冷凝管中冷卻水流向問(wèn)題再研究

1、杭州市化學(xué)會(huì)2006年年會(huì)論文冷凝管中冷卻水流向問(wèn)題再研究章哲承（杭州二中310053）論文摘要：水冷凝管常經(jīng)常使用在蒸儲(chǔ)和冷凝回流實(shí)驗(yàn)中，其中冷卻水的流向問(wèn)題常常存在著爭(zhēng)辯，究竟是選擇“下進(jìn)上出”，仍是選擇“上進(jìn)下出”？本文試著通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照冷卻水流向不同的冷凝回流成效，并從理論角度進(jìn)行了分析論證，從而得出較為合理的冷卻水流向結(jié)論。關(guān)鍵詞：冷凝管、冷卻水流向、熱互換、蒸儲(chǔ)、回流圖1蒸儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置1 .問(wèn)題的提出冷凝管在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常經(jīng)常使用于蒸儲(chǔ)和冷凝回流實(shí)驗(yàn)中。關(guān)于蒸儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，冷卻水的流向問(wèn)題人們一樣都可不能有異議，都是采納下進(jìn)上出的流向10但在回流實(shí)驗(yàn)中，人們關(guān)于冷卻水

2、的流向問(wèn)題卻有著不同的觀點(diǎn)，有人以為是采納下進(jìn)上出流向比較自然、合理2;但也有人以為是上進(jìn)下出流向，利用了逆流原理進(jìn)行熱互換冷凝成效更好30但在大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材上多數(shù)極少明確指出，冷凝回流實(shí)驗(yàn)冷卻水究竟是該從上口進(jìn)仍是應(yīng)該從下口進(jìn)45。也有人僅僅從冷水充滿冷凝管外管的難易程度分析冷卻水的流向問(wèn)題6。因此本文試著從實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)照二種冷卻水流向的回流成效。2 .實(shí)驗(yàn)部份2.1 實(shí)驗(yàn)儀器、裝置和試劑儀器：78HW-1恒溫加熱磁力攪拌器、直型水冷凝管（標(biāo)準(zhǔn)磨口）、50mL蒸儲(chǔ)燒瓶（磨口）、50mL量筒、秒表、100c溫度計(jì)、200c溫度計(jì)、鐵架臺(tái)、乳膠管試劑：無(wú)水乙醇、丙酮（分析純）、液體石蠟、沸

3、石2.2 實(shí)驗(yàn)方式和步驟本實(shí)驗(yàn)通過(guò)操縱相同冷卻水流速和加熱溫度，用不同的冷卻水流向?qū)Ρ噭﹦e離進(jìn)行冷凝回流實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定冷卻水出水口溫度和回流液剩余體積等參數(shù)對(duì)回流成效進(jìn)行了測(cè)定。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。圖2回流對(duì)比實(shí)驗(yàn)裝置2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表1回流丙酮的實(shí)驗(yàn)情況實(shí)驗(yàn)步驟冷卻水流向冷卻水流速(mL/s)水浴溫度(C)回流時(shí)間(min.)出水口溫度(C)回流液剩余體積(mL)回流百分率(%)上進(jìn)下出96下進(jìn)上出8060上進(jìn)下出84下進(jìn)上出12060上進(jìn)下出64下進(jìn)上出1306084上進(jìn)下出46下進(jìn)上出14030863 .分析與討論本實(shí)驗(yàn)的目的是對(duì)照二種冷卻水流向?qū)淠亓鞒尚У淖璧K，因此力求排除其它

4、因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。采納操縱相同的冷卻水流速的和同時(shí)采納同一個(gè)水(油)浴加熱裝置加熱。但在實(shí)驗(yàn)初期操縱冷卻水水流速度的時(shí)候發(fā)覺(jué)，采納從下口進(jìn)水的方式，冷卻水很容易充滿冷凝管，但采納從上口進(jìn)水的方式要想充滿整個(gè)冷凝管往往需要將冷凝管拿下來(lái)橫放或倒放才能順利充滿，然后才能將其豎直固定于鐵架臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)最初選用無(wú)水乙醇作為回流試劑，可是當(dāng)操縱水流速度為3mL/s,水浴溫度為90C時(shí)，回流60分鐘，冷卻水不論是采納上進(jìn)下出仍是下進(jìn)上出，最后的出水口溫度都沒(méi)有明顯不同，最后的回流液體積均為（因?yàn)槭浅脽釡y(cè)量，應(yīng)該是熱脹冷縮的緣故）。故后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采納沸點(diǎn)更低、黏度更小的丙酮作為回流試劑。咱們發(fā)覺(jué)，當(dāng)冷卻水流速較

5、快時(shí)（3mL/s）,水浴溫度為80c時(shí)，從出水口溫度看，冷卻水采納上進(jìn)下出的為C,下進(jìn)上出的為C,說(shuō)明上進(jìn)下出的冷卻水與熱蒸氣的熱互換效率高，從回流液的剩余體積也能夠證明這一點(diǎn)，從上口進(jìn)的裝置加熱60分鐘后后還剩余，回流百分率為96%,而下口進(jìn)冷水的蒸儲(chǔ)燒瓶中只剩余，回流百分率為。當(dāng)冷卻水流速不變，改用液體石蠟作油浴加熱，溫度升高到120C時(shí)，仍是從上進(jìn)下出的冷卻水冷凝回流成效較好，但二者的差距在縮小。出水口的溫度差由1降至,回流百分率也由相差個(gè)百分點(diǎn)降至相差個(gè)百分點(diǎn)。但當(dāng)咱們將冷卻水的流速降低至s（水滴方才成線狀），油浴溫度升高到130c時(shí)，情形顯現(xiàn)了轉(zhuǎn)變。這時(shí)由于冷卻水的流速在減小，油浴的

6、溫度又進(jìn)一步升高，致使出水口的溫度也都升高，進(jìn)出水口的溫差乃至超過(guò)了10C,這種情形下，反而是冷卻水下進(jìn)上出的裝置冷凝回流成效要好，加熱60分鐘后，出水口溫度為C,回流液剩余體積為，回流百分率為84%;而上進(jìn)下出的裝置冷卻水出水口溫度為C,回流液剩余體積為，回流百分率僅為64%,二者回流百分率相差達(dá)20個(gè)百分點(diǎn)。繼續(xù)維持s的水流速度，將油浴溫度繼續(xù)升高至水冷凝管的極限溫度140C,這時(shí)蒸儲(chǔ)燒瓶中的丙酮沸騰超級(jí)猛烈，蒸氣的速度超級(jí)快，在冷卻水上進(jìn)下出的冷凝管口還能看到有未能冷凝的丙酮蒸氣蒸發(fā)出來(lái)，冷卻水下進(jìn)上出的冷凝管的回流高度也大體達(dá)到了出水口位置，在加熱30分鐘后，冷卻水上進(jìn)下出的冷凝管回流

7、百分率僅為46%,而冷卻水下進(jìn)上出的冷凝管回流百分率為86%,二者的回流百分率相差高達(dá)40個(gè)百分點(diǎn)。什么緣故改變冷卻水流速和升高加熱溫度會(huì)導(dǎo)致不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？本文試著借助于化工原理進(jìn)行分析。依照化工原理，冷凝回流進(jìn)程其實(shí)既包括了傳熱的進(jìn)程也包括了流體流動(dòng)進(jìn)程。在冷凝回流實(shí)驗(yàn)中，若冷凝管套管中的冷卻水自上而下流動(dòng)，內(nèi)管中的蒸氣自下而上流動(dòng)，在流動(dòng)進(jìn)程中進(jìn)行熱量傳遞，使蒸氣全數(shù)冷凝并冷卻下來(lái)。這種流動(dòng)方向相反的二種物質(zhì)所進(jìn)行的傳熱進(jìn)程，稱為“逆流”傳熱，反之，那么稱為“并流”傳熱（也有資料上稱為“順流”傳熱）。用T表示內(nèi)管中蒸氣或冷凝液的溫度，t表示套管中冷卻水的溫度，用下標(biāo)1、2別離表示它們進(jìn)出

8、冷凝管的溫度，并用表示流動(dòng)方向，那么“逆流”、“并流”傳熱可示意如下：Ti-T2冷卻水:t2ti逆流ti-t2并流圖3逆流圖4并流依照傳熱的大體方程式：Q=KAAtm,式中：Q為傳熱速度，K為總傳熱系數(shù)，A為傳熱面積，Atm為溫度差。而在冷凝管不同位置的Atm是不相同的，因此傳熱推動(dòng)力必需用平均推動(dòng)力，即對(duì)數(shù)平均溫度差A(yù)tm表示，其表達(dá)式為：Atm=(Ati-At2)/ln(Ati/At2),其中Ati為冷凝管一端的冷、熱流體的溫度差，At2為冷凝管另一端冷、熱流體的溫度差。當(dāng)傳熱系數(shù)K、傳熱面積A不變時(shí)，對(duì)數(shù)平均溫度差A(yù)tm決定了傳熱速度的大小。那么Atm(逆)=(Ti-t2)-(T2-ti

9、)/ln(Ti-t2)/(T2-ti);Atm(并)=(Ti-ti)-(T2-t2)/ln(Ti-ti)/(T2-t2)o由此可知，一樣情形下，Atm(逆)都會(huì)大于Atm(并)，這也確實(shí)是通常所說(shuō)的“逆流原理”，即在一樣的進(jìn)、出口溫度條件下，逆流的傳熱溫差比并流的大。因此當(dāng)換熱器中傳熱速度和傳熱系數(shù)都相同時(shí)，采納逆流流動(dòng)所需的傳熱面積比并流的小70由此很多人以為，在冷凝回流實(shí)驗(yàn)中也應(yīng)該采納“逆流原理”，即熱氣是自下而上，那么冷水應(yīng)該從上往下流。但其實(shí)“逆流原理”一樣僅僅適用于無(wú)相轉(zhuǎn)變的熱互換進(jìn)程。而關(guān)于冷凝回流實(shí)驗(yàn)還存在蒸氣冷凝成為液體的進(jìn)程，如此就會(huì)伴隨著流體在內(nèi)管流動(dòng)的進(jìn)程。在冷凝回流實(shí)驗(yàn)

10、中的蒸氣冷凝一樣都屬于膜狀冷凝，即冷凝液能夠潤(rùn)濕壁面，在壁面上形成一層完整的液膜，壁面被冷凝液所覆蓋，蒸氣冷凝只能在液膜表面進(jìn)行，即蒸氣冷凝放出的潛熱只有通過(guò)液膜后才能傳給壁面，這層液膜往往成為冷凝傳熱的要緊熱阻，液膜越厚，熱阻越大。液膜的厚度取決于液體的密度、黏度和冷凝管內(nèi)管的滑膩度、熱蒸氣的流速等。一樣液體的密度越大、黏度越小、冷凝管內(nèi)壁越滑膩，冷凝所形成的液膜就越薄，而關(guān)于逆向流動(dòng)的熱蒸氣來(lái)講一樣流速越快，液膜就越厚，但假設(shè)蒸氣流速過(guò)快又會(huì)吹散冷凝所形成的液膜，會(huì)致使液膜厚度變薄。圖5液膜流動(dòng)又由于冷凝回流管是豎直放置，液膜在重力的作用下，以層流狀態(tài)從頂端向下流動(dòng)，慢慢變厚，隨著液膜的增

11、厚，在冷凝管的下部液膜就可能會(huì)進(jìn)展成為湍流（也有資料稱為“紊流”），如圖5所示，大大增加了液體流動(dòng)的阻力8o由此，咱們就能夠夠說(shuō)明什么緣故在冷凝回流實(shí)驗(yàn)中當(dāng)冷卻水流速較快，加熱溫度又不是太高時(shí)，逆流進(jìn)水（即冷卻水上進(jìn)下出）的冷凝管冷凝回流成效比并流進(jìn)水（即冷卻水下進(jìn)上出）的冷凝管好。因?yàn)檫@時(shí)出水口的溫度都是比較低的，液體蒸發(fā)的速度比較小，蒸氣回流所形成的液膜厚度就比較小，冷凝液膜的下落大體上都仍是以層流的形式，熱氣與冷水進(jìn)行熱互換的熱阻就較小，同時(shí)液體流動(dòng)的阻力也較小，整個(gè)冷凝回流成效由熱互換進(jìn)程決定，大體適合“逆流原理”。而一旦冷卻水流速減慢，加熱溫度升高致使蒸氣的流速加速，蒸氣回流所形成的

12、液膜厚度就較厚，逆流進(jìn)水的冷凝管內(nèi)管乃至能看到內(nèi)管被液膜堵塞又被蒸氣沖開(kāi)的進(jìn)程，那個(gè)時(shí)候整個(gè)冷凝回流成效就由冷凝液膜的厚度決定，液膜越厚，熱互換的熱阻就越大，液體流動(dòng)的阻力也越大，冷凝回流成效就越差。關(guān)于并流進(jìn)水的冷凝管來(lái)講，由于是熱氣要緊集中在冷凝管的下端冷水入口處冷凝，冷凝后液體直接流入蒸儲(chǔ)燒瓶中，回流液體所形成液膜的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于逆流進(jìn)水的冷凝管，自然冷凝回流成效也就好些。為了增強(qiáng)冷凝回流成效，實(shí)驗(yàn)室中往往還會(huì)選擇蛇型冷凝管或球型冷凝管，這時(shí)的冷卻水水流方向又應(yīng)該如何選擇呢？其實(shí)，改用蛇型冷凝管和球型冷凝管都是為了增加冷卻水和熱氣的接觸時(shí)刻，使它們的熱互換盡可能加倍充分些，但由于冷凝管的內(nèi)

13、壁再也不是滑膩的圓柱面，因此冷凝液膜比起直型冷凝管來(lái)講要厚的多，冷凝液膜的下落也再也不是簡(jiǎn)單的層流，而會(huì)更多的伴隨湍流，因此整體來(lái)講，要想提高冷凝回流的效率，仍是得設(shè)法減小液膜的厚度，因此關(guān)于蛇型冷凝管和球型冷凝管而言，在做冷凝回流實(shí)驗(yàn)時(shí)，一樣冷卻水都是選擇下進(jìn)上出的并流進(jìn)水方式。一樣道理，咱們也能夠?qū)ｉT(mén)好的說(shuō)明，在蒸儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，冷凝管的冷卻水始終是采納下進(jìn)上出的逆流流向，因?yàn)檫@時(shí)不僅熱互換效率高，同時(shí)也是形成冷凝液膜厚度最小的方式。4 .結(jié)論綜上所述，關(guān)于不易形成液膜的冷凝回流實(shí)驗(yàn)來(lái)講，能夠選擇逆流進(jìn)水。而關(guān)于大多數(shù)冷凝回流實(shí)驗(yàn)來(lái)講，都能夠選擇并流進(jìn)水，以盡可能減小冷卻水的流速，節(jié)約用水；另外從進(jìn)水操作來(lái)講并流進(jìn)水比逆流進(jìn)水也略微簡(jiǎn)單些、易于操縱；同時(shí)也可保證冷凝回流的成效。而關(guān)于蒸儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)來(lái)講，冷卻水的流向始終都應(yīng)該選擇下進(jìn)上出的逆流流向。參考文獻(xiàn)：1,嚴(yán)平.對(duì)蒸儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作兩個(gè)問(wèn)題的分析.化學(xué)教育，2006.(4):552,薛春蘭,冷凝管中冷卻水流向問(wèn)題的試探與分析一一由一個(gè)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題提及,化學(xué)教育，2001.(78):88-893,薛春蘭,冷凝管中冷卻水流向問(wèn)題的試探與分析一一由一個(gè)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題提