《化工原理实验指导书》（201212生物工程专业用）(1)

化工原理实验指导书 化学工程与工艺教研室编

武夷学院生态与资源工程系

2012年12月

目 录

序 言 ....................................................... 1 实验一 流体流动阻力的测定 .................................... 5 实验二 离心泵特性曲线的测定 ................................ 8 实验三 过滤及过滤常数的测定 ................................. 12 实验四 空气在圆形直管中强制对流传热膜系数的测定 ............. 15

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序 言

一、化工原理实验的特点

化工原理实验属于工程实验范畴，它不同于基础课程的实验。后者面对的是基础科学，采用的方法是理论的、严密的，处理的对象通常是简单的、基本的甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实际问题和工程问题。对象不同，实验研究方法也必然不同。工程实验的困难在于变量多，涉及的物料千变万化，设备大小悬殊，实验工作量之大之难是可想而知的。因此不能把处理一般物理实验的方法简单地套用于化工原理实验。数学模型方法和因次论指导下的实验研究方法是研究工程问题的两个基本方法，因为这两种方法可以非常成功地使实验研究结果由小见大，由此及彼地应用于大设备的生产设计上。例如，在因次论指导下的实验，可不需要过程的深入理解，不需要采用真实的物料、真实流体或实际的设备尺寸，只需借助模拟物料（如空气、水、黄砂等）在实验室规模的小设备中，经一些设备性的实验或理性的推断得出过程的因素，从而加以归纳和概括成经验方程。这种因次论指导下的实验研究方法，是确立解决难于作出数学描述的复杂问题的一种有效方法。数学模型方法是在对过程有充分认识的基础上，将过程作高度的概括，得到简单而不失真的物理模型，然后给予数学上的描述。这种研究方法同样可以具备以小见大，由此及彼的功能（因次论指导下的实验方法和数学模型方法反映了工程实验和基础实验的主要区别）。化工原理实验的另一目的是理论联系实际。化工过程由很多单元过程和设备所组成，学生应该运用理论去指导并且能够独立进行化工单元的操

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作，应能在现有设备中完成指定的任务，并预测某些参数的变化对过程的影响。 二、基本要求

1、实验研究方法及数据处理

（1）掌握处理化学工程问题的两种基本实验研究方法。一种是经验的方法，即应用因次论进行实验的规划；另一种是半经验半理论的方法或数学模型方法，掌握如何规划实验，去检验模型的有效性、模型参数的估值。 （2）掌握最基本的经验参数和模型参数的估值方法——最小二乘法。 （3）对于特定的工程问题，在缺乏数据的情况下，学会如何组织实验以及取得必要的设计数据。

2、熟悉化工数据的基本测试技术

其中包括操作参数（例如流量、温度、压强等）和设备特性参数（例如阻力参数、传热系数、传质系数等）、特性曲线的测试方法。

3、熟悉并掌握化工中典型设备的操作

了解有关影响操作的参数，能在现在设备中完成指定的工艺要求。并能预测某些参数的变化对设备能力的影响，应作何调整。 三、实验课教学内容及教学方法

通过实验课的教学应让学生掌握科学实验的全过程，此过程应包括：（1）实验前的准备；（2）进行实验操作；（3）正确记录和处理实验数据；（4）撰写实验报告。以上四个方面是实验课的主要环节，认为实验课就是单纯进行实验“操作”的观点应该改变。

为使学生对于实验有严肃的态度，严格的要求和严密的作风，我们推

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荐典型的实验程序如下：

（1）认真阅读实验指导书和有关参考资料，了解实验目的和要求； （2）进行实验室现场预习。了解实验装置，摸清实验流程、测试点、操作控制点，此外还需了解所使用的检测仪器、仪表。

（3）预先组织好3~4人的实验小组，实验小组讨论并拟订实验方案，预先作好分工，并写出实验的预习报告，预习报告的内容应包括：

1）实验目的和内容； 2）实验的基本原理及方案； 3）实验装置及流程图；

4）实验操作要点及实验数据的布点； 5）设计原始数据的记录表格。

预习报告应在实验前交给实验指导教师审阅，获准后学生方能参加实验；

（4）进行实验操作，要求认真细致地记录实验原始数据。操作中应能进行理论联系实际的思考；

（5）实验数据的处理，如果用计算机处理实验数据，则学生还须有一组手算的计算示例；

（6）撰写实验报告。撰写实验报告是实验教学的重要组成部分，应避免单纯填写表格的方式，而应由学生自行撰写成文，内容大致包括：

1）实验目的和原理； 2）实验装置；

3）实验数据及数据处理；

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如果打开考克，无水排出或者还吸气进去，表示测点负压，可增 大主管内的流速，即能出现正压而排水。

b、?形压差计

?形压差计排气操作原理和U形差计相同，仅是多了3.4两个

考克（图1-3），排气时这两个考克要全开。

排气完毕后，?形管还要进行调整管内水位，如果水位过高 （即空气少），可关3、4开1、2让水排走而吸入空气。如果空气 过多，可关3、2，开4、1让部分空气排出，至合适为止。 如水、气量都恰当，但玻璃管内有气泡，可开3、4，然后将 图1－3 Π形管 1或2开开停停，玻璃管内水位就会升升降降，气泡随着上升而除 去。此时即可开3、4，关1、2进行正常测压。

3、检验排气是否彻底：

将控制阀开至最大，再关至为零，看U型压差计读数，若左右 读数相等，则判断系统排气彻底；若左右读数不等，则重复上述步骤2。 4、实验测试布点

实验时，宜从大流量做起。由于Re在充分湍流区时，λ～Re的关系是直线，所以在大流量时测试点不要多；而在Re比较小时，λ～Re的关系是曲线，所以小流量时测试点要多。先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读数F大，然后关至水银压差计差值约0.08时，再读取流量显示仪读数F小，在F小和F大二个读数之间布14～16个测试点；

5、改变切换引压阀，可进行孔板流量计校核等实验测定，方法同上。注意不让水银冲出。

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五、实验内容

利用这台装置可以进行的主要实验项目如下：

1、滞流区和过渡区摩擦系数的测定—利用2号管进行（测压孔间距1.8m）。

2、不同直径的管子湍流区磨擦系数的测定—利用1，3号管子（测压孔间距2m）。

3、螺旋槽管（相似于粗糙管）摩擦系数的测定。 4、测量90°标准弯头的局部阻力系数。 5、测量截止阀局部阻力系数。 6、测量突然扩大管局部阻力系数。 实验教学可根据需要选取相应的项目进行。 六、原始数据记录

1、一次性原始数据

 l= d直= t水= d局=

2、原始数据表

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直管阻力压差计 No 螺旋槽管压差计 局部阻力压差计 左cm Hg 右cm Hg 左cm Hg 右cm Hg 左cm Hg 右cm Hg 1 2 3

七、过程运算表

直管阻力和局部阻力过程运算表

阻力系流量No m/S 1 2 3 4 七、实验报告

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3 直管流速m/s Re×10 数λ 速m/s -4摩擦系局部流数 ξ

1、将所得的实验数据组在双对数座标纸上绘制λ～Re曲线图形； 2、求出局部阻力系数； 2、实验结果讨论与分析。 八、思考题

1、在启动离心泵前，为什么要注水灌泵和关闭泵的出口阀门？ 2、在进行测试系统的排气工作时，是否应关闭系统的出口阀门？为什么？

3、如何检验测试系统内的空气已经被排除干净？

4、在U形压差计上设置“平衡阀”有何作用？在什么情况下它是开着的？又在什么情况 下它应该是关闭的？

5、差计的零位应如何校正？

6、什么本实验数据必须在对数坐标纸上进行标绘？ 九、使用实验设备应注意的事项 1、调流量要慢、稳、准。

2、在实验过程中每调节一个流量之后待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。

3、调节流量时注意不让水银冲出。

4、若较长时间不做验验，启动离心泵之前应先转动泵轴使之灵活运转，否则可能烧坏电机。

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实验二 离心泵特性曲线的测定

“离心泵特性曲线的测定”系化工原理系统重点实验之一，凡选读化工原理课程及流体力学的学生，必须完成本项实验。

本实验装置是根据实验的基本要求设计的。旨在使学生了解离心泵构造和操作，学会离心泵的特性曲线的测定方法。 一、实验目的

1、熟悉离心泵的结构、特性和操作，掌握实验组织方式；

2、学会离心泵特性曲线的测定方法，正确掌握用作图法处理实验数据。

二、基本原理

离心泵是一种液体输送机械，它籍助于泵的叶轮高速旋转，使充满在泵体内的液体在离心力的作用下，从叶轮中心被甩至边缘，在此过程中液体获得能量，提高了静压能和动能。液体在离开叶轮进入壳体时，由于流动截面积的增大，部分动能变成静压能，进一步提高了静压能。流体获得能量的多少，不仅取决于离心泵的结构和转速，而且与流体的密度有关。当离心泵内存在空气，空气的密度远比液体的小，使离心泵所产生的离心力不足以在泵的进口处形成所需的真空度，无法吸入液体，该现象称为“气缚”。为了保证离心泵的正常操作，在启动前必须在离心泵和吸入管路内充满液体，并确保运转过程中尽量不使空气漏入。

离心泵的主要性能参数是扬程、流量、功率、效率和转速。在一定的转速下，离心泵的扬程、功率、效率均随流量的大小改变。扬程与流量的特性曲线H=f（Q）、功率消耗与流量的特性曲线N=f（Q）、以及效率与流

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量的特性曲线η=f（Q）是离心泵的三条特性曲线。它们与离心泵的设计、制造有关，必须由实验测定。

三条特性曲线中的Q和N由实验直接测定。H和η可通过公式计算。

由

伯

努

力

方

程

得

：

2u2?u12 H?H压强表?H真空表?h0?2g式中：

H—泵的扬程，m液柱；

H压强表—压力表测得的表压，m液柱； H真空表—真空表测得的真空度，m液柱； h0—压强表和真空表中心的垂直距离，m； u2—泵出口管内流体的速度，m/s； u1—泵进口管内流体的速度，m/s。 流体通过泵之后，实际得到的有效功率：  Ne?其中：

Ne—离心泵的有效功率，kW； Q—离心泵的输液量，m3/s； ρ—被输送液体的密度，kg/m3。 离心泵的效率： ??Ne NH?Q?? 102本实验N = 0.9241N电- 0.0454 式中：

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N －离心泵的轴功率，kW；

N电—电机的输入功率，kW。 三、实验装置和流程

11—马达 2—可拆式弹性联轴节 3—1BA-6型离心泵 4—进口球阀

25—水槽 6—排水阀 7—落水管

8—摆头式出水管口 9—弯头 10—透明涡轮流量变送器 11—涡轮流量计显示仪表 12—弯头 13—测压接咀

14—?形管压差计 15—计量槽 16—水位计和标尺 17—排水阀 18—水封旋塞 19—加水旋塞 20—出口阀

21—真空表 22—压力表 23—转速表 24—速度传感器 25—测功表 26—支架 27—测压接咀 28—溢流口

图2 实验装置流程示意图

四、实验内容

测定一定转速下的离心泵特性曲线。 五、实验步骤

1、检查水箱中是否有水。

2、关闭功率表、流量计等二次仪表及调节阀。

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3、灌泵：开启引水阀，反复开启和关闭放气阀，尽可能排除泵体内的空气，排气结束，关闭引水阀。

4、启动离心泵。 5、开启各仪表开关。

6、开启调节阀至最大开启度，由最大流量范围合理分割流量，进行实验布点。

7、由调节阀调节流量，每次流量调节稳定后，读取各组实验数据。 8、实验装置恢复原状（在灌水箱中要有水），并清理实验场地。 六、原始数据记录

进口管径 = 40mm 出口管径 = 40mm h0＝ t＝ ℃

流量Q（L序号 ／s） 1 2 3

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压力表（MPa） 真空表（MPa） 功率N电（kW） 转速n(1/min)

七、数据整理表

特性曲线是某指定转速下的特性曲线，如果实验时转速与指定转速有差异，应将实验结果用等比定律换算为指定转速n 1下的数值：

实测值 序号 Q（L／s） 1 2 3

八、实验报告

1、将所取得的实验数据及通过计算求得的各参数在座标纸上作出三条特性曲线；

扬程和流量的特性曲线H ～Q 轴功率消耗和流量的特性曲线N ～Q 效率和流量的特性曲线η～Q

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换算到n 1= (1/min)时的值 H(m) N(kW) n(1/min) Q1(m3/h) H1(m) N1(kW) η（％）

2、实验结果讨论与分析

九、思考题

1、离心泵在启动前为什么要引水灌泵？如果已经引水灌泵了，但离心泵还是启动不起来，你认为可能是什么原因？

2、为什么离心泵启动时要关闭出口阀和拉下功率表的开关？

答：泵的功率偏小，如果不关阀门，泵的运行功率偏大，容易导致电流偏大而跳闸。

3、为什么调节离心泵的出口阀可调节其流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其它方 法调节泵的流量？

答：离心泵在固定的转速下扬程是固定的，调节出口阀就调节了导流面积，可以使用这种方法调节流量。优点是简单易行，缺点是节流阀消耗能量。使用变频器调节电机转速也可以调节流量，优点是节约电能。 4、正常工作的离心泵，在其进口管上设阀门是否合理？为什么？ 答：合理容易产生节流损失产生压损压力降低，易造成汽蚀的发生 5、为什么在离心泵的进口管下安装底阀？从节能观点上看，底阀的设置是否有利？你认 为应如何改进？

答：不装底阀，泵一旦停下来，吸水管的水就会全部漏光，就得重新灌水，为了减少这个麻烦，就装个底阀，避免水漏光而重新灌水。从节能的观点

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看，这对节能非常不利，因为底阀的水头损失系数很大，说简单点就是它的阻力很大，很耗能量，所以对节能很不利。现在的新型产品要好一点，但阻力仍很大。如果采用负吸式的（水泵高程比吸水水面高程低）就不需要底阀了。

十、使用实验设备应注意的事项

1、启动离心泵之前,一定要检查各处阀门。 2、流体在管路输送中不应有气存在。 3、离心泵不要长时间空转。

4、速度传感器与转轴上的感应点离得很近，注意保护，不能用手按。

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实验三 过滤及过滤常数的测定

一、实验目的

1、掌握过滤问题的简化工程处理方法，及测定过滤常数的测定； 2、了解板式过滤器的构造，并学会板式过滤器的操作方法。 二、实验原理

过滤过程是将悬浮液送至过滤介质及滤饼一侧，在其上维持另一侧较高的压力，液体则通过介质而成滤液，而固体粒子则被截留逐渐形成滤饼。过滤速度由过滤介质两端的压力差及过滤介质的阻力决定。过滤介质阻力由二部分组成，一为过滤介质，一为滤饼（先积下来的滤饼成为后来的过滤介质）。因为滤饼厚度（亦即滤饼阻力）随着时间而增加， 所以恒压过滤速度随着时间而降低。对于不可压缩性滤饼，在恒压过滤情况下，滤液量与过滤时间的关系可用下式表示：

V2+2VeV=KA2τ （1）

式中：V—τ时间内的滤液量 （m3）

Ve—虚拟滤液的体积，它是形成相当于过滤介质阻力的一层滤饼时，应得到的滤液量 （m3）

A—过滤面积 （m2） K—过滤常数 （m2/s）

τ—相当于得到滤液V所需的过滤时间 （s） 上式也可写成：

q2+2qeq=Kτ

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（2）

式中： q=V/A，即单位过滤面积的滤液量 （m）

qe=Ve/A，即单位过滤面积的虚拟滤液量 （m） 利用上述方程计算时，需要知道K、qe等常数，而K、qe常数只有通过实验才能测定。

在用实验方法测定过滤常数时，需将上述方程变换成如下形式：

?q?12q?qeKK

（3）

因此在实验时，只要维持操作压强恒定，计取过滤时间和相应的滤液量。以~q作图得一直线，读取直线斜率者将和qe的数据用最小二乘法求取三、实验装置与流程：

实验装置由配料桶、供料泵、滤液计量筒及板框等组成。碳酸钙(CaCO

３

?q2q1和截距e，求取常数K和qe，或KK?q2q1和e值，进而计算K和qe的值。 KK)或碳酸镁(MgCO３) 的

悬浮液在配料桶内配成一定浓度后，由供料泵输入系统。为阻止沉淀，料液在供料泵管路中循环。配料桶中用搅拌桨搅拌，浆液经过滤机过滤后，滤液流入计量筒。

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图 3 实验装置流程图

四、实验内容

测定恒压操作下过滤常数K和qe。 五、实验操作要点

1、实验前将固体粉末在配浆槽内加水配制成一定浓度的悬浮液（如碳酸镁水悬浮液）进行实验，建议滤浆浓度配成3~5%（重量），其量约占料桶的2/3左右。关闭连接储浆罐的排污阀、回浆阀。

2、关闭物料泵进口阀及排污阀，启动搅拌器，使储浆罐内的悬浮液保持浓度均匀，不产生沉淀。

3、按板、框的号数以1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11的顺序排列过滤机的板与框，把滤布用水浸透，再将湿滤布敷以滤框的两侧。安装时，滤布孔要对准过滤机的孔道，表面要平整，不起皱纹，以免漏夜。然后用压紧螺杆压紧板与框。

4、开启搅拌电机使储浆罐内的悬浮液保持浓度均匀，然后，先把物料回流阀全开，滤液出口阀全开，再启动物料泵，滤液流入计量筒计量，测取有关数据（压力控制在0.1～0.2Mpa）。待滤渣充满全部滤框后，（此时流量很小，但仍呈线状流出）。关闭物料泵停止过滤。

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5、过滤完毕后，旋开压紧螺杆并将板、框拉开，（如要测定滤浆浓度或滤渣的含水量，取一定数量的湿滤渣样品，进行烘干，便可求出滤浆的浓度。）卸出滤渣（可将湿滤渣收集起来，作为下次配制悬浮液时之用）。清洗滤布，整理板、框重新装合，进行另一个操作循环。

6、实验结束后，停止搅拌器，用容器把罐内剩余的物料放尽，再装入清水用物料泵将储浆罐内的清水排空。反复几次，使物料泵内清洁为止。以免剩余悬浮液沉淀，堵塞泵、管道、阀门等。 六、实验报告：

1、以~q作图，求出过滤常数K和qe，并写出完整的过滤方程式； 2、实验结果讨论与分析 七、数据记录

计量筒尺寸：200×170×480mm 板框尺寸：直径125 mm 虑框厚度：17 mm

操作压力： 浓度： 温度：

序号 0 1 2 3 4 5 时间S（秒） 计量H（厘米） ?q 25

八、思考题

1、过滤刚开始时，为什么滤液总是浑浊的？

答：因为刚开始的时候滤布没有固体附着，所以空隙较大，浑浊液会通过滤布，从而滤液是浑浊的。当一段时间后，待过滤液体中的固体会填满滤布上的空隙从而使固体颗粒不能通过滤布，此时的液体就会变得清澈。

2、在过滤中，初始阶段为什么不能采取恒压操作？

答：过滤实验，初始阶段不采取恒压操作的原因是开始过滤时，滤布的通透性非常好，过滤速度很快，不需要太高的压力，随着过滤的进行，过滤速度逐渐减慢，逐渐加压，以增加过滤速度。当操作压强增加一倍,其K值不一定增加一倍，要得到同样的过滤量时,其过滤时间不会缩短一半。有时候物料的黏度过大，细颗粒杂质太多，增加压力是没用的，反而会降低过滤速度。此时采用助滤剂是比较好的选择。 3、如果滤液的粘度比较大，你考虑用什么方法改善过滤速率？ 答: 加热升高温度降低粘度后再过滤;加入适当的分散剂来降低粘度。 4、当操作压强增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同样的过滤量，其过滤时间是

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否可缩短一倍？

由K=2k（△p）1-s得，过滤压强提高一倍，K提高到原来的2（1-s）倍。qe是由介质决定，与压强无关。根据τe= qe / K知，τe是变为原来的1/2。qe和τe是反映过滤介质阻力大小的常数，s为常数（本实验默认滤饼不可压缩，s=0）。注意：因格式问题，上述所涉及的“1-s”均为指数！ 九、实验注意事项

1、启动搅拌器前，用手旋转一下搅拌轴以保证顺利启动搅拌器。 2、控制系统内的真空度恒定，以保证恒压状态下操作。

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实验四 空气在圆形直管中强制对流传热膜系数的测定

一、实验目的

1、通过实验掌握传热膜系数α的测定方法，并分析影响α的因素； 2、掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数C和指数m、n的方法； 3、通过实验提高对α关联式的理解，了解工程上强化传热的措施； 4、掌握测温热电偶的使用方法。 二、实验原理

对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变化时对流传热准数关联式一般形式为： Nu = C Rem Prn Grp

对强制湍流，Gr准数可以忽略。 Nu = C Rem Prn

本实验中，可用图解法和最小二乘法两种方法计算准数关联式中的指数m、n和系数C。

用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。为了便于掌握这类方程的关联方法，可取n = 0.4（实验中流体被加热）。这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程：

lgNu?lgC?mlgRe Pr0.4在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值代入方程中得到系数C，即

C?NuPrRem0.4

用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性。

而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。应用计算机对多变量方

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δ；

δ=

Nu测?Nu计Nu测

2、实验结果列表和作图：

数据整理结果列于下表中，并且将结果作出lnRe—lnNu关系散点图。 序号 t定 Δtm ρ VS? ? Re ? Nu测 Nu计 ? Ln(Nu测) Ln(Nu计) Ln(Re) 1 2 3 4 5 6 7 8 实验项目二 螺旋槽管给热准数方程的测定

实验时可以发现，加热蒸汽压相同，空气流量相同，但螺旋槽管的出口温度远比光管高，这证明螺纹强化了传热过程。当然我们还应具体地测量它的给热准数方程式。

这项测定和前述光管的测定方法相同。由于两种管子都是用同一管材轧制，为了便于对比，螺旋槽管管径取与光管一致，这样流量和定性温度相同时，两种管子的雷诺数相同。这样处理方法，见诸于中、外文献。实

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验的原始数据和结果见表：

因为Nu=cRem LnNu=Lnc+mLnRe m为lnNu-lnRe直线的斜率，lnC为截距。从而得出m,c.因此可以 计算出这种螺旋槽管给热准数方程式是：

Nu=cRem 七、思考题

1、在实验验中，有哪些因数影响实验的稳定性？ 2、影响传热系数K的因数有哪些？

3、在传热中，有哪些工程因数可以调动？你在操作中主要调动哪些因数？

八、实验注意事项

1、要注意电热蒸汽锅炉的水位控制和排污。

2、必须保证蒸汽上升管线的畅通，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。

3、必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，旁路调节阀必须打开。要注意测量管中的空气流量控制，不要太大，以免冲走压差计中的水（特别是风机启动时）。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8ldg.html