1、杭州市化學會2006年年會論文冷凝管中冷卻水流向問題再研究章哲承（杭州二中310053）論文摘要：水冷凝管常經(jīng)常使用在蒸儲和冷凝回流實驗中，其中冷卻水的流向問題常常存在著爭辯，究竟是選擇“下進上出”，仍是選擇“上進下出”？本文試著通過實驗進行對照冷卻水流向不同的冷凝回流成效，并從理論角度進行了分析論證，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、回流圖1蒸儲實驗裝置1 .問題的提出冷凝管在化學實驗中常經(jīng)常使用于蒸儲和冷凝回流實驗中。關(guān)于蒸儲實驗中，實驗裝置如圖1所示，冷卻水的流向問題人們一樣都可不能有異議，都是采納下進上出的流向10但在回流實驗中，人們關(guān)于冷卻水

2、的流向問題卻有著不同的觀點，有人以為是采納下進上出流向比較自然、合理2;但也有人以為是上進下出流向，利用了逆流原理進行熱互換冷凝成效更好30但在大學有機化學實驗教材上多數(shù)極少明確指出，冷凝回流實驗冷卻水究竟是該從上口進仍是應(yīng)該從下口進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題6。因此本文試著從實驗的角度對照二種冷卻水流向的回流成效。2 .實驗部份2.1 實驗儀器、裝置和試劑儀器：78HW-1恒溫加熱磁力攪拌器、直型水冷凝管（標準磨口）、50mL蒸儲燒瓶（磨口）、50mL量筒、秒表、100c溫度計、200c溫度計、鐵架臺、乳膠管試劑：無水乙醇、丙酮（分析純）、液體石蠟、沸

3、石2.2 實驗方式和步驟本實驗通過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離進行冷凝回流實驗，通過測定冷卻水出水口溫度和回流液剩余體積等參數(shù)對回流成效進行了測定。實驗裝置如圖2所示。圖2回流對比實驗裝置2.3 實驗結(jié)果表1回流丙酮的實驗情況實驗步驟冷卻水流向冷卻水流速(mL/s)水浴溫度(C)回流時間(min.)出水口溫度(C)回流液剩余體積(mL)回流百分率(%)上進下出96下進上出8060上進下出84下進上出12060上進下出64下進上出1306084上進下出46下進上出14030863 .分析與討論本實驗的目的是對照二種冷卻水流向?qū)淠亓鞒尚У淖璧K，因此力求排除其它

4、因素對實驗的干擾。采納操縱相同的冷卻水流速的和同時采納同一個水(油)浴加熱裝置加熱。但在實驗初期操縱冷卻水水流速度的時候發(fā)覺，采納從下口進水的方式，冷卻水很容易充滿冷凝管，但采納從上口進水的方式要想充滿整個冷凝管往往需要將冷凝管拿下來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上。實驗最初選用無水乙醇作為回流試劑，可是當操縱水流速度為3mL/s,水浴溫度為90C時，回流60分鐘，冷卻水不論是采納上進下出仍是下進上出，最后的出水口溫度都沒有明顯不同，最后的回流液體積均為（因為是趁熱測量，應(yīng)該是熱脹冷縮的緣故）。故后續(xù)實驗均采納沸點更低、黏度更小的丙酮作為回流試劑。咱們發(fā)覺，當冷卻水流速較

5、快時（3mL/s）,水浴溫度為80c時，從出水口溫度看，冷卻水采納上進下出的為C,下進上出的為C,說明上進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，從上口進的裝置加熱60分鐘后后還剩余，回流百分率為96%,而下口進冷水的蒸儲燒瓶中只剩余，回流百分率為。當冷卻水流速不變，改用液體石蠟作油浴加熱，溫度升高到120C時，仍是從上進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百分點降至相差個百分點。但當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，情形顯現(xiàn)了轉(zhuǎn)變。這時由于冷卻水的流速在減小，油浴的

6、溫度又進一步升高，致使出水口的溫度也都升高，進出水口的溫差乃至超過了10C,這種情形下，反而是冷卻水下進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20個百分點。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,這時蒸儲燒瓶中的丙酮沸騰超級猛烈，蒸氣的速度超級快，在冷卻水上進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，冷卻水下進上出的冷凝管的回流高度也大體達到了出水口位置，在加熱30分鐘后，冷卻水上進下出的冷凝管回流

7、百分率僅為46%,而冷卻水下進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40個百分點。什么緣故改變冷卻水流速和升高加熱溫度會導致不同的實驗結(jié)果？本文試著借助于化工原理進行分析。依照化工原理，冷凝回流進程其實既包括了傳熱的進程也包括了流體流動進程。在冷凝回流實驗中，若冷凝管套管中的冷卻水自上而下流動，內(nèi)管中的蒸氣自下而上流動，在流動進程中進行熱量傳遞，使蒸氣全數(shù)冷凝并冷卻下來。這種流動方向相反的二種物質(zhì)所進行的傳熱進程，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1、2別離表示它們進出

8、冷凝管的溫度，并用表示流動方向，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，因此傳熱推動力必需用平均推動力，即對數(shù)平均溫度差A(yù)tm表示，其表達式為：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。當傳熱系數(shù)K、傳熱面積A不變時，對數(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)都會大于Atm(并)，這也確實是通常所說的“逆流原理”，即在一樣的進、出口溫度條件下，逆流的傳熱溫差比并流的大。因此當換熱器中傳熱速度和傳熱系數(shù)都相同時，采納逆流流動所需的傳熱面積比并流的小70由此很多人以為，在冷凝回流實驗中也應(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“逆流原理”一樣僅僅適用于無相轉(zhuǎn)變的熱互換進程。而關(guān)于冷凝回流實驗還存在蒸氣冷凝成為液體的進程，如此就會伴隨著流體在內(nèi)管流動的進程。在冷凝回流實驗

10、中的蒸氣冷凝一樣都屬于膜狀冷凝，即冷凝液能夠潤濕壁面，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行，即蒸氣冷凝放出的潛熱只有通過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)于逆向流動的熱蒸氣來講一樣流速越快，液膜就越厚，但假設(shè)蒸氣流速過快又會吹散冷凝所形成的液膜，會致使液膜厚度變薄。圖5液膜流動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，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進展成為湍流（也有資料稱為“紊流”），如圖5所示，大大增加了液體流動的阻力8o由此，咱們就能夠夠說明什么緣故在冷凝回流實驗中當冷卻水流速較快，加熱溫度又不是太高時，逆流進水（即冷卻水上進下出）的冷凝管冷凝回流成效比并流進水（即冷卻水下進上出）的冷凝管好。因為這時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，熱氣與冷水進行熱互換的熱阻就較小，同時液體流動的阻力也較小，整個冷凝回流成效由熱互換進程決定，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的進程，那個時候整個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，液體流動的阻力也越大，冷凝回流成效就越差。關(guān)于并流進水的冷凝管來講，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燒瓶中，回流液體所形成液膜的厚度遠遠小于逆流進水的冷凝管，自然冷凝回流成效也就好些。為了增強冷凝回流成效，實驗室中往往還會選擇蛇型冷凝管或球型冷凝管，這時的冷卻水水流方向又應(yīng)該如何選擇呢？其實，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講要厚的多，冷凝液膜的下落也再也不是簡單的層流，而會更多的伴隨湍流，因此整體來講，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，在做冷凝回流實驗時，一樣冷卻水都是選擇下進上出的并流進水方式。一樣道理，咱們也能夠?qū)ｉT好的說明，在蒸儲實驗中，冷凝管的冷卻水始終是采納下進上出的逆流流向，因為這時不僅熱互換效率高，同時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驗來講，能夠選擇逆流進水。而關(guān)于大多數(shù)冷凝回流實驗來講，都能夠選擇并流進水，以盡可能減小冷卻水的流速，節(jié)約用水；另外從進水操作來講并流進水比逆流進水也略微簡單些、易于操縱；同時也可保證冷凝回流的成效。而關(guān)于蒸儲實驗來講，冷卻水的流向始終都應(yīng)該選擇下進上出的逆流流向。參考文獻：1,嚴平.對蒸儲實驗操作兩個問題的分析.化學教育，2006.(4):552,薛春蘭,冷凝管中冷卻水流向問題的試探與分析一一由一個實驗問題提及,化學教育，2001.(78):88-893,薛春蘭,冷凝管中冷卻水流向問題的試探與分析一一由一個實驗問題提