生物化工原理實驗教案
指導教師：張玉先
面向專業：食品科學與工程
生物工程
二o一一年九月
實驗一雷諾實驗（2學時）
一、實驗目的
1、熟悉雷諾裝置的結構和工作原理。
2、觀察並驗證流體流動的狀態。
二、實驗任務
1、通過調節流速，得出層流、過渡流和湍流。
2、測量流體的流速和其它物性引數，計算臨界雷諾數，並和理論值進行比較。
三、實驗原理
雷諾曾做過實驗，得到流體的流動狀態分為層流、過渡流和湍流三種。另外，流動狀態和流體流速、密度、粘度、管徑有關，並因此得到乙個準數——雷諾數。
經過總結，得到流體的流動狀態隻同雷諾數的大小有關，雷諾數小，則為層流，雷諾數大則為湍流。由層流變為湍流所對應的雷諾數，稱為上臨界雷諾數，約為4000～12000之間，工程上常用3000，一般大於此值可確定為湍流。由湍流變為層流所對應的雷諾數稱為下臨界雷諾數，約為2000左右，小於此值可定為層流。
上、下臨界雷諾數之間的流動狀態為過渡流，由於過渡流不穩定，稍有干擾，就變為湍流，所以有時把它看成為湍流的延伸部分。
由於re和四個引數有關，通過改變這些引數來改變re值，從而改變流體的流動狀態。
四、實驗裝置
圖1-1 雷諾實驗裝置簡圖
五、實驗內容
1、準備好管子、紅墨水、桶、量筒等輔助材料，把紅墨水充滿漏斗。
2、將水充入裝置內，讓水面達到預定高度並穩定，多餘的水由溢水管排出。
3、開啟流水管閥門，讓水由管子流動，同時開啟漏斗讓紅墨水從漏斗底部流出，並隨水流動。
4、調節水的流速，利用紅墨水的流動狀態，觀察不同的水的流動情況。
5、認真耐心的調節上下臨界點，用量筒和秒錶測量水的流量，換算出流速，結合其它引數，計算對應雷諾數，並和理論值進行比較。
6、實驗完畢，關閉進水管，關閉漏斗，關閉出水管。最後一組實驗，將裝置內的水放盡。
六、注意事項
1、做實驗時要小心，以免碰壞漏斗、量筒等易損品。
2、調節流速時，要手扶管子或閥門，不要硬掰，進行實驗時要有耐心。
3、由於液體流動易受外界干擾，觀察現象時，盡可能保持安靜。
七、思考題
1、裝置內的三塊板，各有什麼用處？
2、描述所觀察到的流動現象。
八、實驗報告
水溫水的密度水的粘度：
管內徑管截面積：
流速及雷諾數計算表
實驗二管道阻力的測定 （2學時）
一、 實驗目的
1、 學習管路阻力損失(wf)，管子摩擦係數(λ)，管件阻力係數（ζ）的測定方法，並通過實驗了解它們的變化規律，鞏固對流體阻力基本理論的認識。
2、 學習壓差計及流量計的使用方法。
3、 識別組成管路中各個管件，閥門並了解其作用。
二、實驗任務
1、 測量流體流經直管時的摩擦係數與雷諾準數的關係；
2、 測量流體經閥門或90。標準彎頭的阻力係數。
三、實驗原理
流體在管路中流動時，由於粘性剪應力和渦流存在，因此，不可避免的要消耗一定機械能。管路是由直管、管件和閥件等組成。流體在直管中流動造成的機械能損失稱直管阻力，而流體在通過管件、閥件等的區域性障礙，是因為流動方向和流動介面的突然改變所造成的機械能損失稱區域性阻力。
1、 摩擦係數測定法
管子的摩擦係數是雷諾數和管子相對粗糙度的函式，因此，對一定相對粗糙度的管子而言，摩擦係數和雷諾數才有一定的關係。
摩擦係數與阻力損失之間存在如下關係：
j/kg2-1）
式中 l—管長 （公尺）
d—管徑 （公尺）
μ—流速 （公尺/秒）
λ—管子的摩擦係數
wf—阻力損失 （j/kg）
根據這一關係式，就可以對一段已知長度、管徑的導管，在一定流速和雷諾數下，測出其阻力損失，然後再按下是求出其摩擦係數。
2-2)
有關引數的測定方法是：
流速的測定用流速計，在已知管子直徑d和流體流速u的情況下，只要測定出流體的溫度，即可求出雷諾數，因為，式中，密度ρ，粘度μ，對一定的流體來說，都是溫度的函式，可以根據流體的種類及溫度從手冊中查出；求取λ的關鍵是如何測出阻力損失。直管沿程摩擦阻力損失的測量示意圖見圖。
對圖中1、2兩截面列柏努利方程
2-3)
1、 2兩截面流體阻力2-4)
a截面上的壓強2-5)
a』截面上的壓強2-6)
兩式相減，得2-7)
可得2-8)
此式就是直管阻力損失的測量式。這式子表明，用∏型管測量時，測量結果與被測管子安裝得是否水平無關。
將（2-1）式代入（2-8）式，可得：
2-9）
將代入式（2-9），得
2-10）
式中 d—管子內徑（公尺）；
—∏型壓差計液柱差（公尺）；
l—兩側面之間的距離（公尺）；
vs—管內流量（公尺3/秒）。
式（2-10）就是摩擦係數的測定。
雷諾數的計算
2-11）
其中試驗過程中，水溫度變化不大，ρ、μ數值可視為常數。在運算過程中，先計算出常數a、b，在依次代入變數r、vs，即可很快求出相應的λ和re值。
2、 阻力係數測定法
區域性阻力通常有兩種方法表示，即當量長度法和阻力係數法，這裡利用阻力係數法進行測定。
克服區域性阻力所引起的阻力損失，可表示為動能一的個倍數，即
2-12）
式中 ξ—區域性的阻力係數
只要測出流體經過管件時的阻力損失，以及流體在直徑和管件相同的直管中的流速u，即可算出係數ξ。
彎頭損失測量方法示意圖見圖。
用與直管相同的方法，可以證明，彎頭前後測量點之間的流體阻力損失為：
2-13）
將代入式（2-13），則
2-14）
這就是區域性阻力係數測量式。
四、 實驗裝置
五、 實驗內容
（1） 將測定的資料和λ及re計算結果，以表的格式列出。
（2） 將λ及re值標繪到雙對數座標紙上。
六、 注意事項
1、 實驗時，流量改變宜從小到大，在過渡流態附近，要力求變化緩慢。為了取得較好的實驗結果，必須實驗前考慮好實驗點的布置和測量次數。
2、 壓差計要多讀幾次取其平均值。
七、 思考題
1、 怎樣排出連線管內的氣泡？
2、 為何本實驗資料在對數座標紙上進行標繪。
八、 實驗報告
實驗管：標準直徑：40mm, 實際內徑：36.5mm，
測點距離：2.004m，測試水溫： 測功機臂長：0.4896m 測量係數：100.4
沿程阻力實驗資料和整理結果表
實驗三離心幫浦效能的測定實驗（2學時）
一、 實驗目的
1、 了解離心幫浦的特性
2、 學習離心幫浦特性曲線的測定方法
3、 學習離心幫浦操作方法和特性曲線的應用
二、實驗任務
測定指定離心幫浦在恆定轉速下的特性曲線
三、實驗原理
幫浦是輸送液體的機械，在選用幫浦時，必須要在滿足一定流量時，具有足夠的壓頭，而且還要有較高的效率。對於往復幫浦來說，通常只需要注意幫浦的流量即可。因為，對一台具體的往復幫浦來說，不改變轉速流量是不會變的，同時流量改變時，幫浦的壓頭和效率是不受多大影響的。
但是對於離心幫浦就不同了，因為：
（1） 離心幫浦的流量，即使在轉速一定時，通過調節出口閥，仍可使之在零與最大值之間變動：
（2） 幫浦的流量變化時，幫浦的壓頭、拖動幫浦所消耗的功率以及幫浦的效率都會發生相應的變化，這種變化非常顯著，但有其規律。
因此，為了能夠正確的選擇和使用離心幫浦，就必須掌握離心幫浦流量q變化時，幫浦的壓頭h、功率n及效率η的變化規律，以及允許吸收真空度hs，也就是要查明離心幫浦的特性曲線，即在一定轉速下的：
（1） 壓頭——流量曲線（h——q曲線）
（2） 功率——流量曲線（n——q曲線）
（3） 效率——流量曲線（η——q曲線）
（4） 允許真空度——流量曲線（hs——q曲線）
有了h—q曲線，可以**在一定的管路系統中，這台離心幫浦的實際流量有多大，能否滿足需要；有了n—q曲線，可以**這種型別的離心幫浦在某一流量下執行時，拖動它要消耗多少能量，便於配置一台大小合適的動力裝置；有了η—q曲線，可以**這台離心幫浦在某一流量下執行效率的高低，是離心幫浦能夠在適宜的條件下執行，以發揮其最大功率；有了hs—q曲線就可以決定水幫浦的安裝高度的限度。
由於離心幫浦的特性曲線目前尚不能用解析方法進行計算，僅能通過實驗來測定，因此，要求學生掌握測定離心幫浦效能曲線的測定方法。
離心幫浦的特性與轉速有關，因此特性曲線必須是在恆定轉速下測定的。實際應用上，離心幫浦大多數是在恆定轉速下執行的。因此，離心幫浦通常是用三相交流電動機的拖動的，三相交流電動機的轉速是恆定的，因此，離心幫浦的特性曲線在恆定轉速下測定。
化工原理實驗指導書
目錄 i 第一章總論 1 1.1化工原理實驗要求 1 1.2實驗誤差分析和資料處理 3 第二章實驗內容 21 實驗一流體阻力的測定 21 實驗二離心幫浦效能的測定 25 實驗三過濾實驗 29 實驗四傳熱綜合實驗 32 實驗五吸收實驗 42 實驗六篩板式精餾塔的操作及塔效率測定 55 實驗七洞道乾燥實...
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