传递过程原理实验指导书(正式版)概论

1、卖歌恭导书与报告专业 班级学号 姓名中南大学冶金学院基础教学实验室学生在实验前，必须预习有关实验指导书与报告的相关内容。实验中仅 仅能够按规定完成实验步骤操作是远远不够的，还必须针对实验指导书成果 要求及分析讨论题，查阅有关参考书，深入地进行实验探索，认真分析与思 考。每项实验的“实验分析与讨论的内容”，按其涉及知识面的广度和深度 分为必做与选做两类，带者为选做内容。24（一）流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定（二）雷诺实验（三）传热系数K和给热系数。的测定流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定一.实验目的1 .掌握测定物料干燥速率曲线的工程意义；2 .熟悉实验干燥设备的流程、工作及实

2、验组织方法；3 .了解影响干燥速率曲线的因素。二.基本原理干燥原理是利用加热的方法使水分或其它溶剂从湿物料中汽化，除去固 体物料中湿分的操作。干燥的目的是使物料便于运输、贮藏、保质和加工利 用。本实验的干燥过程属于对流干燥，其原理见图1。图1热空气与物料间的传热与传质 .传热过程热气流将热能传至物料，再由表面传至物料的内部。 .传质过程水分从物料内部以液态或气态扩散透过物料层而达到表面, 再通过物料表面的气膜扩散到热气流的主体。由此可见，干燥操作具有热质 同时传递的特征。为了使水气离开物料表面，热气流中的水气分压应小于物 料表面的水气分压。2.1 干燥速率曲线测定的意义对于设计型问题而言，已知

3、生产条件要求每小时必须除去若干千克水， 若先已知干燥速率，即可确定干燥面积，大致估计设备的大小；对操作型问 题而言，已知干燥面积，湿物料在干燥器内停留时间一定，若先已知干燥速 率，即可确定除掉了多少千克水；对于节能问题而言，干燥时间越长，不一 定物料越干燥，物料存在着平衡含水率，能量的合理利用是降低成本的关键， 以上三方面均须先已知干燥速率。因此学会测定干燥速率曲线的方法具有重 要意义。2.2 干燥曲线和干燥速率曲线的关系含水率X：单位干物料Gc中所带的水分量Ww定义：x=（kg水/kg干）（1）Gc含水率随时间的变化作图，见图2：干燥过程分为三个阶段：【.物料预热阶段；I【.恒速干燥阶段；W

4、.降速干燥阶段。干燥速率Na的定义有二种表示：（一）.单位时间单位面积汽化的水量HU zdW即：N A=(kg 水 / m . s)T时间图2：干燥曲线图(二).单位干物料在单位时间内所汽化的水量z/U7即：Na = (kg 水/kg 干.s)(3)(2)式定义中，由于干燥面积的定量难以实验测定，故本实验以(3)式定 义作为实验依据.对(1)式求导得：dW=-GcdX(4)ydW dX心所以， Na = = - (5)Gedr dr就是说，在干燥曲线图中含水率随时间变化曲线上的任何一点切线的斜率值即为干燥速率值，将这些斜率的变化值对应于含水率作图即为干燥速率曲线图，见图3。每隔一段时间读取湿物

5、料的重量，然后将湿物料重NA干燥速率四.实验步骤(1)在实验操作前从加水斗加入220300ml水，系统同时通入常温空气， 使加入的水充分均匀地分散在硅胶表面，(这一步由准备老师完成)。(2)按下变频器RUN,通过旁路阀10调节流量至14-18m3/h任何一恒定 值。(3)待空气进口温度计读数为95c时，关闭旁路放空阀4,使热空气进入 系统。(4)仔细观察进口温度与床层温度的变化，待床层温度升至40c ,即开 始取第一个样品，此时的时间设定为0。(5)按照原始数据的时间间隔取样，总共采集1476组数据。五.实验结果讨论和分析六.思考题1、根据干燥曲线图分析不同床层温度区间物料的干燥阶段以及物料温

6、度、 含水率及时间之间的变化关系；2、在干燥曲线图上读出临界含水率，并从实验结果分析进口温度高低对临界含水率的影响;3、对于指定的物料，若改变物料湿度、热空气进口温度、流速，得到的干燥曲线或干燥速率曲线会有哪些变化？4、需要满足哪些条件，本实验测得的干燥速率曲线可以放大到工业装置之中？装置号：:塔径：床层高度：烘干温度： ：物料: 物料尺寸：空气相对湿度：空气流量：室温：No.时间间隔 min床层温度 9c空瓶重 g空瓶+湿物 g空瓶+干物 g空气进口 温度空气出口温傻C1023334555610710810910101511121314七.过程运算表和结果图No.时间间隔 min床层温度 9

7、c水分 g干物 g含水率X102kg 水/kg干燥速率X10*g 水/kg干物x min热效率 %123456789101112131424雷诺实验一、实验目的要求1 .观察层流、紊流的流态及其转换特征；2 .测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则；3 .学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解 其实用意义。二、实验装置本实验的装置如图5.1所示。图5.1自循环雷诺实验装置图1 .自循环供水器；2.实验价；3.可控硅无级调速器：4,恒压水箱：5.有色水 水管；6.稳水孔板；7.溢流板：8.实验管道；9.实验流量调节阀。供水流量111无级调速器调控使恒压水箱4始终保持微溢流的程度

8、，以 提高进口前水体稳定度。本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间 缩短到3-5分钟。有色水经有色水水管5注入实验管道8,可据有色水散 开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用 色水。三、实验原理6=史=卫_ = K0;K =-v ndvndv四、实验方法与步骤1 .测记本实验的有关常数。2 .观察两种流态。打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9,并 注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动观察 管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层 流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀

9、，观 察由紊流转变为层流的水力特征。3 .测定下临界雷诺数。（1）将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态;（2）待管中出现临界状态时，用体积法或电测法测定流量；（3）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2320）比较，偏离过 大，需重测；（4）重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不 少于三次；（5）同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。注意：a、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；b、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；c、随出水流量减小，应适当调小开关（右旋），以减小溢流

10、量引发的扰 动。4 .测定上临界雷诺数。逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开 时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数12次。五、实验成果及要求1 .记录、计算有关常数：实验装置台号N。管径d=cm, 水温t=运动粘度0.017751 +0.0337/+ 0.0()0221/2cm2 Is计算常数 K=s/cm32 .整理、记录计算表表5.1实验 次序颜色水 线 形态水体积V（cm3）时间 T(s)流量 Q(cm3/s)雷诺数Re阀门开 度增 或 减（1）备注实测下临界雷诺数（平均值）注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续,完全散开等。六、实验分

11、析与讨论1.流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速?3 .为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？4 .雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320,而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺言数为多少?5 .试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在?6 .分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？传热系数K和给热系数a的测定一,实验目的1 . 了解间壁式传热元件的研究和给热系数测定的实验组织方法;2 .掌握借助于热电偶测量壁温的方法；3 .学会给热系数测定的试验数据处理方法；4 . 了解影响给热系数的因素和

12、强化传热的途径。二.基本原理1 .传热系数K的理论研究a h在工业生产和科学研究中经常采用间壁式换热装置来达到物料的冷却和加热。这种传热过程系冷、热流体图传热过程示意图通过固体壁面进行热量交换。它是由热流体对固体壁面的对流给热，固体壁面的热传导和固体对冷流体的对流给热三个传热过程所组成。如图1所示。山传热速率方程知，单位时间所传递的热量Q= KAlj -1)(1)而对流给热所传递的热量，对于冷、热流体均可由牛顿冷却定律表示Q=%4(T-g)(2)或Q=a(.Ac(tw2 -t)<3)对固体壁面由热传导所传递的热量，则由傅立叶定律表示为Q=-。2）O由热量平衡和忽略热损失，可将（2）、（3

13、）、（4）式写成如下等式Jf-%,%-二三（5）所以1611ahAh AAma AKAK = /（4，/9, ,0川，4，1，45，22，2，。02,4，“2）=/（6,2,5）（7）从上式可知，除固体的导热系数和壁厚对传热过程的传热性能有影响 外，影响传热过程的参数还有12个，这不利于对传热过程作整体研究。根 据因次分析方法和五定理，热量传递范畴基本因次有四个：, 壁面的导热热阻与对流给热热阻相比可以忽略Kf（aa2）（8）要研究上式的因果关系，尚有元=13-4=9个无因次数群，即由正交网络法每 个水平变化10次，实验工作量将有108次实验，为了解决如此无法想象的实 验工作量，过程分解和过程

14、合成法由此诞生。该方法的基本处理过程是将（7） 式研究的对象分解成两个子过程如（8）式所示，分别对%,巴进行研究，之后 再将名。2合并，总体分析对K的影响，这有利于了解影响传热系数的因素 和强化传热的途径。当>>%时，Kia?,反之当时，K % %。欲提高K设法强 化给热系数小的一侧。，由于设备结构和流体已定，从(9)式可知，只要温度 变化不大，%只随为而变，4 =/(4，%，8，M，Cpi，4)改变为的简单方法是改变阀门的开度，这就是实验研究的操作变量。同 时它提示了欲提高K只要强化。小的那侧流体的u。而流体u的提高有两种 方法：(1)增加流体的流量；(2)在流体通道中设置绕流内

15、构件，导致强化给热系数。由(9)式，n定理告诉我们，兀=7 4 = 3个无因次数群，即：%=/(4,%，m，j，4)=> 字=/(如，亨(10)经无因次处理，得：Nu = ao Rez, Prf(11)如果温度对流体特性影响不大的系统，并且温度变化范围不大，则式(11)可改写为：Nit = a Re"式中：a = ao Pr' «2.传热系数K和a的实验测定实验装置的建立依据如下热量衡算式和传热速率方程式，它是将(5)和(6)式联立，则KA A tn尸 Wc P cCpc(t2-t|)其中国 一右厂，)In jT-t)(12)(13)K4cm.9一6)AAM”

16、(14)其中：公皿上一%）一（*下一。）1nlT(15)4h_（1?上）（1 二下）(16)-若实验物系选定水与水蒸汽，山（8）、（9）式告诉我们,实验装置中需要确定 的参数和安装的仪表有:山换热器的结构参数而定;Wc测冷流体的流量计;tl、t2测冷流体的进、出口温度计;T、P测热流体的温度计，蒸汽压力:Cpc由冷流体的进、出口平均温度决定;%、*下一由热电偶温度计测定。将以上仪表、换热器、气源、及管件阀门等部件组建成如下实验装置图。三.实验装置图四.实验步骤液位计1 .先开蒸汽加热开关，再开气源和空气转子流量计。2 .打开不凝性气体放气阀，“开-关”重复三次。3 .整个实验操作控制蒸汽压力恒

17、定在0.05Mpa以下某一刻度，改变唯一操作变量即空气转子流量计阀门开度，达到改变流速的目的。4 .实验布点采用小流量和打流量分别布点集中原则，因为是直线原因。5 .待冷流体出口温度显示值保持5min以上不变时方可同时采集实验数 据。6 .实验结束时，先关蒸汽进口调节阀，保持空气继续流动lOmin,以足够 冷却壁温，保护热电偶接促正常。7 .上机数据处理的直线相关系数要求R20.93,否则，实验重做。五.原始数据记录1） 一次性原始数据装置号：，d 外=19mm ,3= L5mm , L= 1.3 m ,2.原始数据表序 号蒸汽蒸汽冷流体冷流体冷流体下端上端压力温度流量进口出口壁温壁温MpaT

18、 Vc m'/htl t2 tm F tm t C12345六.计算七.过程运算表序 号冷流体 流量Vc nf/h热 负荷 QxlO4 kj/h传热 系数KxlO4 kj/m2hta hX10 4 kj/in2h a cXlO 4 kj/m2h CRe xlO-4PrNucNu12345八.作图法关联曲线方程Nu / Py = aR：(17)取对数用作图法待定上式函数中的常数“和人 方法如下：以直线为斜边，作直角三角形，该三角形的高与该三角形底边之比(长度比) 的值，即为此函数的指数b：然后在直线上读得一点坐标，将该坐标待入式 (17),可求得常数九.实验结果讨论与分析1、从理论及经验公式可知：