恒压过滤传热实验教材.docx
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恒压过滤传热实验教材
实验六恒压过滤常数测定实验
一.实验目的
1.了解恒压过滤装置及其操作。
2．掌握过滤操作的原理。
3.掌握过滤常数K，qe，θe的测定方法。
二.实验原理
1.过滤常数的求取
已知恒压过滤方程为
（6-1）
式中：
q-单位过滤面积获得的滤液体积，m3/m2；
qe-单位过滤面积的虚拟滤液体积，m3/m2；
θ-实际过滤时间，S；
θe-虚拟过滤时间，S；
K-过滤常数，m2/S。
将（6-1）式微分，得
（6-2）
式（6-2）为直线方程，于普通坐标系上标绘
对q的关系，所得直线斜率为
，截距为
，从而求出K、qe。
θe可由下式求得：
（6-3）
当各数据点的时间间隔不大时，
可以用增量之比
来代替，通过
与
作图即可求得K。
在实验中，当计量瓶中的滤液达到100ml刻度时开始按表计时，作为恒压过滤时间的零点。
但是，在此之前过滤早以开始，即计时之前系统内已有滤液存在，这部分滤液量可视为常量以q'表示，这些滤液对应的滤饼视为过滤介质以外的另一层过滤介质，在整理数据时应考虑进去，则方程应改写为
（6-4）
其中
（6-5）
式中A—滤布面积m2
2.滤饼压缩性指数s与物料过滤特征常数k
滤饼压缩性指数s是反映滤饼的压缩性，一般s=0~1；滤饼不可压缩时，则s=0。
与压差有如下关系：
（6-6）
式中r'为单位压强差下滤饼的比阻，1/m2；
物料的物料过滤特征常数k定义如下：
（6-7）
式中为滤液的粘度，Pa∙s；u为滤液的流速，m/s；
研究表明，过滤常数K与过滤压强差∆P、滤饼压缩性指数s与物料过滤特征常数k之间存在如下关系：
（6-8）
对上式两边取对数，可得
（6-9）
这样通过在若干不同的压强差下对指定物料进行试验，求得若干过滤压强差∆P下的过滤常数K值，以ln（∆P）对lnK作图，就可得到一条直线，则直线的斜率即为（1-s），截距为ln（2k），于是就可求得s和k。
注意这里在过滤压强变化范围内，滤饼的空隙率没有显著的改变。
三、实验装置
1.主要设备参数
不锈钢过滤器，内径74mm，其结构示意图见图6-1。
图6-1恒压过滤实验流程示意图
2.实验流程图
实验装置如图6-2所示，滤浆槽内配有一定浓度的碳酸钙悬浮液，用电动搅拌器进行均匀搅拌（浆液不出现旋涡为好）。
启动真空泵，使系统内形成真空达指定值。
滤液在计量瓶内计量。
图6-2恒压过滤实验流程示意图
1-滤浆槽；2-过滤漏斗（内径74mm）；3-搅拌电机；4-真空旋塞；5-积液瓶；
6-真空压力表；7、12-放空阀；8-缓冲罐；9-真空泵；10-放液阀；11-真空胶皮管
四、实验方法及操作步骤
1.系统接上电源，启动电动搅拌器，待槽内浆液搅拌均匀，将过滤漏斗按流程图所示安装好，固定于浆液槽内。
2.打开放空阀7关闭旋塞4及放液阀10。
3.启动真空泵，用放空阀7及时调节系统内的真空度，使真空表的读数稍大于指定值，然后打开旋塞4进行抽滤。
此后时间内应注意观察真空表的读数应恒定于指定值。
当计量瓶滤液达到100ml刻度时按表计时，做为恒压过滤时间的零点。
记录滤液每增加100ml所用的时间。
当计量瓶读数为800ml时停止计时，并立即关闭旋塞4。
4.把放空阀7全开，关闭真空泵，打开旋塞4，利用系统内的大气压和液位高度差把吸附在过滤介质上的滤饼压回槽内，放出计量瓶内的滤液并倒回槽内，以保证滤浆浓度恒定。
卸下过滤漏斗洗净待用。
5.改变真空度重复上述实验。
6.各小组可根据不同的实验要求，自行选择不同的真空度测定过滤常数K、qe、
θe及s、k。
五、实验注意事项
1.检查一下真空泵内真空泵油是否在示镜液面以上。
2.过滤漏斗如图2-15安装，在滤浆中潜没一定深度，让过滤介质平行于液面，以防止空气被抽入造成滤饼厚度不均匀。
3.用放空阀7调节。
控制系统内的真空度恒定，以保证恒压状态下操作。
4.电动搅拌器为无级调速，使用方法为：
系统接上电源，打开调速器开关，将调速钮从"小"至"大"位启动，不允许高速挡启动，转速状态下出现异常时或实验完毕后将调速钮恢复最小位。
5.为安全，实验设备应接地线。
6.启动搅拌前，用手旋转一下搅拌轴以保证顺利启动搅拌。
六、实验结果
实验数据整理见表6-1、6-2。
表6-1、过滤常数表
序号
1
2
3
过滤压差∆P/Pa
过滤常数
K/（m3/m2）
qe/（m3/m2）
θe/s
表6-2、过滤实验数据表
V/ml
q/
（m3/m2）
Qav/
（m3/m2）
0.03MPa
0.05MPa
0.07Mpa
θ/s
Δθ/s
Δθ/Δq
θ/s
Δθ/s
Δθ/Δq
θ/s
Δθ/s
Δθ/Δq
100
200
300
400
500
600
700
800
900
注：
V=V'-100
七、思考题
1．过滤操作的外力有哪些？
2．恒压过滤的特点是什么？
3．求压缩性指数所用的公式有无条件限制？
为什么？
实验七传热系数K和给热系数α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强化传热的途径。
二、实验原理
1、理论研究
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。
由传热速率方程知，单位时间所传递的热量
图1传热过程示意图
（7-1）
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
（7-2）
或
（7-3）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
dl
（7-4）
由热量平衡和忽略热损失，可将（7-2）、（7-3）、（7-4）式写成如下等式
（7-5）
所以
（7-6）
（7-7）
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π定理，热量传递范畴基本因次有四个：
[L],[M],[T],[t],壁面的导热热阻与对流给热热阻相比可以忽略
（7-8）
要研究上式的因果关系，尚有π=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，过程分解和过程合成法由此诞生。
该方法的基本处理过程是将（7-7）式研究的对象分解成两个子过程如（7-8）式所示，分别对α1,α2进行研究，之后再将α1,α2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α1
α2时，K≈α2，反之当α1
α2时，K≈α。
欲提高K设法强化给热系数小的一侧α，由于设备结构和流体已定，从（7-9）式可知，只要温度变化不大，α1只随u1而变，
（7-9）
改变u1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α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构件，导致强化给热系数。
由（7-9）式，π定理告诉我们，π=７－４＝３个无因次数群，即：
（7-10）
经无因次处理，得
（7-11）
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（7-11）可改写为：
式中：
2、传热系数K和α的实验测定
实验装置的建立依据如下热量恒算式和传热速率方程式，它是将（7-5）和（7-6）式联立,则
（7-12）
其中
（7-13）
（7-14）
其中：
（7-15）
（7-16）
若实验物系选定水蒸汽与冷空气,由（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：
A-------------由换热器的结构参数而定；
qc------------测冷流体的流量计；
t1、t2---------测冷流体的进、出口温度计；
T-------------测热流体的进、出口温度计；
Cpc------------由冷流体的进、出口平均温度决定；
、
---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图。
三、实验装置及流程
四、实验步骤
1．在蒸汽发生器放入去离子水之液位管上段处，让水浸没加热电棒，以防烧坏。
2．打开加热电源开关，水蒸汽发生器开始工作，约20min水沸腾，此时打开气源开关，调节空气流量为20m3/h。
待套管表面发热，打开套管底端法兰下的排气拷克2～3次，排除不凝性气体。
3．整个实验操作热流体的进口温度是恒定的，改变唯一操作变量即冷空气转子流量计阀门开度，达到改变流速的目的。
4．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。
5．实验结束时，先关加热电源，保持冷空气继续流动20min，以足够冷却套管换热器及壁温，保护热电偶接触正常。
五、实验数据
管内径di=18mm管壁厚δ=2.0mm管长L=1.3m
No.
蒸汽压力MPa
蒸汽温度oC
空气流量m3/h
空气进口温度oC
空气出口温度oC
下壁温oC
上壁温oC
1
2
3
4
实验九裸管与绝热管传热实验
一、实验目的
1.了解间壁式传热元件的研究方法；
2.掌握保温管保温材料的导热系数、套管换热器对流传热系数和裸管管壁对空气自然对流传热系数的测量方法；
3.学会给热系数测定的实验数据处理方法；
4.了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
二、实验原理
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或加热。
这种传热过程系冷、热流体通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。
它是由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热三个传热过程所组成。
如图9-1所示。
图9-1传热过程示意图
由传热速率方程知，单位时间、单位传热面所传递的热量
（9-1）
而对流传热所传的热量，对于冷、热流体可由牛顿冷却定律表示
（9-2）
亦可分别表示为：
（9-3）
或
（9-4）
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
（9-5）
在以冷流体侧的传热面为基础的传热系数为：
（9-6）
式中：
q-传热量；K-传热系数；
α-给热系数；T-热流体温度；
tw1、tw2-热、冷侧的壁温；λ-固体导热系热；
δ-壁厚；A-传热面积。
下标c-冷侧；h-热侧；m-平均值。
由式（9-2）知，除固体的导热系数与壁厚对传热过程的传热性能有影响外，尚有影响传热过程的参数极多，这不利于对传热过程作整体研究。
对于间壁式传热过程而言，因它具有固定的传热壁面。
可借助于对流传热的研究结果，由式（9-6）可获得相应的传热系数。
这种处理方法称为过程分解与过程合成法。
由于对流传热过程十分复杂，影响因素极多，目前尚不能通过解析法得到给热系数的关系式。
它必须由实验加以测定，获得各影响因素与给热系数的定量关系。
为了减少实验工作量，采用因次分析法将有关的影响因素经无因次化处理后组成若干个无因次数群，从而获得描述对流传热过程的无因次方程。
在此基础上组织实验，并经过数据处理得到相应的关系式。
现以不发生相变的流体和固体壁面间的对流传热为例，其影响因素为
（1）固体壁面的特征尺寸：
l
（2）流体的物理性质：
ρ、μ、cp、λ
（3）强制对流的流速：
u
（4）产生自然对流的升力，此升力可由gβΔt表征，故
α=f（l，ρ，μ，cp，u，λ，βgΔT）（9-7）
经无因次处理，得：
（9-8）
式中
为努塞尔（Nusselt）准数，描述对流给热的大小；
为雷诺（Reynold）准数、描述流体流动状态；
为普朗特（Prandtl）准效，描述流体的物性；
为格拉斯霍夫（Grashof）准数，描述自然对流的运动状态。
在强制对流时，可忽略自然对流的影响，则
（9-9）
如果温度对流体的特性影响不大的系统，并且温度变化范围不太大，则式可改写成
（9-10）
式中：
在定常给热时，由热量恒算得：
（9-11）
由传热速率方程可分别表示为
（9-12）
或
（9-13）
或
（9-14）
式中：
G、cp-冷流体的质量流率和热容
D、R-蒸汽冷凝液的流率和潜热
α-给热系数
K-传热系数
Δtm-传热两端的对数平均温差
下标：
h-蒸汽侧
c-冷水侧
三、实验装置和流程
加热器3将水加热成为水蒸气后，水蒸气进入到汽包5中，阀11排除不凝气。
水蒸气分别在保温管、裸管和对流传热管冷凝传热，用量筒和秒表记录冷凝量和时间。
在对流传热管中，水经过高位槽由转子流量计计量后进入套管换热器壳层。
图9-2实验装置流程示意图
1-放水阀、2-电加热器、3-蒸汽发生器、4-加水阀、5-汽包、6-保温层、7-保温测试管、8-收集瓶、9-放水阀、10-裸管测试管、11-放汽阀、12-套管换热器、13-截止阀、14-高位槽、15-溢流口
1.温度测量
（1）空气、水温度及传热管壁温测量全部采用铜─康铜热电偶温度计测量，温度T（℃）由数字式毫伏计测出与其对应的热电势E（mv）,再由E计算得到：
Tw（℃）=8.5＋21.26×E。
（9-15）
（2）温度计转换开关序号表示
0-保温管内壁温；1-保温管外壁温；2-裸管外壁温；3-套管换热器进水温度；4-套管换热器出水温度；5-套管换热器壁面温度；6-汽包温度；7-加热釜温度；8-空气温度
2.传热管参数
表9-1实验装置结构参数
保温管
裸管
对流传热管
材料
内管内径di（mm）
16
16
16
紫铜
内管外径do（mm）
18
18
18
管长L（mm）
600
600
600
外管外径D0（mm）
43
43
玻璃
外管内径Di（mm）
34
34
四、实验操作步骤
1.熟悉设备流程。
检查各阀门的开关情况。
排放汽包中的冷凝水。
2.打开加热器进水阀，加水至液面计高度的2/3后关闭进水阀。
3.将电热棒接上电源。
并将调压器电压从0调至200V待有蒸汽后。
将调压器的电压调低（160V~180V）。
4.有蒸汽后，打开套管换热器的冷却水进口阀。
调节冷却水流量为某一值（一般5L/h~10L/h）。
5.待传热过程达稳定后，分别测量各设备单位时间的冷凝液量、壁温、水温及气温。
6.重复进行步骤1至步骤5多次。
直至数据重复为止。
（或改变条件重复实验）
7.实验完毕后，切断加热电源。
关闭冷却水阀。
五、实验注意事项
1.要经常观察加热器水位使之不低于1/2高度。
2.进行实验步骤5之前，应注意系统中不凝汽及冷凝水的排放情况。
3.检查铜─康铜热电偶冷端补偿保持0℃。
六、实验结果及数据处理
根据传热基本方程
，园筒壁的热传导方程
及牛顿定律
测定
和
T。
1.保温管-保温材料导热系数
的测定
＝
（9-16）
（W/m·℃）（9-17）
（9-18）
式中：
－传热速率（W）；
－饱和蒸汽的汽化的冷凝速率（kg/s）；
－水蒸汽的汽化潜热（J/kg）；
TW、tw－分别为保温层两侧的温度（℃）；
b－保温层的厚度，m；
Am－保温层内外壁的平均面积，m2；
L－保温管的长度，m；
r2、r1－分别为保温层两侧的半径，m。
2.裸管-空气自然对流给热系数
的测定
（W/m2·℃）（9-19）
式中
－分别为壁温和空气温度，℃
3.汽-水（整管）传热系数
的测定
（W/m2·℃）（9-20）
（9-21）
式中：
－传热面积，m2；
tw－管壁温度，℃；
t1－液体水进口温度，℃；t2－液体水出口温度，℃；
－液体水进出口温度的平均值，℃。
七、思考题
1．在蒸汽冷凝时，若存在不凝性气体，你认为将会有什么变化？
2．本实验中所测定的壁面温度是靠近蒸汽温度，还是接近水侧的温度？
为什么？
3．从你的实验结果，保温管外再包一层同样厚度的同样绝热材料，热损失能否减少1/2？
表9-2裸管与绝热管传热实验数据记录表
序号
保温管
裸管
对流传热管
1
加热电压（V）
加热电压（V）
加热电压（V）
2
加热电流（A）
加热电流（A）
加热电流（A）
3
冷凝水量（ml）
冷凝水量（ml）
冷凝水量（ml）
4
时间（s）
时间（s）
时间（s）
5
加热器内热电势（mv）
加热器内热电势（mv）
加热器内热电势（mv）
6
加热器内温度（℃）
加热器内温度（℃）
加热器内温度（℃）
7
汽包热电势（mv）
汽包热电势（mv）
汽包热电势（mv）
8
汽包温度（℃）
汽包温度（℃）
汽包温度（℃）
9
壁面平均热电势（mv）
裸管平均热电势（mv）
壁面平均热电势（mv）
10
内管外壁面温度（℃）
裸管外壁面温度（℃）
内管外壁面温度（℃）
11
保温管外平均热电势（mv）
空气平均热电势（mv）
水进口热电势（mv）
12
保温管外平均温度（℃）
空气温度（℃）
水进口温度（℃）
13
水出口热电势（mv）
14
水出口温度（℃）
15
水蒸气的密度
100℃时水蒸气的密度
100℃时水蒸气的密度
16
水蒸气的冷凝潜热
100℃时水蒸气的冷凝潜热
100℃时水蒸气的冷凝潜热
17
蒸汽冷凝流量（m3/h）
蒸汽冷凝流量（m3/h）
蒸汽冷凝流量（m3/h）
18
蒸汽冷凝流量（Kg/h）
蒸汽冷凝流量（Kg/h）
蒸汽冷凝流量（Kg/h）
19
传热量（W）
传热量（W）
传热量（W）
20
传热面积（m2）
传热面积（m2）
传热面积（m2）
21
导热系数（W/m·℃）
导热系数（W/m·℃）
导热系数（W/m·℃）
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