化工原理
實驗指導書
化學工程系
目錄實驗一流體機械能轉換實驗 1
實驗二離心幫浦特性曲線測定 3
實驗三對流給熱係數測定 9
實驗四篩板精餾塔實驗 13
一、實驗目的
熟悉流動流體中各種能量和壓頭的概念及其互相轉換關係，在此基礎上掌握柏努利方程。
二、實驗原理
1. 流體在流動時具有三種機械能：即①位能，②動能，③壓力能。
這三種能量可以互相轉換。當管路條件改變時（如位置高低，管徑大小），它們會自行轉換。如果是粘度為零的理想流體，由於不存在機械能損失，因此在同一管路的任何二個截面上，儘管三種機械能彼此不一定相等，但這三種機械能的總和是相等的。
2. 對實際流體來說，則因為存在內摩擦，流動過程中總有一部分機械能因摩擦和碰撞而消失，即轉化成了熱能。而轉化為熱能的機械能，在管路中是不能恢復的。
對實際流體來說，這部分機械能相當於是被損失掉了，亦即兩個截面上的機械能的總和是不相等的，兩者的差額就是流體在這兩個截面之間因摩擦和碰撞轉換成為熱的機械能。因此在進行機械能衡算時，就必須將這部分消失的機械能加到下游截面上，其和才等於流體在上游截面上的機械能總和。
3. 上述幾種機械能都可以用測壓管中的一段液體柱的高度來表示。在流體力學中，把表示各種機械能的流體柱高度稱之為「壓頭」。
表示位能的，稱為位壓頭；表示動能的，稱為動壓頭（或速度頭）；表示壓力的，稱為靜壓頭；已消失的機械能，稱為損失壓頭（或摩擦壓頭）。這裡所謂的「壓頭」係指單位重量的流體所具有的能量。
4. 當測壓管上的小孔（即測壓孔的中心線）與水流方向垂直時，測壓管內液柱高度（從測壓孔算起）即為靜壓頭，它反映測壓點處液體的壓強大小。測壓孔處液體的位壓頭則由測壓孔的幾何高度決定。
5. 當測壓孔由上述方位轉為正對水流方向時，測壓管內液位將因此上公升，所增加的液位高度，即為測壓孔處液體的動壓頭，它反映出該點水流動能的大小。這時測壓管內液位總高度則為靜壓頭與動壓頭之和，我們稱之為「總壓頭」。
6. 任何兩個截面上位壓頭、動壓頭、靜壓頭三者總和之差即為損失壓頭，它表示液體流經這兩個截面之間時機械能的損失。
三、實驗裝置(如圖3-3)
試驗裝置由玻璃管、測壓管、活動測壓頭、水槽、水幫浦等組成。活動測壓頭的小管端部封閉，管身開有小孔，小孔位置與玻璃管中心線平齊，小管與測壓管相通，轉動活動測壓頭就可以測量動、靜壓頭。
管路分成四段，由兩段不同直徑的玻璃管所組成。中間相對較粗管段的內徑約為34公釐，其餘部分的內徑約為13公釐。第四段的位置，比第三段低約5公釐，閥a供調節流量之用。
圖3-3 柏努利演示實驗裝置
四、實驗步驟
1. 關閉a閥，旋轉測壓管，觀察並記錄個測壓管中的液位高度h。
2. 開動迴圈水幫浦，開閥a至一定大小，將測壓孔轉到正對水流方向及垂直水流方向，觀察並記錄各測壓管相應的液位高度h1。
3. 不改變測壓孔位置，繼續開大a閥，觀察測壓管液位變化。並記錄各測壓管液位的相應高度h2。
五、實驗資料記錄
六、實驗報告要求
根據柏努利方程，比較上述各組資料的差異，分析和討論流體流動體系的機械能分布及其轉換規律。
七、思考題
1. 關閉a閥，各測壓管旋轉時，液位高度有無變化？這一現象說明什麼？這一高度的物理意義又是什麼？
2. 當測壓孔正對水流方向時，各測壓管的液位高度h的物理意義是什麼？
3. 為什麼h＞h1（對同一點而言）？為什麼距離水槽越遠，（h-h1）的差值越大？其物理意義是什麼？
4. 測壓孔正對水流方向，開大閥a，流速增大，動壓頭增大，為什麼測壓管的液位反而下降？
5. 將測壓孔由正對水流方向，轉至與水流方向垂直，為什麼各測壓管的液位下降？下降的液位代表什麼壓頭？2、3兩點及4、5兩點各自下降的液位是否相等？這一現象說明了什麼？
一、實驗目的
1、熟悉離心幫浦的構造和操作。
2、掌握離心幫浦在一定轉速下特性曲線的測定方法
3、學習工業上流量、功率、轉速、壓力和溫度等引數的測量方法，使學生了解渦輪流量計、電動調節閥以及相關儀表的原理和操作。
二、基本原理
離心幫浦的主要效能引數有流量q、壓頭h、效率和軸功率n，在一定轉速下，離心幫浦的送液能力（流量）可以通過調節出口閥門使之從零至最大值間變化。而且，當流量變化時，幫浦的壓頭、功率、及效率也隨之變化。因此要正確選擇和使用離心幫浦，就必須掌握流量變化時，其壓頭、功率、和效率的變化規律、即查明離心幫浦的特性曲線。
用實驗方法測出某離心幫浦在一定轉速下的q、h、n、n，並做出h-q、n-q、n-q曲線，稱為該離心幫浦的特性曲線。離心幫浦的特性曲線是選擇和使用離心幫浦的重要依據之一，其特性曲線是在恆定轉速下幫浦的揚程h、軸功率n及效率η與幫浦的流量v之間的關係曲線，它是流體在幫浦內流動規律的外部表現形式。由於幫浦內部流動情況複雜，不能用數學方法計算這一特性曲線，只能依靠實驗測定。
1．揚程（壓頭）h
在幫浦進、出口取截面列柏努利方程：
+hf式中：p1，p2——分別為幫浦進、出口的壓強 n/m2
ρ——流體密度 kg/m3
u1， u2——分別為幫浦進、出口的流量m/s
g——重力加速度m/s2
因兩截面間的管長很短，通常可忽略阻力損失項hf。當幫浦進、出口管徑一樣，上式簡化為：
由上式可知：只要直接讀出真空表和壓力表上的數值，兩表之間的高度差，就可以計算出幫浦的揚程。
2．軸功率n的測量與計算
電機輸入到離心幫浦的軸功率可按下式計算：
式中，n軸——幫浦的軸功率，w；
n電——電機的輸入功率，w；
η電——電機的效率，取0.94；
η轉——傳動裝置的效率，取1。
由上式可知：測定幫浦的軸功率，只需測定電機的輸出功率，乘上電機效率0.94即可。
3．效率η的計算
幫浦的效率η是幫浦的有效功率ne與軸功率n的比值。有效功率ne是單位時間內流體自幫浦得到的功，軸功率n是單位時間內幫浦從電機得到的功，兩者差異反映了水力損失、容積損失和機械損失的大小。
幫浦的有效功率ne可用下式計算：
ne=hvρg
故ne/n=hvρg/n
4．轉速改變時的換算
幫浦的特性曲線是在指定轉速下的資料，就是說在某一特性曲線上的一切實驗點，其轉速都是相同的。但是，實際上感應電動機在轉矩改變時，其轉速會有變化，這樣隨著流量的變化，多個實驗點的轉速n將有所差異，因此在繪製特性曲線之前，須將實測資料換算為某一特定轉速n下（可取離心幫浦的額定轉速）的資料。換算關係如下：
流量揚程
軸功率效率三、實驗裝置與流程示意圖
離心幫浦效能特性曲線測定系統裝置工藝控制裝置流程圖如圖1所示。裝置由迴圈水箱、離心幫浦、進出口管路及渦輪流量計、控制閥門和壓力表等組成的乙個迴圈迴路。
迴圈水箱1中的水經離心幫浦2抽出，經渦輪流量感測器8計量流量後流回水箱中。離心幫浦的水流量由電動調節閥9控制。用壓力表測幫浦進出口壓力。
用熱電偶測水溫。為防止停電等特殊情況造成液體回流導致幫浦的損壞，在幫浦出口閥前安裝乙個單向閥6。
工藝流程圖：
圖1 離心幫浦實驗裝置流程圖
1.迴圈水箱 2.離心幫浦 3.幫浦入口閥 4.漏斗 5.灌幫浦閥
6.單向閥 7.幫浦出口閥 8.渦輪流量感測器 9.電動閥
四、實驗步驟及注意事項
1、儀表及控制面板。
a、實驗流程圖
離心幫浦特性曲線測定裝置具有**操作功能，流程見圖1。裝置中幫浦進出口管徑相同均為40 cm，幫浦進出口測壓點高度差h0 =0.27m（以實際測量值為準）。
b、實驗步驟
1. 檢查電源和訊號線是否與控制櫃連線正確，檢查各閥門開度和儀表自檢情況，試開狀態下檢查電機和離心幫浦是否正常運轉。
2. 清洗水箱，並加裝實驗用水，加至水箱液位2/3處。
3. 灌幫浦，排出幫浦內氣體。開啟灌幫浦閥5，向漏斗4中加水灌幫浦。
4. 灌幫浦完成後，關閉灌幫浦閥5。確定除幫浦入口閥3外所有閥門關閉。開啟總電開關，儀表上電，設定流量。離心幫浦上電，開變頻器，設定轉數。
5. 資料測定：記錄下流量為零時的各有關引數，緩慢開啟幫浦出口閥7，由幫浦出口電動調節閥9調節流量由小到大測12~16組資料，每次待渦輪流量感測器讀數穩定後（至少30 s），讀取各引數並記錄。
再按相同的方法調節流量由大到小測12~16組資料。v設定為0 m3/h~4 m3/h，轉速調節範圍1500~2000 r/min，電機輸出看控制面板，待各儀表讀數顯示穩定後，讀取相應資料。（主要獲取實驗引數為：
流量qv、幫浦進口壓力p1、幫浦出口壓力p2、電機功率p電、幫浦轉速n，及流體溫度t和兩測壓點間高度差δz。）
6. 停幫浦：測取12~16組左右資料，實驗完畢，關閉幫浦出口閥7，變頻器調零後關閉，關閉所有閥門，關幫浦及總電開關。
7. 記錄下裝置的相關資料（如離心幫浦型號，額定流量、揚程和功率等）。
注意事項：
a) 一般每次實驗前，均需對幫浦進行灌幫浦操作，以防止離心幫浦氣縛。同時注意定期對幫浦進行保養，防止葉輪被固體顆粒損壞。
b) 幫浦運轉過程中，勿觸碰幫浦主軸部分，因其高速轉動，可能會纏繞並傷害身體接觸部位。
c) 實驗過程中，務必要等到流量穩定時再讀數，否則會造成資料不准。
d) 不要在出口閥關閉狀態下長時間使幫浦運轉，一般不超過三分鐘，否則幫浦中液體迴圈溫度公升高，易生氣泡，使幫浦抽空。
四、思考題
1. 測定離心幫浦特性曲線的意義有那些？
2. 試從所測實驗資料分析離心幫浦在啟動時為什麼要關閉出口閥門？
3. 啟動離心幫浦之前為什麼要引水灌幫浦？如果灌幫浦後依然啟動不起來，你認為可能的原因是什麼？
4. 為什麼用幫浦的出口閥門調節流量？這種方法有什麼優缺點？是否還有其他方法調節流量？
5. 幫浦啟動後，出口閥如果不開，壓力表和真空表讀數如何變化？為什麼？
6. 正常工作的離心幫浦，在其進口管路上安裝閥門是否合理？為什麼？
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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...