第3部分化工原理基本實驗流體流動阻力的測定實驗目的(1)學習管路阻力損失(hf)、管路摩擦系數(2、管件(閥件)局部阻力系數(Z的測定方法，并通過實驗了解它們的變化規(guī)律，鞏固對流體阻力基本理論的認識；(2)了解與本實驗有關的各種流量測量儀表、壓差測量儀表的結構特點和安裝方式，掌握其測量原理，學會其使用方法。3.1.2實驗原理實際流體沿直管壁面流過時因粘性引起剪應力，由此產生的阻力損失稱為直管阻力損失hfO流體流過管件、閥門或突然擴大(縮小)時造成邊界層分離，由此產生的阻力稱為局部阻力。上述兩種阻力的測定原理如下：(1)直管阻力損失為了測定流體流過長為i、內徑為d的直管的阻力損失，在其兩端安裝一個u形管壓差計。在壓差計的上、下游取壓面1-1與2-2間列伯努利方程：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"T.p.u2 / .p.u2、 ,、h=gz+T+T-(gz+T+-) (3-1)f1p2 2p2對于水平等徑直管，有q=z2,u1=u2，所以h=Pi二P2 (3-2)fp流體流過直管的壓降由壓差計測定，即于是P1-P于是P1-P2二(p-p)gRi(p-p)gR

i

p(3-3)(3-4)因為hf因為hf6d5，所以在某一流量下摩擦系數可按下式計算:(3-5)心2d(p「p)gR

lu2(3-5)式中：P.、P——分別為直管阻力壓差計指示劑及流體的密度；R——U形壓差計讀數。根據因次分析，流體在直管內湍流流動時摩擦系數為雷諾準數Re和管子相對粗糙度(/d)的函數，即工f(Re,。)=f(如,彳) (3-6)d日d(2)局部阻力根據局部阻力系數法，流體流過管件或閥門的阻力損失為(3-7)7，(P+Pgz)-(p+Pgz)(p'—P)gR'uu'2h=——1 1 2 2—二——i 二g(3-7)式中：p'、P——分別為局部阻力壓差計指示劑及流體的密度；R'——U形壓差計讀數。所以，在某一流量下閥件或者管件的局部阻力系數可按下式計算：(3-8)g_2(p'-p)gR

PUf2(3-8)根據式(3-4)?(3-8)，實驗的組織方法是：在待測的直管段、管件(如大小頭、90o彎頭等)或者閥門(如閘閥、球閥等)兩端安裝U形管壓差計，在管路下游安裝出口閥，在直管段安裝流量計，再配以溫度計、管件、水槽等部件組成循環(huán)管路。實驗裝置與流程本實驗裝置由離心泵、渦輪流量計、水槽、U形壓差計等組成，其流程如圖3-1所示。圖3-1流體流動阻力實驗裝置1—水槽；2一離心水泵；3—流量計；4—溫度計；5—閥件或管件；6一直管；7—底閥；8—控制閥；9—引水閥；10，11—排氣閥；12—平衡閥；13一總管排氣閥實驗步驟(1)關閉控制閥，打開2個平衡閥，引水、灌泵、放氣，關閉功率表，啟動泵。(2)排出管路系統(tǒng)的氣體。a.總管排氣：先將控制閥全開，再關閉，如此反復3次，目的是排走總管中的部分氣體；然后打開總管排氣閥，開啟后再關閉，如此反復3次。b.引壓管排氣：開啟控制閥，對每個壓差計的2個排氣閥，先同時開啟再同時關閉，共反復3次。?? ??c.壓差計排氣：關閉2個平衡閥，對每個壓差計的2個排氣閥，先同時開啟后同時關閉，共反復3??????? ?? ??次。注意：在開啟排氣閥時眼睛要注視U型壓差計中的指示劑液面，防止指示劑沖出。(3)檢驗排氣是否徹底。檢驗方法：將控制閥全開，再全關，觀察U型壓差計讀數，若左右讀數相等，則可判斷系統(tǒng)排氣徹底;若左右讀數不等，則重復步驟(2)。(4)記錄數據。注意：a.由于系統(tǒng)的流量采用渦輪流量計計量，其小流量受到結構的限制，所以從大流量做起，實驗數據比較準確。b.由于Re在充分湍流區(qū)時，丸?Re的關系是水平線，所以在大流量時宜少布點；而Re比較小時，丸?Re的關系是曲線，所以小流量時應多布點。(5)關閉出口閥，關閉功率表開關，停泵，打開平衡閥。3.1.5注意事項(1)排氣一定要徹底；(2)啟動泵前必須關閉引水閥；(3)引壓管和壓差計排氣時要同時開關排氣閥，注意安全，確保指示劑不從壓差計內沖出；(4)合理安排實驗點。數據記錄表3-1流體流動阻力測定實驗原始數據記錄表直管長度： m 管徑： mm 指示劑:閥門或管件類型： 管徑： mm 指示劑:水溫： ℃序號顯示儀讀數直管阻力壓差計局部阻力壓差計左右左右12345678910實驗報告要求(1)將實驗數據整理成見?Re數據表，在雙對數坐標紙上繪制力?Re曲線。???

(2)確定管件或閥門的阻力系數。思考題(1)如何選擇u形壓差計的指示液？(2)流量調節(jié)閥為何安裝在出口處的下端？(3)為了確定力與Re的函數關系要測定那些數據？宜選用什么儀器、儀表來測定？(4)為什么要進行排氣操作？如何排氣？為什么操作失誤可能將U形壓差計中的水銀沖走？(5)不同管徑、不同水溫下測定的丸?Re數據能否關聯到一條曲線上，為什么？(6)以水為工作流體測定的丸?Re曲線能否用于計算空氣在直管內的流動阻力，為什么？(7)兩段管線的管長、管徑、相對粗糙度及管內流速均相同，一根水平放置，另一根傾斜放置。流體流過這兩段管線的阻力及管子兩端的壓差是否相同，為什么？3.2離心泵特性曲線的測定實驗目的了解離心泵的特性；(2)學習離心泵特性曲線的測定方法；(3)熟悉離心泵的操作方法和特性曲線的應用;(4)正確掌握用作圖法處理實驗數據。實驗原理對一定類型的離心泵來說，泵的特性曲線主要是指在一定轉速下，泵的揚程(He)、軸功率(Pa)和效率(n)與流量(qV)之間的關系。因為Pn=因為Pn=paPgqHe

V Pa(3.9)所以，要測定離心泵的特性曲線，最重要的是測定Hee?qV關系曲線。由于離心泵的結構和流體本身的非理想性以及流體在流動過程中的種種阻力損失，迄今為止，還沒有人能推導出計算揚程的純理論數學方程式。因此，不能通過理論方法直接獲得He?qV關系曲線。泵的工作點為管路特性曲線和泵特性曲線的交點，改變管路阻力(通過調節(jié)閥門開度)可使管路特性曲線上的工作點發(fā)生移動，再將一系列移動的工作點的軌跡連接起來，就得到泵的He?qV關系曲線，見圖3-2。圖3-2圖3-2泵的工作點原理圖圖3-3泵的結構示意圖在泵的進出口截面(圖3-3)間列機械能衡算式:h+Ph+P+U2+He=h+P+

1Pg2g 2pgU2—2.+Hf,1-2(3-10)(3-11)He="-2+h-h+”-上

PgPg 212g2g(3-11)其中(3-12)其中由式(3-9)、(3-11)和(3-12)可見，實驗的組織方法是：在泵的進、出口管上分別安裝真空表和壓力表，確定p1和p2；安裝溫度計測量流體溫度，從而確定流體的密度p在電機上安裝功率表計量電機輸入功率Pa；安裝流量計，確定流體的流速u；通過閥門控制流量；除以上儀表外，配上管件、水槽等部件組成循環(huán)管路。實驗裝置與流程本實驗裝置由水槽、離心泵、控制閥、流量計等組成，其流程如圖3-4所示。圖3-4泵特性曲線實驗裝置1—水槽；2一離心泵；3-控制閥；4—真空表；5-電功率表；6-壓力表；7—溫度計；8—渦輪流量計；9—底閥；10一排氣閥；11—引水閥；12一排污閥實驗步驟(1)關閉電功率表開關，關閉控制閥，引水、灌泵，待泵出口壓力穩(wěn)定后，關閉引水閥反復開、關?????泵體排氣閥，氣體被排盡后，關閉排氣閥。(2)啟動泵，接通電功率表。(3)采集數據。實驗從大流量做起，在最大流量與最小流量(含最大流量與最小流量)之間采集10組以上數據。(4)實驗結束后，停泵，關閉電功率表開關。注意事項(1)調節(jié)閥門開度后須等待3?5min方能讀取數據。(2)最大流量由管路特性與泵特性共同決定，指控制閥全開時的值。(3)因離心泵效率極值點會出現在大流量時，所以實驗布點應遵循大流量多布點，小流量少布點的規(guī)則。(4)實驗中若發(fā)現流量顯示儀讀數達不到零，則可采用先將控制閥全開，再快速關閉控制閥，使流量顯示儀讀數為零，此讀數可能不久還會上升，仍為正常現象，上升的數據不采集，以零計。此時其余的儀表讀數不隨顯示儀讀數而改變。數據記錄表3-2離心泵特性曲線的測定實驗數據記錄表水溫：℃ 兩測壓口間的垂直距離： mm泵的吸入口管徑： mm泵的壓出口管徑： mm序號顯示儀讀數真空表/MPa壓力表/MPa電功率表讀數12345678910實驗報告要求(1)在直角坐標系中繪制離心泵的特性曲線，注意必須說明實驗介質、實驗溫度、泵的類型與轉速。(2)判斷該泵較為適宜的工作范圍。思考題(1)啟動離心泵前為什么要先灌水排氣？本實驗裝置中的離心泵在安裝方面有何特點？(2)啟動離心泵前為什么要先關閉出口閥，待啟動后再逐漸開大？停泵時為什么也要先關閉出口閥？(3)離心泵的特性曲線是否與連接的管路系統(tǒng)有關？(4)離心泵的流量增大時，壓力表與真空表的數值將如何變化?為什么？(5)離心泵的流量是否可以通過泵的出口閥調節(jié)，為什么？(6)在什么情況下會出現“汽蝕”現象？汽蝕現象與氣縛現象有什么區(qū)別？(7)離心泵在其進口管上安裝調節(jié)閥門是否合理？為什么？(8)試分析必須汽蝕余量與泵的安裝高度的區(qū)別。(9)已知某離心泵的必需汽蝕余量(NPSH)r=3.0m，如果選用密度比水輕的苯作介質，那么必需汽蝕余量如何變化？為什么？

3.3過濾實驗實驗目的了解過濾機的構造、流程、操作原理，掌握過濾的操作方法;(2)測定恒壓過濾時的過濾常數K；(3)測定洗滌速率并驗證最終速率和洗滌速率的關系。實驗原理恒壓過濾方程為：(3-13)V2-V12+2V(V-V)=KA2(t-T1)(3-13)或 q2-q2+2q(q-q)=K(T-T) (3-13a)1 e 1 1式中：A 過濾面積，m2；K 過濾常數，m2/s；q 單位過濾面積的濾液體積，q=V/A，m3/m2；q——-t1時間所得單位過濾面積的濾液體積，m3/m2；qe 單位過濾面積的虛擬濾液體積，qe=V/A，m3/m2；V——t時間內的濾液體積，m3；Ve——虛擬的濾液體積，它是形成相當于濾布阻力的一層濾餅時應得到的濾液體 積，m3；t 過濾時間，s；t1——恒壓過濾前的過濾時間，s。對式(3-13a)微分可得(3-14)(3-15)并由此算出一dt 2 2(3-14)(3-15)并由此算出一———q+—qdqKKe上式表明dT/dq與q成直線關系，其斜率為2/K，截距為2qjK。為了便于實驗測定，用At/Aq代替dt/dq。于是，式(3-14)可改寫為At 2 2————q+—qAqK Ke已知過濾面積，對待測的物料進行恒壓過濾，測出一系列時刻(t)的累積濾液體積(V)，系列q(q=V/A)的值，從而得出一組對應的At與Aq之值。與At/Aq對應的q值應為qm，而qm應是相鄰兩次q的平均值，即

(3.16)然后在直角坐標系中以qm為自變量（橫軸），(3.16)距為2qe/K。由此可求出K和qe。也可將式（3-13a）化為下式進行求解以At以At/Aq為因變量（縱軸）作一直線；直線斜率為2/K，截 1q-qi(3-17)3.3.3實驗裝置與流程(3-17)（1）板框過濾裝置（I）板框過濾裝置由過濾器、調料桶、貯漿罐、貯水桶、量筒等組成，其流程如圖3-5所示。圖3-5板框過濾實驗裝置1—調料桶；2—貯漿罐；3—過濾器；4一濾液計量筒；5一貯水桶；6—壓縮空氣進口閥；7一壓力表將料漿在調料桶內調勻后，放入貯漿罐內，由壓縮空氣將料漿壓入過濾器中，濾液排出量用量筒進行計量，洗滌濾餅時用壓縮空氣將貯水桶中的水壓入過濾器進行洗滌。操作壓力由壓力定值器控制（在老師的指導下調節(jié)）。（2）臥式圓形過濾裝置（II）臥式圓形過濾裝置由圓形過濾器、貯漿罐、泵、量筒等組成，其流程如圖3-6所示。圖3-6臥式圓形過濾裝置1一貯漿罐；2—循環(huán)泵；3—過濾器；4一濾液計量筒；5—加料口；6一循環(huán)閥；7—過濾閥；8—壓力表；9一排污閥將配好的料漿倒入貯漿罐內，由泵將料漿送入過濾器中，濾液排出量用量筒進行計量。3.3.4實驗步驟（1）裝置⑴a.熟悉過濾實驗的裝置與流程，檢查各閥門的啟閉是否正確，然后用碳酸鎂和水配制成料漿，其濃度在5%（質量分率）左右。b.先濕透濾布，再將它裝于濾框上。安裝時濾布孔要對準過濾器的孔道，表面要拉平整，不起皺紋，板和框的排列順序為：非洗滌板一濾框一洗滌板一濾框一…。c.將料漿導入貯漿罐，開啟攪拌機，使料漿濃度均勻。d.啟動壓縮機，待壓縮機運行正常后，調節(jié)空氣減壓閥，將壓力調至指定的工作壓力（減壓閥的壓力一般控制在0.1MPa）。e.開啟過濾閥開始過濾，用二只秒表交替記時，記下間隔過濾時間和濾液量，共記錄6組以上數據。f.如欲在不同的恒定壓力下進行過濾實驗，其料漿濃度大體上維持不變，并重復步驟c、d、e。g.待濾渣充滿濾框時即可停止過濾（以濾液量顯著減少到一滴一滴地流出為準）。h.若需測定洗滌速度，則可在過濾終了時通入洗滌水，并記錄洗滌水量和時間。i.實驗完畢，拆卸板框過濾器，將板框過濾器內的濾渣放回調料桶，并清洗過濾器。（2）裝置（II）a.用碳酸鎂和水配制成料漿，其濃度在5%（質量分率）左右，其體積約占貯漿罐的2/3；b.按正確的順序安裝過濾器；c.開啟貯漿罐和循環(huán)泵的出口閥，開啟循環(huán)泵，運行約15min；d.關閉循環(huán)閥，開啟過濾閥，用二只秒表交替記時，記下間隔過濾時間和濾液量；e.待濾渣充滿濾框時即可停止過濾（以濾液量顯著減少到一滴一滴地流出為準）；f.過濾結束后，將濾餅倒回配料桶，清洗過濾器。注意事項（1）板框過濾裝置a.應在熟悉閥門、管路系統(tǒng)和板框壓濾機的構造后方能進行操作。b.通過調節(jié)減壓閥開度保持整個過濾過程的壓力穩(wěn)定。c.記錄數據之前，要根據過濾面積與量筒體積的大小，選定一個合適的AV值（一般取200mL）。（2）圓形過濾裝置a.安裝過濾器時必須做到順序正確，用力均勻。b.濾布要放平整。數據記錄表3-3過濾實驗數據記錄表過濾面積： m2濾漿MgCO3的質量分率： %序號時間At/s濾液量V/L12348實驗報告要求(1)以累計濾液量q對時間T作圖；(2)以AT/Aq對qm作圖求出K、qe，并寫出完整的過濾方程式;(3)求出洗滌速度，并和最終過濾速率比較。思考題(1)為什么過濾開始時濾液常常有些渾濁，待過濾一段時間后才能澄清？Aq值取大一點好還是取小一點好？Aq與哪些因素有關？(3)濾漿濃度和過濾壓力對K值有何影響？(4)恒壓過濾時，欲增加過濾速率，可行的措施有哪些？(5)當操作壓強增加一倍時，其K值是否也增加一倍？要得到同樣的濾液量，其過濾時間是否應縮短半？3.4傳熱實驗湍流下空氣-水對流給熱系數的測定3.4.1.1實驗目的(1)測定套管式換熱器的總傳熱系數K；(2)測定圓形直管內對流給熱系數a,并學會用實驗方法將流體在管內強制對流時的實驗數據整理成包括a的準數方程式。實驗原理(1)測定總傳熱系數K根據傳熱速率方程式，有KQ(3-18)K二(3-18)AAtm實驗時，若能測定或確定Q、Atm和A，則可測定K。a.傳熱速率Q "本實驗為水與空氣間的換熱，忽略熱損失，根據熱量衡算，有Q=qhch(T1~T2)=qc(12-ti) (3-i9)式中：5c、cph——分別為水和空氣的定壓比熱容，J/(kg?K)；q：C、qmh——分別為水和空氣的質量流量，kg/s；T「T2——分別為空氣的進、出口溫度，℃；t「12——分別為水的進、出口溫度，℃。傳熱速率Q按空氣的放熱速率計算。空氣的質量流量由下式確定：

(3-20)q=Pq(3-20)mc V式中：qVp空氣的體積流量，m式中：qVp空氣處于流量計前狀態(tài)時的密度，kg/m3。式中:b.P=1.293xpa式中:b.P=1.293xpa 當地大氣壓，Pa；t——轉子流量計前空氣的溫度，R——流量計前空氣的表壓，Pa。傳熱平均推動力Atm℃；p+R273.15—a X 101325273.15+1(3-21)(3-22)(4-t2)-(T2-tj(3-22)T-tln^—2-T-11c.傳熱面積c.傳熱面積(3-23)式中：L(3-23)式中：L——傳熱管長度d——傳熱管外徑，m。A=ndL(2)測定空氣與管壁間的對流給熱系數在空氣一水換熱系統(tǒng)中，若忽略管壁與污垢的熱阻，則總傳熱系數K與空氣、水側的對流給熱系數氣、氣之間的關系為：(3-24)由于水側的對流給熱系數遠大于空氣側的對流給熱系數，即ac?a「故ah工K (3-25)⑶求a與Re的定量關系式由因次分析法可知，流體無相變時管內強制湍流給熱的準數關聯式為Nu=ARmPn (3-26)er(3-26a)a,dup c從(3-26a)=A(丁)m(X)n式中：u 空氣的流速，m/s；入——定性溫度下空氣的導熱系數，W/(m?K)；p 定性溫度下空氣的密度，kg/m3；〃 定性溫度下空氣的粘度，Pa-s；A、m、n——待定系數及指數。本實驗中，由于空氣被冷卻，取n=0.3,所以式(3-26)可化簡為Nu/Po.3=ARm (3-27)上式兩邊同時取對數，有(3-28)lg(Nu/P0.3)=1gA+m1gR(3-28)在雙對數坐標中以Nu/P0.3對Re作圖，由直線的斜率與截距之值求取系數A與指數m,進而得到對r流給熱系數a與Re間的經驗公式。實驗裝置與流程本實驗裝置由套管換熱器、風機、電加熱器等組成，其流程見圖3-7。由風機送入風管的空氣經電加熱器加熱后，進入套管換熱器的內管，與套管環(huán)隙內的大量水換熱后排至大氣中。圖3-7空氣-水套管式換熱設備流程圖1—風機；2—空氣流量調節(jié)閥；3—空氣轉子流量計；4—電加熱器；5一套管換熱器；6—水流量調節(jié)閥；7—水轉子流量計；8、9—U形壓差計；10一溫度計實驗步驟(1)檢查空氣流量調節(jié)閥是否全關。(2)打開冷卻水流量調節(jié)閥，調節(jié)水的流量至指定值(水的流量大于100L/h)。(3)開啟風機，打開空氣流量調節(jié)閥，將流量調至最大；開啟兩組電加熱器，待空氣溫度升到設定值(一般為80℃)后穩(wěn)定10min。(4)保持水的流量不變，從大到小調節(jié)空氣的流量，測定6?8組實驗數據。(5)數據記錄完畢后，先關電加熱器，后關空氣流量調節(jié)閥，停風機，最后關冷卻水流量調節(jié)閥。??????注意事項(1)調節(jié)空氣流量時要做到心中有數，保證空氣流動處于湍流狀態(tài)(空氣流量不應低于12m3/h)。(2)每改變一次空氣流量，應等到讀數穩(wěn)定后再測取數據。(3)合理分布實驗點。數據記錄表3-4空氣-水套管換熱實驗記錄表內管規(guī)格： mm管長： m 流量計前壓差計所用指示劑：室溫：℃ 當地大氣壓： Pa序號空氣流量水流量流量計前壓差一溫度/℃空氣空氣冷水冷水進風/m3.h-1/m3.h-1計讀數/cm進口出口進口出口溫度13456實驗報告要求(1)在雙對數坐標系中繪出Nu/Pr0.3?Re的關系圖。(2)整理出空氣在圓管中做強制湍流流動時的對流給熱系數半經驗關聯式。

(3)將實驗得到的半經驗關聯式與公認的關聯式進行比較。思考題(1)為什么本實驗裝置的總傳熱系數近似等于空氣側的對流給熱系數？(2)空氣的速度和溫度對空氣側的對流給熱系數有何影響？在不同的溫度下，是否會得出不同的準數方程？(3)換熱器的壓降與空氣流量之間的變化關系如何？(4)水流量的大小會不會影響實驗結果？(5)本實驗中壁溫是接近水的平均溫度，還是接近空氣的平均溫度？為什么？3.4.2強制湍流下空氣-蒸汽對數給熱系數的測定實驗目的(1)測定套管式換熱器的總傳熱系數K；(2)比較圓形光滑管和螺紋管的傳熱效率；(3)測定圓形直管內對流給熱系數a，并學會用實驗方法將流體在管內強制對流時的實驗數據整理成包括a的準數方程。實驗原理(1)測定總傳熱系數K根據傳熱速率方程，有QQ(3-29)K二(3-29)AAtm實驗時，若能測定或確定Q、Atm和A，則可測定K。a.傳熱速率Q "本實驗為蒸汽與空氣之間的換熱，忽略熱損失，根據熱量衡算，有Q=qhrh=qc(12-1]) (3-30)式中： cpc——空氣的定壓比熱容，J/(kg?K)；qmc、；：——分別為空氣和蒸汽的質量流量，kg/s；mct「t2——分別為空氣的進、出口溫度，℃。傳熱速率Q按空氣的吸熱速率計算。空氣的質量流量由式(3-31)確定：(3-31)q=Pq(3-31)mc v式中：qV 空氣的體積流量，m3/s；p 空氣處于流量計前狀態(tài)時的密度，kg/m3。空氣的體積流量用轉子流量計測量，空氣的密度可按理想氣體狀態(tài)方程計算:P=1.293xP=1.293x?^±Rx101325273.15273.15+1(3-32)式中：pa 當地大氣壓，Pa；t——轉子流量計前空氣的溫度，℃；R——流量計前空氣的表壓，Pa。b.傳熱平均推動力Atm

ln三Tln三T—t一t2(3-33)c.傳熱面積A=ndL (3-34)式中：L傳熱管長度，m；d傳熱管外徑，m。(2)測定空氣與管壁之間的對流給熱系數在蒸汽一空氣換熱系統(tǒng)中，若忽略管壁與污垢的熱阻，則總傳熱系數人與空氣、蒸汽側的對流給熱系數ac、ah之間的關系為：(3-35)由于水側的對流給熱系數遠大于空氣側的對流給熱系數，即ac?ah,故ac工K (3-36)⑶求a與Re的定量關系式由因次分析法可知，流體無相變時管內強制湍流給熱的準數關聯式為Nu=ARmPn (3-37)er(3-37a)a,dup c從(3-37a)二A(—)m(X)n式中：u 空氣的流速，m/s；入——定性溫度下空氣的導熱系數，W/(m?K)；p 定性溫度下空氣的密度，kg/m3；〃 定性溫度下空氣的粘度，kg/(m?s)；A、m、n——待定系數及指數。本實驗中，空氣被加熱，取n=0.4,則式(3-37)可化簡為Nu/Po.4=ARm (3-38)上式兩邊同時取對數，有l(wèi)g(Nu/P0.4)=lgA+mlgR (3-39)在雙對數坐標中以Nu/P0.4對Re作圖，由直線的斜率與截距之值可求取系數A與指數m,進而得到r對流給熱系數a與Re的經驗公式。實驗裝置與流程本實驗裝置由2套套管式換熱器組成，其中一套內管是光滑管，另一套內管是螺紋管。圖3-8所示為其中的一套。圖3-8蒸汽-空氣套管換熱設備流程圖

1一離心風機；2—空氣流量調節(jié)閥；3—空氣轉子流量計；4、11一壓差計；5一溫度計;6一套管式換熱器；7—蒸汽流量調節(jié)閥；8—壓力表；9—放空閥；10一疏水閥由風機送來的空氣經流量調節(jié)閥2進入換熱器6的內管，與蒸汽換熱后排空。由蒸汽發(fā)生器來的蒸汽經蒸汽流量調節(jié)閥7進入換熱器的環(huán)隙空間，冷凝液由疏水閥10排出，不凝性氣體經放空閥9放空。實驗步驟(1)打開自動蒸汽發(fā)生器的補水閥，依次打開傳熱實驗裝置儀表盤上的總電源開關、儀表開關和鍋爐開關。(2)打開自動蒸汽發(fā)生器儀表盤的電源開關，選擇自動控制，開啟蒸汽發(fā)生器水泵開關，打開電加熱器電源，開三組電加熱器。(3)待產生蒸汽后調節(jié)蒸汽流量調節(jié)閥至一額定蒸汽壓(一般為0.1MPa),再打開疏水閥。(4)啟動風機，調節(jié)空氣流量從大到小，測定6?8組數據。(5)實驗結束后，先關蒸汽發(fā)生器的電源，再打開套管環(huán)隙的排氣閥進行排氣，最后停風機，清理現場。注意事項(1)調節(jié)空氣流量時要做到心中有數，保證空氣流動處于湍流狀態(tài)，其流量不應低于12m3/h。(2)每改變一次空氣流量，應等到讀數穩(wěn)定后再測取數據。(3)實驗中空氣流量間隔應適宜，以保證數據點分布均勻。(4)在操作過程中間隔打開放氣閥，以排除不凝性氣體。數據記錄表3-5蒸汽-空氣套管換熱實驗記錄表內管規(guī)格： mm管長： m流量計前壓差計所用指示劑：室溫：℃當地大氣壓：Pa 序號空氣流量流量計前壓差 溫處 /m3.h-1 計讀數/cm空氣進口 空氣出口 蒸汽12345678實驗報告要求(1)在雙對數坐標系中繪出Nu/Pr0.4?Re的關系圖。(2)整理出空氣在圓管中做強制湍流流動時的對流給熱系數半經驗關聯式。(3)將實驗得到的半經驗關聯式與公認的關聯式進行比較。思考題(1)為什么本實驗裝置的總傳熱系數近似等于空氣側的對流給熱系數？(2)如果環(huán)隙間飽和蒸汽的壓強發(fā)生變化，那么管內空氣側對流給熱系數的測量是否會受到影響？(3)空氣的速度和溫度對空氣側的對流給熱系數有何影響？在不同的溫度下，是否會得出不同的準數關聯式？(4)當空氣流速增大時空氣離開換熱器的溫度將升高還是降低？為什么？(5)本實驗中空氣和蒸汽的流向對傳熱效果有什么影響？要不要考慮它們的相對流動方向？(6)本實驗中壁溫是接近蒸汽的溫度，還是接近空氣的平均溫度？為什么？3.5氨吸收實驗實驗目的了解填料吸收裝置的基本流程及設備結構；(2)掌握總體積傳質系數的測定方法，了解單膜控制過程的特點；實驗原理要決定填料塔的塔高，總傳質系數是有待確定的參量，而實驗測定是其來源之一，另外在測定生產中塔的性能時，也需要測定總傳質系數。在吸收過程為單膜控制時，單膜傳質系數近似等于總傳質系數，因而可用總傳質系數的測定，代替單膜傳質系數的測定，從而可建立單膜傳質系數的實驗關系式。由于填料的有效氣液接觸面積a的值很難直接測定，常將它與傳質系數的乘積如Ka、Ka視為一體，作為一個完整的物理量來看待，這個乘積稱為“體積傳質系數”。當吸收溶液的濃度小于10%時，氣液平衡關系服從亨利定律，則氣相總體積傳質系數為Ka=G*-y2) (3-40)y h-Aym式中 h——填料層高度，m；匕、y——分別為入塔氣與尾氣中氨的摩爾分數；G—單位塔截面的混合氣體的摩爾流量，kmol/(m2?h)；Aym——氣相平均推動力；Kya——填料的氣相總體積傳質系數，kmol/(m3?h)。實驗裝置與流程如圖3-9所示。圖3-9吸收裝置流程圖1—填料吸收塔；2一噴頭；3—填料；4—柵板；5一風機；6一旁路調節(jié)閥；7—空氣緩沖罐；8—空氣轉子流量計；9,15—溫度計；10,17,28—表壓計；11—氨瓶；12—鋼瓶壓力表；13一氨壓力表；14一氨緩沖罐；16一氨流量調節(jié)閥；18一氨氣轉子流量計；19一尾氣調壓閥；20—取樣管；21—穩(wěn)壓瓶；22—旋塞；23—吸收盒；24—濕式氣體流量計；25—水流量調節(jié)閥；26—水轉子流量計；27—液封；29一壓差計由葉氏鼓風機5輸送的空氣進入緩沖罐7,經轉子流量計8后與從液氨鋼瓶減壓后經轉子流量計18的氨氣混合，進入吸收塔1的底部，在塔內與水進行傳質后，從塔頂排出。吸收劑水經轉子流量計26至噴頭2入塔。吸收液經塔底U形管27排出，尾氣組成用氣體分析器(或氣相色譜儀)測定；空氣、氨氣和水的流量由轉子流量計測定；空氣、氨氣塔頂混合氣的壓強以及填料層壓降，分別由各自的液柱壓差計測定，空氣或水的溫度由溫度計顯示。實驗步驟(1)確定操作條件，包括被吸收溶質流量、空氣量及噴淋量等。(2)準備好尾氣分析器，尾氣分析器由吸收盒和濕式氣體流量計組成。用少許蒸餾水洗凈吸收盒后，用移液管移取1mL的一定濃度稀硫酸加入吸收盒，然后加入少量蒸餾水至刻度線處，再滴入1?2滴甲基紅指示劑，最后將吸收盒連入尾氣分析管路。(3)全開旁通閥，啟動風機，通過調節(jié)旁通閥來控制空氣流量。(4)在教師指導下，開啟氨氣系統(tǒng)。第一步，放松減壓閥的彈簧，使減壓閥處于關閉狀態(tài)，再打開氨氣瓶上的截止閥，此時氨氣瓶處的壓力表應有示值；第二步，先關好氨氣轉子流量計前的調節(jié)閥，再緩緩壓緊減壓閥的彈簧，使閥門打開，調節(jié)減壓閥開???????????????度使減壓閥低壓側壓力表示值為0.04?0.06MPa；第三步，開啟氨氣流量調節(jié)閥，調節(jié)氨氣流量，使塔底混合氣中氨濃度在5%左右，并維持恒定。注意：氨氣流量調節(jié)閥不宜開得過快，以防流量計前的壓差計中水銀被沖掉。(5)待操作穩(wěn)定后記錄有關數據。(6)尾氣分析操作。打開玻璃旋塞之前，先記錄濕式空氣流量計的初示值，然后開啟玻璃旋塞，讓尾氣通過吸收盒。當吸收液的顏色由紅變黃時，立即關閉玻璃旋塞，讀取濕示空氣流量計的終示值。注意：旋塞開度應適當，使氣泡均勻上升，以免硫酸被氣泡帶走，造成反應不完全。(7)保持水的噴淋量不變，改變空氣流量(混合氣體濃度仍在5%左右)按同樣步驟測定K產，也可保持空氣流量不變，改變噴淋量，測定Kya。(8)操作完成后，依次關閉氨氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和供水系統(tǒng)。3.5.5實驗記錄表3-6氨吸收實驗數據記錄表填料種類:填料層高度:填料種類:塔內徑:填料規(guī)格:大氣壓強:

塔內徑:參數項目空氣流量流量計前表壓々@血1^^空氣溫度/℃流量計示值/m3?h-i氨氣流量流量計前表壓々@血1^^氨氣溫度/℃流量計示值/m3?h-i氨氣含純氨白分率/%水流量水的溫度/℃流量計示值/L-h-i尾氣流量H2so4濃度mol/LH2sO4體積/mL尾氣體積/L塔壓強塔頂表壓/Pa(mmH2O)填料層壓降/Pa(mmH2O)3.5.6數據處理(1)計算空氣流量為了求空氣的摩爾流量，應先按下式將空氣在實驗條件下的體積流量換算為標準狀態(tài)下的體積流量K0。V=V工：pp2 (3-41)o 2p0\TT2式中：T0,p0一分別為標準狀態(tài)下空氣的溫度和壓強，T『273K,p0=101330Pa；T1、p1——分別為標定狀態(tài)下空氣的溫度和壓強，T1=293K,p1=101330Pa；T2、p2——分別為使用狀態(tài)下空氣的溫度和壓強，kPa；V0——標準狀態(tài)下的空氣流量，m3/h；V2—使用狀態(tài)下的空氣流量，m3/h；(2)計算被測溶質氨氣的流量V，=V，-T-邛1P2P01 (3-42)0 2p°\■TT2p02式中：V'——標準狀態(tài)下被測溶質的流量，m3/h；0V2——使用狀態(tài)下被測溶質的流量,m3/h；P01——標準狀態(tài)下空氣的密度,kg/mP01——標準狀態(tài)下空氣的密度,kg/m3,Poi=1.2928kg/m3；P02一操作狀態(tài)下空氣的密度,kg/m3,對純度為98%的氨氣Po2=0.7810kg/m3。(3)計算入塔氣體通過塔截面的摩爾流量G=v+(3)計算入塔氣體通過塔截面的摩爾流量G=v+V0)兀22.4x—D24(3-43)式中：D——填料塔的內徑，m；G——空氣的摩爾流率，kmol/(m2?h)(4)計算y1、y2y「0.98V'(V+Vy「0.98V'(V+V0)(3-44)y22cV s-s-(3-45)2cV+ss 022.4T2式中：式中：c——硫酸的摩爾濃度，mol/L；P0標準狀態(tài)下的壓力，pP0標準狀態(tài)下的壓力，p0=101.33kPa；Pm當地平均大氣壓，kPa；T0——標準狀態(tài)下空氣的溫度，K；T0——標準狀態(tài)下空氣的溫度，K；使用狀態(tài)下空氣的溫度，K；-濕式流量計讀數，L；硫酸體積，L；(5)計算Aym1 1e ln(二y2-y(3-46)式中：ye與液相中溶質成平衡的氣相溶質摩爾分數，下標“1”、“2”分別表示塔底和塔頂位置。a.平衡濃度的計算式中：ye與液相中溶質成平衡的氣相溶質摩爾分數，下標“1”、“2”分別表示塔底和塔頂位置。a.平衡濃度的計算y=mx(3-47)(3-48)式中：E—亨利系數，Pa；p——當地大氣壓+塔頂表壓+1塔內壓降，Pa；2%——溶液中氨的摩爾分數；m——相平衡常數。氨水濃度在5%以下時E與t的關系見表3-7。表3-7氨水濃度在5%以下時E與t的關系t/℃01020253040E/Pa29690508687883595960126660196380b.吸收液濃度的計算因為 L(%—%J=G(乂—y2)因系用純水吸收，％2=0，故%1=G(y1-y2)/L (3-49)式中:L 水的摩爾流率，kmol/(m2-h)；%1——塔底溶液的摩爾分數。(6)計算KJG(y—y)Ka=：i2 (3-50)y h-Aym3.5.7實驗報告要求(1)將原始數據列表；(2)計算總體積傳質系數Kya；(3)給出實驗計算結果與計算過程。3.5.8思考題(1)葉式風機為什么要用旁通閥調節(jié)流量？(2)根據實驗數據分析用水吸收氨的過程是氣膜控制還是液膜控制？(3)在填料吸收塔塔底為什么必須有液封裝置？液封裝置是如何設計的？(4)要提高氨水濃度(不改變進氣濃度)有什么方法？又會帶來什么問題？

(5)溶劑量和氣體量的變化對傳質系數有什么影響？j2如何變化(從推動力和阻力兩方面分析其原因)？(6)試計算實驗條件下填料塔的實際液氣比是最小液氣比的多少倍？(7)工業(yè)上，吸收在低溫加壓下進行，而解吸在高溫、常壓下進行，為什么？(8)填料塔的結構有何特點？全回流精餾實驗實驗目的(1)熟悉精餾的工藝流程，掌握精餾實驗的操作方法。了解篩板精餾塔的結構，觀察塔板上的氣液接觸狀況。(3)測定全回流時精餾塔的全塔效率(或單板效率)。實驗原理精餾塔是分離均相混合物的重要設備。一般用全塔效率衡量板式精餾塔的分離性能。全塔效率的定義為：「NE=— (3-51)Np式中：E——總板效率；nt——理論板層數；NP——實際板層數。理論板層數NT可用M-T圖解法求解。由式(3-51)可見，要測定精餾塔的全塔效率，關鍵是確定理論塔板數。要求出全回流操作時特定分離要求的理論塔板數，必須確定物系的相平衡關系和塔頂、塔釜產品組成。本實驗的物系為乙醇一水二元混合物，常壓下該物系的氣液相平衡數據可從文獻查取，所以本實驗的主要工作是測定塔頂流出液組成xD和釜液組成xw。若相鄰兩塊塔板設有液體取樣口則可通過測定液相組成xn-jnxn測定第n塊板在全回流時的單板效若相鄰兩塊塔板設有液體取樣口EmLxLEmLxLx-x*n-1 n(3-52)因全回流時，操作線方程為(3-53)上兩式中：％」——離開第n-1板的液相中易揮發(fā)組分的摩爾分數；%n——離開第n板的液相中易揮發(fā)組分的摩爾分數；yn——離開第n板的氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分數；%*——與y成平衡的液相摩爾分數。n nn實驗裝置與流程實驗裝置為一小型篩板精餾塔,見圖3-10。圖3-10全回流精館塔1—塔釜取樣口；2—蒸餾釜；3一料液液位計；4—加料口；5，10—溫度計；6—塔體；7—冷凝器；8—塔頂取樣口；9一不凝氣排放閥；11—水轉子流量計原料液在蒸餾釜2中被加熱汽化進入塔體6,與回流液在塔板上進行熱、質交換后進入塔頂冷凝器7,冷凝為液體后，又全部回流到塔內。實驗步驟(1)熟悉精餾裝置的流程和結構，以及所需的控制儀器表盤的布置情況。(2)檢查蒸餾釜中料液量是否適當。釜內液面高度控制在液面計的2/3左右。(3)接通電源，用調壓器調節(jié)加熱器的功率(控制電流為3?4A)加熱釜液。當塔板上有冷凝液時，打開塔頂冷凝器的冷卻水調節(jié)閥，冷卻水的量以能將蒸汽全部冷凝為宜。(4)打開塔頂不凝氣排放排出不凝性氣體。(5)當操作穩(wěn)定(指塔板上鼓泡正常、塔釜與塔頂溫度穩(wěn)定)時，準備取樣。(6)取樣前先用少量試樣沖洗燒瓶，取樣后用插有溫度計的塞子塞嚴燒瓶口，用流水間接冷卻樣品至20℃,再用比重天平測量樣品的相對密度，一般取樣二次(塔頂、塔釜各一次)。(7)以上步驟經教師檢查無誤后，加大電流至5A左右，觀察塔內的液泛現象；然后將電流緩慢減小，觀察漏液現象；最后將電流減小至零，切斷電源，待塔內無回流液時關閉冷卻水閥門，清理現場。若精餾塔塔板上設有液體取樣口，在操作穩(wěn)定后，取樣分析相鄰兩板液體組成xn和Xn-1，再按公式(3-52)計算單板效率。注意事項(1)塔頂、塔釜產品樣品需同時取樣。(2)樣品采集量約占燒瓶體積的2/3。(3)用插有溫度計的塞子塞嚴錐形瓶口時要觀察溫度計的量程。用于測量塔釜樣品的溫度計量程宜為100c或以上，以避免炸裂溫度計。(4)使用比重天平測量樣品的相對密度時要注意：a.測錘不能碰量筒壁；b.測錘必須全部浸沒于液體中；？c.同一規(guī)格的祛碼只能用一個。3.6.1.6數據記錄表3-8全回流精餾實驗數據記錄表塔內徑： mm 板間距： mm操作方法釜液組成餾出液組成實際塔板數NT密度/kg-m-3%W密度/kk-m-3%D3.1.6.7實驗報告要求(1)在直角坐標體系中繪制％-y圖，用圖解法求理論板數;(2)求出全塔效率(或單板效率)。3.6.1.8思考題(1)什么是全回流，全回流時的操作特征是什么？在生產中有什么實際意義？如何測定全回流時板式塔的全塔效率？(2)如何判斷塔的操作已達到穩(wěn)定？影響精餾操作穩(wěn)定的因素有哪些？(3)影響全塔效率的因素有哪些？(4)進料量對理論塔板數有無影響？為什么？(5)回流溫度對塔的操作有何影響？(6)板式塔有哪些不正常操作現象？對本實驗裝置，如何處理液泛或塔板漏液現象?3.6.2部分回流精餾實驗實驗目的(1)熟悉精餾的工藝流程，掌握精餾實驗的操作方法。(2)了解篩板精餾塔的結構，觀察塔板上的氣液接觸狀況。(3)測定部分回流時精餾塔的全塔效率(或單板效率)。????實驗原理精餾塔是分離均相混合物的重要設備。一般用全塔效率衡量板式精餾塔的分離性能。全塔效率的定義見式(3-51)。由式(3-51)可見，要測定精餾塔的全塔效率，關鍵是確定理論塔板數。本實驗的物系為乙醇一水二元混合物，常壓下該物系的氣液相平衡數據可從文獻查取。根據逐板計算法或圖解法得知，若能獲得精餾段與提餾段的操作方程、產品的分離要求則可確定部分回流操作時的理論塔板數。精餾段的操作方程為：(3-54)(3-55)(3-56)Rx

y= x+—d—(3-54)(3-55)(3-56)n+1R+1nR+1提餾段的操作方程為:LWxyn+廣笆一干q線方程為:qxy= x--F-q-1q-1顯然，點(xw,xw)位于提餾段操作線上。因為q線方程為精餾段與提餾段操作方程的交點軌跡方程，所以也可以用q線方程與精餾段操作方程的交點(xq,yq)和點(xw,xw)確定提餾段操作方程，即y=' ^x+(\ ^-1)x (3-57)n+1 x-xx-xw由式(3-54)、(3-56)和(3-57)可見，若能通過實驗測定塔頂、塔釜產品的組成、原料的組成和原料的溫度(q由原料的組成與溫度確定)、回流比，則可確定精餾段與提餾段的操作方程。若相鄰兩塊塔板設有液體取樣口，則可通過測定液相組成xn-1和xn測定第n塊板在部分回流時的單板效率EmL。EmL的定義見式(3-52)。實驗裝置與流程圖3-11部分回流精餾塔1一蒸餾釜；2—電加熱電源；3—塔體；4—冷凝器；5一料液槽；6一料液輸送泵；7—分配器;8一產品貯槽；9、11、12—轉子流量計；10—進料閥；13一壓力表；14一釜液出料閥料液由料液槽5經轉子流量計9、閥10進入精餾塔，蒸汽由蒸餾釜1上升至塔頂，上升過程中與回流液進行熱量、質量傳遞，再進入冷凝器4、回流分配器7,其中一部分冷凝液作為產品進入貯槽，另一部分回流至塔內。與此同時，釜內液體的一部分經閥14流出。實驗步驟（1）正常操作步驟a.熟悉精餾流程和主要控制點。b.在料液槽內配制5%（體積分數）的乙醇水溶液，其液位應高于供料泵。啟動輸液泵將料液注入蒸餾釜，釜內液位應在液位計兩標記線之間。c.接通電源加熱釜液，啟動恒定加熱器，用調壓器調節(jié)可調加熱器的功率:控制電流為3?4A）,開啟塔頂冷凝器的冷卻水進口閥。密切注視加熱釜的溫度和表盤上的溫度和壓力，當壓力不斷上升時，應適當開啟塔頂排氣閥，及時將塔內不凝性氣體排出，操作壓力應穩(wěn)定在0.026?0.030MPa（表壓）。d.待加熱釜內釜液沸騰后，進行回流操作約20?30min。此時，靈敏板溫度約為80?81℃,塔頂溫度約為79?80℃,塔板鼓泡正常。如果溫度過高，可降低可調加熱器的功率。待操作穩(wěn)定后，測定全回流時的全塔效率。e.關小回流閥，開啟餾出液產品出口閥，進行部分回流操作，注意要預先選擇好回流比和一個加料口（不能同時選用兩個加料口），待有產品后，再加以適當調節(jié)。f.在料液槽內配制約20%（體積分數）的料液，啟動進料泵進料（4?6L/h）。并控制塔釜液位在正常標記范圍內，如液位過低，可加大進料；如液位過高，可開大塔底出口閥14。操作中要隨時注意塔內壓力、靈敏板溫度等操作參數的變化并及時加以調節(jié)。g.待操作穩(wěn)定后，同時對餾出液、釜液進行取樣（取樣量均為140?150mL,以保證液體相對密度計能正常測量），并按表3-9中的內容做好記錄。繼續(xù)調節(jié)有關參數直至餾出液濃度高于75%（體積百分率），釜殘液酒精濃度低于3%,操作才算達到要求。h.實驗完畢后，關閉總電源，打開玻璃觀察罩考克和回流管路上的考克，將餾出液排盡。.清理實驗現場。（2）操作過程中的不正常現象，其原因分析和處理方法a.塔頂溫度高于正常值，塔釜溫度低于正常值，餾出液和釜液組成不合要求。這是因為塔板分離能力不夠，應加大回流比。b.塔釜溫度變化不大，塔頂溫度逐漸升高，餾出液組成降低。這是因為DxD>FxF-叫，又可細Dx-x分為：a.—>一—w，即塔頂采出率過大；b.xF下降過多。處理辦法是：對情況a應適當使D下降、Fx一x FDWW上升，待塔頂溫度逐步降至正常時，再調節(jié)各操作參數使精餾過程處于DxD=FxF-叫下進行；對情況b則應使進料板下移或使R上升。c.塔頂溫度變化不大，塔釜溫度逐漸下降，釜液組成升高。這是因為DxD<FxF一叫，又可細分Dx-x為：a. <一—的；b.xF上升太快。處理方法是：對情況a與現象②中的a相反，對情況b可使進料Fx一x FDW板上移或加大塔釜電熱器功率，并使D上升，W下降。d.塔板漏液，塔釜壓力降低，塔板上液面下降或消失，這是因為上升蒸汽量不夠，應適當加大塔釜電熱器功率。e.液沫夾帶嚴重，餾出液和釜殘液不符合要求，塔釜壓力偏高，這是因為上升蒸汽量和液體回流量過大，應減少塔釜電加熱器功率和回流量。f.液體逐板下降不暢，塔釜壓力陡升，造成淹塔，這是因為溢流液泛，夾帶液泛，應減少回流量和上升蒸汽量。g.塔釜壓力逐漸升高，塔頂冷凝效果降低，這是因為塔內不凝性氣體積聚，應排放不凝氣。數據記錄表3-9部分回流精餾實驗數據記錄表塔內徑： mm 實際塔板數：回流比R： 塔釜壓力p： MPa溫度/℃流量/Lh，密度（25℃時）/M”料液餾出液釜液3.6.2.6實驗報告要求按全回流精餾的基本原理，用圖解法確定理論塔板數，并計算全塔效率。3.6.2.7思考題（1）是否精餾塔越高，產量越大?（2）精餾塔加高能否得到無水酒精？（3）結合本實驗說明影響精餾操作穩(wěn)定的因素有哪些？（4）操作中加大回流比應如何進行？有何利弊？（5）精餾塔在操作過程中，由于塔頂采出率太大而造成產品不合格時，要恢復正常的最快最有效的方法是什么？（6）冷液進料對精餾塔操作有何影響？進料口位置如何確定？（7）當回流比R<Rmii時，精餾塔是否還能進行操作？（8）何謂“靈敏板”？影響塔板上的溫度（或濃度）的因素有哪些？3.7干燥實驗實驗目的（1）了解氣流常壓干燥設備的基本流程和工作原理；（2）測定物料（紙板或其他）在恒定干燥工況下的干燥速率曲線，并確定臨界含水量，及恒速干燥階段的傳質系數kH和降速階段的比例系數KX；實驗原理干燥操作是采用某種方式將熱量傳給濕物料，使?jié)裎锪现械乃制蛛x的操作。干燥操作同時伴有傳熱和傳質，其過程比較復雜。目前仍依靠實驗測定物料的干燥速率曲線，并作為干燥器設計的依據。物料的干燥速率曲線是指干燥速率與物料的含水量的關系曲線。在恒定干燥條件下的干燥干燥速率曲線如圖3-12所示。可見，干燥過程分為三個階段：預熱階段（I）,此階段物料表面的溫度很快接近于熱空氣的濕球溫度tww；恒速干燥階段（H）,此階段物料表面溫度ew維持不變，干燥速率不變和降速率干燥階段（m）。在降速段，物料表面已無液態(tài)水存在。由于物料內部的擴散速速率小于物料表面水分的汽化速率，干燥速率會逐漸降低，直至達到平衡含水量，干燥速率則逐漸降至零。恒速干燥與降速干燥的交點處物料的含水量稱為臨界含水量（以xc表示），通常預熱階段所需干燥時間可以忽略。圖3-12干燥速率曲線干燥速率是指單位時間從被干燥物料的單位汽化表面積上所汽化的水分量。它可以表示為:zdW(3-58)N= (3-58)AAdt式中：N. 干燥速率,kg/（m2?s）；■A.A——被干燥物料的汽化表面積,m2；T——干燥時間,S；W——從干燥物料中汽化的水分量,kg。為了便于處理實驗數據,將式(3-58)改寫為:(3-59)(3-59)(1)干燥速率曲線式(3-59)中的濕物料質量差可由相鄰兩次質量差得到:(1)干燥速率曲線式(3-59)中的濕物料質量差可由相鄰兩次質量差得到:AW=G-G1與之對應的物料干基含水量為X：

m(3-60)(3-61)(3-61)其中(3-62)X=GZG

iG

c(3-62)式中：Gc——絕干物料質量。(2)傳質系數因干燥過程既是傳熱過程也是一個傳質過程，則干燥速率可表示為:dW_dQdW_dQAdtrA?dt，，… ―a， 、=k(H—H)=——(t—t)hw rwW(3-63)式中：a——空氣與濕物料表面的對流傳熱系數，kW/(m2.℃)；H——空氣濕度,kg水/kg干空氣;HW——tW時空氣的飽和濕度，kg水/kg干空氣；kH 傳質系數,kg/(m2?s)；rW——tW時水的汽化潛熱，kJ/kg；t——熱空氣溫度,℃；tW——濕物料表面的溫度(即空氣的濕球溫度)，℃。因在恒定干燥條件下空氣的溫度、濕度以及空氣與物料的接觸方式均保持不變，故隨空氣條件而定的a和kH亦保持恒定。(3-64)?(3-65)a=0.0143G0.8(3-64)?(3-65)其中:G=pqjF式中：G 空氣的質量流速,kg/(m2?s)；qV——預熱前空氣的體積流量,m3/s；p--預熱前空氣的密度,kg/m3；F——干燥室的流通截面積，m2。裝置與流程干燥實驗多采用干燥器在恒定干燥條件下干燥塊狀物料，其流程見圖3-12。圖3-13干燥實驗設備流程圖1—風機；2—可控電加熱器；3—干燥室；4一試樣；5—托架；6—熱電偶溫度計；7—渦輪流量計；8一干球溫度計；9—濕球溫度計；10—電子天平；11一室后溫度計；12—風機出口端片式閥；13一蝶閥；14—風機進口端片式閥空氣由風機1輸送，經渦輪流量計7,電加熱器2后進入干燥室3,對試樣4進行干燥,干燥后的廢氣再經風機循環(huán)使用。由通過溫控儀控制干燥室前溫度為80℃左右。干燥室前方裝有干球及濕球溫度計，干燥室后也裝有干球溫度計，用以測量干燥室內空氣的熱狀況。風機出口端的溫度計用以測量流經渦輪流量計的空氣溫度，空氣流量用蝶閥13調節(jié)，任何時候該閥都不能全關，否則電加熱器會因空氣不流動過熱??????????而損壞。風機進口端的片式閥用于控制系統(tǒng)所吸入的新鮮空氣，而出口端的片式閥門則用于調節(jié)系統(tǒng)向外排出的廢氣量。實驗步驟(1)處理試樣。量取試樣尺寸(長、寬、高)，并記錄絕干物料質量，將試樣加水15g左右，讓水分均勻擴散至整個試樣，然后稱取濕試樣重量。(2)往濕球溫度計內加水，啟動風機送風，調節(jié)閥門，使渦輪流量計示值在80m3/h以上。(3)接通兩組電加熱器加熱空氣。(4)測取數據。待干燥條件恒定(流量穩(wěn)定，干燥室前溫度達到設定值)后，將濕物料放入干燥室內支架上，確定物料的起始干燥質量，啟動第一個秒表計時，當電子天平所示物料的質量減輕1g時，停第一個秒表，同時啟動第二個秒表；如此往復進行直至試樣接近平衡水分為止，通常至少應取10組以上數據。(5)實驗完畢后，依次關電加熱器，風機和總電源，最后將試樣從干燥室中取出。數據記錄表3-10干燥實驗數據記錄及處理表試樣絕干質量Gc:g試樣尺寸:mm試樣初始質量：g干燥室前溫度：℃濕球溫度:℃空氣的流量：m3/h預熱前空氣溫度：℃濕質量時間間隔濕質量差序號G/gAt/sAW/g01234567893.7.6報告要求(1)根據實驗結果繪出NA~X曲線，注明干燥條件；(2)計算傳質系數k；H3.7.8思考題(1)在70?80℃的空氣流中干燥溫物料，經過相當長的時間，能否得到絕干物料？為什么？通常要獲得絕干物料采用什么辦法？(2)測定干燥速率曲線有何意義？它對于設計干燥器及指導生產有些什么幫助？(3)使用廢氣循環(huán)對干燥作業(yè)有什么好處？干燥熱敏性物料或易變形、開裂的物料為什么多使用廢氣循環(huán)？怎樣調節(jié)新鮮空氣和廢氣的比例？(4)為什么在操作過程中要先開鼓風機送風后再開電加熱器？(5)如何提高干燥速率？就兩個階段分別說明理由。(6)在等速階段和降速階段中分別除去的是什么性質的水分？(7)如果改變氣流溫度(或改變氣流速率、物料厚度)，干燥速率曲線有何變化？(8)為什么說同一物料如干燥速率增加，則臨界含水量增大？在一定干燥速率下物料越薄，則臨界含水量越小？(9)何謂恒定干燥條件？恒定干燥條件下的干燥速率有何規(guī)律?10.為什么同一濕度的空氣，溫度較高有利于干燥操作的進行？第4部分實驗數據的計算機處理用Excel處理化工原理實驗數據Excel基礎知識(1)在單元格中輸入公式【例】試計算3.14159/28義56*10-3義103方法：在任意單元格中輸入“=3.14159/28*5-6*163*16-3"，結果為1753。注意：a.一定不要忘記輸入等號“二”；b.公式中需用括號時，只允許用“()”，不允許用“。”或“口”。提醒：a.若公式中包括函數，可通過“插入”菜單下的選“函數”命令得到；b.1e3必103；1e-3必10-3。(2)處理化工原理實驗數據時常用的函數POWER(number,power)必numberPowero提示：可以用"”運算符代替函數POWER來表示對底數乘方的幕次，例如5-2oSQRT(number)^nnumber,EXP(number)廖enumberLN(number)必ln(number),L0G10(number)必lg(number)(3)在單元格中輸入符號【例】在單元格A1中輸入符號“人”方法一：打開“插入”菜單一選“符號”命令插入希臘字母人。提醒：無論要輸入什么符號，都可以通入“插入”菜單下的“符號”或“特殊符號”命令得到。方法二：打開任意一種中文輸入法，用鼠標單擊鍵盤按鈕，選擇希臘字母，得到希臘字母鍵盤，用鼠標單擊入鍵。Excel處理基本化工原理實驗數據示例流體流動阻力實驗(1)原始數據實驗原始數據如圖4.1所示。

圖4.1圖4.1流體流動阻力實驗原始數據(2)數據處理-物性數據查附錄一得18.5℃下水的密度與粘度分別為998.5kg/m3和1.0429mPa.s-數據處理的計算過程a.插入2個新工作表插入2個新工作表并分別命名為“中間運算表”和“結果表”，將“原始數據表”中第7至18行內容復制至“中間運算表”。b.中間運算過程在C4:P4單元格區(qū)域內輸入公式。-在單元格G4中輸入公式“二C4-D4”一一計算直管壓差計讀數(R)；-在單元格H4中輸入公式“二E4-F4”一一計算局部壓差計讀數(R2)；-在單元格I4中輸入公式“=B4/324.15”一一計算管路流量(9/=F/5)；-在單元格J4中輸入公式“=4*I4*1e-3/3.14159/(0.021"2)”一一計算流體在直管內的流速(u-4q/(兀d2)；V-在單元格K4中輸入公式”=4*I4*1e-3/3.14159/(0.032"2)”一一計算流體在與閘閥相連的直管中的流速(u-4q/(兀d2))；V-在單元格L4中輸入公式“二(13600-998.5)*G4/998.5”——計算流體流過長為2m,內徑為21mm直管的阻力損失(hf1-Ap/p=(pi-p)gR1/p)；計算流體流過閘閥的阻力損失-在單元格M4中輸入公式“二(1477.5-998.5)*H4/998.5”計算流體流過閘閥的阻力損失（hf2=（pgAz+Ap）/p=（p「P）gR2/P）；三在單元格N4中輸入公式“二L4*0.021/2*2/（J，2）*1e2” ——計算摩擦系數（九=h-（d/1）-（2/u2））；11 1 1三在單元格04中輸入公式“=M4*2/（K4"2）”一一計算局部阻力系數（C=2h/u2）；f2 2三在單元格P4中輸入公式“=0.021*J4*998.5/1.0429e-3*1e-4”——計算流體在直管中流動的雷諾準數（R=絲上）。e從選定I4:P4單元格區(qū)域（如圖4.2所示），再用鼠標拖動P4單元格下的填充柄（單元格右下方的“+”號）至P13,復制單元格內容，結果見圖4.3。圖4.2選定單元格I4:P4圖4.3復制I4:P4單元格內容后的結果c.運算結果將“中間運算表”中A4:A13,N4:N13,04:013,P4:P13單元格區(qū)域內容復制至“結果表”，并添加E列與F列，其中E2=B2*1e4,F2=C2*100,運算結果見圖4.4。圖4.4流體流動阻力實驗結果表三實驗結果的圖形表示一一繪制人-Re雙對數坐標圖a.打開圖表向導選定E2:F11單元格區(qū)域，點擊工具欄上的“圖表向導”（圖4.5）,得到“圖表向導-4步驟之1—圖表類型”對話框（圖4.6）。b.倉建人-Re圖三點擊“下一步”，得到“圖表向導一4步驟之2—圖表源數據”對話框（圖4.7）。若系列產生在“行”，改為系列產生在“列”。三點擊“下一步”，得到“圖表向導一4步驟之3—圖表選項”對話框（圖4.8）,在數值x值下輸入Re,在數值y值下輸入人。三點擊“下一步”，得到“圖表向導一4步驟之4—圖表位置”對話框（圖4.9）,點擊“完成”，得到直角坐標下的“人-Re”圖（圖4.10）。圖4.5圖表向導圖4.6圖表向導之步驟一 圖4.7圖表向導之步驟二圖4.8圖表向導之步驟三 圖4.9圖表向導之步驟四圖4.11結果圖圖4.10A~圖4.11結果圖③修飾入?Re圖清除網格線和繪圖區(qū)填充效果一一選定“數值Y軸主要網格線”，點擊Del鍵，選定繪圖區(qū)，點Del鍵，結果見圖4.11。將X、Y軸的刻度由直角坐標改為對數坐標一一選定X軸，點右鍵，選擇坐標軸格式得到“坐標軸格式”對話框，根據Re的數值范圍改變“最小值”、“最大值”，并將“主要刻度”改為“10”，并選中“對數刻度”，從而將X軸的刻度由直角坐標改為對數坐標（圖4.12）。同理將y軸的刻度由直角坐標改為對數坐標，改變坐標軸后得到結果圖（圖4.13）。圖4.12坐標軸格式對話框 圖4.13將x、y軸改為對數刻度用繪圖工具繪制曲線一一打開“繪圖工具欄”（方法：點擊菜單上的“視圖”一選擇“工具欄”f選擇“繪圖”命令，單擊“自選圖形”一指向“線條”一再單擊“曲線”命令圖4.14）,繪制曲線（方法：單擊要開始繪制曲線的位置，再繼續(xù)移動鼠標，然后單擊要添加曲線的任意位置。若要結束繪制曲線，請隨時雙擊鼠標），得到最終結果圖（圖4.15）。圖4.14打開曲線工具 圖4.15人~Re關系圖4.1.2.2離心泵特性曲線測定實驗（1）原始數據實驗原始數據如圖4.16所示。圖4.16離心泵性能測定實驗原始數據（2）數據處理物性數據查附錄一得18.6℃下水的密度為998.2kg/m3o實驗數據處理的計算過程a.插入2個新工作表插入2個新工作表并分別命名為“中間結果”和“結果與圖”將“原始數據”中第6至22行內容復制至“中間結果”表。b.中間運算過程在F4:L4單元格區(qū)域內輸入公式。在單元格F4中輸入公式“=B4/320.40”一一計算流量（q=F/t）；V在單元格J4中輸入公式”=4*F4*1e-3/3.14159/（0.04"2）”一一計算流體在吸入管路中的流速（u=4q/冗d2）；計算流體在壓出管路中的流速在單元格H4中輸入公式“=4*F4*1e-3/3.14159/(0.032"2)”計算流體在壓出管路中的流速(u=4q/冗d2)；三在單元格I4中輸入公式“=(C4+D4)*1e6/998.2/9.81+(H4"2-G4"2)/2/9.81”——計算揚程p+pu2—u2= 壓+——).Pg 2g 'b在單元格J4中輸入公式"=15*E4*1e-3”——計算軸功率Pa；行在單元格K4中輸入公式“二998.2*9.81*F4*1e-3*I4*1e-3”——計算有效功率（H=PgqVHe）；^在單元格L4中輸入公式“=K4/J4*100”——計算效率g=Pe/Pa）；選定G4:L4單元格區(qū)域，再用鼠標拖動L4單元格下的填充柄至L18。完成單元格內容的復制，運算結果見圖4.17。圖4.17離心泵性能測定運算結果 圖4.18離心泵的性能參數行實驗數據的圖形表示a.準備繪圖要用的原始數據將“中間結果”工作表中的F、I、J、L列數據復制至“結果與圖”工作表（圖4.18）。b.創(chuàng)建泵特性曲線選擇單元格區(qū)域B4:E18,按圖表向導作圖（圖4.19）。圖4.19泵特性曲線草圖 圖4.20次坐標軸的選定c.修飾泵特性曲線b將軸功率置于次坐標軸一一選定系列2（軸功率?流量關系曲線），單擊鼠標右鍵，選擇“數據系列格式”，得到“數據系列格式”對話框（圖4.20），打開“坐標軸”選項，選擇“次坐標軸”，得到圖4.21。圖4.21將Pa-qV曲線置于次坐標軸后的結果b添加標題一一將鼠標置于“繪圖區(qū)”，菜單欄上顯示“圖表”菜單一點擊“圖表選項”命令，得到“圖表選項”對話框（圖4.22）。圖4.22添加標題b添加實驗條件、圖例，得到泵特性曲線結果圖（圖4.23）。圖4.23泵特性曲線結果圖4.1.2.3過濾實驗（1）原始數據原始數據見圖4.24。圖4.24過濾實驗原始數據

(2)數據處理T-T1， 2依據：—=—(q+q)+~^qq-qK1Ke1a.中間運算過程與結果行在單元格D5中輸入：“=C5+D4”，并將該公式復制至“D6：D11”；求累積濾液體積;行在單元格E5中輸入：“=B5+E4”，并將該公式復制至“E6：E11”；行在單元格F5中輸入："二D5*1e-6/$B$2”，并將該公式復制至“F6：F11”；-在單元格G6中輸入：“二F6+$F$5”，并將該公式復制至“G7：G11”；?在單元格H6中輸入：”=(E6-$E$5)/(F6-$F$5)”，并將該公式復制至“H7：H11”。實施以上步驟后得到圖4.25。圖4.25恒壓過濾實驗數據處理結果b.創(chuàng)建(T-T1)/(q-qi)~(q+%)圖以G6：H11單元格區(qū)域內容作圖，結果見圖4.26。圖4.26創(chuàng)建(t-T1)/(q-q1)?(q+q1)關系曲線c.添加趨勢線與趨勢方程行單擊數據系列，菜單欄上顯示“圖表”菜單一點擊該菜單下的“添加趨勢線”命令，得到“添加趨勢線”對話框(圖4.27)。-在“類型”選項卡上，單擊“線性”選項；打開“選項”選項卡，選中“顯示公式”與“顯示R平方值”選項，如圖4.28所示；單擊“確定”按鈕，得到圖4.29。-將y改成(T-T1)/(q-qJx改成(q+qj得到最終結果圖(圖生3。)。圖4.28添加趨勢線之選項卡圖圖4.28添加趨勢線之選項卡圖4.30經修飾后的過濾實驗最終結果圖圖4.29添加趨勢線后的過濾實驗結果圖d.求恒壓過濾常數T-T1 2 T-T因一二-(q+q)+-q,而實驗結果為一=77924(q+q)+865.07,所以q-qK1Ke q-q 111—=77924,—q=865.07，解得：K=1.283x10-5m2/s,,q=5.551x10-3ma/m2oK Ke 晨方法二：At2 2依據：——=q+qAqK Kea.中間運算過程與結果三在單元格D31中輸入：“=C31*1e-6/$B$28”，并將該公式復制至“D32：D37”；三在單元格E31中輸入：“=D31+E30"，并將該公式復制至“E32：E37”；三在單元格F32中輸入：“=(E32+E31)*0.5"，并將該公式復制至“F33：F37”；三在單元格G32中輸入：“二B32/D32"，并將該公式復制至“G33：G37”；實施以上步驟后得到圖4.31。圖4.31用方法二計算所得過濾實驗計算結果b.創(chuàng)建At/Aq?q圖，添加趨勢線與趨勢方程(圖4.32)圖4.32用方法二計算所得過濾實驗最終結果圖c.求恒壓過濾常數TOC\o"1-5"\h\zAt2 2 .At 2因--=—q+—q，而實驗結果為--=163329q+644.05，所以—=163329，\o"CurrentDocument"AqKKe Aq K2一q=644.05，解得：K=1.225x10-5m2/s，，q=3.943x10-3旗加。Ke e4.1.2.4空氣-水套管換熱實驗(1)原始數據原始數據如圖4.33所示。圖4.33空氣-水套管換熱實驗原始數據(2)數據處理物性數據行空氣的粘度廠5.0153+4.8062x102T-1.0967x105T2[u：uPa-s；T：K]空氣的導熱系數X=0.00512+7.234x10-5T-9.2207x10-9T21％W/(m,K),T：K]空氣的熱容+2.0656x10-12T4 [cp：J/(mol?K)；T：K]計算過程a.計算空氣的質量流量，主體溫度下的粘度、導熱系數、熱容、對數平均推動力及傳熱速率

三在單元格J9中輸入“=(101000+69-09)*13.6)*0.029/8.314/(273.15+69)”——計算空氣的密度(p=pM/RT)；在單元格K9中輸入”=89町9/3600”一一計算空氣的質量流量(q=Pq)m V在單元格L9中輸入“=39+19)*0.5”——計算空氣的主體溫度('=0，5(t1+t2))；行在單元格M9中輸入“=19+273.15”一一將空氣的溫度單位由攝氏度轉化為開爾文；在單元格N9中輸入“=5.0153+0.048062*乂9-0.000010967*乂9A2”——計算空氣的粘度；在單元格O9中輸入“=0.00512+7.2342e-5*M9-9.2207e-9*M9A2”——計算空氣的導熱系數；在單元格P9中輸入“二(29.381-4.6652e-3*M9+1.5957e-5*M9A2-1.0258e-8*M9A3+2.0656e-12*M9A4)/29”——計算空氣的熱容；在單元格Q9中輸入“二K9*P9*(H9-I9)”——計算傳熱速率(Q=qm2cp2(12—tj)；在單元格R9中輸入“=((H9-F9)-(I9-E9))/LN((H9-F9)/(I9-E9))”——計算對數平均推動力(T(T—t)—(T—t))；T2Tl選定J9:R9單元格區(qū)域，再用鼠標拖動J9單元格下的填充柄至J13,完成單元格內容的復制，運算結果見圖4.34。圖4.34空氣-水套管換熱實驗數據處理中間結果1b.計算空氣側對流給熱系數、雷諾準數、努塞爾準數-在單元格H20中輸入“=F20*1e3/(3.14159*0.026*2*G20)”——計算空氣側對流給熱系數-在單元格I20中輸入“=￡20*103區(qū)20*16-6/020”——計算空氣的普蘭特準數(P=。//九)；-在單元格J20中輸入“=H20*0.026/D20”——計算空氣的努塞爾準數(Nu=ad/九)；-在單元格K20中輸入“=4*B20/(3.14159*0.026*C