食品工程原理实验指导书(1).doc

实验一 柏努利方程实验一、实验目的：1、熟悉流体的流速、流量、点速度、雷诺准数和压头等有关概念。2、了解流动流体中各种能量及其相互转换关系，掌握柏努利方程。二、实验原理 当流体稳态流动时，所具有的各种机械能的守恒及相互转化关系服从柏努利方程，对于每千克不可压缩的流体，柏努利方程可写成： （1）式中分别为每千克流体所具有的位能、静压能及动能，单位为J/kg，为克服流体流动时阻力而消耗的能量，单位与上述各项的单位相同。 上式又可改写成： （2）式中各项的单位为(米流体柱)，工程上一般称为压头，称为位压头; 称为动压头； 称为静压头；则称为压头损失。它们的物理意义是指该项能量可将1kg该流体克服其重力而提升的高度。 如果流体为理想流体， = 0，则柏努利方程表示流体流经的任一截面上的机械能之和相等。 对于实际流体0，则各截面的机械能之和必随流过距离的增加而减小，之间的差值即为阻力损失压头。 实际流体流动过程中的各种阻力均与流速有关，如果忽略流速对阻力系数的影响，当雷诺准数值较大时，摩擦阻力损失与流速的平方成正比，即：三、实验装置：实验装置如图所示。1.2.3测压管 4计量槽 5高位水槽 6溢流堰 7活动摆头实验设备由玻璃管、测压管、活动测压头、高位水槽等组成。活动测压头的小管端部封闭，管身开有小孔，小孔位置与玻璃管中心线平齐，小管又与测压管相通，转动活动测压头手柄，就可以分别测量静压头或静压头与动压头之和（化工原理实验室的活动摆头为夹子控制）。管路分成三段，由两种内径不同玻璃管连接而成。管段E的内径约为( )mm，其余部分的内径约为( )mm。阀A供调节流量之用。四、实验方法：1流体静止时各点静压头的测定开启水龙头阀门，并将流量调节阀A全闭，待高位槽水位稳定(溢流管有水溢流回水箱)时，排除测压管及试管内的气体，可利用上方的排气管吹气撞击使气体逸出。如果伯努利试管大管径上部有气体，则可打开其最高处的排气管排除。转动手柄，先使测压孔正对水流方向，记录各测压管的液柱高度；再转动手柄，使测压孔与水流方向垂直，记录各测压管的液柱高度。（注：化工原理实验室主要通过不同测压管来记录，观察测压口是否正对水流方向来区分，正对水流方向的测压管第种情况，测压口与水流方向垂直为第种情况。）2小流量时流量与各压头的测定半开阀门A，待水流稳定(溢流管有水溢流回水箱)后，分别观察并记录测压管的液柱高度。用量筒在出口处收集约1000mL流体，并用秒表准确记录收集时间，测定流量。3大流量时流量及各压头的测定全开阀门A，待水流稳定(溢流管有水溢流回水箱)后，用和小流量相同的方法进行大流量时流量及各压头的测定。关闭水龙头阀门，待高位糟内水全部流完后，关闭阀门A，实验结束。五、实验记录：1流体静止时各点静压头的测定测量次数充水量V/(m3)时间t/(s)体积流量qv/(m3/s)测压管组测压管组测压管组静压头总压头动压头静压头总压头动压头静压头总压头动压头六、实验结果处理：l. 流量及流速的计算： 流量= 收集水量/所需时间 平均流速u = 流量/管道截面积2. 动压头的计算动压头 = 测压孔正对水流方向的液位 测压孔垂直水流方向的液位3. 最大点速度的计算求得某段在某一流量下的动压头，可按下式得出该处在一定流量下的最大点速度umax。4. 不同流速下的阻力损失及其比值阻力损失为不同位置的液位之差（测压孔位于同一方向）。并比较大/小是否与u2大/u2小是否近似相等。七、实验结果讨论： 测压管中的水柱高度表示的是绝对压力还是表压力？ 如果管中任何地方有残存的气泡将会对测量压力带来什么影响？ 从所绘制的水头曲线来看能否说明能量守恒定律？ 你对该实验有何评价和建议？实验二 雷诺实验一、实验目的：1、熟悉雷诺装置的结构和工作原理。2、观察并验证流体流动的状态。二、实验任务：1、通过调节流速，得出层流、过渡流和湍流。2、测量流体的流速和其它物性参数，计算临界雷诺数，并和理论值进行比较。三、实验原理：雷诺曾做过实验，得到流体的流动状态分为层流、过渡流和湍流三种。另外，流动状态和流体流速、密度、粘度、管径有关，并因此得到一个准数雷诺数。经过总结，得到流体的流动状态只同雷诺数的大小有关，雷诺数小，则为层流，雷诺数大则为湍流。由层流变为湍流所对应的雷诺数，称为上临界雷诺数，约为400012000之间，工程上常用3000，一般大于此值可确定为湍流。由湍流变为层流所对应的雷诺数称为下临界雷诺数，约为2000左右，小于此值可定为层流。上、下临界雷诺数之间的流动状态为过渡流，由于过渡流不稳定，稍有干扰，就变为湍流，所以有时把它看成为湍流的延伸部分。由于Re和四个参数有关，通过改变这些参数来改变Re值，从而改变流体的流动状态。四、实验装置五、实验内容1、准备好管子、红墨水、桶、量筒等辅助材料，把红墨水充满漏斗。2、将水充入设备内，让水面达到预定高度并稳定，多余的水由溢水管排出。3、打开流水管阀门，让水由管子流动，同时打开漏斗让红墨水从漏斗底部流出，并随水流动。4、调节水的流速，利用红墨水的流动状态，观察不同的水的流动情况。5、认真耐心的调节上下临界点，从转子流量计中读取流量数值，结合其它参数，计算对应雷诺数，并和理论值进行比较。6、实验完毕，关闭进水管，关闭漏斗，关闭出水管。最后一组实验，将装置内的水放尽。六、注意事项1、做实验时要小心，以免碰坏漏斗、量筒等易损品。2、调节流速时，要手扶管子或阀门，不要硬掰，进行实验时要有耐心。3、由于液体流动易受外界干扰，观察现象时，尽可能保持安静。七、实验报告水温： 水的密度： 水的粘度： 管内径： 管截面积： 管长L ： 实验记录表序号流型转子流量计读数流速Re（实测）注：必须有上、下临界状态的参数。八、思考题 为什么称临界雷诺数为判别流态的准数？你的实测值与标准值是否接近？ 你能够分析影响雷诺数大小的因素吗？ 你认为这种测量水的绝对黏度系数和运动黏度系数的方法是否准确可靠？ 你对该实验有何评价和改进意见？实验三 流体流动阻力的测定一、实验目的1、 掌握流体流动阻力的测定方法。2、 测定流体流过直管时的摩擦阻力，并确定摩擦系数与雷诺数 Re 的关系。3、 测定流体流过管体（本实验为光滑直管、螺纹直管及弯头的局部阻力)，并求出阻力系数。二、实验原理流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。流体在直管中流动的机械能损失称为直管阻力;而流体通过阀门、管件等部件时，因流动方向或流动截面的突然改变导致的机械能损失称为局部阻力。在化工过程设计中，流体流动阻力的测定或计算，对于确定流体输送所需推动力的大小，例如泵的功率、液位或压筹，选择话当的输送条件都有不可或缺的作用。1、直管阻力（包括光滑直管与螺纹直管）流体在水平的均匀管道中稳定流动时，由截面1流动至截面2的阻力损失表现为压力的降低，即则直管阻力摩擦系数可写成：由 得：式中：因克服磨擦阻力而引起的压力降，kPa；磨擦因数，无因次；l管长，m；d管径，m；流体密度，kg/m3；体积流量，m3/s。其中l、d为装置参数 ， 、通过测定流体温度，再查有关手册而得， 为仪表读取的流体流量。滞流(层流)时，64Re；湍流时是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数，须由实验确定。实验时测出某一流量下的压力降，即可计算出此时的和Re；改变流量进行实验，即可求得一系列和Re值，从而得到-Re关系。2、局部阻力（90弯头）根据阻力系数法，流体通过某一管件或阀门时的机械能损失可表示为流体在管内流动时平均动能的某一倍数，即：因此 由 得：式中 局部阻力系数，无因次；局部阻力引起的压降，kPa。三、实验装置实验装置流程图：四、实验步骤1、光滑直管：1)关闭所有阀门，打开仪表电源，打开泵开关，检查泵转动方向是否正确。2)打开光滑管道的闸阀至最大开度，接着打开光滑管道两直管测压点分别与直管和弯头压差传感器连接。3)打开压差传感器上的排气开关，进行排气操作至管内无气泡存在。重复上述操作三次。4)排气后，开始测量，测量时取7个不同流量值进行测量，调节流量变化在0.53.5L/s范围内，注意每次最好取相同的变化值，以保证数据具有较好的变化规律。5)实验结束时，先关闭测压点开关，再关闭红色闸阀，等流量指示仪表上显示为零时，再按下仪表箱上泵的红色“关”按钮，接着切断仪表箱电源开关。2、90弯头：操作步骤与直管相似，通过显示仪表上的（直管/弯头）按钮切换，获得弯头所需压差数值。注：光滑管道实验设备参数：直管内径d=40mm；1-1/2直管的测压点距离L=2m；计量槽底截面为515 mm315mm。3、螺旋直管：1)关闭所有阀门，打开仪表电源，打开泵开关，检查泵转动方向是否正确。2)打开螺旋管道的闸阀至最大开度，同时关闭光滑管闸阀，接着打开螺旋管道两直管测压点开关，与压差传感器连接。3)打开压差传感器上的排气开关，进行排气操作至管内无气泡存在。重复上述操作三次。4)排气后，开始测量，测量时取6个不同流量值进行测量，调节流量变化在0.31.7L/s范围内，注意每次最好取相同的变化值，以保证数据具有较好的变化规律。5)实验结束时，先关闭测压点开关，再关闭红色闸阀，等流量指示仪表上显示为零时，再按下仪表箱上泵的红色“关”按钮，接着切断仪表箱电源开关。注：螺纹管道实验设备参数：螺纹管内径d=18mm；管道直径d0=21.25mm；螺纹管的测压点距离L=2m；计量槽底截面为515 mm315mm。实验注意事项：排气泡每完成1次时，要先关闭测压点开关，再关闭闸阀，以避免空气再次进入测压管道，影响压差值稳定性与准确性。最后一次无需进行此操作。实验过程，严格按实验步骤进行实验，并注意用水与用电安全。五、实验数据记录与结果分析1、光滑直管实验数据与结果分析序号蜗轮流量（m3/s）直管压差(KPa)雷诺数Re摩擦系数备注根据光滑管和螺旋管实验数据结果，标绘出Re曲线，并讨论分析数据结果。六、思考题1倒U 型压差计排气时，是否一定要关闭阻力流量调节阀?为什么?2如何检验测试系统内的空气已经被排除干净?3如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？4在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的Re数据能否关联在同一条曲线上?5如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?6.以水做介质所测得的Re 关系能否适用于其它流体?如何应用?7.压差计上的平衡阀起什么作用？它在什么情况下是开着的，又在什么情况下是关闭的？实验四 离心泵性能曲线一、实验目的1、 了解离心泵的特性；2、 学习离心泵特性曲线的测定方法；3、 学习离心泵操作方法和特性曲线的应用。二、实验原理泵是输送液体的机械，在选用泵时，必须要在满足一定流量时，具有足够的压头，而且还要有较高的效率。对于往复泵来说，通常只需要注意泵的流量即可。因为，对一台具体的往复泵来说，不改变转速流量是不会变的，同时流量改变时，泵的压头和效率是不受多大影响的。但是对于离心泵就不同了，因为：离心泵的流量，即使在转速一定时，通过调节出口阀，仍可使之在零与最大值之间变动；泵的流量变化时，泵的压头、拖动泵所消耗的功率以及泵的效率都会发生相应的变化，这种变化非常显著，但有其规律。 因此，为了能够正确的选择和使用离心泵，就必须掌握离心泵流量Q变化时，泵的压头H、功率N及效率的变化规律，也就是要查明离心泵的特性曲线，即在一定转速下的：压头流量曲线（HQ曲线）,功率流量曲线（NQ曲线）,效率流量曲线（Q曲线） 有了HQ曲线，可以预测在一定的管路系统中，这台离心泵的实际流量有多大，能否满足需要；有了NQ曲线，可以预测这种类型的离心泵在某一流量下运行时，拖动它要消耗多少能量，便于配置一台大小合适的动力设备；有了Q曲线，可以预测这台离心泵在某一流量下运行效率的高低，是离心泵能够在适宜的条件下运行，以发挥其最大功率。由于离心泵的特性曲线目前尚不能用解析方法进行计算，仅能通过实验来测定，因此，要求学生掌握测定离心泵性能曲线的测定方法。离心泵的特性与转速有关，因此特性曲线必须是在恒定转速下测定的。实际应用上，离心泵大多数是在恒定转速下运行的。因此，离心泵通常是用三相交流电动机的拖动的，三相交流电动机的转速是恒定的，因此，离心泵的特性曲线在恒定转速下测定。三、实验装置1马达；2可拆式弹性联轴节；3IR50-32-125型离心泵；4进口球阀；5水槽；6排水阀；7落水管；8摆头式出水管口；10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；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。 图1 实验装置流程示意图四、离心泵特性的测定1、送液能力（Q）的计算：通过涡轮流量传感器将装置中的流量Q传至流量指示仪，从仪表上读取该数据（注意单位换算！）。2、压头（扬程）的计算：如右图所示，在图中1、2两截面间列柏努利方程：由于两测点之间管路很短，摩擦阻力损失可以忽略不计。将两测点处管径看作一致，流速于是： 其中：H扬程或压头（m）；Z2、Z11、2两点高度 （m）；g重力加速度（m/s2）； 流体密度度（Kg/m3）；P2、P1测点压强（MPa）。 (m) (m)P2出口测点压力表示值（MPa）；h2见图1，（米）；Pa大气压强（m水柱）。 (m) (m)将、代入，并注意得： （m）3、功率（N）的计算：N是电动机传给泵的轴功率：功率表测得功率为电动机的输入功率，由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。电动机本身消耗一部分功率，视其效率为0.9167，所以：泵的轴功率（N）=0.9167N表4、效率（）的计算：泵的效率是泵有效功率与轴功率之比。有效功率是液体实际上自泵得到的功率。 （W）。式中：Q流量（m3/s）；H扬程（m）；送液液体密度（kg/m3）则：，其中取1000kg/m3。5、转速改变时的换算：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，应将实验结果换算为指定转速下的数值：； ； 式中：n1为离心泵额定转速，本实验所用离心机额定转速为2840rpm； n为实际转速（即为仪表上所读取数据）。五、实验步骤1、灌泵打开离心泵上方的灌泵阀，在灌泵时要适当挤压水槽跟泵之间的连接管以利于泵内部的气体排出，排气结束关闭灌泵阀。2、开泵接通电源前，检查各阀是否处于关闭状态，如均处于关闭状态（在启动离心泵时，主调节阀应关闭，如果主调节阀全开，会导致泵启动功率过大，从而可能引发烧泵现象），就可打开仪表电源，启动泵开关；3、启动泵35秒后，打开泵进口球阀4（蓝色开关），紧接着慢慢打开泵出口阀20（红色开关）至接近最大开度，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。4、通过调节泵出口阀开度以改变流量，从大到小测10组数据，并记录数据。5、关闭泵的出口阀，接着关闭泵进口球阀，再关闭泵开关及仪表电源，最后关闭电源开关，停机。注意： 1） 当没有完成灌泵时启动泵会发生气缚现象。 2） 当灌泵完成后，在出口阀全开的情况下启动泵会发生烧泵事故。六、实验数据记录与结果分析1、实验数据记录实验数据记录表序号流量（L/s）进口真空度（MPa）出口压力（MPa）转速(r/min)功率N表（W）轴功率N（Kw）有效功率Ne（Kw）扬程H（m）效率（%）流量Q（m3/h）3、根据实验数据分析表分别描绘成离心泵特性曲线图，即扬程（H）、效率（）、轴功率（N）与流量（Q）的曲线图。七、思考题1、启动离心泵前为什么要灌泵？2、开泵后用哪个阀门排气？3为什么泵入口真空度随流量增大而增大？为什么泵出口压力随流量增加而减小？4泵的操作中，先充水，关闭出口阀，然后启动的理论依据是什么？5. 为什么离心泵的有效压头He 随流量Q的增加而缓缓下降？6. 启动泵时，为什么要关闭出口阀？实验五 对流传热系数的测定一、实验目的1、学习总传热系数和对流传热系数的测定方法；2、用测定的对流传热数据，检验对流传热准数关联式；3、验证流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数的变化规律；4、通过做螺旋槽管实验，可以测定这种管子的对流传热系数的数值大小和变化规律；5、应用传热学的概念和原理去分析强化过程，通过两种管子的对比，了解传热强化的效果和强化途径；6、了解热电偶的使用、温度测量方法等。二、实验原理（一）空气在圆形直管中强制对流时的对流传热系数的测定：1、各种通用关联式的比较：流体在圆形（光滑）直管中作强制湍流时传热膜系数的变化规律可用下列一些准数式描述： （1）式中：努塞尔准数，；雷诺数，；普兰特准数， 其中，当液体被加热或气体被冷却时，m=0.4，当液体被冷却或气体被加热时m=0.3。适用范围是：（a）Re10000；（b）0.7Pr160 （c） 60 (d）低粘度的流体（2倍水粘度的流体)。计算各物理量的定性温度采用进、出口温度的算术平均值。当定性温度在5070时，Pr（空气）0.6980.694取平均0.696代入（1）式，得空气被加热时的准数式：Nu=0.023Re 0.8 (0.696)0.3 =0.0206Re 0.8 （2）米海耶夫曾提出对气体可用下式计算：Nu=0.018Re 0.8 （3）另外，在式（1）的适用范围内，也可采用下列进行计算： Nu=0.023Re0.8 Pr0.4 （4） 取Pr=0.696则Nu=0.0199Re0.8 （5）式（5）中，为温度修正系数，当气体被冷却时 t=1，此时式（4）与（1）式一致；当气体被加热时：，其中，定性温度（K）；管壁温度（K）。假设，代入式（5）得： （6）比较一下式（1）、（3）、（4）式，式（4）考虑较为周详，它既考虑热流方向的影响，又考虑到温差数值大小的影响。因此，我们的实验目的放在验证式（4）上面。但是对比（2）、（3）、（6）式可知，描述同一换热情况，三条式子之间相差达32%。而且三条式子都没有考虑管子内表面的粗糙度对传热的影响，（我们的螺旋槽实验正好证明管子表面情况对传热很有影响），这些事实是否可以表明：对流换热的影响因素较多，因而传热系数会有较大的波动，各家的式子仅在一定准确度范围内描述这一过程。2、准数式中各参数的测取和计算：空气侧对流传热系数的测取（的测取）： 可以通过测定总传热系数（K）进行测取。K与有下列关系： （7） 注：这里因是空气，故不计及污垢热阻。式（7）中： 为黄铜管壁传导的热阻，壁厚=0.001（米），黄铜导热系数=377W/(mK)，故=2.710-6。为蒸汽凝膜的热阻，因约为2104，故=510-5。空气传热膜系数在100上下，热阻 =110-2，对比之下，前两项热阻均可忽略，即 K的测定，可用牛顿冷却定律进行：热流量： (9) 由 （10）式（10）中：空气体积流量，（m3/s）（由流量计测取）流经流量计处的空气密度，（kg/m3）；Cp空气定压比热，（J/kgK）。按理，Cp应取湿空气，在管内压强下数值，但因湿空气比热略大于空气而密度则略小于空气，因此在式（10）中这两项影响基本抵消，同时常压附近压强对Cp影响甚微，所以Cp可取760mmHg下干空气的数值。t进, t出空气进、出口温度，（）；注：因为管壁很薄，故此处将圆筒壁看作平壁。图1实验流程图Am换热平均面积（m2）；（图1）本实验因主要热阻在空气一侧，故dm以取管内径为合理。对数平均温差（）。 （11）其中，T蒸汽温度（）。由于本装置有热电偶测量壁温（内管外壁温度），又因为铜管热阻很小，可以忽略传热管内处壁之间的温差，所以 也可以按（12）式计算： （12）A内换热段管子内表面积；以壁温计算的平均温差。Nu和Re的计算： （13）这里用下标m表示换热段内的数值，因为质量流量处处相等，故。d管内径，（m）；定性温度下，管内压强下的介质粘度，（NS/m2即帕秒）。因常压附近，压强变化对气体粘度影响甚微，故可取压强为760mmHg时的数值。努塞尔准数按下式计算： （14）式（14）中：这里是指空气的导数系数（W/m）应取定性温度下，换热管内压强下的数值，但因常压强附近压变化对影响很小，故可取1个大气压下的数值。流量测量和密度的计算：由 ，其中是流量系数，出厂试验时给定，则质量流量为： （15） 式（15）中：为流量计指示仪表（压差计）示值（Pa）；密度的计算可按理想气体定律进行： （16）式中：Pa大气压强（Pa），可取当地全年平均大气压强计算；Rp流量计前端被测介质表压强，（kPa）；t流量计前介质温度（）可取t=t进。温度测量：本装置装有热电偶测量温度。热电偶出厂时经过检验，误差约为0.2。三、实验装置实验装置图1、风机；2、流量计；3、调节阀；4、蒸汽套管；5、视镜；6、温度计；7、热电偶；8、安全阀；9、压力表；10、压差计；11、蒸汽阀；12、放气考克；13、疏水器；14、热电偶转换开关；15、电位计；16、水瓶。实验装置由两套套管换热器组成，该图画出了其中一根长管，另一根的流程完全相同，仅内管改为螺旋槽管。四、实验方法及操作要点：本系统由计算机采集系统和传热系统组成。可以进行微机操作和非微机操作。传热系统实验操作：首先用蒸汽发生器加热产生蒸汽，打开光管侧风机，调节孔板流量计R值约为100左右，待进口温度t进稳定在35左右，蒸汽发生器停止加热，打开光管侧蒸汽进气阀，开始读取蒸汽温度T、t进、t出、t壁，孔板流量计R值及孔前表压Rp，将这些数据记录在实验记录表上，然后改变孔板流量R值约为200，再测取以上数据记录，大约做5组数据，然后打开蒸汽放气阀，让蒸汽发生器再次加热，直至其停止加热，同样再做5组数据，重复几次，将数据记录到实验记录表上，然后再计算整理结果。螺旋槽管与光管同样操作做一系列数据。计算机系统使用步骤：开动传热实验装置启动电脑双击桌面上的“传热实验”图标开始实验（用户按计算机提示操作并输入资料）计算机会要求用户输入以下资料：（1）实验者姓名（2）班级（3）实验日期（4）存储实验数据的文件名（年级，专业，班级，组别）。当用户输入上述资料后，实验开始。计算机便会自动引导学生进行实验，同时计算机实时显示各点数据及实验结果。数据存储：实验数据的实测数据存放在D盘，供学生使用，实验结束时“数据和处理结果”放在E盘，供老师批改作业用。如要保存传热曲线图，请先同时按CTRL+PRINT，然后打开画图板，点击“编辑”按钮，点击“粘贴”然后输入文件名保存（年级，专业，班级，组别）。实验操作要点：实验开始前，先熟悉配电箱各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮；1）. 检查蒸汽发生器中水位，使液位保持在 1/22/3；2）. 打开总电源开关及仪表开关；3）. 实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，接通蒸汽发生器的加热电源，打开排