化工原理实验思考题答案.docx
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化工原理实验思考题答案
化工原理实验思考题
实验一:
柏努利方程实验
1.关闭出口阀,旋转测压管小孔使其处于不同方向(垂直或正对
流向),观测并记录各测压管中的液柱高度H并回答以下问题:
(1)各测压管旋转时,液柱高度H有无变化?
这一现象说明了什么?
这一高度的物理意义是什么?
答:
在关闭出口阀情况下,各测压管无论如何旋转液柱高度H无任何变化。
这一现象可通过柏努利方程得到解释:
当管内流速u=0时动压
2
头H动—0,流体没有运动就不存在阻力,即艺hf=O,由于流体保持
2
静止状态也就无外功加入,既ve=o,此时该式反映流体静止状态见
(P31)。
这一液位高度的物理意义是总能量(总压头)。
(2)A、B、C、DE测压管内的液位是否同一高度?
为什么?
答:
A、B、C、D、E测压管内的液位在同一高度(排除测量基准和人为误差)。
这一现象说明各测压管总能量相等。
2.当流量计阀门半开时,将测压管小孔转到垂直或正对流向,观
察其的液位高度H并回答以下问题:
(1)各H值的物理意义是什么?
答:
当测压管小孔转到正对流向时H值指该测压点的冲压头H冲;当测压管小孔转到垂直流向时H值指该测压点的静压头H静;两者之间的差值为动压头H动胡冲-H静。
(2)对同一测压点比较H与H各值之差,并分析其原因答:
对同一测压点H>H值,而上游的测压点H值均大于下游相邻测压点H值,原因显然是各点总能量相等的前提下减去上、下游相邻测压点之间的流体阻力损失艺hf所致。
(3)为什么离水槽越远H与H差值越大?
(4)答:
离水槽越远流体阻力损失艺hf就越大,就直管阻力公式可
I2
以看出Hf-—与管长I呈正比。
d2
3.当流量计阀门全开时,将测压管小孔转到垂直或正对流向,观察
2222
其的液位高度H土比土b恥止Hf丄L计算流量计阀门半开和
222d2
全开A点以及C点所处截面流速大小。
答:
注:
A点处的管径d=(m);C点处的管径d=(m)
A点半开时的流速:
UA半
Vs4
0.084
0.135
(m/s)
3600
d
I23600C
).01452
A点全开时的流速:
UA全
Vs4
0.164
0.269
(m/s)
3600
d2
36000.01452
C点半开时的流速:
Uc半
Vs
4
0.08
4
0.1965
(m/s)
3600
d23600
0.0122
C点全开时的流速:
UC全
Vs
4
0.16
4
0.393
(m/s)
3600
d23600
0.0122
实验二:
雷诺实验
1.根据雷诺实验测定的读数和观察流态现象,列举层流和湍流临界雷诺准数的计算过程,并提供数据完整的原始数据表。
答:
根据观察流态,层流临界状态时流量为90(l/h)
体积流量:
9010325105(3/)
Vs2.510(m/s)
3600
流速:
Vs2.51054
u-牙0.1514(m/s)
A0.0145
雷诺准数:
Redu0.01450.1514998.731973
1.111103
根据观察流态,
湍流临界状态时流量为174(l/h)
体积流量:
3
Vs174104.83105(m3/s)
3600
流速:
5
uVs4.8310240.29269(m/s)
A0.01452
雷诺准数:
cdu0.01450.29269998.73
Re33815
1.11110
同理,根据雷诺实验测定的读数计算其余各点的流量、流速和雷诺准数如原始数据表所述。
2.根据实验观察到的流态,层流和湍流临界雷诺准数值与公认值有无差距?
原因何在?
答:
略有差距。
主要原因在于实验设备测量精度和测量稳定性不高,其次是流态显色墨水的注入量控制不当以及人为干扰产生的震动等。
3.根据雷诺准数表示式,你认为在什么条件下可以只用流速来判断流动型态(如层流、湍流)?
答:
根据雷诺准数的四个影响因素:
d、u、p、卩可知,在同一台实
验装置(即管径d,且管子不变),水的温度不变(即水的密度和黏度不变)以及测试的人为环境不变时,可以依据前次的实验结果判断流态。
实验三管道流体阻力的测定
1.测得水银一水差压计的读数为Rf(mHg,证明Rf与阻力的关系
为:
H=•g(J/kg)
答:
设环境温度为20C,水银的密度pHg=13590(kg/m3)水的密度p
H2(=(kg/m3)
证明如下:
HfABRfg13590998.2Rfg12.6Rfg
b998.2
2.紧靠孔板流量计前后测得的压差,是否代表流体通过流量计的永
久阻力损失?
为什么?
答:
测得的压差不代表流体通过流量计的永久阻力损失。
流量计测得的压差△P一方面由流体流经孔板产生的永久阻力APi,另一方面由
流体流经孔板的流速变化也将产生一定的阻力△F2O
3.实验装置各压差计上的“平衡阀”(旁通阀)有何作用?
在什么状况下进行开启或关闭操作?
答:
平衡阀用以调节压差计两臂液柱的平衡。
在实验装置启动运行或
结束实验时,平衡阀应该处在开启状态;在实验装置检验系统内空气
是否排净或测量阻力数据是平衡阀应该处在关闭状态。
4.根据管道流体阻力测定的读数,列举1米直管在某一流量下的阻
力H和摩擦系数入;在某一流量下的局部阻力H'和局部阻力系数
Z的计算过程,并提供数据完整的实验结果表及用双对数坐标绘制一
3
pHg13950kg/mp
pH2Okg/m
般湍流区内入〜Reu~R关系曲线。
答:
计算条件差压计指示液及水的密度:
3
cci41596kg/m
实验温度20C
实验装置提供的有关系数:
n=
求实验装置流量最大时一米直管的流体阻力H;摩擦系数入
值。
求实验装置流量最大时两米直管内,截止阀的局部阻力Hf;局部
阻力系数Z值
t(C)
d(m
L1(m)
L2(m)
20
实验
条件
阻力实验结果图表2007年10月25日
R(cmHg)
u(m/s)
Rf1(cmCCI4)
Hf1(J/kg)
Rf2(cmHg)
Hf2(J/kg)
p(kg/m3)
u(cp)
Re
Z
5.如何检验实验装置中的空气已经排净
答:
排空气操作后,在离心泵运行的状态下,关闭管路中的流量调节
阀和各压差计上的平衡阀,观察各压差计上的读数为0是时,表示系
统内的空气已经排净。
实验四离心泵特性曲线的测定
1.根据离心泵特性曲线实验所测定的读数,列举某一流量q(m/s)
下的实际扬程H;轴功率N;总效率n的计算过程,并提供数据完整的原始数据、计算结果表和绘制H—QN-Q;n—Q特性曲线图。
答:
计算条件:
进出口压力、真空表间的垂直距离hc=(m);按
n传=1计
进出口管内径d1=(md2=(m
根据电机编号1194的效率n与电机输入功率(W曲线图,查得电机效率n电(%数据表你列如下。
计算示例:
功率
a.
1二格数1XC=48X40=1920
(W
计算结果表你列如下。
cd:
U1Q-
4
5.8167103
2.304103
4
3‘
3.2m/s
U2
d12
4
5.816710
4
9.6110
103
He1gggg
总1
7.71m3/s
1534.08W
N
16.99.815.8167
1534.08
62.86%
同理其他数据按以上公式计算得表内结果:
离心泵特性曲线实验原始数据记录及计算结果表功率表常数C=40功
率(W=格数XC
参数
〈序、7
至量积算仪冥数(m3/h)
流量c
(l/s)
压力表读数
(MPa
真空表读数
(MPa
功率表
(格数)
电机输入功率电
(W
包机效率
n电(%
扬程H
(MHO
轴功率N
(W
泵总效率n(%)
1
1920
2
1880
3
1840
4
1800
5
1780
6
1660
7
1520
8
1360
9
1240
10
1080
11
940
2.离心泵启动前为何要引水灌泵?
若灌泵后仍不能正常运行,你认
为是什么原因?
答:
离心泵启动前引水灌泵,可避免泵腔产生气膊,也有利于泵进口的吸人真空度。
倘若灌泵后仍不能正常运行,原因有几个方面:
a底
阀锈蚀不能自动打开,b进口管污物堵塞,c水面上方至泵腔明显的空气泄漏点,d泵的安装高度大于泵的实际吸入扬程。
3.根据实验数据所知,泵的输送水量越大进口处的真空度越大,为什
么?
答:
根据示意图按柏努利方程分析可知:
a.系统流体构成有效回路,形成稳态流动,两截面的位能z。
、乙保持不变,大气压Po不变,静压能Po/(g)不变。
22
b.
两截面间的动能虬和生将同
2g2g
c.0-0、1-1两截
面间无外功加入
W,即无有效压头
hl能量损失与动能成正比,
2
流量越大—越大,
2
H响应增大,因此巴减
g
小,即Pi减小(真空度增大)。
4.能否在离心泵
的进口管处安装调节阀?
为什么?
答:
不能。
因为在离心泵的进口管处安装调节阀,会增加吸入管路的
压头损失,也有出现增加叶轮汽蚀可能性。
5.两台同型号的离心泵并联,其流量能否增加一倍?
若两泵串联,
其扬程能否增加一倍?
答:
由于流量的增大使管路阻力增加,因此两台同型号的离心泵并联
后的总流量必然低于原单台泵流量的两倍。
两台泵串联操作的总压头
必然低于单台泵压头的两倍。
实验五板框压滤机过滤常数的测定
1.据板框压滤机实验所测定的数据,计算出两种过滤条件下的过
滤常数&和K2;过滤介质的当量滤液体积Ve和Ve2;过滤介质的当量过滤时间9ei和Be2O并提供数据完整的原始数据表。
答:
a.原始数据记录表
过滤介质(滤布)直径d=120mm数量2块。
(m/s)
(m/s)
过滤介质的当量滤液体积:
过滤介质的当量滤液时间:
\目
次
序\
_J
i实验组数
I
n
压力(表压)kPa
△P=100kPa
△F2=120kPa
滤液体积
V(l)
相邻V差
△V
(l)
算术平均
值?
(l)
过滤时间
e(s)
△e
(s)
△e/△v
(s/l)
过滤时间
e(s)
△e
(s)
△e/△v
(s/l)
1
0
/
/
0
0
/
0
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
2.在过滤初始阶段,为什么可见滤液是由浑浊变清?
答:
过滤介质中微孔通道的直径可能大于悬浮液中部分颗粒直径,因此,过滤初期会有一些小颗粒穿过而使滤液浑浊,但是颗粒会在孔道中迅速地发生“架桥”现象,使小于孔道直径的细小颗粒也能被拦截,并开始形成滤饼,由此滤液变清,过滤才有效进行。
3•请阐述板框压滤机的优、缺点和适用场合。
答:
板框压滤机优点:
结构简单、制造方便、占地面积较小过滤面积较小,操作强度高,适应能力强。
缺点;间歇操作,生产效率低,劳动强度大,滤布损耗也比较快。
适应与中小规模的生产场合。
4.实验板框压滤机的操作分哪几个阶段?
答:
按实验要求配制滤浆飞浆搅拌开泵将滤浆打入衡压罐并
搅拌组装板框压滤机衡压罐加压将滤浆按实验设定的
压力打入板框压滤机进行压滤对设定的单位滤液量进行
计时并记录过滤结束用衡压水罐的水对滤饼进行清洗打开
板框压滤机取出滤饼并对板框压滤机及管路进行清洗。
5.若操作压力提高一倍,过滤效率是否增加一倍?
答:
不。
根据单位过滤面积获得的滤液体积计算公式可知:
q2K2kp1s,
k—滤浆特性常数,因此相同滤浆和时间qp,结论:
过滤效率与压力成正比但不成倍数。
实验六管内强制对流传热膜系数的测定
1.根据实验数据,列举某一设定的空气质量流量W状态下,ReNu
twi
的计算过程。
注:
实验数据表tW2为空气进口侧换热管壁温,
为空气出口侧换热管壁温
答:
计算条件
x10_3m
质量流量W=(kg/s);换热管内径di=—2x=
换热管长度1
=;换热管流通截面积S=(x103)2x=x104
换热面积A=n-di-l=nXX10—3X=(m)
进、出换热器的空气温度Ti=80C、T2=C;热空气进、出口的算术平
均温度(定性温度):
T平均(80+)一2=(C)
查表得:
空气黏度u=x10_5(Pa•s)比热Cp=kg.C导热系数入=
x102(W/m・K)
空气进、出口侧对应的换热管管壁温度twi=C、tw2=20C
由于质量流速u詈质量流量/流通截面'因此:
该
流
量
状
态
下的
努
塞
尔准
数:
Q
WCp(T;
T2)
0.0231008(80
52.5)
637.34W
t1
T1
tw1
80
33.5
tm
t1
t2
46.533.5
39.65(C)
t1
46.5
46.5
oC
In
t2
ln
32.5
t2
T2
tw2
52.5
20
1
Q
637.34136.82(W/)
A1tm
0.117539.65
32.5
0C
Rei
diu
diW
S
3
25.8100.023
5.231042.04105
55618
2.为何要把实验结果关联成Nu-Re的准数方程式的形式,而不
用a—W来关联?
答:
影响对流传热系数a的因素太多,如:
流体的种类和相变化;流体的特性(入、u、p、Cp、B);流体温度;流体的流动状态;流体流动的原因;传热面的形状、位置和大小。
因此要以质量流量W来
关联,建立一个通式来求各种条件下的a是很困难的,所以通过实验结果关联成Nu—Re的准数间的关系形式,即可求得不同情况下的a的关联式。
3.分析强化传热过程有哪些途径?
在不改变本系统中套管式换热器型式的前提下,如何提高其传热速率?
答:
按照传热速率方程Q=KS\tm(化原教材上册P229公式4-43)可知,强化传热的途径有:
1)增加传热面积S(既单位体积的传热面积);2)增大传热温差
△tm(提高载热体的温度或降低冷流体的温度;若两流体温度一定时,尽量采用逆流);3)主要提高传热系数K,由K值的计算公式可知(化原教材上册P227公式4-42):
在上述各项热阻中,应重点降低主要热阻数值。
在不改变本系统中套管式换热器型式的前提下,强化传热速率途径可用螺纹管或翅片管代替原有的光滑管(化原教材上册P27⑤。
本装置
的主要热阻是空气的对流热阻,如此即可提高空气的湍流程度,也可增加管壁的传热面积,使空气侧传热系数a1增大(即主要热阻降低),从而使K值有明显的提高。
实验七填料吸收塔的操作及体积吸收系数的测定
1.根据实验采集的数据提供原始数据表,列举某一状态下填料层
压力降△P与气速u的计算示例,表列完整的计算结果,并绘制△
P〜u的关系曲线图
答:
原始数据记录表
大气压1030hPa塔径70mm填料层高度39cm标准酸浓度
mol/l环境温度22C
1)喷淋密度:
0(l/h)
)喷淋密度:
25(l/h)
表1〜2
(C)
计前
流量
计后
38
38
流量计读数V示
(rm/h)
氨
气
U型差压计读数
(cmCCl)
左R
20
右R
氨气温度(C)
流量计读数V示
(l/h)
325
325
出
塔
尾
气
尾气温度(C)
湿式流量计读数V初
(l)
625
湿式流量计读数V终
(l)
标准硫酸溶液浓度
M(mol/l)
标准硫酸溶液用量
Va(ml)
塔底
溶液
塔底溶液温度(C)
用水
量
水流量计读数V示
(l/h)
塔顶
压强
(表
压)
U型差压计
读数
(cmHC)
左R
右R
全塔
压强
△P
U型差压计
读数
(cmHC)
左R
右R
注:
按理论,塔内的空气流量应进行校正,但由于流量计后的空
气压力略高于塔系统总压力,而流量计后空气温度却也相应的高于塔系统空气温度(塔系统且无温度监测),因此为计算方便,可用流量计显示的流量读数直接代入,计算空塔气速(本环节已经过验算误差小可忽略不计)。
数据处理:
塔内流通截面
-d20.78540.072
4
pRg水g
Z
0.003847m2
填料层单位压降
0.00310009.81
同理各压降计
0.39
75.46Pa/m
算结果见上表1〜2
Q
u
3600g
空塔气速
5
同理各空塔气
36000.003847
0.361m/s
速计算结果见表1〜2
上册P1139
R顶g水ggPo
塔顶压力
全塔压力
103470.88166.77103637.65
103470.88103637.65
塔底溶液绝对温度
求亨利系数
求相平衡常数
空气压强
27.722.910210009.81
103470.88Pa
R全g水gg
27.325.6
166.77
Pa
Pa
103554.3Pa
ig
103000
25.5273.15
10210009.81
298.65K
1922
E11.6485.21237
T
E105.21237163068.5(Pa)
E163068.5
P总103554.3
1.5747
P空气
R空气gCCl4gg
2821.310
F0
215959.81
104048Pa
根据流量计校正公式:
测
Q测
P测9^0
空气的校正流量
6.5
6.5
103000
《化工工艺设计手册》
10132527338
104048293
1.0166883
3
6.6085m/h
流量计出厂时标定的绝对压力X
105,
绝对温度273+20=293&注:
上式Q=下式V测
空气摩尔流量校正
氨气压强
V测gT°gP测
22.4T测g
6.6085293103554.3
22.4(27338)103000
0.279442kmol/h
Ps气R氨气gCCI4ggF0
29.52010215959.81103000
氨气的校正流量
104486.5Pa
0.3251.01668831.3061
0.432m3/h
Va测gTo^
22.4T测呎
氨气摩尔流量校正
0.432293103554.3
22.4(27328)103000
0.01848kmol/h
进塔气相组成
Y1Va10.018480.06277kmolA/kmolB
V10.279442
4
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