进行化工原理实验,首先遇到的是实验设备的使用问题,其次是测取数据的问题,第一个问题散见于各个实验中。下面介绍带有共性的问题,例如,应该测取哪些数据?如何读取和记录?记录的数据又如何整理、分析为实验结论等等。
一、实验中应测取哪些数据
1、凡是影响实验结果或者数据整理过程所必需的数据,都必须测取。它包括大气条件、设备有关尺寸、物料性质及操作数据等。
2、有些数据不必直接测取,可以从测取的某一数据导出或从手册中查到。例如测出水温后,可查出水的粘度和密度等数据。
二、读取和记录数据应注意的问题
1、事先必须拟好记录表格,表格应简明扼要而又符合实验内容的标题名称。
2、表格中应注明各项物理量的名称、符号及单位。化工数据中,有的数量很大或很小,如二氧化碳的亨利系数E,用科学记数法表示:20℃时,E=1.42×10-8[Pa]。当列表时,项目名称写为E×10-8,单位记作[Pa],而表中数字写为1.42,即E×10-8=1.42[Pa]。也可以如下法表示,项目名称为E,单位记作[×10-8Pa],表中数字仍为1.42。
3、实验时一定要等操作稳定后,才开始读数,条件改变后,要等操作再次稳定后再读数,不稳定情况下所读取的实验数据是不可靠的。
4、数据记录必须真实地反映仪表的精确度。一般要记录至仪表上最小分度以下一位数。例如温度计最小刻度为1℃,读出某一温度应为25.5℃,若温度恰好在25℃,也应写为25.0℃,有效数字为三位。
5、实验直接测量或计算的结果,该用几位数字表示,是件很重要的事。有人认为数值在小数点后面的位数越多越准确,其错误在于没有弄清小数点的位置与所用测量单位的大小有关,而与测量的准确性无关。例如长度记录为0.314m和314mm,其准确度完全相同。还有人认为,计算结果保留位数越多越准确,其错误在于不了解在一定仪表条件下,所测得数据只能具有一定的准确度,绝不应该过多地保留位数,以致使计算的准确度超过测量仪器的精度。例如传热实验中,蒸汽温度T=120.5℃,空气进、出口温度为24.4℃和79.7℃,则对数平均温度差△tm=64.6℃。若保留位数过多,写作△tm=64.55℃,则超出了温度计的测量精度,是不科学的。
三、实验数据的处理
记录下的原始数据通常要进行运算,或以列表法表示,或以图示法表示,或以经验公式表示。因此,取得实验数据后,还要正确地处理这些数据,才能获得应有的结果。
1、数据的运算
(1)在计算中应注意有效数字和单位换算。
(2)数据运算中应采用常数归纳法,即计算公式中的许多常数归纳为一个常数对待。例如管路计算中,由于流量改变而导致雷诺准数的改变,因为
,
,故
。
计算时先求出B值,依次代入VS,即可求出相应的Re值。
2、数据处理
(1)列表法
利用列表法表达实验数据时,表头栏目应写明所测物理量名称、符号、单位,自变量选择时最好能使其数值依次等量递增。
(2)图示法
利用图示法表示实验数据有许多优点。首先它能清楚地显示所研究对象的变化规律与特点,如极大、极小、转折点、周期性等。其次可利用足够光滑的曲线,作图解微分和图解积分。第三可通过适当地坐标变换,求出经验方程式。图示法在化学工程实验数据整理中具有特殊重要的地位。下面将列专题介绍。
(3)经验公式法
实验数据用经验公式表达,使实验规律更加定量化。经验公式本身是客观规律的一种近似描述,是进一步探讨的线索和依据。
建立经验方程式的基本步骤如下:
①将实验测定的数据加以整理与校正。
②选出自变量和因变量,并绘出曲线。
③由曲线的形状,根据解析几何的知识,判断曲线的类型。
④确定公式的形式,并将曲线通过改变坐标方法,变换成直线关系。常见例子如表1所示。
⑤用图解法或解析法来决定经验公式中的常数。
表1 坐标变换示例表
方程式 |
变换 |
直线化后的方程 |
Y=axb Y=abx Y=aebx Y=ea+bx |
Y=lgy, X=lgx Y=lgy, X=x Y= lny, X=xY=lny, X=x |
Y=bx+lga Y=lgbx+lga Y=bx+lna Y=bx+a Y=bx+a Y=bx+a |
【示例1】在蒸汽—空气换热实验中,要将给热系数a与管内流速u的关系,整理成如下形式:
即
式中:a,管壁对空气的给热系数,W/(m2.K);
λ,空气的导热系数,W/(m.K);
d,管内径,m;
u,空气流速,m/s
ρ,空气密度,kg/m3;
μ,空气粘度,kg/(m.s);
Nu,努塞尔特准数;
Re,雷诺准数;
A、n,经验公式的系数。
数据记录如表2所示。
表2 传热数据记录表
序 号 |
流量示值 R,mm |
计前表压 P表,Pa |
热电偶示值,Et,mV |
||
蒸汽或壁 |
空气进口 |
空气出口 |
|||
1 2 3 4 5 6 |
70.0 50.0 35.0 25.0 15.5 8.5 |
4080 3906 4599 5093 5960 6440 |
5.332 5.338 5.338 5.34 5.342 5.332 |
1.006 0.986 1.03 1.05 1.096 1.112 |
3.348 3.40 3.478 3.54 3.624 3.708 |
管径d=0.0178m,管长L=1.224m;流量系数C′=0.001233;室温t=13℃;大气压强Pa=101330Pa。
以第一组数计算举例。
=1.233kg/m3
所有计算结果见表3。
表3 传热数据整理表
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