1、食品工程原理实验讲义食品工程原理实验讲义实验一、雷诺实验一、 实验目的1.了解管内流体质点的运动方式，认识不同流 动形态的特点，掌握判别流型的准则。2.观察圆直管内流体作层流、过渡流、湍流的 流动型态。观察流体层流流动的速度分布。二、 实验内容1.以红墨水为示踪剂，观察圆直玻璃管内水 为工作流体时，流体作层流、过渡流、湍流时 的各种流动型态。2.观察流体在圆直玻璃管内作层流流动的速度分布。三、 实验装置实验装置流程如图1-1所示。图1-1雷诺实验装置1溢流管；2墨水瓶；3进水阀；4示踪剂 注入管5水箱；6水平玻璃管；7流量调节阀 实验管道有效长度：L = 600 mm外径:Do = 30 mm
2、 内径：Di = 24.5 mm孔板流量计孔板内径：do = 9.0 mm四、实验步骤1.实验前的准备工作(1)实验前应仔细调整示踪剂注入管 4的位 置，使其处于实验管道6的中心线上。(2)向红墨水储瓶 2中加入适量稀释过的 红墨水，作为实验用的示踪剂。(3)关闭流量调节阀7,打开进水阀3,使水 充满水槽并有一定的溢流，以保证水槽内 的液位恒定。(4)排除红墨水注入管4中的气泡，使红墨 水全部充满细管道中。2.雷诺实验过程(1)调节进水阀，维持尽可能小的溢流量。 轻轻打开阀门7,让水缓慢流过实验管道。(2)缓慢且适量地打开红墨水流量调节阀，即可看到当前水流量下实验管内水的流 动状况（层流流动如
3、图1-2所示）。用体 积法（秒表计量时间、量筒测量出水体积） 可测得水的流量并计算出雷诺准数。因进 水和溢流造成的震动，有时会使实验管道 中的红墨水流束偏离管的中心线或发生 不同程度的摆动；此时，可暂时关闭进水 阀3,过一会儿，即可看到红墨水流束会 重新回到实验管道的中心线。图1-2层流流动示意图（3）逐步增大进水阀3和流量调节阀7的开 度，在维持尽可能小的溢流量的情况下提高 实验管道中的水流量，观察实验管道内水的 流动状况（过渡流、湍流流动如图1-3所示）。 同时，用体积法测定流量并计算出雷诺准图1-3过渡流、湍流流动示意图3 流体在圆管内流动速度分布演示实验 首先将进口阀3打开，关闭流量调
4、节阀7。打开红墨水流量调节阀，使少量红 墨水流入不流动的实验管入口端。再突 然打开流量调节阀7,在实验管路中可 以清晰地看到红墨水流动所形成的，如 图1-4所示的速度分布。图1-4速度分布示意图4.实验结束时的操作(1)关闭红墨水流量调节阀，使红墨水停止流 动。(2)关闭进水阀3，使自来水停止流入水槽。(3)待实验管道冲洗干净，水中的红色消失时 关闭流量调节阀7。(4)若日后较长时间不用，请将装置内各处的 存水放净。五、注意事项做层流流动时，为了使层流状况能较快地形 成，而且能够保持稳定。第一，水槽的溢流应尽 可能的小。因为溢流大时，上水的流量也大，上 水和溢流两者造成的震动都比较大，影响实验
5、结 果。第二，应尽量不要人为地使实验装置产生任 何震动。为减小震动，若条件允许，可对实验架 进行固定。实验二、流体流动阻力测定实验一、 实验目的1. 学习直管摩擦阻力 Pf、直管摩擦系数的 测定方法。2.掌握不同流量下摩擦系数与雷诺数Re之 间关系及其变化规律。3.学习压差传感器测量压差，流量计测量流 量的方法。4.掌握对数坐标系的使用方法。二、 实验内容1测定既定管路内流体流动的摩擦阻力和 直管摩擦系数。2测定既定管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数Re之间关系曲线和关系式。三、 实验原理流体在圆直管内流动时，由于流体的具有粘性 和涡流的影响会产生摩擦阻力。流体在管内流动 阻力的大小与管长、
6、管径、流体流速和摩擦系数 有关，它们之间存在如下关系。Pf _ l u2 2d Pfpf直管阻力引起的压强降，Pa;i管长，m; u管内平均流速，m / s; 流体的密度，kg / m3; 流体的粘度，Ns / m2。摩擦系数入与雷诺数Re之间有一定的关系， 这个关系一般用曲线来表示。在实验装置中，直 管段管长I和管径d都已固定。若水温一定，则 水的密度p和粘度卩也是定值。所以本实验实质 上是测定直管段流体阻力引起的压强降 Pf与流速u （流量V）之间的关系。根据实验数据和式6-2可以计算出不同流速 （流量V）下的直管摩擦系数 入，用式6-3计算 对应的Re,从而整理出直管摩擦系数和雷诺数 的
7、关系，绘出入与Re的关系曲线。四、实验流程及主要设备参数：1.实验流程图：见图2-1水泵8将储水槽9中的水抽出，送入 实验系统，首先经玻璃转子流量计2测量流量, 然后送入被测直管段5或6测量流体流动的 光滑管或粗糙管的阻力，或经7测量局部阻力 后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体 流动阻力 p可根据其数值大小分别采用变送器18或空气一水倒置U型管10来测量。2 主要设备参数：被测光滑直管段：第一套管径d0.01(m)管长L 1.6(m)材料:不锈钢管第二套管径d0.095(m)管长L 1.6(m)材料:不锈钢管被测粗糙直管段：第一套 管径d0.01(m)管长L 1.6(m)材料：不锈钢管
8、第二套管径d0.0095(m)管长L 1.6(m)材料：不锈钢管2.被测局部阻力直管段： 管径d0.015(m)管长L 1.2(m)材料：不锈钢管3.压力传感器：型号:LXWY 测量范围:200 KPa压力传感器与直流数字电压表连 接方法见图24.直流数字压差表：型号：PZ139 测量范围：200 KPa8(m3/ h)型号:WB70/055扬程:12(m)流量:电机功率:550(W)6.玻璃转子流量计:型号测量范围精度LZB 40100-1000(L / h)1.5LZB 1010 -100(L / h)2.55离心泵:ies 14 iv图2-1五、实验方法1向储水槽内注水，直到水满为止。（
9、有条件 最好用蒸馏水,以保持流体清洁）2.直流数字表的使用方法请详细阅读使用 说明书。3大流量状态下的压差测量系统 ，应先接电 予热1015分钟，调好数字表的零点，方 可启动泵做实验。4.检查导压系统内有无气泡存在.当流量为零时，若空气一水倒置U型管内 两液柱的高度差不为零，则说明系统内有 气泡存在,需赶净气泡方可测取数据。 赶气泡的方法：将流量调至最大，把所有 的阀门全部打开，排出导压管内的气泡 , 直至排净为止。5. 测取数据的顺序可从大流量至小流量，反 之也可，一般测1520组数，建议当流量 读数小于300L/ h时，只用空气一水倒置 U型管测压差 P。6.局部阻力测定时关闭阀门3和4,
10、全开或 半开阀门7,用倒置U型管关测量远端、 近端压差并能测出局部阻力系数。7.待数据测量完毕，关闭流量调节阀，切断电源。六、实验注意事项:1利用压力传感器测大流量下 P时,应切断空气一水倒置U型管闭阀门13、13否则 影响测量数值。2若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水 槽内的水。3.在实验过程中每调节一个流量之后应待流 量和直管压降的数据稳定以后方可记录数 据。4.较长时间未做实验，启动离心泵之前应先盘 轴转动否则易烧坏电机。七、数据处理：(1)入一R的计算在被测直管段的两取压口之间列柏努利方程式,可得： Pf PfPJ2d Pf.2ReL p u du pp符号意义：d管径(m) L管
11、长(m)u流体流速(m / s) Pf直管阻力引起的压降 (N /m2)P流体密度 (Kg / m3)卩-流体粘度(Pa.s)入一摩擦阻力系数Re雷诺准数测得一系列流量下的 Pf之后，根 据实验数据和式(1),(3)计算出不同 流速下的入值。用式(4)计算出Re 值，从而整理出 入一R之间的关系， 在双对数坐标纸上绘出 入一R胡 线。(2) 局部阻力的计算：Hf 局=AP 局/ p = 2AP 近-4P 远)/ p = EX(u2/2)P 2u2实验三、离心泵性能测定实验一、 实验目的：1、熟悉离心泵的结构与操作方法，了解压力、 流量的测量方法。2、掌握离心泵特性曲线、管路特性曲线的 测定方法
12、、表示方法，加深对离心泵性 能的了解。二、 实验内容：1、熟悉离心泵的结构与操作。2、手动（或计算机自动采集数据和过程控 制）测定某型号离心泵在一定转速下，Q （流量）与H （扬程）、N （轴功率）、 （效率）之间的特性曲线以及特定管路 条件下的管路特性曲线。三、 实验原理：A、离心泵性能的测定：离心泵是最常见的液体输送设备。 对于一定型号的泵在一定的转速下，离心泵的扬程H、轴 功率N及效率n均随流量Q的改变而改变。通 常通过实验测出Q-H、Q-N及Q- n关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。特性曲线是确定泵 的适宜操作条件和选用泵的重要依据。 本实验中 使用的即为测定离心泵特性曲线的装置，具
13、体测 定方法如下：1、H的测定：在泵的吸入口和压出口之间以 1N流体 为基准列柏努利方程P入u2入Pb u2 出Z入H Z出g2gg 2g2 2Pb P入 u出u入H(Z出Z入）g 2gH f入出H f入出(1-1)上式中Hf入出是泵的吸入口和压出口之间 管路内的流体流动阻力（不包括泵体内部 的流动阻力所引起的压头损失），当所选 的两截面很接近泵体时，与柏努利方程中 其它项比较，Hf入出值很小，故可忽略。于 是上式变为：H (Z出Z入)(1-2)将测得的咼差（Z出Z入）和P出p入的值以及 计算所得的u入u出代入式1-2即可求 得H的值。2、 N的测定：功率表测得的功率为电动机的输入功 率。由于
14、泵由电动机直接带动，传动效 率可视为1.0，所以电动机的输出功率 等于泵的轴功率。即：泵的轴功率 N =电动机的输出 功率，kw电动机的输出功率=电动机的输 入功率x电动机的效率。泵的轴功率=功率表的读数 电 动机效率，kw。3、 n的测定N1000 102式中：n泵的效率，;的轴功率，kwNe泵的有效功率，kw , H 泵的压头，mQ 泵的流量，m3/s , p 水 的密度，kg/m3B、管路特性曲线的测定：在特定的管路条件下，应用变频调速器 改变电机的频率，相应改变了泵的转速 （流量）。分别测量泵的扬程、流量，即 可得到管路特性曲线。四、实验流程及设备主要技术参数：1、实验流程：水泵将储水
15、槽中的水抽出，送入实验系统，由7 节 r .厂出出口调节阀控制流量，经涡轮流量计计量流量后 经流回储水槽循环使用。2、主要仪器设备一览表:流量公式：Q=F/K*3600/1000，其中f为频率数， 流为涡轮流量管内规间I。沁骨0米号1234储水箱离心泵L7TK 平变器不 锈450 600 550WB 70/055铜质截止阀，通径40NS五、实，操储水槽加入蒸馏水，合上电源总开关。 实验|&阀1、曲线10为/（5F）据后可以得节阀心 率下的流量、泵进出置压改变臂 组数据，处理数据后可得到管路特性 4、把流量调至零位后，停泵。六、测疋闭到零位验前应2.,流量调节阀关七、附棗据处理方法:玄 计算举例
16、率 0.65 (Kw压强P1泵出口处躅,P2=0.132(MPa)、泵入口处 液体温度+17.5宀液体密度 p =1000.8kg/(mf、泵进口咼度=0.18 米流量公式：Q=F/K*3600/1000，其中仪表常数 K=76.724, F=138Q=138/76.724*3600/1000=6.48M3/H(P2 R)(流量)138HZ、电机输入功液一体2温厂度，泵的扬程H罟詈Z ZJ6(。.蔦詈鳥10 0.18 =14.9 (m) 1000.8 9.81泵的轴功率N轴=“电耳电=65060%=0.390 (Kw)泵的效率:H Q gN 100014.9 6.48 9.81 1000.80
17、.39 1000 3600=67.5%实验四、化工传热综合实验，、实验目的:1.2.逆的测定方3.求吕N。0,更热器、强化套管换热器的4.温度计的使用。【下简单套管，求关联m心、进空气流值下强化套管 回归，求关联 n 得准数关联式 热次简单套管。二、 实验内容： 换热器的对定- 式nu=a对e 换热器的 式 NlB 求得 换热器、三、 实验原理：1对流传热系数i的测定对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律，用实 验来测定Qitm i S(6-14)W/(m 2?C)；式中：i 管内流体对流传热系数，Qi管内传热速率，W;S管内换热面积：m2;tmi 管内流体空气与管内壁面的平均温 差，C。平均温差
18、由下式确定：t i t ( mi2(6-15)式中：tii ,ti2冷流体空气的入口、出口温度，C； tw壁面平均温度，C。因为传热管为紫铜管，其导热系数很大，而 管壁又薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平 均温度近似相等，用tw来表示。Si di Li管内换热面积：(6-16)式中：di传热管内径，m;Li传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：其中质量流量由下式求 得： Wi V-L3600式中：Vi冷流体在套管内的平均体积流量，m / h ；cpi冷流体的定压比热，kJ /(kgP冷流体的密度，kg /m3。Cpi和p可根据定性温度tm查得，t冷流体进出口平均温度。2.对流传热系数准数
19、关联式的实验确定流体在管内作强制湍流时，处于被加热状态, 准数关联式的形式为m nNu i A Re i Pg .（6-19）物性数据入、Cpi、p、pl可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气， 普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则 关联式的形式简化为：Nu i AReim Pr.4这样通过实验确定不同流 量下的Re与何，然后用线 性回归方法确定A和m的 值。3.强化比的确定强化传热能减小传热面器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作。 强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的 螺旋线圈的结构图如图6-3所示，螺旋线圈由直径1
20、mm钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈 插入并固定在管内，流体一面由于螺旋线圈的作 用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋 金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制 线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱， 所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以 线圈节距H与管内径d的比值技术参数，且节 距与管内径比是影响传热效果和阻力系数的重 要因素。科学家通过实验研究总结了形式为 Nu BRem的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝 尺寸不同而不同。在本实验中，测定不同流量下 的Re与Nui,用线性回归方法可确定B和m的值。单纯研究强化效果(不考虑阻力的影响)，可 以用强化比的概念作为评判准则，它
21、的形式是： Nu/Nu。，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nuo是 普通管的努塞尔准数，显然，强化比Nu/Nu。 1, 而且它的值越大，强化效果越好。需要说明的是， 如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必 须考虑阻力因素，只有强化比较高，且阻力系数 较小的强化方式，才是最佳的强化方法。4.换热器总传热系数Ko的确定实验中若忽略换热器的热损失，在定态传热过 程中，空气升温获得的热量与对流传递的热量及 换热器的总传热量均相等：K 0So t mQi Wcpi(ti2 tii )(6-21)(6-22)式中传热量Q已由式(6-17)得到，管外径为基 准的换热面积：So do Li式中传热间壁两侧对
22、数平均温度差：在同一流量下分别求取一次简单套管换热器、 强化套管换热器的总传热系数 Ko，并比较两种 套管换热器Ko值的大小。四、实验流程及设备主要参数:121、 实验流程：1、普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强 化套管换热器；3、蒸汽发生器；4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计;7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；& 9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；12、13、蒸汽放空口； 14、蒸汽上升主管路；15、加水口； 16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口;19、电动旁路调节阀2、主要设备参数：供热管参数:表1实验装置结构参数实验内管内径仝 di (mm)2
23、0.00实验内管外径do (mm)22.0实验外管内径Di (mm )50实验外管外径Do (mm )57.0测量段(紫铜内管)长 度 1 (m)1.00强化内管丝径h1内插物(mm)(螺旋线节距H40圈)尺寸(mm)加热 操作电压 200伏釜 操作电流 10安3.空气流量计(1)由孔板与压力传感器及数字显 示仪表组成空气流量计。空气 流量由公式1计算 Vto 18.113 ( P) 0-6203 其中，vto- 20C下的体积流量，m3/h ;p-孔板两端压差，Kpa 空气入口温度(及流量计 处温度)下密度，kg/m3。(2)要想得到实验条件下的空气流量V (m3/h)则需按下式计算：v %
24、 2M 2其中，V-实验条件(管内平均 温度)下的空气流量，m3/h ；t-换热器管内平均温度，C； ti-传热内管空气进口(即流量计 处)温度，c。4温度测量(1)空气入传热管测量段前的温度 ti ( C )由电阻温度计测量，可 由数字显示仪表直接读出。(2)空气出传热管测量段时的温度 t2( C )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。（3）管外壁面平均温度tw（ C ）由数 字式毫伏计测出与其对应的热 电势E（mv）,热电偶是由铜康 铜组成）,再由 E根据公 式 ：tw（C）= 1.2705 +23.518 E（mv）计算得到。5.电加热釜是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升（加水至
25、液位计的上端红线）,? 内装有一支2.5kw的螺旋形电热 器，当水温为30C时，用 200伏电压 加热，约25分钟后水便沸腾，为了 安全和长久使用，建议最高加热（使 用）电压不超过200伏（由固态调压 器调节）。6.气源（鼓风机）又称旋涡气泵，XGB-2型,电机功 率约0.75 KW（使用三相电源），在 本实验装置上，产生的最大和最小 空气流量基本满足要求。 使用过程中，?输出空气的温度呈上升趋势。7.电动旁路调节阀实现计算机过程控制的执行机构， 型号QSVW-16K。通过对旁路的 开关量来控制进入换热器的空气 流量。8.A/D转换卡ART PCI20039.数据通讯MOXA INDUSTRI
26、O CP-132五、实验操作：1实验前的准备,检查工作.(1)向电加热釜加水至液位计上端红线处。(2)向冰水保温瓶中加入适量的冰水，并将 冷端补偿热电偶插入其中。(3)检查蒸气管支路各控制阀是否已打开。 保 证蒸汽和空气管线的畅通。(4)接通电源总闸，设定加热电压，启动电 加热器开关，开始加热。或由计算机 控制加热。加热电压170-190V。2.实验操作：(1)一段时间后水沸腾，水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有 恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。(2)约加热十分钟后，可提前启动鼓风机，保 证实验开始时空气入口温度 ti(C )比较 稳定。(3)用仪表调节空气流量旁路阀的开度，
27、使 压差计的读数为所需的空气流量值 (当 旁路阀全开时，通过传热管的空气流量 为所需的最小值，全关时为最大值)。仪 表调节方法：同时按住set键和A/M键， 用J键和1键调节阀门开度。如果想让 仪表恢复自控，则再同时按住 set键和 A/M 键。也可利用仪表的控制功能调节流量：长 set按键，当仪表pv栏显示su时，用 J键和1键调节SV栏中的数值，至需要 达到的压差数(即孔板流量计压差，测 量空气流量)后，即可等待仪表自行控 制。(4)稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取ti，t2，E值。(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间)(5)重复(3)与共做710个空气流量值。(6)最小，最大
28、流量值一定要做。(7)整个实验过程中，加热电压可以保持(调 节)不变,也可随空气流量的变化作适 当的调节。3转换支路，重复步骤2或3的内容，进 行强化套管换热器的实验。测定 710 组实验数据。4 实验结束.(1)关闭加热器开关。(2)过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全 开。(3)切段总电源(4)若需几天后再做实验，则应将电加热釜和 冰水保温瓶中的水放干净。六、实验设备注意事项：1 .由于采用热电偶测温，所以实验前要检查 冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电偶的冷 端，是否全部浸没在冰水混合物中。2.检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前， 如果发现水位
29、过低，应及时补给水量。3.必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸 汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须 全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀， 再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢， 防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。4必须保证空气管线的畅通。即在接通风机 电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节 阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源， 然后开启和关闭控制阀。七、附录：1.数据处理方法：孔板流量计压差 p=0.60Kpa、进口温度 ti =224C、出口温度 t2 =62.8C 壁面温 度热电势4.20mv。已知数据及有关常数：(1)传热管内径di (mm)及流通断面积 F(m2).di = 20.0(mm ), = 0.0200 (m);F = ndi2) / 4 = 3.142 (0.0200)2 / 4 = 0.0003142( m2).(2)传热管有效长度L( m )及传热面积s(m2). L = 1.00 (m )si = n L di = 3
