由热流体的热量衡算方式来表示：Js（1）就整个热交换而言，由传热速率基本方程经过数学处理，可得
35、计算式为Js（2）由（1）和（2）两式联立求解，可得传热总系数的计算式： （3）若和分别为热交换器两端冷热流体之间的温度差，即（4）（5）则平均温度差可按下式计算：当时，（6）当时，（7）式中：传热速率，Js或W；热流体的质量流率，kgs；热流体的平均比热容，是JkgK； 热流体的温度，K；冷流体的温度，K；传热总系数，WmK热交换平均面积，m2；两流体间的平均温度差，K。（符号下标1和2分别表示热交换器两端的数值）就固体壁面两侧的对流传热过程来说，传热速率基本方程为（8）根据热交换两端的边界条件，经数学推导，同理可得管内给热过程的给热速率计算式（9）式中：表示固体壁内侧的传热系数，Wm2K1
36、表示固体壁内侧的内壁表面积，m2；与分别表示热流体和固体壁内侧的平均温度，K；热流体与内壁面之间的平均温度差；K。热流体与管内壁面之间的平均温度差可按下式计算： 当时（10）当时（11）由（1）和（9）式联立求解可得管内传热膜系数的计算式为Wm2K1（12）同理也可得到管外给热过程的传热膜系数的类同公式。流体在圆形直管内作强制对流时，传热系数与各项影响因素（如：管内径；管内流速，ms；流体密度，kgm3；流体粘度，Pas；定压比热溶，JkgK和流体导热系数，WmK）之间的关系可关联成如下准数关联式：（13）式中：努塞尔准数（Nusselt number）；雷诺准数（Reynolds numb
37、er）；普兰特准数（Prandtl number）。上列关联式中系数和指数的具体数值，通过实验来测定。实验测得、数值后，则传热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，100000.7160则流体被冷却时，值可按下列公式求算：（13.a）或（13.b）流体被加热时（14.a）或（14.b）当流体在套管环隙内作强制湍流时，上列各式中用当量直径替代即可。各项物性常数均取流体进出口平均温度下的数值。三、实验装置本实验装置主要由套管热交换器、恒温循环水槽、高位稳压水槽以及一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图2所示。套管热交换器由一根121.5mm的黄铜管作为内管，202.0mm的有
38、机玻璃管作为套管所构成。套管热交换器外面再套一根322.5mm有机玻璃管作为保温管。套管热交换器两端测温点之间距离（测试段距离）为1000mm。每个检测端面上在管内、管外和管壁内设置三支铜康铜热电偶，并通过转换开关与数字电压表相连接，用以测量管内、管外的流体温度和管内壁的温度。热水由循环水泵从恒温水槽送入管内，然后经转子流量计再返回槽内。恒温循环水槽中用电热器补充热水在热交换器中移去的热量，并控制恒温。冷水由自来水管直接送入高位稳压水槽再由稳压水槽流经套管的环隙空间。高位稳压水槽排出的溢流水和由换热管排出被加热后的水，均排入下水道。图2套管换热器液液热交换实验装置流程四、实验方法实验前准备工作
39、1）向恒温循环水槽灌入蒸馏水或软水，直至溢流管有水溢出为止。（2）开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门，使槽内充满水，并由溢流管有水流出。（3）将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之呈粥状。将热电偶冷接点插入冰水中，盖严盖子。（4）将恒温循环水槽的温度自控装置的温度定为55。先启动循环泵使水流动，再启动恒温水槽的电热器。等恒温水槽的水达到预定温度后即可开始实验。（5）实验前需要准备好热水转子流量计的流量标定曲线和热电偶分度表。实验操作步骤（1）开启冷水截止球阀，测定冷水流量，实验过程中保持恒定。（2）启动循环水泵，开启并调节热水调节阀。热水流量在60250Lh范围内选取若干流量值（
40、一般要求不少于56组测试数据），进行实验测定。（3）每调节一次热水流量，待流量和温度都恒定后，再通过琴键开关，依次测定各点温度。实验注意事项：（1）开始实验时，必须先向换热器通冷水，然后再启动热水泵，停止实验时，必须先停热电器，待热交换器管内存留热水被冷却后，再停水泵并停止通冷水。（2）启动恒温水槽的电热器之前，必须先启动循环泵使水流动。（3）在启动循环水泵之前，必须先将热水调节阀门关闭，待泵运行正常后，再徐徐开启调节阀。（4）每改变一次热水流量，一定要使传热过程达到稳定之后，才能测取数据。每测一组数据，最好重复数次。当测得流量和各点温度数值恒定后，表明过程已达稳定状态。五、实验结果1. 记录
41、实验设备基本参数。（1）实验设备型式和装置方式：水平装置套管式热交换器（2）内管基本参数：材质：黄铜外径：12 mm， 壁厚：1.5mm，测试段长度：1000 mm（3）套管基本参数：材质：有机玻璃外径：20 mm ， 壁厚：2.0 mm（4）流体流通的横截面积：内管横截面积：m2环隙横截面积：m2（5）热交换面积：内管内壁表面积：m2内管外壁表面积：m2平均热交换面积：m22. 实验数据记录与整理：（1）由实验数据求取流体在圆形直管内作强制湍流时的传热总系数和传热系数。实验数据可参考表1整理：（2）由实验原始数据和测得的值，对水平管内传热系数的准数关联式进行参数估计。然后，按如下方法和步骤估计参数：水平管内传热系数的准数关联式：在实验测定温度范
