化工原理实验.doc

湖北大学 化 工 原 理 实 验 （ 0703300201 ） 实 验 教 学 大 纲 （第 1 版） 生命科学学院 生物学实验教学中心 2010 年 7 月 前 言 课程名称：化工原理实验 实验学时： 16 学时 适用专业：生物技术；生物工程 课程性质：专业核心（基础）必修 一、实验课程简介 本课程的教学对象是生物工程专业及生物技术专业（本科）学生。化工原理实验是一个 重要的实践教学环节，针对相关专业学生进行动量传递、热量传递、质量传递等方面工程实 验的系统训练，使学生掌握工程问题的处理和研究方法，掌握典型单元装置的基本操作技能， 了解工程实验设计的基本原则，了解工程实验中参数测量仪表的选用原则及流程组织的基本 原则。从而培养学生严谨的科学态度和工程观念；培养学生分析问题和解决问题的能力；提 高学生的独立思考能力和创新能力。 二、课程目的 通过本课程的学习，使学生了解各化工单元操作的原理、流程，掌握实验仪器的特点、 性能和基本操作，了解仪器常见故障的判断和处理方法，加深对化工原理基础理论、基本知 识的理解；提高学生联系实际分析问题和解决问题的能力，培养学生严谨的工作作风和实事 求是的科学态度，为未来的科学研究及实际工作打下良好的基础。 三、考核方式及成绩评定标准 每个实验结束后，要求学生认真写出实验报告，实验成绩评定依据： ①实验态度、实验纪律。②实验操作技能状况。③实验结果及实验报告书。 四、实验指导书及主要参考书 化工基础实验 化工基础实验 化工原理 武汉大学化学与分子科学学院实验中心编 冯亚云主编 武汉大学出版社，2003.1 北京：化学工业出版社 2000.2 蒋维钧，戴猷元，顾惠君编 北京：清华大学出版社，2003. 五、实验项目 实验项目一览表 序号 实验一 实验二 实验项目名称 雷诺实验 流体流动沿程阻力系数、局部阻 力系数测定 实验类型 实验学时 必做/选做 设计性 2 学时 必做 设计性 3 学时 必做 实验三 风机性能曲线测试实验 设计性 3 学时 必做 实验四 离心泵综合性能实验 综合性 4 学时 必做 实验五 换热器性能综合实验 综合性 4 学时 必做 16 学时 合计 实验类型：演示性、验证性、综合性、设计性、其它 实验一、雷诺实验（2 课时） 实验类型： 综合性 实验目的： 1、观察液体在不同流动状态时的流体质点的运动规律。 2、观察液体由层流变紊流及由紊流变层流的过渡过程。 3、测定液体在园管中流动时的上临界雷诺数 Rec1 和下临界雷诺数 Rec2。 实验内容： 流体在管道中流动，有两种不同的流动状态，其阻力性质也不同。在实验过程中，保持 水箱中的水位恒定，即水头 H 不变。如果管路中出口阀门开启较小，在管路中就有稳定的平 均流速 u，这时候如果微启带色水阀门，带色水就会和无色水在管路中沿轴线同步向前流动， 带色水成一条带色直线，其流动质点没有垂直于主流方向的横向运动，带色水线没有与周围 的液体混杂，层次分明的在管道中流动。此时，在速度较小而粘性较大和惯性力较小的情况 下运动，为层流运动。如果将出口阀门逐渐开大，管路中的带色直线出现脉动，流体质点还 没有出现相互交换的现象，流体的运动成临界状态。如果将出口阀门继续开大，出现流体质 点的横向脉动，使色线完全扩散与无色水混合，此时流体的流动状态为紊流运动。 雷诺数： Re  u d  连续性方程：A•u=Q u=Q/A 流量 Q 用体积法测出，即在时间 t 内流入计量水箱中流体的体积ΔV。 Q V A t  d 2 4 式中：A-管路的横截面积 u-流速 d-管路直径 γ-水的粘度 实验要求： 设备器材准备：雷诺实验装置（套）；蓝、红墨水各一瓶；秒表、温度计各一只；卷尺 等。 要求学生仔细观察实验现象，记录实验数据，按时完成实验报告。 实验二、流体流动沿程阻力系数、局部阻力系数测定（3 课时） 实验类型： 综合性 实验目的： 1、观察流体稳定流动时在长为 L 等直管以及通过阀门时的能量损失情况。 2、熟悉液体在管道中流动时的能量损失计算方法，并对能量损失有一个数量上的概念。 3、掌握管道沿程阻力系数和局部阻力系数的测定方法。 实验内容： 沿程阻力系数：流体在等直管道中流动，由于摩擦阻力引起能量损失。对距离为 L 的 两断面列能量方程可求得 L 长度上的沿程阻力损失。 hf  L u2 得 d 2g 由达西公式： hf     P1  P2  h   2gdhf Lu2  2gdh Lu2 ，并计算对应雷诺数 Re。 其中，Δh 由 U 型侧压管测得，u 用体积法测得流量并由 u=Q/A, A  d 2 4 计算得之。 局部阻力系数ξ：在紊流情况下，因局部阻碍的强烈扰动大大加强了流体的紊流强度， u2 局部阻力进入阻力平方区，ξ仅与局部阻碍的形状有关而与 Re 无关。由 hf    ,根据 2g 被测阀门两侧在压差板上的液柱高，得到压差Δh，即表示流体流经阀门时的能量损失 hf。 由ξ=2gΔh/u2 可确定该阀门的局部阻力系数。 实验要求： 设备器材准备：流体综合实验台（沿程阻力系数、局部阻力系数实验管）一套；被测阀 门一只；U 形压差计两套；温度计、秒表、卷尺各一只。要求学生仔细观察实验现象，记录 实验数据，按时完成实验报告。 实验三、风机性能曲线测试实验（3 课时） 实验类型： 综合性 实验目的： 1、了解风机空气动力性能实验的基本过程。 2、掌握风机性能曲线测试的基本原理和特性参数测试的基本方法。 3、熟悉风机基本特性参数的计算方法与换算。 实验内容： 风机性能曲线一般包括 H-Q、N-Q、η-Q 三条曲线。实验中需测出不同工况点的风量、 风压和功率，并计算出对应工况点的效率，推荐做 6—10 个工况点。在此基础上绘制风机性 能曲线。 如上图，风管进风口为锥形集流器，在集流器的一个断面上，设有四个测压孔（互成 900）用四根橡胶管接到一联通管上，联通管与斜管测压计相连，用于测量管道空气流量。 风量计算式：  u  2gh 酒 m/s 空 h=L k L：测压管读数 k：斜管倾斜系数 Q=ΦA u m3/s Φ=0.98（集流系数） A：集流器面积 风压测量换算： 在风管断面上也有四个测压孔（互成 900），同样用四根橡胶管接到一联通管上，联通 管与斜管测压计相连，用于测量进口风管压力，此压力为静压 Pst（将测量值换算成 Pa）。 注意：此压力需剩以修正系数 1.57，表示为全风管压力，即风机风压。 电机功率测量计算： 电机输出功率即为风机输入功率，该功率通过测量电机电压、电流由下式计算： N UI cos 电 1000 kw U：电机电压 I：电机电流 cos ：功率因素，0.85 η电电机效率，0.7 风机效率计算： 风  N风 ×100% N 其中：N 风=PstQ 风机功率 实验要求： 设备器材准备：实验风管；被测风机；测功电机；斜管测压计；空盒气压计； 温度计；联通橡胶管若干；电流电压测试台。要求学生仔细观察实验现象，记录实验 数据，按时完成实验报告。 实验四、离心泵综合性能实验（4 课时） 实验类型： 综合性 实验目的： 1、了解离心泵综合性能实验装置的工作原理。 2、掌握离心泵性能曲线（H-Q、N-Q、η-Q）测试的基本方法及参数计算，绘制离心泵性能 曲线。 3、观察了解离心泵气蚀现象和泵的串、并联工作状态，验证泵的串、并联工作特性。 实验内容： 离心泵实验台主要由泵Ⅰ、泵Ⅱ、计量水箱、储水箱、压力表、真空表、管道及阀门 组成。 在测定泵的特性曲线时，利用各阀门的开启和调节，形成泵Ⅰ单泵工作回路，在不同 流量下测定一组相应的压力表、真空表和流量的读数以及电流电压的计数，既可读出一组泵 的流量 Q、扬程 H、输入功率 N 等数据，最后可以绘制泵的 H-Q、N-Q、η-Q 特性曲线。 泵气蚀实验室时，利用相应阀门的开启和调节，形成泵Ⅰ单泵工作回路，并使储水箱 由于水的抽出而产生真空，从而使泵的进口压力减小，直至发生气蚀。 泵的串、并联实验。利用相应阀门的开启和调节，形成两个泵的串、并联工作回路， 观察串、并联工作现象，验证串、并联工作特性。 计算公式： 扬程： H  P1  P2 u2  u12 Z 2  2g P1-压力表读数；P2-真空表读数；γ-水的容重； Z-压力表与真空表接出点位置差；u1、u2-进、出口流速（u1=u2） 流量： Q  V t V-计量体积 m3；t-计量时间 s 水泵电机轴功率（泵输入）： N  UI cos  m 1000 kw U-电压（v）；I-电流（A） ；cosΦ-功率因数 0.77；ηm-电机效率 0.65 泵效率：   QH UI 实验要求： 设备器材准备：离心泵性能测试实验台；温度计一支；秒表一块。要求学生仔细观察实验 现象，记录实验数据，按时完成实验报告。 实验五、换热器性能综合实验（4 课时） 实验类型： 综合性 实验目的： 1、了解换热器性能实验装置的工作原理。 2、掌握换热器总传热系数 K 值（顺流、逆流）的测定与计算方法。 3、比较顺流与逆流的传热效果。 实验内容： 本实验换热器为套管换热器，在换热器中需要交换热量的冷热流体分别在内外套管流 动，总交换热量为： Q  KAtm Q-单位时间交换的热量 w； K-总换热系数 w/m.0C； A-传热面积 0.45m2； Δtm-传热平均温度差 0C tm  t1  t2 t ln 1 t2 Δt1-冷热流体温差较大者 Δt2-冷热流体温差较小者 实验中待各项温度达到稳定工况时，测出冷、热流体进出、口温度和冷、热流体的流 量，由下式计算总传热量（以冷流体为计算依据）： Q  G1cp1(T1  T2 )  G2cp2 (t2  t1) G1、G2-热、冷流体质量流量 kg/s； cp1、cp2-热、冷流体定压比热容 J/kg.0C T1、T2-热流体的进、出口温度 0C； t1、t2-冷流体的进、出口温度 0C 由测得的温度和计算的传热量、平均温差即可求得 K 值。 实验要求： 设备器材准备：换热器性能测试实验台一套；温度计一支。要求学生仔细观察实验现象， 记录实验数据，按时完成实验报告。